下穿既有地铁车站隧道冻结温度位移场发展规律研究

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随着城市地下工程的快速发展,人工冻结法凭借其良好的止水性能、支护稳定、形式灵活等优点,现已成为地铁隧道加固工程中常用的加固技术。对于地下立体交叉隧道线路冻结施工,考虑隧道在冻结过程中的冻胀位移则尤为重要,超过工程控制的冻胀变形将对周边建筑物、道路、管线等产生影响。特别是当冻结暗挖隧道处于既有地铁车站正下方,一有不慎将引发地铁车站建筑物结构变形、底板隆起等工程事故。因此,研究冻结加固下穿暗挖通道在施工过程中温度场与位移场的分布发展状况以及对既有地铁车站的影响就显得十分重要。基于上述问题,本文结合福州地铁4号线水平冻结暗挖隧道工程,通过理论推导、数值分析、现场实测等方法,对下穿既有地铁车站隧道冻结温度位移场发展规律进行了较为系统的研究,主要研究内容如下:(1)根据工程施工设计建立三维数值模型,对冻结暗挖隧道冻结温度场与位移场进行模拟,通过观察积极冻结期各截面和各温度位移发展路径的计算结果,得到冻结温度场与位移场的发展与分布规律。冻结初期温度场的发展较为迅速,冻结锋面以单根冻结管为圆心向外发展,相邻冻结管周冻结锋面交圈后,冻结温度场的发展速度开始减慢。积极冻结期末,冻结壁在隧道横截面上呈闭合的“U”字形与“口”字形。人工冻结完成后,冻结位移场呈现完全对称的特点,由上至下冻胀位移呈现出先减少后增加最后再减少的分布特征,在冻结全过程中,冻胀集中区域基本都位于冻结位移场的中上方区域内。(2)通过改变数值模型中土体的各项物理力学参数与热物理学参数,对不同热物理参数和不同水泥掺量地层的冻结温度场与位移场进行模拟。模拟结果表明,土体导热系数变化对温度场与位移场的影响较为显著,土体比热容变化的影响次之,土体相变潜热变化的影响十分微弱。随着土体水泥掺量的增大,冻结效果呈先加强后减弱的趋势,当水泥掺量为10%时,冻结效果最佳;而冻胀位移则随水泥掺量的增大而持续减少。(3)对该工程积极冻结期和维护冻结期的冷冻盐水、土体温度与冻胀位移进行现场实测,得到冷冻盐水与土体在冻结过程中的降温规律,并分析不同位置土体的降温规律差异、冻结壁发展情况;通过冻胀位移监测,得到冻结暗挖隧道在冻结全程中变形情况,并对该工程冻结效果作出评价;通过将现场实测与数值模拟数据进行对比,验证数值模拟结果的准确性。监测结果表明,地层的温度下降过程可以分为四个阶段,冻结管布置圈内侧冻结效果优于外侧,冻胀位移发展过程可以分为两个阶段,冻结暗挖隧道之间位移最大,冻胀位移值向外递减。
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