基于地铁隧道安全的人工冻融软黏土区地面沉降分级控制研究

The construction of underground subway transit in the coastal area is greatly influenced by soft clay and groundwater. The application of artificial ground freezing method is very important and utilized extensively. However, the frost heave and thaw settlement of soil both affect the subway tunnel and surrounding geo-environment. This study uses centrifugal model tests to analyze the stress and deformation characteristics of the subway tunnel under different artificial freezing mode. Combined with FEM analysis, the safety control classification of subway tunnel can be determined. Meanwhile, by comparing the centrifugal model test data and FEM modelling results, the quantitative relationship of tunnel deformation and ground subsidence is revealed. Based on the safety control classification of subway tunnel, the forewarning mechanism and control standard of ground subsidence in the freeze-thaw soft clay area is established. The outcomes can not only provide theoretical fundamentals and scientific basis for the ground subsidence control in artificial ground freezing area, but also establish reliable guarantee for the safety of urban underground subway transit. Therefore, this study will have great impact on both theoretical development and practical engineering.

沿海港口诸多城市地下轨道交通的建设受软黏土和地下水的影响较大，人工地层冻结法在地铁隧道联络通道及越江隧道等建设中应用非常重要，但土体的冻胀融沉，对地铁隧道及周围环境的影响显著。由于缺乏系统的理论分析及有效的定量预测，软黏土人工冻融作用下地铁隧道变形和地面沉降之间的内在联系并不明确。本研究采用离心机模型试验，分析软黏土人工冻融作用下地铁隧道结构的受力与变形特征，结合数值模拟，明确地铁隧道的安全控制等级及各级冻融性态指标的限值； 同时通过对比离心机模型和有限单元模拟结果揭示地铁隧道变形与地面沉降相互关系；最终以地铁隧道安全控制等级为出发点，实现基于软黏土冻融性态指标的地面沉降分级控制。研究成果可为人工冻融软黏土区地铁隧道的安全和地面沉降的控制提供理论基础和科学依据，更为城市地下轨道交通建设的安全性提供可靠保障。因而本项目具有重要的理论和实际应用价值。

沿海港口诸多城市地下轨道交通的建设受软黏土和地下水的影响较大，人工地层冻结法在地铁隧道联络通道及越江隧道等建设中应用非常重要，但土体的冻胀融沉，对地铁隧道及周围环境的影响显著。由于缺乏系统的理论分析及有效的定量预测，软黏土人工冻融作用下地铁隧道变形和地面沉降之间的内在联系并不明确。本研究采用室内模拟试验及大型模型试验，分析软黏土人工冻融作用下地铁隧道结构的受力与变形特征，结合数值模拟，明确地铁隧道的安全控制等级及各级冻融性态指标的限值；同时通过对比模型试验和有限单元模拟结果揭示地铁隧道变形与地面沉降相互关系；最终以地铁隧道安全控制等级为出发点，实现基于软黏土冻融性态指标的地面沉降分级控制。课题通过为期三年的研究，产生了一批原创性科学成果。结合室内模型试验，借助COMSOL多场耦合数值模拟软件自编译控制方程及模型参数的优势下，在Miller刚性冰模型的基础上，基于局部热平衡和力平衡的观点，结合分凝水分迁移理念，建立了有水分迁移的饱和黏性土的三维分凝冻胀和融沉模型，进而计算各工况下冻融性态指标及隧道沉降、地面沉降指标的特征规律。建立了一种以冻融软黏土冻胀力、冻胀量及融沉量为标准的地铁隧道安全及地面沉降分级标准及预警机制；揭示了人工地层冻结法过程及后续地铁运营过程中地铁隧道及地面沉降的相关性；实现了基于软黏土冻融性态指标的隧道沉降及地面沉降分级控制及预警标准，从而修缮了地面沉降防治规范。研究成果为人工冻融软黏土区地铁隧道的安全和地面沉降的控制提供理论基础和科学依据，更为城市地下轨道交通建设的安全性提供可靠保障。研究成果包括出版专著1部；修缮规范1项（ DG/TJ 08-2051 J 11381），申请发明专利4项，授权3项；受本项目资助的成果发表SCI期刊源论文6篇和EI3篇。