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越江泥水平衡盾构仓内水平冻结温度场研究

人民长江 2024年

作者：石湛章铁军李美香伯音陈时光石荣剑 1.长江勘测规划设计研究有限责任公司 2.新济洲供水工程建设管理处 3.中国建筑第八工程局有限公司 4.中国矿业大学力学与土木工程学院长江勘测规划设计研究有限责任公司新济洲供水工程建设管理处中国建筑第八工程局有限公司中国矿业大学力学与土木工程学院

盾构泥水仓内水平冻结后隔绝与外部地下水联系，是江底构建临时盾构检修环境的有效方法。依托南京市新济洲越江供水廊道工程，研究了盾构泥水仓内形成冻土过程中温度分布特征及影响规律，获得以下结论：通过盾构工作面的接力换热装置，... 详细信息

盾构泥水仓内水平冻结后隔绝与外部地下水联系，是江底构建临时盾构检修环境的有效方法。依托南京市新济洲越江供水廊道工程，研究了盾构泥水仓内形成冻土过程中温度分布特征及影响规律，获得以下结论：通过盾构工作面的接力换热装置，可将地面低温盐水以较小循环压力输入冻结管，从而降低冻结管内盐水渗漏风险，在稳定冻结阶段工作面盐水温度较地面温度偏高约2.5℃。施工过程中冻结管端头温度的变化过程基本一致，但受到冻结管周围地层吸热能力差别的影响，间距较大位置的冻结管端头温度偏高约1℃。盾构结构钢材导热性能和散热系数的差别会影响冷量传递过程，造成盾构刀盘周围位置的冻土温度偏低3℃左右，而盾构面板的散热导致相应位置的冻土温度偏高约4℃。研究结果表明，在水平冻结管最大布置间距3.12m的条件下，冻结80d时可将盾构泥水仓全部冻实，从而具备打开盾构泥水仓进行盾构应急检修的施工条件。

关键词：富水地层人工冻结泥水平衡盾构冻结温度场现场监测

冷媒温度和渗流速度对富水砂层冻结温度场的影响规律研究

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钻探工程 2024年第2期51卷 60-67页

作者：温良涛中交第三公路工程局有限公司北京101300

针对天津地区地铁隧道施工中存在富水砂层等复杂水文地质条件下的冻结问题,通过室内模型试验和数值模拟的结合,研究了冷媒温度和渗流速度对砂土冻结温度场、交圈时间和冻结壁发展的影响。研究结果表明:随着冷媒温度降低,冻结管附近的温... 详细信息

针对天津地区地铁隧道施工中存在富水砂层等复杂水文地质条件下的冻结问题,通过室内模型试验和数值模拟的结合,研究了冷媒温度和渗流速度对砂土冻结温度场、交圈时间和冻结壁发展的影响。研究结果表明:随着冷媒温度降低,冻结管附近的温度梯度越陡,冻结壁也变得更厚。渗流存在时,渗流水将冷量从上游带到下游,阻碍了冻结壁在上游方向的发展,同时在一定程度上推动了冻结壁在下游方向的发展,导致冻结壁厚度不均匀。最终,冻结壁的形状从静水时的圆形发展为心形。在实际工程中,采用注浆等手段减缓渗流速度,并降低冷媒温度,可缩短交圈时间,确保冻结进程顺利进行。

关键词：冻结法冻结温度场冻结壁冷媒温度渗流速度模型试验数值模拟富水砂层

平面斜交联络通道冻结温度场分析及工程应用研究

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铁道科学与工程学报 2022年第5期19卷 1374-1384页

作者：李孟凯蔡海兵洪荣宝李玉潇胡修玉安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 中铁四局集团有限公司城市轨道交通工程分公司安徽合肥230000

冻结壁发育不良是联络通道冻结法施工事故的主要诱因之一,而发育完全的冻结壁是联络通道开挖施工的前提和保障,研究冻结温度场的演化规律对联络通道的顺利施工具有重要意义。鉴于此,以福州地铁5号线农林大学站~洪塘路站区间某平面斜交... 详细信息

冻结壁发育不良是联络通道冻结法施工事故的主要诱因之一,而发育完全的冻结壁是联络通道开挖施工的前提和保障,研究冻结温度场的演化规律对联络通道的顺利施工具有重要意义。鉴于此,以福州地铁5号线农林大学站~洪塘路站区间某平面斜交联络通道冻结法施工工程为依托,考虑土层分层情况,对各层土样进行热物理力学性能试验,获取土体的冻结参数;考虑土体的相变过程,采用ABAQUS有限元软件,对联络通道积极冻结期的温度场发展规律进行研究;通过现场实测数据,对该数值模拟方法进行可靠性评价。数值模拟结果表明:随着时间的增加,3个典型剖面冻结壁平均温度分别经历急速降低、缓慢降低和趋于平缓3个阶段。积极冻结45 d后,冻结壁发育良好,平均厚度均大于设计值,平均温度均小于设计值(-13℃)。现场实测数据表明:5个测温孔的数值模拟温度与实测温度基本一致,最大偏差仅为2.4℃。该研究验证了数值模拟方法的准确性,说明了冻结设计方案的可行性,且现场冻结效果显著,产生了较高的社会经济效益。

关键词：联络通道人工冻结法冻结温度场有限元分析

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富水软土地层联络通道冻结温度场分布规律

地下空间与工程学报 2023年第4期19卷 1339-1350页

作者：夏才初方杭楠赵昊楠苑敏哲绍兴文理学院土木工程学院浙江绍兴312000 宁波大学岩石力学研究所浙江宁波315211 浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室浙江绍兴312000

为探究富水软土地层联络通道在冻结施工期间的土体温度场变化情况,以杭州至绍兴城际铁路工程某联络通道为例,运用现场实测和数值模拟方法,对联络通道的温度场分布和冻结壁厚度进行研究。结果表明:受管片散热及冻结管倾斜布置作用,冻结... 详细信息

为探究富水软土地层联络通道在冻结施工期间的土体温度场变化情况,以杭州至绍兴城际铁路工程某联络通道为例,运用现场实测和数值模拟方法,对联络通道的温度场分布和冻结壁厚度进行研究。结果表明:受管片散热及冻结管倾斜布置作用,冻结壁厚度随深度增加将呈现先持续增大,再小幅减小,最后归于平缓的趋势,当深度为2.192 m时,冻结壁厚度最大,当深度大于6.640 m时,冻结壁厚度趋于稳定;联络通道冻结区域土体可划分为散热影响段、冻结管布置影响段和冻结稳定段;隔热材料优化敷设方式和优化管片结构形式有效提升了靠近隧道管片端土体的冻结效果,使喇叭口位置的冻结壁厚度增加约53.8%。

关键词：地铁冻结温度场数值计算冻结壁厚度联络通道管片散热

联络通道BIM 4D施工模拟与冻结温度场数值分析

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科学技术与工程 2022年第16期22卷 6650-6659页

作者：才士武周晓敏张立刚北京科技大学土木与资源工程学院城市地下空间工程北京市重点实验室北京100083 中煤邯郸特殊凿井有限公司邯郸056003

为进一步加快冻结施工信息化应用,以北京地铁17号线区间联络通道冻结工程为背景,通过建筑信息模型(building information modeling,BIM)技术对联络通道进行三维可视化设计,建立4D施工进度模型进行实时模拟施工与输出工艺动画;利用有限... 详细信息

为进一步加快冻结施工信息化应用,以北京地铁17号线区间联络通道冻结工程为背景,通过建筑信息模型(building information modeling,BIM)技术对联络通道进行三维可视化设计,建立4D施工进度模型进行实时模拟施工与输出工艺动画;利用有限元软件ABAQUS对冻结温度场进行数值模拟,与现场实测温度对比分析温度场变化规律。结果表明:BIM 4D模拟可以对施工全过程进行动态控制,实现进度计划三维可视化;冻结壁厚度达到设计值以上,验证BIM技术冻结质量控制的可靠性;数值模拟计算温度结果与现场实测温度数据值基于一致,证明数值模拟分析冻结温度场的可行性。

关键词：联络通道建筑信息模型 4D模拟冻结温度场数值模拟

平行渗流条件下强渗地层联络通道冻结温度场发展规律研究

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平行渗流条件下强渗地层联络通道冻结温度场发展规律研究

作者：王乐潇福建工程学院

学位级别：硕士

在我国大力开发地下空间兴建地铁的时代背景下,强渗地层中的跨海越江地下工程不断涌现,强渗地层地下工程不可避免地会遇到地下水流动问题,为简化研究,目前考虑地下水渗流方向与冻结管相交的案例屡见不鲜,但契合工程实际,有关平行渗流条... 详细信息

在我国大力开发地下空间兴建地铁的时代背景下,强渗地层中的跨海越江地下工程不断涌现,强渗地层地下工程不可避免地会遇到地下水流动问题,为简化研究,目前考虑地下水渗流方向与冻结管相交的案例屡见不鲜,但契合工程实际,有关平行渗流条件下地铁联络通道冻结过程的研究较少。因此本文以福州地铁厚庭～桔园洲区间3#联络通道冻结加固工程为依托,首先利用COMSOL软件建立了实际工况下的数值计算模型,分析了平行渗流作用下不同冻结区域温度场的发展情况,并与静水工况下冻结工程温度场发展进行对比,获得了平行渗流条件下强渗地层冻结温度场发展规律。其次,通过冻结工程现场实测数据与数值计算结果进行比对,验证了数值模型的可靠性。最后,基于已建立的有限元计算模型,研究了平行渗流条件下不同渗流速度对温度场发展的影响规律。主要研究结果如下:(1)对强渗地层联络通道不同冻结加固区冻结温度场发展进行数值模拟,分析平行渗流工况与静水工况下各冻结加固区温度场发展差异。结果表明:平行渗流工况下各冻结加固区温度场发展较慢,上游冻结加固区、冻结管交叉区及下游冻结加固区冻结帷幕平均温度分别高于静水工况0.34℃、2.01℃、1.18℃;上游冻结加固区域冻结土体开挖量较静水工况增加,拱顶、底部处开挖量分别增大74%、61%;冻结管交叉区域降温至设计值要求耗时较静水工况多5d;下游冻结加固区冻结帷幕厚度最大差值为0.28m。平行渗流作用下左线温度场“冷量”随渗流向喇叭口处汇聚,冻结锋面随渗流向下游发展,且由于冻结帷幕的形成与盾构管片的存在,初始渗流场地下水流速发生改变,地下水渗流在盾构管片顶部与底部出现流速增大的现象,流速范围为0～5.31m/d,最大值为初始流速的3倍,说明平行渗流对强渗地层联络通道温度场发展产生不利影响。(2)基于强渗地层江底联络通道冻结工程实测数据,分析了盐水温度及冻结土体温度的变化规律,探究了平行渗流作用下冻结帷幕内外侧土体以及上、下游土体温度变化差异,并对冻结帷幕平均温度及厚度进行了计算。研究表明:盐水温度变化分为三个阶段;平行渗流对外侧土体温度变化影响更大,与内侧土体降温速度相比,外侧土体降温速度减小27%,下游土体降温速度小于上游,上游土体平均降温速度为1.79℃/d,下游为1.14℃/d;联络通道左右线冻结土体温度实测结果与模拟结果偏差均小于2℃。(3)基于已建立的有限元计算模型,通过改变地下水初始渗流速度,分析渗流速度对联络通道上、下游冻结加固区温度场发展的影响。研究表明:地下水初始渗流速度越大,联络通道土体冻结效果越差。下游冻结加固区域冻结帷幕平均温度温差为5.01℃,而上游冻结加固区冻结帷幕平均温差为4.47℃,温差变化增长10.78%。当地下水初始渗流速度达到3m/d时,下游冻结加固区冻结帷幕平均温度为-9.79℃,最薄处冻结帷幕有效厚度仅为2.07m,平均温度与有效厚度均不满足设计值要求,本文工况条件中地下水渗流初始速度极限值为3m/d。基于以上研究内容及结果,可为推动滨海软土地区强渗地层在平行渗流作用条件下冻结理论的发展提供参考依据。

关键词：地下水渗流平行渗流冻结温度场冻结帷幕平均温度

地下密闭空腔对土体冻结温度场的影响规律研究

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地下密闭空腔对土体冻结温度场的影响规律研究

作者：黄浩中国矿业大学

学位级别：硕士

随着地下工程开挖深度和难度的增加,对于人工冻结法的施工工艺水平和安全性的要求势必会越来越高。而现在的地下工程人工冻结研究基本忽视了土体中密闭空腔会对温度场造成如何的影响,而含空腔的土质条件在冻结工程中并不少见,由于空腔... 详细信息

随着地下工程开挖深度和难度的增加,对于人工冻结法的施工工艺水平和安全性的要求势必会越来越高。而现在的地下工程人工冻结研究基本忽视了土体中密闭空腔会对温度场造成如何的影响,而含空腔的土质条件在冻结工程中并不少见,由于空腔的存在会对冷量在传递过程中造成很大影响,若其数量较少且分布的较为集中,可能会导致冻结壁交圈的时间延迟;若其数量较多其分布的不均匀等可能会导致形成冻结壁的厚度不达标,严重的甚至是不交圈,这都会在人工开挖的过程中造成塌方,给工程造成不可估量的损失。所以这些空腔的存在势必会影响到冻结壁的发展情况,值得我们去深入研究。本课题采用数值模拟、物理模型实验两种研究手段,研究含有密闭空腔土体的冻结温度场的发展规律。开展典型参数、单因素、正交试验分析、利用相似准则设计并开展物理模型试验,将数值模拟和物理模型试验所得结果相互验证,最后总结分析得出冻结温度场的发展规律。本文得出的主要结论如下;(1)当冻结管位于空腔外侧时:由于空腔的隔热作用,冻结管释放的冷量在其底部大量堆积,导致冻土在空腔底部的发展速度加快,空腔底部冻结壁厚度在达到0.55m时比周边土体快了8天且最终冻结温度也要低于周边土体4℃左右;在空腔底部接近1/3的位置,冻结壁发展在前14天之内比周边土体快,继续发展到空腔中部位置时开始慢于周边土体;在空腔外侧的竖直路径S3的冻结壁厚度在第10天后基本呈线性增长最终达到2.26m比S1路径最终冻结壁厚度2.1m多0.15m。(2)当冻结管位于空腔内部时:典型参数条件下穿过空腔中心的S1路径冻结壁厚度与无空腔相比,在冻结过程中最大相差0.8m以上,最终冻结120天时差0.1m;空腔内冻结管上部分温度发展比下部分发展要快;冻结管上部分冻结壁厚度大于冻结管下部分0.1m以上;(3)本文提出的检测指标可检测出空腔的存在,在0～10d内检测指标大于0的测点已位于空腔内,在0～30d内或0-60d内后面测点的空腔指标又出现由负号转正,则该测点已位于空腔顶部,即这两测点之间有空腔存在。(4)在前60天的冻结过程,空腔长度的改变对冻结壁影响的程度最大;空腔宽度的改变对冻结壁影响的程度最小。(5)随着空腔高度从0.1m不断增加至1.3m位于冻结管主面且穿过空腔中心的竖直研究路径S1上测点2从空腔底部进入空腔内,冻结发展受到降速最终冻结温度上升至24.83比之前高了近3℃;测点4从空腔顶部进入空腔内,冻结发展得到提速最终冻结温度降至-12.1℃比之前低了11.7℃。论文共有53幅图,10个表,95篇参考文献。

关键词：密闭空腔冻结温度场冻结壁发展温度分布特征

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管幕冻土组合结构的冻结温度场分布特征研究

管幕冻土组合结构的冻结温度场分布特征研究

作者：李亚棚中国矿业大学

学位级别：硕士

软土地层中大断面隧道暗挖施工中常采用管幕冻土组合结构作为围护结构,其中高强度的管幕结构提供了周围水土压力的维护作用,而管幕间的冻土则可以阻断地下水侵入,充分发挥组合结构良好的支护效果。海南三亚河口通道工程的大断面隧道采... 详细信息

软土地层中大断面隧道暗挖施工中常采用管幕冻土组合结构作为围护结构,其中高强度的管幕结构提供了周围水土压力的维护作用,而管幕间的冻土则可以阻断地下水侵入,充分发挥组合结构良好的支护效果。海南三亚河口通道工程的大断面隧道采用管幕结构法进行施工,通过管幕钢管的切割、焊接后,在钢管内部浇筑钢筋混凝土形成永久结构,在其围护作用下进行内部土体的开挖,形成隧道结构。施工中管幕钢管的切割、焊接及混凝土浇筑都需要外部冻结壁提供良好的围护作用,这对钢管外冻结壁性能提出了更高要求,所以施工中冻结管的布置形式、形成冻结壁的结构性能等方面都与传统管幕冻结法的围护结构存在明显差别。论文以三亚河口通道大断面隧道工程的管幕结构法施工工程为背景,通过数值模拟和模型实验的方法,研究管幕冻土组合结构的冻结壁形成过程,分析钢管切割、焊接及混凝土浇筑施工对冻结壁的影响规律,获得施工过程中管幕冻土组合结构的冻结温度场分布特征。基于三亚河口通道工程的施工工况条件,考虑到管幕外部冻结管布置方式及钢管边界散热的影响,建立了管幕冻土组合结构冻结温度场的数值模型,通过COMSOL有限元软件分析了冻土形成过程,并对施工过程中的主要影响因素进行了单因素和正交实验分析,研究了钢管直径、钢管间距、冻结管间距、钢管与冻结管间距以及盐水温度等因素对冻结温度场的影响规律。研究结果表明,管幕内侧冻结壁发展受到钢管阻碍作用较明显,导致冻结壁厚度比管幕外侧小0.84 m,而平均温度高3.1℃;管幕外侧冻结壁厚度与冻结管间距、盐水温度成反相关关系,与钢管与冻结管间距成正相关关系;钢管中心位置冻结壁厚度及平均温度的显著性影响因素为盐水温度、钢管与冻结管间距。基于相似理论和工程原型,设计进行了管幕结构法冻结壁形成过程的模型实验,研究了管幕内、外冻结管共同冻结作用下的冻土形成规律,分析了钢管切割、焊接和混凝土浇筑施工对冻结温度场的影响规律,并将实验结果与数值模拟计算结果进行对比,验证了典型参数数值模拟计算结果的可靠性。实验研究结果表明,受钢管的散热边界条件影响,管幕内侧最近测点的温度较外侧相同位置提高约9.7℃,管幕外侧冻结壁厚度比内侧大约0.8 m,而平均温度低约2℃;钢管切割与焊接使附近土体温度升高约5℃,浇筑混凝土会导致冻结壁温度升高约1.8℃,而对冻结壁的影响范围在0.1～0.3 m。研究获得了管幕冻土组合结构的冻结温度场分布特征,建立了管幕结构法施工过程对冻结壁厚度及平均温度的影响规律,研究成果可以为三亚河口通道工程的冻结设计和施工方案优化提供依据,也可以为大断面隧道围护结构形式的创新和复杂边界条件下冻结温度场的理论研究提供基础。论文共有58幅图,18个表,91篇参考文献。

关键词：人工冻结管幕冻土组合结构冻结温度场分布特征施工影响

地下水渗流作用下南通地铁2号线联络通道冻结温度场形成规律研究

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地下水渗流作用下南通地铁2号线联络通道冻结温度场形成规律研究

作者：孙桃安徽理工大学

学位级别：硕士

本文以南通市地铁2号线联络通道为工程背景,对现场实测的盐水温度值、C1～C5测温孔监测值、X1～X2泄压孔压力值以及冻结壁有效厚度进行了分析,并结合实际工程的冻结管布置和土层热物理参数,运用COMSOL对2号联络通道进行了数值模拟,将数... 详细信息

本文以南通市地铁2号线联络通道为工程背景,对现场实测的盐水温度值、C1～C5测温孔监测值、X1～X2泄压孔压力值以及冻结壁有效厚度进行了分析,并结合实际工程的冻结管布置和土层热物理参数,运用COMSOL对2号联络通道进行了数值模拟,将数值模拟的C1～C5测温孔的温度值与联络通道实测C1～C5测温孔温度进行对比分析,从而验证了数值计算模型的可靠性。在此基础上,将温度场及渗流场进行水热耦合,建立了地下水流速作用下的联络通道数值计算模型,分析了地下水渗流作用下对联络通道冻结温度场的分布规律,结果表明:在冻结孔实际情况下,无流速时联络通道在冻结10d时,冻结帷幕交圈;流速为3m/d时,在冻结20d时交圈;流速为6m/d时,在冻结28d时交圈;流速为9m/d时,在冻结34d时才交圈。随着地下水流速增大冻结帷幕交圈时间越长,且随着流速的增大,地下水流动的上游冻结帷幕越来越薄弱,下游的冻结帷幕越来越厚。位于地下水流动下游联络通道右侧L轴线,在6m/d、9m/d时,冻结帷幕两侧在冻结15d降至0℃;位于地下水流动上游联络通道左侧M轴线,在大流速地下水作用下冻结帷幕外侧温度下降极为缓慢,而其内侧温度在冻结15d就降至0℃。联络通道上部的N轴线在流速越大时,冻结帷幕内侧降温至0℃越快,而其外侧与外界土体接触,冻结温度下降较慢。位于联络通道下侧的P轴线,在冻结帷幕内侧受流速影响较大,流速越大,降至0℃越快。在地下水流速作用下,冻结帷幕交圈后,位于地下水流动上游联络通道左墙外侧与上下墙外侧冻结帷幕厚度的增加量均减小;流速越大,冻结帷幕厚度增加量越小,而内侧冻结帷幕厚度随流速增大,冻结帷幕厚度增加量越大。在同一冻结时间下,随着流速增大,左墙、上下墙内侧冻结帷幕厚度均增大,外侧厚度均减小,而右墙内侧厚度减小,外侧厚度增大,且左墙内侧与右墙外侧增加的最为突出。冻结稳定时期,冻结帷幕厚度的增加主要体现在内侧,外侧由于受地下水流速的影响,厚度增长率较低,且流速越大,形成的冻结帷幕厚度越小。图38表8参考文献85

关键词：联络通道数值模拟水热耦合冻结帷幕冻结温度场