含水疏松砂巖隧洞凍結法掘進技術

魏永學

(甘肅省水利水電工程局 蘭州 730000)

1 工程概況

甘肅省引洮供水一期工程總干渠7號隧洞全長17.3km，含水疏松砂巖洞段斷面型式為圓形，凈斷面直徑4.96m，開挖斷面直徑6.25m。隧洞工程地質條件復雜多變，有14.8km 洞段為Ⅴ類上第三系粉砂巖、粉細砂巖及粉砂質泥巖等軟—極軟巖地層，施工難度大，是引洮供水一期工程控制性單項工程項目之一。

隧洞Ⅴ類上第三系軟—極軟巖地層中，有不連續分布總長近3.0km的含水疏松砂巖(N2L2s)洞段。疏松砂巖成巖性差、欠固結、膠結不均，局部夾鈣質膠結層，結構疏松，天然密度2.21g/cm3，粒徑細微，顆粒組成中2～0.25mm 含量占24%～31%;0.25～0.074mm含量占45%～67%;0.074mm 以下含量占5%～13%。含水量高，一般8.0%～15.4%;飽和含水量18%，巖性軟弱，強度極低，單軸飽和抗壓強度小于1.0MPa。水理性差，吸水率20%～23%，遇水極易軟化，浸水快速崩解，具弱透水性，滲透系數6.2×10-5～3.2×10-4cm/s。地層中賦存基巖孔隙水—裂隙水，水位較高且具承壓性，工程地質特性極差，性質類似于第四系固結砂土，含水率對巖石強度影響顯著，當含水量大于15.4%時，具飽水砂土特性。該圍巖開挖后，穩定性主要受巖石強度及地下水活動的控制，通常含水量小于11%時，圍巖以坍塌為主;含水量在11%～15%時，掌子面出現滴滲水，局部有線狀流水，圍巖變形加劇，坍塌嚴重;當含水量大于15%時，圍巖基本處于飽水狀態，若遇圍巖裂隙發育，則有線狀流水，出水量25～60L/(min·10m)，圍巖在地下水的滲流作用下，通常被泥化。飽水后工程地質特性極差，不能自穩，塑性變形強烈，掘進施工中受到外力擾動或地下水的作用時，極易液化且發生掌子面外涌的突泥涌砂現象。

含水疏松砂巖透水性弱、可灌性差，采用超前灌漿無法對圍巖進行有效固結;由于巖性軟弱、強度低，長管棚施作時其前部無高強度可靠支點，極易塌落滑移，無法起到超前支護作用，且長管棚鉆進塌孔和管內突泥涌砂嚴重，難以達到預期效果。

根據含水疏松砂巖的特性，結合地鐵工程類似地質條件掘進施工實踐，并參考水利工程垂直旋噴樁防滲帷幕原理和功效，確定對總干渠7號隧洞出口含水疏松砂巖洞段，采用“凍結法”超前對含水疏松砂巖進行固結加固，提高圍巖強度，增加穩定性，延緩塌落和滑移時間，以保證在隧洞掘進過程中側頂拱及掌子面穩定，實施掘進并進行一次支護施工。

2 凍結施工技術方案及制冷系統選擇

2.1 “凍結法”原理及工序

“凍結法”是利用人工制冷技術，使地層中的水結冰，將天然巖土體變成凍土，以增加其強度和穩定性，隔絕地下水與隧洞工程的聯系，以便在凍結壁的保護下進行隧洞工程掘進施工的一種特殊施工技術，其實質是利用人工制冷技術臨時改變巖土性質以加固洞周圍巖地層。

考慮到地下水的存在及粉細砂的流變特性，需要形成封閉的掘進區域，防止突泥、涌砂及地下水進入掘進范圍，同時，凍結帷幕提供洞周水土壓力的支撐作用，因此，需要在掘進范圍外部形成封閉的凍結帷幕，包括掘進范圍周圈環形凍結帷幕，以及掘進末端掌子面封堵凍結帷幕。所要形成的凍結帷幕如圖1～圖2所示。

圖1 隧洞形成封閉凍結帷幕縱斷面

圖2 隧洞凍結帷幕橫斷面

考慮到掘進斷面較大，為維持掘進巖面穩定性，需同時將掘進范圍內地層也進行凍結，形成穩定的凍土，若需要降低掘進范圍凍土強度，可采取將掘進范圍內的凍結管設置為局部凍結模式。

“凍結法”施工主要工序:施工準備→凍結孔施工(同時安裝凍結制冷系統、鹽水系統和檢測系統)→積極凍結→一次支護→二次襯砌。凍結孔施工和洞身掘進一次支護施工為關鍵工序;凍結溫度檢測、圍巖變形、壓力監測及二次襯砌施工為特殊工序。

2.2 凍結施工技術方案

凍結施工基本可分為積極凍結期、維護凍結期及解凍(恢復)期等三個階段。依據含水疏松砂巖工程地質特性和水文地質特性，以及隧洞斷面面積較大(達到30m2)的情況，確定單循環縱向凍結長度25.0m，其中有效凍結長度大于20.0m，可實現凍結加固段隧洞開挖長度20.0～22.0m，凍結最大范圍為掘進輪廓面周圍2.5m 厚凍結帷幕。根據流砂地層特性，可采用發散式埋入凍結管，無需施做擴大起始洞室。

凍結孔施工之前，首先對起始凍結掌子面封堵加固。根據確定的凍結帷幕厚度，共布設64個凍結孔;4個測溫孔;2個泄壓孔;共計70個孔。凍結管為φ89mm×δ5mm 無縫鋼管，在管的端部安裝單向閥，采用錨桿鉆機進行凍結孔鉆孔并同時安裝凍結管，安裝完成后進行冷凍系統的連接，冷卻塔設置在洞外，利用3.0km 長管路供水，采用1臺630kVA 變壓器。

部分凍結管在掘進及一次支護施工過程中需進行改移，正面冷凍管在掘進中割斷，同時，可根據需要及時連接繼續冷凍，以確保掘進掌子面穩定。

2.3 制冷系統選擇

常用制冷系統有低溫鹽水、液化氣體(液氮)、液氧、二氧化碳(干冰)，以及混合系統(鹽水+干冰、鹽水+液氮)等，其中:液氧易爆，不安全;液氮適用范圍廣，凍結速度快，但價格高，消耗量大，且需要自專門工廠遠距離及洞內長距離、連續、大量運輸，費用極高，同時，也易稀釋氧氣，洞內施工不安全;干冰主要用于地表凍結;混合系統配置及工序復雜;低溫鹽水適應任何地層，凍結速度較緩，但價格低廉，儲存運輸簡單。因此，選用低溫鹽水制冷系統進行凍結施工，制冷效率為30%～50%，凍結速度為20mm/天。

3 凍結孔布置及凍結主要設計參數

3.1 凍結孔布置

掘進洞周2.5m 厚度的凍結帷幕可使用1 圈凍結孔形成，即在掘進范圍外部布置一圈凍結管，凍結管方向平行于掘進方向。但考慮到混凝土封堵墻后凍結孔的施工角度問題，需要補充1 圈凍結孔，深度為總長度的一半。掘進掌子面封堵凍結帷幕需要從掘進范圍內布置凍結管，低溫鹽水循環形成。掘進時，將掘進范圍的凍結管割斷，但同時為了保持封頭的凍結帷幕，需要使用軟管恢復部分凍結管的循環。

考慮鉆機施工角度的限制，按鉆機開孔角度10°考慮，掘進面周圈凍結孔傾斜布置，凍結孔成孔控制間距為1.5m，其中:長孔布置為B 排(19個凍結孔)、C 排(14個凍結孔)、D 排(8個凍結孔)、E 排(4個凍結孔)、中間孔(1個)，共5 排46個長孔;開孔段補強的短孔布置為A 排18個短孔，總計凍結孔64個，總長度1475.0m。凍結孔布置分別見圖3～圖5。

圖3 凍結管布置剖面 單位:mm

3.2 凍結主要設計參數

a.凍結圍巖強度的設計指標為單軸抗壓3.6MPa，抗折2.0MPa;抗剪1.5MPa(-10℃)。

b.積極凍結實施時，在凍結區附近200.0m 范圍內不得采取降水措施，在凍結區內圍巖中不得有集中水流。

c.在凍結帷幕附近隧洞內側敷設保溫層，敷設范圍至設計凍結壁邊界2.0m 處。保溫層采用阻燃(或難燃)的軟質塑料泡沫保溫材料，厚度50mm，導熱系數不大于0.04W/mK，塑料軟板與襯砌管片之間用萬能膠粘貼密實。

d.設計凍結壁平均溫度為不大于-8℃。

圖4 凍結孔開孔位置起始斷面

圖5 凍結孔終孔位置25m 處斷面 單位:mm

e.當施工中地層及環境條件與原設計依據資料有重大變化時，應及時修改凍結帷幕設計。

3.3 確定需冷量及冷凍機

凍結需冷量計算公式為:

式中 H——凍結管總長度，m;

h——鹽水干管總長度，m;

D——凍結管直徑，m;

d——鹽水干管直徑，m;

K——凍結管散熱系數，取K=250kca1/(m2·h)。

確定總的標準工況需冷量Q=13萬kca1/h，按照30萬kca1/h的裝機容量進行設計，選用JYSLGF300 螺桿冷凍機組4臺，其中1臺備用。

凍結主要設計參數如下表所列。

凍結主要技術參數表

4 掘進及一次支護施工

4.1 冷凍設備布置及供水

隧洞出口主洞“凍結法”施工掌子面距洞口3.0km，冷凍設備放置于隧洞洞內會車平臺上，不影響后續的掘進，冷卻水塔設在洞外，洞內鋪設3.0km 長管路供水。

4.2 掘進施工

凍結形成的凍結帷幕，經探孔確認并滿足設計要求強度后，可進行掘進施工。由于凍結范圍內凍結管的存在，影響機械設備使用，一般可采取風鎬輔助人工方式掘進。考慮到掘進斷面較大，可采取分層方式掘進。掘進范圍內影響施工的凍結管割除，使用高壓軟管恢復;不影響施工的凍結管保留，待全部完成掘進施工后，再予以割除，以保證開挖封頭處凍結帷幕的穩定性。同時，需要對凍結和施工過程進行監測，保證凍結施工效果及保障施工安全。

4.3 一次支護

為保證凍結段掘進施工安全，凍結段洞身一次支護主要采用I16 工字鋼鋼拱架支架支撐，間距400～500mm;掛φ6mm×200mm×200mm 鋼筋網;噴C20 混凝土厚200mm。凍結后一次支護與常規鉆爆法掘進施工模式基本相同，一次支護實施后，擇機采用鋼模臺車實施二次襯砌鋼筋混凝土澆筑施工。

4.4 監控量測

由于凍結完成后圍巖強度會逐步衰減，因此，在掘進及一次支護施工過程中需加強監控量測，及時進行收斂變形監控量測，以便及時調整一次支護方式和結構，并注重凍結管的布設位置，以防破壞凍結管影響維護凍結強度。

5 結 語

后續掘進施工實踐證明，凍結有效阻止了掌子面突泥涌砂的發生，并對圍巖起到了超前加固和固結作用，保證了隧洞洞身側頂拱及掌子面穩定，后續掘進施工順利，“凍結法”不失為處理隧洞含水粉細砂及疏松砂巖的一種行之有效的方法。

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