深埋泵站凍結(jié)施工的凍土帷幕設(shè)計(jì)及凍結(jié)效果分析

王 躍徐兵壯王 翔張基偉

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

深埋泵站凍結(jié)施工的凍土帷幕設(shè)計(jì)及凍結(jié)效果分析

王 躍1，2徐兵壯1，2王 翔1，2張基偉1，2

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

對(duì)上海軌道交通某站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道深埋泵站凍結(jié)施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)有限元法驗(yàn)算，以確保對(duì)泵站進(jìn)行凍結(jié)施工過(guò)程達(dá)到合理的安全系數(shù)。對(duì)凍土帷幕厚度、不同位置凍結(jié)帷幕平均溫度、卸壓孔壓力變化以及探孔情況等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，檢驗(yàn)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)的合理性，最終對(duì)凍結(jié)帷幕的凍結(jié)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

地鐵；深埋泵站；凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)；凍結(jié)效果

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

根據(jù)軌道交通地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范要求，通常會(huì)在上下行隧道間設(shè)置泵房。一旦隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、涌水等突發(fā)事件，泵房即可用于消防和排水［1-2］。通常聯(lián)絡(luò)通道及泵房埋深在20 m以內(nèi)，而上海軌道交通某泵房埋深達(dá)30 m。該深埋泵房采用水平凍結(jié)法施工。其凍結(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)有別于淺埋的泵房，需對(duì)凍結(jié)帷幕厚度及凍結(jié)帷幕平均溫度進(jìn)行調(diào)整，并通過(guò)有限元法驗(yàn)算其合理性；對(duì)凍結(jié)鹽水去回水溫度、凍土溫度等參數(shù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，以分析凍結(jié)帷幕形成情況；分析凍脹壓力、卸壓孔壓力變化情況以及探孔情況等［3］。

1　工程概況

上海軌道交通某區(qū)間里程范圍為K18+ 527.843—K19+944.542，上行線長(zhǎng)1 423.995 m，下行線長(zhǎng)1 441.929 m。上行線在里程SK19+ 133.003處設(shè)一座側(cè)式泵站（以下簡(jiǎn)稱2#泵站）。2#泵站處的上行線隧道中心標(biāo)高為-28.699 m；某站區(qū)間隧道內(nèi)徑為5 500 mm，管片厚度為350 mm，采用單圓盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)。

泵站的主體結(jié)構(gòu)由喇叭口、水平通道和集水井三個(gè)部分組成。水平通道為直墻圓弧拱結(jié)構(gòu)，采用兩次襯砌。其中，初次襯砌為鋼支架?chē)娚浠炷?，厚度?00 mm。通道的開(kāi)挖輪廓高為3.943 m，寬為3.400 m；喇叭口處高4.243 m，寬為3.900 m；集水井開(kāi)挖輪廓寬度為3.300 m，自通道底板以下開(kāi)挖深度3.340 m。泵站結(jié)構(gòu)及地層情況見(jiàn)圖1。

2　凍結(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)及施工設(shè)計(jì)

2.1凍結(jié)參數(shù)

根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，淺層凍結(jié)工程凍結(jié)壁平均溫度設(shè)計(jì)如表1所示。

根據(jù)2#泵站的埋深、地質(zhì)狀況，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，確定凍結(jié)帷幕的平均溫度≤-13℃。淺層工程凍結(jié)帷幕厚度通常設(shè)計(jì)為2 m?？紤]泵站埋深大，初始地應(yīng)力產(chǎn)生的變形對(duì)凍結(jié)壁影響較大，故確定喇叭口處凍結(jié)帷幕厚度為2.1 m，集水井處為2.4 m。凍結(jié)施工主要參數(shù)為：①設(shè)計(jì)喇叭口處有效凍結(jié)帷幕厚度為2.1 m，集水井處有效凍結(jié)帷幕厚度為2.4 m，凍結(jié)帷幕平均溫度≤-13℃；②凍土單軸抗壓強(qiáng)度為4.7 Mpa，彎拉強(qiáng)度為2.3 Mpa，抗剪強(qiáng)度為1.8 Mpa（-13℃）；③凍結(jié)孔開(kāi)孔位置誤差≤100 mm；④凍結(jié)孔成孔間距≤1 300 mm；⑤凍結(jié)孔試壓≥0.8 Mpa；⑥積極凍結(jié)時(shí)間≥45 d；⑦去回路溫差≤2℃［4］。

圖1　泵站結(jié)構(gòu)及地質(zhì)柱狀圖

表1　淺層工程凍結(jié)壁有效平均溫度設(shè)計(jì)參考值

2.2凍結(jié)參數(shù)有限元法驗(yàn)算

2.2.1水平通道和喇叭口凍結(jié)壁有限元法驗(yàn)算

水平通道和喇叭口凍結(jié)壁力學(xué)分析采用均質(zhì)線彈性三維模型，以中間未凍土開(kāi)挖模擬的方式進(jìn)行計(jì)算。中間未凍土的彈性模量和泊松比取值分別為22.0 Mpa和0.30。凍土設(shè)計(jì)厚度為2.1 m，凍土力學(xué)特性參數(shù)取值按凍結(jié)壁平均溫度下的凍土力學(xué)特性值。根據(jù)泵站結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，以結(jié)構(gòu)的1/2作為計(jì)算模型（見(jiàn)圖2）。

圖2　喇叭口和水平通道有限元模型

計(jì)算模型的凍結(jié)壁頂板主要受力為：靜水壓力，開(kāi)挖時(shí)因頂板向下變形而產(chǎn)生的上部土體作用力，以及凍結(jié)壁側(cè)面土壓力。根據(jù)參數(shù)計(jì)算得到水平通道和喇叭口的壓應(yīng)力σ1、彎拉應(yīng)力σ3的應(yīng)力分布（見(jiàn)圖3、圖4）。

圖3　水平通道和喇叭口σ1和σ3應(yīng)力分布圖

圖4　水平通道和喇叭口σ1和σ3應(yīng)力分布圖

采用有限元法進(jìn)行凍結(jié)壁的受力分析與計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。應(yīng)力計(jì)算值小于強(qiáng)度值，并且安全系數(shù)也符合凍結(jié)壁強(qiáng)度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，故凍結(jié)壁的總體承載能力是足夠的。計(jì)算結(jié)果顯示，在凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)存在局部應(yīng)力集中，但是范圍很小?？梢哉f(shuō)，計(jì)算和實(shí)際相比是偏于安全的。

表2　水平通道和喇叭口的凍結(jié)壁應(yīng)力及設(shè)計(jì)安全系數(shù)

2.2.2集水井凍結(jié)壁有限元驗(yàn)算

凍土設(shè)計(jì)厚度取2.4 m，不考慮臨時(shí)支護(hù)作用。根據(jù)對(duì)稱性，以集水井1/4作為計(jì)算模型（見(jiàn)圖5）。

圖5　集水井有限元模型

根據(jù)施工工藝流程，待水平通道結(jié)構(gòu)施工完畢后，再開(kāi)挖集水井。因此，有限元分析時(shí)應(yīng)對(duì)集水井上部邊界設(shè)置位移約束，再根據(jù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。集水井應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，σ1，j和σ3應(yīng)力分布見(jiàn)圖6。

由表3可知，雖然局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但分布范圍較小，且最大值均小于凍土強(qiáng)度指標(biāo)。此外，計(jì)算過(guò)程沒(méi)有考慮開(kāi)挖過(guò)程的臨時(shí)支撐作用。因此，總體上來(lái)說(shuō)，凍結(jié)壁的強(qiáng)度能滿足要求。

圖6　集水井應(yīng)力分布圖

表3　集水井的凍結(jié)壁應(yīng)力

2.3施工設(shè)計(jì)

2#泵站工程于2014年8月5日開(kāi)始凍結(jié)造孔施工，于2014年8月29日鉆孔完成。凍結(jié)布孔見(jiàn)圖7。

圖7　2#泵站凍結(jié)孔布置圖

凍結(jié)孔81個(gè)（頂部A1～A15，底部B1～B15、D 1～D 3，左右側(cè)墻N1～N24、M1～M24），測(cè)溫孔6個(gè)（C1～C6），泄壓孔2個(gè)（X 1、X 2），探孔2個(gè)（T1、T2）。在泵房開(kāi)挖面一側(cè)布置了6個(gè)測(cè)溫孔，孔深為2.0～7.0 m。測(cè)溫孔C1、C2各設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，深淺各1個(gè)。測(cè)溫孔C3～C5各設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，深中淺各1個(gè)。測(cè)溫孔C6設(shè)置1個(gè)深部測(cè)點(diǎn)。

3　凍結(jié)帷幕形成的監(jiān)測(cè)與分析

2#泵站采用水平凍結(jié)法施工，必須確保在安全條件下進(jìn)行掘砌構(gòu)筑。因此，對(duì)凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)、地層溫度情況，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的跟蹤監(jiān)測(cè)工作至關(guān)重要?？捎脤?shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)還可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)泵房施工開(kāi)挖進(jìn)行分析指導(dǎo)。

3.1鹽水溫度情況

2#泵站工程積極凍結(jié)于2014年9月4日開(kāi)始。至2014年9月11日，已積極凍結(jié)7 d，此時(shí)，鹽水去路溫度降至-18℃；至2014年10月25日，已積極凍結(jié)52 d，此時(shí)，鹽水溫度去路降至-31.5℃，回路溫度降至-30.5℃，二者溫差僅1℃。當(dāng)鹽水去回路溫差小于2℃時(shí)，鹽水循環(huán)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，熱量傳遞趨于穩(wěn)定。

3.2測(cè)溫孔溫度變化

為了掌握泵房?jī)鼋Y(jié)帷幕凍結(jié)效果、判斷凍土柱是否交圈、計(jì)算凍土帷幕厚度等等，必須對(duì)測(cè)溫孔溫度變化實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控。測(cè)溫孔的溫度變化情況反映凍結(jié)帷幕的形成情況。測(cè)溫孔C1～C6的溫度變化情況如圖8～圖10所示。

圖8　C1和C3孔溫度監(jiān)測(cè)曲線

圖9　C2和C5孔溫度監(jiān)測(cè)曲線

不同位置測(cè)溫孔的數(shù)據(jù)均反映相同趨勢(shì)。積極凍結(jié)前期凍土溫度急劇降低，繼而平緩，當(dāng)凍土溫度達(dá)到0℃后溫度變化更為緩慢。不同深度測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)為凍結(jié)帷幕形成情況提供了可靠的依據(jù)。

圖10　C4和C6孔溫度監(jiān)測(cè)曲線

3.3凍結(jié)壁厚度計(jì)算

根據(jù)傳熱學(xué)理論，厚壁圓筒傳熱情況可以簡(jiǎn)化成二維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)［5-6］。凍土溫度計(jì)算見(jiàn)式（1）。根據(jù)測(cè)溫孔的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可計(jì)算并推算出凍土帷幕的厚度。

式中：

t——凍土溫度，℃；

t1——凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)鹽水的溫度，℃；

r——凍結(jié)柱內(nèi)任意點(diǎn)至凍結(jié)管中心距離，m；

r1——凍結(jié)管外半徑，m；

r2——凍土圓柱的外半徑，m。

2015年10月25日部分測(cè)點(diǎn)根據(jù)測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，計(jì)算并推算得到各處深部?jī)鐾玲∧坏暮穸龋ㄒ?jiàn)表4）。由表4可見(jiàn)，側(cè)墻帷幕厚度均大于設(shè)計(jì)值2.4 m，且各處管片壁后凍土帷幕的厚度均大于設(shè)計(jì)值2.1 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

表4　部分測(cè)點(diǎn)溫度值及側(cè)墻帷幕厚度計(jì)算

3.4凍土平均溫度計(jì)算

凍土帷幕的平均溫度求算方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值模擬法等。通常情況下，通過(guò)積分面積法求算凍土帷幕的平均溫度相對(duì)簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確。本文根據(jù)測(cè)溫孔及凍結(jié)孔溫度數(shù)據(jù)采用積分面積法，近似求得不同位置凍土帷幕的平均溫度。首先，根據(jù)側(cè)墻測(cè)溫孔C1、C3溫度值與凍結(jié)管中心線的距離關(guān)系，繪制出面積積分圖（見(jiàn)圖11）。如取凍結(jié)壁的有效厚度為2.1 m，并以積分面積為計(jì)算對(duì)象，則按積分面積法可求得管片壁后凍土帷幕的平均溫度為-17.1℃，滿足設(shè)計(jì)要求。同理計(jì)算，可得到不同位置的凍土帷幕平均溫度（見(jiàn)表5）均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11　不同位置凍土帷幕的平均溫度積分圖

表5　凍土帷幕平均溫度匯總表　℃

3.5卸壓孔情況

2#泵站工程共布設(shè)2個(gè)卸壓孔X 1和X 2。卸壓孔壓力變化如圖12所示。2014年9月4日積極凍結(jié)伊始，X 1和X 2的初始?jí)毫鶠?.21 Mpa。

2014年10月4日卸壓孔壓力開(kāi)始上漲，并持續(xù)上漲超過(guò)7 d。這是由于當(dāng)凍結(jié)冷鋒面發(fā)展至泄壓孔時(shí)，大量水分遷移，從而導(dǎo)致凍脹壓力上漲；當(dāng)凍結(jié)冷鋒面運(yùn)動(dòng)過(guò)后，水分遷移減少，凍結(jié)壓力趨于穩(wěn)定并達(dá)到最大值。此后再對(duì)泄壓孔進(jìn)行泄壓處理，觀測(cè)泄壓孔已無(wú)泥水持續(xù)流出。這反映此時(shí)凍土柱已交圈，凍結(jié)帷幕已形成。

圖12　卸壓孔壓力變化圖

3.6探孔狀況

2014年10月25日于開(kāi)挖面打探孔T1、T2并探孔。探孔是觀察凍結(jié)效果的有效手段，是檢驗(yàn)理論分析數(shù)據(jù)可靠性的重要方法。探孔位置見(jiàn)圖7，探孔狀況見(jiàn)表6。

表6　探孔狀況表

探孔內(nèi)無(wú)帶壓泥水流出反映凍結(jié)帷幕形成良好。測(cè)量土體溫度略高于0℃，則有助于土體開(kāi)挖構(gòu)筑施工。

為提供開(kāi)挖的理論以及實(shí)測(cè)依據(jù)，將監(jiān)測(cè)得到的參數(shù)匯總?cè)绫?所示。由參數(shù)值可知，該工程凍結(jié)帷幕形成良好。

4　結(jié)論

通過(guò)有限元驗(yàn)算2#泵站凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)的合理性，并對(duì)2#泵站凍結(jié)法施工時(shí)的凍土溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)鹽水去回水溫度、凍土帷幕厚度及平均溫度計(jì)算以及卸壓孔變化情況來(lái)判定凍結(jié)帷幕發(fā)展形成過(guò)程。根據(jù)探孔情況直接有效地驗(yàn)證了凍結(jié)效果，可得到以下結(jié)論：

（1）有限元驗(yàn)算得到該埋深條件下喇叭口處凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)厚度為2.1 m，集水井處凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)厚度為2.4 m，凍土平均溫度≤13℃，設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度符合要求。

表7　參數(shù)匯總表

（2）積極凍結(jié)前期，凍土溫度急劇降低，繼而平緩，當(dāng)凍土溫度達(dá)到0℃后，其溫度變化更為緩慢。

（3）凍土帷幕的發(fā)展可通過(guò)凍土帷幕穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)吻合度較高。

（4）采用面積積分法求得不同位置凍土平均溫度約為-15℃（＜-13℃，滿足設(shè)計(jì)要求）；淺部?jī)鐾翜囟嚷缘陀谏畈績(jī)鐾翜囟取?/p>

（5）探孔施工是檢驗(yàn)凍結(jié)效果的有效手段。探孔結(jié)果反映深埋泵站水平凍結(jié)帷幕的凍結(jié)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）