凍結(jié)法在含水疏松砂巖地層隧洞施工中的應(yīng)用

康小虎

(甘肅省引洮工程建設(shè)管理局，甘肅蘭州 730030)

1 工程概況

甘肅省引洮供水一期工程計劃從洮河九甸峽水利樞紐調(diào)水至甘肅省中部干旱地區(qū)定西市一帶，一期工程直接供水縣(區(qū))城2個，供水鄉(xiāng)鎮(zhèn)36個，供水區(qū)受益總鄉(xiāng)鎮(zhèn)57個，總控制灌溉面積19萬畝。工程主要建筑物包括調(diào)水總干渠1條，長110.47 km;干渠3條，全長146.19 km;支渠及分支渠20條，全長238.18 km;供水管線12條，全長113.274 km。甘肅省引洮供水一期工程7號隧洞出口工區(qū)自2010年4月20日進入含水疏松砂巖地質(zhì)地段先后發(fā)生TBM卡機、突泥涌砂、TBM低頭等不良地質(zhì)地段，最終被迫轉(zhuǎn)場。本段為N2L2s疏松砂巖地層中，圍巖巖性軟弱，屬極軟巖，遇水極易軟化崩解，工程地質(zhì)性質(zhì)極差;圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響，具巨厚層狀結(jié)構(gòu)，單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀NW310°SW∠20°～25°斷裂構(gòu)造不發(fā)育，圍巖結(jié)構(gòu)較完整，完整性系數(shù)0.6～0.8。地下水位位于洞室頂部10 m，測定水壓為0.2 MPa。地下水水質(zhì)差，對混凝土具硫酸鹽強腐蝕性。已完成的隧道部分出現(xiàn)下沉現(xiàn)象?？紤]到該段工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，提出采用凍結(jié)法加固的施工方案。

2 總體施工方案

2.1 施工方案設(shè)計的基本原則

采用凍結(jié)法加固土體安全可靠，適應(yīng)該段工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。本施工方案設(shè)計的基本原則是:1)水平孔凍結(jié)帷幕技術(shù)性能必須滿足隧洞施工的安全和質(zhì)量要求，加固土體的厚度和強度應(yīng)達到設(shè)計要求。2)水平孔凍結(jié)方案應(yīng)符合現(xiàn)場實際條件，具有可操作性。3)施工方案應(yīng)在滿足工程要求工期的前提下具備優(yōu)化潛力。4)施工方案中考慮相關(guān)公共設(shè)施的位置及其安全保障，滿足環(huán)境保護及節(jié)能要求。

2.2 凍結(jié)加固方案設(shè)計的主要技術(shù)要點

為控制凍結(jié)孔鉆進、地層凍脹和融沉等對隧洞及地面的影響，根據(jù)國內(nèi)外最新研究成果和施工經(jīng)驗，提出以下凍結(jié)設(shè)計技術(shù)要點:1)根據(jù)隧洞的結(jié)構(gòu)采用近水平成孔或斜孔，每個鉆孔都設(shè)孔口管，并安裝孔口密封裝置。根據(jù)現(xiàn)場實際情況固定加固孔口管，采用厚度16 mm加肋筋鋼板封堵整個隧洞斷面，交接面滿焊，以防鉆進時大量泥水涌出。2)凍土帷幕的厚度及強度應(yīng)滿足隧洞開挖的要求，尤其保證凍結(jié)帷幕的厚度，同時確保凍結(jié)帷幕的完全膠結(jié)。做好凍結(jié)和開挖的配合工作，并根據(jù)開挖后凍結(jié)帷幕變形情況及時調(diào)整開挖構(gòu)筑工藝。3)為減小凍脹對隧洞的影響，采用小開孔距、較低鹽水溫度、較大鹽水流量等措施，以加快凍結(jié)速度，并在適當(dāng)部位布設(shè)泄壓孔，在凍脹力達到一定值時進行手動泄壓。4)通過測溫孔和泄壓孔，監(jiān)測凍土帷幕的形成過程和形成狀況。重點監(jiān)測凍土帷幕與局部隧洞凍結(jié)的膠結(jié)情況。5)在隧洞底板、兩側(cè)、頂部混凝土中預(yù)埋注漿孔，以便注漿防止凍土融沉引起的地面沉降及隧洞的沉降變形。進行凍結(jié)地層溫度監(jiān)測、地層沉降變形的監(jiān)測、隧洞變形的監(jiān)測，以指導(dǎo)隧洞的施工。6)為減小凍融的不利影響，實施按需注漿的方案，以控制地面的不均勻沉降。

2.3 施工總體方案

根據(jù)工程地質(zhì)條件及其他施工條件，確定采用“隧洞內(nèi)鉆鑿，布設(shè)水平孔、近水平孔凍結(jié)加固圍巖，礦山法開挖砌筑”的施工方案，即:在隧洞內(nèi)利用水平孔和部分小傾斜角度凍結(jié)孔相結(jié)合的方式凍結(jié)加固地層，在開挖空間外形成滿足設(shè)計要求的具有一定強度的封閉性凍土帷幕，然后在凍結(jié)壁的保護下采用“新奧法”進行隧洞的開挖和砌筑施工。

3 凍結(jié)壁設(shè)計

圖1 凍結(jié)孔布置平面圖

1)凍結(jié)壁。a.凍土強度的設(shè)計指標(biāo)為:單軸抗壓3.6 MPa，抗折2 MPa，抗剪1.5 MPa(-10℃)。b.積極凍結(jié)時，在凍結(jié)區(qū)附近200 m范圍內(nèi)不得采取降水措施。在凍結(jié)區(qū)內(nèi)土層中不得有集中水流。c.在凍結(jié)壁附近隧洞內(nèi)側(cè)敷設(shè)保溫層，敷設(shè)范圍至設(shè)計凍結(jié)壁邊界處2 m。保溫層采用保溫板，厚度50 mm，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.04 W/(m·K)。d.積極凍結(jié)時間初步設(shè)計為50 d。凍結(jié)孔單孔流量控制在5 m3/h以上;鹽水溫度降溫遵循下面要求:積極凍結(jié)7 d至-18℃以下;15 d至-24℃以下;開挖時至-28℃以下。若鹽水溫度和鹽水流量達不到設(shè)計，必須延長凍結(jié)時間。e.凍結(jié)壁與隧洞管片交接面處溫度低于-5℃。凍結(jié)壁平均溫度為-10℃。f.當(dāng)施工中地層及環(huán)境條件與原設(shè)計依據(jù)資料有重大變化時，應(yīng)及時修改凍結(jié)帷幕設(shè)計。2)凍結(jié)主要參數(shù)。a.隧洞兩側(cè)、拱頂以及底板凍結(jié)帷幕厚均為2.5 m。b.凍結(jié)加固結(jié)構(gòu)處布置4圈凍結(jié)管，最外圈凍結(jié)管作為加強凍結(jié)維護。A圈布置24根凍結(jié)管，長25 m;B圈布置12根凍結(jié)管，長25 m;C圈布置3根凍結(jié)管，長25 m;J圈布置25根凍結(jié)管，長20 m。本次搶修中共布置64個凍結(jié)孔、4個測溫孔，具體布置見圖1。其中，標(biāo)注“T”字的孔為測溫孔。c.根據(jù)計算，凍結(jié)總需制冷量約13×104kcal/h;凍土平均溫度-10℃;積極凍結(jié)期50 d，設(shè)計最低鹽水溫度為-28℃～-30℃;單孔鹽水流量不小于5 m3/h。3)凍結(jié)設(shè)備。用4臺JYSLGF300螺桿機組，2臺30 kW的IS200-150-315鹽水泵(流量 400 m3/h)，2臺 55 kW 的 IS200-150-425清水泵(流量425 m3/h)，2臺7.5 kW的GBNL3冷卻塔。

4 凍結(jié)加固施工

1)主要施工順序為:施工準(zhǔn)備→凍結(jié)孔施工(同時安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)，鹽水系統(tǒng)和檢測系統(tǒng))→積極凍結(jié)→探孔試挖→掘進與臨時支護→隧洞永久支護→結(jié)構(gòu)注漿→進行融沉注漿充填。凍結(jié)孔施工和隧洞臨時支護施工為本工程的關(guān)鍵工序;凍結(jié)溫度檢測、土體變形、壓力監(jiān)測及隧洞永久支護施工為特殊工序。2)為了保證隧洞內(nèi)凍結(jié)區(qū)域的凍結(jié)效果，凍結(jié)施工前必須對加固結(jié)構(gòu)附近隧洞進行充填注漿。3)凍結(jié)過程中通過布置的測溫孔對凍結(jié)區(qū)域的溫度場進行了跟蹤監(jiān)測，去回路溫差控制在2.0℃以內(nèi)。4)由測溫孔觀測數(shù)據(jù)可知，凍結(jié)區(qū)域內(nèi)部(隧洞以內(nèi))凍土平均發(fā)展速度較快，平均發(fā)展速度在25.8 mm/d～32.5 mm/d;向外發(fā)展速度稍慢，平均在20.7 mm/d～24.3 mm/d。

5 結(jié)語

甘肅省引洮供水一期工程7號隧洞含水疏松砂巖地層采用凍結(jié)法加固施工，凍結(jié)參數(shù)的選擇是合理的，通過實時監(jiān)測，獲得了含水疏松砂巖凍結(jié)施工過程中凍結(jié)壁的發(fā)展速度，指導(dǎo)了含水疏松砂巖地層凍結(jié)施工的順利進行，說明了凍結(jié)法在含水疏松砂巖不良地層中是有效的。

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