盾构进出洞水平冻结温度场及地表冻胀变形研究

论文摘要

修建地铁隧道，盾构机的安全始发与接收是盾构法关键所在。水平杯型冻结技术在盾构进出洞端头加固中具有止水、保持土体自立性、环保等特点，而冻结温度场随时间的可变性、冻胀变形对周围环境的影响程度等制约着水平杯型冻结壁的进一步推广应用。基于上述问题，本文结合南京地铁二号线逸仙桥车站盾构出洞水平杯型冻结工程，通过室内试验、现场实测、理论分析与数值模拟方法，对水平杯型冻结温度场及地表冻胀位移进行了较系统研究，主要研究成果如下：1）南京地区淤泥质黏土、粉质黏土、粉砂三种典型地层的起始冻结温度随含水率增加近似线性升高，随盐份浓度增加直线降低，水质对起始冻结温度有较大影响，干密度和冻融循环对此影响不大。常温土导热系数随含水率及干密度增加而增大，且冻土导热系数大于常温土导热系数。土中水分迁移受温度影响较大，水分迁移程度与土质、冻结时间、含水率和干密度有关。2）通过南京地铁二号线逸仙桥车站温度场实测对水平杯型冻结壁温度场数值模拟方法的可行性进行了验证；研究了盐水温度、冻结管直径、地层热参数及冻结时间对水平杯型冻结壁温度场的影响规律；在各因素取值范围内，冻结40d时杯型冻结壁短管底部最小厚度可达30～54cm，圆筒壁厚度可达80～140cm；内圈管间冻结壁最早交圈，杯型冻结壁的“杯底”和“杯壁”交接处最晚交圈。3）研究分析了影响地层冻胀的因素，通过有限元计算，研究了不同因素变化对水平杯型冻结引起地表冻胀位移的影响规律。结果表明：不管是垂直或是沿着隧道轴线方向上，距离隧道轴线或是地下连续墙（围护结构）越近，地表冻胀位移越大，低温盐水温度、隧道半径、隧道埋深及冻胀率变化对地表最大冻胀位移的位置未产生明显影响，随板块厚度增加，该位置朝远离地下连续墙方向移动；在各因素取值范围内，距离冻结壁区域越远，地表冻胀位移呈衰减性规律减小，其中低温盐水温度、隧道直径、隧道埋深对地表冻胀位移的影响较为显著；考虑各种建筑物对地基变形的要求，确定距离隧道洞门20m以内为盾构进出洞水平杯型冻结加固端头的地表变形监测范围。4）建立了水平杯型冻结壁稳定性计算模型，研究结果表明杯底厚度、圆筒壁厚度及长度变化对引起的应力与位移均大大小于其允许值，隧道直径越小，越有利于地层稳定性。水平杯型冻结时合理的杯底厚度宜取2.0～2.5m，常规地铁隧道的圆筒壁长度取值与盾构机壳体长度相当，圆筒壁厚度宜取1.0～1.2m，隧道埋深越大，需要的冻结壁尺寸越大，具体隧道埋深与与冻结壁尺寸的选择和地层物理力学性质密切相关。研究结果解决了水平杯型冻结壁应用中的参数选取、温度场发展及地表冻胀程度预测等问题，对水平杯型冻结壁在盾构进出洞端头加固工程中的推广应用具有重要的科学意义和应用价值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外应用研究现状
• 1.2.1 人工冻结技术的应用现状
• 1.2.2 盾构隧道端头加固研究现状
• 1.2.3 人工冻结温度场的研究现状
• 1.2.4 冻胀变形的研究现状
• 1.3 水平杯型冻结研究中存在的问题
• 1.4 本文研究内容、方法与技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 1.4.3 技术路线
• 第二章 南京地区典型土层热物理参数与水分迁移试验研究
• 2.1 地层起始冻结温度试验研究
• 2.1.1 起始冻结温度试验规划
• 2.1.2 起始冻结温度试验方法
• 2.1.3 起始冻结温度试验结果分析
• 2.2 导热系数试验研究
• 2.2.1 导热系数试验规划
• 2.2.2 导热系数试验方法
• 2.2.3 导热系数试验结果分析
• 2.3 冻土中的未冻水含量研究
• 2.4 单向冻结水分迁移研究
• 2.4.1 水分迁移试验方法
• 2.4.2 水分迁移试验结果及机理分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 水平杯型冻结壁温度场研究
• 3.1 温度场数值模拟的理论基础
• 3.2 水平杯型冻结壁温度场的数值模拟
• 3.2.1 基本假定
• 3.2.2 建立几何模型
• 3.2.3 有限元模型
• 3.3 温度场数值模拟方法验证
• 3.3.1 工程概况及加固方案
• 3.3.2 部分实测结果与数值模拟结果对比
• 3.4 不同因素对水平杯型冻结壁温度场影响研究
• 3.4.1 温度场模拟计算中的几点说明
• 3.4.2 地层初始温度对杯型冻结壁温度场影响
• 3.4.3 积极冻结盐水温度对杯型冻结壁温度场影响
• 3.4.4 冻结管直径对杯型冻结壁温度场影响
• 3.4.5 导热系数对杯型冻结壁温度场影响
• 3.4.6 潜热对杯型冻结壁温度场影响
• 3.4.7 热容量对杯型冻结壁温度场影响
• 3.5 不同因素对水平杯型冻结壁交圈时间的影响
• 3.5.1 确定交圈时间的方法
• 3.5.2 水平杯型冻结壁交圈时间变化规律
• 3.6 本章小结
• 第四章 水平杯型冻结引起的地表冻胀变形研究
• 4.1 冻胀变形基本理论及冻胀特性分析
• 4.1.1 土体冻胀基本理论
• 4.1.2 不同因素对土体冻胀特性的影响
• 4.2 冻胀变形的理论组成
• 4.3 冻胀变形的有限元计算方法
• 4.3.1 基本假定
• 4.3.2 建立计算模型
• 4.3.3 冻胀变形的计算步骤
• 4.3.4 计算方法的验证
• 4.4 各因素对地表冻胀位移的影响研究
• 4.4.1 低温盐水温度对地表冻胀位移的影响
• 4.4.2 隧道直径对地表冻胀位移的影响
• 4.4.3 隧道埋深对冻胀位移的影响
• 4.4.4 杯底板块厚度对冻胀位移的影响
• 4.4.5 冻胀率大小对冻胀位移的影响
• 4.4.6 冻胀位移的影响范围
• 4.5 本章小结
• 第五章 水平杯型冻结壁稳定性研究
• 5.1 水平杯型冻结壁板块强度理论分析
• 5.1.1 加固体厚度与安全系数之间的关系
• 5.1.2 加固体厚度与冻土抗拉强度之间的关系
• 5.2 水平杯型冻结壁稳定性研究数值模拟方法
• 5.2.1 水平杯型冻结壁尺寸范围的确定依据
• 5.2.2 水平杯型冻结壁稳定性有限元计算方法
• 5.3 水平杯型冻结壁稳定性结果分析
• 5.3.1 杯底板块厚度对水平杯型冻结壁稳定性的影响
• 5.3.2 圆筒壁长度对杯型冻结壁稳定性的影响
• 5.3.3 圆筒壁厚度对水平杯型冻结壁稳定性的影响
• 5.3.4 隧道直径对水平杯型冻结壁稳定性的影响
• 5.3.5 隧道埋深对水平杯型冻结壁稳定性的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 创新点
• 6.3 进一步研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 详细摘要