康小虎
(甘肅省引洮工程建設(shè)管理局,甘肅蘭州 730030)
甘肅省引洮供水一期工程計(jì)劃從洮河九甸峽水利樞紐調(diào)水至甘肅省中部干旱地區(qū)定西市一帶,一期工程直接供水縣(區(qū))城2個(gè),供水鄉(xiāng)鎮(zhèn)36個(gè),供水區(qū)受益總鄉(xiāng)鎮(zhèn)57個(gè),總控制灌溉面積19萬畝。工程主要建筑物包括調(diào)水總干渠1條,長(zhǎng)110.47 km;干渠3條,全長(zhǎng)146.19 km;支渠及分支渠20條,全長(zhǎng)238.18 km;供水管線12條,全長(zhǎng)113.274 km。甘肅省引洮供水一期工程7號(hào)隧洞出口工區(qū)自2010年4月20日進(jìn)入含水疏松砂巖地質(zhì)地段先后發(fā)生TBM卡機(jī)、突泥涌砂、TBM低頭等不良地質(zhì)地段,最終被迫轉(zhuǎn)場(chǎng)。本段為N2L2s疏松砂巖地層中,圍巖巖性軟弱,屬極軟巖,遇水極易軟化崩解,工程地質(zhì)性質(zhì)極差;圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響,具巨厚層狀結(jié)構(gòu),單斜構(gòu)造,產(chǎn)狀NW310°SW∠20°~25°斷裂構(gòu)造不發(fā)育,圍巖結(jié)構(gòu)較完整,完整性系數(shù)0.6~0.8。地下水位位于洞室頂部10 m,測(cè)定水壓為0.2 MPa。地下水水質(zhì)差,對(duì)混凝土具硫酸鹽強(qiáng)腐蝕性。已完成的隧道部分出現(xiàn)下沉現(xiàn)象??紤]到該段工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,提出采用凍結(jié)法加固的施工方案。
采用凍結(jié)法加固土體安全可靠,適應(yīng)該段工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。本施工方案設(shè)計(jì)的基本原則是:1)水平孔凍結(jié)帷幕技術(shù)性能必須滿足隧洞施工的安全和質(zhì)量要求,加固土體的厚度和強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2)水平孔凍結(jié)方案應(yīng)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,具有可操作性。3)施工方案應(yīng)在滿足工程要求工期的前提下具備優(yōu)化潛力。4)施工方案中考慮相關(guān)公共設(shè)施的位置及其安全保障,滿足環(huán)境保護(hù)及節(jié)能要求。
為控制凍結(jié)孔鉆進(jìn)、地層凍脹和融沉等對(duì)隧洞及地面的影響,根據(jù)國(guó)內(nèi)外最新研究成果和施工經(jīng)驗(yàn),提出以下凍結(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn):1)根據(jù)隧洞的結(jié)構(gòu)采用近水平成孔或斜孔,每個(gè)鉆孔都設(shè)孔口管,并安裝孔口密封裝置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況固定加固孔口管,采用厚度16 mm加肋筋鋼板封堵整個(gè)隧洞斷面,交接面滿焊,以防鉆進(jìn)時(shí)大量泥水涌出。2)凍土帷幕的厚度及強(qiáng)度應(yīng)滿足隧洞開挖的要求,尤其保證凍結(jié)帷幕的厚度,同時(shí)確保凍結(jié)帷幕的完全膠結(jié)。做好凍結(jié)和開挖的配合工作,并根據(jù)開挖后凍結(jié)帷幕變形情況及時(shí)調(diào)整開挖構(gòu)筑工藝。3)為減小凍脹對(duì)隧洞的影響,采用小開孔距、較低鹽水溫度、較大鹽水流量等措施,以加快凍結(jié)速度,并在適當(dāng)部位布設(shè)泄壓孔,在凍脹力達(dá)到一定值時(shí)進(jìn)行手動(dòng)泄壓。4)通過測(cè)溫孔和泄壓孔,監(jiān)測(cè)凍土帷幕的形成過程和形成狀況。重點(diǎn)監(jiān)測(cè)凍土帷幕與局部隧洞凍結(jié)的膠結(jié)情況。5)在隧洞底板、兩側(cè)、頂部混凝土中預(yù)埋注漿孔,以便注漿防止凍土融沉引起的地面沉降及隧洞的沉降變形。進(jìn)行凍結(jié)地層溫度監(jiān)測(cè)、地層沉降變形的監(jiān)測(cè)、隧洞變形的監(jiān)測(cè),以指導(dǎo)隧洞的施工。6)為減小凍融的不利影響,實(shí)施按需注漿的方案,以控制地面的不均勻沉降。
根據(jù)工程地質(zhì)條件及其他施工條件,確定采用“隧洞內(nèi)鉆鑿,布設(shè)水平孔、近水平孔凍結(jié)加固圍巖,礦山法開挖砌筑”的施工方案,即:在隧洞內(nèi)利用水平孔和部分小傾斜角度凍結(jié)孔相結(jié)合的方式凍結(jié)加固地層,在開挖空間外形成滿足設(shè)計(jì)要求的具有一定強(qiáng)度的封閉性凍土帷幕,然后在凍結(jié)壁的保護(hù)下采用“新奧法”進(jìn)行隧洞的開挖和砌筑施工。
圖1 凍結(jié)孔布置平面圖
1)凍結(jié)壁。a.凍土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)為:單軸抗壓3.6 MPa,抗折2 MPa,抗剪1.5 MPa(-10℃)。b.積極凍結(jié)時(shí),在凍結(jié)區(qū)附近200 m范圍內(nèi)不得采取降水措施。在凍結(jié)區(qū)內(nèi)土層中不得有集中水流。c.在凍結(jié)壁附近隧洞內(nèi)側(cè)敷設(shè)保溫層,敷設(shè)范圍至設(shè)計(jì)凍結(jié)壁邊界處2 m。保溫層采用保溫板,厚度50 mm,導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.04 W/(m·K)。d.積極凍結(jié)時(shí)間初步設(shè)計(jì)為50 d。凍結(jié)孔單孔流量控制在5 m3/h以上;鹽水溫度降溫遵循下面要求:積極凍結(jié)7 d至-18℃以下;15 d至-24℃以下;開挖時(shí)至-28℃以下。若鹽水溫度和鹽水流量達(dá)不到設(shè)計(jì),必須延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間。e.凍結(jié)壁與隧洞管片交接面處溫度低于-5℃。凍結(jié)壁平均溫度為-10℃。f.當(dāng)施工中地層及環(huán)境條件與原設(shè)計(jì)依據(jù)資料有重大變化時(shí),應(yīng)及時(shí)修改凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)。2)凍結(jié)主要參數(shù)。a.隧洞兩側(cè)、拱頂以及底板凍結(jié)帷幕厚均為2.5 m。b.凍結(jié)加固結(jié)構(gòu)處布置4圈凍結(jié)管,最外圈凍結(jié)管作為加強(qiáng)凍結(jié)維護(hù)。A圈布置24根凍結(jié)管,長(zhǎng)25 m;B圈布置12根凍結(jié)管,長(zhǎng)25 m;C圈布置3根凍結(jié)管,長(zhǎng)25 m;J圈布置25根凍結(jié)管,長(zhǎng)20 m。本次搶修中共布置64個(gè)凍結(jié)孔、4個(gè)測(cè)溫孔,具體布置見圖1。其中,標(biāo)注“T”字的孔為測(cè)溫孔。c.根據(jù)計(jì)算,凍結(jié)總需制冷量約13×104kcal/h;凍土平均溫度-10℃;積極凍結(jié)期50 d,設(shè)計(jì)最低鹽水溫度為-28℃~-30℃;單孔鹽水流量不小于5 m3/h。3)凍結(jié)設(shè)備。用4臺(tái)JYSLGF300螺桿機(jī)組,2臺(tái)30 kW的IS200-150-315鹽水泵(流量 400 m3/h),2臺(tái) 55 kW 的 IS200-150-425清水泵(流量425 m3/h),2臺(tái)7.5 kW的GBNL3冷卻塔。
1)主要施工順序?yàn)?施工準(zhǔn)備→凍結(jié)孔施工(同時(shí)安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng),鹽水系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng))→積極凍結(jié)→探孔試挖→掘進(jìn)與臨時(shí)支護(hù)→隧洞永久支護(hù)→結(jié)構(gòu)注漿→進(jìn)行融沉注漿充填。凍結(jié)孔施工和隧洞臨時(shí)支護(hù)施工為本工程的關(guān)鍵工序;凍結(jié)溫度檢測(cè)、土體變形、壓力監(jiān)測(cè)及隧洞永久支護(hù)施工為特殊工序。2)為了保證隧洞內(nèi)凍結(jié)區(qū)域的凍結(jié)效果,凍結(jié)施工前必須對(duì)加固結(jié)構(gòu)附近隧洞進(jìn)行充填注漿。3)凍結(jié)過程中通過布置的測(cè)溫孔對(duì)凍結(jié)區(qū)域的溫度場(chǎng)進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè),去回路溫差控制在2.0℃以內(nèi)。4)由測(cè)溫孔觀測(cè)數(shù)據(jù)可知,凍結(jié)區(qū)域內(nèi)部(隧洞以內(nèi))凍土平均發(fā)展速度較快,平均發(fā)展速度在25.8 mm/d~32.5 mm/d;向外發(fā)展速度稍慢,平均在20.7 mm/d~24.3 mm/d。
甘肅省引洮供水一期工程7號(hào)隧洞含水疏松砂巖地層采用凍結(jié)法加固施工,凍結(jié)參數(shù)的選擇是合理的,通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲得了含水疏松砂巖凍結(jié)施工過程中凍結(jié)壁的發(fā)展速度,指導(dǎo)了含水疏松砂巖地層凍結(jié)施工的順利進(jìn)行,說明了凍結(jié)法在含水疏松砂巖不良地層中是有效的。
[1] 周曉敏,蘇立凡,賀長(zhǎng)俊,等.北京地鐵隧道水平凍結(jié)法施工[J].巖土工程學(xué)報(bào),1999,21(3):319-322.
[2] 楊 超.地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)監(jiān)測(cè)分析[J].巖土工程界,2009,9(3):62.
[3] 徐學(xué)祖.凍土物理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2001.
[4] 張 濤.不同外部隔熱條件下單管凍結(jié)溫度場(chǎng)研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,2003.
[5] 崔廣心,楊維好,呂恒林.深厚表土層中的凍結(jié)壁和井壁[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1998:52-65.