异形加强冻结管外壁保温对管幕冻结效果影响试验研究

新型管幕冻结法冻结系统由充填混凝土的实顶管内布置圆形主力冻结管和限位管、未充填混凝土的空顶管内布置异形加强冻结管组成。为分析该新型管幕冻结系统中空顶管周围的冻结效果,通过拱北隧道管幕冻结现场原型试验,对空顶管中异形加强冻结管是否采取外表面保温措施展开研究,利用冻土帷幕厚度的变化对异形加强冻结管保温措施与不保温状态进行冻结效果对比分析。结果表明:异形加强冻结管保温不利于冻土帷幕的形成,随着冻结时间推移,冻土帷幕的发展会越来越慢;协同冻结模式下60 d后保温与不保温的冻土厚度之差约为冻结20 d的2倍。可以把空顶管作为“大冻结管”来考虑,利用异形加强冻结管对空顶管内部整体降温,更有利于顶管周围冻土帷幕的发展。

渗流作用下三亚河口通道管幕冻结法温度场数值模拟分析

为得到在渗流作用下管幕冻结法温度场的变化规律,以三亚河口通道海底隧道工程初步设计为例,运用有限元数值模拟软件建立水热耦合模型,假设模型中渗流流向自左向右,通过改变模型中平均渗流速度的大小对冻结帷幕的发展、封闭性、厚度变化等进行分析.结果表明:在冻结期间,随着平均渗流速度的增大,外圈冻土帷幕的形成时间延迟,其向渗流流向偏移的程度增大,且最终稳定的冻土帷幕平均厚度减小;在冻结约14 d后,不同水头差下的冻土帷幕内部渗流速度均降至0 m/d,冻土帷幕在形成的早期受渗流作用的影响较大.鉴于原冻结方案较为保守,提出优化冻结方案:将原冻结方案外圈冻结管减少一半至48根,且调整盐水降温计划实现二次优化.对二次优化结果分有渗流与无渗流两种情形进行讨论,结果得出:优化后在渗流作用下冻土帷幕厚度约5 m,比原方案减少了2 m,既满足冻结设计要求,又提高了经济性.

不同渗流速度对新型管幕冻结法温度场影响

为了探究渗流作用对新型管幕冻结法温度场发展与分布规律的影响,利用有限元软件研究不同渗流速度下冻结施工中冻结帷幕的发展规律,通过分析冻结壁的交圈时间与最终厚度,得出如下结论:渗流对冻结帷幕的影响主要体现在冻结施工前期冻结壁未交圈时,以及渗流作用对上游的冻结帷幕影响较下游更显著,导致冻结帷幕产生向下游的偏移;冻结壁交圈后能发挥较好的止水作用,冻结区域内渗流速度几乎为0;渗流对温度场的影响体现在使冻结壁交圈时间推迟与使冻结壁厚度变薄,随着渗流速度增加,冻结帷幕交圈闭合时间延长呈现非线性,可采用指数函数进行拟合;上游与冻结方向平行处冻结壁最薄,冻结帷幕与渗流方向垂直处几乎不受到渗流影响,在渗流速度过大时,冻结帷幕交圈时间会大幅增加,可采用加密上游冻结管的方式减小渗流对冻结区域的影响,分析结果可为后续类似工程提供参考依据.

基于多跨单向板力学模型的管幕冻结法隧道初期支护参数优化方法

管幕冻结法是一种在复杂水文条件下能够较好地控制地层沉降和涌水风险的新型工法,目前在管幕冻结法隧道设计中未考虑管幕-冻结圈承载力与隧道初期支护承载力的匹配问题,导致初期支护设计偏保守,使得初期支护钢架布置密,施工效率低,因此,需要进行初期支护优化研究。以隧道下穿秦淮新河段为依托工程,首先基于多跨单向板力学模型考虑等距钢架对上部冻结圈的支撑作用,求解组合结构内力;其次按照组合梁模型求解组合结构应力,并按照强度控制计算最大允许钢架间距;最后采用数值模拟,对初期支护参数优化进行研究。结果表明:本工程中最大允许钢架间距由中性轴以下部分混凝土强度控制,为2~3 m;拱架刚度对衬砌变形及应力影响较大,提升拱架刚度对于改善初期支护应力状态具有良好效果;综合考虑冻结圈和衬砌的变形和应力,得到适用于本工程的初期支护优化参数。

管幕冻结法积极冻结方案模型试验研究

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程预支护体系采用管幕法与人工冻结技术相结合的全新"管幕冻结法"施工。根据工程实际情况,首次提出了在管幕钢管内部布置"圆形主力冻结管"、"异形加强冻结管"和"升温盐水限位管"三种特殊管路构成的冻结方案。为了研究该冻结方案的有效性与可控性,进行了大型物理模型试验。文章主要介绍了模型试验概况,重点分析了开挖前积极冻结阶段冻结的试验效果。试验结果表明,积极冻结阶段冻土帷幕发展显现了预期规律,冻结效果显著;管幕间形成良好的冻土帷幕,可确保良好的止水效果。

拱北隧道管幕冻结法现场原型试验解冻温度场实测研究

为了能够更加全面地掌握解冻阶段温度场变化规律,采用现场原型试验研究了在解冻阶段两种不同解冻方式(自然解冻和"自然+强制"解冻)下温度场变化规律。试验表明,由于冻土量较小,解冻时间相比于一般冻结工程来说较短,而且利用常温盐水强制解冻,就能达到很好的效果。在空顶管的防通风措施解除后,自然解冻条件下冻土融化速率较快,不需要开启加强管的热盐水循环。该试验作为系统研究管幕冻结法冻结效果动态控制研究的重要一环,探究了管幕冻结法解冻规律,为实际施工提供了可靠的研究依据,能够有效地降低融沉影响。

新型管幕冻结法温度场数值分析

运用有限元软件分析新型管幕冻结法温度场发展与分布规律,通过数值模型中的6条路径对冻土帷幕的发展、厚度变化和封闭性进行研究,结果表明:冻结8 d时圆形冻土帷幕开始交圈,30 d时管幕间冻土帷幕已经形成,为平均温度-18℃的0.6 m厚冻结壁,40 d时管幕间平均温度-18℃的冻土帷幕厚度达到0.8 m,且有透过管幕发展成连续冻结壁的趋势;冻结16 d时0℃以下冻土帷幕厚度已达1 m,-10℃以下冻土帷幕厚度达到1 m所需冻结时间为35 d;钢材与冻土界面上的温度在冻结20 d时都降到了0℃以下,在冻结40 d时都降到了-10℃以下。所得结果可为今后类似工程设计提供理论参考依据。

城市富水地层大型地下空间管幕冻结规律模型试验研究

为解决管幕+冻土复合结构在大体量冻结工程应用时冻胀规律不明确、控制效果不稳定等难题,基于上海轨道交通18号线江浦路车站管幕冻结暗挖工程进行了开放系统下的模型试验。通过对不同影响因素下的管幕冻结冻胀特性和管幕受力规律进行试验研究,得出以下结论:1)管幕可以对冻胀产生较好的约束作用,管幕+错峰冻结可以有效避免上覆土体及结构抬升;2)间歇冻结后管幕受力曲线根据间歇时间呈现规律性锯齿波动,停冻3、5、7 d后,管幕所受冻胀压力分别可以减少约40、50、60 MPa,表明采用间歇冻结可以有效降低冻胀压力;3)上覆地层压力越大,管幕受冻胀压力越小,较大的上覆压力可以约束冻胀的发展。

拱北隧道管幕冻结施工中限位管的冻结效果控制研究

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道采用管幕冻结法施工。为了获取合适的冻结施工参数,采用原型试验研究限位管的冻结效果控制作用。试验结果表明:当管幕冻结施工过程中实顶管正上方冻土发展较快时,可通过在限位管循环热盐水来控制冻土发展,其中,限位管温度为8℃比2℃时能更好地控制冻土厚度;但是,若实顶管与空顶管之间的冻土及空顶管上方的冻土仍需要发展时,可采用2℃盐水,此时,冻土帷幕厚度继续增加,但幅度减小。因此,采用限位管控制冻土帷幕发展是可行的。

新型管幕冻结法不同管幕填充形式的温度场数值对比分析

运用有限元软件分析新型管幕冻结法不同管幕填充形式的温度场发展规律,通过数值模型中的3条路径对冻土帷幕的发展、厚度变化和封闭性进行研究,研究得出:与拱北隧道管幕冻结法相比,新型管幕冻结法支护结构的形状更加多样;新型管幕冻结法宜采用管幕钢管全部填充的形式,当采用空管时应在空管表面敷设保温层;在路径1上,冻结40d时冻土帷幕发展到距离冻结管中心800 mm,冻结前期管幕钢管未填充时降温较快,冻结后期管幕钢管全部填充时降温较快;在路径2和3上,空管界面温度在冻结前期降温较快,冻结后期各点温度反而升高,冻结40 d时各点温度约在6~13℃,实管界面温度随着冻结时间的增加越来越低,冻结40 d时各点温度为0^-5℃。

管幕冻结暗挖工法冻结止水效果分析

管幕冻结法是利用管幕配合冻结止水措施解决复杂建设条件下暗挖施工的一种创新性工法,该工法利用管幕顶管内冻结管路对管间土体进行冻结止水,在顶管管幕和冻结土体的超前支护下实施隧道暗挖施工。文章以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道冻结方案为例,利用数值模拟手段对积极冻结期不同土层的冻结效果及圆形冻结管、异形冻结管开启时间进行了研究,结果表明圆形冻结管和异形冻结管宜同步开启。对维护冻结期开挖断面温度、风速进行模拟分析,结果表明开挖断面内空气温度宜控制在25℃,风速对冻结效果影响不大。

新型管幕冻结法不同冻结管布置方案温度场数值分析

本文介绍了新型管幕冻结法的特点及施工流程,并运用有限元软件建立其两种冻结管布置方案下的数值模型,对两种数值模型的温度场发展规律进行对比分析得出:与港珠澳拱北隧道管幕冻结法相比,新型管幕冻结法支护形式更加灵活多样,受地形制约更小;随着冻结时间增加,冻结壁先以冻结管为中心呈同心圆形式发展,随后与其他冻结管形成的冻结壁和钢管相互交圈,最终形成封闭的冻土帷幕;方案1中冻结11 d时冻结管形成的冻结壁与相邻钢管交圈,14 d时两相邻冻结管形成的冻结壁交圈形成冻土帷幕;方案2中冻结29 d时两相邻冻结管形成的冻结壁交圈,62 d时冻结管形成的冻结壁与相邻钢管交圈形成冻土帷幕。故两方案比较下,方案1形成的冻土帷幕所需时间更短,管幕与冻结管布置更加合理。所得结果可为日后的相关实际工程提供参考依据。

拱北隧道管幕冻结法管间冻结封水效果实测研究

基于现场实测数据,对拱北隧道管幕冻结法暗挖工程不同阶段的管间的实际冻结封水效果进行了分析。对于积极冻结期的两种不同交圈模式,利用单管公式对管间冻土厚度进行计算,结果表明在工程允许的时间内管幕间冻土即可形成交圈,从而说明管幕具有初步的封水性能。交圈后,利用双管公式对管间冻土厚度进行计算,结果显示冻土帷幕发展并不均匀,纵向上靠近中间的冻土发展好于端部的,横向上靠近下部的冻土发展好于上部的,此外台风等自然灾害对于地表附近冻土的影响是可控的。对于开挖期,管间温度实测数据表明:试开挖期间对施工进度的严格精细控制有利于减小管间冻土的弱化;正式开挖期间开挖热扰动对于接近紧挨开挖面的冻土造成显著影响,而稍远一些的冻土则几乎不受影响。考虑20cm的折减后,冻土帷幕仍能保持足够的冻土厚度以达到封水效果。研究验证了管间封水效果,论证了工法的合理性,为以后类似工程的开展提供了借鉴和指导。

超浅埋暗挖隧道管幕冻结法积极冻结方案试验研究

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道口岸暗挖段,作为富水地区超浅埋暗挖隧道,采用管幕冻结预支护体系。以实顶管内"圆形主力冻结管"和空顶管内"异形加强冻结管"的不同组合方式形成实顶管单独冻结模式、实顶管与空顶管协同冻结模式和实顶管为主与空顶管为辅的冻结模式三类管幕冻结法积极冻结方案,结合设计方案要求,通过测点温度–时间曲线和冻土帷幕厚度两种不同分析方法,对以上方案进行了分析和验证。结果表明实顶管单独冻结模式不能在60 d内形成2 m厚冻土帷幕,实顶管与空顶管协同冻结模式30 d内即可形成2 m厚冻土帷幕,实顶管为主与空顶管为辅的冻结模式下异形冻结管滞后12 d和39 d开启60 d内均可形成2 m厚冻土帷幕,且异形冻结管开启后1～3 d即可达到管间封水要求。

异形加强冻结管在管幕冻结法中的冻结效果及使用方法研究

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程口岸暗挖段的超前预支护体系采用管幕冻结法,该工法将3种功能不同的特殊冻结管内置在顶管内进行冻结封水。其中异形加强冻结管主要起到减少或是抵消由于开挖和施作衬砌引起的热扰动以抵御冻土弱化的作用。结合管幕冻结法大型物理模型试验,重点分析异形加强冻结管的冻结效果及其使用方法。结果表明:1)异形加强冻结管降温效果明显,能抵御开挖和施作衬砌带来的热扰动;2)提前开启异形加强冻结管,形成良好的冻土帷幕后开挖更安全。

不同顶管组合方式的管幕冻结温度场模型试验

拱北隧道作为港珠澳大桥珠海连接线的关键性工程,在国内外首次成功运用了管幕冻结技术。以此为背景,为更加全面地掌握饱和软土地层中管幕冻结温度场的分布特点,开展了不同顶管组合方式下的管幕冻结温度场模型试验研究。试验结果表明:各测点温度曲线在积极冻结期前4h急剧下降,随后逐渐减缓,降至砂土冰点后趋于平稳,三种布管方式均满足冻结设计要求;冻结管中低温盐水提供的冷量首先传递给顶管管壁,再以"面"的形式均匀地传递给周围土体;积极冻结21h后,采用四根空顶管组合的C区冻结壁竖向范围最大,空管管壁正上方冻结壁平均厚度约为105mm,在满足管幕刚度设计要求的前提下,可采此布管方式以达到快速形成冻结帷幕的目的。限位管开启后的4h内,实顶管中线垂直距离100mm范围内测点温度曲线虽有明显回升但仍维持在冻土冰点以下,超出此范围后温度变化影响逐渐减弱,且顶管间冻结壁稳定存在,表明限位管在满足管间有效封水的条件下,能在一定范围内起到定向限制地层冻胀的作用。优化后的双圆形冻结管在满足冻结设计要求的同时,更加便于安装且经济环保。

拱北隧道管幕冻结法温度场数值计算

以港珠澳大桥珠海连接段拱北隧道为工程实例,研究管幕冻结法的温度场发展规律,基于二维多孔介质传热理论,采用有限元软件COMSOL对积极冻结期的实际工况进行数值计算,模拟结果通过现场实测验证,研究了温度场在异形冻结管开启前后的发展与分布规律。结果表明:冻结30 d时,实顶管完全被冻土包裹,并且顶管之间开始形成连续的冻土帷幕;冻结50 d时,空顶管被冻土完全包裹;冻结90 d时,实顶管和空顶管处冻土帷幕厚度达到2.0 m,满足设计要求。在异形冻结管开启前、开启后10 d内和开启后10~20 d内,两顶管间中点处温度测点的平均温度变化速率分别为-0.86℃/d,-0.88℃/d和-0.25℃/d,之后各测点温度趋于稳定,进而形成温度较为均匀的冻土帷幕。研究成果可为类似冻结工程提供技术参考。

施工热扰动对管幕冻结止水帷幕影响研究

人工冻结、管幕施工工法虽已成功应用于工程实践,但将两者结合的"管幕冻结法"尚十分少见,针对施工热扰动(包括开挖施工、衬砌混凝土浇筑等)对冻结止水帷幕的影响尚未见相关研究。本文以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道管幕冻结工程为依托,通过模型试验,对由于施工热扰动导致的冻结止水帷幕弱化作用进行了研究。根据研究结果,施工开挖、衬砌混凝土浇筑热扰动对冻结止水帷幕的影响有限。开挖热扰动的影响程度与开挖面裸露时间关系密切,加强冻结管可有效抑制混凝土水化热对冻土的影响。

新型管幕冻结法温度场影响参数分析

新型管幕冻结法中冻结管周围温度场的发展状况是这一工法施工的技术重点,为研究这一工法中温度场的发展变化规律,在模型中选取2条路径,并在路径上布设分析点,通过分析土体导热系数、容积热容量、相变潜热、原始地温这4个因素对温度场发展规律的影响,形成如下结论:与港珠澳拱北隧道管幕冻结法相比,新型管幕冻结法支护形式更加灵活多样,受地形制约更小;土体导热系数对温度场有显著的影响,导热系数越大,温度下降越快,且幅度越大;容积热容量对温度场的影响效果较大,容积热容量越小,温度下降越快,且幅度越大;土体相变潜热对温度场变化几乎没有影响;原始地温越低,达到相同温度所需要的冻结时间越短。所得结果可供今后类似工程参考。

管幕冻结法钢管-冻土接触面剪切试验研究

为研究“管幕冻结法”这一新型工法中“钢管-冻土”复合结构接触面剪切强度的影响因素及规律,基于港珠澳大桥拱北隧道工程,通过变角剪切试验方法设计不同剪切角度的试验,对温度和粗糙度2个维度进行探究,试验结果拟合出-5、-10、-15、-20、-25℃5种温度条件以及R=0.0、0.3、0.5 mm 3种粗糙度条件下的剪切面剪切强度包络线。试验结果表明:温度对钢管-冻土接触面内摩擦角影响不大;对接触面黏聚力,在-15℃之前,黏聚力近似呈线性增长,在-15℃达到峰值,在-20℃达到波谷,继而随温度的降低而增加。钢管-冻土接触面粗糙度的增加对结构面剪切强度的提高具有正向促进作用,但粗糙度过大会对接触面处的冻土体结构(如冰颗粒和土颗粒间隙等)造成一定的内部损伤,导致剪切强度下降。试验给出最优剪切强度下的温度及粗糙度取值区间。