《地铁隧道周围人工冻融软土融沉特征与动力变形沉降控制》

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该项目属于工程技术应用领域。地下轨道交通是缓解城市地上交通拥挤、促进国民经济发展、构建健康绿色和谐城市的关键核心基础设施,其技术安全及质量控制是决定城市建设效率、成本和可用性的核心因素。软土地区96%的地铁隧道旁通道或地下泵房施工都会采用人工地层冻结法以保证地铁施工的安全性,而周围人工冻融软土的融沉及长期动力变形沉降,给后期地铁的安全运营及周围建(构)筑物环境带来安全隐患。聚焦这一重大工程需求问题,在国家自然科学基金等持续资助下,通过十多年的系统研究,突破了传统融沉特征变形基础理论带来的系列瓶颈问题,首次提出精确分区分时段融沉变形沉降质量可控关键技术和以冻融软土结构特征参数化的融沉处理等新理念,创建了具有自主知识产权的人工冻融软土变形控制新理论技术体系。

主要技术创新内容为:(1)建立了符合人工冻融软土融沉特征的变形基础理论体系。将融沉理论融合到大厚度软土的固结变形中,首次建立以融沉运移特征为固结边界条件的融沉大变形固结理论模型,提出了以模型试验确认融沉边界运移速率的处理方法,构建了更符合工程实际融沉变形特征的基础理论体系。(2)提出了精确的分区分时段融沉变形沉降质量可控方法。以冻结过程中地铁隧道周围土体冻结锋面运移、水分重分布、应力重分布而导致融化时的不均匀沉降分布结果为指导,提出分区沉降控制;以地铁隧道周围人工冻融软土在地铁施工后期、地铁运营期不同应力路径下的融沉变形为依据,采取分时段融沉变形控制。研究打破了中国靠后期监测的笼统注浆方式,为人工冻融软土的融沉变形提供精确的可控方法,保障整个地铁隧道及周围系统的安全。(3)提出了以冻融软土结构特征参数为标准的融沉处理新理念。通过分析人工冻融对软土结构特征参数的影响,发现冻融使软土趋于双孔隙结构特征化;提出通过现场较易获取的温度场分布定位渗透系数较大区段,进行防渗处理,进而控制融沉变形的扩展,使融沉处理更具针对性且时效性好。(4)通过室内试验建立了以人工冻融软土基本物理力学指标的动力变形预测经验方法。通过较易获取的相关基础物理力学指标参数和动荷载参数,即可预测人工冻融软土的长期动力变形,该研究成果适于工程应用且易推广。

该项目是课题组10多年的研究积累,先后在国内外学术期刊上发表相关论文38篇,申请国家发明核心专利5项,其中已授权和获得推广应用的有3项,申请中的有2项。20篇代表性论文被SCI-IE和CSCD引用90次(他引49次),其中11篇SCI代表性论文被SCI-IE他引26次,9篇EI代表性论文被CSCD他引23次。研究成果为地铁隧道旁通道冻结法施工过程及后期周围土体变形沉降的控制提供了指导及优化作用,节约了工程成本。该研究成果已被应用到了上海轨道交通12号线及17号线等工程建设及地铁安全运营维护中,研究成果既具有工程实践意义,也具有重要的经济效益价值。

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