冻结法在含水疏松砂岩地层隧洞施工中的应用

康小虎

(甘肃省引洮工程建设管理局，甘肃兰州 730030)

1 工程概况

甘肃省引洮供水一期工程计划从洮河九甸峡水利枢纽调水至甘肃省中部干旱地区定西市一带，一期工程直接供水县(区)城2个，供水乡镇36个，供水区受益总乡镇57个，总控制灌溉面积19万亩。工程主要建筑物包括调水总干渠1条，长110.47 km;干渠3条，全长146.19 km;支渠及分支渠20条，全长238.18 km;供水管线12条，全长113.274 km。甘肃省引洮供水一期工程7号隧洞出口工区自2010年4月20日进入含水疏松砂岩地质地段先后发生TBM卡机、突泥涌砂、TBM低头等不良地质地段，最终被迫转场。本段为N2L2s疏松砂岩地层中，围岩岩性软弱，属极软岩，遇水极易软化崩解，工程地质性质极差;围岩受地质构造影响，具巨厚层状结构，单斜构造，产状NW310°SW∠20°～25°断裂构造不发育，围岩结构较完整，完整性系数0.6～0.8。地下水位位于洞室顶部10 m，测定水压为0.2 MPa。地下水水质差，对混凝土具硫酸盐强腐蚀性。已完成的隧道部分出现下沉现象。考虑到该段工程地质和水文地质条件，提出采用冻结法加固的施工方案。

2 总体施工方案

2.1 施工方案设计的基本原则

采用冻结法加固土体安全可靠，适应该段工程地质和水文地质条件。本施工方案设计的基本原则是:1)水平孔冻结帷幕技术性能必须满足隧洞施工的安全和质量要求，加固土体的厚度和强度应达到设计要求。2)水平孔冻结方案应符合现场实际条件，具有可操作性。3)施工方案应在满足工程要求工期的前提下具备优化潜力。4)施工方案中考虑相关公共设施的位置及其安全保障，满足环境保护及节能要求。

2.2 冻结加固方案设计的主要技术要点

为控制冻结孔钻进、地层冻胀和融沉等对隧洞及地面的影响，根据国内外最新研究成果和施工经验，提出以下冻结设计技术要点:1)根据隧洞的结构采用近水平成孔或斜孔，每个钻孔都设孔口管，并安装孔口密封装置。根据现场实际情况固定加固孔口管，采用厚度16 mm加肋筋钢板封堵整个隧洞断面，交接面满焊，以防钻进时大量泥水涌出。2)冻土帷幕的厚度及强度应满足隧洞开挖的要求，尤其保证冻结帷幕的厚度，同时确保冻结帷幕的完全胶结。做好冻结和开挖的配合工作，并根据开挖后冻结帷幕变形情况及时调整开挖构筑工艺。3)为减小冻胀对隧洞的影响，采用小开孔距、较低盐水温度、较大盐水流量等措施，以加快冻结速度，并在适当部位布设泄压孔，在冻胀力达到一定值时进行手动泄压。4)通过测温孔和泄压孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。重点监测冻土帷幕与局部隧洞冻结的胶结情况。5)在隧洞底板、两侧、顶部混凝土中预埋注浆孔，以便注浆防止冻土融沉引起的地面沉降及隧洞的沉降变形。进行冻结地层温度监测、地层沉降变形的监测、隧洞变形的监测，以指导隧洞的施工。6)为减小冻融的不利影响，实施按需注浆的方案，以控制地面的不均匀沉降。

2.3 施工总体方案

根据工程地质条件及其他施工条件，确定采用“隧洞内钻凿，布设水平孔、近水平孔冻结加固围岩，矿山法开挖砌筑”的施工方案，即:在隧洞内利用水平孔和部分小倾斜角度冻结孔相结合的方式冻结加固地层，在开挖空间外形成满足设计要求的具有一定强度的封闭性冻土帷幕，然后在冻结壁的保护下采用“新奥法”进行隧洞的开挖和砌筑施工。

3 冻结壁设计

图1 冻结孔布置平面图

1)冻结壁。a.冻土强度的设计指标为:单轴抗压3.6 MPa，抗折2 MPa，抗剪1.5 MPa(-10℃)。b.积极冻结时，在冻结区附近200 m范围内不得采取降水措施。在冻结区内土层中不得有集中水流。c.在冻结壁附近隧洞内侧敷设保温层，敷设范围至设计冻结壁边界处2 m。保温层采用保温板，厚度50 mm，导热系数不大于0.04 W/(m·K)。d.积极冻结时间初步设计为50 d。冻结孔单孔流量控制在5 m3/h以上;盐水温度降温遵循下面要求:积极冻结7 d至-18℃以下;15 d至-24℃以下;开挖时至-28℃以下。若盐水温度和盐水流量达不到设计，必须延长冻结时间。e.冻结壁与隧洞管片交接面处温度低于-5℃。冻结壁平均温度为-10℃。f.当施工中地层及环境条件与原设计依据资料有重大变化时，应及时修改冻结帷幕设计。2)冻结主要参数。a.隧洞两侧、拱顶以及底板冻结帷幕厚均为2.5 m。b.冻结加固结构处布置4圈冻结管，最外圈冻结管作为加强冻结维护。A圈布置24根冻结管，长25 m;B圈布置12根冻结管，长25 m;C圈布置3根冻结管，长25 m;J圈布置25根冻结管，长20 m。本次抢修中共布置64个冻结孔、4个测温孔，具体布置见图1。其中，标注“T”字的孔为测温孔。c.根据计算，冻结总需制冷量约13×104kcal/h;冻土平均温度-10℃;积极冻结期50 d，设计最低盐水温度为-28℃～-30℃;单孔盐水流量不小于5 m3/h。3)冻结设备。用4台JYSLGF300螺杆机组，2台30 kW的IS200-150-315盐水泵(流量 400 m3/h)，2台 55 kW 的 IS200-150-425清水泵(流量425 m3/h)，2台7.5 kW的GBNL3冷却塔。

4 冻结加固施工

1)主要施工顺序为:施工准备→冻结孔施工(同时安装冻结制冷系统，盐水系统和检测系统)→积极冻结→探孔试挖→掘进与临时支护→隧洞永久支护→结构注浆→进行融沉注浆充填。冻结孔施工和隧洞临时支护施工为本工程的关键工序;冻结温度检测、土体变形、压力监测及隧洞永久支护施工为特殊工序。2)为了保证隧洞内冻结区域的冻结效果，冻结施工前必须对加固结构附近隧洞进行充填注浆。3)冻结过程中通过布置的测温孔对冻结区域的温度场进行了跟踪监测，去回路温差控制在2.0℃以内。4)由测温孔观测数据可知，冻结区域内部(隧洞以内)冻土平均发展速度较快，平均发展速度在25.8 mm/d～32.5 mm/d;向外发展速度稍慢，平均在20.7 mm/d～24.3 mm/d。

5 结语

甘肃省引洮供水一期工程7号隧洞含水疏松砂岩地层采用冻结法加固施工，冻结参数的选择是合理的，通过实时监测，获得了含水疏松砂岩冻结施工过程中冻结壁的发展速度，指导了含水疏松砂岩地层冻结施工的顺利进行，说明了冻结法在含水疏松砂岩不良地层中是有效的。

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