一种地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法，该预测方法将冻土融化产生的地层沉降S

【技术实现步骤摘要】
一种地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法


[0001]本专利技术属于地铁隧道施工
，尤其涉及一种地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法。

技术介绍

[0002]21世纪以来，城市地下空间的开发和利用正逐步展开，富水、软土等复杂地层的神秘面纱也正被巧妙揭开。目前在集约型交通和韧性城市的建设浪潮中，由于人工地层冻结技术具有“强封水、低扰动、易还原”等优势，其在地铁隧道建设工程中的应用越来越广泛。然而，在地铁隧道人工冻结法施工的解冻期，随着冻结壁的解冻，人工冻土会经历融化和固结两个阶段，且围绕隧道管壁周围的土必然会产生非均匀性收敛，扩散到地层，即会引起地层的不均匀沉降，简称“融沉”。地层融沉现象会对已建隧道和上部地表产生不良影响，由此带来的隧道破坏和地表病害无形中将增加市政工程的建设成本，甚至存在安全隐患。
[0003]而现有的地铁隧道冻结法施工期地层融沉变形的预测方法仅限于地表沉降的预测，且融沉变形的预测同样仅限于融化阶段，对于固结阶段却并未研究。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种充分考虑地铁隧道解冻期内的融化和固结两个阶段地层的三维融沉变形预测方法。
[0005]技术方案：本专利技术地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法，其特征在于包括如下步骤：
[0006](1)获取冻结法施工地层的土体参数并求得力学性能参数，选取隧道进深方向某一二维切面，求解冻融区移动相变边界方程X(t)，进而求解冻结壁内解冻锋面半径R1(t)，外解冻锋面半径R2(t)，冻结壁内缘融缩区Δ
a
(t)的内、外半径R0和R
a
(t)，外缘融缩区Δ
c
(t)的内、外半径R
c
(t)和R1，冻结壁内缘固结区Δ
b
(t)的内、外半径R
a1
(t)和R
b
(t)，外缘固结区Δ
d
(t)的内、外半径R
d
(t)和R
c1
(t)，其中，R
a
(t)＝R
a1
(t)，R
c
(t)＝R
c1
(t)；
[0007](2)根据太沙基单向渗透固结方程，求解固结压密函数G(t)，由下式(1)获得：
[0008][0009]式中：α
v
为土层的压缩系数，U
t
为融土的平均固结度，γ
w
为孔隙水的容重，η1为固结锋面微单元体中心距地表的深度，H0为初始水位深度，e0为融土的初始孔隙比，h0为降水深度，C
v
为土层的固结系数，t为解冻时间；
[0010](3)计算冻土融化产生的地层沉降S
Ι
(x)，并根据下式(2)计算融土固结产生的地层沉降SⅡ(x)：
[0011][0012]式中：h为隧道中心距地表的距离，β为土层的主要影响角，r、θ分别为ro1θ极坐标系下的极径、极角，x为横坐标，θ1、θ2分别为冻结壁的起始和结束角；
[0013](4)根据冻土融化产生的地层沉降S
Ι
(x)和融土固结产生的地层沉降SⅡ(x)计算地层各点的最终融沉位移S1(x)，由下式(3)获得：
[0014]S1(x)＝S
I
(x)+S
II
(x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0015](5)依次计算不同隧道进深方向二维切面上的地层融沉位移S
n
(x)，融合隧道进深方向不同位置处的地层融沉位移(S1(x),S2(x),
···
,S
n
(x))，计算隧道冻结壁解冻期地层三维融沉变形S(x)，由下式(4)获得：
[0016]S(x)＝(S1(x),S2(x)
…
S
n
(x))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)。
[0017]进一步说，该预测方法的步骤(1)中，所述冻融区移动相变边界方程X(t)由下式(5)获得：
[0018][0019]式中：k
f
为冻土的导热系数，T
f
为冻结区的温度，x为横坐标，k
u
为融土的导热系数，T
u
为解冻区的温度，L为单位容积土的相变潜热。
[0020]进一步说，该预测方法的步骤(1)中，所述冻结壁内解冻锋面半径R1(t)、外解冻锋面半径R2(t)由下式(6)和(7)获得：
[0021][0022][0023]式中：B为系数。
[0024]进一步说，该预测方法的步骤(1)中，所述冻结壁内缘融缩区Δ
a
(t)的外半径R
a
(t)、外缘融缩区Δ
c
(t)的内半径R
c
(t)由下式(8)获得：
[0025][0026]式中：ε
th
为冻土的融沉系数。
[0027]进一步说，该预测方法的步骤(1)中，所述冻结壁内缘固结区Δ
b
(t)的外半径R
b
(t)，外缘固结区Δ
d
(t)的内半径R
d
(t)由下式(9)获得：
[0028][0029]式中：ε
a
为融土的压密系数，γ为隧道上覆各土层重度的加权平均值。
[0030]进一步说，该预测方法的步骤(2)中，所述太沙基单向渗透固结方程由下式(10)获得：
[0031][0032]式中：C
v
为土层的固结系数，u为土的孔隙压力，z为土的深度，k为土层的渗透系数，e为土的孔隙比，Δe为土体孔隙比的改变量，Δp为土体应力的改变量。
[0033]进一步说，该预测方法的步骤(3)中，所述冻土融化产生的地层沉降S
Ι
(x)由下式(11)获得：
[0034][0035]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的显著优点为：该预测方法将冻土融化产生的地层沉降S
Ι
(x)和融土固结产生的地层沉降SⅡ(x)进行叠加，确定隧道进深方向某二维切面上地层各点的最终融沉位移S1(x)，再融合隧道进深方向全部二维切面上地层各点的最终融沉位移，最终形成了地铁隧道冻结法施工引起的地层三维融沉位移S(x)＝(S1(x),S2(x),
···
,S
n
(x))，从而完成了对地铁隧道冻结法施工引起的地层三维融沉变形的预测。该方法简便，能够为地铁隧道冻结法施工现场解冻期的地层注浆位置、注浆时间、注浆体量等问题提供理论的判断依据。
附图说明
[0036]图1为冻结壁内缘解冻示意图；
[0037]图2为冻结壁外缘解冻示意图；
[0038]图3为隧道进深方向某二维切面地层融沉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法，其特征在于包括如下步骤：(1)获取冻结法施工地层的土体参数并求得力学性能参数，选取隧道进深方向某一二维切面，求解冻融区移动相变边界方程X(t)，进而求解冻结壁内解冻锋面半径R1(t)，外解冻锋面半径R2(t)，冻结壁内缘融缩区Δ
a
(t)的内、外半径R0和R
a
(t)，外缘融缩区Δ
c
(t)的内、外半径R
c
(t)和R1，冻结壁内缘固结区Δ
b
(t)的内、外半径R
a1
(t)和R
b
(t)，外缘固结区Δ
d
(t)的内、外半径R
d
(t)和R
c1
(t)，其中，R
a
(t)＝R
a1
(t)，R
c
(t)＝R
c1
(t)；(2)根据太沙基单向渗透固结方程，求解固结压密函数G(t)，由下式(1)获得：式中：α
v
为土层的压缩系数，U
t
为融土的平均固结度，γ
w
为孔隙水的容重，η1为固结锋面微单元体中心距地表的深度，H0为初始水位深度，e0为融土的初始孔隙比，h0为降水深度，C
v
为土层的固结系数，t为解冻时间；(3)计算冻土融化产生的地层沉降S
Ι
(x)，并根据下式(2)计算融土固结产生的地层沉降SⅡ(x)：式中：h为隧道中心距地表的距离，β为土层的主要影响角，r、θ分别为ro1θ极坐标系下的极径、极角，x为横坐标，θ1、θ2分别为冻结壁的起始和结束角；(4)根据冻土融化产生的地层沉降S
Ι
(x)和融土固结产生的地层沉降SⅡ(x)，计算地层各点的最终融沉位移S1(x)，由下式(3)所示：S1(x)＝S
I
(x)+S
II
(x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；(5)依次计算不同隧道进深方向二维切面上的地层融沉位移S
n
(x)，融合隧道进深方向不同位置处的地层融沉位移(S1(x),S2(x),
···
,S

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡海兵，洪荣宝，李孟凯，姚方兴，胡时，杨哲，庞昌强，黄献文，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：