濱海地鐵隧道人工凍結(jié)圍巖熱力耦合分析.pdf

1、在地下工程建設(shè)向更深更難條件下發(fā)展的形勢下，凍結(jié)法技術(shù)將是在深厚表土層、含水地層中施工的有效方法。人工凍結(jié)法的本質(zhì)是為了加強土體的穩(wěn)定性、減少施工時土層的變形以及阻斷地下水的流動。但是，凍結(jié)法在施工過程中所產(chǎn)生的凍脹、融沉現(xiàn)象會對城市地面和建筑產(chǎn)生不利影響。因此，通過對地鐵隧道凍土帷幕的溫度場和位移場進行數(shù)值模擬可以控制凍結(jié)時間和土層的凍脹融沉等問題。
　　本文結(jié)合濱海地鐵隧道工程實例，用有限元ANSYS軟件建立了隧道水平凍結(jié)施工

2、的模型，對積極凍結(jié)后的凍結(jié)帷幕溫度場和凍結(jié)條件下隧道開挖進行了數(shù)值模擬，研究了隧道在積極凍結(jié)結(jié)束后的溫度場情況和凍結(jié)過程中的凍脹應(yīng)力場分布，研究了凍脹引起的地表豎向位移和土層位移隨時間變化規(guī)律，研究了隧道開挖后的應(yīng)力重分布情況和開挖引起的位移場分布。
　　通過對積極凍結(jié)后的土體溫度場進行數(shù)值分析，可以得到不同位置的凍結(jié)帷幕厚度和平均溫度。將計算結(jié)果與實測值進行比較，調(diào)整參數(shù)重新計算，預測隧道一區(qū)的交圈時間為60～80天，此時凍土帷

3、幕的平均溫度均不高于-10℃，凍土帷幕厚度將達到2m。通過凍結(jié)帷幕溫度場與應(yīng)力場耦合分析可知，除凍結(jié)帷幕附近外，越靠近模型底面，豎向應(yīng)力越大。上表面的水平應(yīng)力方向與負溫區(qū)相反，且在地面位置有最小應(yīng)力值，此后應(yīng)力隨著深度的增加而逐漸增大。初始應(yīng)力場和位移場都呈水平均勻分布，土層由上到下應(yīng)力值逐漸增加，位移值逐漸減小。應(yīng)力最大值為0.96MPa，位移最大值為16.7mm。通過對維護凍結(jié)期隧道開挖過程的分析，表明第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隧道底部

4、兩腳附近，約為0.3MPa，第三主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隧道底部襯砌與臨時支架連接處，最大值約為0.5MPa。在隧道開挖完后，應(yīng)力關(guān)于隧道中心線呈對稱分布。剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隧道兩側(cè)底角附近，最大值約為0.15MPa，這是由于隧道兩側(cè)底角曲率半徑小，導致此處應(yīng)力集中。最大彎矩位于襯砌和臨時支架連接處，約為152KN·m。通過對隧道在分區(qū)開挖時的應(yīng)力場、位移場和支護結(jié)構(gòu)的受力情況進行分析，驗證凍結(jié)帷幕設(shè)計參數(shù)的正確性和安全性。這對今后的凍結(jié)法施