不同冻胀模式下冻结隧道施工引起的地表竖向位移时空解

作     者：董建华 吴晓磊 师利君 DONG Jian-hua;WU Xiao-lei;SHI Li-jun

作者机构：兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室甘肃兰州730050 兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心甘肃兰州730050 

出 版 物：《中国公路学报》 (China Journal of Highway and Transport)

年 卷 期：2021年第34卷第5期

页      面：144-155页

核心收录：

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

基　　金：国家自然科学基金项目(51778275) 陇原青年创新创业人才(团队)项目(2020RCXM120) 兰州市十大科技创新项目(2020-2-11) 甘肃省知识产权局高价值专利培育和转化项目(20ZSCQ034) 甘肃省基础研究创新群体项目(20JR10RA205) 

主　　题：隧道工程 冻胀模式 镜像法 水平冻结隧道 地表竖向位移 

摘      要：为了更加科学地预测水平冻结法隧道施工引起的地表竖向位移,从冻结管周围土体与地层冻胀相互作用机理和试验现象出发,提出了冻结管周围冻结土体在地层约束作用下的2种不同冻胀模式;基于热传导理论得到了冻结锋面随时间变化的移动规律,进一步联合镜像法和叠加原理,推导了均匀冻胀模式和非均匀冻胀模式下水平冻结法隧道施工时多个冻结管共同引起的地表竖向位移时空预测计算公式,并依托MATLAB软件编制了求解程序。结合工程实例,将理论解与实测数据进行了对比,此外,还针对隧道埋深、冻结壁厚度、不均匀冻胀性进行了参数影响分析。研究结果表明:不同冻胀模式计算得到的位移分布规律与实测值在整体趋势上基本相似,且实测值介于均匀冻胀模式和非均匀冻胀模式所得理论值之间,证明了所提理论模型的合理性;均匀冻胀模式与非均匀冻胀模式计算得到的地表最大竖向位移均出现在隧道中心正上方地表位置处,但不同冻胀模式下的隧道中心正上方地表竖向位移峰值有明显差异;当其他参数相同时,隧道埋深越浅,地表冻胀位移分布越窄而高,土体冻胀模式对地表位移分布影响越大;冻结壁越厚,地表竖向位移越大;不均匀冻胀程度常数越大,地表竖向最大位移也越大。建议根据工程具体情况,选用所提出的不同冻胀模式来预测水平冻结隧道施工引起的地表变形,以确保工程安全稳定。