富水地层地铁超长联络通道冻结位移场演化规律研究.pdf

第 20 卷 第 8 期2023 年 8 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 8August 2023富水地层地铁超长联络通道冻结位移场演化规律研究陈冠任1,2，李栋伟2，陈军浩3，陈涛2，张潮潮2，王敏4，夏明海5(1.东华理工大学 江西省地质环境与地下空间工程研究中心，江西 南昌 330013；2.东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；3.福建理工大学 土木工程学院，福建 福州 350108；4.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100000；5.伊犁哈萨克自治州奎屯河流域水利工程灌溉管理处，新疆 奎屯 833200)摘要：人工冻结法因其安全可靠、环境友好等优点，被广泛应用于地铁联络通道的地层加固中。然而，相较于传统的联络通道，采用冻结法加固超长联络通道存在冻结体量大，地表冻胀控制难度高等特点。现有的研究成果难以充分描述其冻结位移场的发展规律，为此，依托福州市地铁2号线上洋站鼓山站区间超长联络通道，该联络通道采用分区冻结主体和泵站、错开起始冻结时间等措施对地表冻胀进行控制。采用现场实测数据分析、数值模拟以及灰色关联分析等研究方法对该超长联络通道的冻结温度场和位移场的演化规律进行研究。研究结果表明：在错开冻结起始时间的情况下，冻结温度场和位移场的分布仍然具有良好的对称性，同时确定了冻结壁的薄弱位置应在该超长联络通道推迟冻结一侧的洞深方向1215 m范围内。在联络通道洞身上方存在一个“圆饼”状的冻胀集中区域，地层位移场的发展表现出以该区域为核心向外衰减的特点，该联络通道的隆起特征值为43.16 mm，影响特征范围为21.95 m。就地层温度、盐水温度以及通道埋深而言，隆起特征值对通道埋深最为敏感，而影响特征范围受盐水温度影响最为显著。因此，为控制地表冻胀，在隧道的设计阶段可科学适当地加深超长联络通道的埋深，或在维护冻结期内安全合理地控制盐水的最低温度。研究成果可为今后同类长距离水平冻结工程的冻胀控制提供参考。关键词：超长联络通道；人工冻结法；温度场；位移场；灰色关联分析中图分类号：TU443 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）08-3000-14Evolution law of freezing displacement field in ultra-long connected aisle in water-rich stratumCHEN Guanren1,2,LI Dongwei2,CHEN Junhao3,CHEN Tao2,ZHANG Chaochao2,WANG Min4,XIA Minghai5(1.Geological Environment and Underground Space Engineering Research Center of Jiangxi Province,East China University of Technology,Nanchang 330013,China;2.School of Civil and Architecture Engineering,East China University of Technology,Nanchang 330013,China;收稿日期：2023-03-16基金项目：国家自然科学基金资助项目(41977236)；新疆兵团科技计划基金资助项目(2020AB003)；江西省地质环境与地下空间工程研究中心开放基金资助项目(JXDHJJ2021-002)通信作者：李栋伟(1978)，男，湖南邵阳人，教授，博士，从事冻土力学与工程研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20230361第 8 期陈冠任，等：福州地铁超长联络通道冻结位移场演化规律研究3.School of Civil Engineering,Fujian University of Technology,Fuzhou 350108,China;4.Beijing General Municipal Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100000,China;5.Irrigation Management Department of Water Conservancy Engineering in Kuitun River Basin,Ili Kazakh Autonomous Prefecture,Kuitun 833200,China)Abstract:The artificial ground freezing method is widely used for the reinforcement of subway communication passages due to its advantages in terms of safety,reliability and environmental friendliness.However,as compared to traditional communication channels,the freezing method has the characteristics of a large frozen volume and high difficulty in controlling ground frost heave.However,it is difficult to fully describe the development law of its freezing displacement field.Therefore,based on the engineering background of the super-long connecting passage between Yangzhan and Gushan Station on Fuzhou Metro Line 2,the connecting passage adopted measures such as zoning freezing main body and pumping station,staggering the initial freezing time and so on to control the ground frost heave.The evolution laws of a freezing temperature field and displacement field in this super-long connecting channel was studied using research methods such as field measurement data analysis,numerical simulation,and grey correlation analysis.The research results show that the distribution of both the freezing temperature field and displacement field remains symmetrical even when the freezing start time is staggered,and it is determined that the weak position of freezing wall should be within 1215 m of the hole depth on the delayed freezing side of the super-long connecting passage.There is a“round cake”-shaped concentrated area of frost heaving above the tunnel body,and the development of stratum displacement field shows the characteristics of outward attenuation with this area as the core.The uplift characteristic value of the communication channel is 43.16 mm;The influence characteristic range is 21.95 m.In terms of formation temperature,brine temperature and channel buried depth,the uplift characteristic value is the most sensitive to the channel buried depth.The influence characteristic range is most significantly affected by brine temperature.Therefore,it is suggested that in order to control ground frost heave,the buried depth of the super-long communication channels can be deepened scientifically and appropriately during design stage of tunnels or lowest temperature of brine can be controlled safely and reasonably during the maintenance and freezing period.It can provide reference for controlling frost heave in similar long-distance horizontal freezing projects in the future.Key words:ultra-long connected aisle;artificial ground freezing method;temperature field;displacement field;grey correlation analysis 人工冻结法作为加固含水软土地层的特殊工法，其工作原理如图1所示。首先，于目标地层中钻设冻结管，并于其中往返循环低温冷媒以吸收土体热量，降低地层温度，土颗粒中的孔隙水受冷，或迁移或冻结形成人工冻土，继而交圈构成高强、抗渗的冻结壁，从而达到改善软土物理力学性质，隔绝地下水进入作业区域，确保施工安全13。然而，随着地层温度下降，土体中液态水的体积通常会增大9%，并且伴随着大量的水分迁移以及结晶体、透镜体、冰夹层等侵入土体，从而产生冻胀46。中国建筑企业数据的统计结果显示，中国完成人工冻结项目已达千余项，其中约80%为地铁联络通道冻结加固项目。由此可见，人工冻结技术已经成为城市轨道交通地层加固的主要工法78，而冻结温度场的演化规律是掌握冻结壁发展性状，优化冻结设计的依据。荣传新等9构建水热耦合物理模型试验系统，对人工冻结温度场受不同流速的影响规律进行室内模型试验研究。陈军浩等10利用有限元模型对超长联络通道的冻结温度场和冻结壁的演化规律进行了较为全面3001铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月的分析。WU等11提出一种能够有效计算能源利用率(EUR)的新方法。前人采用理论推导、模型实验、数值模拟等研究方法，就联络通道冻结温度场相关研究积累了丰硕成果，基于此，张常光等12考虑中间主应力效应以及横观各向同性冻胀对围岩强度的综合影响，构建了寒区隧道应力与位移的塑性统一解析解。李方政等13研究了不同盐水温度以及泄压等环境下隧道的冻胀变化规律。邵莹14研究了冻胀对地铁基坑支护结构的影响规律和范围。ZHENG等15提出一种简洁实用且能保证精度的冻结法，对施工全过程的地表变形进行模拟和预测。如前所述，前人就冻结温度、位移场的耦合分析进行了大量研究，但对于超长联络通道的相关分析有待进一步深入，而超长联络通道存在冻结周期长、冻结体量大、冻胀控制难等问题，其发展规律尚未明晰。为此，以福州市地铁2号线上洋站鼓山站区间联络通道为工程背景，旨在研究超长联络通道冻结位移场演化规律，为类似冻结设计优化及施工提供借鉴。1 工程概况如图2所示，福州市地铁2号线上洋站鼓山站区间1#联络通道跨度约为42.68 m，长度排名全国第2，通道主体位于埋深约20 m的淤泥质土夹薄层砂中。由于地热资源丰富，造成地层温度偏高，约为35。为控制地表变形，联络通道于两侧地铁隧道分区水平冻结地层，即错开左、右侧冻结起始时间，其中左侧较右侧推迟8 d开机冻结，待形成高强抗渗的冻结帷幕后，采用矿山法进行暗挖构筑。图1人工冻结法工作原理Fig.1Working principle of artificial freezing method图2联络通道平面位置及地质剖面Fig.2Plane location and geological longitudinal section of connected aisle3002第 8 期陈冠任，等：福州地铁超长联络通道冻结位移场演化规律研究1.1联络通道冻结设计如图3(a)所示，联络通道采用双向水平冻结的模式加固地层，参照常规联络通道的冻结设计思路，于右出入口布置78个冻结孔，左出入口布置80个冻结孔，其中孔深大于19 m的冻结管采用管径为1088 mm低碳无缝钢管，其余位置均采用管径为898 mm低碳无缝钢管，以达到控制造价的目的。该冻结工程的积极冻结时间为66 d，传统联络通道时间多为 45 d，最低盐水温度为3028，待冻结稳定后，需将去、回路盐水的温差控制在2 以内。联络通道冻结壁的设计平均温度10，壁厚为2.1 m。考虑到通道跨度较大造成待加固的冻结区域广，以及长距离水平定向钻孔引起的终孔间距难以控制，易导致通道中部冻结壁交圈缓慢困难的问题。因此，于通道中部设置范围达6 m的冻结管交叉区域，以确保冻结壁交圈及时并达到设计要求。1.2温度场监测方案为获得冻结温度场的演化信息，如图 3(b)所示，于通道右侧布置测温孔11个，左侧布置测温孔13个，其中测温孔T1T8，C1C11均位于淤(a)冻结管和测温孔的分布；(b)开孔位置；(c)冻胀监测点布置图3联络通道冻结管及监测点布置示意图Fig.3Schematic diagram of the arrangement of freezing pipes and monitoring points in connected aisle3003铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月泥质土夹薄层砂地层中，根据临近冻结管管长的分布，各测温孔分别于5，12和19 m不同孔深布置测温点，以监测联络通道不同断面的冻结壁交圈情况。各测温点的编号为Tij或Cij，其中根据开孔位置的不同，标号 i=113；根据 5，12 和19 m孔深的不同断面，标号j=13。1.3地表冻胀监测方案如图3(c)所示，为监测超长联络通道洞身以及周边的地表冻胀信息，于相应地表共布设41个监测点，各监测点标号为DZij。其中，沿联络通道纵轴方向布设9排监测点，即i=19；沿联络通道横轴方向根据监测需求，各排布设数个监测点，即j=1，2，7。特别对i=2，46，8排监测点，由近及远以3，5和7 m间距进行对称布置，以加强对地表冻胀主要发生位置的监控，同时便于控制对周边地面的影响。2 数值模型2.1模型假设为了简化计算，对数值模型进行了如下假设。1)假设冻结过程土体连续且均质；2)地层在冻结过程中，假设其相变产生的热量于冻结界面连续释放；3)数值模型中，冻结管壁上的温度变化作为温度荷载直接作用于地层；4)由于冻结管壁几何尺寸较小，对数值计算结果的影响可忽略不计，故不考虑其本身的材料性质。2.2数值模型建立与参数选取考虑联络通道截面形状以及冻结管布置近似对称的特点，为迅速有效地得到计算结果，首先沿联络通道纵向切割，选取1/2模型，如图4所示，尺寸长 80 m宽 21 m高 42.8 m，选用 Solid Brick 8node 70单元。为合理地简化模型，对分布有冻结管的淤泥质土夹薄砂层、(泥质)中砂层以及隧道管片采用四面体单元进行网格划分，其于地层均选用六面体单元划分网格，共计 1 135 124 个单元，251 992个节点，利用有限元软件Ansys建立考虑相变潜热的瞬态温度场计算模型。采用地勘单位提供的地质资料和室内试验结果，各地层与隧道管片物理力学参数见表1，热物理参数见表2。最后，根据冻结设计和实际钻孔偏斜，利用布尔操作于右侧洞口布置冻结管78根，左侧布置80根，长度为321 m不等，考虑到冻结管长细比较大，将盐水温度作为温度荷载施加在冻结管表面，设置时间步长为1 d进行求解，如图5所示。由于超长联络通道为长距离水平冻结，故采用双侧冻结模式，12 d后盐水温度均稳定在0 以下。左、右路盐水去、回路温差分别于36 d和41 d小于2，达到设计要求。图4联络通道数值模型网格划分Fig.4Numerical model of connected aisle表1 地层及隧道管片物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of stratum and tunnel segment材料杂填土淤泥黏土淤泥质土夹薄砂层泥质中砂隧道管片/(kNm3)1 8881 6331 9291 7451 9392 551E/MPa302 16016016016016032 500235 7.11.885.173.0113302 0.260.310.260.260.260.2235 0.350.380.330.390.38c/kPa610.437.019.73/()185.513.911.532/%1853.237.64833注：为密度；E为弹性模量；为泊松比；c为黏聚力；为内摩擦角；为含水率。3004第 8 期陈冠任，等：福州地铁超长联络通道冻结位移场演化规律研究3 冻结温度场演化分析3.1冻结温度场实测分析为分析联络通道冻结温度场发展规律，选取两侧腰墙测孔C7(T9)，C8(T10)及仰拱C10(T12)的温度平均值进行分析，如图6所示。侧腰处地层温度明显低于仰拱处，两者平均温差为2.57，这是由于仰拱处仅布置数排长短不一的短向冻结管，以形成围护开挖泵站的冻结壁。此外，各测点的温度曲线从初始地温迅速降低至0 附近，此时土壤中的未冻水发生相变并释放潜热，待大多数孔隙水固化成冰后，地层温度再次加速下降并最终趋于稳定。3.2冻结温度场验证为评价温度场模拟的准确性，利用监测数据对其进行验证，为此选用两侧侧墙位置的测孔C6和T5的温度数据与计算温度进行比较。如图7(a)表2 地层及隧道管片热物理参数Table 2 Thermal physical parameters of strata and tunnel segments材料杂填土淤泥黏土淤泥质土夹薄砂层泥质中砂隧道管片/(Wm1K1)30 2.132.032.182.632.351.282 2.552.300 1.811.751.822.352.1235 2.302.10C/(kJkg1K1)302 1 3001 7001 4801 5401 020970235 1 5001 9001 6801 7601 180L/(106 Jm3)30 000002 63.871.672.767.291.30 187.8415294389.832.235 269.6504.7386.1473.6432.8热膨胀系数30 01010610 5.371054 6.031040 3.3310335 0注：为导热系数；C为比热容；L为相变潜热。图5盐水温度与时间关系Fig.5Relationship between brine temperature and time(a)右侧腰墙与仰拱位置地层温度与时间关系；(b)左侧腰墙与仰拱位置地层温度与时间关系图6腰墙与仰拱位置地层温度与时间关系Fig.6Relationship between formation temperature and time at waist wall and inverted arch position3005铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月所示，测孔 C6 位于右侧侧墙外侧，积极冻结期内，C6 实测与计算降温速度分别为 0.59 m/d 和0.61 m/d，两者降至冰点的平均时间差为 4 d。前12 d测点C6-1和C6-3的计算与监测温差较大，特别是C6-1温差最高达4.19，这是由于通道所在地层初始地温分布不均，而本文偏安全的统一选用35 所致。整体而言，测孔C6计算温度场的发展规律与实测基本一致，且在中后期均表现出了良好的收敛性。如图7(b)所示，测孔T5位于通道左侧侧墙内侧，积极冻结期内，T5实测降温速度为0.56 m/d，计算降温度速度为0.53 m/d，除去未降至冰点的测点 T5-2，两者降温至冰点的平均时间差为 3.5 d，尽管T5-2于冻结完成时的温差仍大于1，但其计算温度始终于实测温度曲线附近紧密振荡发展，并于44 d左右完成交汇。整体而言，测孔T5计算温度场的发展规律与实测基本吻合。此外，值得注意的是无论是联络通道的左右侧，还是侧墙的内外侧，孔深方向12 m位置的温度均高于洞口和中部，这是由于冻结管分布密度较低造成的。综上所述，各测点的计算和监测温差及其发展规律均处于可接受的范围之内，同时也具有明显的相变特征，可以认为该模型能较好地反映联络通道温度场的演化规律。3.3联络通道温度场演化分析为研究积极冻结期内冻结温度场的发展，选用冻结14，24，34，44，54和66 d联络通道剖面温度云图进行分析，根据冻结法专项勘察报告，土层的起始冻结温度设置为1.5，如图8所示。冻结机组开始运行后，冻结管周围的温度开始迅速下降，在温度梯度的作用下，土中水或原位冻结或迁移形成了一排排以冻结管为圆心的冻结圆柱，左右侧的冻结壁于中部呈现出交圈的趋势，但其洞身主体所在区域由于距冻结管较远，形成了一个温度大于20，近似菱形的“高温区”。冻结24 d，冻结锋面进一步移动，冻结壁于联络通道中部完成交圈，形成具有止水性能的封闭筒体结构。“高温区”表现出沿冻结管所在位置逐渐向联络通道中心收敛的特点。冻结34 d，联络通道中部冻结管交叉区域两侧的冻结壁厚度依然薄弱。冻结44 d，联络通道洞身内的“高温区”已经消失，冻结壁发育速度减缓，但冻土平均温度下降明显，对比前34 d，已经具备较高体积含量的低温冻土，且分布均匀，可以认为此时冻结帷幕初步具备了高强、抗渗的物理力学性质。冻结54 d，冻结锋面的移动速度减缓，除去联络通道交叉区域，冻结壁的厚度大多已经达到设计要求2.1 m。冻结66 d，冻结壁厚度均达到设计要求，其中喇叭口处的壁厚最大，为34 m不等。这是因为洞口布设了多排短向冻结管强化冻结，并且各排冻结管均由此处向地层中钻设，造成洞口获得的冷量最大。冻结壁的薄弱位置位于左侧孔深方向约1215 m的范围内，根据图3(a)，该处只分布有单排冻结管，又远离交叉区域，这一点与图 8 中测点 C6-2 与T5-2反映的信息一致。此外，尽管两侧冻结起始(a)测温孔C6温度场发展比较；(b)测温孔T5温度场发展比较(注：图形为监测结果，直线为计算结果)图7联络通道温度场发展比较Fig.7Comparison of temperature field development of contact channel3006第 8 期陈冠任，等：福州地铁超长联络通道冻结位移场演化规律研究时间不一致，导致地层接受冷量存在差异，冻结温度场最终分布却表现出左、右近似对称的特点，说明冻结起始时间差在10 d以内时，对左、右侧冻结壁发育的差异性影响十分有限。4 冻结位移场演化分析4.1地表冻胀实测分析为分析积极冻结期联络通道中部的地表冻胀分布，选取测点 DZ5 系列对冻胀分布进行分析。如图9所示，由于冻结管钻设偏斜以及洞身周围的地层提前进行水泥土加固，地表最大隆起发生在通道左侧并从该位置往两侧不均匀衰减。前30 d，地表无明显的冻胀现象，隆起值仅增长约10 mm；冻结 30 d，地表隆起开始迅速增长，其中尤以4050 d的冻胀最为剧烈，地表隆起值约占整个积极冻结期的1/3，其增长速度约2 mm/d。4.2冻结位移场验证将温度场计算结果作用于地层求解冻结位移场，为评价数值模型位移场模拟的准确性，分别选 用 通 道 中 心 纵 断 面 上 的 地 表 测 点 DZ4-4，DZ5-4，DZ6-4 和进行冻结加强的洞口地表测点DZ7-2以及隧道地表测点DZ8-4的监测数据进行验证。如图10所示，前30 d，模拟数据基本保持不变，监测数据于10 mm区间振荡发展，这是由于(a)冻结14 d温度场；(b)冻结24 d温度场；(c)冻结34 d温度场；(d)冻结44 d温度场；(e)冻结54 d温度场；(f)冻结66 d温度场图8联络通纵轴方向温度场云图Fig.8Temperature field cloud map along the vertical axis of connected aisle3007铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月地温分布不均以及测量时可能存在的误差所至；3043 d，各测点模拟冻胀数值开始迅速增长，尽管由于误差积累，造成该阶段内模型的冻胀发展略滞后于监测数据，但两者差异不断减小且发展趋势基本一致，43 d左右模拟冻胀增长曲线与监测曲线相交；4366 d，两者地表冻胀发展规律大致相 同 且 近 线 性 增 长，平 均 增 长 速 度 分 别 为0.84 mm/d和0.92 mm/d。综上所述，尽管模拟与实测数据存在一定偏差，但两者变化趋势大体一致，可认为该模型能一定程度反映位移场的演化规律。此外，值得注意的是尽管冻结壁最厚位置为两侧洞口，但地表冻胀的最大位置却位于通道中部，其地表冻胀量为右侧洞口的1.54倍。4.3地层位移场演化分析为分析积极冻结期内冻结位移场的发展，选取冻结46，56和66 d(前36 d位移场发展较为缓慢)联络通道剖面位移云图进行研究，如图 11 所示。冻结46 d，受地层中未冻水迁移产生的分凝冻胀作用，拱顶上方出现3个位移大于100 mm的冻胀分区，冻胀分布以3个冻胀分区为核心向外衰减，第3地层受其影响产生明显近抛物线型的弯曲。地表冻胀的影响集中在洞身的地表投影位置，隆起值范围为 2040 mm不等，此外联络通道底部的地层也出现了近似左、右对侧的沉降。冻结56 d，拱顶上方的冻胀分区进一步发展，互相交汇形成一个冻胀集中区域，水平方向上地表变形范围的增长十分缓慢，但其中多数区域隆起已达40 mm以上。冻结66 d时，冻胀集中区域外轮廓线逐渐光滑，形成了类似“圆饼”状的地层隆起，其水平长度约为通道跨度且扩展距离趋于稳定，垂直高度约 7.3 m，仍表现出向地表生长的趋势。此时，于右侧洞深方向约 17 m，垂直埋深约 16 m位置，冻胀达最大值142 mm。整体而言，超长联络通道冻结位移场的发展表现出良好的对称性。4.4地铁隧道变形演化规律采用冻结法加固围岩的过程中，地层遇冷冻胀不可避免地对地铁隧道产生冻胀力继而发生变形，而加固超长联络通道所需冷量更多，为了预防其受冻胀作用发生屈服，故需对地铁隧道的变形规律进行研究。如图12所示，冻结26 d，隧道管片最大变形发生在与联络通道的正交位置，并从正交中心沿隧道的直径方向以及远离联络通道的方向不均匀衰减。冻结46 d时，管片的变形量得到大幅增长。冻结66 d时，管片变形规律与前类似，此时隧道长度方向的衰减梯度约是直径方向的1.12倍。管片的变形量仍在进一步增长，位于洞口附近的变形量均大于24.6 mm，且最大变形量达27.7 mm。因此，实际施工中以钢管片代替混凝土管片，提高隧道局部刚度，可有效缓解因冻胀造成混凝土管片屈服。图9联络通道中部地表冻胀实际历时分布Fig.9Actual diachronic distribution of ground frost heave in the middle of connected aisle(注：符号为监测结果，直线为计算结果)图10联络通道地表冻胀发展比较Fig.10Comparison of surface frost heave development of connected aisle3008第 8 期陈冠任，等：福州地铁超长联络通道冻结位移场演化规律研究4.5地表冻胀发展规律为研究地表冻胀的发展规律，选取图5中平行中心纵断面的地层断面进行分析。如图13(a)所示，为平行间距分别为0，3，6，9，12，15和18 m的地表冻胀最终分布。各断面的地表冻胀呈近对称分布，并向两侧均匀衰减。平行间距为0 m和3 m的断面的地表冻胀发展最为剧烈，当距离大于3 m时开始迅速减弱，这是由于冻结管布设范围多为3.5 m。类似地选取平行中心横断面的地层断面进行分析，平行间距分别为4，8，12，16和20 m的地表冻胀最终分布，其中R和L表示对称的右、左断面，如图13(b)所示。联络通道地表最大冻胀的发生位置为2个正交的中心断面，尽管错开冻始起始时间，但互相对称的地表冻胀最终分布却几乎没有差异。为表征联络通道地表隆起的剧烈程度，考虑冻胀对隧道地表以及周边地面的影响，选取通道跨度范围内以及隧道方向上15 m范围内的地表冻胀平均值为隆起特征值，用以描述地表冻胀的发展程度。同时，为表征地表冻胀的影响范围，选取2个正交中心断面上地表隆起达30 mm相应位置的直线距离为影响特征范围，经计算超长联络通道的冻胀隆起特征值为43.16 mm，影响特征范围为21.95 m。(a)纵轴方向地表冻胀分布；(b)横轴方向地表冻胀分布图13联络通道正交方向地表冻胀分布Fig.13Surface frost heave distribution in orthogonal direction of the connected aisle(a)冻结46 d；(b)冻结56 d；(c)冻结66 d图11联络通道纵轴方向位移场云图Fig.11Displacement field cloud map along the long axis of connected aisle(a)冻结26 d；(b)冻结46 d；(c)冻结66 d图12隧道管片变形云图Fig.12Deformation cloud image of tunnel segment3009铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月为研究超长联络通道地表冻胀与时间的关系，分别选取通道的中心正交断面地表冻胀历时分布进行分析，如图14所示。相较于中心横断面而言，纵断面地表冻胀影响范围更广泛，而造成这一差异的原因是冻结管布置的走向所致。将图 9 与图14(a)对比，可以发现数值计算的结果略大于现场实测，但更具有理论性和规律性，如前所述，主要是地层分布不均匀、冻结管钻设偏斜以及水泥土加固洞身周边地层所致。因此，依然可以认为上述分析可以为超长联络通道的地层冻胀研究提供参考。5 冻结位移场敏感性分析5.1地表冻胀参数分析人工冻土的热稳定性低，其物理性质受环境温度影响较为明显，因此研究埋深、供冷以及地层温度对分析冻结位移场演化规律具有重要意义。故对上述几类因素地表冻胀的影响规律展开讨论。冻结壁发展是造成地层冻胀最为重要的原因14，为此首先探讨不同地温条件下冻结壁交圈时间以及薄弱位置厚度的变化。如图15所示，包括不同地温条件冻结壁交圈时间分别为24，24，25，27和29 d，即地温平均每上升7，冻结壁交圈时间延后1 d，这与参考文献16的研究结果大致相同，该研究认为地温每增加5，冻结壁闭合时间推迟约1 d。据前文分析可知，冻结壁薄弱位置为左侧洞深方向约15 m的位置，该位置冻结壁的厚度变化随地温提高呈近线性减小。如前所述，地温升高不利于冻结壁发育，为进一步分析地温对地表冻胀的影响，同时便于与其余影响因素比较，统一选取地表冻胀最大发生位置，即测点 DZ5-4模拟隆起值进行研究，如图16(a)所示。地表冻胀地温升高呈现出大致相似的减缓趋势，在4050 温度区间内降低最为明显，差值为2.54 mm。与地温的作用机理不同，通道埋深主要是利用上覆土层的物理力学性质抵抗地层的变形，考虑到尽量避免对冻结温度场产生影响，通过均匀增加2.5，5，7.5和10 m的上覆地层厚度的方式以提高通道的埋深，如图16(b)所示。随着联络通道地层埋深的增加，地表冻胀曲线呈现出几近一致的发展规律，即随通道埋深的增加，地表冻胀现象得到了有效地减缓，但其在发展速率上表现出图15冻结壁交圈时间与薄弱位置厚度随地温的变化Fig.15Variation of closure time and thickness of weak position of frozen wall with ground temperature(a)中心纵断面地表冻胀历时分布；(b)中心横断面地表冻胀历时分布图14联络通道中部正交断面地表冻胀历时分布Fig.14Distribution of surface frost heave development over time in the middle orthogonal section of the connected aisle3010第 8 期陈冠任，等：福州地铁超长联络通道冻结位移场演化规律研究了较大的差异。5.2灰色关联分析在分析较多影响因素时，若割裂各因素研究，往往因缺乏对比难以掌握其发展机理，而灰色关联分析方法适用于数据和信息有限时，确定变量因子与参考因子之间的相关性，并以灰色相关等级高低表示两者的相关性。故采用灰色关联分析定量研究上述3类因素对位移场发展的影响程度，具体计算步骤如下。建立比较矩阵和参考矩阵，将地温、盐水温度、通道埋深定义为比较数列Xi，以及相应地表冻胀特征值矩阵Ya和Yb。由于盐水温度随时间发生变化，故将其对时间积分后取平均温度作为其特征值参与讨论。X=X1X2X3=3540506070-19.4-20.98-23.6-25.69-27.7922.825.327.830.332.8(1)Ya=Ya1Ya2Ya3=42.6241.7239.838.4337.1742.6244.7846.2847.4948.5742.6239.3435.3631.9628.12(2)Yb=Yb1Yb2Yb3=21.9521.9520.5919.7219.7221.9522.8322.8324.1924.1921.9520.5919.721712.53(3)式中：X1，X2，X3分别指地温、盐水温度、通道埋深；Ya1，Ya2，Ya3分别指与之对应的特征隆起值；Yb1，Yb2，Yb3分别指与之对应的特征影响范围。对比较矩阵 X 与参考矩阵 Y 进行无量纲化处理：X=X1X2X3=00.1430.4290.714110.8120.4990.25000.250.50.751(4)Ya=Ya1Ya2Ya3=10.8350.4830.231000.3630.6150.818110.7740.4990.2650(5)Yb=Yb1Yb2Yb3=110.390000.3930.3931100.8560.7630.4750(6)