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。

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。

拱北隧道曲线顶管管幕施工关键技术

为了解决高水压复合软土地层曲线管幕施工技术难题,以拱北隧道曲线管幕工程施工为依托,分析临海复合软土地层、高地下水压力以及敏感周边环境对施工的苛刻要求和巨大风险。总结出包括顶管机选型、高水压顶管始发和接收技术、小间距曲线顶管精度控制技术、管道结构和密封测试、复合地层顶管泥浆及障碍物处理措施的曲线顶管管幕综合施工关键技术,解决了复合地层顶管设备和泥浆优选、高水压顶管施工密封性、曲线管幕精度控制和顶管事故处理等技术难题。

拱北隧道曲线钢顶管接头橡胶圈结构数值模拟研究

曲线钢顶管技术是给水工程和隧道支护工程中新的非开挖施工技术,其管节结构与传统混凝土顶管管节结构差别较大,但目前设计和施工缺乏理论依据和参考规范。为优化拱北隧道曲线钢顶管施工中采用的接头橡胶圈结构,采用ABAQUS有限元软件,建立接头安装模型,研究优化前后橡胶圈应力、接触压力和接头安装力的变化规律。结果表明:优化后的橡胶圈应力和接头安装力明显减小,且接触压力大于0.3 MPa,满足现场施工密封的要求,证明优化后的接头更加合理可靠。

曲线顶管顶进管节应力特征试验研究

拱北隧道暗挖段综合考虑周围建筑和地质条件等因素,采用曲线顶管管幕施工工法施工。由于曲线顶进方式,管节应力特征较之于普通直线顶管有所不同。加之暗挖段工程顶管管节接头构造特殊,更加大管节应力分布的复杂性。依托中国地质大学(武汉)非开挖工程实验室所研发钢顶管管节应力试验系统,模拟拱北隧道管幕曲线顶管顶进实验,研究管节应力与顶力大小的规律。结果表明:管节应力与顶力正相关的现象,应力在监测断面内水平位置两侧出现应力集中,管道轴线方向应力集中存在接头附近。

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。

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。

拱北隧道“钢管-冻土”复合结构承载力试验研究

管幕冻结法作为一种新型的隧道预支护工法,目前已被应用于港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道施工中。管幕冻结法是利用顶管技术在隧道四周顶入大直径顶管,并利用冻结法将顶管之间的土体冻结起来,形成水密性的预支护结构。为了研究钢管-冻土复合结构在确保封水时的极限承载力和变形能力,以探求合理冻土温度,采用冻土单轴压缩试验机,对4种不同冻土温度进行钢管-冻土复合结构模型试验,并提出了封水条件下的极限状态判据,通过分析荷载-位移曲线,得到复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力。试验结果表明：温度较高时,冻土协调变形能力较好,但由于冻土本身强度较低,复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力较差;类似地,冻土温度较低时,强度较大,但由于冻土跟随钢管协调变形能力较差,在封水条件下的极限承载力和变形能力也较差;当温度适中时,冻土跟随钢管协调变形能力和冻土本身强度均处于相对理想状态,此时复合结构在封水条件下的极限承载力和变形能力相对较强,即在确保封水性能时所能承受变形的能力和极限荷载均较大。试验研究确定了该理想温度约为-10℃,该温度在拱北隧道管幕冻结实际施工中被采用,对类似工程施工具有一定的参考价值。

大直径曲线管幕顶进过程中地层变形控制及监测

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段下穿珠海拱北口岸,采用"曲线管幕+冻结"作为开挖预支护。由于隧道地理位置敏感、地质条件复杂、施工方法特殊,对曲线管幕施工引起的地层变形控制要求极高。文章通过对管幕施工引起地层变形影响因素的分析,提出地层变形的控制措施,包括:选择合适的顶管机械和配套设备、动态控制顶进参数、洞口止水控制、始发接收止水控制、钢管挠度要求、泥浆置换等。根据现场监测数据,从地表变形、地表沉降槽和地表沉降累积效应三方面分析了大直径曲线管幕顶管引起的地层变形规律,为工程建设的安全和合理性提供实测依据,并为今后类似工程项目提供参考和借鉴。

隧道冻结过程与邻近建筑物相互影响分析

文章以拱北隧道冻结帷幕的冻结施工过程为依据,建立三维有限元冻结模型,分析了冻结施工与邻近建筑物的相互影响,结果表明:冻结过程中地表变形整体表现为隆起,其隆起量大小由冻结帷幕中心向两边逐渐减小,并在远离中心的两侧表现出微弱的沉降变形,在横断面上呈现出近似抛物线的形状;相邻建筑物的存在,会抑制地表的冻胀变形,其隆起变形仍然呈现出抛物线的形状,但抛物线的对称轴向邻近建筑物一侧有所偏移;冻结过程中建筑物的倾斜率均在规范容许限值的范围内,建筑物的拉、压应变也在混凝土极限拉、压应变范围之内,建筑物不会产生倾覆破坏或者局部梁、板、柱的开裂。

拱北隧道灌浆加固中注浆材料室内试验研究

为保证港珠澳大桥拱北隧道灌浆加固工程安全,进行了不同加固方法的注浆材料室内研究。研究了袖阀管单液注浆中水泥品种、水灰比、早强剂的品种、抗沉剂等对水泥浆液的物理性能和固结体抗压强度的影响,研究了袖阀管双液注浆中水泥品种、水灰比、水玻璃浆液浓度、水玻璃浆液与水泥浆的体积比等固结体抗压强度的影响,研究了高压双管旋喷注浆中水泥与土的质量比、养护条件对水泥固结体的抗压强度的影响。得到的灌浆材料优化配方可满足灌浆设计要求。

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线管幕顶管测量和轨迹控制技术

管幕工程是港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段难度最大的项目之一,工程下穿拱北口岸限定区域,埋深4~5 m,管幕平均长度257.92 m,由36根直径1 620 mm的钢管组成。线路位于缓和曲线和圆曲线组成的复合曲线上,其特点是群管顶进、互为接收始发、间距小、曲线半径小、精度控制高、地表沉降小、周边环境敏感。本文对从导线测量、一井定向、顶管测量、轨迹控制到精度估算的技术要点做了详细介绍,可为类似工程提供借鉴。

拱北隧道工作井超深地下连续墙特重型钢筋笼吊装施工技术

拱北隧道为港珠澳大桥珠海连接线关键控制性工程,其中暗挖段长度255 m,下穿拱北口岸,地理环境复杂,是国内第一座采用曲线管幕法施工的隧道。暗挖段用东、西2座工作井作为施工通道,其中东侧工作井深32 m,以地下连续墙作为围护结构。地下连续墙深52.4 m,钢筋笼长52 m,钢筋笼吊装总质量达105 t以上,是罕见的特重型钢筋笼,整幅吊装难度极大,可借鉴经验少。本文分析了施工技术难点,介绍了钢筋笼吊点布置、钢筋笼自身刚度控制、吊车配置和吊具选择、吊装工艺控制等关键施工技术,有效地解决了施工难题。

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线钢管幕管节连接技术

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定区域,采用"曲线管幕+冻结法"施工。由于其地质条件复杂,施工方法特殊,对管节连接有较高要求。本文介绍了曲线管幕管节连接承插口F形接头的结构,通过有限元数字仿真模拟密封效果,进行了1∶1的模型接头受力分析试验以及管节连接安装施工工艺研究,系统地总结了曲线钢管幕管节连接的结构特征、密封效果、受力特性和操作要点。

拱北隧道水平控制性冻结止水帷幕施工方案

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程口岸暗挖段预支护体系采用"超前曲线大管幕+水平控制性冻结止水"相结合的全新管幕冻结法施工。水平控制性冻结止水帷幕施工总体方案是全长整环积极冻结,分段分区维护冻结。在介绍水平冻结止水帷幕施工方案的冻结设计、冻结管布置和冻结施工步序之后,重点分析了该方案难点和施工注意事项,为工程顺利实施奠定了基础。

港珠澳大桥拱北隧道曲线管幕管节现场制作技术

结合港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线管幕工程实例,详细介绍曲线管幕管节制作与连接关键技术,包括管材切割下料、管身卷制、承插口F形接头制作、管节焊接组装技术,管节质量检测方法和验收标准等。顶管施工实践证明,管节制作精度、刚度和稳定性、防水密封性能等均达到预期效果,管节现场工厂化制作技术和产品质量是可靠的。

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。

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。