(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210660022.5 (22)申请日 2022.06.13 (71)申请人 安徽理工大 学 地址 232001 安徽省淮南市泰丰大街168号 (72)发明人 蔡海兵　李孟凯　洪荣宝　姚方兴　 胡时　杨哲　庞昌强　黄献文　 (74)专利代理 机构 南京合砺 专利商标代理事务 所(普通合伙) 32518 专利代理师 许云花 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 113/14(2020.01) (54)发明名称 一种地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变 形的预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种地铁隧道冻结法施工地 层三维冻胀变形的预测方法， 首先确定冻结施工 位置， 获得冻结壁范围内原状土的土层参数， 确 定土体的热物理及力学参数， 对冻结壁上方土层 按其土层性质及既有建(构)筑物进行分层并确 定冻胀影 响范围所在层； 随后计算单根冻结管的 非稳态温度场 及冻结锋面 半径r(t)； 再根据隧道 开挖类型， 计算冻结壁交圈后冻结锋面内圈半径 R1(t)、 外圈半径R2(t)， 计算冻胀区域Δ(t)； 最 后计算冻胀位移Wi(t)。 该预测方法综合了土体 的热物理及力学性能、 冻结时间效应、 土层结冰 温度及土层荷载因素， 以确定冻结帷幕及冻胀变 形在不同阶段的演化规律， 提高冻结施工引起地 层三维冻胀预测的可靠性和准确性。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 115168940 A 2022.10.11 CN 115168940 A 1.一种地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法， 其特征在于包括如下步 骤： (1)确定冻结施工位置， 获得冻结壁范围内原状土的土层参数， 确定土体的热物理及力 学参数， 对冻结壁上 方土层进行分层并确定冻胀影响范围所在 层； (2)计算单根冻结 管的非稳态温度场及冻结锋 面半径r(t)； (3)根据隧道开挖类型， 计算冻结壁 交圈后冻结锋面内圈半径R1(t)、 外圈半径R2(t)， 并 由下式(1)、 式(2)计算冻胀区域Δ(t)： εf＝ εf0exp(‑bP)                            (2) 式中： t为冻结时间； εf为荷载下的土体冻胀率； εf0为无荷载下的土体冻胀率； P为冻胀 影响范围所在 层的荷载， kPa； b为常数0.0 01； B为系数； r为冻结半径； (4)计算冻胀位移Wi(t)。 2.根据权利要求1所述地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法， 其特征在 于： 步骤(1)中， 所述土体的热物理及力学参数为土体的密度ρ 、 热扩散系数α、 导热系数k、 比 热c、 相变潜热L及无荷载 下的土体冻胀率 εf0， 其中， 3.根据权利要求1所述地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法， 其特征在 于： 步骤(2)中， 所述单根冻结 管的非稳态温度场由下式(3)、 式(4)获得： 式中： Tf为已冻区温度场微分方程； Tu为未冻区温度场微分方程； Tc为冻结管管壁温度； Td为土体冻结温度， 土层均质则为单一土体冻结温度， 土层不均匀则为冻结锋面半径所在 土体的冻结温度； Ei表示指数积分函数； r0为冻结管管径； αf为已冻结区域的热扩散系数； T0 为初始环境温度； αu为未冻结区域的热扩散系数。 4.根据权利要求1所述地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法， 其特征在 于： 步骤(2)中， 所述冻结锋 面半径r(t)由下式(5)、 式(6)获得： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115168940 A 2式中： kf为冻土导热系数； ku为未冻土导热系数； A为系数。 5.根据权利要求1所述地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法， 其特征在 于： 步骤(3)中， 所述冻结壁交圈后冻结锋面内圈半径R1(t)、 外圈半径R2(t)由下式(7)、 式 (8)、 式(9)获得： 式中： Rd为冻结管分布半径； Tc’为交圈后冻结管管壁的平均温度； η为圆柱坐标系中冻 结管的纵坐标 方向。 6.根据权利要求1所述地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法， 其特征在 于： 步骤(4)中， 所述冻胀位移Wi(t)由下式(10)获得： 式中： hi为冻胀影响范围所在层位距隧道的高度； β 为冻结壁上覆土层的主要影响角； θ 为极坐标系下的极角； z为空间坐标系的z方向坐标； x为空间坐标系的x方向坐标； y为空间 坐标系的y方向坐标； ζ 为圆柱坐标系中冻结 管长度方向； φ为圆柱坐标系中环向角度。 7.根据权利要求3所述地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀变形的预测方法， 其特征在 于： 所述 8.根据权利要求2所述地铁隧道冻结法施工土地层三维冻胀变形的预测方法， 其特征 在于： 所述相变潜热L由下式(1 1)获得： L＝Lwρd(w0‑wu)                        (11) 式中： Lw为水的潜热； ρd为土体干密度； w0为含水率； wu为未冻土含水率。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115168940 A 3