地铁隧道液氮冻结工程冻胀融沉效应的水热力耦合研究

In the period of subway tunnel freezing construction with liquid nitrogen, frost heave and thawing settlement can produce serious influence on the surrounding environment. Aiming at the difference between artificial ground freezing and natural ground freezing, in this project, mathematical model coupled heat-moisture-stress of frozen soil with single cold source and multi-cold source will be studied, and numerical simulation method of subway tunnel freezing construction with liquid nitrogen will be presented based on secondary development technology of ABAQUS finite element software, A large raw material model test system will be simultaneously established, which can simulated tunnel freezing construction process with liquid nitrogen. Combining with the actual engineering, distribution of temperature, water and displacement field will be analyzed with the method of numerical simulation and model test in subway tunnel freezing construction with liquid nitrogen, and the heat-moisture-stress coupling mechanism in the process of freezing and thawing will be showed, at the same time, frost heave and thawing settlement effect will be made in-depth research. On this basis, forecast model of frost heave and thawing settlement will be presented using stochastic medium theory, and then, reasonable measures to suppress frost heave and thawing settlement will eventually be raised. In the future urban underground engineer construction, liquid nitrogen freezing technology will be more widely used, research results of this project not only can provide effective reference for such engineer construction, but also have larger realistic engineering significance and good prospect of application.

城市地铁隧道人工液氮冻结施工期地层的冻胀融沉现象会对工程周边环境产生.直接影响。本项目针对人工地层冻结与天然地层冻结的不同性质，研究单冷源、多冷源冻结.土体的温度场、水分场和应力场耦合数学模型，基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术，确立地铁隧道液氮冻结施工全过程的水热力耦合数值模拟方法，并建立一套可模拟隧道液氮冻结施工过程的大型室内原材料模型试验系统，结合实际工程原型，采用数值模拟和模型试验的方法，研究隧道液氮冻结施工期地层温度场、水分场和位移场分布规律，阐明地层液氮冻融过程中水热力耦合作用机制，重点分析地层的冻胀融沉效应，在此基础上，采用随机介质理论，分别建立冻胀和融沉的预报模型，提出抑制冻胀融沉的合理对策。在今后城市地下工程建设中，地层液氮冻结技术的应用将会越来越广泛，本项目研究成果将为此类工程建设提供有效参考依据，具有较大的现实工程意义，并将有着广阔的推广应用前景。

地铁隧道冻结法施工中，地层的冻胀融沉现象会对工程周边环境产生不良影响。应采用合理方法对可能引起的地层冻胀融沉效应进行预测，以便采取适宜的冻结方案和相应的冻胀融沉预防措施，将冻结法应用的成本和风险降到最低。.为此，本项目采用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的方法，针对地铁隧道液氮冻结工程地层冻胀融沉效应展开研究，主要研究内容及成果如下：.（1）针对地铁隧道冻结法施工的特点，建立了冻融瞬态温度场的数学模型，并定义冻土的冻胀率和融沉率为瞬时体应变，考虑冻土的正交各向异性变形特征，建立了地层冻胀融沉的水热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术，编制土体冻融变形的用户子程序，建立了地铁隧道冻结工程地层冻胀融沉的数值模拟方法。.（2）提出在地铁隧道冻结期，冻结壁交圈前的温度场由单管冻结理论近似求解，冻结壁交圈后的温度场则由平板冻结理论近似求解。基于单管冻结理论、平板冻结理论和土体冻胀率计算公式，考虑冻结壁的形成过程，采用随机介质理论，建立了地铁隧道冻结期地层冻胀的历时预测模型。.（3）提出冻结壁自然解冻条件下的温度场由平板解冻理论近似求解，冻结壁强制解冻条件下的温度场则由单管解冻理论近似求解。基于平板解冻理论、单管解冻理论和一维情况下已融土层的稳定融沉量计算公式，分别考虑冻结壁的自然和强制解冻过程，采用随机介质理论，建立了地铁隧道解冻期地层融沉的历时预测模型。.（4）通过液氮冻结管材质及结构形式的对比分析研究，研制了一种局部冻结新型塑料液氮冻结管。建立了一套完整的塑料单管液氮冻结模型试验系统，进行了塑料单管液氮冻结温度场的模型试验研究，并结合数值模拟和理论分析结果，揭示了地层液氮冻结过程中温度场不均匀分布的成因及其规律。.在今后地铁隧道工程建设中，地层液氮冻结技术的应用将会越来越广泛，本项目研究成果可为类似工程提供有效参考依据。