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隧道工程水平冻结法优化设计研究

岳敏  
【摘要】:人工地层冻结技术用于采矿凿井在国外有100余年的历史,在中国也有40余年,然而,它在其它岩土工程中的应用尚处于起步阶段。冻结法在我国隧道施工中还未得到广泛的应用,特别是地铁隧道水下冻结法施工,以前在我国应用很少,该工程为我国为数不多的水平冻结施工工程。 而隧道施工开挖引起土体损失造成隧道围岩体向隧道内变形及地表沉降,以及冻胀施工伴行冻胀和融降现象,过量的冻胀量和融降量将使地表、地下管线等受到破坏。由于城市地铁隧道所处地理位置的重要性,要求地表沉陷和冻结壁的形成规律及特性以及冻胀和冻融对地下管线的影响等方面在理论上有一定的预测性,前人在这方面的工作还不多。本文将从对水平孔冻结情况下冻结壁的形成规律以及冻结压力、冻结施工工艺参数与地表沉陷之间的关系进行现场实测及实验室的模拟实验提出可行方案,供以后的水平冻结工程设计和施工以及冻结法施工在市政工程中的应用借鉴参考。 本文以上海大连路越江隧道水平冻结法施工段为原型而建立的一套隧道水平冻结法试验系统为基础展开研究。分析了隧道水平冻结情况下的冻结区的温度场、应力场和位移场。通过室内一组正交试验得到地表沉降与冻结壁暴露时间、冻结壁暴露段长之间的经验公式和最优冻结壁厚。本文主要做了以下几个方面的工作: (1) 对试验模型的建立进行系列研究,并针对试验的可行性进行了理论论证,推导出相关的测试准则方程。 (2) 利用正交实验法与现场实测所得数据,通过数值分析得出隧道水平局部冻结温度场分布特征、冻结过程冻结壁厚度发展变化规律和冻结过程中由冻胀引起的在冻结壁上方土体中增加的应力沿深度分布规律。 (3) 在得出冻结壁上方土体中应力沿深度分布规律的基础上通过数值计算得到考虑地表沉降情况下的合理冻结壁厚度为1.5m。 (4) 通过一组正交设计实验得到地表沉降与冻结壁暴露时间、冻结壁暴露段长之间的经验关系式,并通过现场测试数据验证了模拟实验具有一定的可靠性。


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