基于随机介质理论的隧道冻结期地层三维冻胀预测模型

摘要

人工地层冻结法是一种特殊的地层加固技术，其在地铁隧道工程施工中受到了广泛应用。在地铁隧道冻结法施工中，若冻结设计不合理或施工不当，会使得地层产生较大的冻胀变形，进而导致地下管线和地表建筑物损坏，造成较大的经济损失。因此，在隧道冻结期，应采取合理的数学模型来预测冻结所引起的地层冻胀变形。
　　本文以理论分析、案例分析验证为手段，结合现有冻胀预测模型，对隧道冻结期地层三维冻胀预测模型进行了研究，深入分析了隧道冻结施工引起地表三维冻胀变形分布规律，并将所建立的三维冻胀预测模型应用于实际冻结法施工工程中。主要研究内容和成果如下:
　　(1)基于现有的隧道冻结期地层二维冻胀历时预测模型，考虑土体的冻结温度，并将冻结管管壁温度视为恒定，采用单管冻结理论和平板冻结理论，分别研究冻结壁交圈前和交圈后的冻结锋面解析解，根据冻土冻胀率公式，采用随机介质理论，考虑冻结壁的形成过程，建立了隧道冻结期地层二维冻胀改进预测模型。
　　(2)基于改进的隧道冻结期地层二维冻胀历时预测模型，考虑到隧道实际施工中冻结管群的倾斜放射状布置特征，冻结壁交圈前温度场采用单管冻结理论计算，冻结壁交圈后温度场采用平板冻结理论计算，根据冻土冻胀率公式，采用随机介质理论，考虑冻结壁的形成过程，建立了隧道冻结期地层三维冻胀变形历时预测模型。
　　(3)以北京某地铁隧道区间冻结施工为案例，将所提出的隧道冻结期地层三维冻胀预测模型应用该实际冻结工程中，采用Maple数学软件编制预测模型的计算程序，对地表三维冻胀变形分布规律进行了计算分析，并与冻胀现场实测结果相比较，验证了该三维冻胀预测模型的适用性和可靠性。
　　本文在对现有二维冻胀预测模型加以改进的基础上，将冻胀预测模型从二维拓展至三维，提出了隧道冻结期地层三维冻胀历时预测模型，研究成果可为地铁隧道人工冻结法的设计和施工提供理论依据，具有重要的工程实用价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 隧道冻结法施工概述

1．1．1 人工地层冻结法

1．1．2 冻结法在隧道工程中的应用

1．2 问题的提出

1．3 国内外研究现状

1．3．1 理论分析

1．3．2 数值模拟

1．3．3 模型试验

1．3．4 现场实测

1．4 研究目的和意义

1．5 研究内容和技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

2 隧道冻结施工期地层冻胀的随机介质改进预测模型

2．1 单管冻结引起地表冻胀的计算模型

2．2 多管冻结引起地表冻胀的计算模型

2．2．1 冻结壁交圈前地表冻胀的计算模型

2．2．2 冻结壁交圈后地表冻胀的计算模型

2．3 冻结外锋面半径的确定方法

2．3．1 考虑土体冻结温度的平板冻结理论

2．3．2 考虑土体冻结温度的单管冻结理论(管壁恒温)

2．4 冻胀区域外半径的确定方法

2．5 案例计算

2．6 小结

3 三维随机介质理论及其在隧道工程中的应用

3．1 三维随机介质理论概述

3．1．1 三维随机介质理论模型

3．2 隧道开挖施工期地表变形的随机介质预测模型

3．3 隧道冻结施工期地层冻胀的随机介质预测模型

3．4 小结

4隧道冻结期地层三维冻胀变形的历时预测模型

4．1 单管冻结致地表上升的计算模型

4．2 多管冻结引起地表上升的计算模型

4．2．1 冻结壁交圈前地表上升的计算模型

4．2．2 冻结壁交圈后地表冻胀的计算模型

4．3 冻结外锋面半径确定方法

4．4 冻胀区域外半径的确定方法

4．5 验证三维冻胀预测模型

4．6 计算案例

4．7 小结

5 地层三维冻胀变形历时预测模型的工程应用

5．1 工程概况

5．2 计算模型的简化处理

5．3 地层三维冻胀变形的预测分析

5．4 小结

结论与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果