管幕冻结隧道“顶管?冻土”复合结构力学特性试验研究

拱北隧道暗挖段作为港珠澳大桥珠海连接线的重点工程，首次运用管幕冻结法进行施工。该法综合管幕法和人工地层冻结法的优势，可在隧道断面形成“顶管?冻土帷幕”复合支护体系，有效实现“承载”与“顶管间止水”的双重目标，确保隧道开挖时的稳定与安全。为获得“顶管?冻土”复合结构的温度、变形与力学特性，基于相似理论自主研发构建一套相似模型试验系统并开展试验研究，同时利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立数值计算模型进行模拟验证。结果表明:复合结构的冻结温度场因空、实顶管及其内部冻结器的布置形式呈现不均匀分布特征，冻土形成速率在冻结后期明显变缓；土体竖向冻胀变形在60~160 min内急剧增大，且冻胀量随深度增加而增大，整体规律与温度场分布密切相关；土体冻结产生的冻胀力对顶管水平受力影响较大，空顶管相对刚度较小而产生较大水平变形；在加载阶段，顶管受力与变形均以竖向为主。因空、实顶管刚度差异和冻土厚度不均匀的共同影响，空顶管竖向变形包含了“弯曲”与“压扁”并具有非线性特征，其跨中截面底部竖向位移峰值约为实顶管的1.6倍；加载至0.28 MPa时，管间冻土首先发生破坏，进而导致顶管间封水功能失效，实际施工中应重点监测空顶管的变形规律、管间冻土帷幕的温度变化及其完整性。研究成果可为管幕冻结法的施工与监测提供参考，也可为热力耦合数值计算模型提供验证依据。