深埋含水粉細(xì)砂巖地層隧洞水平凍結(jié)施工風(fēng)險(xiǎn)控制研究

(甘肅省引洮工程建設(shè)管理局，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

甘肅引洮供水一期工程總干渠7#隧洞全長(zhǎng)17.29 km，圓形斷面，凈洞徑Ф4.96 m，縱坡1/1 650，采用1臺(tái)單護(hù)盾全斷面巖石隧洞掘進(jìn)機(jī)(Single Shield TBM)施工。TBM開(kāi)挖掘進(jìn)施工中遇富含水疏松粉細(xì)砂巖不良地層，導(dǎo)致TBM被困并栽頭下沉最大達(dá)663.0 mm，之后采取井點(diǎn)降水及超前大管棚結(jié)合注漿等多種方法開(kāi)挖，均由于圍巖極不穩(wěn)定、變形嚴(yán)重、涌水及涌砂等而無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)施工[1,2]。而地層凍結(jié)施工技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于含水軟弱地層煤礦巷道，以及地鐵與軌道交通工程，解決了其他工法難以解決的許多工程難題[3]，經(jīng)多方論證和比選，最終確定采用洞內(nèi)水平凍結(jié)法完成TBM解困，以及停工掌子面下游剩余洞段的開(kāi)挖掘進(jìn)施工。

在凍結(jié)工程的風(fēng)險(xiǎn)控制及分析研究方面，已有“以上海M線為工程實(shí)例，介紹了凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道的工藝、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的設(shè)立及風(fēng)險(xiǎn)分析，并詳述了風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策”[4]、“上海軌道交通4號(hào)線工程采用凍結(jié)法施工的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，防范風(fēng)險(xiǎn)的安全技術(shù)措施與應(yīng)急預(yù)案”[5]、“從工程地質(zhì)勘察、方案設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和人員管理因素四方面分析在承壓水地層應(yīng)用凍結(jié)法的風(fēng)險(xiǎn)影響因素，并提出應(yīng)對(duì)突發(fā)險(xiǎn)情的工程對(duì)策”[6]、“聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工中可能出現(xiàn)的冷凍前設(shè)備安裝、冷凍過(guò)程操作、冷凍期間溫度維持、設(shè)備拆除及施工開(kāi)挖等風(fēng)險(xiǎn)，提出相應(yīng)防范措施”[7]、“杭州地鐵1號(hào)線33.4 m超長(zhǎng)聯(lián)絡(luò)通道各施工階段風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別和分析，確定凍結(jié)管鉆孔偏斜、承壓水危害、凍脹變形和泵房開(kāi)挖分別是各施工階段最大風(fēng)險(xiǎn)事件，并進(jìn)行有效控制”[8]、“通過(guò)歸納聯(lián)絡(luò)通道施工中風(fēng)險(xiǎn)事件產(chǎn)生的原因、后果，建立聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道風(fēng)險(xiǎn)劃分等級(jí)，并提出應(yīng)對(duì)措施”[9]，以及“郭屯煤礦凍結(jié)法鑿井風(fēng)險(xiǎn)管理組織設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)管理識(shí)別、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)信息化管理決策方面研究”[10]等諸多風(fēng)險(xiǎn)控制與分析研究。

本文針對(duì)7#隧洞水平凍結(jié)洞段埋深大(最大埋深248.0 m)，且穿越富含水疏松粉細(xì)砂巖地層，對(duì)施工過(guò)程的凍結(jié)孔、凍結(jié)與開(kāi)挖施工，以及凍結(jié)后融沉變形控制等方面存在的風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行深入分析。

2 凍結(jié)孔施工風(fēng)險(xiǎn)控制

2.1 開(kāi)孔過(guò)程中產(chǎn)生涌水及涌砂

由于凍結(jié)施工段洞身圍巖為富含水疏松粉細(xì)砂巖地層，凍結(jié)孔開(kāi)孔施工中須采用專用的孔口管且固定牢固，否則可能出現(xiàn)涌水及涌砂，甚至出現(xiàn)噴砂，淹沒(méi)已修建的隧洞。其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括改進(jìn)鉆進(jìn)密閉裝置，高水壓情況下水平鉆孔采用常規(guī)單向閥密封難以鉆進(jìn)，須對(duì)單向閥進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)頭部進(jìn)行尺寸進(jìn)行調(diào)整，改變內(nèi)部出水方式。

2.2 鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)涌水及涌砂

凍結(jié)孔鉆進(jìn)過(guò)程中要控制水土的流失量，若孔口密封裝置未壓緊或鉆機(jī)頂力不夠，可能造成水土順鉆桿或密封裝置流出。其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括鉆進(jìn)過(guò)程中使用凍結(jié)管作為鉆桿，鉆孔完成后不將鉆桿抽出，避免水土涌出；鉆進(jìn)盡量使用干鉆，當(dāng)難以鉆進(jìn)時(shí)再通水，同時(shí)控制水土的流失量；若鉆進(jìn)過(guò)程中水土的流失量過(guò)多，在凍結(jié)孔施工結(jié)束后須進(jìn)行孔位注漿；鉆進(jìn)過(guò)程中要經(jīng)常檢查孔口密封裝置，及時(shí)緊固螺絲，防止水土從孔口密封裝置的縫隙中流出。

2.3 凍結(jié)孔施工偏斜過(guò)大

凍結(jié)管施工精度直接影響凍結(jié)的效果，若凍結(jié)孔的施工偏斜過(guò)大，可能造成后續(xù)凍結(jié)施工存在薄弱環(huán)節(jié)，從而影響開(kāi)挖及構(gòu)筑施工。引起凍結(jié)孔偏斜大的主要原因有開(kāi)孔位置偏差大及開(kāi)孔角度偏差大，其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括凍結(jié)孔施工前須詳細(xì)復(fù)核開(kāi)孔位置；鉆孔過(guò)程中要定期復(fù)測(cè)鉆進(jìn)角度，避免鉆進(jìn)角度偏差大；鉆孔完成后及時(shí)進(jìn)行測(cè)斜，若凍結(jié)孔偏斜超允許值，需在適當(dāng)位置補(bǔ)打凍結(jié)孔。

3 凍結(jié)施工風(fēng)險(xiǎn)控制

3.1 凍結(jié)施工不連續(xù)

凍結(jié)施工一般要求連續(xù)凍結(jié)，若凍結(jié)過(guò)程中停電或出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)，極易造成已形成的凍結(jié)帷幕停止發(fā)展或解凍，影響形成的凍結(jié)壁強(qiáng)度，需延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間來(lái)保證形成凍結(jié)壁的質(zhì)量。若在開(kāi)挖和構(gòu)筑階段出現(xiàn)停止凍結(jié)的情況，可能在短時(shí)間內(nèi)造成凍結(jié)帷幕強(qiáng)度降低，變形加大，不能發(fā)揮圍護(hù)作用，導(dǎo)致施工的失敗。其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括準(zhǔn)備備用冷凍機(jī)、清水泵及鹽水泵等關(guān)鍵設(shè)備，各準(zhǔn)備1套備用設(shè)備，在施工前接入系統(tǒng)并試運(yùn)轉(zhuǎn)正常，當(dāng)某一設(shè)備出現(xiàn)故障后，及時(shí)啟用備用設(shè)備，短期內(nèi)恢復(fù)凍結(jié)；準(zhǔn)備雙路供電，供電線路發(fā)生故障時(shí)啟用備用線路恢復(fù)供電，及時(shí)恢復(fù)凍結(jié)；開(kāi)挖及構(gòu)筑階段現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備發(fā)電設(shè)備，以應(yīng)付凍結(jié)過(guò)程中的突然停電；積極凍結(jié)期間若停止凍結(jié)24 h以上時(shí)，需延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間，以提高凍結(jié)壁的強(qiáng)度；開(kāi)挖及構(gòu)筑階段若出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間停止凍結(jié)情況，應(yīng)停止開(kāi)挖及構(gòu)筑施工，采取保溫及關(guān)閉應(yīng)急門等措施，防止產(chǎn)生災(zāi)害性后果。

3.2 凍結(jié)帷幕存在薄弱環(huán)節(jié)

凍結(jié)形成的帷幕應(yīng)保證盡可能均勻，減少薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)。若凍結(jié)帷幕的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)變形過(guò)大及漏水等現(xiàn)象，可能會(huì)造成薄弱環(huán)節(jié)附近的凍結(jié)壁強(qiáng)度迅速降低，變形加大，引起凍結(jié)帷幕的圍護(hù)作用失效。其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括凍結(jié)過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，保證凍結(jié)鹽水循環(huán)均勻，避免凍結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)；凍結(jié)孔完工后根據(jù)施工資料，分析可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，在薄弱環(huán)節(jié)處補(bǔ)孔加強(qiáng)凍結(jié)，同時(shí)在薄弱環(huán)節(jié)處設(shè)置測(cè)溫孔，以掌握整個(gè)凍結(jié)過(guò)程中薄弱環(huán)節(jié)凍結(jié)帷幕發(fā)展情況；積極凍結(jié)完成后根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，分析凍結(jié)壁的形成狀況，在薄弱環(huán)節(jié)處補(bǔ)探孔，以驗(yàn)證凍結(jié)帷幕薄弱環(huán)節(jié)的凍結(jié)狀況。

3.3 凍結(jié)管斷裂

在凍結(jié)過(guò)程中，由于鹽水降溫過(guò)程不規(guī)律、凍結(jié)管材質(zhì)有缺陷或是連接方式不科學(xué)、或開(kāi)挖過(guò)程中凍結(jié)帷幕的變形過(guò)大等，都會(huì)造成凍結(jié)管的斷裂。凍結(jié)管斷裂后不能繼續(xù)凍結(jié)，同時(shí)會(huì)造成凍結(jié)管中鹽水漏失，導(dǎo)致凍結(jié)帷幕中出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括凍結(jié)開(kāi)始階段精心施工，保證降溫符合規(guī)律，避免凍結(jié)管產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力；凍結(jié)過(guò)程中要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)管斷裂后，要立即停止斷裂凍結(jié)管的鹽水循環(huán)，防止大量鹽水進(jìn)入凍結(jié)區(qū)域，造成凍結(jié)壁的融化；及時(shí)采取下套管等措施，對(duì)凍結(jié)管進(jìn)行處理，盡快恢復(fù)凍結(jié)。

3.4 鹽水漏失

凍結(jié)過(guò)程中若凍結(jié)管出現(xiàn)滲漏或斷裂時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鹽水漏失，引起凍結(jié)帷幕融化或土層難以結(jié)冰，導(dǎo)致凍結(jié)帷幕存在薄弱環(huán)節(jié)。其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括加強(qiáng)對(duì)鹽水箱鹽水水位的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)鹽水水位波動(dòng)較大時(shí)，及時(shí)分析原因；凍結(jié)孔施工完成后進(jìn)行打壓試驗(yàn)，保證打壓壓力不小于工作壓力的2倍，以保證凍結(jié)管的施工質(zhì)量；全部?jī)鼋Y(jié)孔施工完成后，全部?jī)鼋Y(jié)孔進(jìn)行復(fù)打壓試驗(yàn)，保證所有凍結(jié)管在凍結(jié)前的質(zhì)量；若凍結(jié)管存在滲漏情況，可在凍結(jié)管中下入套管，繼續(xù)進(jìn)行凍結(jié)。

4 開(kāi)挖掘進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)控制

4.1 開(kāi)挖掘進(jìn)判定條件不科學(xué)

積極凍結(jié)形成的凍結(jié)帷幕滿足設(shè)計(jì)要求，可提供足夠的圍護(hù)作用時(shí)，方可進(jìn)行開(kāi)挖掘進(jìn)工作。由于凍結(jié)過(guò)程中影響因素較多，而獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)相對(duì)較少，若開(kāi)挖掘進(jìn)判定條件不科學(xué)，凍結(jié)帷幕不能提供足夠的圍護(hù)作用，導(dǎo)致災(zāi)難性后果的發(fā)生。其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括開(kāi)挖掘進(jìn)條件的判定需經(jīng)確認(rèn)后，方可進(jìn)行開(kāi)挖施工；開(kāi)挖掘進(jìn)條件滿足要求后，在適當(dāng)位置補(bǔ)探孔驗(yàn)證分析結(jié)果，并對(duì)凍結(jié)效果進(jìn)行評(píng)估。

4.2 凍結(jié)壁變形大

開(kāi)挖掘進(jìn)施工過(guò)程中，由于局部?jī)鐾玲∧缓穸炔粔?，凍結(jié)壁強(qiáng)度低、或支撐質(zhì)量不好、或凍土暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，均可能會(huì)造成凍結(jié)壁的變形過(guò)大。若不采取措施控制凍結(jié)壁變形發(fā)展，可能造成凍結(jié)壁的失效，不能提供足夠的圍護(hù)作用，導(dǎo)致災(zāi)害性后果的發(fā)生。其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括開(kāi)挖掘進(jìn)施工開(kāi)始后，采取加強(qiáng)凍結(jié)的措施，保證鹽水溫度不升高，提高凍結(jié)壁的強(qiáng)度；保證一次支護(hù)支撐結(jié)構(gòu)和凍結(jié)壁緊密接觸，若支撐結(jié)構(gòu)后的木背板與凍結(jié)壁之間縫隙過(guò)大，采用填砂等方法使兩者之間接觸緊密；開(kāi)挖掘進(jìn)施工中加強(qiáng)對(duì)凍結(jié)壁和一次支護(hù)支撐結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)，當(dāng)凍結(jié)壁和支撐結(jié)構(gòu)變形過(guò)大時(shí)，采取縮小支撐間距的辦法，減小凍結(jié)壁和支撐結(jié)構(gòu)的變形；開(kāi)挖掘進(jìn)后要及時(shí)實(shí)施一次支護(hù)，縮短開(kāi)挖掘進(jìn)后凍結(jié)壁的暴露時(shí)間，必要時(shí)縮短開(kāi)挖掘進(jìn)單循環(huán)洞長(zhǎng)；一次支護(hù)結(jié)構(gòu)完成后，在一次支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)掛網(wǎng)噴混凝土，以提高一次支護(hù)支撐結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定性。

4.3 開(kāi)挖掘進(jìn)施工掌子面滲水

若開(kāi)挖掘進(jìn)后凍結(jié)壁存在薄弱環(huán)節(jié)，可能造成開(kāi)挖面滲水，而滲水易引起凍結(jié)壁失穩(wěn)，導(dǎo)致凍結(jié)壁不能提供圍護(hù)作用。其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括開(kāi)挖掘進(jìn)施工過(guò)程中加強(qiáng)觀測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁的薄弱環(huán)節(jié)；對(duì)開(kāi)挖掘進(jìn)施工掌子面存在的薄弱環(huán)節(jié)采取保溫，以及使用液氮凍結(jié)器加強(qiáng)凍結(jié)等措施，提高薄弱環(huán)節(jié)的凍結(jié)壁強(qiáng)度；若開(kāi)挖掘進(jìn)施工掌子面有水滲出時(shí)，立即停止施工，及時(shí)對(duì)滲水點(diǎn)進(jìn)行處理，若出水量小，則利用快干水泥封堵；當(dāng)開(kāi)挖掘進(jìn)施工掌子面滲水量大，形成線流不能控制時(shí)，采用砂袋堆填封堵開(kāi)挖掘進(jìn)施工掌子面控制漏水，停止開(kāi)挖施工，繼續(xù)加強(qiáng)凍結(jié)，待開(kāi)挖掘進(jìn)施工掌子面穩(wěn)定后，恢復(fù)施工。

4.4 開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程凍結(jié)壁超挖過(guò)大

若開(kāi)挖掘進(jìn)施工過(guò)程中洞身軸線偏移，或開(kāi)挖掘進(jìn)尺寸控制不當(dāng)，將會(huì)造成凍結(jié)壁的超挖過(guò)大，引起凍結(jié)壁厚度降低，使凍結(jié)帷幕不能提供足夠的圍護(hù)作用，同時(shí)會(huì)對(duì)后續(xù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑施工造成影響。其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括開(kāi)挖掘進(jìn)施工前，在隧洞內(nèi)標(biāo)識(shí)開(kāi)挖掘進(jìn)施工洞身軸線及其外輪廓線位置，作為開(kāi)挖掘進(jìn)施工尺寸復(fù)核控制的參考；開(kāi)挖掘進(jìn)施工過(guò)程中，定期復(fù)核開(kāi)挖掘進(jìn)施工洞身軸線及其外輪廓線尺寸，避免偏差過(guò)大；若凍結(jié)壁超挖過(guò)大，需停止開(kāi)挖掘進(jìn)施工，對(duì)超挖凍結(jié)壁進(jìn)行保溫及加強(qiáng)凍結(jié)，并對(duì)凍結(jié)效果進(jìn)行評(píng)估，凍結(jié)壁滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，方可繼續(xù)開(kāi)挖掘進(jìn)施工。

5 凍結(jié)后融沉變形風(fēng)險(xiǎn)控制

隧道開(kāi)挖掘進(jìn)施工結(jié)束后，凍結(jié)帷幕的解凍會(huì)引起凍結(jié)區(qū)域的融沉，若融沉變形過(guò)大，會(huì)造成洞身二次襯砌的變形。其風(fēng)險(xiǎn)控制的措施主要包括根據(jù)變形情況，使用洞身二次襯砌結(jié)構(gòu)施工預(yù)留的注漿孔，對(duì)凍結(jié)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行跟蹤注漿；確定合理的地面及洞身變形的控制指標(biāo)，作為跟蹤注漿及停止注漿的依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

引洮供水一期總干渠7#隧洞工程富含水粉細(xì)砂巖洞段最大埋深達(dá)248.0 m，采用洞內(nèi)水平凍結(jié)法進(jìn)行加固，礦山法開(kāi)挖掘進(jìn)施工。通過(guò)對(duì)隧洞凍結(jié)施工過(guò)程的凍結(jié)造孔、凍結(jié)與開(kāi)挖掘進(jìn)等施工過(guò)程，以及凍結(jié)后融沉變形等階段風(fēng)險(xiǎn)因素的判別與分析研究，分別提出相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)控制工程技術(shù)措施，達(dá)到預(yù)期目的，實(shí)施效果良好，確保了隧洞安全順利地完成開(kāi)挖掘進(jìn)施工。