凍結(jié)法在星云湖撫仙湖出流改道工程隧洞施工中的應(yīng)用

唐匯春 方宗明 童克強(qiáng)

(武漢長(zhǎng)科工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430015)

1 工程概況

在云南省玉溪市星云湖撫仙湖出流改道工程中,九溪隧洞是施工難度最大的部分。隧洞為城門洞型斷面,寬2.3m,高2.7 m,鋼筋混凝土襯砌厚度為 40cm。九溪洞段地層為飽和粘土、粉土和粉細(xì)砂,粘土具有膨脹性,飽和粉土和粉細(xì)砂具有流動(dòng)性,造成隧洞開挖過程中多次出現(xiàn)涌水、涌砂和坍塌。在 K11+000～K11+120段,隧洞埋深約 60m,地下水位約 40m,開挖過程中上游端涌砂量超過700m3,下游端涌砂量超過 4000m3,造成該段地表出現(xiàn)塌陷,工程進(jìn)展受阻,無法貫通。為此,先后采用灌漿法、高壓旋噴灌漿法和頂管法等施工技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)和施工,均未獲成功。經(jīng)過多方考察、研究、論證,確定對(duì)該段采用凍結(jié)法地基處理技術(shù)。經(jīng)過地基凍結(jié)處理后,有效防止了涌水、涌砂地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,隧洞施工順利完成。

2 凍結(jié)方案設(shè)計(jì)

2.1 凍結(jié)方法

凍結(jié)方法分為垂直凍結(jié)和水平凍結(jié)兩種。垂直凍結(jié)適用性廣,凍結(jié)孔施工方便,造孔技術(shù)要求不高,孔位、孔斜、孔深等指標(biāo)控制方便,造孔施工在地表進(jìn)行不受場(chǎng)地限制,相對(duì)于水平凍結(jié)法對(duì)地質(zhì)要求不高,但也存在凍結(jié)段埋深較大、工程投資較大的缺點(diǎn)。

星云湖撫仙湖出流改道工程主隧洞 K11+000～K11+120段受地質(zhì)條件的限制,無法在隧洞內(nèi)形成水平造孔的工作面,故選用垂直凍結(jié)法。在地面上向下鉆垂直凍結(jié)孔,然后沉放用 ?133×4.5 mm無縫鋼管制作的凍結(jié)器,在地面凍結(jié)區(qū)附近建立冷凍站,采用氨(NH3)為制冷劑,氯化鈣(CaCl)溶液(俗稱鹽水)為凍結(jié)介質(zhì),水為冷卻劑。

2.2 凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)凍結(jié)7 d鹽水溫度達(dá)到 -20℃,積極凍結(jié)期鹽水溫度為 -28～-30℃,維護(hù)凍結(jié)期鹽水溫度為 -25～-28℃;

(2)凍結(jié)孔終孔偏斜控制在0.7%以內(nèi),最大偏斜不超過 400mm;

(3)凍結(jié)帷幕交圈時(shí)間為 30～35 d,積極凍結(jié)期(達(dá)到設(shè)計(jì)厚度時(shí)間)為50d,設(shè)計(jì)凍結(jié)帷幕厚度為2.2 m,凍土帷幕平均溫度不高于 -10℃。

2.3 凍結(jié)厚度的確定

首先運(yùn)用解析方程和經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)凍結(jié)壁厚度進(jìn)行初步計(jì)算。然后利用數(shù)值模擬方法,對(duì)隧洞開挖過程進(jìn)行模擬,分析其穩(wěn)定性,進(jìn)而確定凍結(jié)壁的最終設(shè)計(jì)厚度為2.2 m。采用有限元法對(duì)凍土帷幕受力與變形進(jìn)行計(jì)算,最終得出凍土的總體承載力是足夠的。

2.4 凍結(jié)孔布置

先對(duì)地下水流速與流向進(jìn)行測(cè)定,兩個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)在已開挖隧洞兩端,測(cè)定結(jié)果為上游端流速較大,凍結(jié)區(qū)內(nèi)流速最高為5 m/d。

根據(jù)測(cè)得的地下水流速、工期要求及凍結(jié)發(fā)展速度等指標(biāo)設(shè)計(jì)凍結(jié)孔的布設(shè)。該段共布設(shè)凍結(jié)孔419個(gè),測(cè)溫孔20個(gè),有效凍結(jié)長(zhǎng)度為 4075m。凍結(jié)孔深度至開挖面底板以下2.9 m,平均深度約60m(具體孔深根據(jù)實(shí)際測(cè)量底板標(biāo)高而定),有效凍結(jié)深度約 9.6 m,即從開挖面拱頂以上2.8m到開挖面底板以下2.9m。

2.5 凍結(jié)斷面布置

隧洞采用厚 0.5m的 C20鋼筋混凝土襯砌,在開挖后采用 I18工字鋼進(jìn)行臨時(shí)支撐和厚 4 cm的木板隔熱,凍結(jié)斷面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 凍結(jié)斷面結(jié)構(gòu)(單位:mm)

3 凍結(jié)過程控制

3.1 鉆孔傾斜控制

為保證凍結(jié)孔垂直度,鉆孔偏斜嚴(yán)格控制在7‰以內(nèi),每鉆進(jìn)20m測(cè)斜一次,采用 CX-6B型陀螺測(cè)斜儀測(cè)斜,如有超偏及時(shí)進(jìn)行糾偏;對(duì)終孔進(jìn)行復(fù)測(cè),并及時(shí)繪制鉆孔偏斜圖,不符合設(shè)計(jì)要求的及時(shí)補(bǔ)孔。實(shí)際施工檢測(cè)結(jié)果為鉆孔傾斜0.22‰～5.13‰。

3.2 溫度控制

凍結(jié)區(qū)部分地層在凍結(jié)施工前已經(jīng)過擾動(dòng),因此凍結(jié)質(zhì)量是工程安全的關(guān)鍵,為此在凍結(jié)區(qū)內(nèi)布置有效測(cè)溫孔,根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算凍結(jié)效果。該段共布置測(cè)溫孔20個(gè),測(cè)溫孔設(shè)在相鄰凍結(jié)孔連線成的多面邊重心處,每天測(cè)溫兩次,及時(shí)掌握凍結(jié)發(fā)展情況。達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)時(shí)間后,根據(jù)測(cè)溫孔實(shí)測(cè)溫度推算凍結(jié)壁厚度。凍結(jié)壁溫度和厚度達(dá)到或超過設(shè)計(jì)值后方可進(jìn)行隧洞凍土的開挖施工。

4 凍土掘進(jìn)和襯砌施工

4.1 掘進(jìn)方法

爆破容易破壞凍結(jié)器,使鹽水泄露,引起凍結(jié)壁融化;另外,也容易震裂凍結(jié)壁,引進(jìn)地下水,使凍結(jié)體解凍,從而導(dǎo)致凍結(jié)失敗,引發(fā)安全事故。為避免破壞凍結(jié)壁,該段在凍土中掘進(jìn)時(shí)全部采用人工手持風(fēng)鎬掘鑿,從兩端向中間掘進(jìn),有軌運(yùn)輸出渣。

嚴(yán)格限制超挖,邊墻、頂拱超挖均不得大于10cm。凍結(jié)壁的厚度是固定的(邊墻2.2 m,頂拱3.0m),如果超挖過大,就會(huì)削減凍結(jié)壁厚度,從而降低抵抗外界水土壓力的性能。

凍土開挖嚴(yán)禁有外部水流入凍結(jié)區(qū),在凍結(jié)區(qū)與非凍結(jié)區(qū)交接處設(shè)集水坑,對(duì)外來水進(jìn)行有效截流和抽排。

4.2 支護(hù)措施

在隧洞開挖后,地層中原有的應(yīng)力平衡受到破壞,引起隧洞周圍地層中的應(yīng)力重新分布,從而使凍結(jié)帷幕產(chǎn)生變形。為控制變形的發(fā)展,在凍土開挖后及時(shí)對(duì)凍結(jié)帷幕進(jìn)行支護(hù)。

該段工程臨時(shí)支護(hù)采用全封閉型 I18工字鋼,縱向采用 I14型鋼連接,以提高其整體性和剛度。為防止凍結(jié)壁暴露時(shí)間過長(zhǎng)而造成凍結(jié)壁解凍,采用厚 4 cm的木背板作為保溫材料,封閉暴露的凍結(jié)壁,同時(shí)避免凍土與澆筑的混凝土直接接觸,有效防止混凝土早期受凍。木背板和凍結(jié)壁之間的空隙用水泥砂漿充填密實(shí),為防止砂漿受凍,在拌制砂漿時(shí)加入氯化鈉作為防凍劑(重量比為水∶氯化鈉 =100∶5)。

永久支護(hù)采用 C25鋼筋混凝土襯砌。為了防止混凝土早期受凍導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度和耐久性降低,在配備混凝土?xí)r,摻加防凍型早強(qiáng)劑,利用臨時(shí)支護(hù)作為隔溫層,保證新澆混凝土在達(dá)到允許受凍臨界強(qiáng)度(非大體積混凝土和鋼筋混凝土不應(yīng)低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 85%)前有一定的正溫養(yǎng)護(hù)期。

4.3 凍結(jié)壁暴露時(shí)間

開挖后凍結(jié)壁暴露時(shí)間不能過長(zhǎng),否則會(huì)溶化失穩(wěn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定,凍土暴露時(shí)間應(yīng)控制在 8 h以內(nèi),但根據(jù)實(shí)際情況(基于凍土變形和溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析)有所延長(zhǎng),實(shí)際暴露時(shí)間一般為1～2 d,最長(zhǎng) 3 d,實(shí)踐證明這樣是可行的,且大大減少了掘進(jìn)、支護(hù)、澆筑各工序之間的相互影響,縮短了工期,為隧洞按時(shí)通水提供了有效保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)星云湖撫仙湖出流改道工程主隧洞 K11+000～K11+120段所出現(xiàn)的涌水、涌砂和坍塌現(xiàn)象,在先后采取灌漿法、高壓旋噴灌漿法和頂管法施工均未獲成功,施工被迫中斷的情況下,經(jīng)過多方考察、研究、論證,采用凍結(jié)法地基處理技術(shù),取得了圓滿成功,保證了星云湖撫仙湖出流改道工程的順利完成。凍結(jié)法是解決短距離特殊地段地下工程施工技術(shù)難題的一種有效工法,必將得到更廣泛的應(yīng)用。

[1]馬芹永.人工凍結(jié)法的理論與施工技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2]王宗金,曹化春.我國(guó)凍結(jié)法施工技術(shù)及其發(fā)展[J].山西建筑,2006,32(18):147-148.