地铁隧道工程人工冻结法研究进展.pdf

刘字事等：地铁隧道工程人工冻结法研究进展83地铁隧道工程人工冻结法研究进展刘宇亭，唐益群，周洁，闫春岭(同济大学地下建筑与工程系．上海200092)【摘要】简要介绍了近年国内人工冻结法在地铁隧道联络通道和隧道进出洞施工中的应用。根据人工冻土的物理力学性质和工程中的问题，将已有成果主要分为施工现场监测、室内与模型试验、理论与数值模拟三部分进行讨论，总结了有关施工工艺的改进、温度场在施工过程中的发展、冻胀融沉引起位移的预测、理论建模和多场耦合的数值模拟等研究进展，并提出一点建议。【关键词】人工冻结法；地铁隧道；融沉；温度场【中图分类号】TU472．9【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2011)o9—0083—02RESEARCHPRoGRESSoNARTIFICIALFREEZINGMTHoDOFSUBWAYTUNNELCoNSTRUCTIoNLIUYu—ting，TANGYi—qun，ZHOUJie，YANChun—ling(DepartmentofGeotechnicalEngineering，Ton~iUniv．，Shanghai200092，China)Abstract：Theachievementsinartificialfreezingmethodappliedtoconnectingpassageofmetrotun-nelandthedriving—inanddriving—outtechniquesofshielddriventunnelaresummarizedindetail，whichincludetherecentdevelopmentinChina．Accordingtothephysicalandmechanicalpropertiesofartifi—cialfreezingsoilsandengineeringproblem，threeaspectsofresearchareinvolvedasfollows：measureddataofconstruction，laboratorytestsandmodeltests，theoreticalanalysisandnumericalsimulation．Keywords：artificialfreezingmethod；metrotunnel；thawingsettlement；temperaturefield人工冻结法因其不受范围和深度限制，能有效支护和2室内及模型试验方面止水，在地铁隧道联络通道、隧道出洞、凿井、基坑止水帷幕2，1模型试验的研究进展等施工中得到广泛的应用。模型试验系统复杂，可以最大限度的确定各种因素的人工地层冻结是一个物理力学过程，涉及水、热、力的影响，弥补现场监测和理论研究的不足，相比现场费用较多场耦合，在分析中涉及土体导热系数的非线性、冰一水相小。工程中冻结管多选用规格为q~lO8mm×8ram的钢管，模变引起的潜热释放、水流对热传导的影响、水分向冻结锋面型冻结管管径受加工等因素的影响，比例尺多选用C1=20，迁移、土体性质随时间改变等，给相关的研究带来了很大的已有不少相关的成果。周希圣等在模型试验的基础上，困难”J。本文结合室内及模型试验和理论数值模拟去讨对高含水量的粘土隧道冻结的地表变形及深部地层的位移论该方法的研究进展，总结目前研究中的一些问题并提出进行了研究，发现地表位移变化经历了缓慢变化期、位移骤一些建议。变期和位移稳定期。程桦和蔡海兵等"结合工程实例进行1施工现场监测方面了地铁隧道水平冻结模型试验，其中模拟开挖过程研究了人工冻结法在地铁隧道及其联络通道施工中大量应人工水平冻结法施工冻结壁形成规律、冻结壁平均温度、冻用，对部分关键参数，如冻结帷幕厚度、冻结帷幕平均温度、结壁厚度、冻胀融沉等问题。周晓敏和王梦恕等利用水冻胀力已有较多的实测资料，但是现场施工中冻胀力以及渗流作用下两孔地层冻结模型试验台进行正交模型试验，地表的冻胀融沉却得不到有效的控制。因此迫切需要对常研究了地下水渗流、孔间距等对饱和砂冻结交圈时间和上规的施工技术和工艺流程进行研究和改良。岳丰田等介下游温度场的影响。绍了国内首例联络通道强制趣冻融沉注浆施工的工程实2．2室内试验的研究进展例，该方法使短时间内有效控制融沉成为可能。胡向东和相比模型试验的复杂性，室内试验具有试验参数少、试验肖朝昀等利用原位试验大量实测数据，对比分析了自然条件易于控制、试验成果便于分析等优点，可以系统的研究冻解冻和强制解冻冻土温度上升规律。随着技术的成熟，目融土的物理力学性质。笔者着重总结了地铁隧道周围地质环前工程中多采用泄压孑L泄压、跟踪注浆、热水快速解冻等方境中土体的研究成果，便于与相关研究内容对比分析。王效式控制地表及隧道轴线因冻胀融沉产生的位移。宾和杨平等利用自制的冻胀融沉试验装置进行试验，结果 低温建筑技术2011年第9期(总第159期)表明并非所有含水土体都产生融沉，只有当土体含水率超过快速解冻等方式控制地表及隧道轴线因冻胀融沉产生的位起始融沉含水率后才会融沉。秦爱芳等⋯通过冻土冻融试移。而在工程设计中我们同时应该注意冻结盐水去回路温验机及CT扫描技术，对上海粘土进行冻胀量和冻胀应力模度、冻结管直径、冻结管间距、冻结时间等关键参数的选取，拟试验研究，得出不同深度土层人工冻结后的冻胀量和冻胀尽量缩短工期、节约能源。应力与固结应力的关系，以及土样在冻结过程中的水分迁移(2)冰一水相变引起潜热释放、水分向冻结锋面迁移情况。唐益群等研究了上海暗绿色粉质粘土不同频率的及地铁隧道不稳定导热的边界条件等问题给理论分析和数模拟行车荷载的室内动三轴试验，得出了不同动荷载频率作值模拟带来了不少的困难，许多学者通过不同的本构模型用下土体冻融前后的动应力一动应变关系。和数值方法分别以温度场、位移场或力场为着重点进行分目前试验研究多集中在冻融前后物理力学特性或模拟析，得到了不少有益的成果。现场工况的模型实验方面，针对冻融前后土体的微观研究(3)在地铁隧道工程中人工冻结法不光对隧道周围还比较少，且研究背景偏重于沿海软土地区，在其他土质地土体有不良的影响，对隧道管片尤其是联络通道与管片的铁隧道人工冻结法施工时还需要有针对性的试验研究。接缝也有不良影响，其接缝处多是隧道内渗漏较严重的地3理论及数值模拟方面方；而且人工冻结改变了土体物理力学性质，在通车后还有3．1位移场和应力场的研究进展地铁振动荷载的作用，因此迫切需要研究人工冻结法对隧地铁工程多在城市的密集建筑区地下修建，周围地质环道长期沉降的影响。境对沉降的要求非常高，需要控制施工过程中以及工后因土体冻融引起的地表和隧道轴线位移，所以研究人工冻结法对参考文献隧道及周围土体位移场和应力场的影响变得十分迫切。李双[1]秦爱芳，林金钱，等．上海人工冻土冻胀特性和水分迁移的试洋等采用热蠕变本构建立了地铁隧道人工冻结施工的水验研究[J]．上海大学学报(自然科学版)，2009，(1)．热力耦合分析模型，对某双线地铁隧道施工过程中的热力状[2]汪仁和，李栋伟．正冻土中水热耦合数学模型及有限元数值况进行了数值模拟。杨平等根据冻土中未冻水含量、外界模拟[J]．煤炭学报，2006，(6)：757—760．水分人流量以及温度等参数的关系，进行土冻结过程的水热[3]王效宾，杨平，王海波，等．冻融作用对黏土力学性能影响的力耦合数值模拟，研究由冻胀力产生的土体冻胀位移。胡向试验研究[J]．岩土工程学报，2009，(11)：1768—1772．东和肖朝昀等”利用有限差分法分析了联络通道施工时混[4]岳丰田，张水宾，李文勇，等．地铁联络通道冻结加固融沉注凝土水化热对冻土帷幕的影响，发现常见的盾构隧道联络通浆研究[J]．岩土力学，2008，(8)：2283—2286．道结构浇注的混凝土始终不会进入负温状态。张志强等¨[5]肖朝昀，胡向东．人工地层冻结冻土自然解冻与强制解冻实采用三维有限元方法模拟冻结法施工时隧道与联络通道组成测分析[J]．长江大学学报(自然科学版)理工卷，2009，(3)．复杂空间结构的施工力学行为，研究发现施工将引起交叉部[6]周希圣，郑宜枫．高含水粘土层隧道冻结位移场模型试验研管片受力改变，引起一定的地表变形。究[J]．同济大学学报(自然科学版)，2000，(4)：472-476．[7]程桦，姚直书，等．人工水平冻结法施工隧道冻胀与融沉效应3．2温度场和渗流场的研究进展模型试验研究[J]．土木工程学报。2007，(10)：80—85．人工冻结法施工需要注意冻结帷幕的强度、冻结时间、[8]周晓敏，王梦恕，张绪忠．渗流作用下地层冻结壁形成的模型土体的冻胀融沉等问题，即温度场和渗流场的变化，目前许试验研究[J]．煤炭学报，2005，(2)：196—201．多学者已经通过不同的方法，得到了一些有益的成果。汪[9]唐益群，沈锋，胡向东，等．上海地区冻融后暗绿色粉质粘土仁和等基于相似理论原理，提出渗流方程中的导水系数动本构关系与微结构研究[J]．岩土工程学报，2005，(11)．是温度梯度的函数，建立了正冻土中水热耦合控制微分方[1O]李双洋，张明义，黄志军，等．地铁双线隧道施工人工冻结水程，通过模拟说明温度梯度是引起水分迁移的最主要因素。热力数值分析[J]．交通运输工程学报，2009，(I)：67—72．杨平等利用多孑L介质热运移理论及达西定律模拟建立了[11]柯洁铭，杨平．有限单元法在人工冻土冻胀数学模型分析中考虑地下水流时的冻结峰面发展数学模型，并采用数值计的应用[J]．公路工程，2009，(1)：25—29．算法分析了冻结过程中温度场及地下水流场的变化规律。[12]肖朝昀，胡向东．混凝土水化热对联络通道冻土帷幕的影响胡向东等以单排管冻土帷幕温度场的巴霍尔金解析解为[J]．长江大学学报(自然科学版)理工卷，2009，(4)：86．[13]张志强，何川．用冻结法修建地铁联络通道施工力学研究基础，建立了直线形单排管冻土帷幕的平均温度计算模型[J]．岩石力学与工程学报，2005．(18)：3211—3217．等效梯形法和等效三角形法。[14]杨平，皮爱如．商流速地下水流地层冻结壁形成的研究[J]．冻土的理论研究国内外已经有非常多的成果，但其研岩土工程学报，2001，(2)：167—171．究内容多是针对季节冻土区和多年冻土区，而人工冻结法[15]胡向东．直线形单排管冻土帷幕平均温度计算方法[J]．冰研究的土体是在有上覆土压力的环境中，且冷端温度低，冻川冻土，2010，(4)：778—785．融快，因此迫切需要针对特殊情况进行新的理论研究和数值模拟。[收稿日期]201l一04一l84结语[作者简介]刘字亭(1986一)．男，计肃嘉峪关人，1i~-1：研究(1)目前工程中多采用泄压孔泄压、跟踪注浆、热水生，研究方向：岩土]：程和环境地质。