[发明专利]一种地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法

说明书

本发明公开了一种地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法，首先确定冻结施工位置，获得冻结壁范围内原状土的土层参数，确定土体的热物理及力学参数，对冻结壁上方土层按其土层性质及既有建(构)筑物进行分层并确定冻胀影响范围所在层；随后计算单根冻结管的非稳态温度场及冻结锋面半径r(t)；再根据隧道开挖类型，计算冻结壁交圈后冻结锋面内圈半径R₁(t)、外圈半径R₂(t)，计算冻胀区域Δ(t)；最后计算冻胀位移W_i(t)。该预测方法综合了土体的热物理及力学性能、冻结时间效应、土层结冰温度及土层荷载因素，以确定冻结帷幕及冻胀变形在不同阶段的演化规律，提高冻结施工引起地层三维冻胀预测的可靠性和准确性。

技术领域

本发明属于地铁隧道施工技术领域，尤其涉及一种地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法。

背景技术

随着社会的快速发展，城市地下轨道交通得到快速发展。冻结法作为地层加固的重要手段，在城市轨道交通工程中被广泛使用，特别是在富水量大、淤泥质、砂质地层等复杂地质下，该方法加固效果显著。但人工冻结使得地层温度急剧降低，地铁隧道冻结施工所诱发的地层变形主要表现为地层的冻胀所引起得周围建筑基础、隧道衬砌、车站底板等的不良变形。因此，准确可靠地预测冻结法施工引起地层的三维冻胀对于冻结壁设计及既有建筑保护至关重要。研究地层变形一般有以下几种方法：经验法、数值模拟法和解析法，而对于常用的是解析法。基于严格数学推导的解析法可以定量地考虑地质参数和冻结器参数的影响，是预测隧道冻结施工引起地层变形的实用方法；但是目前对冻胀引起的地层变形的研究得到的地层隆起都是最终的地层隆起值，并未考虑时间效应及土层温度等实际条件，不能准确预测地层冻结速度以及冻胀位移。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法，该预测方法能够有效解决地铁隧道冻结施工导致地层不均匀冻胀的问题，同时避免对周围既有建筑物基础、隧道衬砌造成不良变形。

技术方案：本发明的地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法，包括如下步骤：

(1)确定冻结施工位置，获得冻结壁范围内原状土的土层参数，确定土体的热物理及力学参数，对冻结壁上方土层进行分层并确定冻胀影响范围所在层；

(2)计算单根冻结管的非稳态温度场及冻结锋面半径r(t)；

(3)根据隧道开挖类型，计算冻结壁交圈后冻结锋面内圈半径R₁(t)、外圈半径R₂(t)，并由下式(1)、式(2)计算冻胀区域Δ(t)：

ε_f＝ε_f0 exp(-bP) (2)

式中：t为冻结时间；ε_f为荷载下的土体冻胀率；ε_f0为无荷载下的土体冻胀率；P为冻胀影响范围所在层的荷载，kPa；b为常数0.001；B为系数；r为冻结半径；

(4)计算冻胀位移W_i(t)。

进一步说，该预测方法的步骤(1)中，所述土体的热物理及力学参数为土体的密度ρ、热扩散系数α、导热系数k、比热c、相变潜热L及无荷载下的土体冻胀率ε_f0，其中，

进一步说，该预测方法的步骤(2)中，所述单根冻结管的非稳态温度场由下式(3)、式(4)获得：