引洮一期工程7號隧洞4號斜井繞洞凍結開挖技術

冉 曙 霞

(甘肅省引洮工程建設管理局，甘肅 蘭州 730030)

引洮一期工程7號隧洞4號斜井繞洞凍結開挖技術

冉 曙 霞

(甘肅省引洮工程建設管理局，甘肅 蘭州 730030)

基于引洮一期工程7號隧洞4號斜井繞洞凍結加固工程，介紹了凍結加固段繞洞開挖的支護方案和凍脹融沉控制等施工技術，工程的成功實施，為類似工程積累了一定的施工經驗。

凍結法，開挖，支護，凍脹融沉

1 工程概況

甘肅省引洮供水一期工程7號隧洞4號斜井繞洞施工過程中遭遇含水疏松砂巖地質地段，該地層圍巖為極軟巖，遇水極容易軟化并崩解，工程地質性質極其差；有地下水活動，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，瞬時最大涌水量在8 L/(min·m)～10 L/(min·m)之間，滲透系數在10-5～10-6之間，地下水位在隧洞上部約10 m，測定水壓為0.2 MPa左右。開挖后，圍巖穩定性差，沒有自穩時間，圍巖塑性變形強烈，掌子面坍塌嚴重；飽水極易出現掌子面涌砂現象。先后進行了旋噴加固、水平注漿施工，開挖過程中均有泥砂突涌。為保證施工安全可靠，決定采用凍結法加固土體后進行暗挖法施工。

2 施工技術方案

根據工程勘探地質資料和現場施工條件，先在繞洞內鉆凍結孔，并用凍結法形成凍土帷幕，再進行礦山法暗挖、構筑施工。在繞洞內鉆鑿水平或傾斜凍結孔，對地層進行凍結加固，把繞洞周圍地層凍結成高強度、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下進行繞洞的開挖和支護施工，地層凍結、開挖和支護全部在繞洞內進行。

開挖和支護施工的順序為：

準備→先打探孔再試開挖→邊開挖邊進行一次支護→進行二次支護→進行充填注漿→進行融沉注漿。

2.1 開挖方案

本繞洞開挖采用人工掘進，鏟車和出渣車配合輸送帶進行運輸。

先做施工及相應的應急準備，再打探孔確認凍結壁的厚度和平均溫度，然后從掌子面向前進行正式開挖。采用風鎬+鐵鏟+破碎錘進行開挖，裝載機配合自卸王出土。開挖高度為6.125 m，采用臺階式進行開挖。在開挖過程中，對影響施工的進行凍結管割除，然后用高壓軟管恢復凍結；對不影響施工的凍結管全部保留，繼續維護凍結，待全部完成開挖、支護施工后，再進行割除，以確保開挖過程中凍結壁的厚度和強度。在凍結和掘砌施工過程中，應加強溫度和凍結壁收斂變形監測，以保證凍結施工的效果和掘砌施工的安全。

在凍結良好的凍結施工工作面搭設一個4 m×6 m的施工操作平臺，用作擺放小型設備、工具以及臨時堆放渣土等。

開挖前在開挖小導洞兩側用植筋膠植入18號以上螺紋鋼筋，然后焊接上工字鋼卡槽，可以保證出現不明情況時及時將洞口封閉。

繞洞開挖總體的順序為：

開挖小導洞→10 m后全斷面開挖至下游封堵墻→回挖擴大上游10 m剩余渣土→拆除上游封堵墻→拆除下游封堵墻。

2.2 支護施工方案

支護施工分為臨時支護和永久支護。臨時支護為一次支護，采用型鋼支撐+噴射混凝土進行支護；永久支護為二次支護，采用鋼筋+混凝土支護。

為保證凍土帷幕的安全，凍土開挖后要對凍土帷幕進行及時支護。因為繞洞開挖施工的過程中，地層中的應力平衡將發生改變，應力在開挖周圍土層中重新分布，使土層產生位移，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。

開挖小導洞為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，開挖臨空面不超過1 m，采用小推車進行運輸到操作平臺，然后用小鏟車裝入大型運輸車運出繞洞棄渣。挖至10 m后進行全斷面開挖，原有的小推車運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，開挖臨空面不超過0.8 m，環向間隔1 m用20螺紋鋼筋水平焊接拉接。

一次支護施工采用22號b工字鋼+22號槽鋼+5 cm厚木板。工字鋼加工成矩形，槽鋼加工成拱形。繞洞內臨時支護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，以增加支撐的穩定性。拱形支撐排間距為0.50 m～0.60 m，為增加整個支護體系的整體性和穩定性，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。

結構設計中的永久支護為鋼筋混凝土結構，開挖與臨時支護完成后，進行一次連續澆筑，以減少施工接縫。

在臨時支護與結構層施工期間，在背板和凍土之間及防水層和結構層之間預埋注漿管，作最后充填注漿用。

為了保證開挖施工安全和進度，從封堵墻向下游方向先開挖小導洞，然后在凍結壁厚度和強度較高處進行全斷面開挖、支護施工。

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

在臨時支護施工過程中預埋注漿管，按2 m一個斷面布設注漿管，每個斷面布置4個注漿管。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

臨時支撐+木板支護完成后，進行噴射混凝土施工。在施工前在金屬支架上焊金屬網，由于受噴面為木質結構，不利噴射物集結；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位置。噴射強度等級為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技術規范要求進行。支護層厚度25 cm左右，由于一次不易成型，分三次進行噴射混凝土施工。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行下一次噴射。從下向上進行噴射混凝土施工，噴射物料按實驗配合比加入速凝劑。在進行墻體部分混凝土噴射施工時，應當拆除幾塊金屬支撐后的木板，讓噴射混凝土進入木板后面，便于一次支護層和繞洞四周凍土緊密接觸，防止凍土帷幕解凍時，土體發生變形對繞洞造成破壞。

3 凍脹融沉預防措施

3.1 基本預防措施

為減小地層中土體凍脹及融沉造成的破壞，依據凍脹及融沉研究成果、施工經驗、相關資料和本工程特有的施工環境，對凍脹及融沉防治采取如下措施：1)在凍土帷幕內未凍區域設置泄壓孔，泄壓孔數量以2個為宜，采用φ50×5 mm無縫鋼管作泄壓管，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，壓力表的精度應達到±0.02 MPa以上。泄壓孔壓力超過初始壓力0.2 MPa以上時應進行泄壓，排除凍土帷幕水和部分土體，消除作用在封堵墻和繞洞結構體上的凍脹力。2)通過調整鹽水溫度和鹽水流量，確保凍結壁的厚度在設計范圍內。為調整、確定凍結施工參數提供可靠依據，在凍結過程中，通過加強對封堵墻和繞洞結構體變形的監測，預測凍結施工對繞洞結構的影響。3)在凍土帷幕解凍過程中，地層中凍土體積會減小，使土體產生下沉。為了消除土體下沉對繞洞產生的破壞，在一次支護和二次支護體上預留注漿管，在凍土帷幕解凍過程中進行注漿，用于充填凍土帷幕消融造成的凍土體積的減小。4)凍結停止后，應及時進行融沉注漿，以控制繞洞及地面不均勻沉降。

3.2 注漿控制融沉措施

1)補償注漿控制融沉。a.注漿管的布置。在結構施工時沿繞洞頂部、側墻和底部全斷面預留注漿管。注漿管規格為2寸焊接鋼管，注漿管深入到達一次支護體與凍土帷幕之間；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倍體積的水進行稀釋。c.注漿的順序。按照從底板→側墻→拱頂的順序進行注漿，底板注漿時，從中部至兩側的注漿孔依次開始注漿。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或累計地表沉降不小于1.0 mm時，必須進行充填注漿；地層隆起不小于2.0 mm時應停止注漿。施工過程中注漿量調整以地面變形監測情況而定。

注漿前，將準備注漿的注漿孔和其相鄰的注漿孔上的閥門全部打開；注漿過程中，當鄰孔連續出漿時關閉相鄰孔閥門，壓入定量漿液后可停止本孔注漿，關閉閥門；接著對相鄰孔注漿。遇到注漿孔堵住時，需用加長沖擊鉆頭通孔。

2)注漿過程監測。解凍過程中，要加強地表和繞洞沉降的監測、凍土溫度的監測、凍土帷幕外水土壓力的監測，用以控制地表和繞洞沉降。注漿過程中，通過在相鄰注漿孔安裝壓力表，監測注漿壓力的變形情況。通過綜合監測數據進行分析，以調整注漿參數。

3)結束融沉注漿的條件。根據地表沉降和繞洞穩定性來判定融沉注漿是否可以結束。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/半個月，方可停止融沉補償注漿。

4 結語

在本凍結繞洞開挖施工過程中，主要采用了在繞洞內布設水平孔、近水平孔凍結孔，用錨桿鉆機進行鉆凍結孔，凍結法臨時加固土體，礦山暗挖法構筑施工方案。采用鋼拱架和噴射混凝土相結合的支護方法以及凍結施工的凍脹融沉控制措施，工程的成功實施，工程的有關施工參數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：中國礦業大學出版社，1991.

[2] 劉典基.凍結技術在地鐵聯絡隧道施工中的應用[J].隧道建設,2004，24(2)：32-35.

[3] 岳豐田,張水賓,李文勇,等.地鐵聯絡通道凍結加固融沉注漿研究[J].巖土力學,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，高級工程師

U455.4

A