隧道联络通道冻结位移场模型试验研究.pdf
第3 4 卷第2 期 2 0 0 5 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 .3 4N o .2 M a r .2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 2 0 2 0 9 0 4 隧道联络通道冻结位移场模型试验研究 岳丰田1 ,张勇1 ,杨国祥2 ,石荣剑1 ,丁光莹2 1 .中国矿业大学建筑工程学院,江苏徐州2 2 1 0 0 8 ;2 .上海隧道工程股份有限公司,上海2 0 0 0 3 2 摘要上海市大连路越江隧道的联络通道是一个处在黄浦江底的长联络通道.通过基于相似理 论的模拟试验,对此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的变化规律,为解决该工程中的冻胀融沉问题提供了保障, 同时也对类似工程的施工起到了指导作用.实践表明,运用模拟试验解决大型复杂的地下工程中 的施工问题是相当有效的. 关键词联络通道;冻胀;模型试验;地层人工冻结 中图分类号T U4 3 文献标识码A R e s e a r c ho nF r o s tH e a v eD e f o r m a t i o no fC o n n e c t i o n a l P a s s a g e si nA d j a c e n tT u n n e lb yM o d e l i n gT e s t Y U EF e n g t i a n l ,Z H A N GY o n 9 1 ,Y A N GG u o x i a n 9 2 ,S H IR o n g j i a n l ,D I N GG u a n g y i n 9 2 1 .S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ,C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y , X u z h o u ,J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ,C h i n a ; 2 .S h a n g h a iT u n n e lE n g i n e e r i n gC o r p o r a t i o nL i m i t e d 。S h a n g h a i2 0 0 0 3 2 ,C h i n a A b s t r a c t T h ec o n n e c t i o n a lp a s s a g e so fD a l i a nr o a dt u n n e lt h r o u g hr i v e ri so n el o n gc o n n e c t i o n a l p a s s a g e su n d e r n e a t hH u a n g p ur i v e ri nS h a n g h a ic i t y .B yt h em o d e le x p e r i m e n tb a s e do ns i m i l a r t h e o r y ,t h ef r o s th e a v ea n dt h a w i n gs e t t l e m e n to fc r o s sp a s s a g e sf r e e z i n go ft h r o u g hr i v e rt u n n e l w e r es t u d i e d .T h ec h a n g i n gr u l eo ft h ev e r t i c a lf r o s th e a v ew a so b t a i n e di nl o a d ,a n dt h ec h a n g i n g r u l eo ft h eh o r i z o n t a lf r o s th e a v eh e l db ys i m u l a t i o ns e g m e n tl i n i n gw a sa l s oo b t a i n e d .I tc a ne n s u r e t os o l v et h ef r o s th e a v ea n dt h a w i n gs e t t l e m e n to ft h ee n g i n e e r i n g .M o r e o v e ri tp l a y sa ni n s t r u c t i v e r o l e f o rt h es i m i l a re n g i n e e r i n g .E n g i n e e r i n gp r a c t i c ei n t h i sp r o j e c ti n d i c a t e st h a tu s i n gm o d e l e x p e r i m e n tt os o l v et h ec o n s t r u c t i o np r o b l e mo fc o m p l e xu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gi ss u c c e s s f u la n d v a l u a b l e . K e yw o r d s c o n n e c t i o n a lp a s s a g e s ;f r o s th e a v e ;m o d e le x p e r i m e n t ;a r t i f i c i a lg r o u n df r e e z i n g 随着城市化进程的加快,城市建设工程如地下 隧道工程、高层建筑深基础工程、桥墩工程等施工 中基础坑壁的维护已成为施工技术的难点,尤其是 沿海沿江的一些大城市地基都属于软弱地层且伴 有很厚的淤泥和流沙,在这种地质条件下进行深基 础施工其坑壁维护就更加困难.因此,地层人工冻 结 a r t i f i c i a lg r o u n df r e e z i n g ,A G F 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. 人工冻结施工富含水软土隧道,可有效止水、 加固土层,确保施工安全.但是,在人工冻结过程 中,因冻结土体原孔隙水和水分迁移产生的土体冻 胀和融沉对周围环境的影响,在一定程度上制约了 收稿日期2 0 0 4 0 5 0 9 基金项目国家自然科学基金项目 4 0 4 7 1 0 2 1 作者简介岳丰田 1 9 6 3 一 ,男,辽宁省沈阳市人,副教授,工学硕士,从事岩土力学、冻土力学、地下工程结构计算理论等方面的研究. 万方数据 2 1 0中国矿业大学学报 第3 4 卷 该方法的使用.地层冻结是一个物理力学过程,属 水、热、力三场耦合问题[ 1 ] ,由于问题的复杂性,现 有的研究成果不能适应工程发展的要求,迫切需要 开展冻结法施工的冻胀融沉效应问题研究I v 4 ] .国 内外对冻胀问题开展了不少研究,1 9 4 6 年,前苏联 学者H .B .O p H a T C K H e 教授首先开展了冻胀预报工 作,给出了预报季节性冻土的水分积累经验公式; M i l l e r 提出了饱和粒状材料的冻胀理论等.与此同 时,和冻胀融沉有关的试验工作也不断地开展[ 5 ’9 ] . 我国一些学者对井筒冻结壁的变形规律进行了研 究[ 10 | .由于受温度、土层性质、含水量大小、荷载、 边界条件等诸多因素的影响,使得地层冻结位移的 确定非常困难,理论上还没有可以描述冻土性质变 化的全面解析解,冻土性质的复杂多变性给有限元 分析造成一定困难.本文结合上海大连路越江隧道 联络通道冻结工程,针对联络通道常选用的拱形冻 结加固体,对软粘土地层隧道冻结的位移场分布规 律进行了研究,以便为隧道冻结壁的设计、控制冻 结对周围环境的影响及隧道管片的变形等提供定 量依据. 1工程概况 上海市大连路越江隧道是连接浦东的东方路 和浦西的大连路的重点工工程,采用预制钢筋混凝 土管片的单层衬砌.整个隧道包括两个联络通道, 均位于黄浦江底下,两个联络通道相距约4 0 0m . 联络通道处的主要土层自上而下为淤泥,厚度约 0 .5 ~2 .0m ;灰色淤泥质粉质粘土,厚约2 .0m ;灰 色淤泥质粘土,厚约4 ~6m ;灰色粘土,厚约1 ~5 m ;灰色粉质粘土,厚约2 ~4 .5m ;暗绿色~草黄 色粘土,厚约4 .5 ~6 .5m ;草黄色砂质粉土,厚约6 ~1 0m .联络通道基本处于强度低、稳定性差的淤 泥质粘土和粉质粉土中,根据实际的地质状况,采 用一般的加固方法不能满足要求,比较多种方案后 决定采用冻结法加固.图1 为冻结加固设计平面剖 面示意图. 联络通道巾心线 图1 冻结平剖面示意图 F i g .1D i a g r a mo ff r e e z i n ga r e as e c t i o n 2 有载作用的模拟试验 2 .1 相似准则 我国学者就无荷载作用进行了冻结过程中相 似准则的推导和试验.本文给出荷载作用下,以温 度场相似为基础的冻结模拟试验的几个主要相似 准则. 松散介质、具有相变过程的热量一水分综合迁 移和相变引起的冻胀隆起和融化下沉的基本微分 方程组及单值条件如下. 1 热量和水分输运方程 未冻区 c 。 警一未h 等 ’ ㈩ 彩U - O x 3 tD 。飘 2 “a z1 ’ ⋯ 冻结区 C ,一誓 毫hi 3 T f ’ ㈤ 百3 U f - 毫x D 3 x ,飘 ㈤ a t J a z1 ‘一 2 应力应变方程 G G G 塞 G V2 扰 瓦3 U p0 咖7 0 , 考 G V2 叶万a t ] 一卢万3 T _ o , 5 塞 G V2 硼 夏3 U 一卢3 毖T 0 , 式 1 ~ 5 中C 。,c ,分别为未冻土和冻土的热 容;T 。,了1 ,分别为未冻土和冻土的温度;u 。为未冻 土的含水质量分数; ,,为冻土中含未冻水的质量 分数;九,0 分别为未冻土和冻土的导热系数;D 。, D ,分别为未冻土和冻土的水分扩散系数;A 为拉 梅常数;G 为剪切弹性模量;v2 为拉普拉斯算子;e 为总体积应变;卢为热应力系数;t 为时间. 根据相似理论,用积分类比法从式 1 ~ 4 , 得到准则关系式为 理0 a 硅D 。t D f t 1 I z I z I z I z 1 ’ 【一舍J . 6 由式 5 及函数式和丌项式得到下面的关系 C c c E ,C .C T 一1 ,署 1 , L o C t C 。,矗- - 1 ,是_ 1 ’ 7 式中C G ,C E ,c 。,C T ,C d ,C p ,Cz ,C C 和C Q 分趴为剪 ,●●●●●●●●●●●,、●●●●●●●●●【 万方数据 第2 期 岳丰田等隧道联络通道冻结位移场模型试验研究 2 1 1 切模量、弹性模量、冻胀系数、温度、应力、密度、几 何尺寸、比热和岩土释放潜热相似比. 2 .2 相似参数和相似材料 为全面真实地反映大连路联络通道的所含粘 土冻结过程中温度、应力和冻涨融沉等的变化情 况,本次冻结试验采用大型模型试验台,考虑到模 型冻结管的尺寸为现场原形的1 /7 .7 1 4 ,故选用几 何相似比为1 7 .7 1 4 .相似材料直接选用原状土 做为试验材料,现场取土过程中,按照大连路联络 通道段的地质条件和地层分布特点,分别钻取不同 层位的土层.由于模型试验用的土是原状土,故 C Q ,C c ’和C E 均等于1 ,根据相似准则方程 7 ,所 以C T1 ,e 一1 ,即模型各点与原型各点相应温度 值相等,应力值相等. 2 .3 模拟试验系统 模拟试验系统包括制冷系统、加载系统及监测 系统 图2 .利用常规人工制冷技术,低温盐水制 冷机组制备低温盐水 C a C I 。溶液 ,通过冻结器在 模拟箱的土层中循环使之变成冻土.加载通过3 0 0 t 反力架及5 0t 千斤顶加载.监测系统包括温度监 测系统、位移监测系统、压力监测系统. 图2 模拟箱、试验系统和测点布置示意图 F i g .2 S k e t c hd i a g r a mo fs i m u l a t i o nc a s e , t e s ts y s t e ma n dm e a s u r e m e n tc o l l o c a t i o n 3 试验结果分析 3 .1 冻胀位移的变化 本次试验共布置位移测点5 个,试验获得了整 1 02 03 04 05 06 0 t /h 个冻结过程的位移变化情况,图3 是模拟试验冻结 过程中竖向位移和水平位移随时间的变化情况.试 验表明,竖向位移和水平位移的变化趋势是相似 的,都是逐渐增长,然后趋于稳定,说明土体冻胀随 着冻结的不断进展而发展,进而逐步保持稳定. 一 / 0l UZ U3 U4 0,UO U f /h 图3 模拟试验曲线 F i g .3 T h ec u r v e so fs i m u l a t i o nt e s t 从图3 a 可知,竖向冻胀在o ~4 0h 是发展的, 其位移值达到6 .8m m ;根据图3 b ,o ~3 5h 水平冻 胀是发展的,其位移值达到1 .6m m .根据试验计 算达到冻结设计厚度时的有载冻胀率如表1 所示. 表1 竖向与水平冻胀试验结果 T a b l e1 T h ee x p e r i m e n tr e s u l t so fv e r t i c a lf r o s t h e a v ea n dh o r i z o n t a lf r o s th e a v e 从试验结果看,达到冻结设计厚度时的有载冻 胀率比无载冻胀率要小. 3 .2 冻胀压力的变化 图4 a 和b 列举了冻胀压力随时间的变化曲 线.土体的冻胀压力经历了缓慢增长期、压力骤变 期和缓慢减小期三个阶段,冻胀压力与冻结温度和 冻土体的扩展是相关的,当冻土交圈后,冻胀压力 保持稳定并开始逐步减小. a 水平方向 C o 竖直方向 图4 冻胀压力曲线 F i g .4T h ep r e s s u r ec u r v e s 从图4 a 可知水平方向冻胀压力经过2 0 ~4 0h发展到最大,最大可达到0 .5 5M P a ;根据图4 b ,竖 对山叫∈盈 万方数据 2 1 2中国矿业大学学报 第3 4 卷 向冻胀压力3 0 ~4 0h 的发展达到最大值0 .6 M P a ;在4 0h 之前基本都表现为增大的趋势,说明 土体在4 0h 前后开始交圈,即冻结加固支护结构 形成.从试验冻胀压力分析,对隧道管片的影响是 可以控制的,可以控制在施工安全的范围内. 4 结论 本次模拟试验获得的土体冻胀的变化规律表 明,其变化是一个缓慢增长并逐渐趋于稳定的过 程。达到冻结设计厚度时的有载冻胀率比无载冻胀 率要小,在考虑冻胀的影响时,荷载是一个重要因 素.在交圈过程中,由于水的相变,位移增大导致冻 胀压力的发展并达到最大,其值大致在0 .6M P a 左右,在设计联络通道的支护结构时必须考虑. 对类似于上海地区一样的土体采用冻结加固 将产生很大的变形,环境条件比较复杂时,施工中 必须采取有效的措施,加以控制以减弱冻胀的影 响. 参考文献 [ 1 3 周希圣.隧道冻结水、温度、应力、位移场耦合性研究 [ D 3 .徐州中国矿业大学建筑工程学院,1 9 9 8 . 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