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地铁隧道水平冻结施工期渗流地层冻胀规律研究

刘政  
【摘要】:人工地层冻结法作为一种特殊的地层加固技术,现已被广泛应用于地铁隧道建设工程中。在地铁隧道水平冻结施工期间,如遇到地下水流速较大的渗流地层,会造成冻结壁延迟交圈或难以形成等现象。由此可见,地下水渗流会影响冻结温度场的分布,进而对冻结施工期地层冻胀也会造成较大影响。为此,本文以地铁隧道水平冻结工程为研究对象,采用数值模拟研究方法,对地下水渗流条件下地层冻结温度场和冻胀位移场的形成和分布规律进行了研究,其主要研究内容和成果如下:(1)考虑3种地下水渗流速度(0m/day、1 m/day、2 m/day)、3种冻结管间距(0.8 m、1.15 m、1.25 m)、3 种冻结管直径(194 mm、219 mm、245 mm)、3 种冻结管管壁温度(-23℃、-25℃、-27℃)等因素,利用单因素典型参数法来设计数值模拟方案,基于渗流场和温度场的耦合数学模型,采用Comsol Multiphysics有限元软件,对地下水渗流条件下地层冻结温度场的形成和分布规律进行了研究,研究结果表明,其他条件相同时,地下水渗流速度对冻结壁内外锋面发展速度影响较大,而冻结管间距、直径和管壁温度等因素对冻结壁内外锋面发展速度影响较小。同时,在渗流作用下,上游冻结壁的发展速度明显小于下游冻结壁的发展速度。(2)利用Hypermesh软件,将Comsol有限元模型导入至Abaqus有限元软件中。以Comsol水热耦合分析得到的冻结温度场为基础,考虑5种地下水渗流速度(0 m/day、0.5 m/day、1 m/day、1.5 m/day、2 m/day)、3 种隧道埋深(11 m、13 m、15 m)等因素,基于Abaqus有限元软件的二次开发技术,考虑冻土的正交各向异性变形特征,采用热力顺序耦合分析方法,对地下水渗流条件下地层冻胀位移场分布规律进行了研究,研究结果表明,在渗流作用下,地层竖向冻胀位移场沿隧道中心线呈非对称分布,上游地表的竖向冻胀位移小于下游地表的竖向冻胀位移;隧道埋深越大,地表竖向冻胀位移越小,在相同渗流速度下,隧道埋深不会影响地表冻胀峰值的发生位置。本文研究成果对渗流地层地铁隧道水平冻结工程的设计和施工具有一定的参考价值和意义。图62表11参55


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