康小虎

(甘肅省引洮工程建設管理局，甘肅蘭州 730030)

1 工程概況

甘肅省引洮供水一期工程計劃從洮河九甸峽水利樞紐調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，供水鄉(xiāng)鎮(zhèn)36個，供水區(qū)受益總鄉(xiāng)鎮(zhèn)57個，總控制灌溉面積19萬畝。工程主要建筑物包括調水總干渠1條，長110.47 km;干渠3條，全長146.19 km;支渠及分支渠20條，全長238.18 km;供水管線12條，全長113.274 km。甘肅省引洮供水一期工程7號隧洞出口工區(qū)自2010年4月20日進入含水疏松砂巖地質地段先后發(fā)生TBM卡機、突泥涌砂、TBM低頭等不良地質地段，最終被迫轉場。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，工程地質性質極差;圍巖受地質構造影響，具巨厚層狀結構，單斜構造，產狀NW310°SW∠20°～25°斷裂構造不發(fā)育，圍巖結構較完整，完整性系數(shù)0.6～0.8。地下水位位于洞室頂部10 m，測定水壓為0.2 MPa。地下水水質差，對混凝土具硫酸鹽強腐蝕性。已完成的隧道部分出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。考慮到該段工程地質和水文地質條件，提出采用凍結法加固的施工方案。

2 總體施工方案

2.1 施工方案設計的基本原則

采用凍結法加固土體安全可靠，適應該段工程地質和水文地質條件。本施工方案設計的基本原則是:1)水平孔凍結帷幕技術性能必須滿足隧洞施工的安全和質量要求，加固土體的厚度和強度應達到設計要求。2)水平孔凍結方案應符合現(xiàn)場實際條件，具有可操作性。3)施工方案應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公共設施的位置及其安全保障，滿足環(huán)境保護及節(jié)能要求。

2.2 凍結加固方案設計的主要技術要點

為控制凍結孔鉆進、地層凍脹和融沉等對隧洞及地面的影響，根據(jù)國內外最新研究成果和施工經驗，提出以下凍結設計技術要點:1)根據(jù)隧洞的結構采用近水平成孔或斜孔，每個鉆孔都設孔口管，并安裝孔口密封裝置。根據(jù)現(xiàn)場實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隧洞斷面，交接面滿焊，以防鉆進時大量泥水涌出。2)凍土帷幕的厚度及強度應滿足隧洞開挖的要求，尤其保證凍結帷幕的厚度，同時確保凍結帷幕的完全膠結。做好凍結和開挖的配合工作，并根據(jù)開挖后凍結帷幕變形情況及時調整開挖構筑工藝。3)為減小凍脹對隧洞的影響，采用小開孔距、較低鹽水溫度、較大鹽水流量等措施，以加快凍結速度，并在適當部位布設泄壓孔，在凍脹力達到一定值時進行手動泄壓。4)通過測溫孔和泄壓孔，監(jiān)測凍土帷幕的形成過程和形成狀況。重點監(jiān)測凍土帷幕與局部隧洞凍結的膠結情況。5)在隧洞底板、兩側、頂部混凝土中預埋注漿孔，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。進行凍結地層溫度監(jiān)測、地層沉降變形的監(jiān)測、隧洞變形的監(jiān)測，以指導隧洞的施工。6)為減小凍融的不利影響，實施按需注漿的方案，以控制地面的不均勻沉降。

2.3 施工總體方案

根據(jù)工程地質條件及其他施工條件，確定采用“隧洞內鉆鑿，布設水平孔、近水平孔凍結加固圍巖，礦山法開挖砌筑”的施工方案，即:在隧洞內利用水平孔和部分小傾斜角度凍結孔相結合的方式凍結加固地層，在開挖空間外形成滿足設計要求的具有一定強度的封閉性凍土帷幕，然后在凍結壁的保護下采用“新奧法”進行隧洞的開挖和砌筑施工。

3 凍結壁設計

圖1 凍結孔布置平面圖

1)凍結壁。a.凍土強度的設計指標為:單軸抗壓3.6 MPa，抗折2 MPa，抗剪1.5 MPa(-10℃)。b.積極凍結時，在凍結區(qū)附近200 m范圍內不得采取降水措施。在凍結區(qū)內土層中不得有集中水流。c.在凍結壁附近隧洞內側敷設保溫層，敷設范圍至設計凍結壁邊界處2 m。保溫層采用保溫板，厚度50 mm，導熱系數(shù)不大于0.04 W/(m·K)。d.積極凍結時間初步設計為50 d。凍結孔單孔流量控制在5 m3/h以上;鹽水溫度降溫遵循下面要求:積極凍結7 d至-18℃以下;15 d至-24℃以下;開挖時至-28℃以下。若鹽水溫度和鹽水流量達不到設計，必須延長凍結時間。e.凍結壁與隧洞管片交接面處溫度低于-5℃。凍結壁平均溫度為-10℃。f.當施工中地層及環(huán)境條件與原設計依據(jù)資料有重大變化時，應及時修改凍結帷幕設計。2)凍結主要參數(shù)。a.隧洞兩側、拱頂以及底板凍結帷幕厚均為2.5 m。b.凍結加固結構處布置4圈凍結管，最外圈凍結管作為加強凍結維護。A圈布置24根凍結管，長25 m;B圈布置12根凍結管，長25 m;C圈布置3根凍結管，長25 m;J圈布置25根凍結管，長20 m。本次搶修中共布置64個凍結孔、4個測溫孔，具體布置見圖1。其中，標注“T”字的孔為測溫孔。c.根據(jù)計算，凍結總需制冷量約13×104kcal/h;凍土平均溫度-10℃;積極凍結期50 d，設計最低鹽水溫度為-28℃～-30℃;單孔鹽水流量不小于5 m3/h。3)凍結設備。用4臺JYSLGF300螺桿機組，2臺30 kW的IS200-150-315鹽水泵(流量 400 m3/h)，2臺 55 kW 的 IS200-150-425清水泵(流量425 m3/h)，2臺7.5 kW的GBNL3冷卻塔。

4 凍結加固施工

1)主要施工順序為:施工準備→凍結孔施工(同時安裝凍結制冷系統(tǒng)，鹽水系統(tǒng)和檢測系統(tǒng))→積極凍結→探孔試挖→掘進與臨時支護→隧洞永久支護→結構注漿→進行融沉注漿充填。凍結孔施工和隧洞臨時支護施工為本工程的關鍵工序;凍結溫度檢測、土體變形、壓力監(jiān)測及隧洞永久支護施工為特殊工序。2)為了保證隧洞內凍結區(qū)域的凍結效果，凍結施工前必須對加固結構附近隧洞進行充填注漿。3)凍結過程中通過布置的測溫孔對凍結區(qū)域的溫度場進行了跟蹤監(jiān)測，去回路溫差控制在2.0℃以內。4)由測溫孔觀測數(shù)據(jù)可知，凍結區(qū)域內部(隧洞以內)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。

5 結語

甘肅省引洮供水一期工程7號隧洞含水疏松砂巖地層采用凍結法加固施工，凍結參數(shù)的選擇是合理的，通過實時監(jiān)測，獲得了含水疏松砂巖凍結施工過程中凍結壁的發(fā)展速度，指導了含水疏松砂巖地層凍結施工的順利進行，說明了凍結法在含水疏松砂巖不良地層中是有效的。

［1］ 周曉敏，蘇立凡，賀長俊，等.北京地鐵隧道水平凍結法施工［J］.巖土工程學報，1999，21(3):319-322.

［2］ 楊 超.地鐵隧道聯(lián)絡通道凍結監(jiān)測分析［J］.巖土工程界，2009，9(3):62.

［3］ 徐學祖.凍土物理學［M］.北京:科學出版社，2001.

［4］ 張 濤.不同外部隔熱條件下單管凍結溫度場研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學建筑工程學院，2003.

［5］ 崔廣心，楊維好，呂恒林.深厚表土層中的凍結壁和井壁［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1998:52-65.