（岩土工程专业论文）联络通道冻结法施工的三维有限元分析.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 人工冻结法加固地层具有强度高、封水效果好、整体支护性能好等优点，被 广泛应用于隧道掘进、隧道抢险、地铁区间隧道联络通道施工、基坑施工等地下 工程。它作为一项新技术在地铁隧道施工中可以解决其他工法无法解决的技术难 题。但是冻结法施工更多的倚重于经验，其理论研究相对滞后，目前还找不到成 熟的理论来计算冻结过程中土体的温度场和应力场，但温度场和应力场的精确计 算对确保冻结法安全施工非常重要。所以，研究冻结法施工过程中温度、应力、 位移的分布和变化规律并在施工中加以控制，是一个亟待解决的问题。本文主要 研究内容包括： ( 1 ) 以上海市复兴东路越江隧道联络通道为例建立三维有限元模型，分析 土体冻结过程中温度场的分布情况和冻结壁的形成过程。模型中考虑倾斜冻结管 和水平冻结管的同时存在，倾斜冻结管数量多，并且倾斜角度各不相同。针对冻 结壁最薄弱的地方，分别在冻结壁底部、中部和顶部建立路径，并绘制每条路径 不同时间点的温度分布曲线；分析土体热物理参数的变化对冻土体温度和冻结壁 厚度的影响。 ( 2 ) 采用三维有限元方法，模拟冻结法施工条件下修建盾构隧道与联络通 道组成复杂空间结构的施工力学行为。分析冻结壁的形成对隧道管片受力和变形 的影响；分析在冻结壁保护下，随联络通道施工引起的隧道管片的受力及变形情 况，重点研究联络通道施工引起交叉部连接管片内力变化、变形特征；分析随联 络通道施工引起的冻结壁的受力和变形情况，同时针对冻结壁设计厚度1 8 m ， 作出安全性和合理性说明；分析联络通道衬砌的受力和变形情况。 关键词：冻结法，联络通道，温度场，冻结壁。盾构隧道 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a r t i f i c i a lf r e e z i n gm e t h o di su s e dt oe n i l a i l c cs o i li n t e n s i t y , w h i c hh a s t h e a d v a n t a g eo fh i g i ii n t e n s i t y , k e e p i n go f fw a t e r , i n t e g r i t yp r o p e r t y i th a sb e e nw i d e l y a p p l i e di nt u n n e lc o n s t r u c t i o n , t u n n e le m e r g e n c y , c o n n e c t e da i s l eb e t w e e nt w ot u n n e l s ， p i te x c a v a t i o n ，a n ds oo n a san e wt e c h n i q u e , i ti sa p p l i e di nu n d e r g r o u n dt u n n e l ， w h i c hc a nd e a lw i t ht e c h n i q u ep r o b l e m b u ta r t i f i c i a lf r e e z i n gc o n s t r u c t i o nd e p e n d s m o r eo ne x p e r i e n c e ，a n di t si n t e r r e l a t e dt h e o r yd r o p sb e h i n d n om a t u r er e s e a r c h r e s u l t sc o u l db ef o u n df o rc o m p u t i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h es t r e s sf i e l dd u r i n g t h ea r t i f i c i a l f r e e z i n gc o n s t r u c t i o n b u tt h er e l e v a n t t e m p e r a t u r e a n ds t r e s s c o m p u t a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es a f ec o n s t r u c t i o n s os t u d y i n gt h ed i s t r i b u t i o n a n dt h ec h a n g em l e so ft e m p e r a t u r e , s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti nt h ep r o c e s so f c o n s t r u c t i n g b y m e a n s o f a r t i f i c i a lf r e e z i n g m e t h o d i s v e r y i m p o r t a n t f i r s t l y , t a k i n go n ec o n n e c t e da i s l eo fe a s tf u x i n gr o a da c r o s s t h e r i v e rt u n n e l o fs h a n g h a if o re x a m p l e ，f i n i t ee l e m e n tm o d e li sb u i l tb yf e mp r o g r a ma n s y s ， w h i c hi su s e dt os i m u l a t et h ed i s t r i b u t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l da n d t h ef o r m i n gp r o c e s so ff r e e z i n gw a l l b o t hi n c l i n e df r e e z i n gp i p e sa n dh o r i z o n t a l f r e e z i n gp i p e sa r et a k e ni n t oa c c o u n ti nt h ef e mm o d e l t h ei n c l i n e df r e e z i n gp i p e s a r em o r et h a nt h eh o r i z o n t a lf r e e z i n gp i p 鹤a n dt h e i ri n c l i n e da n g l e sa r ed i f f e r e n t p a t h sa r ee s t a b l i s h e di nt h eb o t t o m ，m i d d l ea n dt o po ft h et h i n n e s tf r e e z i n gw a l l t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc u r g sa r ep l o t t e df o re a c hp a t h f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e r a n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft h ec h a n g eo fb r i n et e m p e r a t u r e , c o n d u c t i v i t y , e n t h a l p yo n t h et e m p e r a t u r ef i e l d s e c o n d l y , t h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h ec o m p l i c a t e dc o n s t r u c t i o no fg l o s s c o n n e c t i o no fs h i e l dt u n n e la n dc o n n e c t e da i s l eb yf r e e z i n gm e t h o di ss t u d i e db y u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lf i r f i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t h es t r e s sa n d t h ed e f o r m a t i o no ft h es h i e l dt u n n e ls t r a c t u r ew i mt h ef o r mo ff r e e z i n gw a l la r e s t u d i e d u n d e rt h ep r o t e c t i o no ff r e e z i n gw a l l ，t h es t r e s sa n dt h ed e f o r m a t i o no ft h e v i 上海大学硕士学位论文 s h i e l dt u n n e ls t r u c t u r ew i t ht h ec o n n e c t e da i s l ec o n s t r u c t i o ni ss t u d i e d ，e s p e c i a l l yt h e c r o s sc o n n e c t i o ns t r u c t u r e t h es t r e s sa n dt h ed e f o r m a t i o no ft h ef r e e z i n gw a l lw i t h t h ec o n n e c t e da i s l ec o n s t r u c t i o na l es t u d i e d a tt h es a m et i m e , t h i sp a p e re x p l a i n st h e s a f e t yo ft h et h i c k n e s so ft h ef r e e z i n gw a l l1 8 mi sr e a s o n a b l e t h es t r e s sa n dt h e d e f o t m a t i o no f t h ec o n n e c t e da i s l el i n i n ga l es t u d i e d k e y w o r d $ ：a r t i f i c i a lf r e e z i n gm e t h o d , c o n n e c t e da i s l e , t e m p e r a t u r ef i e l d , f r e e z i n gw a l l , s h i e l dt u n n e l i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：堑巍兢e t 期：雹q 2 。呈：丝 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：整邀 导师签名：隆盔盏日期：2 丝王垒! 丝 上海大学硕上学位论文 1 1 前言 第一章绪论 2 l 世纪是建设地下工程的世纪，也是我国地下空间开发利用的高潮时期， 各种地下工程如矿山工程、深基础建筑及城市地铁和河底、海底及穿山隧道等正 在兴建或计划兴建中，并且呈现不断增加的趋势。我国目前在城市进行市政岩土 工程及地下空间开发中遇到许多传统岩土工程方法难于解决的问题，如地铁、隧 道中一些不能用盾构法施工的小而形状不一的工程和湖底、河底近距离隧道工程 及河岸近距离基坑工程等。例如上海地铁在盾构进出洞及联络通道暗挖中面临普 通工法难以解决的问题，这就给岩土工程界提出了新的课题，为此必须寻求一种 既安全又较为合理的新方法。地层人工冻结技术作为一种隧道和基础工程的施工 辅助方法，被广泛应用于隧道掘进施工、地铁区间隧道联络通道施工、顶管进出 洞、隧道抢险及其它地下工程。在轨道交通以及越江隧道的施工建设中，地层人 工冻结技术也扮演着越来越重要的角色，必将为我国经济的发展发挥更大的作 用。 根据统计资料显示，中国的大中型城市均有近期或远期的地铁建设方案，在 北京，已经建成的地铁达到5 5 公里，到2 0 0 8 年奥运会召开以前，预计将有3 0 0 公里线路投入运营。到2 0 1 0 年，上海将陆续建成1 3 条轨道交通路线，届时轨道 交通网络将覆盖3 0 的城区面积，其站点将服务于全市5 0 的人口。同时，天 津、广州、深圳、南京等地的地铁建设也在方兴未艾地蓬勃开展。作为一种投资 巨大、社会效应和经济效益影响深远的建设项目，其安全性、经济性的要求毋庸 置疑是非常重要的。如果在施工过程中出现任何安全事故，其代价都是惨痛的。 上海轨道交通4 号线浦东南路至南浦大桥区间隧道，由于联络通道地处3 0 多米 深的流砂层，并且距离浦西防汛墙仅5 3 m ，施工难度和技术风险都比较大，距离 贯通仅有8 0 a m 的时候，突然发生大量流砂涌入，引起隧道受损及周边地区地面 大幅度沉降，造成三幢建筑严重倾斜，以及防汛墙出现裂缝、沉陷等险情，临江 花苑大厦最大沉降量达1 2 m m ，直接经济损失高达1 5 亿元。所以，用一种切实 有效的方法对人工冻结法施工方案进行计算、评估，确保安全施工是关键所在从 上海大学硕士学位论文 而避免巨大的经济损失。目前国内沿海及南方属于软土地基的许多城市在地下施 工中正在逐步重视和考虑使用人工冻结法，完善和发展人工土冻结理论和技术体 系将不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的社会效益与经济效益。 本文针对人工冻结法在隧道联络通道中的应用，用有限元软件a n s y s 模拟分 析土体冻结过程中三维温度场的发展变化情况及冻结壁的形成过程，并对盾构隧 道施工和联络通道开挖进行三维数值模拟，分析施工过程中位移场和应力场的变 化情况，做出了有意义的尝试，具有较大的理论和实际意义。 1 2 课题的提出 1 2 1 地层人工冻结技术简介及其应用 地层人工冻结技术的应用开始于上个世纪。英国工程师南威尔士1 8 6 2 年在 建筑基础施工中，首次使用了人工冻结技术加固土壤，开创了人类将人工制冷技 术应用于建筑工程的先河。人工地层冻结技术在城市土木工程中的应用始于1 8 8 6 年瑞典2 4m 长的人行隧道建设工程“1 。此后德国、比利时、美国、法国、奥地 利、荷兰、前苏联、瑞典和日本等相继应用了冻结法。1 8 8 3 年德国首次利用冻 结技术开凿了阿尔里煤矿井筒并取得了圆满成功；1 9 0 6 年法国就把冻结法应用 于横穿塞纳河底的地铁工程中；前苏联在2 0 世纪7 0 年代，使用冻结法构筑了 7 0 个地铁斜井隧道；日本自1 9 6 2 年起己在地铁、隧道、污水道等实施了3 4 0 个 冻结工程；1 9 9 1 年西班牙巴伦西亚地铁工程。 我国于1 9 5 5 年在开滦林西风井首次采用冻结法开凿井筒并且取得成功0 1 。 目前，采用冻结法己成功凿井4 4 0 多个，冻结最大深度达4 3 5 m ，穿过冲积层的 最大厚度为3 8 4m ，最大冻结直径为2 0 m 。1 。经过近5 0 年的实践，具有了有一定 技术水平的冻结法施工、设计队伍，冻结法被广泛用于矿井建设、地基基坑、隧 道、地铁盾构机出入口和竖井、水利工程等。1 9 9 4 年，用冻结法对上海延安东 路隧道南线进行盾构进洞软土加固工程。1 9 9 7 年一1 9 9 8 年，在北京地铁“复一 一八”线大北窑南隧道、上海地铁2 号线中央公园站至杨高路站旁通道工程中， 均成功地应用了水平冻结加固技术“1 。1 9 9 8 年，中煤特殊工程公司成功地完成了 江西湖口大桥桩基水下冻结工程。采用冻结法施工的东塔基由4 根直径4 m 的灌 2 上海大学硕士学位论文 注桩组成，桩外全深冻结，冻深4 3m ：桩内局部冻结，桩底预留3 m 的未冻带嘲。 2 0 0 1 年广州地铁2 号线中山纪念堂越秀公园区间隧道的南端穿越清泉街破 碎带时，采用了全端面水平冻结法作为辅助施工，冻结管单管长度最长达6 2 m 。 2 0 0 2 年7 月上海地铁大连路越江隧道采用冻结法施工。2 0 0 3 年南京地铁一号线 张府园三山街区间隧道联络通道位于流沙地层也采用了冻结法施工。 ( a ) 冻结管并联 4 5 0 。) 冻结管串联 图1 1人工地层冻结法示意图 卜冷冻机组：2 一供液干管：3 - - 回液干管；4 - - 冻结管；5 - - 地层 图1 2 是冻土发展不同阶段不恿翻 1 一冻结管；2 一冻结圆柱发展中；3 一冻结圆柱交圈；4 一冻结壁形成 地层人工冻结技术的原理是利用人工制冷技术( 一般为氨一盐水循环制冷技 术、液氮或干冰制冷技术) ，首先在需加固的地层中钻孔铺管，安装冻结器，利 用制冷压缩机提供的冷量，通过低温盐水在冻结管中循环，带走地层热量，使地 层中的水结冰，使天然状态下的岩石或者土壤冻结成人工冻土，通过连续的冻结， 使冻结区交圈形成完整性好、强度高、不透水的、相对封闭的冻结体。由于冻土 的物理力学性质远远优于含水土层或岩层，从而连续冻土墙能形成具有一定强度 3 上海大学硕士学位论文 的围护结构以抵抗地压、水压并隔绝地下水和开挖土体之间的联系。当冻结壁的 厚度和强度达到设计要求足以抵抗开挖时的水土压力时，即可在冻结体的保护下 进行竖井或隧道联络通道等地下工程的开挖施工，以保证开挖的安全和稳定性。 在开挖过程中，冻结壁的两侧受空气和地热的影响均会产生冷量损失，为了维持 冷量平衡，保持冻结壁厚度和强度，冷冻站必须持续向冻结管供冷，直至开挖结 束，待衬砌支护完成后，冻结地层逐步解冻，最终恢复到原始状态。图卜1 是人 工地层冻结加固示意图，图1 - 2 是冻土发展不同阶段示意图。 地层人工冻结技术加固地层有两种方法：间接冻结法( 低温盐水法) 和直接 冻结法( 液氨法) 。盐溶液间接冻结法就是将盐溶液用压缩方法致冷后，作为冷 媒在土体内埋设的管道中循环，吸收土体热量，增加自身显热，不断循环制冷， 直到土体冻结，达到加固和稳定的目的。直接冻结法即不需要循环制冷，使液氨 或者干冰等在土体内发生相变，直接作为冷媒吸收土体热量，使土体降温至土中 水分冻结，形成冻土体。与盐溶液人工冻结法相比，液氨人工冻结法具有深低温、 冻结速度快、冻结强度高、无污染等优点。近年来受到关注并越来越多地被用到 人工土冻结，尤其是在西欧”1 。 地层人工冻结技术既可用于各类不稳定土层( 粘土、砂土或砂砾土) ，又可 用于含水丰富的裂隙岩层。在涌水量较大的流砂层应用更能显示出冻结法相对于 其它工法的优越性。通常，当地下水含盐量不大，且地下水流速不大于4 0 m d ， 均可使用冻结法。因此，冻结法在世界范围内得到了广泛的应用。地层人工冻结 技术加固和稳定岩土有以下优点“： ( 1 ) 冻结加固地层的抗压强度高。- 1 0 时冻结粘土的抗压强度一般可达 5 m p a ，冻结砂土的抗压强度一般可达8 m p a 以上； ( 2 ) 冻结壁的隔水性能好。冻结壁既起临时支护作用又起封水作用，可保证 开挖工作面在无水条件下作业，容易通过在冻结壁内设水文孔来检验，这是其他 方法难以实现的； ( 3 ) 整体支护性能好。冻结体形成后，冻结体内不会存在任何缝隙，是一个 完整的支护体，对所处地层扰动较小，地面沉降控制把握大。在冻结体的掩护下， 可保证隧道掘进的安全施工； ( 4 ) 灵活性好。冻结法不受建筑场地地质条件限制，可形成任意深度和任意形 4 上海大学硕上学位论文 状的挡土墙，以满足不同工程的要求，必要时可以绕过地下障碍物进行冻结施工： ( 5 ) 环保型工法。由于冻结法是一种临时措施，地层冻结仅仅是将地层中的 水变成冰，并且所加固地层最终要恢复到原始状况，因而能够保护城市地层地质 结构和地下水不受污染； ( 6 ) 适应性强。对在不稳定的淤泥层、流砂层、卵砾石层、漂石及坚硬基岩 等复杂地层下的各种形状的基坑，均可采用冻结法，且尺寸不受限制。 人工土冻结方法在国际上已经很普遍，但由于地层冻结机制和冻土结构物理 力学性质的复杂性，还难以形成统一的设计方法和规则。目前，我国地层人工冻 结技术在人工冻结凿井中得到了广泛应用，在城市地下建筑以及隧道等工程中还 远没有达到普及，主要是理论和技术储备还有一定的差距，特别是随着施工深度 的增加，遇到的问题也越来越多。因此，完善和发展地层人工冻结理论和工程技 术体系不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的经济前景。 1 2 2 课题的提出 冻结法施工中，如何确定冻结壁的厚度是一个非常重要的问题，冻结壁厚度 不但直接影响冻结法施工的安全，而且关乎整个施工过程的成败。尤其在地下工 程、隧道工程中，冻结壁厚度可能影响整个项目的完成。如果冻结壁厚度不能满 足要求，就会发生冻结壁失效、渗水、倒塌的事故，造成无可挽回的重大经济损 失。冻结壁厚度过大，同样也不符合经济性的原则，由于冻结施工的造价较高， 过大的冻结壁厚度会造成整个工程造价的提高，而且还会给土体的掘进和支护带 来不必要的麻烦。因此，冻结壁厚度的设计必须考虑安全和经济两方面的要求， 两者的平衡是每一个施工技术人员和研究人员的重要目标。但是如何合理地进行 冻土墙厚度的设计，或采用什么样的方法进行计算，仍没有统一的标准。 在早期的设计理论中，无论是基于弹性的理论，还是基于塑性或者弹塑性的 理论，都把冻土视为匀质材料，按照这些理论计算出来的结果与实际情况相比较 都是不够精确的。实际上冻土是一种非匀质的流变材料，力学性能与温度呈现某 种非线性的变化，所以，要精确设计冻结壁的厚度，必须先了解冻结壁温度的分 布情况，这样冻结壁内的应力、位移分布才有可能与实际情况符合。 研究多排冻结管温度场，可以采用理论分析、模型实验、计算机数值模拟等 5 上海大学硕士学位论文 方法。由于多排冻结管冻结条件下冻结壁温度场不仅受到同排相邻的冻结管的影 响，而且受到不同排的冻结管的影响，加之冻结壁温度场的非叠加性，以及考虑 到冻土是一种由水、土、冰、气组成的多元多相孔隙介质，其非均匀性和各向异 性使得冻结壁温度场的计算非常复杂，很难用纯理论计算的方法得出精确的解 答。如果采用模型试验的方法，由于冻结法本身投资比较巨大，模型不可能取实 际尺寸，所以我们不得不考虑模型的尺寸效应，再者模型试验受环境的影响巨大， 特别是大气温度和湿度对模型的影响使测得的数据具有不可预测性，分析得出的 温度场和实际的温度场有较大的差异。目前比较流行的做法是利用有限元分析软 件进行数值分析，现在通用的大型有限元分析软件a n s y s 可以考虑土体不同相的 导热系数和比热，而且可以考虑在相变时热能的突变，可以较好地模拟多排冻结 管条件下的冻结壁形成过程，分析在不同时段相应的冻结壁温度场。采用有限元 软件，只要模型适当，一般精度可以满足工程实际的要求，而且计算速度比较快， 效率比较高。本文亦采用计算机数值计算的方法模拟分析温度场。 在冻结壁形成后，联络通道开挖过程中应力场和位移场的确定也是一个比较 关键的问题，温度场的确定就是计算应力和位移的前提条件。应力过大，在开挖 过程中冻结壁就会失效倒塌。位移过大，会引起冻结管的移位，在严重的情况下 还会造成冻结管的断裂，造成冷媒流失，冻结不足。冻结法施工条件下修建盾构 隧道与联络通道组成复杂空间结构的施工力学行为。从结构安全度看，由于存在 显著应力集中，使得与联络通道相连盾构隧道管片环成为整体盾构隧道衬砌中结 构安全度最低的环节。因此，研究联络通道施工过程中，冻结壁的应力和位移变 化情况；研究随着联络通道施工引起交叉连接管片内力变化、变形特征有很重要 的理论价值和实际意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 冻结法温度场的研究现状 冻土温度场的研究已有1 6 0 多年的历史，但直至2 0 世纪早期，都还仅处于 初步探索阶段。1 9 世纪末，俄国成立了冻土研究委员会，此后开展了较为广泛 6 上海大学硕士学位论文 的研究。2 0 世纪中叶，前苏联先后开展了与温度场有关的热力学、热物理学、 土壤水热改良、工程建筑稳定性以及地球表面和岩石圈层的形成等方面的试验研 究和以解析解为主的理论计算研究。2 0 世纪7 0 年代后，计算机和数值方法在前 苏联冻土领域得到了广泛应用，使许多难以解决的具有复杂几何形状和地质条 件、考虑热质交换的非线性问题在深度和广度上都有了新的发展。真正开始理论 性研究并被公认为这门学科理论奠基人的c y m r h h m h ，在温度场等热物理研 究方面出现了k y u p a u e s b a 等杰出的代表性人物1 。北美的b o n a i c i n ac 和 f a s a n aa ( 1 9 7 3 ) 求得了维非线性温度场的数值解。日本的y a oy ij i u 等用有限 差分法对峒室在低温下的温度分布进行了研究。德国的e j o r d a n 等人对深井冻结 黏土层的温度场有限元进行了分析并与实测值作比较。英国的f a a u l d 研究了 冻结壁变形与掘进段高、凿井速度的关系，并推导了冻结壁弹性变形和蠕变的公 式。 我国冻土温度场的研究起步相对较晚。上世纪5 0 年代，余力教授开始对人 工冻结凿井温度场进行研究；徐枚( 1 9 6 2 ) 研究了天然细砂地基的温度场。此间的 研究，主要集中在开展室内、外观测和试验的经验方程计算方面。直至7 0 年代 后期，才逐渐开展非线性相变温度场的数值模拟“”。 在数值计算方面，林璋璋、杨俊杰等“”以单排冻结管实测数据为依据，用有 限元方法对三排冻结管方案进行了模拟，并分析了三排冻结管冻土壁厚度、平均 温度与冻结管间距、冻结管排距、内排冻结管布置圈半径、冻结时间等因素间的 关系，并得出了相应的回归公式。张燕“”把竖井冻结壁温度场假定为二维的平面 问题，利用有限元软件对冻结壁温度场进行了分析，可以预报冻结壁的发展和温 度场的分布规律。张学富等“”根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程，应用伽 辽金法推导出三维有限元计算公式并编制了计算程序，对一座已经建成的寒区隧 道进行了算例分析，为寒区的实际工程设计提供理论依据和计算方法。汪仁和， 王伟等“6 1 以工程实际参数为基础，考虑了土层中水的相态变化和冻结温度随冻结 时间变化等因素，利用大型有限元软件，对冻结孔随机偏斜和无偏斜条件下冻结 壁的形成及其温度场特征进行详细的分析。杨志江等“”在考虑冷媒循环影响的条 件下，对单管冻结温度场进行了数值模拟。对考虑冷媒循环与直接加载入口温度 两种条件下的温度场进行了比较，得出“在水平冻结距离不是很长的情况下，直 7 上海大学硕士学位论文 接将冷媒入口温度作为冻结管外壁恒温条件计算不会导致很大的误差，是可行 的”的结论。郭兰波“”基于变分原理对竖井冻结壁温度场进行了有限元分析，导 出了有相变单元体的矩阵公式，并考察了各种因素对冻结壁温度场的影响，将温 度与各因素之间的关系用准则方程的形式表现出来，这些准则方程被用于计算冻 结壁厚度及平均温度。杨平、皮爱如等“”利用多孔介质热运移理论及达西定理模 拟建立的考虑地下水流时冻结峰面发展的数学模型，采用数值计算法，分析了冻 结过程中温度场及地下水流场的变化规律。皮爱如、杨平。1 采用多孔介质热运移 理论建立了考虑地下水流时冻结壁发展的数学模型，可用于数值模拟研究地下水 流对冻结壁形成的影响。温家杰。“考虑非均匀导热体的导热系数变化因素，利用 有限差分法对单排冻结管冻结条件下的冻结温度场进行了分析。 在试验研究方面，乔京生等”2 1 根据相似理论，依托北京地铁大北窑区间局部 冻结实际，建立模型试验系统模拟了冻结和解冻过程中温度分布情况。张婷 针对南京地区典型土质淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉砂，采用单因素和 正交试验系统地进行了冻结温度、冻胀和融沉试验，通过试验得出了冻结温度随 土质、含水量、干密度、含盐量及水质的变化规律。王文顺等3 对徐州地区常见 的粘土进行了1 2 次大规模的冻融试验，分别模拟了封闭系统和开敞系统下人工 冻土中温度场的变化情况，并与现场实测数据进行分析对比。岳丰田、张勇等” 基于相似理论的模拟试验，对某联络通道冻结的冻胀和融沉进行了研究，得到了 有荷载情况下土的竖向冻胀和受模拟隧道衬砌约束下的水平冻胀变化规律。 在理论解析解方面，朱林楠”1 考虑单排冻结管沿圆周布置并且孔间距很小的 情况下，并且把均匀分布的点冷源近似为连续分布的线冷源，对深井冻结壁温度 场进行了解析计算，并导出了冻结壁厚度的解析计算公式。汪仁和、徐士良等 根据冻结壁温度场物理模型试验的结果，建立非线性多维导热系数反分析的数学 模型，采用有限元法和选择法，反分析冻结壁整体导热系数。张晶、杨更社等汹1 根据冻土墙的受力特点，将冻土墙作为一个弹性薄板受力计算模型，应用弹性 能量法并考虑冻土的流变特性，得出冻土墙厚度的计算公式。利用上海淤泥质粘 土资料进行了计算与分析，得出冻土墙厚度与暴露时间及跨度的关系。丁德文 对冻结过程中的热学问题进行了研究，将冻结壁变化过程分为四个阶段：交圈 前时期、积极冻结期、维持冻结期、自然恢复期。并建立了不同冻结期的数值模 8 上海大学硕士学位论文 型，对不同冻结期温度场的计算方法进行了探讨，给出了不同时期的近似解和数 值解。姜波汹1 通过施工现场的监测，确定管片周围冻结土体的实际温度以及冻土 帷幕的实际厚度并与远离管片部分土体的冻结状况进行对比，研究管片散热在宏 观结果上对冻结土体性状的影响。通过理论计算和实测分析，研究与管片散热相 关的各种因素，在此基础上提出相应的减轻管片散热影响的措施，并对各种措施 的适用性作出分析。靳德武、牛富俊等o ”对土体冻融过程中渗流场、应力场、温 度场耦合作用机理进行了研究，从各自耦合过程的特征出发，从数学建模和数值 求解的角度对渗流场、应力场、温度场祸合作用机理进行了探讨，确定了土体冻 融过程中三场之间的耦合作用关系和求解冻土工程问题的计算方法。赖远明等m 1 根据传热学，渗流理论和冻土力学给出了带相变的温度场、渗流场和应力场三场 耦合问题的数学力学模型及其微分控制方程，应用伽辽金法导出了这一问题的有 限元计算公式。 总而言之，研究和确定双排或者多排冻结管条件下的温度场，可以采用理 论分析、模型试验和数值计算三种不同的方法。但是，由于温度场的计算十分复 杂，难于得到理论解答。再者，用模型试验测试的数据具有不可预测性，得到的 温度可能与实际情况有比较大的出入。此外，冻结温度场是具有复杂的移动边界、 内热源和相变的s t e f a n 问题，更增加了求解的难度。而用数值方法可以较好地 解决这个问题，是目前最便捷和实用的方法，而且精度符合计算的要求，是发展 较快的一种方法。但是，我们也应该看到，就当前的研究现状来说，更多的研究 重点放在了对凿井等竖向布置冻结管的温度场分析上，冻结管的布置往往也经过 大量的简化。然而对于水平冻结和倾斜冻结来说，由于施工场地往往位于地面以 下，相对来说空间比较狭小，冻结管也与水平面呈一定的角度布置，所以如何考 虑冻结管的实际布置情况，建立三维模型来计算冻结温度场，是一个比较复杂的 问题，具有很重要的研究价值。 1 3 2 隧道( 包括联络通道) 的研究现状 根据我国地下结构设计的特点，隧道设计模型可分为荷载结构模型、地层结 构模型、收敛限制模型，和经验类比模型四种埘1 。 荷载结构模型就是将地层对结构的作用当作地下结构上的荷载( 包括主动的 9 上海大学硕士学位论文 地层压力和被动的地层抗力) ，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方 法。其缺点是将围岩和结构截然割裂开来，从而无法真正描述施工中的围岩力学 效应，包括隧道周边收敛和地表位移。 地层结构模型( 或称连续体模型) 将地层和衬砌结构视作共同受力的统一体， 可以分别计算衬砌和地层的内力，并据此验算地层的稳定性和进行结构截面设 计。从理论上讲，这种模型是最为合理的，但由于实际情况的复杂性，目前只有 小部分问题取得了解析解，而大部分问题只能依赖数值解。 收敛约束模型，是以测试为主的设计方法，因此它能提供直觉的材料，以更 确切地估计地层和结构的稳定性和安全程度，常受到现场人员的欢迎。但收敛约 束法的原理还不完善，存在很多问题难以解决。 经验设计法在隧道设计中仍占有重要地位。由于地下结构的设计受到各种复 杂因素的影响，而这些因素的影响规律还没有完全被人们所认识，故使理论计算 的结果常与工程实际有较大的不符，很难用作确切的设计根据。即使内力分析采 用了比较严密的理论推导，其计算结果往往也需要用经验类比来加以判断和补 充。 近年来，由于经济发展的需要，国际上出现了很多大型的跨海越江盾构隧 道工程，大直径隧道己经成为目前及将来隧道发展的方向之一。国内外许多学者 对盾构隧道、联络通道开挖引起的土体位移和地面沉降做了理论研究和经验分 析。目前隧道主要的分析方法有力学分析方法、数值计算方法、人工智能方法等。 ( 1 ) 横向经验公式 p e c k ( 1 9 6 9 ) ”通过对大量地面沉降数据及工程资料的分析，首先提出横向地 面沉降估算公式为： 一 s ( 砷= p 2 i z ( 1 - - 1 ) 式中： 2 南 s ( 工) 地面沉降量( m ) ； x 距隧道轴线的横向水平距离( m ) ； s 一隧道轴线上方的最大地面沉降量( m ) ： 1 0 ( 1 2 ) 上海大学硕士学位论文 p 0 盾构隧道单位长度土体损失i ( m 3 m ) ； i 地面沉降槽宽度系数( m ) 。 后来许多学者对p e c k 公式作了进一步研究。a t t e w e l l 和f a r m e r ( 1 9 7 4 ) 呻1 、 a t k i n s o n 和p o t t s ( 1 9 7 7 ) 咖、c l o u g h 和s c h m i d t ( 1 9 8 1 ) 、0 r e i l l y 和 n e w s ( 1 9 8 2 ) 、l o g a n a t h a n 和p o u l o s ( 1 9 9 8 ) 1 等对参数i 提出了不同的取值方 法。a t t e w e l l 和f a r m e r ( 1 9 7 5 ) 、a t t e w e l l ( 1 9 7 8 ) m 1 对s 一及的取值作了 研究，a t t e w e l l ( 1 9 8 9 ) “3 1 提出了p e c k 公式的修正公式。 0 r e i l l y 和n e w s ( 1 9 8 2 ) 通过对各种地质条件下开挖隧道时地面沉降的观 测值统计，得到当3 m h 3 4 m ，i 的经验计算公式为： 对粘性土： i = o 4 3 h + 1 1 ( 1 - - 3 ) 对粒状土： i = o 2 8 h 一0 1( 1 - - 4 ) 从以上公式可以看出，在相同条件下采用不同的计算方法得到的i 值相差较 大，其结果对地面沉降最大值和曲线形状造成较大影响，这也是经验公式的一大 缺点。 方从启等( 1 9 9 8 ) “”认为p e c k 公式适用于顶管施工引起的横向地面沉降计算， 通过对上海地区顶管施工引起的地面沉降实测值的统计分析，归纳出最大沉降量 与h 2 r 的关系； h 2 r = 2 1 0 ：s 一2 r = 0 2 o 5 h 2 r 2 ： 2 r 2 0 5 o 8 ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 2 ) 纵向经验公式 a t t e w e l l 等( 1 9 8 2 ) “”提出采用累积概率曲线公式来计算隧道轴线上方的纵 向地面沉降： s = ( 孚 一。降 c 卅 式中：s ( y ) 沿隧道掘进方向坐标为y 处的纵向地面沉降量( m ) ； y 一地表面点沿隧道掘进方向的坐标( m ) ； 弘隧道开挖面推进起始点( m ) ； 上海大学硕士学位论文 j ，当前隧道开挖面的位置( m ) ； m o 函数可由标准正态分布函数表查得。 刘建航等( 1 9 9 1 ) 总结了自1 9 5 8 年以来上海等地区的软土隧道施工经验， 根据p e c k 公式的基本原理和国外有关资料，提出了纵向地面沉降估算公式： 踟，= 拯 中( 半) 一m ( 学 + 拓 。( 孚h 孚 c 删 式中：s ( y ) 纵向地面沉降量( m ) o y 沉降点至坐标轴原点的距离( n 1 ) 5 弘一盾构推进起始点至坐标轴原点的距离( m ) 5 y ，盾构隧道开挖面至坐标轴原点的距离( m ) 。 i 盾构机的长度( m ) ； 【= ，i l ，f = y f l k 。盾构开挖面引起的土体损失( 欠挖时为负，埘3 m ) ； k ，开挖面以后因盾尾空隙压浆不足及盾构改变推进方向为主 的所有其它施工因素引起的土体损失( 历3 m ) ： 巾巾函数可由标准正态分布函数表查得。 但是该公式适用于不排水条件下，式中巧，和巧：值较难准确确定，只能凭经验决 定开挖面是否出现“负土体损失”，从而来反映是否出现地面隆起，与施工参数 无关，因此存在欠缺。 沈培良等( 2 0 0 3 ) 1 通过对盾构隧道实测地面沉降的分析，给出了p e c k 公式 参数的取值范围，提出了一个盾构法隧道纵向地面沉降曲线的数学拟合公式： 式中： 跏h 黼 只沉降等于0 5s 二的点离开挖面的距离( m ) ； 卜盾构外直径( m ) ： 口参数，取值在2 5 3 5 之间； ( 1 9 ) 上海大学硕上学位论文 y 沉降点至坐标轴原点的距离( m ) ； n 一曲线形状参数，取值在0 0 5 0 1 5 之间。 姜忻良等( 2 0 0 4 ) “”假定由隧道开挖在地面以下土层所形成的沉降槽体积等 于土体损失体积，各土层沉降槽曲线仍可以采用正态分布函数表示，s 一( z ) 和 f ( z ) 成反比，通过回归分析提出了不同深度土层沉降槽宽度系数的计算公式： 驰，吨唧卜嘉 ( 1 - 1 0 ) ( z ) = ( 1 - z h ) 1 3 ( 1 一1 1 ) f ( z ) = f ( 1 一z h ) ( 1 一1 2 ) 式中：s 二( z ) 隧道轴线上方离地面z 深度处的土体沉降值( m ) ； f ( z 1 离地面z 深度处的土体沉降槽曲线宽度系数( m ) 。 ( 3 ) 数值计算方面 朱合华等“采用平面应变分析方法对盾构施工过程进行了有限元模拟分析。 王敏强采用三维非线性有限单元法进行分析，采用迁移法模拟盾构推进过程。 黄宏伟、臧小龙拍0 1 等以盾构法隧道为基础，结合工程实例，对软土盾构隧道纵向 变形和结构性态进行讨论，介绍了盾构隧道纵向变形的影响影响因素。张云。” 将衬砌周围的土体与注浆情况概化为一均质、等厚的等代层。钟小春、朱伟等。2 1 对盾构隧道衬砌管片通缝与错缝进行了比较分析，指出通缝与错缝的差异主要是 由管片间接头螺拴刚度和地层软硬决定的。当螺栓刚度很大，地层较为坚硬时， 两种接头形式的区别很小。当地层软弱而且管片间接头螺栓的刚度较小时，通缝 和错缝的差异较大。张志强、何川聃1 结合深圳地铁建设对隧道近接桩基的施工 力学行为进行了研究，同时结合现场测试、室内模型试验和大型三维仿真计算对 南京地铁平行近接盾构隧道下穿玄武湖隧道的施工进行了综合研究。刘元雪等渊 分别采用可以考虑土体小应变特性的本构模型与修正剑桥模型对盾构隧道施工 进行了数值分析，得出采用修正剑桥模型计算的沉降量、开挖影响范围受盾构施 工质量的影响不大，采用土体小应变本构模型计算结果对盾构施工质量很敏感。 俞涛嘞1 采用三维有限元数值模拟分析以及大型室内相似模型试验为研究手段，对 上海大学硕士学位论文 平行、交叠和正交三种典型的盾构隧道近接情况下，新建隧道对既有隧道的影响 规律进行了全面系统的研究，提出洞周应力释放是影响近接既有隧道的主要因 素。张志强、何川。7 1 采用三维有限元方法，模拟研究了冻结法施工条件下修建盾 构隧道与联络通道组成复杂空间结构的施工力学行为。 1 4 论文的主要研究内容和研究方法 本论文主要的研究内容包括以下两个方面： ( 1 ) 采用三维有限元方法，模拟水平冻结管和倾斜冻结管同时存在条件下 冻结壁的形成过程。用三维热实体单元s o l i d 7 0 模拟土体，三维线性热传导单 元l i n k 3 3 模拟冻结管，用焓来反映相变的发生。以上海复兴东路越江隧道联络 通道为例，分析冻结壁形成过程中温度的发展变化及其分布情况；分析冻结壁厚 度随时问的变化情况及其形成特性。 ( 2 ) 采用三维有限元方法，模拟联络通道在冻结壁保护下的施工力学行为。 用三维结构实体单元s 0 l o i d 4 5 模拟土体，用壳单元s h e l l 6 3 模拟隧道管片和 联络通道衬砌，采用理想弹塑性理论和d r u e k e r - p r a g e r 屈服准则。分析冻结壁的 形成对隧道管片受力和变形的影响；分析联络通道开挖对与其相连接的隧道管片 的受力和变形情况；分析联络通道开挖时冻结壁的受力和变形情况；分析联络通 道衬砌的受力和变形情况。 1 4 上海大学硕士学位论文 第二章冻土性质和冻结法基本理论 2 1 冻土的物理性质 2 1 1 热物理特性嘲。洲 描述冻土热物理性质的主要指标有比热、导热系数、相变潜热和热容量。 比热是指单位质量的物质每升高或降低1 所吸收或放出的热量，单位 j l ( k g 。c ) 。通常热量变化与温度变化的关系可表达为： q=cmt(2-1)