深埋泵站冻结施工的冻土帷幕设计及冻结效果分析

王 跃徐兵壮王 翔张基伟

（1.天地科技股份有限公司建井研究院，100013，北京；2.北京中煤矿山工程有限公司，100013，北京∥第一作者，硕士研究生）

深埋泵站冻结施工的冻土帷幕设计及冻结效果分析

王 跃1，2徐兵壮1，2王 翔1，2张基伟1，2

（1.天地科技股份有限公司建井研究院，100013，北京；2.北京中煤矿山工程有限公司，100013，北京∥第一作者，硕士研究生）

对上海轨道交通某站区间联络通道深埋泵站冻结施工参数进行调整，通过有限元法验算，以确保对泵站进行冻结施工过程达到合理的安全系数。对冻土帷幕厚度、不同位置冻结帷幕平均温度、卸压孔压力变化以及探孔情况等内容进行监测研究，检验冻结帷幕设计的合理性，最终对冻结帷幕的冻结效果进行评价。

地铁；深埋泵站；冻结帷幕设计；冻结效果

First-author＇s address Institute of Mine construction Tiandi Science and Technology Co.，Ltd.，100013，Beijing，China

根据轨道交通地铁设计规范要求，通常会在上下行隧道间设置泵房。一旦隧道内发生火灾、涌水等突发事件，泵房即可用于消防和排水［1-2］。通常联络通道及泵房埋深在20 m以内，而上海轨道交通某泵房埋深达30 m。该深埋泵房采用水平冻结法施工。其冻结参数设计有别于浅埋的泵房，需对冻结帷幕厚度及冻结帷幕平均温度进行调整，并通过有限元法验算其合理性；对冻结盐水去回水温度、冻土温度等参数进行跟踪监测，以分析冻结帷幕形成情况；分析冻胀压力、卸压孔压力变化情况以及探孔情况等［3］。

1　工程概况

上海轨道交通某区间里程范围为K18+ 527.843—K19+944.542，上行线长1 423.995 m，下行线长1 441.929 m。上行线在里程SK19+ 133.003处设一座侧式泵站（以下简称2#泵站）。2#泵站处的上行线隧道中心标高为-28.699 m；某站区间隧道内径为5 500 mm，管片厚度为350 mm，采用单圆盾构机推进。

泵站的主体结构由喇叭口、水平通道和集水井三个部分组成。水平通道为直墙圆弧拱结构，采用两次衬砌。其中，初次衬砌为钢支架喷射混凝土，厚度为200 mm。通道的开挖轮廓高为3.943 m，宽为3.400 m；喇叭口处高4.243 m，宽为3.900 m；集水井开挖轮廓宽度为3.300 m，自通道底板以下开挖深度3.340 m。泵站结构及地层情况见图1。

2　冻结参数设计及施工设计

2.1冻结参数

根据地铁设计规范，浅层冻结工程冻结壁平均温度设计如表1所示。

根据2#泵站的埋深、地质状况，结合施工经验，确定冻结帷幕的平均温度≤-13℃。浅层工程冻结帷幕厚度通常设计为2 m。考虑泵站埋深大，初始地应力产生的变形对冻结壁影响较大，故确定喇叭口处冻结帷幕厚度为2.1 m，集水井处为2.4 m。冻结施工主要参数为：①设计喇叭口处有效冻结帷幕厚度为2.1 m，集水井处有效冻结帷幕厚度为2.4 m，冻结帷幕平均温度≤-13℃；②冻土单轴抗压强度为4.7 Mpa，弯拉强度为2.3 Mpa，抗剪强度为1.8 Mpa（-13℃）；③冻结孔开孔位置误差≤100 mm；④冻结孔成孔间距≤1 300 mm；⑤冻结孔试压≥0.8 Mpa；⑥积极冻结时间≥45 d；⑦去回路温差≤2℃［4］。

图1　泵站结构及地质柱状图

表1　浅层工程冻结壁有效平均温度设计参考值

2.2冻结参数有限元法验算

2.2.1水平通道和喇叭口冻结壁有限元法验算

水平通道和喇叭口冻结壁力学分析采用均质线弹性三维模型，以中间未冻土开挖模拟的方式进行计算。中间未冻土的弹性模量和泊松比取值分别为22.0 Mpa和0.30。冻土设计厚度为2.1 m，冻土力学特性参数取值按冻结壁平均温度下的冻土力学特性值。根据泵站结构对称性，以结构的1/2作为计算模型（见图2）。

图2　喇叭口和水平通道有限元模型

计算模型的冻结壁顶板主要受力为：静水压力，开挖时因顶板向下变形而产生的上部土体作用力，以及冻结壁侧面土压力。根据参数计算得到水平通道和喇叭口的压应力σ1、弯拉应力σ3的应力分布（见图3、图4）。

图3　水平通道和喇叭口σ1和σ3应力分布图

图4　水平通道和喇叭口σ1和σ3应力分布图

采用有限元法进行冻结壁的受力分析与计算，计算结果如表2所示。应力计算值小于强度值，并且安全系数也符合冻结壁强度检验标准，故冻结壁的总体承载能力是足够的。计算结果显示，在冻结壁内侧存在局部应力集中，但是范围很小。可以说，计算和实际相比是偏于安全的。

表2　水平通道和喇叭口的冻结壁应力及设计安全系数

2.2.2集水井冻结壁有限元验算

冻土设计厚度取2.4 m，不考虑临时支护作用。根据对称性，以集水井1/4作为计算模型（见图5）。

图5　集水井有限元模型

根据施工工艺流程，待水平通道结构施工完毕后，再开挖集水井。因此，有限元分析时应对集水井上部边界设置位移约束，再根据参数进行计算。集水井应力计算结果见表3，σ1，j和σ3应力分布见图6。

由表3可知，虽然局部存在应力集中现象，但分布范围较小，且最大值均小于冻土强度指标。此外，计算过程没有考虑开挖过程的临时支撑作用。因此，总体上来说，冻结壁的强度能满足要求。

图6　集水井应力分布图

表3　集水井的冻结壁应力

2.3施工设计

2#泵站工程于2014年8月5日开始冻结造孔施工，于2014年8月29日钻孔完成。冻结布孔见图7。

图7　2#泵站冻结孔布置图

冻结孔81个（顶部A1～A15，底部B1～B15、D 1～D 3，左右侧墙N1～N24、M1～M24），测温孔6个（C1～C6），泄压孔2个（X 1、X 2），探孔2个（T1、T2）。在泵房开挖面一侧布置了6个测温孔，孔深为2.0～7.0 m。测温孔C1、C2各设置2个测点，深浅各1个。测温孔C3～C5各设置3个测点，深中浅各1个。测温孔C6设置1个深部测点。

3　冻结帷幕形成的监测与分析

2#泵站采用水平冻结法施工，必须确保在安全条件下进行掘砌构筑。因此，对冻结运转系统、地层温度情况，以及支护结构稳定性的跟踪监测工作至关重要。可用实测数据来检验冻结帷幕设计的合理性，同时还可根据监测数据对泵房施工开挖进行分析指导。

3.1盐水温度情况

2#泵站工程积极冻结于2014年9月4日开始。至2014年9月11日，已积极冻结7 d，此时，盐水去路温度降至-18℃；至2014年10月25日，已积极冻结52 d，此时，盐水温度去路降至-31.5℃，回路温度降至-30.5℃，二者温差仅1℃。当盐水去回路温差小于2℃时，盐水循环基本达到稳定状态，热量传递趋于稳定。

3.2测温孔温度变化

为了掌握泵房冻结帷幕冻结效果、判断冻土柱是否交圈、计算冻土帷幕厚度等等，必须对测温孔温度变化实施实时监控。测温孔的温度变化情况反映冻结帷幕的形成情况。测温孔C1～C6的温度变化情况如图8～图10所示。

图8　C1和C3孔温度监测曲线

图9　C2和C5孔温度监测曲线

不同位置测温孔的数据均反映相同趋势。积极冻结前期冻土温度急剧降低，继而平缓，当冻土温度达到0℃后温度变化更为缓慢。不同深度测温数据的监测为冻结帷幕形成情况提供了可靠的依据。

图10　C4和C6孔温度监测曲线

3.3冻结壁厚度计算

根据传热学理论，厚壁圆筒传热情况可以简化成二维稳态温度场［5-6］。冻土温度计算见式（1）。根据测温孔的实时数据可计算并推算出冻土帷幕的厚度。

式中：

t——冻土温度，℃；

t1——冻结管内循环盐水的温度，℃；

r——冻结柱内任意点至冻结管中心距离，m；

r1——冻结管外半径，m；

r2——冻土圆柱的外半径，m。

2015年10月25日部分测点根据测温孔温度监测结果，计算并推算得到各处深部冻土帷幕的厚度（见表4）。由表4可见，侧墙帷幕厚度均大于设计值2.4 m，且各处管片壁后冻土帷幕的厚度均大于设计值2.1 m，满足设计要求。

表4　部分测点温度值及侧墙帷幕厚度计算

3.4冻土平均温度计算

冻土帷幕的平均温度求算方法有经验公式法、数值模拟法等。通常情况下，通过积分面积法求算冻土帷幕的平均温度相对简单和准确。本文根据测温孔及冻结孔温度数据采用积分面积法，近似求得不同位置冻土帷幕的平均温度。首先，根据侧墙测温孔C1、C3温度值与冻结管中心线的距离关系，绘制出面积积分图（见图11）。如取冻结壁的有效厚度为2.1 m，并以积分面积为计算对象，则按积分面积法可求得管片壁后冻土帷幕的平均温度为-17.1℃，满足设计要求。同理计算，可得到不同位置的冻土帷幕平均温度（见表5）均满足设计要求。

图11　不同位置冻土帷幕的平均温度积分图

表5　冻土帷幕平均温度汇总表　℃

3.5卸压孔情况

2#泵站工程共布设2个卸压孔X 1和X 2。卸压孔压力变化如图12所示。2014年9月4日积极冻结伊始，X 1和X 2的初始压力均为0.21 Mpa。

2014年10月4日卸压孔压力开始上涨，并持续上涨超过7 d。这是由于当冻结冷锋面发展至泄压孔时，大量水分迁移，从而导致冻胀压力上涨；当冻结冷锋面运动过后，水分迁移减少，冻结压力趋于稳定并达到最大值。此后再对泄压孔进行泄压处理，观测泄压孔已无泥水持续流出。这反映此时冻土柱已交圈，冻结帷幕已形成。

图12　卸压孔压力变化图

3.6探孔状况

2014年10月25日于开挖面打探孔T1、T2并探孔。探孔是观察冻结效果的有效手段，是检验理论分析数据可靠性的重要方法。探孔位置见图7，探孔状况见表6。

表6　探孔状况表

探孔内无带压泥水流出反映冻结帷幕形成良好。测量土体温度略高于0℃，则有助于土体开挖构筑施工。

为提供开挖的理论以及实测依据，将监测得到的参数汇总如表7所示。由参数值可知，该工程冻结帷幕形成良好。

4　结论

通过有限元验算2#泵站冻结帷幕设计的合理性，并对2#泵站冻结法施工时的冻土温度进行实时监测，根据实测盐水去回水温度、冻土帷幕厚度及平均温度计算以及卸压孔变化情况来判定冻结帷幕发展形成过程。根据探孔情况直接有效地验证了冻结效果，可得到以下结论：

（1）有限元验算得到该埋深条件下喇叭口处冻结帷幕设计厚度为2.1 m，集水井处冻结帷幕设计厚度为2.4 m，冻土平均温度≤13℃，设计合理，强度符合要求。

表7　参数汇总表

（2）积极冻结前期，冻土温度急剧降低，继而平缓，当冻土温度达到0℃后，其温度变化更为缓慢。

（3）冻土帷幕的发展可通过冻土帷幕稳态温度场进行计算分析，计算结果与实测吻合度较高。

（4）采用面积积分法求得不同位置冻土平均温度约为-15℃（＜-13℃，满足设计要求）；浅部冻土温度略低于深部冻土温度。

（5）探孔施工是检验冻结效果的有效手段。探孔结果反映深埋泵站水平冻结帷幕的冻结效果良好。

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Analysis of Freezing Curtain Design and Freezing Effects on Deep-buried Pump Station

Wang Yue，Xu Bingzhuang，Wang Xiang，Zhang Jiwei

The freezing design parameters of deep-buried pump station in a contact channel between sections of Shanghai rail transit are adjusted，through finite element calculation the horizontal freezing construction is ensured to be conducted for the pump station under reasonable and safe parameters.In this paper，the thickness of the frozen soil curtain，everage freezing temperature at different places，pressure changes of the pressure relief hole，situations of exploration holes and other contents are studied，in order to check up the rationality of the freezing curtain design，and finally make a scientific evaluation on the freezing effect of freezing curtains.

subway；deep-buried pumping station；freezing curtain design；freezing effect

TU 253.7

10.16037/j.1007-869x.2016.03.022

（2015-08-29）