为保证隧道进出洞施工中冻土帷幕的安全,本文以数值模拟为手段,对杯型冻土壁安全性进行研究。研究结果表明:最不利工况时,掌子面土体水平位移等值线为逐渐增大的同心圆,最大位移位于掌子面正中心,向外逐渐减小;随着冻土帷幕杯底厚度的增加,最不利工况时掌子面土体的最大位移逐渐减小;随着冻土帷幕杯底厚度的增加,掌子面加固体最大压应力呈线性减小;最大拉应力也随杯底厚度增加逐渐减小,在杯底厚度较小时减小幅度较大;最大剪应力随杯底厚度增加先增大后减小,但整个过程变化幅度较小;随着冻土帷幕杯底厚度的增加,冻土帷幕安全系数大幅度增大。

冻土帷幕平均温度,直接反映冻土帷幕强度等指标。巴霍尔金单排管冻结温度场公式很好地吻合了交圈之后的冻土帷幕温度场。基于该解析解导出的冻土帷幕平均温度计算方法有巴霍尔金等效三角形法及其修正方法(等效梯形法和等效三角形法),这些方法都是用某一固定横截面上的平均温度等效整体冻土帷幕平均温度,在一定程度上忽略了不同工况下各参数的差异,存在一定误差。文中通过对单排管冻土帷幕平均温度积分公式进行数学理论分析,采用非固定等效截面的平均温度等效整体冻土帷幕平均温度,得出了适应冻土帷幕各种可能的参数变化并误差更小的平均温度计算方法。

为解决现有人工冻结法施工后周围地层产生冻胀融沉所引发的不良后果问题,设置加热限位管对冻土帷幕的发展进行限制。运用有限元软件分析在冻土帷幕主面上设置加热限位管时对冻土帷幕温度场发展的影响规律,主要得出:随着加热限位管盐水温度的升高,冻土帷幕厚度呈线性减小趋势;限位管循环盐水温度越高,最终形成的冻土帷幕边界平整性就越好,从而具有较好的限位效果;限位管应与冻结管对齐设置在冻土帷幕主面上;限位管与冻结管距离由最终控制冻土帷幕的厚度决定;循环热盐水的温度不宜过高,宜为5～10℃。

人工冻土帷幕具有广泛的应用前景。研究表明,冻土的均匀性和冻结状态是影响人工冻土帷幕强度的重要指标。冻结方向、受力方向、冻结时间影响下的冻结锋面发展情况和温度场规律是描述冻土力学性能差异的四个重要特征。该文通过分析这些指标和特征,完善了人工冻土帷幕的分析计算内容,有助于验证冻结时间、冻结位置等重要工程指标的正确性。

以某市轨道交通工程越江区间隧道1#联络通道冻结工程为背景,运用数值模拟手段,深入研究越江隧道联络通道冻结法施工过程中各个工况下冻土帷幕的受力变形规律,得出在拉开钢管片以及开挖土体过程对冻土帷幕受力变形影响最为明显。此研究对越江隧道联络通道冻结的冻土帷幕的设计具有重要的指导意义,对保证此类越江隧道联络通道冻结工程的安全具有重要的参考价值。

盾构长距离掘进对盾尾刷造成过大磨损时会使其因失去密封作用而需更换,盾尾刷更换的难点在于管片拆卸后盾尾的密封止水加固。本文结合某过江隧道盾尾刷更换工程,对该工程承压含水层范围内的冻土帷幕进行强度验算,按是否考虑0.3MPa的承压水压力分两种情况进行三维数值模拟,主要得出:两种情况下σx、σy、σz方向的应力基本全部为压应力,拉应力值太小,可忽略不计;最大压应力值均为1.47MPa,最大剪应力值均为0.49MPa;拉、压、剪应力值的安全系数均远大于2,其安全储备得以保证。更换盾尾刷时冻土帷幕能够起到很好的止水和稳定地层作用,其设计温度和厚度满足强度要求。所得结果为今后类似工程设计提供了理论依据。

研究了上海长江隧道联络通道冻土帷幕温度动态演化过程.运用ANSYS有限元软件建立了较为符合实际工程的三维实体模型,考虑了管片散热、冷排管等影响,用比焓值随温度的变化来反应相变潜热的动态变化过程.研究和总结了冻土帷幕温度动态演化机理,包括冻土帷幕发展规律、交圈规律、平均温度发展规律及冻土帷幕有效厚度发展规律.研究结果表明,冻土帷幕温度场的形成是一个有规律可循的连续性发展过程.有限元分析的冻土帷幕交圈时间、平均温度和冻土帷幕有效厚度与工程实测数据比较吻合.

采用三维有限元的方法对冻结法在盾构对接施工地层加固中所形成的冻土帷幕的应力状态和变形进行分析与安全评价,分别探讨单排管与双排管2种不同冻结方案的情况。对于盾构对接施工中刀盘拆除情况进行了模拟,分别选取圆周方向上一次性拆除不同长度的刀盘,研究其对冻土帷幕应力强度、径向变形和主应力的影响。研究结果表明,利用冻结法加固盾构对接是可行的;双排管冻结方案相比单排管冻结方案,安全性上有很大提高;圆周方向一次性拆除刀盘的长度对冻土帷幕的各个指标影响较大。利用计算结果,可为盾构对接施工时冻结法地层加固提供参考依据。

在冻土帷幕平均温度计算中,控制参数的变化直接影响到计算结果。以单排管冻土帷幕温度场的巴霍尔金解析解为基础,使用近似积分和有限元模拟方法计算直线形单排管冻土帷幕的整体平均温度。针对基于巴霍尔金模型的平均温度计算公式中的冻结管外表面温度、冻结管间距及冻土帷幕边界到冻结管中心的距离与冻结管间距的比值3个参数对冻土帷幕整体平均温度影响的敏感性进行分析。得到以下结论:(1)冻土帷幕整体平均温度与冻结管外表面温度成正比;(2)在相同的偏差下,冻结管间距越小,对整体平均温度影响越大;(3)随着冻结发展,冻土帷幕厚度逐渐增大,其误差对整体平均温度计算的影响逐渐降低。

以基于巴霍尔金温度场理论的冻土帷幕平均温度计算方法为基础,考虑了冻结管间距和冻土半径,得到了平均温度简化公式。同时,用Matlab软件拟合简化公式,得到了简化公式的两个参数。结果表明,采用简化公式计算的平均温度比较接近精确值。