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原文传递隧道管幕冻结温度场形成规律及其力学特性研究

论文题名：	隧道管幕冻结温度场形成规律及其力学特性研究
关键词：	拱北隧道;温度场;力学特性;相似模型试验;数值分析;管幕冻结法
摘要：	管幕冻结法作为一种全新的工法，首次应用于拱北隧道工程中，其结合了管幕法和人工地层冻结法的技术优势，采用大直径顶管密排形成管幕作为承载结构，同时在顶管间进行人工冻结，以形成冻土帷幕作为止水结构。由于该工程具有断面大、埋深浅、水文与工程地质条件复杂等特点，导致施工技术难度大，尤其是顶管间的冻结止水及其对周围环境的影响成为施工控制的关键问题，且该工法具有全新的冻结理念，在施工中仍有一些实际问题亟待解决和改进。为此，本文以拱北隧道暗挖段为工程依托，开展隧道管幕冻结温度场形成规律及其力学特性研究，采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的方法，重点对管幕冻结稳态温度场理论解、隧道积极冻结期冻土帷幕形成规律与地层冻胀位移变化特征、“顶管-冻土”复合结构力学特性以及异形冻结管优化设计等问题开展系统的研究。　　基于对现有冻结稳态温度场解析解的修正，采用保角变换法和分离变量法，对管幕冻结布管形式下的稳态温度场解析解计算公式进行了推导和验证，讨论了不同冻结参数下温度场计算结果的差异。结果表明，在冻结稳态温度场计算中，应考虑不同土体冻结温度对冻结壁厚度计算的影响，所得理论公式具有足够的精度以满足管幕冻结模型中不同位置的温度计算需要。在实际工程中，相邻实顶管和空顶管的管间中线位置是管幕冻结法中“管间冻结止水”的重要区域，通过理论计算得出该区域在顶管尺寸范围内的温度较低且分布均匀，表明能够形成可靠的冻土帷幕以保证“管间冻结止水”的效果和安全性。　　以隧道工程地质条件和冻结设计方案为背景，基于冻结温度场与冻胀位移场的数学模型理论，建立管幕冻结法地层冻结冻胀准耦合二维有限元计算模型，对积极冻结期内冻土帷幕形成规律和地层冻胀位移变化情况进行了分析。温度场计算结果表明，冻土帷幕的形成过程和冻结温度场的分布特征与空、实顶管内的两类冻结管的布置方式和开启时序密切相关;冻结至90d时，冻土帷幕平均厚度范围为2.32m～2.58m，相邻顶管间轴面温度较低且界面温度变化均匀，整体满足冻结设计要求。冻胀位移场计算结果表明，地层冻胀位移的分布和变化规律与冻土帷幕形成过程、工程地质条件等因素密切相关;90d时地表冻胀垂直位移与水平位移极值分别为155.67mm和59.63mm。数值计算结果与实测数据较为吻合，验证了数值模型的准确性，并进一步讨论了地层与地表的冻胀位移分布特征。　　从工程原型中选取简化的“顶管+冻土”复合结构梁模型作为研究对象，开展相似模型试验，同时建立准耦合三维接触有限元计算模型，对复合结构的力学特性进行了分析。结果表明，空、实顶管因刚度差异和冻土温度分布不均匀而产生不同的变形和受力特点。在冻结阶段，土体冻结产生的冻胀力对顶管水平受力和变形影响最大，且空顶管受其影响较大;在加载阶段，荷载主要对顶管与冻土的竖向变形和受力产生影响，实顶管受力较大而变形较小，空顶管则与之相反。复合结构在受荷状态下，空顶管呈非线性变形特征，当荷载达到0.16MPa时，其跨中上侧部分区域已存在被“压扁”的现象;随着荷载增加至0.28MPa时，管间冻土因强度不足而首先发生破坏，进而导致结构封水失效。与实际工况相比，复合结构能够满足承载力要求。　　针对管幕冻结施工中产生的实际问题，提出空顶管内异形冻结管的优化设计方案，设计了三种顶管组合方式，通过相似模型试验与数值模拟对优化设计进行验证，研究了不同顶管组合下冻结温度场的分布特征和差异。结果表明，在空顶管内采用水泥砂浆包裹双圆形冻结管的安装方式，不仅能够避免在顶管内进行大量焊接作业以及由此产生的相关问题，而且可以在相同冻结时间内显著增加空顶管的水平方向、空顶管的垂直方向和两管之间的冻结壁平均厚度。采用优化设计的水平管幕组合因“群管效应”表现出更好的冻结效果，在较短时间内即可形成具有较好承载能力和封水性能的“管幕+冻土帷幕”复合结构。此外，进一步讨论了顶管间冻结壁的发展规律和限位管的作用。
作者：	段寅
专业：	土木工程
导师：	荣传新
授予学位：	博士
授予学位单位：	安徽理工大学
学位年度：	2021