特长隧道盾尾钢丝刷更换冻结法施工方案与技术研究

摘要

盾构隧道施工方法是一种用盾构掘进机挖土排土构筑隧道的先进方法。以其对环境影响小、掘进基本不受地表环境条件的限制、使用地层土质范围宽等优点，在地铁隧道，污水排放隧道，江河湖海底交通隧道，电力、电信、供水、供气等城市隧道的建造中得到广泛应用。 但在盾构长距离掘进过程中，盾构机主要密封部件之一的尾刷，却非常容易损坏，必须进行修复以保证盾构继续推进。盾构尾刷更换的难点在于管片拆卸后盾构尾部的密封止水。在埋深大、含水丰富的软土地层采用普通地层加固方法不能确保盾尾刷修复顺利实施。而利用人工冻结法所形成的冻土帷幕却具有适应性强，支护结构灵活简单，隔水性好，稳定可靠等优点，这些都恰好解决了盾构尾刷更换时所遇到的难题。因而，冻结法是复杂地质条件下盾尾刷更换的一种可行性更佳的方法。 人工冻结法进行盾构尾刷更换的工法，到目前为止，国内外还未见先例。 本文依托上海长江隧道长距离盾构掘进中盾构尾刷冻结法更换预案为工程背景，依照实际工程的地质条件、盾构和管片结构以及密封油脂等相关介质的热物理、力学性质，考虑盾尾刷更换的具体工艺，采用大型通用有限元软件ANSYS对盾尾冻结以及管片拆卸和盾构尾刷更换过程进行模拟，在此基础上对冻土帷幕的发展、厚度变化和封闭性，冻结过程中密封油脂可能的危害性以及管片拆卸前后冻土帷幕的稳定性等问题进行了研究。研究结果表明： （1）冻结过程中冻土帷幕很快会进入封闭状态并积极发展，管片拆卸后冻土会因为散热面积的增大而稍有恶化但在短时间内又会重新稳定，冻土帷幕能够达到设计厚度。 （2）低温下油脂的可能产生压力不会破坏盾构外壳和管片，而且可以利用油脂系统控制油脂压力。 （3）只要在合适的时间拆卸管片，就基本不会对冻土封闭性和稳定性产生影响，有足够时间保证钢丝刷更换工作的顺利完成。 冻结法更换盾尾刷这一工法在理论上是可行的而且可靠的。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪论

1.1引言

1.2选题背景

1.2.1人工地层冻结法简介及其应用

1.2.2选题背景

1.3国内外研究现状

1.3.1盾尾刷更换技术的研究

1.3.2冻结温度场的研究

1.4研究内容、方法、目的和意义

第2章 人工地层冻结法基本概念及理论

2.1冻土的基本物理性质

2.1.1冻土的物质组成

2.1.2冻土的形成过程

2.1.3土的冻结温度

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土的冻胀机理

2.1.7土的冻胀力

2.2冻土的热力学性质

2.3冻土的力学性质

2.3.1冻土单轴极限抗压强度

2.3.2冻土单轴极限抗拉压强度

2.3.3冻土抗剪强度

2.3.4冻土长期强度

2.3.5冻土的流变性

2.4本章小结

第3章 冻结法更换盾尾刷冻结温度场数值分析

3.1有限元软件ANSYS简介

3.2三维传热数值计算的基本理论和方法

3.2.1有限元计算原理

3.2.2有限元温度场计算原理

3.2.3有限元耦合场计算原理

3.2.4本文数值分析具体过程

3.3工程概况

3.3.1工程简介

3.3.2地层概况

3.3盾构尾刷更换预案

3.4冻结方案

3.4.1冻结管的布置

3.4.2冻结管的埋设

3.4.3工程上温度测定方法

3.5数值计算模型

3.5.1土壤冻结过程中相变问题的处理

3.5.2建模假设

3.5.3模型材料热参数

3.5.4荷载、初始条件及边界条件

3.5.5数值分析模型建立

3.6温度场计算结果分析

3.6.1冻土帷幕闭合状况

3.6.2剖面温度分析

3.6.3冻土厚度随时间的变化

3.6.4临时管片拆卸后暴露截面温度分析

3.7本章结论

第4章 结构场应力分析

4.1应力分析数值模型建立理由及思路

4.2计算假定

4.3材料力学参数

4.3.1土体材料参数

4.3.2油脂材料参数

4.3.3盾构外壳材料参数

4.3.4管片材料参数

4.3.5盾尾钢丝刷材料参数

4.4模型I的建立

4.4.1模型I结构尺寸

4.4.2模型I荷载及边界条件

4.4.3模型I结果分析

4.5模型II的建立

4.5.1模型II热分析

4.5.2模型II建立

4.6本章结论

第5章 结论与展望

5.1本文结论

5.2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