摘要：凍結(jié)法暗挖隧道施工中，凍脹常導(dǎo)致土體和隧道等發(fā)生大變形，給地鐵隧道和周邊環(huán)境以及建（構(gòu)）筑物帶來(lái)不利影響。以福州市濱海軟土地層凍結(jié)暗挖隧道工程為例，通過對(duì)原型工程建模和非線性分析，綜合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及工程情況，分析凍脹變形分布規(guī)律和設(shè)置卸壓孔前后凍結(jié)暗挖隧道的位移變化特點(diǎn)。研究結(jié)果表明：人工凍結(jié)加固技術(shù)結(jié)合卸壓孔應(yīng)用，對(duì)土體凍脹力的釋放和凍脹變形的控制效果較好，與沒有設(shè)置卸壓孔時(shí)的地層相比，卸壓孔在凍土帷幕凍結(jié)交圈形成后，為土體凍脹提供自由變形空間，降低了土體的凍脹位移和凍脹應(yīng)力；凍結(jié)期末2個(gè)凍結(jié)暗挖隧道中心點(diǎn)縱向剖面處凍脹位移最大值由28.88 mm降至16.75 mm，凍脹應(yīng)力最大值由335 kPa降至265 kPa，卸壓作用效果明顯。研究結(jié)果可為人工凍結(jié)暗挖隧道工程提供借鑒和參考。

關(guān) 鍵 詞：凍結(jié)法； 凍脹變形； 卸壓孔； 位移場(chǎng)； 暗挖隧道

中圖法分類號(hào)： U455；U231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.019

0 引 言

凍結(jié)暗挖隧道工程的順利施工對(duì)保障上層建筑和地鐵運(yùn)行的安全性有著重要意義［1-2］。但是采用人工凍結(jié)法進(jìn)行隧道暗挖施工時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，使與凍土接觸的建筑物、構(gòu)筑物發(fā)生不同部位的變形、變位，影響建筑物的正常使用，因此對(duì)地層凍脹變形進(jìn)行控制尤為重要［3］。

人工凍結(jié)施工過程中，當(dāng)?shù)貙訙囟冉抵?℃以下，土中水會(huì)凍結(jié)形成凍土，某些細(xì)黏粒土在凍結(jié)時(shí)，體積發(fā)生膨脹，產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象［4］。也就是說(shuō)，土體的凍結(jié)會(huì)使土壤內(nèi)部的水分發(fā)生遷移的速度加快，在凍結(jié)過程中水分的遷移是造成凍脹現(xiàn)象的主要因素。隨著水分的不斷遷移和冰凍，逐步形成首尾相交的凍結(jié)圈，并在凍結(jié)圈內(nèi)外形成壓力差，進(jìn)而形成凍脹現(xiàn)象［5-7］。凍脹問題會(huì)對(duì)工程整體施工造成很大影響［8-10］，凍脹現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致地表路面隆起或者塌陷、建筑物開裂失穩(wěn)或不均勻沉降、管纜斷裂等，因此解決凍脹問題是人工凍結(jié)技術(shù)的關(guān)鍵?，F(xiàn)場(chǎng)施工過程中，通過設(shè)置卸壓孔、調(diào)整卸壓強(qiáng)度、實(shí)時(shí)對(duì)土體的凍脹變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效減少凍脹壓力和位移，弱化凍脹對(duì)施工的影響，保障科學(xué)合理施工和工程穩(wěn)定安全［11］。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍土凍脹問題研究較多。雷華陽(yáng)等［12］利用自制的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了3因素作用下砂土水平凍脹力和凍脹量的變化規(guī)律；韓建澤［13］研究了人工凍結(jié)相關(guān)軟土凍脹特性；譚麗華［14］結(jié)合上海某工程案例，研究了水泥對(duì)土體改良，以及水泥改良土體對(duì)控制凍脹融沉的作用；Zhou等［15］研究了溫度凍脹速率在溫度穩(wěn)定時(shí)與溫度梯度的關(guān)系；Rouabhi等［16］研究了不同濃度對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)和位移的影響。

綜上所述，諸多學(xué)者通過有限元模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法對(duì)凍土凍脹展開了研究，并得出影響地表凍脹變形的相應(yīng)規(guī)律［17-19］。然而目前的研究主要是針對(duì)水泥改良土等方面，并未系統(tǒng)分析卸壓孔設(shè)置對(duì)凍土凍脹卸壓作用的影響［20-21］，對(duì)于設(shè)置卸壓孔對(duì)凍土凍脹和位移影響的具體研究相對(duì)缺乏。本文通過對(duì)凍結(jié)暗挖隧道凍結(jié)位移場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)，分析凍脹變形及其分布規(guī)律，研究設(shè)置卸壓孔后對(duì)凍脹變形的影響，以期為今后凍結(jié)暗挖隧道凍結(jié)施工提供理論和技術(shù)參考。

1 凍脹與卸壓數(shù)值模擬分析

1.1 工程概況與地層特征

研究對(duì)象為福州市濱海軟土下穿地鐵暗挖隧道，其車站為地下3層14 m寬島式車站，是地下3層雙柱三跨結(jié)構(gòu)，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm地墻，主體基坑深度約24.00 m，車站深基坑長(zhǎng)度23.40 m。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，凍結(jié)暗挖隧道所處地層由上而下分別為雜填土、淤泥、淤泥質(zhì)亞黏土、亞黏土夾粉砂與粉細(xì)砂土層等。

凍結(jié)暗挖影響范圍內(nèi)地下水包括第四系松散層孔隙水、孔隙-裂隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存在人工填土層中，其補(bǔ)給主要靠大氣降水。地下水位變化主要受降雨控制，受季節(jié)影響明顯。每年4～9月份為雨季，大氣降水豐沛，是地下水的補(bǔ)給期，其水位會(huì)明顯上升，而10月至次年3月為地下水的消耗期，地下水位隨之下降，水位年變化幅度為2.00～5.00 m。場(chǎng)地松散層上層滯水初見水位埋深為1.12～1.57 m，標(biāo)高為6.23～6.61 m；孔隙-裂隙水（潛水或承壓水）穩(wěn)定水位埋深12.80～13.50 mm，標(biāo)高為-5.03～-5.89 m。

1.2 凍結(jié)與卸壓布設(shè)

凍結(jié)設(shè)計(jì)中本區(qū)段左、右線暗挖通道分別布置凍結(jié)孔123個(gè)，測(cè)溫孔13個(gè)，卸壓孔16個(gè)，取土孔6個(gè)，其中左線凍結(jié)壁立面圖如圖1所示。

左右段布置基本一致，凍結(jié)孔、卸壓孔左線暗挖隧道A基坑布置如圖2所示，其中：B1～B27為凍結(jié)孔，C11～C13為測(cè)溫孔，Y1～Y8為卸壓孔，P1～P3為取土孔。卸壓孔直徑0.25 m，單孔深度11.50 m，距凍結(jié)孔中心1.30 m，卸壓孔進(jìn)行水平向設(shè)置，以降低凍脹力。

1.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況以及凍結(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，現(xiàn)場(chǎng)所采用的凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)具體如表1所列。

凍脹及凍脹變形與土層凍脹特性及約束條件關(guān)系密切，凍結(jié)暗挖隧道周邊土的性質(zhì)（壓縮模量、種類、礦物顆粒類型等）對(duì)人工凍土影響較大；同時(shí)周圍建（構(gòu)）筑物對(duì)土體的約束也會(huì)對(duì)土層凍脹力和凍脹變形產(chǎn)生重要作用。所以各地層的分布情況對(duì)凍結(jié)位移、應(yīng)力場(chǎng)的變化有很大影響。一般來(lái)說(shuō)，隨著埋深的增加，圍壓升高，凍脹變形減小，凍脹力上升。

根據(jù)工程地質(zhì)勘測(cè)情況，人工凍結(jié)法影響范圍主要涉及土層為淤泥質(zhì)亞黏土、亞黏土夾粉砂與粉細(xì)砂土層，其有限元分析的土體物理力學(xué)參數(shù)如表2所列。

1.4 模型基本假定

下穿既有車站的地鐵暗挖隧道工程位于福州市濱海軟土區(qū)，采用人工凍結(jié)加固技術(shù)，實(shí)際工程中暗挖隧道施工工況和水文地質(zhì)條件復(fù)雜。為將復(fù)雜抽象的問題簡(jiǎn)單化，結(jié)合工程實(shí)際工況背景和地層特性，通過ABAQUS有限元模擬軟件建立數(shù)值分析模型，并對(duì)濱海軟土區(qū)環(huán)境下穿既有車站的地鐵暗挖隧道工程凍脹卸壓作用下變形特性進(jìn)行分析?，F(xiàn)對(duì)模型作出以下基本假定：

（1） 忽略熱脹冷縮效應(yīng)對(duì)凍結(jié)管以及既有地鐵車站的影響。

（2） 不考慮周遭施工和地下水對(duì)凍結(jié)的影響，假定模型外邊界為絕熱邊界。

（3） 不考慮相變溫度在凍脹過程以及荷載條件下的變化。

（4） 將凍結(jié)管與土體視為一個(gè)整體，忽略凍結(jié)管與土體間的摩擦，不考慮凍結(jié)管的變形與破壞。

（5） 工程所設(shè)計(jì)的土層均為各向同性彈塑性體，初始溫度場(chǎng)與水分場(chǎng)分布均勻。

1.5 初始狀態(tài)和邊界條件

假定土體在凍結(jié)前擁有均勻的初始溫度，根據(jù)工程勘測(cè)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將土體的初始溫度設(shè)為20℃。根據(jù)工程實(shí)際凍結(jié)情況，將數(shù)值模型中的積極凍結(jié)期時(shí)間設(shè)置為60 d，模擬過程假設(shè)左右兩線同時(shí)開始凍結(jié)施工。根據(jù)實(shí)際工程中冷凍鹽水降溫計(jì)劃，將凍結(jié)前60 d的鹽水溫度荷載施加于凍結(jié)管外側(cè)表面，冷凍鹽水降溫幅值曲線如圖3所示。

凍結(jié)暗挖隧道的三維有限元模型圖4所示，將有限元模型X軸方向（地鐵車站延伸方向）取至兩側(cè)凍結(jié)暗挖隧道凍結(jié)管布置圈外25 m（共80 m）；Y軸方向以上部既有地鐵車站頂板為頂，下至凍結(jié)暗挖隧道凍結(jié)壁下27 m（共50 m）；Z軸以凍結(jié)暗挖隧道中點(diǎn)處橫截面為起點(diǎn)，向外側(cè)延伸至A、B基坑外側(cè)坑壁（共45 m）。

對(duì)土體有限元模型4個(gè)側(cè)面（X=0 m，X=80 m，Z=0 m，Z=45 m）法向位移的邊界條件進(jìn)行約束。將有限元模型底面（Y=0）各項(xiàng)位移進(jìn)行約束，同時(shí)將有限元模型頂面（Y=50 m）以及上部既有的地鐵車站壁面設(shè)置為對(duì)流換熱邊界，其余面均設(shè)置為20℃恒溫絕熱邊界。三維模型頂面和上部既有的地鐵車站與空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)分別為8.5 W/（m2·℃）和4.3 W/（m2·℃）。

1.6 模型建立和網(wǎng)格劃分

采用修正摩爾-庫(kù)倫模型，數(shù)值模擬過程中假定地層為各向同性彈塑性體。采用實(shí)體單元對(duì)土體、上部地鐵車站與A、B兩個(gè)基坑、卸壓孔進(jìn)行模擬。采用thin-walled薄壁型環(huán)形剖面的梁?jiǎn)卧獙?duì)凍結(jié)管進(jìn)行模擬，凍結(jié)管布置的位置、尺寸、角度根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸確定。

模型網(wǎng)格劃分如圖5所示，網(wǎng)格劃分共計(jì)84 137個(gè)單元。在溫度場(chǎng)計(jì)算中，土體、既有地鐵車站與A、B 2個(gè)基坑采用DC3D8單元，凍結(jié)管采用DC1D2單元；土體和隧道單元選取C3D8R縮減積分單元。為了提高網(wǎng)格精度與模型質(zhì)量，加密凍結(jié)暗挖隧道預(yù)設(shè)凍結(jié)范圍地層的網(wǎng)格。

2 凍脹卸壓位移場(chǎng)特性分析

2.1 積極凍結(jié)期位移場(chǎng)分析

凍結(jié)暗挖隧道設(shè)計(jì)采用水平凍結(jié)方式，積極凍結(jié)期為60 d，在凍結(jié)開始時(shí)，暗挖隧道地層中由于凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹力簡(jiǎn)化為水平方向與豎直方向。水平方向凍脹力對(duì)暗挖隧道周圍建筑基本沒有影響，豎直方向凍脹力和凍脹位移會(huì)對(duì)凍結(jié)暗挖隧道周圍土體和上部既有地鐵車站產(chǎn)生影響。

首先對(duì)土體初始溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算和平衡。將已求解的溫度場(chǎng)作為溫度荷載施加在位移場(chǎng)模型中，并設(shè)定凍結(jié)土的負(fù)溫線膨脹系數(shù)；通過溫度場(chǎng)和位移場(chǎng)的直接耦合，建立凍結(jié)暗挖隧道在積極凍結(jié)期的三維位移場(chǎng)數(shù)值模型，從而分析卸壓孔設(shè)置前后位移場(chǎng)特性。具體凍結(jié)土線膨脹系數(shù)如表3所列。

在數(shù)值模擬人工凍結(jié)60 d后，設(shè)置泄壓孔前后地層凍脹位移場(chǎng)分布云圖見圖6。

為了更直觀地了解凍結(jié)位移場(chǎng)凍脹位移的分布發(fā)展與特征，取三維位移場(chǎng)數(shù)值模型X軸縱向中心軸剖面（YZ面）進(jìn)行分析。這個(gè)面是2個(gè)凍結(jié)暗挖隧道的中心點(diǎn)處剖面，也是發(fā)生凍脹位移時(shí)產(chǎn)生位移最大值的面，能夠很好地展現(xiàn)凍結(jié)過程中未設(shè)置卸壓孔時(shí)和設(shè)置卸壓孔時(shí)位移場(chǎng)的變化情況。圖7、圖8分別為設(shè)置卸壓孔前后的各積極凍結(jié)期位移場(chǎng)分布云圖。

由圖7和圖8可知，不管是否存在卸壓孔的卸壓作用，凍脹位移在豎向剖面的分布特征和趨勢(shì)基本一致。

在凍結(jié)15 d時(shí)，凍結(jié)暗挖隧道中上部有形成集中凍脹位移區(qū)域的趨勢(shì)，凍脹集中區(qū)域可以分為左右2個(gè)凍脹分區(qū)，該區(qū)域凍脹位移主要集中在偏右一側(cè)。這是因?yàn)樵诳拷鼉鼋Y(jié)隧道右側(cè)的位置（基坑B位置）布置的雙排凍結(jié)管較短，而且布置在左側(cè)的單排凍結(jié)管產(chǎn)生的凍脹效應(yīng)比雙排布置凍結(jié)管產(chǎn)生的凍脹效應(yīng)要小。所以導(dǎo)致產(chǎn)生的凍脹位移分布不完全對(duì)稱，使得靠近凍結(jié)隧道右側(cè)（B基坑）區(qū)域的凍脹位移比左側(cè)的稍大。相較于沒有設(shè)置卸壓孔時(shí)，設(shè)置卸壓孔后地層凍脹隆起的范圍從9.51～14.27 mm降為8.29～11.06 mm，隧道洞身處（地表埋深18.7 m處）產(chǎn)生的凍脹位移最大值從14.27 mm降為11.06 mm。

在凍結(jié)30 d時(shí)，凍結(jié)暗挖隧道上部的凍脹集中區(qū)域持續(xù)垂直向上發(fā)展，凍脹位移也在保持增大的趨勢(shì)，外圍輪廓線也變得慢慢均勻起來(lái)，兩個(gè)獨(dú)立的凍脹分區(qū)也在不斷演化，不斷擴(kuò)大，部分區(qū)域開始相交。這個(gè)時(shí)期位移場(chǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)出更為對(duì)稱的趨勢(shì)，凍結(jié)管布置、大小不同產(chǎn)生的位移分布不均勻的現(xiàn)象也在逐漸消失。最后在頂端也就是緊鄰上部既有地鐵車站地板的土層形成一個(gè)橢圓形的凍脹隆起區(qū)域。設(shè)置卸壓孔前后凍脹隆起范圍從15.71～20.95 mm降為9.76～13.02 mm；在暗挖隧道中上部形成了凍脹位移最大值，最大值從20.95 mm降為13.02 mm。

在凍結(jié)45 d時(shí)，凍脹位移緩慢增加，橢圓形的隆起范圍內(nèi)各凍脹區(qū)域在逐漸交接聯(lián)合，設(shè)置卸壓前后地層產(chǎn)生的凍脹隆起范圍由18.26～24.35 mm變?yōu)?0.88～14.50 mm。在凍脹集中區(qū)域，凍脹位移最大值位于凍結(jié)隧道的中上部，凍脹位移最大值從24.35 mm變?yōu)?4.50 mm。位移場(chǎng)從兩個(gè)獨(dú)立的凍脹分區(qū)獨(dú)立發(fā)展，慢慢轉(zhuǎn)變成了從橢圓形凍脹中心向外不斷擴(kuò)展，整個(gè)地層的凍結(jié)位移場(chǎng)分布基本對(duì)稱，位移場(chǎng)發(fā)展基本平穩(wěn)，隆起區(qū)域發(fā)展也基本穩(wěn)定。

在凍結(jié)60 d時(shí)，橢圓形凍脹集中的區(qū)域面積進(jìn)一步擴(kuò)展，發(fā)展到A、B基坑坑壁，基本覆蓋了整個(gè)上部地鐵車站的全部底板區(qū)域。整個(gè)地層的凍結(jié)位移場(chǎng)分布完全對(duì)稱。從上部既有的地鐵車站底板向下的凍脹位移表現(xiàn)為先減少后增加最后再減少的分布特征。凍脹集中區(qū)域基本位于整個(gè)凍結(jié)位移場(chǎng)的中上方，設(shè)置卸壓孔前后，凍脹產(chǎn)生的位移最大值從28.82 mm降為16.75 mm。此時(shí)沒有設(shè)置卸壓孔的凍脹位移超過了規(guī)范所限定的位移值，所以通過設(shè)置卸壓孔進(jìn)行取土泄壓來(lái)減少凍脹位移尤為重要。

綜上所述，盡管凍結(jié)暗挖隧道左右兩側(cè)凍結(jié)管布設(shè)不完全對(duì)稱，但隨時(shí)間的推進(jìn)，靠近A、B基坑兩側(cè)的凍結(jié)位移場(chǎng)分布與發(fā)展在凍結(jié)30 d后逐漸開始趨于對(duì)稱，對(duì)凍結(jié)完全后的凍結(jié)位移場(chǎng)的分布基本未造成影響。與沒有設(shè)置卸壓孔時(shí)產(chǎn)生的凍脹位移最大值相比，設(shè)置卸壓孔時(shí)在凍結(jié)15，30，45，60 d產(chǎn)生的凍脹位移最大值分別為沒有設(shè)置卸壓孔時(shí)的77%，82%，59%，58%，凍脹位移變化十分明顯。且在凍結(jié)60 d時(shí)凍脹位移滿足了規(guī)范限制的位移要求，其主要原因有兩方面：一方面是卸壓孔使得土層壓縮時(shí)排出水，間接消耗土體之間的自由水，減少了相變與水分遷移產(chǎn)生的凍脹效應(yīng)；另一方面設(shè)置卸壓孔能夠?yàn)橥馏w凍脹提供自由變形的空間，吸收變形，減小了土體的凍脹變形，從而有效控制凍結(jié)過程中的凍脹效應(yīng)?？梢娫O(shè)置卸壓孔對(duì)減少凍脹位移效果十分明顯。

2.2 路徑位移分析

為了能夠直觀地展現(xiàn)卸壓孔對(duì)凍結(jié)暗挖隧道（地鐵車站下部底板）凍脹位移和變形的影響，選取橫向和豎向相互垂直的2條位移發(fā)展路徑（路徑1、路徑2），對(duì)2條路徑積極凍結(jié)期的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖9所示。

圖10為沒有設(shè)置卸壓孔時(shí)2條路徑積極凍結(jié)期位移折線圖。在凍脹位移發(fā)展路徑1、2中，凍脹位移的分布幾乎以路徑中心為對(duì)稱軸對(duì)稱分布，距離路徑中心越近的位置凍脹位移越大，最大凍脹均出現(xiàn)在路徑中心處。結(jié)合云圖分析，橢圓形凍脹集中區(qū)分布范圍大致位于路徑1的-10～10 m、路徑2的-2.6～2.6 m 范圍內(nèi)。

為了更好地對(duì)比有無(wú)卸壓孔情況下積極凍結(jié)期凍脹位移的大小，對(duì)布置卸壓孔時(shí)路徑1、路徑2積極凍結(jié)期位移進(jìn)行分析，如圖11所示。

由圖11可知，設(shè)置卸壓孔時(shí)凍脹位移減縮現(xiàn)象明顯，位于路徑中心的凍脹位移最大值也在變小，凍脹位移整體分布均勻?qū)ΨQ。卸壓孔能夠造成這樣的作用，主要是因?yàn)樾秹嚎淄ㄟ^取土泄壓降低了周圍土體的壓力，使得水平凍脹力減小，減小了凍脹對(duì)土體造成的位移影響，從而達(dá)到泄壓的效果，使得凍脹位移下降明顯，抑制了凍結(jié)過程中產(chǎn)生的凍脹效應(yīng)，對(duì)解決工程凍脹問題是有益的。

2.3 位移場(chǎng)應(yīng)力分析

在人工凍結(jié)法的施工過程中，凍土的凍脹效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生凍脹位移，與此同時(shí)也產(chǎn)生了極大的凍脹力，使得凍結(jié)帷幕周圍土體產(chǎn)生顯著的附加應(yīng)力，應(yīng)力表現(xiàn)出復(fù)雜的發(fā)展規(guī)律。

為直觀了解凍結(jié)暗挖隧道的凍結(jié)應(yīng)力場(chǎng)分布特征，選取三維數(shù)值模型中X軸中心點(diǎn)縱向剖面（YZ面）進(jìn)行分析，其設(shè)置卸壓孔前后應(yīng)力分布云圖如圖12、圖13所示。由圖12～13可知，有無(wú)設(shè)置卸壓孔情況下凍脹應(yīng)力在豎向剖面分布情況基本一致，應(yīng)力集中區(qū)域位于地鐵車站側(cè)壁與凍脹的中心位置相交處。

在積極凍結(jié)期15 d時(shí)，凍土的凍脹效應(yīng)產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力有著向地鐵車站右下角（側(cè)壁墻角）方向集中的趨勢(shì)。右側(cè)墻角的應(yīng)力比左側(cè)側(cè)壁的墻角凍脹應(yīng)力大，是因?yàn)樵趦鼋Y(jié)15 d后，左側(cè)的位移場(chǎng)發(fā)展比右側(cè)的位移場(chǎng)發(fā)展更慢，導(dǎo)致右側(cè)的凍脹位移也發(fā)展得較快，使得右側(cè)凍脹應(yīng)力更大。設(shè)置卸壓孔前后凍脹應(yīng)力最大值從214 kPa降為189 kPa。

在凍結(jié)30 d時(shí)，凍結(jié)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)力場(chǎng)也在不斷擴(kuò)大范圍。左側(cè)側(cè)壁墻角也開始有應(yīng)力集中趨勢(shì)，這是因?yàn)樵诜e極凍結(jié)初期凍結(jié)管與底層之間有著較為劇烈的冷熱交換，下方區(qū)域的水分迅速凍結(jié)，從而產(chǎn)生較大的凍脹變形，相應(yīng)的凍脹應(yīng)力也較大。設(shè)置卸壓孔前后凍脹應(yīng)力最大值從224 kPa降為199 kPa。

在凍結(jié)45 d時(shí)，凍結(jié)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)一步向外發(fā)展，左右側(cè)壁墻角的凍結(jié)應(yīng)力集中趨勢(shì)更加明顯，整個(gè)凍結(jié)應(yīng)力場(chǎng)的分布較為對(duì)稱，設(shè)置卸壓孔前后凍脹應(yīng)力最大值從257 kPa降為231 kPa。在此階段，凍結(jié)暗挖隧道具有一定支護(hù)作用的凍結(jié)帷幕已經(jīng)形成，所以此時(shí)凍脹應(yīng)力不止由凍脹作用產(chǎn)生，也受到凍結(jié)帷幕的限制作用，因此軸向的凍脹應(yīng)力也會(huì)增加。此時(shí)要注意凍結(jié)管也會(huì)受到一定的拉應(yīng)力，可能會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)管裂縫。

在凍結(jié)60 d時(shí)，整個(gè)凍結(jié)應(yīng)力場(chǎng)以隧道中心線為軸對(duì)稱分布，設(shè)置卸壓孔前后凍脹應(yīng)力最大值從335 kPa降為266 kPa。由于設(shè)置的模型尺寸較小，此時(shí)凍結(jié)應(yīng)力場(chǎng)下部的輪廓線有一定的收縮。這也導(dǎo)致了凍結(jié)下部的土體受到一定的約束，下部土體的凍脹應(yīng)力呈均勻緩慢增大的趨勢(shì)。

綜上所述，在積極凍結(jié)前中期，凍脹中心位置與既有地鐵車站右側(cè)壁相交區(qū)域凍脹應(yīng)力較大，而積極凍結(jié)中后期，凍結(jié)應(yīng)力場(chǎng)已發(fā)展為較為對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。設(shè)置卸壓孔后凍脹應(yīng)力的最大值為266 kPa，比沒有設(shè)置卸壓孔時(shí)最大凍脹應(yīng)力小很多，對(duì)凍脹應(yīng)力減小效果十分明顯，對(duì)整體應(yīng)力場(chǎng)影響也十分明顯。其主要原因是在土層上設(shè)置卸壓孔，取出一定的土，土體形成一個(gè)應(yīng)力釋放空間，局部應(yīng)力得到逐步釋放，從而緩解了周邊的高應(yīng)力狀態(tài)，降低了凍脹應(yīng)力。因此，卸壓孔的設(shè)置有助于人工凍結(jié)法的現(xiàn)場(chǎng)施工。

2.4 路徑應(yīng)力分析

為了能夠更清晰地觀察在凍結(jié)過程中卸壓孔對(duì)土層的卸壓規(guī)律，研究卸壓孔對(duì)于應(yīng)力的卸壓效果，選取路徑3應(yīng)力發(fā)展路徑，提取路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖14所示。

圖15為沒有設(shè)置卸壓孔時(shí)路徑3積極凍結(jié)期的應(yīng)力。由圖15可知，距離路徑中心越遠(yuǎn)，凍脹應(yīng)力越小，且積極凍結(jié)期末產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力最大。凍脹應(yīng)力主要集中在離路徑中心-10～10 m范圍內(nèi)，各積極凍結(jié)期應(yīng)力隨著距離路徑中心越遠(yuǎn)，變化速率越快，整體的凍脹應(yīng)力分布呈現(xiàn)兩端對(duì)稱的特征。

圖16為設(shè)置卸壓孔時(shí)路徑3積極凍結(jié)期的應(yīng)力?？芍?，設(shè)置卸壓孔后各個(gè)積極凍結(jié)期時(shí)的凍脹應(yīng)力都顯著降低，路徑中心的最大值變化更為明顯，從335 kPa降低到265 kPa。應(yīng)力分布整體上兩端對(duì)稱，卸壓效果十分明顯。這是由于設(shè)置卸壓孔后，周邊凍土體積膨脹不受約束，緩解了凍脹應(yīng)力過大產(chǎn)生的凍脹變形和位移，對(duì)工程順利施工有良好效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)成果對(duì)比

為了驗(yàn)證三維數(shù)值模型中卸壓孔卸壓對(duì)凍結(jié)位移場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性，先對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行對(duì)比，只有溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，才能精確體現(xiàn)位移場(chǎng)的模擬結(jié)果。選取C1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，C1位于凍結(jié)暗挖隧道上部?jī)鼋Y(jié)管外側(cè)區(qū)域，距離凍結(jié)管673 mm。將監(jiān)測(cè)點(diǎn)提取到的溫度數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖17所示。

由圖17可知，C1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線發(fā)展規(guī)律基本保持一致，溫度降低趨勢(shì)與實(shí)際工程規(guī)律基本擬合，數(shù)值模擬精確度較高。2條模擬值曲線均能較好地體現(xiàn)積極凍結(jié)期初期地層溫度快速下降階段、冰水相變階段與積極凍結(jié)期中后期地層溫度繼續(xù)下降階段。兩個(gè)地層中的模擬值與實(shí)測(cè)值均趨于一致，且擬合度較高，說(shuō)明有限元模型較好地還原了凍結(jié)暗挖隧道溫度發(fā)展的趨勢(shì)。

測(cè)溫點(diǎn)模擬值與實(shí)測(cè)值產(chǎn)生誤差的主要原因有2點(diǎn)：① 數(shù)值模擬時(shí)假定地層溫度分布均勻。但在實(shí)際工程中，地層溫度受埋深影響，基坑開挖支護(hù)等工程也會(huì)對(duì)地層溫度造成影響，這就造成了初始地層溫度的差異。② 數(shù)值模擬采用的鹽水降溫幅值曲線與實(shí)際工程中的鹽水去路溫度略有差異，導(dǎo)致了模擬時(shí)降溫幅度與實(shí)際工程不完全一致。雖然模擬溫度場(chǎng)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在具體數(shù)值上略微有所差異，但是誤差在工程合理范圍內(nèi)，可以認(rèn)為數(shù)值模擬所得的溫度場(chǎng)在一定程度上能體現(xiàn)凍結(jié)暗挖隧道實(shí)際工程中溫度場(chǎng)的發(fā)展分布規(guī)律。

上部既有車站監(jiān)測(cè)點(diǎn)X10和X15的位置如圖18所示。提取2組監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置卸壓孔前后的位移數(shù)據(jù)，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖19所示。

由圖19可知，這2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所獲得的土體凍脹位移曲線擬合程度較好，增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致。模型對(duì)有設(shè)置卸壓孔時(shí)土層位移場(chǎng)的發(fā)展模擬的精確性較高，但數(shù)值模擬的曲線低于實(shí)測(cè)值曲線，數(shù)值上有一定差距。設(shè)置卸壓孔情況的凍脹位移明顯小于無(wú)卸壓孔工況下的凍脹位移。

由圖19（a）可知，在積極凍結(jié)期40 d時(shí)，設(shè)置卸壓孔時(shí)的模擬值與實(shí)測(cè)值差值基本穩(wěn)定在1 mm內(nèi)，貼合度較高。在凍結(jié)期40 d后，實(shí)測(cè)值產(chǎn)生一定的變化，最大差值為1.26 mm，在積極凍結(jié)期末兩者又逐漸貼合。對(duì)于有無(wú)設(shè)置卸壓孔時(shí)的模擬數(shù)據(jù)，隨著凍結(jié)期的不斷推進(jìn)，兩者差值也在變大，最大差值為4.53 mm，此時(shí)有設(shè)置卸壓孔的模擬值為9.42 mm，沒有設(shè)置卸壓孔的模擬值為13.95 mm。且有設(shè)置卸壓孔的模擬值比沒有設(shè)置卸壓孔的模擬值變化趨勢(shì)較慢，產(chǎn)生的凍脹位移更小。

由圖19（b）可知，在凍結(jié)期15 d前，設(shè)置卸壓孔的模擬值與實(shí)測(cè)值曲線基本貼合，在15 d后，實(shí)測(cè)值發(fā)生變化，與設(shè)置卸壓孔模擬值數(shù)值有一定差值，最大差值為1.87 mm。有設(shè)置卸壓孔的模擬值與沒有設(shè)置卸壓孔的模擬值相比，有設(shè)置卸壓孔的模擬值發(fā)展平緩，且數(shù)值比沒有置卸壓孔時(shí)的低，最大差值為9.57 mm，此時(shí)有卸壓孔的模擬值為14.80 mm，沒有設(shè)置卸壓孔的模擬值為24.37 mm，實(shí)測(cè)值為14.20 mm可見卸壓孔的設(shè)置對(duì)凍脹位移的減小有明顯效果。

綜上所述，有卸壓孔時(shí)模擬值與實(shí)測(cè)值產(chǎn)生誤差，且在15 d后誤差開始略微增大，主要原因是：① 上部既有地鐵車站在凍結(jié)工程施工時(shí)未停工，地鐵運(yùn)行等將使模擬與實(shí)測(cè)產(chǎn)生差值；② 順序耦合未能完全模擬凍結(jié)暗挖隧道溫度場(chǎng)，導(dǎo)致以溫度場(chǎng)為溫度荷載的位移場(chǎng)產(chǎn)生誤差。雖然位移場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果略小于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但凍脹位移變化規(guī)律基本相同，位移值增長(zhǎng)趨勢(shì)也符合工程規(guī)律，差值在工程所規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，不影響對(duì)工程施工的指導(dǎo)。

上述模擬和實(shí)測(cè)的結(jié)果證明了設(shè)置卸壓孔進(jìn)行卸荷作用后土的凍脹力和凍脹變形得以明顯改善，研究成果有助于今后凍結(jié)暗挖工程的分析和應(yīng)用。

4 結(jié) 論

本文分析了設(shè)置卸壓孔對(duì)凍土凍脹變形和凍脹應(yīng)力的影響特性，主要得到以下結(jié)論：

（1） 在積極凍結(jié)期前中期，設(shè)置卸壓孔時(shí)暗挖隧道的地層位移場(chǎng)呈現(xiàn)右大左小的分布形式；在積極凍結(jié)期末期，凍結(jié)位移場(chǎng)發(fā)展趨于對(duì)稱，最大凍脹位移出現(xiàn)在橢圓形凍脹集中區(qū)域內(nèi)。

（2） 通過數(shù)值計(jì)算方法得到的人工凍結(jié)法中設(shè)置卸壓孔后位移場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)規(guī)律較為一致。模擬得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)處設(shè)置卸壓孔時(shí)積極凍結(jié)期最大位移為14.80 mm，與實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的14.20 mm較為接近。

（3） 同一水平面上的凍脹力和凍脹變形隨著與2個(gè)暗挖隧道中心點(diǎn)位置距離的增加而逐漸衰減，有效反映了模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況。

（4） 設(shè)置卸壓孔后，積極凍結(jié)期末2個(gè)凍結(jié)暗挖隧道中心點(diǎn)縱向剖面處凍脹位移最大值由28.88 mm降至16.75 mm，凍脹應(yīng)力最大值由335 kPa降至265 kPa，暗挖隧道整體的凍脹變形和凍脹應(yīng)力明顯降低，有效減少了人工凍結(jié)對(duì)周邊環(huán)境和建（構(gòu)）筑物的影響。

參考文獻(xiàn)：

［1］李俊杰.暗挖區(qū)間隧道近接既有地鐵隧道施工變形影響及控制措施研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（4）：168-174.

［2］吳忠鑫，苗勝軍，隋智力，等.嚴(yán)寒地區(qū)越冬深基坑水平凍脹力影響因素研究［J］.人民長(zhǎng)江，2022，53（11）：136-142.

［3］江杰，邱居濤，陳先枝，等.人工凍結(jié)法在圓礫地層地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（2）：192-197.

［4］陳軍浩，劉桐宇，李棟偉.人工三圈管凍結(jié)模型試驗(yàn)及凍結(jié)方案研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，5（12）：94-100.

［5］黃建華，嚴(yán)耿明，楊鹿鳴.水泥改良土地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)溫度場(chǎng)分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2021，54（5）：108-116.

［6］李方政，方亮文，王磊，等.近接隧道凍結(jié)對(duì)運(yùn)營(yíng)車站凍脹變形控制研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2020，53（增1）：292-299.

［7］吉植強(qiáng)，勞麗燕，李海鵬，等.滲流速度對(duì)砂土人工凍結(jié)壁的影響［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（2）：130-138.

［8］王紹君，劉江云，耿琳，等.深基坑支護(hù)體系凍脹變形及控制三維數(shù)值分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2018，51（5）：122-128.

［9］喬趁，王宇，宋正陽(yáng)，等.飽水裂隙花崗巖周期凍脹力演化特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2021，42（8）：2141-2150.

［10］劉守花，陽(yáng)軍生，崔高航，等.季凍區(qū)深基坑溫度場(chǎng)及凍脹變形研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020，17（5）：1140-1146.

［11］鄭立夫，高永濤，周喻，等.淺埋隧道凍結(jié)法施工地表凍脹融沉規(guī)律及凍結(jié)壁厚度優(yōu)化研究［J］.巖土力學(xué)，2020，41（6）：2110-2121.

［12］雷華陽(yáng)，張文振，馮雙喜，等.水汽補(bǔ)給下砂土水分遷移規(guī)律及凍脹特性研究［J］.巖土力學(xué)，2022，43（1）：1-14.

［13］韓建澤.人工凍結(jié)海相軟土凍脹特性研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2017.

［14］譚麗華.水泥改良土凍脹融沉特性研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

［15］ZHOU J Z，WEI C，WEI H，et al.Experimental and theoretical characterization of frost heave and ice lenses［J］.Cold Regions Science and Technology，2014，104-105：76-87.

［16］ROUABHI A，JAHANGIR E，TOUNSI H.Modeling heat and mass transfer during ground freezing taking into account the salinity of the saturating fluid［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2018，120：523-533.

［17］黃建華.考慮卸壓孔卸荷作用的人工凍土凍脹特性研究［J］.工程力學(xué)，2010，27（12）：141-148.

［18］張正，馬學(xué)寧.蘭州地區(qū)黃土凍脹特性和水平凍脹力試驗(yàn)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2020，16（6）：1682-1688.

［19］鄭立夫，高永濤，周喻，等.淺埋隧道凍結(jié)法施工地表凍脹融沉規(guī)律及凍結(jié)壁厚度優(yōu)化研究［J］.巖土力學(xué)，2020，41（6）：2110-2121.

［20］嚴(yán)晗，王天亮，劉建坤.粉砂土反復(fù)凍脹融沉特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2013，34（11）：3159-3165.

［21］吳禮舟，許強(qiáng)，黃潤(rùn)秋.非飽和黏土的凍脹融沉過程分析［J］.巖土力學(xué)，2011，32（4）：1025-1028.

（編輯：郭甜甜）

Effect of setting pressure relief holes on freezing expansion and unloading of

frozen underground excavated tunnelHUANG Jianhua CHEN Weibin YAN Gengming3

（1.College of Civil Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350118，China； 2.Key Laboratory of Underground Engineering of Fujian Province University，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350118，China； 3.College of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350118，China）

Abstract： During construction of underground excavated tunnels using freezing method，frost heaving often leads to the excessive deformation of soil and tunnels，bringing adverse impacts on subway tunnels，surrounding environments and buildings.Taking a frozen underground excavated tunnel project in the coastal soft soil layer of Fuzhou City as an example，a nonlinear analysis for the prototype project was carried out.Based on measured data and engineering conditions，the distribution pattern of frost heave deformation and the displacement variation characteristics of frozen underground excavated tunnel before and after the setting of pressure relief holes were analyzed.The research results showed that the artificial freezing reinforcement technology combined with pressure relief holes had a better effect on the release of frost heaving pressure and the control of freezing expansion deformation.Compared with the stratum with no pressure relief holes，the pressure relief holes provided free deformation space for the frozen soil expansion after the formation of intersection circle of the permafrost curtain，thus reducing the freezing expansion displacement and freezing expansion stress of the soil.At the end of the freezing period，the maximum freezing displacement at the longitudinal profile of the center points of two frozen underground excavated tunnels was reduced from 28.88 mm to 16.67 mm，and the maximum freezing stress was reduced from 335 kPa to 265 kPa，showing obvious decompression effect.The study results can provide references for artificially frozen underground excavated tunnels.

Key words： freezing method；frost heaving deformation；pressure relief hole；displacement field；underground excavated tunnel

收稿日期：2022-12-06；接受日期：2023-02-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51678153）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2017Y0024）；福建工程學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（GY-Z17145）

作者簡(jiǎn)介：黃建華，男，教授，博士，主要從事特殊土力學(xué)、凍結(jié)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)等方面的教學(xué)和研究工作。E-mail：huangjh@fjut.edu.cn