地鐵隧道水平凍結(jié)工程地層凍脹融沉的預測方法及工程應用.pdf

1、地鐵隧道人工凍結(jié)法施工期地層的凍脹融沉現(xiàn)象會對工程周邊環(huán)境產(chǎn)生不良影響，輕則延長工程工期和提高工程造價，重則危及施工安全和造成重大的經(jīng)濟損失。在地鐵隧道凍結(jié)工程設計階段，應根據(jù)具體工程性質(zhì)，采用合理方法對可能引起的地層凍脹融沉效應進行預測，以便于實際施工過程中采取適宜的凍結(jié)實施方案和相應的凍脹融沉預防措施，將凍結(jié)法應用的成本和風險降到最低。有鑒于此，本文采用理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗相結(jié)合的研究手段，對地鐵隧道水平凍結(jié)工程地層凍脹融沉

2、的預測方法進行了系統(tǒng)研究，并應用于實際工程，對地層的凍脹融沉規(guī)律進行深入分析。其主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　 (1)提出在地鐵隧道水平凍結(jié)期，凍結(jié)壁交圈前的溫度場由單管凍結(jié)理論近似求解，凍結(jié)壁交圈后的溫度場則由平板凍結(jié)理論近似求解。基于單管凍結(jié)理論、平板凍結(jié)理論和土體凍脹率計算公式，考慮凍結(jié)壁的形成過程，采用隨機介質(zhì)理論，建立了地鐵隧道水平凍結(jié)施工期地表凍脹的歷時預測模型。
　　 (2)提出凍結(jié)壁自然解凍條件下的溫度場

3、由平板解凍理論近似求解，凍結(jié)壁強制解凍條件下的溫度場則由單管解凍理論近似求解。基于平板解凍理論、單管解凍理論和一維情況下已融土層的穩(wěn)定融沉量計算公式，分別考慮凍結(jié)壁的自然和強制解凍過程，采用隨機介質(zhì)理論，建立了地鐵隧道水平凍結(jié)施工期地表融沉的歷時預測模型。
　　 (3)綜合考慮地層溫度、地表對流等各類初始和邊界條件及土體的凍融相變潛熱過程，建立了隧道凍結(jié)工程凍融瞬態(tài)溫度場的數(shù)學模型，并定義凍土的凍脹率和融沉率為瞬時體應變，考慮凍

4、土的正交各向異性變形特征，基于ABAQUS有限元軟件的二次開發(fā)技術，編制土體凍融變形的用戶子程序，進而提出了地鐵隧道水平凍結(jié)施工期地層凍脹融沉的彈塑性熱力耦合數(shù)值模擬預測方法。
　　 (4)將所提出的凍脹融沉隨機介質(zhì)理論預測方法和熱力耦合數(shù)值模擬預測方法，應用于圓形隧道全斷面水平凍結(jié)工程和淺埋大斷面隧道水平凍結(jié)工程中，獲得了地層凍結(jié)溫度場、凍脹位移場、解凍溫度場以及融沉位移場等分布規(guī)律，并與現(xiàn)場實測結(jié)果相比較，驗證了預測方法的實

5、用性和可靠性。
　　 (5)首次建立了一套可模擬地鐵隧道雙線水平凍結(jié)施工過程的室內(nèi)原材料模型試驗系統(tǒng)，對雙線隧道依次凍結(jié)方式下的地層溫度場和凍脹融沉變化規(guī)律進行了試驗研究。通過數(shù)值模擬分析驗證了模型試驗結(jié)果的可靠性，且表明相對于同時凍結(jié)方式，雙線隧道采用依次凍結(jié)方式在一定程度上能減小地層凍脹位移。
　　 在今后地鐵隧道建設中，人工凍結(jié)法的應用將會越來越廣泛。本文研究成果將為此類工程建設提供有效參考依據(jù)，并具有重要的現(xiàn)實工