人工地层冻结法已在地铁隧道工程中得到广泛的应用,但地铁隧道多处于城市繁华地段,人工冻结引起的地层冻胀变形会对地铁隧道周边环境造成不良影响,且在地铁隧道冻结法施工中,冻结管一般设计为倾斜放射状,并不是严格意义上的水平冻结,因此,研究地层的三维冻胀变形才能切实反映工程实际情况。为此,本文以上海地铁某区间联络通道冻结法施工为工程背景,采用理论分析和数值模拟相结合的研究手段,在分析地层三维冻结温度场基础上,对该联络通道冻结期地层三维冻胀变形分布规律进行研究,其主要研究内容及成果如下:(1)根据地铁隧道联络通道冻结管群的倾斜放射状布置形式,采用ABAQUS有限元软件,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件以及土体的相变潜热过程,建立三维有限元数值计算模型,对该联络通道积极冻结期地层的三维冻结温度场分布规律进行系统分析,结果表明,该联络通道积极冻结后,A-A剖面作为联络通道冻结薄弱面,其侧面冻结壁厚度达到2.1m,顶部达到3.4m,底部为3.1m,均已达到冻结壁厚度设计要求,证明冻结管群布置较为合理,并与现场实际测温点的温降曲线对比,验证了冻结温度场有限元数值分析的可靠性。(2)考虑冻土的正交各向异性变形特征,导出了土体温度达到冻结温度后而产生的瞬时冻胀应变分量(三维热应变分量),依托于有限元软件ABAQUS的二次开发平台,实现了冻土三维冻胀变形用户子程序的编制,进而采用温度-位移顺序耦合方法,对该联络通道积极冻结期地层的三维冻胀变形分布规律进行研究,结果表明,对于任意时刻地表的最大垂直冻胀位移均发生在联络通道中部正上方,并且随着距离联络通道越远,地表垂直冻胀位移也在逐步减小,在积极冻结期42day完成后,在D-D剖面地表最大垂直冻胀位移达到12.9mm,而在A-A剖面、B-B剖面和C-C剖面的地表最大垂直冻胀位移分别达到12.2mm、11.1mm和12.2mm。(3)将冻胀变形考虑为各向同性时,并且在不同冷源条件下,预测结果往往比实际结果高或者低,并且对于冻胀敏感性较强的土体,这种预测差异将更为显著。因此考虑正交各向异性变形特征是十分必要的。本文研究成果对地铁联络通道地层三维冻结施工数值模拟研究具有一定的参考价值和意义,并为实际施工提供参考依据。图46 表10 参69