引洮一期工程7號(hào)隧洞4號(hào)斜井繞洞凍結(jié)開(kāi)挖技術(shù)

冉 曙 霞

(甘肅省引洮工程建設(shè)管理局，甘肅 蘭州 730030)

引洮一期工程7號(hào)隧洞4號(hào)斜井繞洞凍結(jié)開(kāi)挖技術(shù)

冉 曙 霞

(甘肅省引洮工程建設(shè)管理局，甘肅 蘭州 730030)

基于引洮一期工程7號(hào)隧洞4號(hào)斜井繞洞凍結(jié)加固工程，介紹了凍結(jié)加固段繞洞開(kāi)挖的支護(hù)方案和凍脹融沉控制等施工技術(shù)，工程的成功實(shí)施，為類似工程積累了一定的施工經(jīng)驗(yàn)。

凍結(jié)法，開(kāi)挖，支護(hù)，凍脹融沉

1 工程概況

甘肅省引洮供水一期工程7號(hào)隧洞4號(hào)斜井繞洞施工過(guò)程中遭遇含水疏松砂巖地質(zhì)地段，該地層圍巖為極軟巖，遇水極容易軟化并崩解，工程地質(zhì)性質(zhì)極其差；有地下水活動(dòng)，大部分呈滴或滲水狀，小部分呈線狀流水，涌水量在0.43 L/(min·m)～3.3 L/(min·m)之間，瞬時(shí)最大涌水量在8 L/(min·m)～10 L/(min·m)之間，滲透系數(shù)在10-5～10-6之間，地下水位在隧洞上部約10 m，測(cè)定水壓為0.2 MPa左右。開(kāi)挖后，圍巖穩(wěn)定性差，沒(méi)有自穩(wěn)時(shí)間，圍巖塑性變形強(qiáng)烈，掌子面坍塌嚴(yán)重；飽水極易出現(xiàn)掌子面涌砂現(xiàn)象。先后進(jìn)行了旋噴加固、水平注漿施工，開(kāi)挖過(guò)程中均有泥砂突涌。為保證施工安全可靠，決定采用凍結(jié)法加固土體后進(jìn)行暗挖法施工。

2 施工技術(shù)方案

根據(jù)工程勘探地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，先在繞洞內(nèi)鉆凍結(jié)孔，并用凍結(jié)法形成凍土帷幕，再進(jìn)行礦山法暗挖、構(gòu)筑施工。在繞洞內(nèi)鉆鑿水平或傾斜凍結(jié)孔，對(duì)地層進(jìn)行凍結(jié)加固，把繞洞周圍地層凍結(jié)成高強(qiáng)度、封閉性好的凍土帷幕，最后采用礦山暗挖的方法在凍土帷幕的保護(hù)下進(jìn)行繞洞的開(kāi)挖和支護(hù)施工，地層凍結(jié)、開(kāi)挖和支護(hù)全部在繞洞內(nèi)進(jìn)行。

開(kāi)挖和支護(hù)施工的順序?yàn)椋?/p>

準(zhǔn)備→先打探孔再試開(kāi)挖→邊開(kāi)挖邊進(jìn)行一次支護(hù)→進(jìn)行二次支護(hù)→進(jìn)行充填注漿→進(jìn)行融沉注漿。

2.1 開(kāi)挖方案

本繞洞開(kāi)挖采用人工掘進(jìn)，鏟車和出渣車配合輸送帶進(jìn)行運(yùn)輸。

先做施工及相應(yīng)的應(yīng)急準(zhǔn)備，再打探孔確認(rèn)凍結(jié)壁的厚度和平均溫度，然后從掌子面向前進(jìn)行正式開(kāi)挖。采用風(fēng)鎬+鐵鏟+破碎錘進(jìn)行開(kāi)挖，裝載機(jī)配合自卸王出土。開(kāi)挖高度為6.125 m，采用臺(tái)階式進(jìn)行開(kāi)挖。在開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)影響施工的進(jìn)行凍結(jié)管割除，然后用高壓軟管恢復(fù)凍結(jié)；對(duì)不影響施工的凍結(jié)管全部保留，繼續(xù)維護(hù)凍結(jié)，待全部完成開(kāi)挖、支護(hù)施工后，再進(jìn)行割除，以確保開(kāi)挖過(guò)程中凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度。在凍結(jié)和掘砌施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)溫度和凍結(jié)壁收斂變形監(jiān)測(cè)，以保證凍結(jié)施工的效果和掘砌施工的安全。

在凍結(jié)良好的凍結(jié)施工工作面搭設(shè)一個(gè)4 m×6 m的施工操作平臺(tái)，用作擺放小型設(shè)備、工具以及臨時(shí)堆放渣土等。

開(kāi)挖前在開(kāi)挖小導(dǎo)洞兩側(cè)用植筋膠植入18號(hào)以上螺紋鋼筋，然后焊接上工字鋼卡槽，可以保證出現(xiàn)不明情況時(shí)及時(shí)將洞口封閉。

繞洞開(kāi)挖總體的順序?yàn)椋?/p>

開(kāi)挖小導(dǎo)洞→10 m后全斷面開(kāi)挖至下游封堵墻→回挖擴(kuò)大上游10 m剩余渣土→拆除上游封堵墻→拆除下游封堵墻。

2.2 支護(hù)施工方案

支護(hù)施工分為臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)。臨時(shí)支護(hù)為一次支護(hù)，采用型鋼支撐+噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)；永久支護(hù)為二次支護(hù)，采用鋼筋+混凝土支護(hù)。

為保證凍土帷幕的安全，凍土開(kāi)挖后要對(duì)凍土帷幕進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。因?yàn)槔@洞開(kāi)挖施工的過(guò)程中，地層中的應(yīng)力平衡將發(fā)生改變，應(yīng)力在開(kāi)挖周圍土層中重新分布，使土層產(chǎn)生位移，已加固好的凍土帷幕便有了新形成的附加荷載作用在上面。

開(kāi)挖小導(dǎo)洞為2.5 m×2 m，采用型鋼加木板支撐，邊挖邊支，相鄰間距為0.6 m，采用鋼筋焊接，開(kāi)挖臨空面不超過(guò)1 m，采用小推車進(jìn)行運(yùn)輸?shù)讲僮髌脚_(tái)，然后用小鏟車裝入大型運(yùn)輸車運(yùn)出繞洞棄渣。挖至10 m后進(jìn)行全斷面開(kāi)挖，原有的小推車運(yùn)輸更換為輸送帶出土。邊挖邊支，采用型鋼加木板支撐，相鄰間距為0.5 m，開(kāi)挖臨空面不超過(guò)0.8 m，環(huán)向間隔1 m用20螺紋鋼筋水平焊接拉接。

一次支護(hù)施工采用22號(hào)b工字鋼+22號(hào)槽鋼+5 cm厚木板。工字鋼加工成矩形，槽鋼加工成拱形。繞洞內(nèi)臨時(shí)支護(hù)的鋼拱架采用封閉形式。每道支撐中部有2根橫撐和2根立柱，以增加支撐的穩(wěn)定性。拱形支撐排間距為0.50 m～0.60 m，為增加整個(gè)支護(hù)體系的整體性和穩(wěn)定性，相鄰支撐間有縱向拉桿。為減少凍土帷幕損失冷量和防止支架間凍土帷幕的變形，在鋼支撐后填滿木板，木板緊貼凍土帷幕，并盡可能減小木板與凍土帷幕之間的間隙，以防木板松動(dòng)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的永久支護(hù)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖與臨時(shí)支護(hù)完成后，進(jìn)行一次連續(xù)澆筑，以減少施工接縫。

在臨時(shí)支護(hù)與結(jié)構(gòu)層施工期間，在背板和凍土之間及防水層和結(jié)構(gòu)層之間預(yù)埋注漿管，作最后充填注漿用。

為了保證開(kāi)挖施工安全和進(jìn)度，從封堵墻向下游方向先開(kāi)挖小導(dǎo)洞，然后在凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度較高處進(jìn)行全斷面開(kāi)挖、支護(hù)施工。

采用型鋼支撐+木背板+噴射混凝土進(jìn)行一次支護(hù)。支撐間距0.5 m～0.6 m。相鄰支撐間用拉桿連接牢固，以增強(qiáng)支撐的穩(wěn)定性。支撐與凍土帷幕之間全用木板背密實(shí)，并用水泥砂漿把少量空隙充填嚴(yán)實(shí)。

在臨時(shí)支護(hù)施工過(guò)程中預(yù)埋注漿管，按2 m一個(gè)斷面布設(shè)注漿管，每個(gè)斷面布置4個(gè)注漿管。選用DN40×3.25 mm的焊接鋼管作為注漿管，注漿管一頭用管箍連接，另一頭裝上塑料帽。

2.3 噴射混凝土施工

臨時(shí)支撐+木板支護(hù)完成后，進(jìn)行噴射混凝土施工。在施工前在金屬支架上焊金屬網(wǎng)，由于受噴面為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，不利噴射物集結(jié)；為控制噴射混凝土厚度，可把若干短鋼筋焊接在金屬支架的適當(dāng)位置。噴射強(qiáng)度等級(jí)為C20的混凝土(配合比水泥與砂、石之重量比為1.0∶3.5～1.0∶4.0，水灰比為0.42～0.50，砂率50%～60%)，厚度為200 mm，噴射混凝土施工按GB 50086—2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行。支護(hù)層厚度25 cm左右，由于一次不易成型，分三次進(jìn)行噴射混凝土施工。前兩次噴射混凝土厚度約10 cm，第三次噴射找平，在前次噴射混凝土初凝后再進(jìn)行下一次噴射。從下向上進(jìn)行噴射混凝土施工，噴射物料按實(shí)驗(yàn)配合比加入速凝劑。在進(jìn)行墻體部分混凝土噴射施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)拆除幾塊金屬支撐后的木板，讓噴射混凝土進(jìn)入木板后面，便于一次支護(hù)層和繞洞四周凍土緊密接觸，防止凍土帷幕解凍時(shí)，土體發(fā)生變形對(duì)繞洞造成破壞。

3 凍脹融沉預(yù)防措施

3.1 基本預(yù)防措施

為減小地層中土體凍脹及融沉造成的破壞，依據(jù)凍脹及融沉研究成果、施工經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)資料和本工程特有的施工環(huán)境，對(duì)凍脹及融沉防治采取如下措施：1)在凍土帷幕內(nèi)未凍區(qū)域設(shè)置泄壓孔，泄壓孔數(shù)量以2個(gè)為宜，采用φ50×5 mm無(wú)縫鋼管作泄壓管，深入土體0.5 m以上。在泄壓管口安裝壓力表和用于泄壓的閥門(mén)，壓力表的精度應(yīng)達(dá)到±0.02 MPa以上。泄壓孔壓力超過(guò)初始?jí)毫?.2 MPa以上時(shí)應(yīng)進(jìn)行泄壓，排除凍土帷幕水和部分土體，消除作用在封堵墻和繞洞結(jié)構(gòu)體上的凍脹力。2)通過(guò)調(diào)整鹽水溫度和鹽水流量，確保凍結(jié)壁的厚度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。為調(diào)整、確定凍結(jié)施工參數(shù)提供可靠依據(jù)，在凍結(jié)過(guò)程中，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)封堵墻和繞洞結(jié)構(gòu)體變形的監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)凍結(jié)施工對(duì)繞洞結(jié)構(gòu)的影響。3)在凍土帷幕解凍過(guò)程中，地層中凍土體積會(huì)減小，使土體產(chǎn)生下沉。為了消除土體下沉對(duì)繞洞產(chǎn)生的破壞，在一次支護(hù)和二次支護(hù)體上預(yù)留注漿管，在凍土帷幕解凍過(guò)程中進(jìn)行注漿，用于充填凍土帷幕消融造成的凍土體積的減小。4)凍結(jié)停止后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行融沉注漿，以控制繞洞及地面不均勻沉降。

3.2 注漿控制融沉措施

1)補(bǔ)償注漿控制融沉。a.注漿管的布置。在結(jié)構(gòu)施工時(shí)沿繞洞頂部、側(cè)墻和底部全斷面預(yù)留注漿管。注漿管規(guī)格為2寸焊接鋼管，注漿管深入到達(dá)一次支護(hù)體與凍土帷幕之間；注漿孔沿繞洞軸線方向間距布置，共布置483根注漿管。b.注漿的材料。選用水玻璃和水泥為注漿原材料。水泥和水玻璃雙液漿配合比為：水泥漿水灰比為1∶1，水泥漿與水玻璃溶液體積比為1∶1，采用B35～B40水玻璃加約1.5倍體積的水進(jìn)行稀釋。c.注漿的順序。按照從底板→側(cè)墻→拱頂?shù)捻樞蜻M(jìn)行注漿，底板注漿時(shí)，從中部至兩側(cè)的注漿孔依次開(kāi)始注漿。d.注漿的方法及原則。單孔每次注漿量0.5 m3左右，最好不超過(guò)1.0 m3；注漿壓力為靜水壓力的2倍左右，壓力不大于1.0 MPa。注漿原則少量均勻多次。一天地表沉降不小于0.5 mm或累計(jì)地表沉降不小于1.0 mm時(shí)，必須進(jìn)行充填注漿；地層隆起不小于2.0 mm時(shí)應(yīng)停止注漿。施工過(guò)程中注漿量調(diào)整以地面變形監(jiān)測(cè)情況而定。

注漿前，將準(zhǔn)備注漿的注漿孔和其相鄰的注漿孔上的閥門(mén)全部打開(kāi)；注漿過(guò)程中，當(dāng)鄰孔連續(xù)出漿時(shí)關(guān)閉相鄰孔閥門(mén)，壓入定量漿液后可停止本孔注漿，關(guān)閉閥門(mén)；接著對(duì)相鄰孔注漿。遇到注漿孔堵住時(shí)，需用加長(zhǎng)沖擊鉆頭通孔。

2)注漿過(guò)程監(jiān)測(cè)。解凍過(guò)程中，要加強(qiáng)地表和繞洞沉降的監(jiān)測(cè)、凍土溫度的監(jiān)測(cè)、凍土帷幕外水土壓力的監(jiān)測(cè)，用以控制地表和繞洞沉降。注漿過(guò)程中，通過(guò)在相鄰注漿孔安裝壓力表，監(jiān)測(cè)注漿壓力的變形情況。通過(guò)綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以調(diào)整注漿參數(shù)。

3)結(jié)束融沉注漿的條件。根據(jù)地表沉降和繞洞穩(wěn)定性來(lái)判定融沉注漿是否可以結(jié)束。在凍土帷幕全部融化，不注漿的情況下，地層沉降不大于0.5 mm/半個(gè)月，方可停止融沉補(bǔ)償注漿。

4 結(jié)語(yǔ)

在本凍結(jié)繞洞開(kāi)挖施工過(guò)程中，主要采用了在繞洞內(nèi)布設(shè)水平孔、近水平孔凍結(jié)孔，用錨桿鉆機(jī)進(jìn)行鉆凍結(jié)孔，凍結(jié)法臨時(shí)加固土體，礦山暗挖法構(gòu)筑施工方案。采用鋼拱架和噴射混凝土相結(jié)合的支護(hù)方法以及凍結(jié)施工的凍脹融沉控制措施，工程的成功實(shí)施，工程的有關(guān)施工參數(shù)可以給類似的工程提供一定的參考和借鑒。

[1] 翁家杰.井巷特殊施工[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[2] 劉典基.凍結(jié)技術(shù)在地鐵聯(lián)絡(luò)隧道施工中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2004，24(2)：32-35.

[3] 岳豐田,張水賓,李文勇,等.地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固融沉注漿研究[J].巖土力學(xué),2008，29(8):2283-2286.

Freezing excavation technology of 7# tunnel 4# inclined shaft of Yintao phase1 engineering

Ran Shuxia

(GansuYintaoEngineeringConstructionAdministrationBureau,Lanzhou730030,China)

Based on 7# tunnel 4# inclined shaft freezing reinforcement project of Yintao phase1 engineering, the paper introduces successful implementation of tunnel excavation support scheme and freezing-thawing control of freezing reinforcement section, which has accumulated certain construction experience for similar engineering.

freezing method, excavation, support, freezing-thawing

1009-6825(2015)07-0163-02

2014-12-23

冉曙霞(1972- )，女，高級(jí)工程師

U455.4

A