冻结法在极软岩水工隧洞中解困TBM的应用研究

发布时间：2017-05-03 09:06

  本文关键词：冻结法在极软岩水工隧洞中解困TBM的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国水利建设正处于跨越式发展时期,甘肃省内大量水利工程建设也在快速推进。随着TBM(全断面隧道掘进机)掘进技术的不断进步,水工隧洞作为引水、输水的重要建筑物,在水利工程中运用日益广泛。而隧洞在掘进过程中,由于地质条件.操作失误等因素,难免会出现卡机、围困等问题。人工地层冻结法作为一种新兴的地层加固技术,以其独特的优势逐渐被工程界接受、重视并广泛应用。然而,冻结法在水工隧洞以及在TBM解困方面的应用尚属首次,值得我们深入研究。本文以甘肃省引洮供水一期工程(简称引洮一期)总干渠7#隧洞TBM解困段为研究背景,借助大型有限元分析软件ANSYS14.0,针对人工冻结法地面竖直冻结和洞内水平冻结在地层中形成的温度场进行研究。同时,基于考虑相变的热固耦合理论,在温度应力和重力共同作用下实施脱困后,对开挖面关键点处的位移变化进行研究并对冻结时间进行优化。主要有以下研究工作和成果结论：1.对甘肃省引洮供水一期工程总干渠7#隧洞TBM解困段工程地质勘查资料和补勘洞段隧洞围岩工程地质条件进行分析,结合工程区域的地质环境背景、地质构造、地形地貌、地层岩性和工程地质参数等基础地质资料,得出进行模型分析计算所用的各项基本参数。2.研究了人工冻结过程中先竖直冻结后水平冻结情况下冻土的发展过程和形成规律。分析了冷媒温度和土体含水率对冻结壁温度场的影响。在有内热源和多种边界约束的情况下,用考虑相变潜热的平面各向同性导热控制微分方程对温度场的数学模型做以揭示。3.对现阶段人工地层冻结法热固耦合研究现状进行综合阐述,并采用Mises塑性强化准则及Prandtl-Reuss流动法则,对塑性区的应力～应变增量关系进行求解。同时考虑土体发生相变后,其物理力学参数弹性模量和泊松比的变化并进行求解。4.运用大型有限元分析软件ANSYS14.0对温度场进行模拟。对人工冻结分别进行115d、116d、125d、150d、180d、245d时,冻结锋面的发展、等温线的变化、冻土帷幕的形成等进行模拟分析,得出的模拟温度值与实际监测的基本一致,为以后采用冻结法进行TBM解困形成温度场提供技术参考。5.对TBM解困段在冻土帷幕的保护下进行解困作业引起位移场、应力场的变化进行模拟。在设计条件下,即人工冻结进行245d后解困作业可确保施工的安全,开挖面各关键点处位移在安全规范之内。6.对实施解困作业前人工冻结时间进行优化。分别对在冻结进行115d、145d、195d、215d后即进行解困作业进行模拟。在冻结115d、145d、195d后进行解困作业时,开挖面关键点处位移较大,不符合安全规范；但在冻结215d后进行解困模拟时,由于冻结较充分,冻土帷幕已有足够的维护冻结时间,开挖面关键点处位移已在安全规范范围之内,解困作业可安全进行,但此结论只可作为参考。
【关键词】：TBM解困段 人工冻结法 数值模拟 温度场 应力场 热固耦台 冻结优化
【学位授予单位】：甘肃农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV554
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-15
• 1.1 研究背景和意义7-9
• 1.2 国内外应用及研究现状9-12
• 1.2.1 国外现状9-10
• 1.2.2 国内现状10-12
• 1.3 TBM被困原因及解困方法简介12-13
• 1.4 研究内容、方法及技术路线13-15
• 1.4.1 研究内容13-14
• 1.4.2 技术路线14-15
• 第二章 冻结壁的发展规律和数值模拟15-27
• 2.1 冻土概述15-19
• 2.1.1 冻土成分15
• 2.1.2 冻土物理力学特性15-19
• 2.2 冻土形成过程19-21
• 2.3 冻结壁温度场的影响因素21-22
• 2.3.1 土体冻结温度21
• 2.3.2 未冻水含量21-22
• 2.4 冻结温度场的数学模型22-23
• 2.5 冻结壁内平均温度23-24
• 2.6 温度场与应变场的耦合24-26
• 2.7 本章小结26-27
• 第三章 引洮工程7~27-38
• 3.1 引洮供水一期工程概况27-28
• 3.2 引洮供水一期工程特点28-29
• 3.3 引洮7~#隧洞工程概况29-34
• 3.3.1 工程位置29-30
• 3.3.2 地形地貌30
• 3.3.3 水文地质30-31
• 3.3.4 隧洞工程地质31-34
• 3.4 引洮7~#隧洞冻结施工段概况34-37
• 3.4.1 工程概况34
• 3.4.2 施工要求34-35
• 3.4.3 水文气象和工程地质35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 TBM解困段人工冻结施工模拟及分析38-48
• 4.1 有限元分析软件ANSYS14.0简介38
• 4.2 计算模型建立38-41
• 4.3 温度场参数选取41-42
• 4.4 温度场模拟结果及分析42-47
• 4.4.1 温度场形成过程42-45
• 4.4.2 温度场分析45-47
• 4.5 本章小结47-48
• 第五章 TBM解困作业热固耦合及方案分析48-58
• 5.1 TBM解困作业48-50
• 5.1.1 解困作业应具备的基本条件48-49
• 5.1.2 冻土开挖49-50
• 5.2 ANSYS14.0热固耦合分析方法50
• 5.3 热固耦合模型建立及参数选取50
• 5.4 计算结果分析50-57
• 5.4.1 设计方案51-52
• 5.4.2 比较方案52-57
• 5.5 本章小结57-58
• 第六章 结论与展望58-61
• 6.1 结论58-59
• 6.2 研究展望59-61
• 参考文献61-66
• 致谢66-67
• 作者简介67-68
• 导师简介68-69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 王丽霞;胡庆立;凌贤长;蔡德所;徐学燕;;青藏铁路冻土未冻水含量与热参数试验[J];哈尔滨工业大学学报;2007年10期

2 周扬;周国庆;;土壤冻结水热耦合有限容积模拟研究[J];岩土工程学报;2010年03期

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本文编号：342698