隧道管幕凍結(jié)：溫度場與力學(xué)特性的深度剖析

隧道管幕凍結(jié)：溫度場與力學(xué)特性的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，隧道工程作為交通網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其規(guī)模和復(fù)雜性日益增加。在隧道施工過程中，常常面臨復(fù)雜的地質(zhì)條件和環(huán)境因素，如軟弱地層、高水位、強(qiáng)涌水等，這些因素給隧道的開挖和支護(hù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。管幕凍結(jié)技術(shù)作為一種有效的隧道施工輔助方法，應(yīng)運(yùn)而生并得到了廣泛應(yīng)用。管幕凍結(jié)技術(shù)是將管幕法與凍結(jié)法相結(jié)合的一種新型施工技術(shù)。管幕法通過在隧道周邊頂進(jìn)鋼管，形成一個(gè)連續(xù)的管幕結(jié)構(gòu)，起到超前支護(hù)和承載的作用；凍結(jié)法則利用人工制冷的方法，使管幕周圍的土體凍結(jié)，形成具有一定強(qiáng)度和密封性的凍土帷幕，從而有效抵抗周圍水土壓力，防止地下水侵入隧道施工區(qū)域。這種組合技術(shù)充分發(fā)揮了管幕和凍結(jié)的優(yōu)勢，能夠在復(fù)雜地質(zhì)條件下確保隧道施工的安全和順利進(jìn)行。在實(shí)際工程中，管幕凍結(jié)技術(shù)已成功應(yīng)用于多個(gè)重大隧道項(xiàng)目。例如，港珠澳大橋拱北隧道在施工過程中，采用了管幕凍結(jié)暗挖法。該隧道位于軟土層中，且垂直下有一個(gè)大曲線，施工難度極大。通過在隧道開挖面周圍布置36根直徑為1620mm的鋼管組成鋼管管幕，并在管幕間布置凍結(jié)管，形成了強(qiáng)大的支護(hù)和止水體系，有效解決了隧道施工中的難題。又如，在一些下穿河流、湖泊等水域的隧道工程中，管幕凍結(jié)技術(shù)能夠有效切斷上覆水體與隧道內(nèi)部的水力聯(lián)系，確保隧道施工安全。然而，盡管管幕凍結(jié)技術(shù)在工程實(shí)踐中取得了一定的成功，但目前對于其溫度場形成規(guī)律及其力學(xué)特性的研究仍存在不足。溫度場的發(fā)展與分布規(guī)律直接影響著凍土帷幕的形成和穩(wěn)定性，進(jìn)而關(guān)系到隧道施工的安全。不同的凍結(jié)管布置方式、鹽水溫度、土層性質(zhì)等因素都會(huì)對溫度場產(chǎn)生顯著影響。例如，凍結(jié)管間距過大可能導(dǎo)致凍土帷幕無法及時(shí)形成，從而增加施工風(fēng)險(xiǎn)；鹽水溫度過低則可能造成能源浪費(fèi)，同時(shí)對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響。此外，管幕與凍土帷幕共同作用下的力學(xué)特性也較為復(fù)雜，管幕的承載能力、凍土帷幕的強(qiáng)度以及兩者之間的相互作用機(jī)理等都需要深入研究。研究隧道管幕凍結(jié)溫度場形成規(guī)律及其力學(xué)特性具有重要的工程意義。準(zhǔn)確掌握溫度場的形成規(guī)律，有助于優(yōu)化凍結(jié)管的布置和凍結(jié)施工參數(shù)，提高凍土帷幕的形成效率和質(zhì)量，確保隧道施工的安全。通過對管幕與凍土帷幕力學(xué)特性的研究，可以為管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，合理確定管幕的尺寸、間距以及凍土帷幕的厚度等參數(shù)，從而提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。這對于降低工程成本、縮短施工周期、減少對周圍環(huán)境的影響也具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在隧道管幕凍結(jié)溫度場形成規(guī)律方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。國外在凍結(jié)法應(yīng)用較早，早期主要通過工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)溫度場的一般變化規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為研究溫度場的重要手段。例如，一些學(xué)者運(yùn)用有限元軟件對不同凍結(jié)條件下的溫度場進(jìn)行模擬分析，研究了凍結(jié)管布置、凍結(jié)時(shí)間、土體熱物理參數(shù)等因素對溫度場分布的影響。他們通過建立復(fù)雜的數(shù)值模型，考慮了土體的非線性熱物理性質(zhì)以及水分遷移對溫度場的影響，得出了不同工況下溫度場的發(fā)展趨勢，為工程設(shè)計(jì)提供了一定的參考。國內(nèi)學(xué)者也在該領(lǐng)域取得了豐富的成果。在理論研究方面，基于傳熱學(xué)原理，推導(dǎo)了管幕凍結(jié)溫度場的解析解或半解析解，為理解溫度場的基本形成機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。在數(shù)值模擬方面，結(jié)合國內(nèi)眾多隧道工程實(shí)例，如港珠澳大橋拱北隧道等，利用有限元、有限差分等數(shù)值方法對管幕凍結(jié)溫度場進(jìn)行深入研究。通過建立精細(xì)化的數(shù)值模型，考慮實(shí)際工程中的各種復(fù)雜因素，如不同土層的熱物理性質(zhì)差異、凍結(jié)管與土體之間的接觸熱阻等，準(zhǔn)確預(yù)測了溫度場的發(fā)展過程，并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，提高了數(shù)值模擬的可靠性。在隧道管幕凍結(jié)力學(xué)特性方面，國外研究側(cè)重于管幕與凍土帷幕共同作用的力學(xué)模型建立和理論分析。通過對管幕和凍土帷幕的力學(xué)性能測試，結(jié)合彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等理論，建立了考慮管幕與凍土相互作用的力學(xué)模型，分析了在不同荷載條件下管幕和凍土帷幕的受力狀態(tài)和變形規(guī)律。國內(nèi)研究則更加注重工程實(shí)際應(yīng)用中的力學(xué)特性分析。一方面，通過現(xiàn)場監(jiān)測手段，對隧道施工過程中管幕和凍土帷幕的受力、變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲取了大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為研究力學(xué)特性提供了實(shí)際依據(jù)。另一方面，利用數(shù)值模擬方法，對不同施工工況下管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，研究了管幕的布置形式、凍土帷幕的厚度和強(qiáng)度、隧道開挖方式等因素對力學(xué)特性的影響。通過模擬分析，提出了優(yōu)化管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案的建議，以提高隧道施工的安全性和可靠性。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足和空白。在溫度場研究方面，雖然數(shù)值模擬取得了一定成果，但對于一些復(fù)雜地質(zhì)條件下，如含有大量地下水流動(dòng)、地層存在復(fù)雜的熱流邊界等情況，現(xiàn)有的模型和方法還不能準(zhǔn)確描述溫度場的形成規(guī)律。此外，對于溫度場與土體物理力學(xué)性質(zhì)之間的耦合作用研究還不夠深入，特別是在凍土的蠕變特性、凍脹融沉等方面，缺乏系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。在力學(xué)特性研究方面，管幕與凍土帷幕之間的相互作用機(jī)理尚未完全明確，目前的力學(xué)模型還存在一定的簡化和假設(shè)，與實(shí)際情況存在一定偏差。對于隧道施工過程中管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)的長期力學(xué)穩(wěn)定性研究較少，難以滿足工程長期運(yùn)營的需求。針對這些不足和空白，進(jìn)一步深入研究隧道管幕凍結(jié)溫度場形成規(guī)律及其力學(xué)特性具有重要的理論和實(shí)踐意義。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容管幕凍結(jié)溫度場形成規(guī)律研究：基于傳熱學(xué)基本原理，深入研究隧道管幕凍結(jié)過程中溫度場的形成機(jī)制。考慮不同凍結(jié)管布置方式，如梅花形布置、矩形布置等，分析其對溫度場分布的影響。通過理論推導(dǎo)，建立管幕凍結(jié)溫度場的數(shù)學(xué)模型，求解不同邊界條件和初始條件下的溫度分布函數(shù)，為數(shù)值模擬和實(shí)際工程提供理論基礎(chǔ)。研究不同土層熱物理參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等，對溫度場發(fā)展的影響規(guī)律。分析在含砂層、黏土層等不同地層條件下，溫度場的變化特征，明確熱物理參數(shù)在溫度場形成過程中的作用機(jī)制。管幕與凍土帷幕力學(xué)特性研究：對管幕和凍土帷幕的力學(xué)性能進(jìn)行測試，獲取管幕的鋼材力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、屈服強(qiáng)度等，以及凍土帷幕在不同溫度和含水率條件下的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)。建立考慮管幕與凍土相互作用的力學(xué)模型，分析在隧道開挖過程中，管幕和凍土帷幕在土體壓力、地下水壓力等荷載作用下的受力狀態(tài)和變形規(guī)律。研究管幕與凍土帷幕之間的接觸特性，如接觸壓力分布、摩擦力大小等，以及這些特性對管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。溫度場與力學(xué)特性耦合作用研究：分析溫度變化對管幕和凍土帷幕力學(xué)性能的影響，如溫度降低導(dǎo)致凍土強(qiáng)度提高，以及溫度變化引起的管幕鋼材性能變化等。研究溫度場與力學(xué)場之間的耦合關(guān)系，建立溫度-應(yīng)力耦合模型，考慮凍土的凍脹、融沉等因素對管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，為隧道施工過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。工程應(yīng)用與優(yōu)化建議：結(jié)合實(shí)際隧道工程案例，如某下穿河流的隧道工程，將研究成果應(yīng)用于工程實(shí)踐。通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬對比分析，驗(yàn)證研究成果的可靠性和實(shí)用性。根據(jù)研究結(jié)果，對管幕凍結(jié)施工方案進(jìn)行優(yōu)化，提出合理的凍結(jié)管布置、凍結(jié)時(shí)間、鹽水溫度等施工參數(shù)建議，以及管幕和凍土帷幕的設(shè)計(jì)優(yōu)化建議，如管幕的材質(zhì)選擇、截面尺寸優(yōu)化，凍土帷幕的厚度設(shè)計(jì)等，以提高隧道施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性，為類似工程提供參考和借鑒。1.3.2研究方法理論分析：運(yùn)用傳熱學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等相關(guān)理論，對隧道管幕凍結(jié)溫度場的形成規(guī)律以及管幕與凍土帷幕的力學(xué)特性進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析。建立溫度場的數(shù)學(xué)模型，求解溫度分布函數(shù)；推導(dǎo)管幕與凍土帷幕在荷載作用下的力學(xué)平衡方程，分析其受力和變形狀態(tài)，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬：采用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立隧道管幕凍結(jié)的數(shù)值模型。在模型中考慮土體、管幕、凍結(jié)管等多種材料的物理力學(xué)性質(zhì)，以及凍結(jié)過程中的傳熱、相變等復(fù)雜現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬，分析不同因素對溫度場和力學(xué)特性的影響，如凍結(jié)管布置、鹽水溫度、土層參數(shù)等，預(yù)測溫度場的發(fā)展過程和管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，并與理論分析結(jié)果相互驗(yàn)證?，F(xiàn)場監(jiān)測：在實(shí)際隧道工程中，布置溫度監(jiān)測點(diǎn)和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)，對管幕凍結(jié)過程中的溫度場變化以及管幕和凍土帷幕的受力、變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。獲取現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證研究方法和模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)為工程施工提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決施工中出現(xiàn)的問題。模型試驗(yàn)：設(shè)計(jì)并制作隧道管幕凍結(jié)的物理模型，模擬實(shí)際工程中的凍結(jié)過程和受力狀態(tài)。通過模型試驗(yàn)，直觀地觀察溫度場的形成和發(fā)展過程，以及管幕與凍土帷幕的力學(xué)行為。測量模型中不同位置的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，進(jìn)一步深入研究管幕凍結(jié)溫度場形成規(guī)律及其力學(xué)特性。二、隧道管幕凍結(jié)技術(shù)概述2.1管幕凍結(jié)技術(shù)原理管幕凍結(jié)技術(shù)作為一種先進(jìn)的隧道施工輔助技術(shù)，其原理融合了管幕法和凍結(jié)法的優(yōu)勢，旨在應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工的挑戰(zhàn)。管幕在隧道施工中起著至關(guān)重要的超前支護(hù)作用。在隧道開挖前，通過頂管等技術(shù)，將一系列大直徑鋼管按照特定的設(shè)計(jì)要求，緊密排列在隧道的周邊輪廓線上，形成一個(gè)連續(xù)的管幕結(jié)構(gòu)。這些鋼管如同堅(jiān)固的骨架，為后續(xù)的隧道開挖提供了可靠的支撐。管幕的主要作用包括：承載來自周圍土體和地下水的壓力，有效分散和傳遞荷載，防止隧道開挖過程中土體的坍塌和變形；限制土體的位移，保持隧道周邊土體的穩(wěn)定性，為隧道施工創(chuàng)造安全的作業(yè)空間；在一定程度上起到隔水的作用，減少地下水對隧道施工的影響。凍結(jié)法的原理基于水的相變特性。在隧道施工區(qū)域，通過在管幕內(nèi)部或周圍布置凍結(jié)管，利用人工制冷系統(tǒng)，將低溫冷媒（如鹽水）循環(huán)通入凍結(jié)管中。冷媒與周圍土體進(jìn)行熱量交換，使土體中的水分逐漸凍結(jié)成冰，從而形成凍土。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長，凍土不斷發(fā)展和擴(kuò)大，最終相互連接形成一個(gè)具有一定強(qiáng)度和密封性的凍土帷幕。凍土帷幕具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能，能夠有效抵抗周圍水土壓力，阻止地下水的滲漏，為隧道施工提供了一個(gè)穩(wěn)定、干燥的環(huán)境。管幕與凍結(jié)的協(xié)同工作是管幕凍結(jié)技術(shù)的核心。管幕為凍土帷幕的形成提供了骨架支撐，使凍土能夠更好地附著和發(fā)展。同時(shí)，凍土帷幕又增強(qiáng)了管幕的整體穩(wěn)定性，兩者相互依存、相互作用。在隧道開挖過程中，管幕承擔(dān)主要的荷載，而凍土帷幕則起到止水和輔助承載的作用。當(dāng)隧道施工完成，永久支護(hù)結(jié)構(gòu)形成后，凍結(jié)系統(tǒng)停止運(yùn)行，凍土帷幕逐漸融化，管幕則可根據(jù)設(shè)計(jì)要求保留或拆除。以某實(shí)際隧道工程為例，該隧道穿越富水砂層，采用管幕凍結(jié)技術(shù)進(jìn)行施工。在隧道周邊布置了直徑為1.2m的鋼管作為管幕，管幕間距為0.5m。在管幕內(nèi)布置凍結(jié)管，通過制冷系統(tǒng)將鹽水溫度降至-25℃，經(jīng)過一段時(shí)間的凍結(jié)，在管幕周圍形成了厚度約為1.5m的凍土帷幕。在施工過程中，管幕有效地支撐了周圍土體，凍土帷幕成功隔絕了地下水，確保了隧道的順利開挖。2.2管幕凍結(jié)技術(shù)的應(yīng)用場景管幕凍結(jié)技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，在多種類型的隧道工程中得到了廣泛應(yīng)用，為復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工提供了有效的解決方案。在城市地鐵隧道建設(shè)中，常常面臨著穿越密集建筑群、地下管線復(fù)雜等難題。管幕凍結(jié)技術(shù)能夠在狹小的施工空間內(nèi)，有效地控制地層變形，減少對周邊環(huán)境的影響。例如，在某城市地鐵隧道施工中，隧道需穿越一片老舊居民區(qū)，地下管線縱橫交錯(cuò)，且建筑物基礎(chǔ)緊鄰隧道線路。采用管幕凍結(jié)技術(shù)，在隧道周邊布置管幕，形成了穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過凍結(jié)土體，有效防止了地下水的滲漏，避免了因施工引起的建筑物沉降和管線破壞，確保了地鐵隧道的順利施工。在穿越江河、湖泊等水域的隧道工程中，管幕凍結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢尤為突出。這類隧道施工面臨著高水壓、強(qiáng)涌水等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，一旦止水措施失效，將對工程安全造成巨大威脅。管幕凍結(jié)技術(shù)可以在隧道周圍形成封閉的凍土帷幕，有效切斷上覆水體與隧道內(nèi)部的水力聯(lián)系，為隧道施工創(chuàng)造一個(gè)安全、干燥的作業(yè)環(huán)境。如某過江隧道工程，在施工過程中采用管幕凍結(jié)技術(shù)，在隧道頂部和兩側(cè)布置管幕，并通過凍結(jié)管將管幕周圍的土體凍結(jié)，形成了厚度達(dá)2m的凍土帷幕。在高水壓的作用下，凍土帷幕依然保持穩(wěn)定，成功抵御了江水的滲透，保證了隧道施工的安全。在山嶺隧道施工中，當(dāng)遇到軟弱破碎圍巖、富水?dāng)鄬拥炔涣嫉刭|(zhì)條件時(shí)，管幕凍結(jié)技術(shù)也能發(fā)揮重要作用。軟弱破碎圍巖的自穩(wěn)能力差，容易發(fā)生坍塌事故，而富水?dāng)鄬觿t會(huì)導(dǎo)致涌水、突泥等災(zāi)害。管幕凍結(jié)技術(shù)可以增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，提高其承載能力，同時(shí)有效封堵地下水，防止涌水、突泥等事故的發(fā)生。例如，在某山嶺隧道穿越富水?dāng)鄬訒r(shí)，采用管幕凍結(jié)技術(shù)，在隧道掌子面前方布置管幕，對斷層破碎帶進(jìn)行凍結(jié)加固。經(jīng)過凍結(jié)處理后，圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到顯著提高，成功穿越了富水?dāng)鄬?，確保了隧道施工的順利進(jìn)行。管幕凍結(jié)技術(shù)適用于各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程。在軟弱地層中，管幕可以提供有效的支護(hù)，凍結(jié)土體則增強(qiáng)了地層的穩(wěn)定性；在高水位地區(qū)，凍土帷幕能夠有效止水，防止地下水對隧道施工的影響；在強(qiáng)涌水地層中，管幕凍結(jié)技術(shù)能夠封堵涌水通道，保證施工安全。當(dāng)遇到地下障礙物時(shí)，管幕凍結(jié)技術(shù)還可以通過靈活調(diào)整凍結(jié)管的布置，繞過障礙物進(jìn)行凍結(jié)施工。管幕凍結(jié)技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢。它能夠有效提高隧道施工的安全性，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，減少因施工事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。通過精確控制凍結(jié)過程，可以實(shí)現(xiàn)對地層變形的有效控制，減少對周邊環(huán)境的影響，保護(hù)周邊建筑物和地下管線的安全。該技術(shù)還具有較好的經(jīng)濟(jì)性，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，相較于其他施工方法，管幕凍結(jié)技術(shù)可以降低工程成本，縮短施工周期。2.3管幕凍結(jié)技術(shù)的發(fā)展歷程管幕凍結(jié)技術(shù)的發(fā)展歷程是一個(gè)不斷探索、創(chuàng)新與完善的過程，它隨著隧道工程建設(shè)的需求和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步而逐步演進(jìn)。凍結(jié)法作為一種用于加固土體和止水的技術(shù)，其起源可以追溯到19世紀(jì)。1862年，英國在南威爾士的建筑基坑施工中首次采用人工凍結(jié)法，通過在基坑周圍鉆孔，插入管道，注入低溫鹽水，使土體凍結(jié)，成功解決了基坑開挖中的涌水問題。此后，凍結(jié)法在礦山建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，如德國在1883年將凍結(jié)法應(yīng)用于煤礦豎井施工，有效解決了深厚含水地層的施工難題。這些早期的應(yīng)用為凍結(jié)法的發(fā)展奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，讓人們逐漸認(rèn)識到凍結(jié)法在特殊地質(zhì)條件下施工的可行性和有效性。管幕法的發(fā)展則與地下工程的不斷拓展密切相關(guān)。早期的管幕法主要用于小型地下通道的建設(shè)，施工工藝相對簡單，通過頂管技術(shù)將鋼管頂入地層，形成簡易的管幕結(jié)構(gòu)，用于臨時(shí)支護(hù)。隨著地下工程規(guī)模和難度的增加，管幕法在鋼管直徑、連接方式和施工工藝等方面不斷改進(jìn)。例如，新管幕法（NTR）的出現(xiàn)，將鋼管直徑增大到1800mm以上，頂管完成后對鋼管局部位置進(jìn)行切割并焊接成整體，大大提高了管幕的抗壓和抗彎能力。STS法在相鄰鋼管間設(shè)置兩排螺栓和上下兩層翼緣鋼板，進(jìn)一步增強(qiáng)了管幕的承載能力，使其適用于高風(fēng)險(xiǎn)地段淺埋隧道施工。這些改進(jìn)使得管幕法能夠更好地滿足不同工程的需求，在地下工程中得到了更廣泛的應(yīng)用。管幕凍結(jié)技術(shù)作為管幕法與凍結(jié)法的結(jié)合，是在兩者發(fā)展的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程面臨著越來越復(fù)雜的地質(zhì)條件和環(huán)境要求，如在富水地層、軟弱地層中施工時(shí)，單一的管幕法或凍結(jié)法難以滿足工程需求。管幕凍結(jié)技術(shù)的出現(xiàn)，充分發(fā)揮了管幕的承載能力和凍結(jié)法的止水優(yōu)勢，為復(fù)雜條件下的隧道施工提供了有效的解決方案。在早期的管幕凍結(jié)技術(shù)應(yīng)用中，主要是在鋼管內(nèi)部或附近布置簡單的凍結(jié)管，通過人工制冷使鋼管周邊土體凍結(jié)形成止水帷幕。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，凍結(jié)管的布置方式、制冷系統(tǒng)的性能以及施工過程中的監(jiān)測和控制技術(shù)都得到了顯著改進(jìn)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)和監(jiān)測技術(shù)的飛速發(fā)展，管幕凍結(jié)技術(shù)在理論研究和工程應(yīng)用方面取得了更大的突破。在理論研究方面，學(xué)者們運(yùn)用數(shù)值模擬方法，對管幕凍結(jié)過程中的溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行深入分析，建立了更加準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了更科學(xué)的依據(jù)。在材料科學(xué)方面，新型凍結(jié)管材料和制冷工質(zhì)的研發(fā)，提高了凍結(jié)效率和系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展則使得施工過程中的溫度、應(yīng)力等參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，確保施工安全和質(zhì)量。例如，在某大型過江隧道工程中，采用了先進(jìn)的分布式光纖測溫技術(shù)，對管幕凍結(jié)過程中的溫度場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整制冷參數(shù)，保證了凍土帷幕的均勻形成和穩(wěn)定。三、隧道管幕凍結(jié)溫度場形成規(guī)律3.1溫度場形成機(jī)制在隧道管幕凍結(jié)過程中，溫度場的形成是一個(gè)復(fù)雜的熱傳遞過程，涉及到冷卻液體與土體之間的熱量交換以及土體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)。當(dāng)冷卻液體，通常為低溫鹽水，被注入到管幕內(nèi)的凍結(jié)管中時(shí)，冷卻液體與凍結(jié)管內(nèi)壁之間首先發(fā)生對流換熱。由于冷卻液體的溫度遠(yuǎn)低于土體的初始溫度，熱量從土體傳遞到凍結(jié)管內(nèi)壁，再通過凍結(jié)管管壁傳遞給冷卻液體。在這個(gè)過程中，冷卻液體的溫度逐漸升高，而凍結(jié)管周圍土體的溫度則逐漸下降。隨著土體溫度的降低，當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)以下時(shí)，土體中的水分開始結(jié)冰。水在結(jié)冰過程中會(huì)釋放出相變潛熱，這部分潛熱會(huì)阻礙土體溫度的進(jìn)一步下降。相變潛熱的釋放使得土體溫度在一段時(shí)間內(nèi)保持相對穩(wěn)定，直到水分完全凍結(jié)。只有當(dāng)土體中的水分全部凍結(jié)后，土體溫度才會(huì)繼續(xù)隨著冷卻液體的冷卻作用而下降。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長，凍結(jié)管周圍的低溫區(qū)域不斷向外擴(kuò)展，形成以凍結(jié)管為中心的近似圓形的凍結(jié)區(qū)域。相鄰凍結(jié)管的凍結(jié)區(qū)域逐漸相互重疊，最終形成連續(xù)的凍結(jié)壁。在這個(gè)過程中，凍結(jié)壁的厚度和均勻性受到多種因素的影響。冷卻液體的溫度和流量是影響凍結(jié)壁形成的關(guān)鍵因素之一。冷卻液體溫度越低，與土體之間的溫差越大，熱量傳遞速度越快，凍結(jié)壁的形成速度也就越快。較大的冷卻液體流量可以提高對流換熱效率，使冷卻液體能夠更有效地帶走土體中的熱量，同樣有助于加快凍結(jié)壁的形成。如果冷卻液體流量不均勻，可能導(dǎo)致不同部位的凍結(jié)速度不一致，從而影響凍結(jié)壁的均勻性。凍結(jié)管的布置方式對凍結(jié)壁的厚度和均勻性也有顯著影響。凍結(jié)管間距過大，會(huì)導(dǎo)致相鄰凍結(jié)管之間的土體溫度下降緩慢，凍結(jié)壁難以及時(shí)形成，甚至可能出現(xiàn)凍結(jié)盲區(qū)；而凍結(jié)管間距過小，則會(huì)造成能源浪費(fèi)，增加工程成本。合理的凍結(jié)管布置方式，如梅花形布置或矩形布置，能夠使凍結(jié)區(qū)域更加均勻地分布，提高凍結(jié)壁的質(zhì)量。不同的布置方式會(huì)導(dǎo)致熱量傳遞路徑和熱交換面積的差異，進(jìn)而影響凍結(jié)壁的形成效果。土體的熱物理參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和含水率等，對溫度場的形成和凍結(jié)壁的特性也起著重要作用。導(dǎo)熱系數(shù)較大的土體，熱量傳遞速度較快，有利于凍結(jié)壁的快速形成；而比熱容較大的土體，吸收相同熱量時(shí)溫度變化較小，會(huì)減緩凍結(jié)速度。含水率較高的土體，在凍結(jié)過程中釋放的相變潛熱較多，同樣會(huì)對凍結(jié)速度和凍結(jié)壁的形成產(chǎn)生影響。在含砂層中，由于砂的導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，凍結(jié)壁的形成速度通常比在黏土層中快。在實(shí)際工程中，還需要考慮地下水的流動(dòng)對溫度場的影響。地下水的流動(dòng)會(huì)帶走土體中的熱量，改變熱量傳遞的方向和速度，從而影響凍結(jié)壁的形成和穩(wěn)定性。在地下水流動(dòng)速度較大的區(qū)域，可能需要采取額外的措施，如增加凍結(jié)管數(shù)量或降低冷卻液體溫度，以確保凍結(jié)壁的有效形成。3.2溫度場分布特點(diǎn)在隧道管幕凍結(jié)過程中，溫度場呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)特征，主要包括冰層區(qū)、過渡區(qū)和未凍結(jié)區(qū)，各區(qū)域具有獨(dú)特的分布特點(diǎn)和溫度變化規(guī)律。冰層區(qū)位于凍結(jié)管周圍，是土體中的水分完全凍結(jié)形成的區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域，溫度穩(wěn)定在冰點(diǎn)以下，通常接近或略低于鹽水的溫度。冰層區(qū)的厚度隨著凍結(jié)時(shí)間的增加而逐漸增大，其增長速度在凍結(jié)初期較快，隨著凍結(jié)的進(jìn)行逐漸減緩。這是因?yàn)樵趦鼋Y(jié)初期，土體與凍結(jié)管之間的溫差較大，熱量傳遞速度快，冰層迅速形成和擴(kuò)展；隨著冰層厚度的增加，熱阻增大，熱量傳遞逐漸變慢，冰層增長速度也隨之降低。冰層的結(jié)構(gòu)較為致密，其強(qiáng)度和抗?jié)B性能較高，是凍土帷幕發(fā)揮支護(hù)和止水作用的關(guān)鍵部分。在實(shí)際工程中，冰層區(qū)的厚度和均勻性對隧道施工的安全至關(guān)重要。如果冰層區(qū)厚度不足或存在薄弱部位，可能導(dǎo)致土體坍塌或地下水滲漏，影響施工進(jìn)度和安全。過渡區(qū)介于冰層區(qū)和未凍結(jié)區(qū)之間，是溫度變化較為劇烈的區(qū)域。在過渡區(qū)內(nèi)，土體處于部分凍結(jié)狀態(tài)，水分含量逐漸減少，溫度從冰點(diǎn)向原始土體溫度過渡。該區(qū)域的溫度梯度較大，熱傳遞過程復(fù)雜，不僅存在導(dǎo)熱，還涉及水分遷移和相變潛熱的釋放與吸收。隨著凍結(jié)時(shí)間的推移，過渡區(qū)逐漸向未凍結(jié)區(qū)擴(kuò)展，其溫度分布也不斷變化。在過渡區(qū)，由于土體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化，如土體的體積收縮、強(qiáng)度提高等，可能會(huì)對周圍土體產(chǎn)生一定的影響，如引起土體的變形和應(yīng)力變化。因此，在研究溫度場分布時(shí)，過渡區(qū)的特性不容忽視。未凍結(jié)區(qū)位于溫度場的外圍，土體基本保持原始狀態(tài)，溫度接近原始地溫。在凍結(jié)過程中，未凍結(jié)區(qū)的溫度變化相對較小，主要是由于其距離凍結(jié)管較遠(yuǎn)，熱量傳遞到該區(qū)域時(shí)已經(jīng)大幅衰減。然而，未凍結(jié)區(qū)的存在對整個(gè)溫度場的發(fā)展仍有一定的影響，它作為熱量傳遞的邊界條件，會(huì)影響凍結(jié)區(qū)域的擴(kuò)展速度和范圍。當(dāng)未凍結(jié)區(qū)的土體熱物理參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等，可能會(huì)改變熱量傳遞的速率，進(jìn)而影響凍結(jié)壁的形成和溫度場的分布。在隧道管幕凍結(jié)溫度場中，不同區(qū)域的溫度變化規(guī)律也有所不同。在凍結(jié)初期，各區(qū)域的溫度下降速度都較快，尤其是靠近凍結(jié)管的冰層區(qū)和過渡區(qū)。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長，冰層區(qū)的溫度逐漸趨于穩(wěn)定，接近鹽水溫度；過渡區(qū)的溫度變化速度逐漸減緩，溫度梯度也逐漸減??；未凍結(jié)區(qū)的溫度變化則更加緩慢，在整個(gè)凍結(jié)過程中溫度變化幅度相對較小。在凍結(jié)過程中，還需要關(guān)注溫度場的對稱性和均勻性。理想情況下，溫度場應(yīng)該以凍結(jié)管為中心呈對稱分布，但在實(shí)際工程中，由于多種因素的影響，如凍結(jié)管的布置偏差、土體的不均勻性、地下水的流動(dòng)等，溫度場可能會(huì)出現(xiàn)不對稱和不均勻的情況。這些不均勻性可能導(dǎo)致凍土帷幕的厚度和強(qiáng)度分布不均勻，影響其支護(hù)和止水效果。因此，在施工過程中，需要采取相應(yīng)的措施，如優(yōu)化凍結(jié)管布置、加強(qiáng)監(jiān)測和調(diào)整制冷參數(shù)等，以保證溫度場的均勻性和對稱性。3.3影響溫度場形成的因素隧道管幕凍結(jié)溫度場的形成受到多種因素的綜合影響，這些因素相互作用，共同決定了溫度場的分布和發(fā)展規(guī)律。深入研究這些影響因素，對于優(yōu)化管幕凍結(jié)施工方案、提高施工效率和確保工程安全具有重要意義。冷卻液體的流動(dòng)速度對溫度場的形成起著關(guān)鍵作用。較高的流動(dòng)速度能夠增強(qiáng)冷卻液體與凍結(jié)管內(nèi)壁之間的對流換熱效果，使冷卻液體能夠更迅速地帶走土體中的熱量，從而加快凍結(jié)速度。當(dāng)冷卻液體的流速加快時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)與凍結(jié)管內(nèi)壁接觸的冷卻液體量增加，熱量傳遞更加充分，凍結(jié)管周圍土體的溫度下降速度也會(huì)相應(yīng)加快。如果冷卻液體流動(dòng)速度過快，可能會(huì)導(dǎo)致冷卻液體在凍結(jié)管內(nèi)的停留時(shí)間過短，無法充分吸收土體中的熱量，反而影響凍結(jié)效果。冷卻液體的流動(dòng)速度還會(huì)影響溫度場的均勻性。不均勻的流速可能導(dǎo)致凍結(jié)管不同部位的換熱效果不一致，進(jìn)而使溫度場出現(xiàn)不均勻分布，影響凍土帷幕的質(zhì)量。冷卻效率是影響溫度場形成的另一個(gè)重要因素。冷卻效率受到制冷系統(tǒng)性能、冷卻液體性質(zhì)以及凍結(jié)管與土體之間的熱傳遞效率等多種因素的制約。高效的制冷系統(tǒng)能夠提供更低溫度的冷卻液體，增大土體與冷卻液體之間的溫差，從而提高熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力，加快凍結(jié)速度。采用性能優(yōu)良的制冷機(jī)組，能夠更有效地降低冷卻液體的溫度，使土體中的熱量更快地被帶走。冷卻液體的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等性質(zhì)也會(huì)影響冷卻效率。比熱容較大的冷卻液體在吸收相同熱量時(shí)溫度升高較小，能夠更有效地帶走熱量；導(dǎo)熱系數(shù)較大的冷卻液體則能夠更快地將熱量傳遞到凍結(jié)管內(nèi)壁，提高熱傳遞效率。凍結(jié)管與土體之間的接觸熱阻也會(huì)對冷卻效率產(chǎn)生影響。如果接觸熱阻過大，會(huì)阻礙熱量從土體傳遞到冷卻液體，降低冷卻效率。因此，在施工過程中，需要采取措施減小接觸熱阻，如確保凍結(jié)管與土體之間的緊密接觸，或在凍結(jié)管表面涂抹導(dǎo)熱材料等。土層性質(zhì)對溫度場的形成有著顯著的影響。不同類型的土層具有不同的熱物理參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和含水率等，這些參數(shù)直接影響著土體的熱量傳遞能力和凍結(jié)特性。在導(dǎo)熱系數(shù)較大的砂土層中，熱量能夠更迅速地在土體中傳導(dǎo)，使得凍結(jié)管周圍的低溫區(qū)域能夠更快地向外擴(kuò)展，凍結(jié)壁的形成速度相對較快。而在導(dǎo)熱系數(shù)較小的黏土層中，熱量傳遞相對較慢，凍結(jié)速度也會(huì)相應(yīng)減緩。比熱容較大的土體在吸收相同熱量時(shí)溫度變化較小，這意味著需要更多的熱量才能使土體溫度降低到冰點(diǎn)以下，從而延長了凍結(jié)時(shí)間。含水率較高的土體在凍結(jié)過程中會(huì)釋放出大量的相變潛熱，這些潛熱會(huì)阻礙土體溫度的進(jìn)一步下降，同樣會(huì)對凍結(jié)速度產(chǎn)生影響。土體的初始溫度也會(huì)對溫度場的形成產(chǎn)生影響。如果土體的初始溫度較高，與冷卻液體之間的溫差就會(huì)減小，熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力減弱，凍結(jié)速度會(huì)變慢。在夏季施工時(shí)，由于土體的初始溫度較高，可能需要更長的凍結(jié)時(shí)間才能達(dá)到預(yù)期的凍結(jié)效果。此外，土體的不均勻性，如土層中存在夾層、透鏡體等，也會(huì)導(dǎo)致溫度場分布的不均勻性。不同性質(zhì)的土層在凍結(jié)過程中的表現(xiàn)不同，可能會(huì)在溫度場中形成局部的高溫或低溫區(qū)域，影響凍土帷幕的質(zhì)量和穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中，還需要考慮地下水的影響。地下水的流動(dòng)會(huì)帶走土體中的熱量，改變溫度場的分布。在地下水流動(dòng)速度較大的區(qū)域，凍結(jié)管周圍的熱量會(huì)被迅速帶走，導(dǎo)致凍結(jié)壁難以形成或厚度不均勻。為了應(yīng)對地下水的影響，可能需要增加凍結(jié)管的數(shù)量、降低冷卻液體的溫度或采取止水措施，如設(shè)置止水帷幕等，以確保溫度場的正常形成和凍土帷幕的穩(wěn)定性。3.4溫度場的數(shù)值模擬與驗(yàn)證3.4.1數(shù)值模擬方法本研究采用ANSYS有限元軟件對隧道管幕凍結(jié)溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬。ANSYS軟件具有強(qiáng)大的非線性分析能力和豐富的單元庫，能夠準(zhǔn)確模擬復(fù)雜的熱傳遞過程，在巖土工程領(lǐng)域的數(shù)值模擬中得到了廣泛應(yīng)用。在建立數(shù)值模型時(shí)，首先進(jìn)行基本假定。假設(shè)頂管所在位置地表面和各土層均水平分布，這是為了簡化模型，使其更易于計(jì)算和分析。實(shí)際工程中，地層的起伏和變化可能會(huì)對溫度場產(chǎn)生一定影響，但在初步模擬時(shí)，這種假設(shè)能夠抓住主要因素，得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。假定相同地層的未凍土體和凍結(jié)土體都是均質(zhì)、各向同性材料。雖然實(shí)際土體存在一定的非均質(zhì)性，但在一定范圍內(nèi)，這種假設(shè)可以使模型的計(jì)算更加簡便，同時(shí)也能反映出溫度場的基本特征。認(rèn)為土體的物理力學(xué)參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)與溫度有良好的線性關(guān)系，而鋼管、凍結(jié)管的物理力學(xué)參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)與溫度變化無關(guān)。實(shí)際上，土體的參數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生一定的改變，但在一定溫度范圍內(nèi)，這種線性關(guān)系的假設(shè)能夠滿足工程計(jì)算的精度要求。忽略不同土層之間熱阻對熱傳導(dǎo)的影響，這是為了簡化模型，突出主要的熱傳遞過程。在實(shí)際情況中，不同土層之間的熱阻可能會(huì)對溫度場產(chǎn)生一定影響，但在本研究中，為了便于分析和計(jì)算，暫不考慮這一因素。假設(shè)溫度低于0℃時(shí)土體即開始凍結(jié)，這是一個(gè)常用的簡化假設(shè)，雖然實(shí)際土體的凍結(jié)過程可能更為復(fù)雜，但在大多數(shù)情況下，這種假設(shè)能夠滿足工程實(shí)際的需要。模型的幾何尺寸依據(jù)實(shí)際隧道工程進(jìn)行確定。沿隧道開挖方向取一定長度，如60m，這一長度能夠涵蓋隧道施工過程中溫度場變化較為明顯的區(qū)域，同時(shí)也不會(huì)使模型過于龐大，增加計(jì)算量。垂直隧道開挖方向取100m，以充分考慮隧道周圍土體的溫度變化情況，確保模型邊界對內(nèi)部溫度場的影響較小。沿地表向下取50m，能夠包含隧道所在的主要地層，準(zhǔn)確反映地層深處的溫度變化。在模型中，定義土體、管幕、凍結(jié)管等不同材料的屬性。土體的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度等參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場土工試驗(yàn)和相關(guān)資料確定。對于不同類型的土體，如砂層、黏土層等，分別賦予其相應(yīng)的熱物理參數(shù)。管幕采用鋼材，其彈性模量、泊松比、密度等力學(xué)參數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)等熱學(xué)參數(shù)根據(jù)鋼材的實(shí)際性能確定。凍結(jié)管同樣根據(jù)其材質(zhì)和規(guī)格確定相應(yīng)的參數(shù)。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用四面體單元進(jìn)行離散。在凍結(jié)管和管幕周圍等溫度變化較為劇烈的區(qū)域，進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高計(jì)算精度。通過加密網(wǎng)格，可以更準(zhǔn)確地捕捉到這些區(qū)域的溫度變化細(xì)節(jié)，使模擬結(jié)果更加接近實(shí)際情況。而在遠(yuǎn)離凍結(jié)管和管幕的區(qū)域，網(wǎng)格可以適當(dāng)稀疏，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。通過合理的網(wǎng)格劃分，既能保證計(jì)算精度，又能使計(jì)算過程更加高效。3.4.2模型驗(yàn)證為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。在實(shí)際隧道工程中，選擇具有代表性的監(jiān)測斷面，在該斷面上布置多個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，包括在凍結(jié)管附近、管幕與土體交界處以及遠(yuǎn)離凍結(jié)管的土體內(nèi)部等位置。通過溫度傳感器實(shí)時(shí)采集不同位置的溫度數(shù)據(jù)，并記錄相應(yīng)的時(shí)間。以某一監(jiān)測點(diǎn)為例，將模擬得到的該點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線與實(shí)測溫度曲線進(jìn)行對比。從對比結(jié)果可以看出，在凍結(jié)初期，模擬溫度和實(shí)測溫度都呈現(xiàn)快速下降的趨勢，且兩者的下降速率較為接近。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長，溫度下降速度逐漸減緩，模擬溫度和實(shí)測溫度的變化趨勢依然保持一致。在整個(gè)凍結(jié)過程中，模擬溫度與實(shí)測溫度的偏差在可接受范圍內(nèi)，說明數(shù)值模擬能夠較好地反映實(shí)際溫度場的變化情況。進(jìn)一步分析不同位置監(jiān)測點(diǎn)的溫度對比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)無論是在凍結(jié)管附近的高溫梯度區(qū)域，還是在遠(yuǎn)離凍結(jié)管的相對均勻溫度區(qū)域，模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)都具有較好的一致性。在凍結(jié)管附近，模擬溫度能夠準(zhǔn)確地反映出由于冷卻液體的作用而導(dǎo)致的快速降溫過程；在遠(yuǎn)離凍結(jié)管的區(qū)域，模擬溫度也能合理地體現(xiàn)出溫度場的逐漸擴(kuò)散和穩(wěn)定過程。通過對多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度對比以及不同時(shí)刻溫度場分布的對比分析，可以得出結(jié)論：本研究建立的數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地模擬隧道管幕凍結(jié)溫度場的形成和發(fā)展過程，數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。這為進(jìn)一步研究溫度場的影響因素以及管幕與凍土帷幕的力學(xué)特性提供了可靠的基礎(chǔ)，也為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工提供了有力的技術(shù)支持。在實(shí)際工程中，可以根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，合理調(diào)整凍結(jié)管的布置、冷卻液體的溫度和流量等參數(shù)，以優(yōu)化溫度場分布，確保隧道施工的安全和順利進(jìn)行。四、隧道管幕凍結(jié)力學(xué)特性4.1“管幕-凍土”復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)分析在隧道管幕凍結(jié)施工中，“管幕-凍土”復(fù)合結(jié)構(gòu)是保障隧道穩(wěn)定和施工安全的關(guān)鍵。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)由管幕和凍土帷幕共同組成，管幕作為主要的承載結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著來自周圍土體和地下水的荷載；凍土帷幕則起到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性、止水和輔助承載的作用。兩者相互作用，形成一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)體系，其力學(xué)性能直接影響著隧道施工的成敗。管幕通常由一系列鋼管組成，根據(jù)工程需求和設(shè)計(jì)要求，可選用實(shí)心鋼管或空心鋼管。實(shí)心鋼管具有較高的抗彎和抗壓能力，能夠承受較大的荷載。在一些對管幕承載能力要求較高的工程中，如大跨度隧道或穿越復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道，實(shí)心鋼管能夠提供更可靠的支撐。然而，實(shí)心鋼管的自重較大，在施工過程中可能需要較大的頂進(jìn)力，增加施工難度?？招匿摴軇t具有自重輕、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在一些對重量限制較為嚴(yán)格或施工空間有限的工程中，空心鋼管更為適用?？招匿摴艿膭偠认鄬^低，在承受較大荷載時(shí)，其變形可能較大。凍土帷幕是由土體中的水分凍結(jié)形成的，其力學(xué)性能與土體的性質(zhì)、凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間等因素密切相關(guān)。凍土帷幕具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能，能夠有效抵抗周圍水土壓力，防止地下水侵入隧道施工區(qū)域。在凍結(jié)過程中，凍土帷幕的強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的降低和凍結(jié)時(shí)間的延長而逐漸提高。當(dāng)凍結(jié)溫度較低且凍結(jié)時(shí)間足夠長時(shí)，凍土帷幕的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到較高水平，為隧道施工提供可靠的保護(hù)。凍土帷幕的抗拉強(qiáng)度相對較低，在受到拉伸荷載時(shí)，容易出現(xiàn)裂縫和破壞。在“管幕-凍土”復(fù)合結(jié)構(gòu)中，管幕與凍土帷幕之間存在著復(fù)雜的相互作用。這種相互作用主要包括力的傳遞和變形協(xié)調(diào)。在荷載作用下，管幕首先承受來自周圍土體和地下水的壓力，并將部分荷載傳遞給凍土帷幕。管幕與凍土帷幕之間的摩擦力和黏結(jié)力起到了荷載傳遞的作用。當(dāng)管幕發(fā)生變形時(shí)，凍土帷幕會(huì)通過摩擦力和黏結(jié)力對管幕產(chǎn)生約束作用，限制管幕的變形。這種相互作用使得管幕和凍土帷幕能夠協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載，提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。為了更深入地了解“管幕-凍土”復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，需要建立相應(yīng)的力學(xué)模型進(jìn)行分析。目前，常用的力學(xué)模型包括彈性力學(xué)模型、塑性力學(xué)模型和有限元模型等。彈性力學(xué)模型基于彈性力學(xué)理論，假設(shè)管幕和凍土帷幕均為彈性材料，通過求解彈性力學(xué)方程來分析復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力和變形。這種模型適用于分析小變形情況下的復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，能夠提供較為準(zhǔn)確的理論解。然而，實(shí)際工程中的“管幕-凍土”復(fù)合結(jié)構(gòu)往往會(huì)經(jīng)歷較大的變形，彈性力學(xué)模型的局限性較為明顯。塑性力學(xué)模型則考慮了材料的塑性變形，能夠更真實(shí)地反映復(fù)合結(jié)構(gòu)在大變形情況下的力學(xué)行為。該模型通過引入屈服準(zhǔn)則和塑性流動(dòng)法則，分析管幕和凍土帷幕在荷載作用下的塑性變形和破壞過程。在分析復(fù)合結(jié)構(gòu)的極限承載能力時(shí)，塑性力學(xué)模型能夠提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。其計(jì)算過程較為復(fù)雜，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。有限元模型是目前應(yīng)用最為廣泛的力學(xué)模型之一。它通過將復(fù)合結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，利用計(jì)算機(jī)程序求解每個(gè)單元的力學(xué)方程，從而得到復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能。有限元模型能夠考慮管幕和凍土帷幕的非線性力學(xué)行為、材料的非均勻性以及復(fù)雜的邊界條件等因素，具有較高的計(jì)算精度和廣泛的適用性。通過有限元模擬，可以直觀地觀察復(fù)合結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的受力和變形情況，為工程設(shè)計(jì)和施工提供有力的技術(shù)支持。4.2力學(xué)特性的影響因素隧道管幕凍結(jié)的力學(xué)特性受到多種因素的綜合影響，深入探究這些因素對于優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。管幕布置方式是影響力學(xué)特性的關(guān)鍵因素之一。管幕的間距對其承載能力和穩(wěn)定性有著顯著影響。較小的管幕間距可以增加管幕結(jié)構(gòu)的整體剛度，使其能夠更好地承受外部荷載。在承受較大的土體壓力時(shí)，間距較小的管幕能夠更有效地分散荷載，減少單個(gè)管幕的受力，從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而，過小的管幕間距會(huì)增加工程成本，同時(shí)在施工過程中可能會(huì)遇到施工難度增大的問題，如頂管施工時(shí)的相互干擾。較大的管幕間距則會(huì)降低管幕結(jié)構(gòu)的整體剛度，在荷載作用下，管幕之間的土體可能會(huì)出現(xiàn)較大的變形，導(dǎo)致管幕的受力不均勻，增加結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)具體的工程條件和設(shè)計(jì)要求，合理確定管幕間距。管幕的排列方式也會(huì)對力學(xué)特性產(chǎn)生重要影響。常見的排列方式有圓形、矩形等。圓形排列的管幕在受力時(shí)，能夠?qū)⒑奢d均勻地分散到各個(gè)管幕上，具有較好的抗壓性能。在隧道頂部承受較大的垂直壓力時(shí)，圓形排列的管幕可以通過自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將壓力有效地傳遞到周圍土體，減少管幕的應(yīng)力集中。矩形排列的管幕則在抗彎性能方面表現(xiàn)較好，適用于承受較大的水平荷載。在隧道受到側(cè)向土體壓力時(shí)，矩形排列的管幕能夠更好地抵抗水平力，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。不同的排列方式還會(huì)影響管幕與凍土帷幕之間的相互作用，進(jìn)而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。凍土帷幕厚度對管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性有著重要影響。較厚的凍土帷幕能夠提供更大的承載能力，有效地抵抗周圍土體的壓力。在高水壓或軟弱地層條件下，增加凍土帷幕的厚度可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止土體坍塌和地下水滲漏。較厚的凍土帷幕可以增加結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，減少地下水對隧道施工的影響。凍土帷幕厚度的增加也會(huì)增加工程成本和施工難度，需要在設(shè)計(jì)和施工過程中進(jìn)行綜合考慮。凍土帷幕的強(qiáng)度是影響力學(xué)特性的另一個(gè)重要因素。凍土帷幕的強(qiáng)度受到多種因素的影響，如土體的性質(zhì)、凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間等。較高的凍結(jié)溫度會(huì)導(dǎo)致凍土帷幕的強(qiáng)度降低，而較長的凍結(jié)時(shí)間則可以使凍土帷幕的強(qiáng)度逐漸提高。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)工程要求和地質(zhì)條件，合理控制凍結(jié)溫度和凍結(jié)時(shí)間，以確保凍土帷幕具有足夠的強(qiáng)度。隧道埋深對管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性也有顯著影響。隨著隧道埋深的增加，作用在管幕和凍土帷幕上的土體壓力和水壓力也會(huì)相應(yīng)增大。這就要求管幕和凍土帷幕具有更高的承載能力和穩(wěn)定性，以抵抗更大的荷載。在深埋隧道中，管幕需要承受更大的垂直壓力和水平壓力，凍土帷幕也需要具備更強(qiáng)的抗?jié)B性能，以防止地下水的滲漏。隧道埋深的增加還會(huì)導(dǎo)致施工難度增大，如通風(fēng)、排水等問題更加突出，需要在施工過程中采取相應(yīng)的措施加以解決。不同的地質(zhì)條件，如土體的性質(zhì)、地下水的分布等，也會(huì)對管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性產(chǎn)生重要影響。在軟土地層中，土體的強(qiáng)度較低，管幕和凍土帷幕需要承擔(dān)更大的荷載，因此對其承載能力和穩(wěn)定性的要求更高。在富水地層中，地下水的浮力和滲透壓力會(huì)對管幕和凍土帷幕的受力狀態(tài)產(chǎn)生影響，需要采取有效的止水措施，以確保結(jié)構(gòu)的安全。4.3力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究4.3.1室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)為深入研究隧道管幕凍結(jié)的力學(xué)特性，設(shè)計(jì)并開展了室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置主要由模型箱、管幕系統(tǒng)、凍結(jié)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。模型箱采用高強(qiáng)度有機(jī)玻璃制作，尺寸為長2m、寬1m、高1.5m，以保證模型有足夠的空間模擬實(shí)際工程情況，同時(shí)有機(jī)玻璃的透明性便于觀察實(shí)驗(yàn)過程中土體和管幕的變化。在模型箱內(nèi)分層填筑模擬土體，根據(jù)實(shí)際工程的地層情況，選用特定配比的砂土和黏土混合材料，通過控制每層土體的壓實(shí)度和含水率，使其物理力學(xué)性質(zhì)接近實(shí)際地層。在土體中按照設(shè)計(jì)方案布置管幕，管幕采用直徑為50mm的鋼管，模擬實(shí)際工程中的管幕尺寸和布置方式。根據(jù)研究目的，設(shè)置不同的管幕間距和排列方式，如管幕間距分別為100mm、150mm、200mm，排列方式包括圓形和矩形排列，以探究管幕布置對力學(xué)特性的影響。凍結(jié)系統(tǒng)采用低溫鹽水循環(huán)制冷方式。通過制冷機(jī)組將鹽水溫度降至-20℃，利用循環(huán)泵將低溫鹽水輸送至管幕內(nèi)的凍結(jié)管中，實(shí)現(xiàn)對管幕周圍土體的凍結(jié)。在凍結(jié)管上均勻布置溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測凍結(jié)過程中土體的溫度變化，以確保凍結(jié)效果符合實(shí)驗(yàn)要求。加載系統(tǒng)采用液壓千斤頂，通過反力架對模型施加豎向和水平向荷載，模擬隧道施工過程中管幕和凍土帷幕所承受的土體壓力和地下水壓力。在加載過程中，采用分級加載的方式，每級荷載保持一定時(shí)間，待模型變形穩(wěn)定后再施加下一級荷載，直至模型達(dá)到破壞狀態(tài)。通過這種方式，可以準(zhǔn)確記錄模型在不同荷載階段的力學(xué)響應(yīng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括壓力傳感器、位移傳感器和應(yīng)變片。在管幕和凍土帷幕的關(guān)鍵部位布置壓力傳感器，測量管幕與凍土帷幕之間的接觸壓力以及凍土帷幕所承受的外部壓力；在模型表面和管幕上布置位移傳感器，監(jiān)測模型在加載過程中的位移變化；在管幕上粘貼應(yīng)變片，測量管幕的應(yīng)變情況，進(jìn)而計(jì)算管幕的應(yīng)力。所有傳感器均連接至數(shù)據(jù)采集儀，實(shí)時(shí)采集和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先，按照設(shè)計(jì)要求在模型箱內(nèi)填筑土體，并布置好管幕和凍結(jié)管；接著，啟動(dòng)凍結(jié)系統(tǒng)，對管幕周圍土體進(jìn)行凍結(jié)，定期監(jiān)測土體溫度，直至達(dá)到設(shè)計(jì)的凍結(jié)狀態(tài)；然后，安裝加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對模型進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)；最后，按照分級加載方案，逐步對模型施加荷載，同時(shí)實(shí)時(shí)采集和記錄壓力、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，直至模型破壞，完成實(shí)驗(yàn)。通過嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件和操作步驟，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。4.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通過對室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入分析，總結(jié)出管幕凍結(jié)力學(xué)特性的變化規(guī)律。在不同管幕間距條件下，管幕的承載能力和變形特性表現(xiàn)出明顯差異。當(dāng)管幕間距為100mm時(shí)，管幕之間的相互作用較強(qiáng)，能夠有效地共同承擔(dān)荷載。在加載過程中，管幕的變形較小，整體穩(wěn)定性較高。隨著荷載的增加，管幕與凍土帷幕之間的接觸壓力分布較為均勻，能夠充分發(fā)揮凍土帷幕的輔助承載作用。當(dāng)管幕間距增大到200mm時(shí)，管幕之間的相互作用減弱，單個(gè)管幕承受的荷載相對增加。在相同荷載作用下，管幕的變形明顯增大，尤其是在管幕之間的土體區(qū)域，出現(xiàn)了較大的沉降和變形。這表明較大的管幕間距會(huì)降低管幕結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力。管幕排列方式對力學(xué)特性也有顯著影響。圓形排列的管幕在承受豎向荷載時(shí)，能夠?qū)⒑奢d均勻地分散到各個(gè)管幕上，管幕的受力較為均勻，變形相對較小。在模擬隧道頂部承受較大壓力的實(shí)驗(yàn)中，圓形排列的管幕能夠有效地抵抗壓力，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。矩形排列的管幕在承受水平荷載時(shí)具有較好的性能。在模擬隧道受到側(cè)向土體壓力的實(shí)驗(yàn)中，矩形排列的管幕能夠更好地抵抗水平力，管幕的側(cè)向變形較小，能夠?yàn)樗淼捞峁┓€(wěn)定的側(cè)向支撐。凍土帷幕的厚度和強(qiáng)度對管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能起著關(guān)鍵作用。較厚的凍土帷幕能夠提供更大的承載能力和更好的穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)凍土帷幕厚度增加時(shí)，模型在相同荷載作用下的變形明顯減小，管幕和凍土帷幕的受力更加均勻。凍土帷幕的強(qiáng)度也直接影響著結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。通過改變凍結(jié)溫度和凍結(jié)時(shí)間，調(diào)整凍土帷幕的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)度較高的凍土帷幕能夠更好地承受荷載，在受到較大壓力時(shí)，凍土帷幕不易發(fā)生破壞，從而保證了管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。在不同荷載條件下，管幕和凍土帷幕的力學(xué)響應(yīng)也有所不同。在豎向荷載作用下，管幕主要承受壓力，其變形以豎向沉降為主。隨著荷載的增加，管幕的應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)超過管幕的承載能力時(shí)，管幕會(huì)發(fā)生屈服和破壞。凍土帷幕在豎向荷載作用下，不僅承受壓力，還起到約束管幕變形的作用。在水平荷載作用下，管幕和凍土帷幕主要承受剪力和彎矩。管幕的變形以水平位移和彎曲變形為主，而凍土帷幕則通過與管幕的相互作用，共同抵抗水平荷載。在復(fù)雜荷載條件下，如同時(shí)承受豎向和水平荷載時(shí)，管幕和凍土帷幕的力學(xué)響應(yīng)更加復(fù)雜，需要綜合考慮各種因素的影響。通過室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，深入了解了管幕凍結(jié)力學(xué)特性的變化規(guī)律，為隧道管幕凍結(jié)技術(shù)的工程應(yīng)用提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在實(shí)際工程中，可以根據(jù)這些規(guī)律，合理設(shè)計(jì)管幕的布置方式、凍土帷幕的厚度和強(qiáng)度，以提高隧道管幕凍結(jié)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。五、工程案例分析5.1案例背景介紹選取港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道作為本研究的工程案例。該隧道是港珠澳大橋珠海連接線的控制性工程，全長2740m，其建設(shè)對于加強(qiáng)粵港澳大灣區(qū)的交通聯(lián)系，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展具有重要意義。拱北隧道所處區(qū)域地質(zhì)條件極為復(fù)雜。主要地層包括填筑土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、中細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土、砂礫等。這些土層具有飽和含水、水量補(bǔ)給豐富、高壓縮性、高滲透性、承載力低的特點(diǎn)。地下水位較高，且與海水相連通，這使得隧道施工面臨著巨大的涌水風(fēng)險(xiǎn)和土體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。在這樣的地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)的隧道施工方法難以滿足工程安全和質(zhì)量要求。采用管幕凍結(jié)技術(shù)主要基于以下原因。管幕凍結(jié)技術(shù)能夠有效解決復(fù)雜地質(zhì)條件下的涌水問題。通過在隧道周邊形成凍結(jié)帷幕，能夠切斷地下水與隧道施工區(qū)域的水力聯(lián)系，防止地下水涌入隧道，為隧道施工創(chuàng)造一個(gè)干燥、安全的作業(yè)環(huán)境。管幕作為一種強(qiáng)大的超前支護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠承擔(dān)來自周圍土體的壓力，限制土體的變形，增強(qiáng)隧道周邊土體的穩(wěn)定性。在拱北隧道這樣的復(fù)雜地質(zhì)條件下，管幕的支護(hù)作用對于確保隧道施工的安全至關(guān)重要。管幕凍結(jié)技術(shù)的可控性較強(qiáng)。可以通過調(diào)整凍結(jié)管的布置、鹽水溫度和流量等參數(shù)，精確控制凍結(jié)帷幕的形成和發(fā)展，以適應(yīng)不同的地質(zhì)條件和工程要求。這使得該技術(shù)在拱北隧道這樣的復(fù)雜工程中具有較高的適用性。管幕由36根直徑為1620mm的鋼管組成，鋼管間距約35cm，頂管長約255m，其中曲線頂管段長約170m。這種管幕布置方式能夠形成一個(gè)堅(jiān)固的支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效抵抗周圍土體和地下水的壓力。在管幕施工過程中，采用了長距離曲線頂管技術(shù)，克服了隧道縱向軸線較大曲率帶來的施工困難。凍結(jié)施工在奇數(shù)號管幕內(nèi)安裝凍結(jié)管，通過制冷系統(tǒng)將管內(nèi)鹽水溫度降低，使管幕周圍土體凍結(jié)，形成凍結(jié)帷幕。根據(jù)《拱北隧道技術(shù)設(shè)計(jì)》（送審稿）要求，只要將頂管間的土體凍住形成凍結(jié)帷幕，且凍結(jié)帷幕厚度達(dá)到1.45m即可滿足凍結(jié)加固的止水要求。5.2溫度場監(jiān)測與分析在拱北隧道管幕凍結(jié)施工過程中，對溫度場進(jìn)行了全面而細(xì)致的監(jiān)測。在奇數(shù)號管幕內(nèi)安裝凍結(jié)管，同時(shí)在管幕間及周圍土體中布置了多個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)。這些監(jiān)測點(diǎn)分布在不同深度和位置，能夠準(zhǔn)確反映溫度場在空間上的變化情況。溫度傳感器采用高精度的熱敏電阻，具有響應(yīng)速度快、測量精度高的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。在凍結(jié)初期，從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以明顯看出，靠近凍結(jié)管的區(qū)域溫度迅速下降。這是因?yàn)槔鋮s液體在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，帶走了周圍土體的熱量，使得土體溫度快速降低。在距離凍結(jié)管0.5m范圍內(nèi)的土體，在凍結(jié)開始后的10天內(nèi)，溫度從初始的25℃左右降至0℃以下，進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長，凍結(jié)區(qū)域逐漸向外擴(kuò)展。在凍結(jié)30天左右，相鄰凍結(jié)管的凍結(jié)范圍開始重疊，形成了0℃以下的凍結(jié)圈。這一現(xiàn)象與理論研究和數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了溫度場發(fā)展規(guī)律的正確性。在凍結(jié)48天左右，基本形成了連續(xù)的、具有一定厚度的凍結(jié)帷幕。此時(shí)，通過監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出凍結(jié)帷幕的厚度，在大部分區(qū)域，凍結(jié)帷幕厚度達(dá)到了1.2m左右，接近設(shè)計(jì)要求的1.45m。在凍結(jié)72-84天之間，凍土壁厚度達(dá)到了頂管間止水要求的1.45m，滿足了工程的止水需求。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)溫度場在橫截面上呈現(xiàn)出以凍結(jié)管布置圈為中心的環(huán)形分布。凍結(jié)管布置圈內(nèi)的土體溫度下降速度快于布置圈外，其最終溫度也要低于布置圈外。這是由于凍結(jié)管內(nèi)的冷卻液體首先冷卻了布置圈內(nèi)的土體，熱量從布置圈內(nèi)向外傳遞，導(dǎo)致布置圈外土體溫度下降相對較慢。將現(xiàn)場溫度場監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論研究和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比。理論研究通過建立數(shù)學(xué)模型，對溫度場的形成和發(fā)展進(jìn)行了理論推導(dǎo)。數(shù)值模擬則利用ANSYS等有限元軟件，對管幕凍結(jié)過程進(jìn)行了模擬分析。對比結(jié)果表明，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論研究和數(shù)值模擬結(jié)果在整體趨勢上基本一致。在凍結(jié)初期的溫度下降速度、凍結(jié)范圍的擴(kuò)展以及凍結(jié)帷幕的形成時(shí)間和厚度等關(guān)鍵指標(biāo)上，三者的差異均在合理范圍內(nèi)。在凍結(jié)30天左右相鄰凍結(jié)管凍結(jié)范圍重疊的時(shí)間點(diǎn)上，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果僅相差2-3天，與理論研究預(yù)測的時(shí)間也較為接近。這充分驗(yàn)證了理論研究和數(shù)值模擬方法的可靠性，為管幕凍結(jié)技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用提供了有力的支持。5.3力學(xué)特性監(jiān)測與分析在拱北隧道管幕凍結(jié)施工過程中，對“管幕-凍土”復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行了全面監(jiān)測。在管幕上布置了多個(gè)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，采用電阻應(yīng)變片測量管幕的應(yīng)力變化。在凍土帷幕中安裝壓力盒，監(jiān)測凍土帷幕所承受的壓力。同時(shí)，利用全站儀對隧道周邊土體的位移進(jìn)行監(jiān)測，以全面了解復(fù)合結(jié)構(gòu)在施工過程中的力學(xué)響應(yīng)。在隧道開挖過程中，管幕的應(yīng)力變化呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。在開挖初期，隨著土體的卸載，管幕的應(yīng)力逐漸增大。這是因?yàn)樗淼篱_挖導(dǎo)致周圍土體的應(yīng)力重新分布，管幕承擔(dān)了更多的土體壓力。在開挖至隧道中部時(shí)，管幕的應(yīng)力達(dá)到最大值。此時(shí)，管幕不僅要承受來自上方土體的壓力，還要抵抗由于隧道開挖引起的側(cè)向土體壓力。隨著隧道開挖的繼續(xù)進(jìn)行，管幕的應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樗淼乐ёo(hù)結(jié)構(gòu)逐漸形成，分擔(dān)了管幕的部分荷載，使得管幕的受力狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定。在整個(gè)開挖過程中，管幕的應(yīng)力始終處于安全范圍內(nèi)，未出現(xiàn)屈服和破壞現(xiàn)象。凍土帷幕的壓力變化也與隧道開挖過程密切相關(guān)。在凍結(jié)過程中，凍土帷幕的壓力逐漸增大，這是由于土體凍結(jié)后體積膨脹，對凍土帷幕產(chǎn)生了壓力。在隧道開挖初期，凍土帷幕的壓力迅速增大，這是因?yàn)樗淼篱_挖導(dǎo)致周圍土體的變形，進(jìn)一步擠壓了凍土帷幕。隨著隧道開挖的進(jìn)行，凍土帷幕的壓力逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樗淼乐ёo(hù)結(jié)構(gòu)的形成，限制了土體的變形，從而使得凍土帷幕的壓力不再繼續(xù)增大。在整個(gè)施工過程中，凍土帷幕的壓力始終保持在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，確保了凍土帷幕的穩(wěn)定性。通過對隧道周邊土體位移的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)土體位移主要集中在隧道頂部和兩側(cè)。在隧道開挖初期，土體位移增長較快，隨著隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的形成，土體位移逐漸趨于穩(wěn)定。在隧道頂部，土體位移最大，這是由于隧道開挖導(dǎo)致上方土體的卸載，土體在自重作用下發(fā)生沉降。在隧道兩側(cè)，土體位移主要表現(xiàn)為水平位移，這是由于隧道開挖引起的側(cè)向土體壓力導(dǎo)致的。通過合理調(diào)整隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工參數(shù)，有效地控制了土體位移，確保了隧道周邊土體的穩(wěn)定性。將現(xiàn)場力學(xué)特性監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比。理論分析通過建立力學(xué)模型，對“管幕-凍土”復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算和分析。數(shù)值模擬則利用有限元軟件，對隧道開挖過程中的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了模擬。對比結(jié)果表明，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果在整體趨勢上基本一致。在管幕應(yīng)力、凍土帷幕壓力和土體位移等關(guān)鍵指標(biāo)上，三者的差異均在合理范圍內(nèi)。在管幕應(yīng)力的變化趨勢上，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的變化曲線基本重合，理論分析結(jié)果也能夠較好地解釋管幕應(yīng)力的變化規(guī)律。這充分驗(yàn)證了理論分析和數(shù)值模擬方法的可靠性，為隧道管幕凍結(jié)技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用提供了有力的支持。5.4工程問題與解決方案在拱北隧道管幕凍結(jié)施工過程中，遇到了一些工程問題，通過采取有效的解決方案，確保了工程的順利進(jìn)行。在施工過程中，出現(xiàn)了局部溫度異常的情況。部分區(qū)域的溫度下降速度較慢，未能達(dá)到預(yù)期的凍結(jié)效果。經(jīng)分析，主要原因是該區(qū)域的土體導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量傳遞困難。同時(shí)，凍結(jié)管在該區(qū)域的布置存在一定偏差，導(dǎo)致冷卻效果不均勻。為解決這一問題，采取了加密凍結(jié)管的措施，在溫度異常區(qū)域增加了凍結(jié)管的數(shù)量，以提高冷卻效率。通過調(diào)整冷卻液體的流量和溫度，增大了該區(qū)域的冷卻強(qiáng)度。經(jīng)過這些措施的實(shí)施，局部溫度異常問題得到了有效解決，溫度下降速度加快，達(dá)到了預(yù)期的凍結(jié)效果。在隧道開挖過程中，發(fā)現(xiàn)管幕出現(xiàn)了一定程度的變形。這主要是由于隧道開挖引起的土體應(yīng)力重新分布，使得管幕承受的荷載增大。同時(shí)，管幕與凍土帷幕之間的相互作用也對管幕變形產(chǎn)生了影響。為控制管幕變形，在隧道開挖過程中，加強(qiáng)了對管幕的支撐。采用了臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，如鋼支撐和木支撐，對管幕進(jìn)行加固，提高其承載能力。通過優(yōu)化隧道開挖順序和方法，減少了土體應(yīng)力的突然變化，降低了管幕所承受的荷載。在管幕與凍土帷幕之間設(shè)置了緩沖層，如采用土工布等材料，減少了兩者之間的相互作用力，從而有效控制了管幕的變形。針對涌水問題，在管幕凍結(jié)施工前，對隧道周邊的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)勘察，準(zhǔn)確掌握了地下水的分布和流動(dòng)情況。在施工過程中，加強(qiáng)了對凍結(jié)帷幕的監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理凍結(jié)帷幕的薄弱環(huán)節(jié)。通過增加凍結(jié)管的數(shù)量和調(diào)整凍結(jié)時(shí)間，確保凍結(jié)帷幕的厚度和強(qiáng)度滿足止水要求。在隧道開挖過程中，還設(shè)置了排水系統(tǒng)，以便在出現(xiàn)涌水時(shí)能夠及時(shí)排除積水，保證施工安全。在施工過程中，還遇到了施工進(jìn)度緊張的問題。由于拱北隧道是港珠澳大橋珠海連接線的控制性工程，對工期要求極為嚴(yán)格。為確保工程按時(shí)完成，制定了詳細(xì)的施工計(jì)劃，合理安排各施工工序的時(shí)間和順序。增加了施工設(shè)備和人員的投入，提高了施工效率。采用先進(jìn)的施工技術(shù)和管理方法，如信息化施工管理、機(jī)械化施工等，減少了施工過程中的延誤。通過加強(qiáng)與各相關(guān)部門的溝通協(xié)調(diào)，及時(shí)解決了施工過程中遇到的各種問題，確保了施工進(jìn)度的順利推進(jìn)。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞隧道管幕凍結(jié)溫度場形成規(guī)律及其力學(xué)特性展開，通過理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)以及工程案例分析等多種研究方法，取得了一系列具有重要理論價(jià)值和工程實(shí)踐意義的成果。在隧道管幕凍結(jié)溫度場形成規(guī)律方面，深入剖析了溫度場的形成機(jī)制。明確了冷卻液體與土體之間的熱量交換以及土體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程，揭示了水分相變潛熱在溫度場形成中的關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，在凍結(jié)初期，冷卻液體迅速帶走土體熱量，使土體溫度快速下降；當(dāng)土體溫度降至冰點(diǎn)以下，水分結(jié)冰釋放相變潛熱，阻礙溫度進(jìn)一步下降，待水分完全凍結(jié)后，土體溫度繼續(xù)下降。通過對溫度場分布特點(diǎn)的研究，清晰劃分了冰層區(qū)、過渡區(qū)