卸壓孔設置對凍結暗挖隧道凍脹卸荷影響研究

摘要：凍結法暗挖隧道施工中，凍脹常導致土體和隧道等發生大變形，給地鐵隧道和周邊環境以及建（構）筑物帶來不利影響。以福州市濱海軟土地層凍結暗挖隧道工程為例，通過對原型工程建模和非線性分析，綜合實測數據及工程情況，分析凍脹變形分布規律和設置卸壓孔前后凍結暗挖隧道的位移變化特點。研究結果表明：人工凍結加固技術結合卸壓孔應用，對土體凍脹力的釋放和凍脹變形的控制效果較好，與沒有設置卸壓孔時的地層相比，卸壓孔在凍土帷幕凍結交圈形成后，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力；凍結期末2個凍結暗挖隧道中心點縱向剖面處凍脹位移最大值由28.88 mm降至16.75 mm，凍脹應力最大值由335 kPa降至265 kPa，卸壓作用效果明顯。研究結果可為人工凍結暗挖隧道工程提供借鑒和參考。

關 鍵 詞：凍結法； 凍脹變形； 卸壓孔； 位移場； 暗挖隧道

中圖法分類號： U455；U231 文獻標志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.019

0 引 言

凍結暗挖隧道工程的順利施工對保障上層建筑和地鐵運行的安全性有著重要意義［1-2］。但是采用人工凍結法進行隧道暗挖施工時，經常會出現凍脹現象，使與凍土接觸的建筑物、構筑物發生不同部位的變形、變位，影響建筑物的正常使用，因此對地層凍脹變形進行控制尤為重要［3］。

人工凍結施工過程中，當地層溫度降至0℃以下，土中水會凍結形成凍土，某些細黏粒土在凍結時，體積發生膨脹，產生凍脹現象［4］。也就是說，土體的凍結會使土壤內部的水分發生遷移的速度加快，在凍結過程中水分的遷移是造成凍脹現象的主要因素。隨著水分的不斷遷移和冰凍，逐步形成首尾相交的凍結圈，并在凍結圈內外形成壓力差，進而形成凍脹現象［5-7］。凍脹問題會對工程整體施工造成很大影響［8-10］，凍脹現象嚴重時會導致地表路面隆起或者塌陷、建筑物開裂失穩或不均勻沉降、管纜斷裂等，因此解決凍脹問題是人工凍結技術的關鍵?，F場施工過程中，通過設置卸壓孔、調整卸壓強度、實時對土體的凍脹變形進行監測，可以有效減少凍脹壓力和位移，弱化凍脹對施工的影響，保障科學合理施工和工程穩定安全［11］。

目前國內外學者對凍土凍脹問題研究較多。雷華陽等［12］利用自制的實驗裝置，研究了3因素作用下砂土水平凍脹力和凍脹量的變化規律；韓建澤［13］研究了人工凍結相關軟土凍脹特性；譚麗華［14］結合上海某工程案例，研究了水泥對土體改良，以及水泥改良土體對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定時與溫度梯度的關系；Rouabhi等［16］研究了不同濃度對凍結溫度場和位移的影響。

綜上所述，諸多學者通過有限元模擬、現場監測等方法對凍土凍脹展開了研究，并得出影響地表凍脹變形的相應規律［17-19］。然而目前的研究主要是針對水泥改良土等方面，并未系統分析卸壓孔設置對凍土凍脹卸壓作用的影響［20-21］，對于設置卸壓孔對凍土凍脹和位移影響的具體研究相對缺乏。本文通過對凍結暗挖隧道凍結位移場進行數值模擬，結合實測數據與試驗，分析凍脹變形及其分布規律，研究設置卸壓孔后對凍脹變形的影響，以期為今后凍結暗挖隧道凍結施工提供理論和技術參考。

1 凍脹與卸壓數值模擬分析

1.1 工程概況與地層特征

研究對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層雙柱三跨結構，主體圍護結構采用1 000 mm地墻，主體基坑深度約24.00 m，車站深基坑長度23.40 m。

根據工程地質勘察資料，凍結暗挖隧道所處地層由上而下分別為雜填土、淤泥、淤泥質亞黏土、亞黏土夾粉砂與粉細砂土層等。

凍結暗挖影響范圍內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，其補給主要靠大氣降水。地下水位變化主要受降雨控制，受季節影響明顯。每年4～9月份為雨季，大氣降水豐沛，是地下水的補給期，其水位會明顯上升，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。場地松散層上層滯水初見水位埋深為1.12～1.57 m，標高為6.23～6.61 m；孔隙-裂隙水（潛水或承壓水）穩定水位埋深12.80～13.50 mm，標高為-5.03～-5.89 m。

1.2 凍結與卸壓布設

凍結設計中本區段左、右線暗挖通道分別布置凍結孔123個，測溫孔13個，卸壓孔16個，取土孔6個，其中左線凍結壁立面圖如圖1所示。

左右段布置基本一致，凍結孔、卸壓孔左線暗挖隧道A基坑布置如圖2所示，其中：B1～B27為凍結孔，C11～C13為測溫孔，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，距凍結孔中心1.30 m，卸壓孔進行水平向設置，以降低凍脹力。

1.3 計算參數

根據現場實際工況以及凍結參數設計規范要求，現場所采用的凍結設計參數具體如表1所列。

凍脹及凍脹變形與土層凍脹特性及約束條件關系密切，凍結暗挖隧道周邊土的性質（壓縮模量、種類、礦物顆粒類型等）對人工凍土影響較大；同時周圍建（構）筑物對土體的約束也會對土層凍脹力和凍脹變形產生重要作用。所以各地層的分布情況對凍結位移、應力場的變化有很大影響。一般來說，隨著埋深的增加，圍壓升高，凍脹變形減小，凍脹力上升。

根據工程地質勘測情況，人工凍結法影響范圍主要涉及土層為淤泥質亞黏土、亞黏土夾粉砂與粉細砂土層，其有限元分析的土體物理力學參數如表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，采用人工凍結加固技術，實際工程中暗挖隧道施工工況和水文地質條件復雜。為將復雜抽象的問題簡單化，結合工程實際工況背景和地層特性，通過ABAQUS有限元模擬軟件建立數值分析模型，并對濱海軟土區環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行分析?，F對模型作出以下基本假定：

（1） 忽略熱脹冷縮效應對凍結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凍結的影響，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） 將凍結管與土體視為一個整體，忽略凍結管與土體間的摩擦，不考慮凍結管的變形與破壞。

（5） 工程所設計的土層均為各向同性彈塑性體，初始溫度場與水分場分布均勻。

1.5 初始狀態和邊界條件

假定土體在凍結前擁有均勻的初始溫度，根據工程勘測資料和現場實測數據，將土體的初始溫度設為20℃。根據工程實際凍結情況，將數值模型中的積極凍結期時間設置為60 d，模擬過程假設左右兩線同時開始凍結施工。根據實際工程中冷凍鹽水降溫計劃，將凍結前60 d的鹽水溫度荷載施加于凍結管外側表面，冷凍鹽水降溫幅值曲線如圖3所示。

凍結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）取至兩側凍結暗挖隧道凍結管布置圈外25 m（共80 m）；Y軸方向以上部既有地鐵車站頂板為頂，下至凍結暗挖隧道凍結壁下27 m（共50 m）；Z軸以凍結暗挖隧道中點處橫截面為起點，向外側延伸至A、B基坑外側坑壁（共45 m）。

對土體有限元模型4個側面（X=0 m，X=80 m，Z=0 m，Z=45 m）法向位移的邊界條件進行約束。將有限元模型底面（Y=0）各項位移進行約束，同時將有限元模型頂面（Y=50 m）以及上部既有的地鐵車站壁面設置為對流換熱邊界，其余面均設置為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流換熱系數分別為8.5 W/（m2·℃）和4.3 W/（m2·℃）。

1.6 模型建立和網格劃分

采用修正摩爾-庫倫模型，數值模擬過程中假定地層為各向同性彈塑性體。采用實體單元對土體、上部地鐵車站與A、B兩個基坑、卸壓孔進行模擬。采用thin-walled薄壁型環形剖面的梁單元對凍結管進行模擬，凍結管布置的位置、尺寸、角度根據工程現場實際尺寸確定。

模型網格劃分如圖5所示，網格劃分共計84 137個單元。在溫度場計算中，土體、既有地鐵車站與A、B 2個基坑采用DC3D8單元，凍結管采用DC1D2單元；土體和隧道單元選取C3D8R縮減積分單元。為了提高網格精度與模型質量，加密凍結暗挖隧道預設凍結范圍地層的網格。

2 凍脹卸壓位移場特性分析

2.1 積極凍結期位移場分析

凍結暗挖隧道設計采用水平凍結方式，積極凍結期為60 d，在凍結開始時，暗挖隧道地層中由于凍結產生的凍脹力簡化為水平方向與豎直方向。水平方向凍脹力對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對凍結暗挖隧道周圍土體和上部既有地鐵車站產生影響。

首先對土體初始溫度場進行計算和平衡。將已求解的溫度場作為溫度荷載施加在位移場模型中，并設定凍結土的負溫線膨脹系數；通過溫度場和位移場的直接耦合，建立凍結暗挖隧道在積極凍結期的三維位移場數值模型，從而分析卸壓孔設置前后位移場特性。具體凍結土線膨脹系數如表3所列。

在數值模擬人工凍結60 d后，設置泄壓孔前后地層凍脹位移場分布云圖見圖6。

為了更直觀地了解凍結位移場凍脹位移的分布發展與特征，取三維位移場數值模型X軸縱向中心軸剖面（YZ面）進行分析。這個面是2個凍結暗挖隧道的中心點處剖面，也是發生凍脹位移時產生位移最大值的面，能夠很好地展現凍結過程中未設置卸壓孔時和設置卸壓孔時位移場的變化情況。圖7、圖8分別為設置卸壓孔前后的各積極凍結期位移場分布云圖。

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基本一致。

在凍結15 d時，凍結暗挖隧道中上部有形成集中凍脹位移區域的趨勢，凍脹集中區域可以分為左右2個凍脹分區，該區域凍脹位移主要集中在偏右一側。這是因為在靠近凍結隧道右側的位置（基坑B位置）布置的雙排凍結管較短，而且布置在左側的單排凍結管產生的凍脹效應比雙排布置凍結管產生的凍脹效應要小。所以導致產生的凍脹位移分布不完全對稱，使得靠近凍結隧道右側（B基坑）區域的凍脹位移比左側的稍大。相較于沒有設置卸壓孔時，設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）產生的凍脹位移最大值從14.27 mm降為11.06 mm。

在凍結30 d時，凍結暗挖隧道上部的凍脹集中區域持續垂直向上發展，凍脹位移也在保持增大的趨勢，外圍輪廓線也變得慢慢均勻起來，兩個獨立的凍脹分區也在不斷演化，不斷擴大，部分區域開始相交。這個時期位移場的發展呈現出更為對稱的趨勢，凍結管布置、大小不同產生的位移分布不均勻的現象也在逐漸消失。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橢圓形的凍脹隆起區域。設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45 d時，凍脹位移緩慢增加，橢圓形的隆起范圍內各凍脹區域在逐漸交接聯合，設置卸壓前后地層產生的凍脹隆起范圍由18.26～24.35 mm變為10.88～14.50 mm。在凍脹集中區域，凍脹位移最大值位于凍結隧道的中上部，凍脹位移最大值從24.35 mm變為14.50 mm。位移場從兩個獨立的凍脹分區獨立發展，慢慢轉變成了從橢圓形凍脹中心向外不斷擴展，整個地層的凍結位移場分布基本對稱，位移場發展基本平穩，隆起區域發展也基本穩定。

在凍結60 d時，橢圓形凍脹集中的區域面積進一步擴展，發展到A、B基坑坑壁，基本覆蓋了整個上部地鐵車站的全部底板區域。整個地層的凍結位移場分布完全對稱。從上部既有的地鐵車站底板向下的凍脹位移表現為先減少后增加最后再減少的分布特征。凍脹集中區域基本位于整個凍結位移場的中上方，設置卸壓孔前后，凍脹產生的位移最大值從28.82 mm降為16.75 mm。此時沒有設置卸壓孔的凍脹位移超過了規范所限定的位移值，所以通過設置卸壓孔進行取土泄壓來減少凍脹位移尤為重要。

綜上所述，盡管凍結暗挖隧道左右兩側凍結管布設不完全對稱，但隨時間的推進，靠近A、B基坑兩側的凍結位移場分布與發展在凍結30 d后逐漸開始趨于對稱，對凍結完全后的凍結位移場的分布基本未造成影響。與沒有設置卸壓孔時產生的凍脹位移最大值相比，設置卸壓孔時在凍結15，30，45，60 d產生的凍脹位移最大值分別為沒有設置卸壓孔時的77%，82%，59%，58%，凍脹位移變化十分明顯。且在凍結60 d時凍脹位移滿足了規范限制的位移要求，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生的凍脹效應；另一方面設置卸壓孔能夠為土體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，從而有效控制凍結過程中的凍脹效應。可見設置卸壓孔對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卸壓孔對凍結暗挖隧道（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條位移發展路徑（路徑1、路徑2），對2條路徑積極凍結期的位移數據進行分析，如圖9所示。

圖10為沒有設置卸壓孔時2條路徑積極凍結期位移折線圖。在凍脹位移發展路徑1、2中，凍脹位移的分布幾乎以路徑中心為對稱軸對稱分布，距離路徑中心越近的位置凍脹位移越大，最大凍脹均出現在路徑中心處。結合云圖分析，橢圓形凍脹集中區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。

為了更好地對比有無卸壓孔情況下積極凍結期凍脹位移的大小，對布置卸壓孔時路徑1、路徑2積極凍結期位移進行分析，如圖11所示。

由圖11可知，設置卸壓孔時凍脹位移減縮現象明顯，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對稱。卸壓孔能夠造成這樣的作用，主要是因為卸壓孔通過取土泄壓降低了周圍土體的壓力，使得水平凍脹力減小，減小了凍脹對土體造成的位移影響，從而達到泄壓的效果，使得凍脹位移下降明顯，抑制了凍結過程中產生的凍脹效應，對解決工程凍脹問題是有益的。

2.3 位移場應力分析

在人工凍結法的施工過程中，凍土的凍脹效應會產生凍脹位移，與此同時也產生了極大的凍脹力，使得凍結帷幕周圍土體產生顯著的附加應力，應力表現出復雜的發展規律。

為直觀了解凍結暗挖隧道的凍結應力場分布特征，選取三維數值模型中X軸中心點縱向剖面（YZ面）進行分析，其設置卸壓孔前后應力分布云圖如圖12、圖13所示。由圖12～13可知，有無設置卸壓孔情況下凍脹應力在豎向剖面分布情況基本一致，應力集中區域位于地鐵車站側壁與凍脹的中心位置相交處。

在積極凍結期15 d時，凍土的凍脹效應產生的凍脹應力有著向地鐵車站右下角（側壁墻角）方向集中的趨勢。右側墻角的應力比左側側壁的墻角凍脹應力大，是因為在凍結15 d后，左側的位移場發展比右側的位移場發展更慢，導致右側的凍脹位移也發展得較快，使得右側凍脹應力更大。設置卸壓孔前后凍脹應力最大值從214 kPa降為189 kPa。

在凍結30 d時，凍結應力集中區域進一步發展，應力場也在不斷擴大范圍。左側側壁墻角也開始有應力集中趨勢，這是因為在積極凍結初期凍結管與底層之間有著較為劇烈的冷熱交換，下方區域的水分迅速凍結，從而產生較大的凍脹變形，相應的凍脹應力也較大。設置卸壓孔前后凍脹應力最大值從224 kPa降為199 kPa。

在凍結45 d時，凍結應力場進一步向外發展，左右側壁墻角的凍結應力集中趨勢更加明顯，整個凍結應力場的分布較為對稱，設置卸壓孔前后凍脹應力最大值從257 kPa降為231 kPa。在此階段，凍結暗挖隧道具有一定支護作用的凍結帷幕已經形成，所以此時凍脹應力不止由凍脹作用產生，也受到凍結帷幕的限制作用，因此軸向的凍脹應力也會增加。此時要注意凍結管也會受到一定的拉應力，可能會產生凍結管裂縫。

在凍結60 d時，整個凍結應力場以隧道中心線為軸對稱分布，設置卸壓孔前后凍脹應力最大值從335 kPa降為266 kPa。由于設置的模型尺寸較小，此時凍結應力場下部的輪廓線有一定的收縮。這也導致了凍結下部的土體受到一定的約束，下部土體的凍脹應力呈均勻緩慢增大的趨勢。

綜上所述，在積極凍結前中期，凍脹中心位置與既有地鐵車站右側壁相交區域凍脹應力較大，而積極凍結中后期，凍結應力場已發展為較為對稱的結構。設置卸壓孔后凍脹應力的最大值為266 kPa，比沒有設置卸壓孔時最大凍脹應力小很多，對凍脹應力減小效果十分明顯，對整體應力場影響也十分明顯。其主要原因是在土層上設置卸壓孔，取出一定的土，土體形成一個應力釋放空間，局部應力得到逐步釋放，從而緩解了周邊的高應力狀態，降低了凍脹應力。因此，卸壓孔的設置有助于人工凍結法的現場施工。

2.4 路徑應力分析

為了能夠更清晰地觀察在凍結過程中卸壓孔對土層的卸壓規律，研究卸壓孔對于應力的卸壓效果，選取路徑3應力發展路徑，提取路徑數據進行分析，如圖14所示。

圖15為沒有設置卸壓孔時路徑3積極凍結期的應力。由圖15可知，距離路徑中心越遠，凍脹應力越小，且積極凍結期末產生的凍脹應力最大。凍脹應力主要集中在離路徑中心-10～10 m范圍內，各積極凍結期應力隨著距離路徑中心越遠，變化速率越快，整體的凍脹應力分布呈現兩端對稱的特征。

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

3 現場實測成果對比

為了驗證三維數值模型中卸壓孔卸壓對凍結位移場模擬的準確性，先對監測點溫度進行對比，只有溫度場的數據準確，才能精確體現位移場的模擬結果。選取C1號監測點進行分析，C1位于凍結暗挖隧道上部凍結管外側區域，距離凍結管673 mm。將監測點提取到的溫度數據與實測數據進行對比，如圖17所示。

由圖17可知，C1號監測點的數值模擬結果與實測數據曲線發展規律基本保持一致，溫度降低趨勢與實際工程規律基本擬合，數值模擬精確度較高。2條模擬值曲線均能較好地體現積極凍結期初期地層溫度快速下降階段、冰水相變階段與積極凍結期中后期地層溫度繼續下降階段。兩個地層中的模擬值與實測值均趨于一致，且擬合度較高，說明有限元模型較好地還原了凍結暗挖隧道溫度發展的趨勢。

測溫點模擬值與實測值產生誤差的主要原因有2點：① 數值模擬時假定地層溫度分布均勻。但在實際工程中，地層溫度受埋深影響，基坑開挖支護等工程也會對地層溫度造成影響，這就造成了初始地層溫度的差異。② 數值模擬采用的鹽水降溫幅值曲線與實際工程中的鹽水去路溫度略有差異，導致了模擬時降溫幅度與實際工程不完全一致。雖然模擬溫度場與實測數據在具體數值上略微有所差異，但是誤差在工程合理范圍內，可以認為數值模擬所得的溫度場在一定程度上能體現凍結暗挖隧道實際工程中溫度場的發展分布規律。

上部既有車站監測點X10和X15的位置如圖18所示。提取2組監測點設置卸壓孔前后的位移數據，與實測數據進行對比，對比結果如圖19所示。

由圖19可知，這2個監測點數值模擬的結果與現場實測所獲得的土體凍脹位移曲線擬合程度較好，增長趨勢基本一致。模型對有設置卸壓孔時土層位移場的發展模擬的精確性較高，但數值模擬的曲線低于實測值曲線，數值上有一定差距。設置卸壓孔情況的凍脹位移明顯小于無卸壓孔工況下的凍脹位移。

由圖19（a）可知，在積極凍結期40 d時，設置卸壓孔時的模擬值與實測值差值基本穩定在1 mm內，貼合度較高。在凍結期40 d后，實測值產生一定的變化，最大差值為1.26 mm，在積極凍結期末兩者又逐漸貼合。對于有無設置卸壓孔時的模擬數據，隨著凍結期的不斷推進，兩者差值也在變大，最大差值為4.53 mm，此時有設置卸壓孔的模擬值為9.42 mm，沒有設置卸壓孔的模擬值為13.95 mm。且有設置卸壓孔的模擬值比沒有設置卸壓孔的模擬值變化趨勢較慢，產生的凍脹位移更小。

由圖19（b）可知，在凍結期15 d前，設置卸壓孔的模擬值與實測值曲線基本貼合，在15 d后，實測值發生變化，與設置卸壓孔模擬值數值有一定差值，最大差值為1.87 mm。有設置卸壓孔的模擬值與沒有設置卸壓孔的模擬值相比，有設置卸壓孔的模擬值發展平緩，且數值比沒有置卸壓孔時的低，最大差值為9.57 mm，此時有卸壓孔的模擬值為14.80 mm，沒有設置卸壓孔的模擬值為24.37 mm，實測值為14.20 mm可見卸壓孔的設置對凍脹位移的減小有明顯效果。

綜上所述，有卸壓孔時模擬值與實測值產生誤差，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工程施工時未停工，地鐵運行等將使模擬與實測產生差值；② 順序耦合未能完全模擬凍結暗挖隧道溫度場，導致以溫度場為溫度荷載的位移場產生誤差。雖然位移場數值模擬結果略小于實測數據，但凍脹位移變化規律基本相同，位移值增長趨勢也符合工程規律，差值在工程所規定的誤差范圍內，不影響對工程施工的指導。

上述模擬和實測的結果證明了設置卸壓孔進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暗挖工程的分析和應用。

4 結 論

本文分析了設置卸壓孔對凍土凍脹變形和凍脹應力的影響特性，主要得到以下結論：

（1） 在積極凍結期前中期，設置卸壓孔時暗挖隧道的地層位移場呈現右大左小的分布形式；在積極凍結期末期，凍結位移場發展趨于對稱，最大凍脹位移出現在橢圓形凍脹集中區域內。

（2） 通過數值計算方法得到的人工凍結法中設置卸壓孔后位移場的發展規律與現場實測規律較為一致。模擬得到監測點處設置卸壓孔時積極凍結期最大位移為14.80 mm，與實際監測得到的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個暗挖隧道中心點位置距離的增加而逐漸衰減，有效反映了模型試驗與現場實際工況。

（4） 設置卸壓孔后，積極凍結期末2個凍結暗挖隧道中心點縱向剖面處凍脹位移最大值由28.88 mm降至16.75 mm，凍脹應力最大值由335 kPa降至265 kPa，暗挖隧道整體的凍脹變形和凍脹應力明顯降低，有效減少了人工凍結對周邊環境和建（構）筑物的影響。

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（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，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China； 2.Key Laboratory of Underground Engineering of Fujian Province University，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China； 3.College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 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

基金項目：國家自然科學基金項目（51678153）；福建省自然科學基金項目（2017Y0024）；福建工程學院校級科研項目（GY-Z17145）

作者簡介：黃建華，男，教授，博士，主要從事特殊土力學、凍結圍護結構與地下結構等方面的教學和研究工作。E-mail：huangjh@fjut.edu.cn