在拱北隧道施工中首次采用的管幕冻结法暴露了设计阶段未能预见的施工期长期稳定性问题，涉及管幕冻土复合结构中冻土与结构接触面的剪切蠕变特性。目前尚缺乏针对冻土与结构接触面的蠕变模型来准确描述接触面的剪切蠕变特性。基于分数阶导数推导建立能够同时描述冻土与结构接触面在衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段力学行为的理论模型，该模型将Maxwell模型中的黏弹性部分替换为Abel黏壶元件，并融合一个由剪应力控制的蠕变加速元件；通过自主改装仪器，得到冻土与钢材接触面剪切蠕变试验结果；基于Python语言开发含分数阶的多参数同步最小二乘拟合程序，拟合对比各因素条件下冻土与结构接触面剪切蠕变试验曲线；最后，分析模型中应力控制加速元件参数敏感性，揭示加速指数N和分数阶阶数λ对加速蠕变阶段的影响规律。研究结果表明：(1)分数阶Maxwell加速模型中分数阶导数明显改善蠕变曲线的非线性渐进过程，而剪应力控制加速元件准确地模拟加速蠕变阶段；(2)与传统模型相比，在不同试验条件下分数阶Maxwell加速模型均展现了更高的适用性和精准性；(3)蠕变模型中加速指数N越大，其加速效果越明显，速率也越快；随着分数阶阶数λ...
在拱北隧道施工中首次采用的管幕冻结法暴露了设计阶段未能预见的施工期长期稳定性问题，涉及管幕冻土复合结构中冻土与结构接触面的剪切蠕变特性。目前尚缺乏针对冻土与结构接触面的蠕变模型来准确描述接触面的剪切蠕变特性。基于分数阶导数推导建立能够同时描述冻土与结构接触面在衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段力学行为的理论模型，该模型将Maxwell模型中的黏弹性部分替换为Abel黏壶元件，并融合一个由剪应力控制的蠕变加速元件；通过自主改装仪器，得到冻土与钢材接触面剪切蠕变试验结果；基于Python语言开发含分数阶的多参数同步最小二乘拟合程序，拟合对比各因素条件下冻土与结构接触面剪切蠕变试验曲线；最后，分析模型中应力控制加速元件参数敏感性，揭示加速指数N和分数阶阶数λ对加速蠕变阶段的影响规律。研究结果表明：(1)分数阶Maxwell加速模型中分数阶导数明显改善蠕变曲线的非线性渐进过程，而剪应力控制加速元件准确地模拟加速蠕变阶段；(2)与传统模型相比，在不同试验条件下分数阶Maxwell加速模型均展现了更高的适用性和精准性；(3)蠕变模型中加速指数N越大，其加速效果越明显，速率也越快；随着分数阶阶数λ...
为得到管幕冻土温度场在渗流作用下的变化规律及温度敏感性影响因素影响，运用有限元数值软件建立热流耦合模型，通过控制模型有无渗流作用条件和设置温度路径分析管幕冻结法温度场分布特征。结果表明：渗流作用下的冻土帷幕不均匀发展，下游一侧冻结范围大于上游一侧，整体厚度变薄；冻结管密集区域内的5号点冻结效果受渗流影响小于冻结管分散区域内的1号点，渗流能直接穿过的区域温差更大；比热容与导热系数的改变对1号点温度变化影响较大；当导热系数越大、比热容越小时，土体最终温度越低。
为得到管幕冻土温度场在渗流作用下的变化规律及温度敏感性影响因素影响，运用有限元数值软件建立热流耦合模型，通过控制模型有无渗流作用条件和设置温度路径分析管幕冻结法温度场分布特征。结果表明：渗流作用下的冻土帷幕不均匀发展，下游一侧冻结范围大于上游一侧，整体厚度变薄；冻结管密集区域内的5号点冻结效果受渗流影响小于冻结管分散区域内的1号点，渗流能直接穿过的区域温差更大；比热容与导热系数的改变对1号点温度变化影响较大；当导热系数越大、比热容越小时，土体最终温度越低。
为得到渗流作用下管幕冻结法温度场的发展规律，结合三亚河口通道隧道冻结工程，基于达西定律与多孔介质传热理论，运用有限元软件建立水热耦合数值模型，采用更改模型渗流流速大小和建立测温路径的方法，围绕冻土帷幕的发展情况、交圈时间、壁厚进行分析。结果表明，冻土帷幕随渗流的流向发展，下游侧土体开始冻结的时间早于上游侧土体，且最终温度低于上游侧土体；当流速约为2.87 m/d时，低渗流流速作用对整体冻土帷幕交圈的时间影响较小；随着渗流流速的增大，整体冻土帷幕交圈所需的时间明显增加，其区域的不均匀程度变大，厚度减小；当流速增大至约10.02 m/d时，冻土帷幕出现局部不交圈的情况。考虑到原冻结方案偏于保守，设计优化方案为将内圈冻结管总数由80根减少至56根，模拟分析后的平均冻土帷幕厚度约为4.28 m，相较于原方案减少了0.195 m，仍满足冻结设计要求。
为得到渗流作用下管幕冻结法温度场的发展规律，结合三亚河口通道隧道冻结工程，基于达西定律与多孔介质传热理论，运用有限元软件建立水热耦合数值模型，采用更改模型渗流流速大小和建立测温路径的方法，围绕冻土帷幕的发展情况、交圈时间、壁厚进行分析。结果表明，冻土帷幕随渗流的流向发展，下游侧土体开始冻结的时间早于上游侧土体，且最终温度低于上游侧土体；当流速约为2.87 m/d时，低渗流流速作用对整体冻土帷幕交圈的时间影响较小；随着渗流流速的增大，整体冻土帷幕交圈所需的时间明显增加，其区域的不均匀程度变大，厚度减小；当流速增大至约10.02 m/d时，冻土帷幕出现局部不交圈的情况。考虑到原冻结方案偏于保守，设计优化方案为将内圈冻结管总数由80根减少至56根，模拟分析后的平均冻土帷幕厚度约为4.28 m，相较于原方案减少了0.195 m，仍满足冻结设计要求。
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。
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。
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.
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.