提出将冻土帷幕演变过程的关键阶段细分，并计算冻土帷幕温度场冻结锋面和特征等温线坐标的冻土帷幕整体性状确定性分析方法，对冻结帷幕薄弱部位、特征及成因进行了研究。结果表明：联络通道冻结管单侧开孔和放射状布置形式，使得冻土帷幕局部区域的冻结壁厚度和平均温度存在薄弱点；辅助冻结侧的冻结壁厚度大于其设计值，平均温度较低，而主冻结侧的冻结壁厚度小于其设计值，平均温度较高；联络通道泵站下部冻结管相交区域冻结壁形成最晚，第II冻结壁厚度最薄；联络通道拱部与边墙的角部连接区域冻结壁交圈时间最长，辅助冻结侧边墙冻结管间距较大区域的冻土帷幕厚度最薄。冻结法施工时，测温孔位置和长度的设计应覆盖薄弱点，施工中应对薄弱点进行重点监控。

为提高基坑冻土挡墙的成墙效率,寻找冻结法施工中温度场的变化规律,指导冻结施工获取最佳冻结强度,基于传热学和工程流体力学对冻土温度场的影响因素进行试验分析,通过有限元ANSYS热力学模块提出了稳态与瞬态相结合的温度场计算新模型。通过试验及数值模拟着重对冻土温度场形成的人为可调控因素进行分析,对冻结管的材质及结构提出了优化方案,同时得出冷冻管间距是影响冻结效果的主要因素,最优冻结管间距为500 mm。

以上海市某地铁隧道下穿既有车站工程为背景,针对冻结参数选取、冻结壁承载力计算方法、冻胀量计算等方面进行论述。冻结壁承载力计算采用了数值模拟和结构力学模型计算两种方法;冻胀量计算采用三维热固耦合计算模型,分别计算了温度场和冻胀引起的周围土体和上部车站结构变形。该工程设计参数得到了工程实践验证,对类似大体量冻结工程的设计和施工具有指导意义。

为保证隧道进出洞施工中冻土帷幕的安全,本文以数值模拟为手段,对杯型冻土壁安全性进行研究。研究结果表明:最不利工况时,掌子面土体水平位移等值线为逐渐增大的同心圆,最大位移位于掌子面正中心,向外逐渐减小;随着冻土帷幕杯底厚度的增加,最不利工况时掌子面土体的最大位移逐渐减小;随着冻土帷幕杯底厚度的增加,掌子面加固体最大压应力呈线性减小;最大拉应力也随杯底厚度增加逐渐减小,在杯底厚度较小时减小幅度较大;最大剪应力随杯底厚度增加先增大后减小,但整个过程变化幅度较小;随着冻土帷幕杯底厚度的增加,冻土帷幕安全系数大幅度增大。

冻土帷幕平均温度,直接反映冻土帷幕强度等指标。巴霍尔金单排管冻结温度场公式很好地吻合了交圈之后的冻土帷幕温度场。基于该解析解导出的冻土帷幕平均温度计算方法有巴霍尔金等效三角形法及其修正方法(等效梯形法和等效三角形法),这些方法都是用某一固定横截面上的平均温度等效整体冻土帷幕平均温度,在一定程度上忽略了不同工况下各参数的差异,存在一定误差。文中通过对单排管冻土帷幕平均温度积分公式进行数学理论分析,采用非固定等效截面的平均温度等效整体冻土帷幕平均温度,得出了适应冻土帷幕各种可能的参数变化并误差更小的平均温度计算方法。

为解决现有人工冻结法施工后周围地层产生冻胀融沉所引发的不良后果问题,设置加热限位管对冻土帷幕的发展进行限制。运用有限元软件分析在冻土帷幕主面上设置加热限位管时对冻土帷幕温度场发展的影响规律,主要得出:随着加热限位管盐水温度的升高,冻土帷幕厚度呈线性减小趋势;限位管循环盐水温度越高,最终形成的冻土帷幕边界平整性就越好,从而具有较好的限位效果;限位管应与冻结管对齐设置在冻土帷幕主面上;限位管与冻结管距离由最终控制冻土帷幕的厚度决定;循环热盐水的温度不宜过高,宜为5～10℃。

人工冻土帷幕具有广泛的应用前景。研究表明,冻土的均匀性和冻结状态是影响人工冻土帷幕强度的重要指标。冻结方向、受力方向、冻结时间影响下的冻结锋面发展情况和温度场规律是描述冻土力学性能差异的四个重要特征。该文通过分析这些指标和特征,完善了人工冻土帷幕的分析计算内容,有助于验证冻结时间、冻结位置等重要工程指标的正确性。

以某市轨道交通工程越江区间隧道1#联络通道冻结工程为背景,运用数值模拟手段,深入研究越江隧道联络通道冻结法施工过程中各个工况下冻土帷幕的受力变形规律,得出在拉开钢管片以及开挖土体过程对冻土帷幕受力变形影响最为明显。此研究对越江隧道联络通道冻结的冻土帷幕的设计具有重要的指导意义,对保证此类越江隧道联络通道冻结工程的安全具有重要的参考价值。

盾构长距离掘进对盾尾刷造成过大磨损时会使其因失去密封作用而需更换,盾尾刷更换的难点在于管片拆卸后盾尾的密封止水加固。本文结合某过江隧道盾尾刷更换工程,对该工程承压含水层范围内的冻土帷幕进行强度验算,按是否考虑0.3MPa的承压水压力分两种情况进行三维数值模拟,主要得出:两种情况下σx、σy、σz方向的应力基本全部为压应力,拉应力值太小,可忽略不计;最大压应力值均为1.47MPa,最大剪应力值均为0.49MPa;拉、压、剪应力值的安全系数均远大于2,其安全储备得以保证。更换盾尾刷时冻土帷幕能够起到很好的止水和稳定地层作用,其设计温度和厚度满足强度要求。所得结果为今后类似工程设计提供了理论依据。

研究了上海长江隧道联络通道冻土帷幕温度动态演化过程.运用ANSYS有限元软件建立了较为符合实际工程的三维实体模型,考虑了管片散热、冷排管等影响,用比焓值随温度的变化来反应相变潜热的动态变化过程.研究和总结了冻土帷幕温度动态演化机理,包括冻土帷幕发展规律、交圈规律、平均温度发展规律及冻土帷幕有效厚度发展规律.研究结果表明,冻土帷幕温度场的形成是一个有规律可循的连续性发展过程.有限元分析的冻土帷幕交圈时间、平均温度和冻土帷幕有效厚度与工程实测数据比较吻合.