富水地层多圈水平杯型冻结温度场分布形式及变化机理研究

为了掌握富水地层多圈水平杯型冻结温度场的分布形式及发展规律,以昆明地铁城市轨道交通5号线冻结加固工程为背景,通过现场监测、数值计算、室内试验对冻结帷幕温度场变化规律及内在机理展开研究,分析冻结壁温度场在形成过程中的变化规律.试验结果表明:在外部降温计划的作用下,冻结壁温度场按照温度变化过程分为快速降温阶段、潜热释放阶段、稳定温度阶段及冻结维护阶段4个阶段.各阶段曲线变化速率与加固范围内试样未冻水含量变化具有一定的关联,未冻水往往通过影响比热容、导热系数与潜热等热参数对冻结壁温度场的变化规律从而影响到整体下的温度场分布规律.未冻水含量变化通过改变冻结冰体圆柱与土柱的几何位置关系从而影响试样冻结过程中的热传导形式,其中比热容在正温阶段时随温度降低逐渐增加.

富水砂砾地层水平杯型冻结温度场变化规律分析

针对富水砂砾地层饱和度高、渗透性强和施工风险高等问题,盾构端头采用水平杯型冻结加固法,可有效防止涌水涌砂,保证施工安全。本文以昆明地铁5号线盾构始发端头的冻结作业为依托,对水平杯型多圈冻结帷幕各圈层的地层温度进行了现场监测,明确其温度场的变化规律、阶段特点及冻结效果。研究结果表明:温度场发展可划分为4个阶段,且与盐水降温的两期计划有很好的协调性。多圈冻结外圈与中圈之间冻结速度最快,外圈外侧最慢,发展速率之比可达1.00∶0.53,符合实际工程需要。杯型冻结杯底加固区降温速率均高于杯身加固区,平均交圈时间快5 d左右,最终形成冻结帷幕的平均温度也更低。

杯型冻结壁杯底合理厚度计算分析

杯型冻结壁杯底厚度的确定一直是实际工程设计和施工中需要解决的关键问题。结合某过江隧道东端头盾构始发工程,在封门拆除这个最不利工况下对冻土帷幕及端头地层进行数值分析,对不同杯底厚度冻土帷幕的位移场和应力场进行研究。主要得出:竖向位移集中在杯底上下两侧与杯身交结处,杯身竖向位移很小,杯底变形均为板块受压变形;地表离洞门越近沉降量越大,地面沉降在纵、横向变形呈漏斗状;杯底厚度的增加对地表沉降影响很小;纵向位移都集中在杯底,位移最大值都发生在暴露掌子面中心处,杯身基本不发生纵向位移;应力值均在设计强度范围之内,且有较多富余;杯身宽度为2 m和杯身长度为18 m时,本工程杯底厚度取1m就可在强度和变形上满足要求。所得结果可供今后类似工程参考。

盾构隧道端头杯型冻结壁加固温度场数值分析

当采用杯型水平冻结工法作为盾构隧道端头地层加固方式时,确定冻结加固所需范围及加固工艺、掌握冻结帷幕温度场发展与分布规律等是需要解决的关键问题。结合南京地铁2号线逸仙桥站西端头盾构始发工程,对杯型冻结壁加固温度场发展与分布规律进行了研究。数值模拟结果表明:在设计冻结方案下,杯型冻结帷幕厚度满足加固范围要求,开始交圈时间由早到晚依次为外圈管>中圈管>内圈管,形成闭合的杯型冻结帷幕的时间为15天。

杯型冻结壁不同杯身长度的数值分析

以某过江隧道东端头盾构始发工程为依托,在封门拆除这个最不利工况下对冻土帷幕及端头地层进行数值分析,对不同杯身长度冻土帷幕的位移场和应力场分布情况进行研究。主要得出:杯身基本不发生位移;地表离掌子面越近沉降量越大;纵向位移最大值均发生在暴露掌子面中心处;应力值均在设计强度范围之内,且有较多富余;杯身和杯底厚度均为2 m时,该工程杯身长度取3 m就可在强度和变形上满足要求,但为了止水,杯身长度宜为18 m。

盾构隧道端头杯型冻结壁温度场数值优化分析

结合南京地铁逸仙桥车站盾构始发杯型水平冻结工程,运用有限元软件建立数值计算模型,验证该模型的正确性,并通过减少冻结管布置根数来优化原冻结设计方案,对比分析3种冻结方案的可行性,以探求最佳冻结管布设方案。数值计算结果表明:实际工程冻结方案偏于保守,减少冻结管根数后也可满足工程要求。所得结果可为今后类似工程设计提供技术参考依据。

盾构隧道端头垂直杯型冻结壁温度场数值分析

本文对盾构隧道端头垂直杯型冻结壁加固结构作了简单介绍,对该垂直杯型冻结壁的温度场进行了数值分析,主要得出:该垂直杯型冻结壁适合作为软土地区富含水砂层端头的地层加固方式,可有效解决该地区常规加固方式加固效果不佳的问题;数值模拟结果表明:当冻结30 d后,冻土帷幕平均厚度大于1.6 m,该工法可行;随着导热系数不断增大,数值模型到达相变的时间缩短,相变时间也相应缩短;在相同冻结时间内,容积热容越大土体温度越高,降温速度越慢;随着原始地温的升高,土体降温所需要的冷量增大,降温时间增长。所得结果可为今后类似工程设计提供技术参考依据。

双圆盾构隧道杯型冻结壁温度场数值优化分析

为得到双圆盾构隧道始发端头应用水平杯型冻结法进行加固时的温度场变化规律,该文结合上海市轨道交通6号线某双圆盾构隧道区间工程,通过使用有限元数值模拟软件建立数值模型,分析初始模型设计102根冻结管时双圆盾构隧道端头杯型冻结壁温度场的发展规律,并提出2种优化方案:方案1为内圈、中圈、外圈冻结管根数分别减少2、4、6根;方案2为内圈、中圈、外圈冻结管根数分别减少4、6、10根,分析对比初始模型以及2个优化方案的冻结效果。结果表明,在冻结开始后,冻土帷幕围绕各冻结管呈圆柱形逐渐向外延伸,距离冻结管越近,冻结效果越好;冻土帷幕依次按外圈管到中圈管,再到内圈管的次序开始交圈,冻结第18天形成一个形状规则、强度分布均匀的近似双圆杯型冻结壁;双圆杯型冻结壁杯底长度10.2 m,杯身高度4.4 m,杯壁厚度2 m,杯底厚度2 m;优化前初始冻结方案使用102根冻结管符合施工要求,冻结效果良好,在实际施工中具有可行性,但偏于保守,2种优化方案在减少冻结管数量后依然满足盾构始发杯型冻结壁杯体要求。

盾构进出洞处地基水平杯型冻结加固的温度场研究

上海城市轨道交通某线在冻结法加固盾构进出洞工程在穿越一中间风井时采用水平杯型冻结技术。通过冻结温度场分析,验证了该风井处进出洞冻结工程设计中杯身冻结器比杯底冻结器长1.1 m的合理性,同时验证了水平杯型冻结壁设计在盾构机进出洞冻结工程设计中的科学性,为同类工程设计和施工提供借鉴。

杯型冻结法盾构接收在杭州地铁的应用研究

杭州地铁4号线二期工程有多处盾构接收,尤其是部分站点周边环境复杂,为保障盾构顺利接收、周边管线安全及社会交通通畅,需要对盾构接收加固工艺进行比选后施工,文章从设计优化、交通组织、施工组织方面对复杂交通环境下地铁盾构区间隧道接收的施工技术进行了介绍,根据该方案施工,该工程顺利完成两条盾构区间的盾构接收工作,为杭州地区类似工程提供较好的借鉴。

复杂城市环境下盾构始发杯型冻结温度监测研究

为解决城市复杂环境下盾构地铁始发技术难题,针对郑州地铁3号线二七广场站工程地质条件,提出杯型冻结盾构始发方案,设计了相应冻结孔布置方案,并设有相应监测系统分析土体温度变化及冻结壁发展过程。通过盐水干管及测温孔内测温数据表明,土体冻结过程有序、有效,设计方案安全、可靠,相关工程技术供类似项目参考。

盾构隧道端头矩形截面杯型水平冻结壁温度场数值分析

基于矩形盾构进出洞时采用杯型水平冻结工法进行土体加固,对该矩形截面杯型水平冻结壁温度场发展规律进行数值分析,并且将数值计算结果与圆形截面杯型水平冻结壁进行对比,主要得出:设计冻结方案下形成闭合矩形和圆形截面杯型冻结壁的时间分别为20 d和16 d,冻结40 d时圆形截面杯型冻结壁的冻结效果较好;在矩形截面杯型冻结壁冻结方案设计时,外圈管可适当加密,使冻结管间距控制在1.0 m以内;矩形截面杯型冻结壁1 m厚的杯底温度在冻结25、30、40 d时分别达到-10、-15、-20℃;冻结40 d时矩形截面杯底的0℃等温线离中心管4.9 m,-10℃等温线离中心管4.1 m,盾构机可在1 m厚的冻土帷幕保护下开挖掘进,矩形截面杯型水平冻结工法是可行的。

盾构隧道接收端冻结温度场的演化规律

为了研究哈尔滨地铁大有坊街站—太平桥站区间左线盾构接收端水平冻结温度场的演化规律,通过开展接收端土层热物理试验,建立ABAQUS三维数值模型,研究了杯型冻结壁有效厚度、平均温度及温度场发展与分布规律,并结合现场监测验证了接收端冻结工程方案的可靠性。结果表明:冻结过程中,杯型冻结壁的外圈管、内圈管和中圈管依次完成交圈;积极冻结25 d,杯型冻结壁有效厚度和平均温度均已满足方案要求,继续积极冻结至30 d,杯底厚度发展至3.74 m,平均温度可达-18.99℃;杯身厚度发展至1.81 m,平均温度可达-14.12℃。可见,该加固方案安全可行,研究结果可为相同地层环境下盾构接收端冻结工程提供参考。

盾构隧道端头新型加固方式研究

盾构隧道端头土体加固的成功与否将直接关系到盾构进出洞施工的安全，合理选择盾构隧道端头土体的加固方式是保证盾构法隧道顺利施工非常重要的环节。对盾构隧道端头常用的加固方式进行总结，得出：对于软土地区，盾构隧道端头采用最多的是水泥土深层搅拌桩＋高压旋喷桩（或注浆）的加固方式，当受地面环境限制时，可采用冻结法进行加固；在砂层中，主要采用地层加固＋降水的加固方式；遇到全断面岩石地层时，无需进行地基加固，可采用分层注浆的施工方案；对于特殊地层，需采取较为特殊的加固方式。同时给出了三种新型加固方式，并以此指导现场工程实践与应用，对其它工程建设中的地基处理、土体加固等问题都具有一定的指导作用。

水平冻结温度场及不同因素对短管底部冻结壁厚度的影响

以南京地铁二号线逸仙桥车站盾构出洞水平杯型冻结加固实例为工程背景,建立有限元温度场计算模型,对冻结壁交圈时间及其底部冻结壁厚度的发展规律进行了研究。结果表明:冻结条件相同时,较低的地层初始温度、盐水温度、潜热、热容量和较大的冻结管直径、导热系数对应较短的交圈时间、较低的地层温度与较大的短管底部冻结壁厚度;各因素取值范围内,短管交圈时间为7～17d,冻结40d时,短管底部冻结壁厚度可达30～77cm,该"保护层"厚度有效确保了拔除板块区冻结管后杯型冻结壁整体稳定性。