淺水位斜坡道明槽凍結(jié)法施工技術(shù)研究與應(yīng)用

牛鵬翔，劉曉亭，孟中朝，劉智育，陳 君

(中煤第一建設(shè)有限公司，河北 邯鄲 056003)

目前，礦山斜井井筒明槽段在含水貧乏的地層一般采用機(jī)械大開(kāi)挖的方式，對(duì)邊坡采取一定的木樁、插板等支護(hù)，一次開(kāi)挖，一次澆筑。針對(duì)含水豐富的地層，李忠華在明槽周圍施工降水小井來(lái)降低施工范圍內(nèi)的靜水位，減小涌水量，為明槽開(kāi)挖創(chuàng)造良好條件[1]；王者堯采用深水泵井點(diǎn)降水、超前小井排水、大揭蓋明槽開(kāi)挖的方式進(jìn)行了明槽施工[2]；于新鋒采用管井降水降低含水厚表土層水位標(biāo)高，使水位線低于明槽開(kāi)挖底面，減少明槽開(kāi)挖時(shí)的涌水量及土體含水量，提高土體穩(wěn)定性[3]；辛建麗在泰州市遠(yuǎn)東大道深基坑施工中采用了輕型井點(diǎn)降水法施工達(dá)到了降水目標(biāo)[4]；付景旺采用明槽大揭蓋與冬季自然凍結(jié)法相結(jié)合的方法通過(guò)了流沙層[5]。通常采用降水法及大揭蓋開(kāi)挖施工，開(kāi)挖面積大，土方量高，而且施工周期長(zhǎng)、施工效率低。而采用凍結(jié)法施工明槽在國(guó)內(nèi)尚屬首次，通過(guò)研究采用U型凍結(jié)壁與鋼板樁聯(lián)合支護(hù)的綜合防護(hù)技術(shù)使馬城鐵礦主斜坡道明槽工程順利通過(guò)了靜水位淺、地下水流速高的地層，避免了地下水對(duì)施工的影響，保證了井筒在相對(duì)干燥的情況下施工，為今后施工類似工程提供了有力的支撐。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)

馬城鐵礦隸屬于河北灤南縣馬城鎮(zhèn)，主斜坡道工程位于前蘇村東約1km，場(chǎng)地主要為耕地，耕地整體較平整，最大落差2.1m，場(chǎng)地原始地貌為灤河沖積平原。井筒斜長(zhǎng)1233.665m，平均坡度11.6%，最大坡度12%，凈斷面20.17m2，其中明硐段斜長(zhǎng)13.327m，區(qū)間高程+17.30～+15.60m；明槽段斜長(zhǎng)68.666m，區(qū)間高程+15.6～+7.13m。明槽段采用馬蹄形斷面，鋼筋混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度550mm，強(qiáng)度等級(jí)C50；底板鋪設(shè)防水塑料薄膜一層、150mm“三七”灰土、150mm厚的C25混凝土防水墊層。斜坡道明槽斷面圖如圖1所示。

圖1 斜坡道明槽斷面圖(mm)

1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)

明槽場(chǎng)地地層為第四系沖洪積層及太古界單塔子群白廟子組地層，主要為粉細(xì)砂、細(xì)中砂、圓礫。粉細(xì)砂主要為灰黃色，稍濕、松散，表層為耕植土，下部長(zhǎng)英質(zhì)為主，局部有粉土薄層，分選磨圓中等，厚3.0～4.7m。細(xì)中砂主要為灰黃色，稍濕～濕，中密，局部松散，長(zhǎng)英質(zhì)，分選磨圓中等，下部偶見(jiàn)小礫石，5.0～5.3m為粘性土薄層，厚2.9～5.8m。圓礫主要為雜色，飽和，中密，以石英巖為主，礫徑 1～3cm左右，約占 55%左右，偶見(jiàn)大塊，充填中粗砂，厚2.2～11.9m。

項(xiàng)目區(qū)處于沖洪積扇中部，滲透系數(shù)k=550m/d，屬?gòu)?qiáng)富水性含水層。項(xiàng)目區(qū)淺層地下水水位埋深6.13m 左右，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水、地表水的入滲以及灌溉水回歸，排泄方式以人工開(kāi)采為主，水位水量隨季節(jié)變化明顯，水位年變化幅度 1.0～3.0m。靜水位標(biāo)高+9.5m，自然地坪標(biāo)高+15.6m。

2 施工技術(shù)方案

馬城鐵礦主斜坡道工程明槽段施工分為兩個(gè)階段施工，分別是普通明槽段(在靜水位以上部分)和凍結(jié)明槽段(本文主要說(shuō)明靜水位以下明槽施工，即凍結(jié)明槽段施工)。普通明槽段采用機(jī)械大開(kāi)挖的方式施工，凍結(jié)明槽段采用“凍結(jié)+鋼板樁”聯(lián)合支護(hù)保證邊坡穩(wěn)定后[6]，再進(jìn)行明槽施工。

2.1 凍結(jié)施工方案

1)高程+12.5～+8.37m，里程38.699～71.996m，斜長(zhǎng)33.297m。采用7排凍結(jié)孔，封頭孔和兩側(cè)雙排孔均采用?133mm×5mm凍結(jié)管，中排三排孔井筒底板以上采用?89mm×5mm異徑管凍結(jié)，底板以下采用?133mm×5mm凍結(jié)管。

2)高程+8.37～+7.13m，里程71.996～81.993m，斜長(zhǎng)9.997m，為相接段，即明轉(zhuǎn)暗過(guò)渡段，采用5排孔凍結(jié)。側(cè)幫孔、封頭孔和頂?shù)装鍍鼋Y(jié)壁采用?133mm×5mm凍結(jié)管，穿井筒中排孔井內(nèi)采用?89mm×5mm保溫管局部保溫。

3)凍結(jié)工程中通過(guò)測(cè)溫孔、水文孔數(shù)據(jù)計(jì)算，分析凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r，綜合分析確認(rèn)凍結(jié)壁滿足開(kāi)挖條件，預(yù)計(jì)開(kāi)凍至開(kāi)挖時(shí)間65d。

2.2 鋼板樁支護(hù)方案

在打鉆凍結(jié)前按巷道走向兩側(cè)及明槽轉(zhuǎn)暗硐位置，采用鋼板樁提前對(duì)凍結(jié)壁進(jìn)行內(nèi)支撐，形成鋼板樁支護(hù)[7]，工字鋼樁中至中間距1.0m，自X5點(diǎn)向前2.0m開(kāi)始打設(shè)，單排31根，間距9m，端頭8根，合計(jì)70根，其中22根8m長(zhǎng)36b工字鋼，48根12m長(zhǎng)H型鋼，兩側(cè)距離凍結(jié)孔中至中800mm。鋼板樁施工剖面圖如圖2所示。

2.3 掘砌施工方案

凍結(jié)明槽段凍結(jié)75d后，兩幫凍結(jié)壁厚4m，底部?jī)鼋Y(jié)壁厚9m，凍結(jié)孔深17m，凍結(jié)溫度-24℃到-28℃時(shí)，達(dá)到開(kāi)挖要求。

凍結(jié)段明槽采用挖掘機(jī)配破碎錘開(kāi)挖，開(kāi)挖長(zhǎng)度為41.993m，暗硐掘進(jìn)長(zhǎng)度為3m。其中，41.993m采取PC-200挖掘機(jī)配合破碎錘開(kāi)挖，未凍結(jié)表土直接挖掘裝車，凍結(jié)表土采用破碎錘破碎后再裝車，暗硐3m采取導(dǎo)硐分塊開(kāi)挖的方式施工，拱架初期支護(hù)，相接段3m與大開(kāi)挖段整體澆筑。

開(kāi)挖位置從明槽轉(zhuǎn)暗硐鋼板樁處開(kāi)挖，采取后退式施工，每層開(kāi)挖深2m、寬8m，兩側(cè)預(yù)留0.5m凍土采用人工風(fēng)鎬擴(kuò)刷，開(kāi)挖的土方直接裝膠輪車，從未開(kāi)挖的普通明槽段運(yùn)輸[8]。暗硐采用分塊挖掘，管棚法超前支護(hù)，開(kāi)挖后及時(shí)采用工字鋼拱架棚進(jìn)行支護(hù)[9]。

圖2 鋼板樁施工剖面圖(mm)

3 有限元模型及計(jì)算

3.1 模型建立及凍結(jié)過(guò)程

為保證方案的可行性，擬采用二維有限元模型進(jìn)行計(jì)算論證，建立二維有限元模型如圖3所示，實(shí)際開(kāi)挖深度11m，側(cè)壁凍結(jié)管長(zhǎng)度20.5m，明槽段底部?jī)鼋Y(jié)管長(zhǎng)度5m，模型左、右邊界及底部距離凍結(jié)管長(zhǎng)度10m，可取為恒溫邊界[10]。

圖3 開(kāi)挖深度8.5m處有限元模型

明槽左右兩側(cè)的凍結(jié)管保持連續(xù)運(yùn)行，明槽段內(nèi)的凍結(jié)管為局部?jī)鼋Y(jié)，僅考慮開(kāi)挖面以下的凍結(jié)管對(duì)土體凍結(jié)的影響，明槽開(kāi)挖后，明槽內(nèi)的凍結(jié)管停止鹽水循環(huán)，開(kāi)挖面底部的凍結(jié)管自然解凍。鹽水溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。原始地溫取為12℃，土壤熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 鹽水溫度隨凍結(jié)時(shí)間的變化曲線

表1 土壤熱物性參數(shù)

假定積極凍結(jié)40d后開(kāi)始開(kāi)挖，11m深的開(kāi)挖土方分為22段開(kāi)挖，每次開(kāi)挖寬度10m，每次開(kāi)挖深度0.5m，26d開(kāi)挖完成，換撐及拆除支撐10d完成。開(kāi)挖后及時(shí)對(duì)側(cè)壁用噴射聚氨基甲酸酯泡沫絕熱層進(jìn)行保溫，以減少由于開(kāi)挖面暴露對(duì)凍土帷幕強(qiáng)度的不利影響。有限元分析時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，側(cè)壁與周圍空氣的對(duì)流換熱系數(shù)取為5W/(m2·K)，開(kāi)挖面與周圍空氣的對(duì)流換熱系數(shù)取為10W/(m2·K)，周圍空氣溫度取為10℃[11]。

3.2 計(jì)算結(jié)果

凍結(jié)40d時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖5(a)所示。經(jīng)計(jì)算，凍結(jié)壁有效厚度為3.67m，凍結(jié)壁平均溫度-14.1℃，凍結(jié)壁厚度和平均溫度均滿足設(shè)計(jì)要求。不同開(kāi)挖深度下凍結(jié)50d(第10段開(kāi)挖)、60d(第16段開(kāi)挖)、76d(換撐及拆除支撐后)的溫度場(chǎng)分布云圖分別如圖5(b)、(c)、(d)所示。

圖5 凍結(jié)40d、50d、60d、76d時(shí)溫度場(chǎng)分布云圖

3.3 有限元模型計(jì)算結(jié)果分析

1)開(kāi)挖深度5m以上凍土帷幕設(shè)計(jì)成重力式，可不設(shè)置內(nèi)支撐；開(kāi)挖深度5m以下設(shè)置內(nèi)支撐。同時(shí)，為了避免在明槽開(kāi)挖過(guò)程中降低地下水位對(duì)凍結(jié)壁的影響，凍結(jié)開(kāi)挖面以下部位，依靠明槽底部的凍土帷幕隔絕坑內(nèi)外的水力聯(lián)系。

2)開(kāi)挖深度8.5m需采用“凍土帷幕+一道支撐+換撐”方案，凍土帷幕厚度3.5m，嵌入深度5m，支撐位于-5m處，支撐間距4m。需設(shè)置換撐，用于井壁澆筑及支撐拆除期間的支護(hù)。能夠滿足安全開(kāi)挖需求。

3)為了減少凍土帷幕位移，增強(qiáng)凍土帷幕的整體穩(wěn)定性，必須在地表處設(shè)置冠梁。

4)在設(shè)計(jì)工況下，積極凍結(jié)40d可以進(jìn)行明槽開(kāi)挖工作，每次開(kāi)挖寬度10m，明槽開(kāi)挖后，應(yīng)立即對(duì)凍結(jié)壁進(jìn)行有效保溫。

5)明槽開(kāi)挖完成(凍結(jié)76d)時(shí)側(cè)壁凍土帷幕厚度達(dá)到3.9m，井幫溫度-4.0℃，凍結(jié)壁平均溫度-13℃。與開(kāi)挖初期相比，明槽兩側(cè)的凍土帷幕厚度繼續(xù)增長(zhǎng)，這主要是由于凍土繼續(xù)向外擴(kuò)展造成的。而此時(shí)凍結(jié)壁平均溫度低于設(shè)計(jì)值(-10℃)，井幫溫度較低，不會(huì)造成片幫等不利影響。

4 開(kāi)挖后鋼板樁受力分析

4.1 基本條件

1)考慮最不利工況，計(jì)算選取凍結(jié)明槽段底部開(kāi)挖深度最深(9.2m)的工字鋼進(jìn)行受力分析。

2)因已在鋼板樁頂部設(shè)置冠梁及錨樁，考慮頂部受力情況。

3)計(jì)算將凍土作為安全儲(chǔ)備，僅考慮鋼樁承擔(dān)外部水土荷載。

4)本計(jì)算考慮中部不設(shè)支撐和中部設(shè)支撐兩種方案[12]。

4.2 中部不設(shè)支撐受力分析

外部水土側(cè)壓力按照重液公式計(jì)算，即

p=0.013H

(1)

式中，p為水土側(cè)壓力，MPa；H為埋深，m。

由于36b工字鋼中對(duì)中間距為1m，則外部水土壓力為三角形荷載，且底部最大荷載為0.013×9.2×1=119.6kN/m。

工字鋼兩端按簡(jiǎn)支考慮，如圖6(a)所示，上端支在圈梁上，下端支在未開(kāi)挖的凍土上。

圖6 工字鋼受力簡(jiǎn)圖

采用COMSOL大型有限元軟件計(jì)算，中間不設(shè)圈梁工字梁彎矩云圖如圖7所示，可得到跨中最大彎矩為650kN·m。

圖7 中間不設(shè)圈梁工字梁彎矩云圖

由材料力學(xué)理論，36b工字鋼的抗彎模量為918.3cm3，許用應(yīng)力為150MPa，彎矩作用下截面最大應(yīng)力為：

=707.83MPa>>[σ]=150MPa

(2)

因此，工字鋼會(huì)發(fā)生屈服，說(shuō)明中間不設(shè)支撐不滿足要求。

4.3 中部5.2m設(shè)支撐前上部工字鋼受力分析

考慮在中部5.2m處設(shè)置一道圈梁，在開(kāi)挖至5.2m深度時(shí)，可以按圖6(b)所示計(jì)算工字鋼上部的受力為117kN·m，中間5.2m設(shè)一道支撐上部工字鋼彎矩云圖如圖8所示。該彎矩作用下截面最大應(yīng)力為：

=127.4MPa<[σ]=150MPa

(3)

最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足要求。

圖8 中間5.2m設(shè)一道支撐上部工字鋼彎矩云圖

4.4 中部5.2m設(shè)支撐后底部工字鋼受力分析

開(kāi)挖至5m以后施工混凝土圈梁，采用鋼支撐支護(hù)，受力簡(jiǎn)圖如圖6(c)所示，計(jì)算得到截面最大彎矩為140kN·m，中間5.2m設(shè)一道支撐工字鋼彎矩云圖如圖9所示。該彎矩作用下截面最大應(yīng)力為：

=135MPa<[σ]=150MPa

(4)

最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足要求。

圖9 中間5.2m設(shè)一道支撐工字鋼彎矩云圖

4.5 中部支撐受力分析

為了加快施工掘砌速度，中部5.2m處考慮采用36b工字鋼支撐，鋼支撐間距2m布置。不考慮冠梁和中部圈梁承受軸向力，兩側(cè)的水土壓力由中部鋼支撐承擔(dān)。

每個(gè)鋼支撐承擔(dān)的水土壓力總和為：

36b工字鋼的截面積為83.5cm2，則鋼支撐的壓應(yīng)力為：

=131.8MPa<[σ]=150MPa

由于支撐受壓，還需要考慮壓桿穩(wěn)定問(wèn)題。支撐按兩端固支考慮，則壓桿的長(zhǎng)度系數(shù)μ=0.5，壓桿受壓臨界力為：

=16096.7kN

4.6 鋼板樁受力分析結(jié)果

1)開(kāi)挖前在地面設(shè)置一道冠梁連接所有工字鋼頭部，并在凍結(jié)壁外設(shè)置錨樁，以避免在上部開(kāi)挖區(qū)域設(shè)置內(nèi)支撐，影響開(kāi)挖進(jìn)度。

2)中部不設(shè)支撐會(huì)使36b工字鋼彎矩過(guò)大而屈服，不滿足要求受力要求。

3)在中部5.2m處設(shè)置中圈梁一道，每間隔2m設(shè)置一道鋼支撐，鋼支撐可采用36b工字鋼或同等截面積的鋼管，可滿足開(kāi)挖要求。

4)以上結(jié)論只考慮工字鋼單獨(dú)承受水土壓力，沒(méi)有考慮凍土和工字鋼共同受力，如果考慮凍土和工字鋼共同受力，需要凍土的蠕變參數(shù)和長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度。

5 凍結(jié)壁防護(hù)技術(shù)

5.1 對(duì)鋼板樁采取拉錨樁措施

凍結(jié)明槽段大面積開(kāi)挖前首先對(duì)事先施工的鋼板樁進(jìn)行加固處理，采用挖掘機(jī)將鋼板樁上部挖開(kāi)外露500mm，使用24kg道軌將鋼板樁上部焊接連成一體，形成圈梁，在距離鋼板樁21m處施工錨拉樁，錨拉樁采用3.5m×24kg軌道削尖打入地下3m深，凍結(jié)明槽段前15m每3m設(shè)置一個(gè)錨拉樁；后16m每2m設(shè)置一個(gè)錨拉樁，錨樁施工完畢后，每根錨樁與鋼板樁圈梁采用鋼絲繩垂直連接，起到拉樁效果[13]。

錨拉樁初始拉力2t，工作拉力8.5t，選用鋼絲繩安全系數(shù)不小于工作拉力的3倍，鋼絲繩采用?21.5mm鋼絲繩，破斷拉力不小于298kN，符合要求。

5.2 對(duì)凍結(jié)壁采取土釘墻加固措施

1)鋼板樁之間凍結(jié)壁采用土釘墻支護(hù)[14]，兩鋼板樁之間鋪設(shè)金屬網(wǎng)，并與鋼板樁點(diǎn)焊，使用0.5m土釘將鋼板樁空隙內(nèi)的金屬網(wǎng)固定在凍土上，間排距1.0m×1.0m，采用噴漿C20混凝土封閉，厚度50mm。

2)凍結(jié)壁兩側(cè)整體鋪設(shè)100mm厚橡塑板保溫材料，待整體開(kāi)挖完畢后兩幫及端頭墻整體鋪設(shè)防水塑料布，兩幫凍結(jié)孔維護(hù)凍結(jié)，保證兩側(cè)凍土穩(wěn)定。

5.3 開(kāi)挖后采取橫撐措施

鋼板樁開(kāi)挖深度超過(guò)5m后再使用24kg道軌將鋼板樁進(jìn)行整體連接，連接完畢后采用8寸鋼管對(duì)鋼板樁進(jìn)行橫向支撐，間距2m，支撐完畢后再開(kāi)挖剩余部分，支模、混凝土澆筑時(shí)橫撐影響施工時(shí)，應(yīng)及時(shí)利用腳手架等進(jìn)行補(bǔ)償支撐，并將橫撐移至巷道頂板上300mm位置。

5.4 凍結(jié)壁保溫措施

開(kāi)挖深度每達(dá)到2m后，先掛網(wǎng)噴射50mm厚混凝土封閉土層，然后兩幫整體鋪設(shè)100mm厚橡塑板保溫材料[15]，待整體開(kāi)挖完畢后兩幫及迎臉整體鋪設(shè)防水塑料布，兩幫凍結(jié)孔維護(hù)凍結(jié)，保證兩側(cè)凍土穩(wěn)定。

6 凍結(jié)壁監(jiān)控

1)監(jiān)控措施：開(kāi)挖以后，在兩側(cè)錨拉樁各設(shè)置3個(gè)拉力計(jì)(其中前15m每側(cè)1個(gè)，后16m每側(cè)2個(gè))，并在兩側(cè)凍結(jié)墻體上沿縱向每5m設(shè)置一個(gè)收斂位移觀測(cè)點(diǎn)，兩側(cè)墻每側(cè)設(shè)置6個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)，采用全站儀測(cè)量坐標(biāo)值來(lái)確定位移數(shù)據(jù)，安全值小于50mm，各觀測(cè)點(diǎn)自設(shè)置后每天進(jìn)行觀測(cè)，并形成記錄；將錨樁拉力計(jì)數(shù)值拉至設(shè)計(jì)2t，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中數(shù)值變大，表示凍結(jié)壁內(nèi)張，要對(duì)凍結(jié)壁增加橫向支撐；位移觀測(cè)安全值設(shè)定為“<50mm”，為了防止發(fā)生位移，使用24kg軌道將縱向、橫向鋼板樁連成一體，深度超過(guò)5m后再焊接一道加固鋼板樁有效防止位移；當(dāng)以上數(shù)值不能有效控制時(shí)要隨時(shí)撤人。

2)監(jiān)控結(jié)果：通過(guò)監(jiān)控，施工過(guò)程中錨樁拉力計(jì)最大拉力變形點(diǎn)為2.1t，兩側(cè)墻最大位移為15mm，施工過(guò)程安全可控。

7 結(jié) 論

馬城鐵礦主斜坡道凍結(jié)明槽段2018年 4月20日開(kāi)始打鉆，5月10日開(kāi)始開(kāi)機(jī)凍結(jié)；第一段明硐明槽段6月11日開(kāi)始開(kāi)挖，7月17日澆筑施工完畢，工期33d；第二段凍結(jié)明槽段積極凍結(jié)74d后7月23日開(kāi)始開(kāi)挖，9月13日第二段凍結(jié)明槽段澆筑施工完畢；其中第二段凍結(jié)明槽段施工期間因暴雨無(wú)法施工影響13d，工期40d(不含影響)，合計(jì)總工期125d，其中掘砌工期73d，較原計(jì)劃工期90d提前了17d。通過(guò)馬城鐵礦主斜坡道明槽段的施工及數(shù)據(jù)收集，與以往凍結(jié)明槽的施工方法進(jìn)行了對(duì)比，采用“凍結(jié)+鋼板樁”聯(lián)合支護(hù)開(kāi)挖明槽有以下效果：

1)在靜水位淺、地下水流速高的斜坡道明槽施工中，成功采用了凍結(jié)壁與鋼板樁聯(lián)合支護(hù)的綜合防護(hù)技術(shù)，避免了地下水對(duì)施工的影響，保證了井筒在相對(duì)干燥的情況下施工，節(jié)省了挖土方量，減少了水土資源的流失，有效的減少施工工期43d，降低施工成本的同時(shí)確保了工程進(jìn)度。

2)針對(duì)凍結(jié)明槽深基坑開(kāi)挖，計(jì)算確定了采用鋼板樁對(duì)凍結(jié)壁進(jìn)行內(nèi)支撐，通過(guò)對(duì)鋼板樁的拉錨、橫撐以及對(duì)凍結(jié)壁土釘墻加固、保溫等措施，保證了開(kāi)挖后兩側(cè)凍結(jié)壁的穩(wěn)定性，有效預(yù)防了凍結(jié)壁強(qiáng)度不足造成傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。

3)該工程的成功實(shí)施，避免了因地下水造成降水失敗、工期拖延，為今后淺水位、高流速的地層中施工提供了成熟、完善的施工技術(shù)。