地铁联络通道水平冻结土体热固耦合研究
由于城市化进程的大力推进，为解决城市交通拥挤问题，国内许多城市掀起了地铁建设的高潮。而联接上、下行隧道的联络通道，在保证必要时乘客安全疏散功能的同时，又起到地铁运营中两车站间的集排水作用，其在施工过程中存在的风险性以及应对措施越来越引起人们的重视。人工冻结法以结构适应性强、无环境污染、隔水性好等优点，在联络通道施工中常被采用。在联络通道冻结法施工过程中，随着温度降低，冰水相变，土体强度提高，在联络通道开挖面周围形成一道起高强度支护作用的冻土帷幕；因冰水相变而产生的冻胀以及联络通道支护完成后冻土帷幕的解冻而带来的融沉，往往会使地表产生较大的变形，影响道路交通，破坏地下管线或造成邻近建筑物（构筑物）产生倾斜、裂缝等事故；对已建盾构隧道也将产生不利影响。因此，在保证冻结法施工安全的前提下，必须严格控制地表及已建隧道的变形。研究地铁联络通道冻结法施工过程中温度场、应力场、渗流场的变化规律具有重要的现实意义。 本文以在建南京地铁二号线莫愁湖站～汉中门站区间联络通道水平冻结法施工为工程实例，采用数值模拟方法，对联络通道及泵房人工水平冻结法施工过程中的温度场发展、地表与主隧道变形、渗流场发展规律进行研究，并将研究结果与工程实测相比较，得出了有价值的结论，从而为以后的联络通道冻结法施工进行较好的预报。研究内容及结论如下： 1.为了得出渗漏发生在冻土帷幕不同位置时渗流场与应力场的变化规律，采用有限元软件建立联络通道二维计算模型，对联络通道冻土帷幕分别在拱顶、拱角、底角处存在未冻土柱而发生渗漏时周围土层渗流场、应力场的耦合作用进行研究，得出各时段渗流场的分布规律与冻土帷幕的安全系数；以地表沉降预警值30mm为标准，当冻土帷幕分别在拱顶发生渗漏10天、拱角发生渗漏8天、底角发生渗漏7天时，必须对联络通道渗漏点进行封堵，加固渗漏处土体，否则地面将发生更大沉降。 2.采用有限差分软件FLAC3D，建立主隧道、联络通道与泵房的三维计算模型，合理选择本构模型及各土层与支护结构的材料参数，对冻结法施工过程中冻结温度场扩展、周围土层及已建隧道变形等规律进行研究。结果表明：随着温度降低，冻土帷幕逐渐形成，将产生极大地冻胀力；在冻胀力作用下地表产生6.55mm的隆起，已建隧道发生7.4mm的上浮，与冻土帷幕交叉部位出现应力集中，并在局部环缝处发生渗漏。数值模拟结果与现场实测吻合较好，可以对以后的联络通道冻结法施工进行预报。 3.对联络通道及泵房在冻土帷幕的保护下进行开挖构筑施工引起位移场、应力场的变化规律进行模拟。结果表明：当联络通道埋深较浅时，开挖将产生地表隆起；主隧道管片衬砌与联络通道交叉部位压应力较大，局部承受一定的拉应力；在确保冻土帷幕厚度和强度条件下，联络通道开挖构筑施工是安全的。 4.对南京地铁二号线莫汉区间联络通道及泵站冻结法施工中盐水去、回路温度、测温孔土层温度、卸压孔压力、地表变形等的监测数据进行分析。结果表明：盐水去回路温差越小，土体冻结情况越好；根据测温孔可对冻土温度分布以及冻土帷幕厚度进行判断；泄压孔的设置可以有效减小冻胀压力，并有利于冻土帷幕内土体的开挖；冻结孔的施工将产生较大地表沉降，冻结阶段地表有较大隆起，冻土帷幕解冻后应及时跟踪注浆，防止地面、隧道产生过大变形。 本文为联络通道水平冻结法信息化施工提供了一定的理论依据，具有重要的现实意义。
地铁联络通道施工;人工水平冻结法;冻土帷幕;温度场;渗流场;应力场;冻胀融沉;数值模拟
山东科技大学
硕士
岩土工程
李大勇
2009
中文
U231.3
90
2013-05-16（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）