隧道施工中采用冻结封顶管法时冻结温度场的数值模拟
摘要
结合管道屋顶法和人工地面冻结法（AGF），冻结密封管屋顶法（FSPR），研究人员提出了一种新的冻结技术。中国首次采用FSPR方法建造的拱北隧道是香港-珠海-澳门的主要枢纽。这是一种创新的冷冻方案，三种冷冻管（正常，增强和限制管）的FSPR方法。本文通过数值模拟的方法分析了主动冻结过程中的温度场，以保证其有效性和可行性。研究了不同地层和可控参数下冻土墙的特性。结果表明，FSPR能快速形成冻土墙，并在不同的土层中保持稳定。另外它还表明冻结效果灵活可控。
引言
管式屋盖法（TRM）是一种传统的岩土工程预应力法，采用微顶技术在拟建的地下洞室周围架设钢管。在管道之间使用互锁，然后填充防水材料来密封水。TRM有很多优点，对周围环境影响不大（Li 2011）。然而，当顶升路线较长或有一定的曲度时，联锁可能会有差距(Xing et al.2009)。因此，很难完全密封水。
人工地面冻结法（AGF）是一种利用人工制冷技术进行地下建筑的独特技术，它将地质层中的水变成冰，冻结土壤或岩石。AFG具有优良的水封性能，适应性等优点（Ma 2001），因此可以采用AFG作为管道间水封的方式。
Hu和She（2013）综合考虑了TRM和AGF的优缺点，提出了冷冻密封管屋顶法（FSPR）。这种方法不仅具有封闭性，密封性和无害性等冷冻土的优点，而且利用了钢管抗拉强度高的特点，保证了支撑结构的承载能力。有效的冷冻方案确保了密封性能，有时也增强了承载能力。因此，冻结计划是至关重要的。在以前的研究基础上，已经注意到FSPR的理念，包括快速冻结，抗弱化和防止冻胀。换句话说，在活动冻结期内应形成有效的冻土墙，确保抵抗开挖引起的热冲击，同时在施工过程中要控制冻胀。根据这一理念，提出了三管正常，增强和限流管的冷冻方案。
作为一种全新的方法，目前还没有关于FSPR的相同问题的文献。到目前为止，在已发表的文献中，日本的研究人员已经在复合材料结构的力学性能方面做了一些基础性的工作，（例如, Ueda et al.2001; Moriuchi 2004a)。但其中大部分都没有涉及到冻结方案，很少有文献(例如, Hamaguchi et al. 2005）简单地提到了类似的问题。在中国，如上所述，Hu和She（2013）首次提出了FSPR方法，并使用有限元软件ANSYS，讨论了可能出现在结构中的不同冻结方案。已经证明FEPR对于该项目是有效的。但是，在这项研究中，没有考虑管道中的气流，这使得实际情况和结果有所不同。
本文将流-固耦合换热理论引入到拱北隧道的分析中，这是Hu和She（2013）的后续研究。这项研究主要集中在积极的冰冻期，以展示原理的第一步。研究一开始就研究了不同土壤的冻结速率，以确定最快和最慢的速度，为今后的研究找到一个参考土壤。然后在参考土的基础上，研究了成形加强管对不同开启时刻的影响，以确定在确保冰冻效果的前提下最佳时刻。
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