详情

原文传递管幕冻土组合结构的冻结温度场分布特征研究

论文题名：	管幕冻土组合结构的冻结温度场分布特征研究
关键词：	隧道工程;暗挖施工;管幕冻土组合结构;冻结温度场;分布特征
摘要：	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0.84m，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0.8m，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0.1~0.3m。　　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。
作者：	李亚棚
专业：	岩土工程
导师：	石荣剑
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022