超大盾构隧道双线同推与联络通道同步施工力学行为研究

摘要

为了保证隧道的安全，一般会在两条平行隧道之间设置横向联络通道。联络通道施工使隧道主体结构造了成非常不利的空间交叉结构受力形式，在施工过程中容易出现土体不稳定的情况，例如，流砂。在地下工程中，对不稳定含水地层的加固，冻结法被认为是一种万能的工法。虽然冻结法施工工艺已经比较成熟，但是实践中仍然存在着许多重大问题。 本文依托上海长江隧道的冻结法施工的联络通道工程，采用现场监测、理论分析、解析计算和数值模拟的方法对超大盾构隧道双线同推与联络通道同步施工力学行为研究。主要内容有工作： 1)总结前人对人工冻结法的研究，包括对冻结机理、冻结设计、冻结监测、解析法计算、数值计算等方面的总结； 2)布设监测系统获取监测数据，讲述如何利用监测数据直观了解冻土帷幕发展情况； 3)通过合理的选取截面，运用解析法分析计算冻土帷幕厚度和平均均温度，得到冻土帷幕温度发展的规律； 4)分析影响土的热物理性质的各种因素和总结土的导热系数、比热、导温系数、相变潜热计算方法。以上海常见土层为例，结合同济大学对上海常见土层的冻结试验，计算土的各种热学性质参数； 5)冻结计算分析中考虑了原位冻胀和分凝冻胀，计算不同温度时的膨胀系数，应用于有限元模拟的过程，较为真实模拟了冻胀现象； 6)建立人工冻结技术在联络通道中应用的三维有限元热分析模型，模拟人工冻结应用的整个过程，分析影响冻结的各种因素，得到冻土帷幕的变化规律； 7)建立冻结条件下的三维数值热结构耦合模型，研究盾构隧道双线同推与联络通道同步施工力学行为，得到盾构推进、人工冻结施工、联络通道开挖对既有结构的力学影响。 8)结合冻结监测数据，分析1＃联络通道冻结方案不合理的原因，进而提出2＃联络通道的优化冻结设计。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1联络通道力学研究

1.2.2土体热物理特性研究

1.2.3解析计算方法研究

1.2.4数值计算方法研究

1.2.5冻结法在联络通道工程中应用现状

1.3主要研究的内容及技术路线

1.3.1学术研究背景

1.3.2主要研究内容

1.3.3拟解决的技术关键

1.3.4研究方法、技术路线及可行性分析

第2章 关于人工冻结法的基本理论常识

2.1冻结法基本概念

2.1.1 土的冻结特征

2.1.2 土中水的基本类型

2.1.3 土的冻结和融化过程中的温度特征

2.1.4冻土中的未冻水

2.1.5冻土中水分迁移的动力和原理

2.1.6冻土中的水分重分布

2.1.7土的冻胀机理

2.1.8土的冻胀力

2.1.9影响冻胀的主要因素

2.2 土的热质交换系数及影响因素

2.2.1容积热容量

2.2.2导热系数

2.2.3导温系数(热扩散系数)

2.2.4相变热

2.3 本章小结

第3章 冻结监测

3.1工程概况

3.1.1工程简介

3.1.2地质状况

3.2 冻结监测设计

3.2.1监测目的

3.2.2监测设计方案

3.2.3 测点布置情况

3.3监测数据及分析

3.3.1盐水温度监测数据及分析

3.3.2冻土温度监测数据分析方法

3.4本章小结

第4章 冻土帷幕温度场解析法

4.1解析法理论

4.2坐标系建立与坐标计算

4.3冻土帷幕计算模板

4.3.1冻土帷幕厚度计算分析

4.3.2 帷幕平均温度计算分析

4.4本章小结

第5章 超大盾构隧道双线同推与联络通道同步施工力学行为研究

5.1有限元计算理论

5.1.1 ANSYS简介

5.1.2三维数值计算基本理论

5.1.3热应力耦合法在上海长江隧道联络通道中的应用

5.2有限元分析任务

5.3计算假设

5.4参数计算

5.4.1土的冻结温度

5.4.2未冻水含量与含冰量

5.4.3土的导热系数

5.4.4土的比热

5.4.5土的相变潜热和焓

5.4.6土的弹性模量和泊松比

5.4.7其它参数

5.5土的冻胀模拟

5.5.1未冻水含量的确定

5.5.2膨胀系数在ANSYS中的表达

5.5.3相变潜热和焓

5.6荷载及工况说明

5.6.1力场荷载

5.6.2温度场荷载

5.6.3边界条件

5.6.4计算工况

5.7有限元模型

5.7.1模型建立

5.7.2载荷子步

5.8 冻土帷幕温度场计算

5.8.1冻土帷幕温度变化特征

5.8.2冻结壁交圈分析

5.8.3冻土帷幕平均温度分析

5.8.4冻土帷幕厚度分析

5.8.5空气对流对冻结过程的影响

5.8.6冷排管对冻结过程的影响

5.9 超大盾构隧道双线同推与联络通道同步施工力学行为研究

5.9.1施工工况模拟简介

5.9.2温度场计算结果

5.9.3隧道盾构掘进

5.9.4人工冻结法

5.9.5开挖联络通道

5.9.6解冻后

5.9.7时程分析

5.9.8本章小结

第6章 冻结优化设计

6.1冻结设计目的

6.2 1#联络通道冻结设计

6.2.1 1#联络通道冻结方案

6.2.2 1#联络通道冻结分析

6.3 不合理方案原因分析和修改方案

6.4 2#联络通道冻结设计

6.4.1 2#联络通道冻结设计

6.4.2 2#联络通道冻结分析

6.5本节小结

第7章结论与展望

7.1本文的结论

7.2展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果