(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 202210659999.5 (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　洪荣宝　李孟凯　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 119/02(2020.01) (54)发明名称 一种地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变 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 层三维融沉变形的预测方法， 该预测方法将冻土 融化产生的地层沉降SΙ(x)和融土固结产生的 地层沉降SⅡ(x)进行叠加， 确定 隧道进深方向某 二维切面上地层各点的最终融沉位移S1(x)， 再 融合隧道进深方向全部二维切面上地层各点的 最终融沉位移， 最终形成了地铁隧道冻结法施工 引起的地层三维融沉位移S(x)＝(S1(x) ,S2 (x),···,Sn(x))， 从而完成了对地铁隧道冻 结法施工引起的地层三维融沉变形的预测。 该方 法简便， 能够为地铁隧道冻结法施工现场解冻期 的地层注浆位置、 注浆时间、 注浆体量等问题提 供理论的判断依据。 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 CN 115114709 A 2022.09.27 CN 115114709 A 1.一种地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法， 其特征在于包括如下步 骤： (1)获取冻结法施工地层的土体参数并求得力学性能参数， 选取隧道进深方向某一二 维切面， 求解冻融区移动相变边界方程X(t)， 进而求解冻结壁内解冻锋面半径R1(t)， 外解 冻锋面半径R2(t)， 冻结壁内缘融缩区Δa(t)的内、 外半径R0和Ra(t)， 外缘融缩区Δc(t)的 内、 外半径Rc(t)和R1， 冻结壁内缘固结区Δb(t)的内、 外半径Ra1(t)和Rb(t)， 外缘固结区Δd (t)的内、 外半径Rd(t)和Rc1(t)， 其中， Ra(t)＝Ra1(t)， Rc(t)＝Rc1(t)； (2)根据太沙基单向渗透固结 方程， 求解固结压密函数G(t)， 由下式(1)获得： 式中： αv为土层的压缩系数， Ut为融土的平均固结度， γw为孔隙水的容重， η1为固结锋面 微单元体中心距地表的深度， H0为初始水位深度， e0为融土的初始孔隙比， h0为降水深度， Cv 为土层的固结系数， t为 解冻时间； (3)计算冻土融化产生的地层沉降SΙ(x)， 并根据下式(2)计算融土固结产生的地层沉降 SⅡ(x)： 式中： h为隧道中心距地表的距 离， β 为土层的主要影响角， r、 θ 分别为ro1θ 极坐标系下的 极径、 极角， x为横坐标， θ1、 θ2分别为冻结壁的起始和结束角； (4)根据冻土融化产生的地层沉降SΙ(x)和融土固结产生的地层沉降SⅡ(x)， 计算地层各 点的最终融沉 位移S1(x)， 由下式(3)所示： S1(x)＝SI(x)+SII(x)                        (3)； (5)依次计算不同隧道进深方 向二维切面上的地层融沉位移Sn(x)， 融合隧道进深方 向 不同位置处的地层融沉位移(S1(x),S2(x),···,Sn(x))， 计算隧道冻结壁解冻期地层三 维融沉变形S(x)， 由下式(4)获得： S(x)＝(S1(x),S2(x)…Sn(x))                   (4)。 2.根据权利要求1所述隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法， 其特征在于： 步 骤(1)中， 所述冻融区移动相变边界方程X(t)由下式(5)获得： 式中： kf为冻土的导热系数， Tf为冻结区的温度， x为横坐标， ku为融土的导热系数， Tu为 解冻区的温度， L 为单位容积土的相变潜热。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115114709 A 23.根据权利要求1所述地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法， 其特征在 于： 步骤(1)中， 所述冻结壁内解冻锋面半径R1(t)、 外解冻锋面半径R2(t)由下式(6)和(7)获 得： 式中： B为系数。 4.根据权利要求1所述地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法， 其特征在 于： 步骤(1)中， 所述冻结壁内缘融缩区Δa(t)的外半径Ra(t)、 外缘融缩区Δc(t)的内半径 Rc(t)由下式(8)获得： 式中： εth为冻土的融沉系数。 5.根据权利要求1所述地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法， 其特征在 于： 步骤(1)中， 所述冻结壁内缘固结区Δb(t)的外半径Rb(t)， 外缘固结区Δd(t)的内半径 Rd(t)由下式(9)获得： 式中： εa为融土的压密系数， γ为隧道上覆各土层重度的加权平均值。 6.根据权利要求1所述地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法， 其特征在 于： 步骤(2)中， 所述太沙基单向渗透固结 方程由下式(10)获得： 式中： Cv为土层的固结系数， u为土的孔隙压力， z为土的深度， k为土层的渗透系数， e为 土的孔隙比， Δe为土体孔隙比的改变量， Δp为土体 应力的改变量。 7.根据权利要求1所述地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法， 其特征在 于： 步骤(3)中， 所述冻土融化产生的地层沉降SΙ(x)由下式(1 1)获得：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115114709 A 3