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滨海地区地铁开挖层多在富含高水量的粉质黏土层,施工时多采用人工冻结法,但冻结施工过程中,容易产生冻胀现象,导致建筑物和地表破坏。针对上述问题,以广州地铁4号线东涌～庆胜站地铁隧道为工程背景,采用物理力学性质分析、数值模拟和现场监测的方法。运用FLAC3D进行数值模拟计算,对人工冻结法施工中冻结温度场随冻结时间的变化规律等进行研究,并对开挖方式提出了优化方案,分析优化方案的合理性。主要研究内容如下:(1)考虑冻结孔的实际布置位置、方向、导热系数和潜热系数等参数,建立有限元模型,模拟积极冻结期温度场的发展规律。(2)使用FLAc3D模拟积极冻结期土体冻胀变形。(3)在设计壁厚分别为1.75m、2.0m、2.25m的条件下,改变盐水的温度,模拟相应的地层温度场和冷冻壁的平均温度随时间的变化情况。(4)通过FLAC3D模拟开挖阶段周围土体变形情况。(5)将三维数值模拟结果与监测结果进行比较,并绘制时间温度曲线。通过研究,取得结果如下:(1)在冻结10d后零度等温线相遇,35d后形成冻结柱,50d后冻结壁满足设计强度。(2)离冻结管6.0m、10.0m、15.0m、17.5m(地表)的土体分别在冻结15d、20d、30d、40d受到较为明显的冻胀影响。(3)-25℃C时达到设计冻结壁需要42天,-30℃C时达到设计冻结壁需要30天,-35℃C时达到设计冻结壁需要21天。(4)开挖后地表沉降的最大值为15.82mm。(5)预测结果曲线在模拟结果曲线上方,且趋势基本相似,最大预测值为15.82mm,比实测结果大了0.97mm。由此,归纳如下结论:(1)整个积极冻结期的温度场的变化规律先缓慢发展。(2)整个积极冻结期土体冻胀发展规律先快后慢,通道拱顶处离冻结管越近,受冻结影响位移越大。(3)不同冷冻液温度使冻结壁达到设计强度的时间不同,且冷冻液负温度越高,冻结壁形成的时间就越短。(4)开挖后地表的主要变形特征是土体沉降。(5)将数值模拟结果和工程测量结果绘制成时间温度曲线,曲线拟合良好,数值模拟结果与工程结果接近。