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有限元视角下的地铁隧道联络分析

来源:原创论文网 添加时间:2019-05-05

  有限元分析论文范文第六篇

  摘要:人工冻结技术作为一种较为成熟的施工方式,具有适用范围广、加固效果好、费用低、能耗小等优势,目前在市政和轨道交通领域正在逐步推广应用。本文以某城市地铁隧道联络横通道为背景,基于温度场理论,采用有限元软件对其冻结施工过程进行计算分析,揭示冻结帷幕形成扩展及冻结锋面随时间变化规律,对类似工程冻结法施工的工程具有一定的指导作用。

  关键词:隧道;联络通道;冻结施工;有限元;

有限元分析论文

  人工冻结技术最早起源于采矿工程,主要是通过人工制冷的方式,将待开挖地下工程不稳定围岩中的水冻结并与岩土胶结,行成一个能够起到有效抵抗围岩压力、隔绝地下水作用的冻结壁,在冻结壁的保护作用下对地下工程进行开挖的一种施工技术手段[1]。人工冻结技术在城市地铁和市政工程中的应用越来越广泛,主要适用于富水地层中的隧道工程[2]。本文主要以某城市地铁联络通道冻结法施工为例,采用有限元软件模拟并分析冻结过程。

  1.联络通道冻结法计算模型

  某地下联络横通道采用人工水平冻结进行施工,其尺寸及冻结管布置如图1所示,采用含相变温度场理论非线性有限元程序对冻结施工模拟,并将冻结帷幕视为热塑性材料,屈服准则符合Misses准则。根据图1和地质资料建立有限元模型,如图2所示。未消除模型边界影响,模型大小水平向和竖向分别取65m、45m,模型节点共计1609,单元数共计3089,横通道周边冻结管用蓝色实心三角形表示,模型位移边界上部不约束,左右水平约束,下边界竖向约束。

  2.计算结果分析

  冻结时间为40d,提取冻结第5d、15d、25d和40d时横通道附近土体等温线和冻结区域并分析,可以看出,冻结5d时,联络通道外部未形成连续的冻结锋面,只有冻结管周围区域土体温度接近零度,较远处土体温度场未受影响,该阶段为冻结初期阶段;当冻结持续15d时,冻结区域继续扩大,在联络通道拱部和边墙处基本形成连续的冻结帷幕,但厚度较小。底板处由于冻结管布置较疏松,未形成连续的冻结帷幕,冻结区域基本以冻结管为中心呈同心圆分布,如图4所示,该阶段为积极冻结期;当冻结施工持续25d时,随着联络通道底板处冻结区域交圈成功,联络通道外部已经形成较为完整的冻结壁,并且冻结壁的厚度在持续增大,这也预示着积极冻结期结束,冻结施工进入下一个阶段——冻结维护期,在冻结施工至40d时,冻结区域继续增加,冻结壁的厚度也已达到施工要求。

  在冻结施工初期,冻结锋面形成较为缓慢,通道的边墙和拱部冻结锋面呈连续的线状和不连续的圆点状。当冻结时间持续至25天时,随着底板处冻土区域交圈,横通道的冻结帷幕基本形成,但此时冻结帷幕还不稳定,暂时起不到横通道开挖维护作用要求。当冻结时间持续至40天时,冻结帷幕面积不断增大,冻结锋面的轮廓也在不断加大,由于新冻结区域离中心冻结管越来越远,冻结帷幕面积的增速已逐渐的降低。

  3.结论和建议

  (1)冻结管只对周围一定距离内的地层温度产生影响,且冻结施工到一定时间后地层温度会维持一个平衡状态。从冻结的各个时期图可看出,冻结管布置的密度对冻结工期有直接影响。在具体设计过程中,要结合工程实际情况来考虑冻结管布置位置和数量。

  (2)土层冻结施工到一定时间后,冻结帷幕的厚度一般不会继续增大,后续开挖应该在冻结持续一定时间后进行,否则容易酿成安全事故。

  参考文献
  [1]马芹永.人工冻结法的理论与施工技术[M].北京:人民交通出版社,2007.
  [2]陈明雄,郭荣根,刘霆等,冻结技术在地铁及隧道工程中的应用[J],解放军理工大学学报(自然科学版),2003,vol,4(6):69~72

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