[发明专利]一种盾构隧道始发端头加固方案优化方法

权利要求书

1.一种盾构隧道始发端头加固方案优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、获取盾构隧道工程数据以及测温孔温度变化曲线；

步骤S2、根据盾构隧道工程数据构建有热对流数值模型，根据有热对流模型获得第一温度变化曲线；

步骤S3、根据盾构隧道工程数据构建水热耦合数值模型，根据水热耦合数值模型获得第二温度变化曲线；

步骤S4、对比测温孔温度变化曲线、第一温度变化曲线以及第二温度变化曲线，获得渗流对温度场发展规律的影响情况；

步骤S5、根据渗流对温度场发展规律的影响情况对冻结方案进行优化；所述步骤S3的具体步骤为：步骤S31、设定约束条件；步骤S32、根据盾构隧道工程数据建立几何模型并进行网格划分；步骤S33、选取材料参数、确定荷载以及边界条件参数；步骤S34、建立水质量守恒方程以及能量守恒方程；步骤S35、获取与测温孔温度变化曲线所选取的实际测温孔对应在水热耦合数值模型中的模拟测温孔的第二温度变化曲线；

所述步骤S34的水质量守恒方程的表达式为：

其中，S_OP为单位压力储水量，p为压强，ε为孔隙率，t为时间，k_r为水-冰相变区渗透率降低的有效水导率，K为水传导系数，ρ_w为流体密度，为重力梯度张量，Q_S表示源和汇，Q_T表示温度诱导的质量增加，其表达式为：

其中ρ_i为冰密度；

所述步骤S34的能量守恒方程的表达式为：

其中T为温度，S_w为孔隙水饱和度，为随T减小而冻结产生的孔隙介质单位体积水体积分数，L为相变潜热，C_w为流体热容，C为体积热容，λ为体积导热率，为渗流速度，其表达式为：

下标eq表示物理变量采用体积加权算数平均计算法，其中C_eq和λ_eq的表达式分别如下：

C_eq＝ε(S_wρ_wc_w+S_iρ_ic_i)+(1-ε)ρ_sc_s；

λ_eq＝ε(S_wη_w+S_iη_i)+(1-ε)η_s；

其中c表示比热容，η为导热系数，下标i、w和s分别表示冰、水和颗粒。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道始发端头加固方案优化方法，其特征在于，所述步骤S1中的盾构隧道工程数据包括冻结管排布方式、不同排冻结管间距，同排冻结管孔间距、冻结管距地连墙距离、冻结管直径与长度、测温管直径与长度以及测温孔深度。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道始发端头加固方案优化方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为：

步骤S21、设定约束条件；

步骤S22、根据盾构隧道工程数据建立几何模型并进行网格划分；

步骤S23、选取材料参数、确定荷载以及边界条件参数；

步骤S24、获取与测温孔温度变化曲线所选取的实际测温孔对应在有热对流数值模型中的模拟测温孔的第一温度变化曲线。

4.根据权利要求3所述的一种盾构隧道始发端头加固方案优化方法，其特征在于，所述步骤S21的约束条件包括冷量直接作用于冻结管外壁；土体温度低于-1℃时发生相变反应；土体视为均值且各向同性；各处土体初始温度相同以及土体内水分无迁移。

5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道始发端头加固方案优化方法，其特征在于，所述步骤S31的约束条件包括土体为饱和、均质、各向同性且多孔介质；总孔隙率不变；忽略水的蒸发过程；冻结多孔介质的导热满足傅里叶定律；冰为固定不动且不变形。

6.根据权利要求1所述的一种盾构隧道始发端头加固方案优化方法，其特征在于，所述步骤S5中对冻结方案优化包括冻结管排布方式以及冻结管直径的改变。