城市盾构隧道水平冻结地层加固数值分析.pdfVIP

第2期 非开挖技术 N0·2 A 69 2014年4月 C蛐噙T弛nchle鼹Tech∞10野 pr．，2014 城市盾构隧道水平冻结地层加固的数值分析 周泽林 (西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都610031) 摘要：冻结地层加固法是一种环境影响小、加固效果好的地层加固方法，人工冻结壁的形成是一个复 杂的热一力耦合问题。依托实际盾构隧道始发施工中冻结加固工程，采用有限差分软件F1ac3D建立数值模 型分析了地铁隧道水平冻结施工中温度场随时间的发展和分布特征，同时采用准热一力耦合的方法，分析了 冻结施工中地表冻胀隆起变形规律。分析结果表明：冻结壁模拟交圈时间和设计交圈时间基本一致；冻结壁 交圈前，地表冻胀隆起位移速率快，冻结壁交圈之后，地表冻胀变形逐渐趋近稳定。计算结论可供设计和施工 参考，提供了一种简便的人工冻结加固施工的数值模拟方法。 关键词：冻结地层加固、盾构隧道、数值模拟、冻胀位移 工法，可用于各类含水的不稳定地层的加固，具有 1引言 适应性强、强度高、封水性好、加固范围可控性高、 随着我国城市进程的加快，城市用地日益紧 施工环境影响小等优点，在隧道、市政、矿井和地基 张，地下空间的开发与利用已成为以后城市发展的 基坑等工程中得到了广泛的运用。由于冻土的力学 一种趋势，而城市地下工程一般位于地表建(构)筑 特征同天然土不同，冻结加固设计不合理在施工中 物密集的繁华地段，人们对施工中的安全性、环保 容易引起地表冻胀和融沉现象，对地表环境造成影 性和环境控制等越来越重视。盾构法作为一种先进 响，在地铁隧道中进行大范围全断面冻结法加固地 的非开挖技术，具有地层扰动小、机械化程度高和 层时，须借助数值模拟手段对其进行全面分梆”。 环境影响小等优点，已经在城市地铁、管道和市政 人工冻结壁温度场的形成是一个涉及水一热一 等地下工程中得到了广泛的运用。 力耦合的复杂过程，同时也是一个含相变、内热源 虽然盾构施工技术和工艺经发展已十分成熟， 和移动边界条件的不稳定导热问题翻，冻土的力学 但是掘进过程中仍不可避免的会对土体造成扰动， 性质在随温度而变化。对其研究中需要考虑温度 特别是在富水软弱土层条件下的进行盾构掘进时， 场、位移场之间的相互作用。本文根据带相变的瞬 面临的水土压力变化大，施工扰动容易造成土体失 态热平衡控制方程和服从Moh卜Coulomb屈服准则 稳，诱发地表沉陷。因此需要采取专门的地层加固 弹塑性力学平衡方程，采用有限差分软件nac3D， 措施，常规的加固方法如：注浆法、搅拌桩法、SMM 结合深圳地铁5号线某隧道区间的冻结施工，探讨 法等在含水地层中施工时具有加固效果不理想、环 了盾构隧道全断面水平冻结施工中的温度场分布 境影响大、堵水效果不明显、施工控制难度大等缺 和冻结壁发展规律，同时将土层力学参数变化作为 点。人工冻结加固法是借助人工冻结制冷技术，利 温度变化的函数，根据温度场分布改变其力学参 用低温循环冷媒剂(如低温盐水、液氮等)，吸收带 数，分析了冻结法施工过程地表冻胀隆起变形分布 走地层中的热量，将软弱富水的天然土层变成强度 规律。 较高的人工冻土层，形成完整性好、强度高、封水效 果好的冻结帷幕加固体，然后在冻结壁的支护下进 2热一弹塑性力学分析中的基本方程 行隧道开挖的特殊加固技术。该方法是一种环保