甘肅引洮工程7號隧洞6號斜井主洞凍結(jié)加固技術(shù)

□劉興文（甘肅省引洮工程建設管理局）

1 工程概況

甘肅省引洮供水一期工程總干渠7號隧洞6號斜井主洞上游埋深約210 m。施工至58+065位置時，遇到疏松砂巖地層，從主洞底板向上涌水涌沙，導致施做的初支嚴重變形，在初支底板上從58+078.5向下游方向澆筑1.50 m厚C30混凝土，以防底板大面積變形，同時在58+080位置施做封堵墻，對上游涌水涌沙段進行封堵。然后嘗試采取多種施工方法，但施工中仍然涌水涌沙嚴重，施工受阻。最終確定對6號斜井主洞上游涌水涌沙變形段采用水平凍結(jié)的方法進行加固，然后進行全斷面掘砌施工。

2 凍結(jié)技術(shù)施工方案

2.1 方案設計

根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和其它施工條件，確定采用“洞內(nèi)水平凍結(jié)臨時加固圍巖，礦山法開挖構(gòu)筑”的施工方案，即：在隧道內(nèi)利用水平凍結(jié)孔冷凍加固地層，使隧洞周邊土體凍結(jié)形成一定厚度的凍土帷幕，提高土體強度和穩(wěn)定性。然后采用“新奧法”施工原理，采用礦山法進行隧洞的開挖支護和結(jié)構(gòu)施工，其主要施工順序為：前期準備→鉆設凍結(jié)孔(同時進行凍結(jié)安裝)→積極凍結(jié)→探孔試挖→開挖與初期支護（同時進行維持凍結(jié)直至二襯施做完成）→二襯施做→回填灌漿及融沉注漿。

2.2 凍結(jié)主要設計參數(shù)

凍結(jié)主要設計參數(shù)詳見表1。

凍結(jié)孔、測溫孔及卸壓孔的布置詳見圖1、2。

表1 凍結(jié)主要技術(shù)參數(shù)表

圖1 凍結(jié)孔、測溫孔、卸壓孔布置剖面圖

圖2 凍結(jié)孔、測溫孔、卸壓孔布置平面圖

3 凍結(jié)施工

3.1 凍結(jié)孔施工

鉆孔施工工序為：測量放線→一次開孔→孔口管安裝→孔口密封裝置安裝→二次開孔→鉆孔→測深測斜→封閉孔底部→打壓試漏。

3.1.1 凍結(jié)孔的位置確定

施工現(xiàn)場具備開孔條件后，依據(jù)控制點坐標，按照凍結(jié)孔施工圖放出凍結(jié)孔位置并統(tǒng)一編號。凍結(jié)孔開孔偏差應控制在100 mm之內(nèi)。

3.1.2 一次開孔及安裝孔口密封裝置

用取芯鉆機按設照計角度開孔，開孔直徑130 mm，當鉆至200 mm深度時停止取芯鉆進，進行孔口管安裝。嚴禁一次開透封堵墻，以免造成不可控制的涌水涌砂。

3.1.3 二次開孔、凍結(jié)孔鉆進與凍結(jié)管安裝

二次開孔使用開孔鉆機，開孔至今93 mm，取透封堵墻后停止，開始鉆孔。鉆孔使用MD-60鉆機1臺，利用凍結(jié)管作鉆桿，凍結(jié)管采用內(nèi)襯箍坡口對接焊，確保其同心度和焊接強度，凍結(jié)管到達設計深度后密封頭部。鉆進過程中應校核鉆機和凍結(jié)孔偏斜情況，偏斜較大時要及時進行糾偏處理。凍結(jié)管安裝完成后，對凍結(jié)管長度和偏斜進行復測。測斜采用經(jīng)緯儀燈光測斜法，測深、測斜完成后根據(jù)相關參數(shù)繪制鉆孔偏斜圖。凍結(jié)管安裝完畢后，用堵漏材料密封凍結(jié)管與結(jié)構(gòu)體之間的間隙。在凍結(jié)管內(nèi)安裝較小直徑的供液管，然后焊接凍結(jié)管端蓋和去、回路羊角。

3.1.4 鉆孔完成后及時進行注漿施工

該地層由于受擾動嚴重，地層本身存在一定空洞，為保證鉆孔施工和后期凍結(jié)帷幕形成，鉆孔完成后立即利用孔口管旁通閥裝置對地層進行注漿?？紤]從到水泥漿強度高不利于后期開挖，漿液選用水泥-水玻璃雙液漿。水泥漿水灰比為0.80:1，水泥漿和水玻璃體積比選為1:1，注漿壓力≤1.50 MPa。

3.2 冷凍站安裝及管路敷設

3.2.1 冷凍機房布置

凍結(jié)站安裝在地面距6號斜井井口上部50 m處，冷凍機房占地面積約180 m2，站內(nèi)設備主要包括冷凍機、箱式變壓器、鹽水泵、清水泵和冷卻塔。

3.2.2 管路安裝

由于凍結(jié)站距凍結(jié)工作面約650 m，鹽水干管選用Φ165×7 mm無縫鋼管，從凍結(jié)站安裝兩路鹽水干管至凍結(jié)工作面與高壓低溫換熱系統(tǒng)形成熱交換。鹽水干管從機房進入6號斜井，沿著斜井一側(cè)布設，然后進入主洞，與高壓低溫換熱系統(tǒng)相連。

鹽水干管在安裝前，先對每根鋼管外敷設保溫層，然后進行焊接安裝。鹽水干管經(jīng)過打壓試漏、清水沖洗后，使用保溫棉對管路接頭處施做保溫，保溫層厚度為50 mm，使用纏繞膜包扎牢靠。鹽水干管之間采用管法蘭連接，每根鋼管下部安裝3個支架，每3～5根鋼管之間必須安裝一個耐高壓和低溫的軟連接，每10根鋼管之間必須安裝一個耐高壓和低溫的鑄鋼閘閥和一個軟連接。

3.3 積極凍結(jié)與維持凍結(jié)

3.3.1 積極凍結(jié)

冷凍站安裝完對設備進行調(diào)試并開機試運行。試運行時隨時調(diào)節(jié)冷凍機負載、壓力、溫度等參數(shù)，使機組在有關工藝規(guī)程和設備要求的技術(shù)參數(shù)條件下運行。

設計積極凍結(jié)天數(shù)為40 d(積極凍結(jié)天數(shù)可根據(jù)實際凍結(jié)效果進行調(diào)整)。要求凍結(jié)孔單孔鹽水流量＞5 m3/h；鹽水溫度應在積極凍結(jié)7 d后降到-18℃以下；15 d后降至-24℃以下，開挖期間降至-28℃，去、回路鹽水溫差≤2℃。如鹽水流量和鹽水溫度達不到設計要求，應適當延長積極凍結(jié)時間。

3.3.2 維持凍結(jié)

通過調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)運行參數(shù)，提高或保持鹽水溫度，降低或停止凍土的繼續(xù)發(fā)展，保證開挖、構(gòu)筑施工的安全。維持凍結(jié)階段一般將鹽水

溫度控制在-25～-28℃，開挖、初期支護和二次襯砌施工期間維持凍結(jié)繼續(xù)進行。

4 開挖與構(gòu)筑

4.1 開挖方案

在施工準備充分、已鉆設探孔驗證凍結(jié)效果符合設計要求后可以正式進行開挖。首先破除封堵墻，向上游方向進行礦山法暗挖。開挖采用小型機械與風鎬、鏟及手鎬相結(jié)合的方式，人工出土，工作面排土使用小型裝載機，裝到渣土車內(nèi)，運至地面對放；工程用料利用渣土車運至井下。

4.2 支護方案

采用二次支護方式。第一次支護為初期支護，采用鋼拱架，在拱架背部津貼圍巖的面加設木背板。二次支護為永久襯砌結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)澆鋼模筑筋混凝土。

鋼拱架采用I20工字鋼拉彎加工而成。鋼拱架為封閉形式。

在每榀支架中部加上橫撐，拱形支架排間距為0.60 m，排間距≤0.80 m，相鄰支架間用Φ22螺紋鋼或腳手架管焊接，作為縱向拉桿，以增加整個支護體系的整體性和穩(wěn)定性。

為了控制凍結(jié)帷幕的變形，最大程度降低凍結(jié)帷幕冷量損失，在鋼支撐架與凍土的間隙之間架設木背板。在木背板和凍土之間及防水層和結(jié)構(gòu)層之間預埋注漿管，供最后充填注漿和融沉注漿使用。

5 施工效果

該項凍結(jié)工程自2014年6月份進場施工，鉆孔用時40d。根據(jù)冷凍系統(tǒng)運行情況和測溫數(shù)據(jù)及探孔溫度數(shù)據(jù)，積極凍結(jié)40 d便達到開挖條件，測溫分析凍土最慢發(fā)展速度為30.38 mm/d（向外發(fā)展）、64.63 mm/d（向內(nèi)發(fā)展）,保守估算凍結(jié)帷幕最薄有效厚度為4.08 m，平均溫度-10.54℃，凍結(jié)帷幕的厚度和平均溫度均達到設計要求。實際開挖情況顯示凍土帷幕形成情況良好，凍土具有一定強度，其穩(wěn)定性完全滿足開挖需要。

6#斜井上游58+065～58+081.5段涌水涌沙變形塌方搶險段，從2013年5月發(fā)生涌水涌沙以來進行多次搶險處理，嘗試超前管棚+管樁+注漿等及其類似的各種工法，采取加強資源配置、組織參建各方隨時細化和補充方案、優(yōu)化施工隊伍等各項措施后仍未能攻克。其水文地質(zhì)條件極為復雜，處理難度罕見，是打通7隧洞的咽喉工程，是引洮供水一期工程通水前的最后一道坎，也是最為難啃的硬骨頭。

施工結(jié)果表明該洞段采用水平凍結(jié)法施工方案是非常合理和正確的，該洞段于2014年10月7日順利貫通，引洮一期工程也宣告全線貫通。

6 結(jié)語

冷凍法在類似的水利隧道工程施工中應用時間較短,在如此大埋深、地質(zhì)情況和水文情況復雜、地層受擾動程度高的地層進行水平凍結(jié)施工在國內(nèi)外更是及其罕見。凍結(jié)法在引洮工程中的多次成功應用再次印證了其在軟土地層中尤其是飽和含水疏松沙層中的施工顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。

施工結(jié)果證明，水平凍結(jié)技術(shù)在甘肅省引洮供水一期工程總干渠7號隧洞6號斜井上游主洞涌水涌沙變形段施工中取得了成功,為在類似的復雜地層中采用人工凍結(jié)加固的方法進行隧道施工積累了寶貴經(jīng)驗。

[1]方江華,張景鈺.上海地鐵隧道旁通道水平凍結(jié)法施工[J].建井技術(shù),2006,27(6):37-39.

[2]高琨.凍結(jié)法施工在含水疏松砂巖地層中的應用[J].甘肅水利水電技術(shù),2013,02:54-57.

[3]魏永學.含水疏松砂巖隧洞凍結(jié)法掘進技術(shù)[J].水利建設與管理,2013,06:5-9.

[4]康小虎.凍結(jié)法在含水疏松砂巖地層隧洞施工中的應用[J].山西建筑,2013,28:220-221.