(甘肅省引洮工程建設管理局，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

甘肅引洮供水一期工程總干渠7#隧洞全長17.29 km，圓形斷面，凈洞徑Ф4.96 m，縱坡1/1 650，采用1臺單護盾全斷面巖石隧洞掘進機(Single Shield TBM)施工。TBM開挖掘進施工中遇富含水疏松粉細砂巖不良地層，導致TBM被困并栽頭下沉最大達663.0 mm，之后采取井點降水及超前大管棚結合注漿等多種方法開挖，均由于圍巖極不穩(wěn)定、變形嚴重、涌水及涌砂等而無法繼續(xù)掘進施工[1,2]。而地層凍結施工技術已經廣泛應用于含水軟弱地層煤礦巷道，以及地鐵與軌道交通工程，解決了其他工法難以解決的許多工程難題[3]，經多方論證和比選，最終確定采用洞內水平凍結法完成TBM解困，以及停工掌子面下游剩余洞段的開挖掘進施工。

在凍結工程的風險控制及分析研究方面，已有“以上海M線為工程實例，介紹了凍結法施工聯絡通道的工藝、風險點的設立及風險分析，并詳述了風險控制對策”[4]、“上海軌道交通4號線工程采用凍結法施工的技術風險，防范風險的安全技術措施與應急預案”[5]、“從工程地質勘察、方案設計、施工技術和人員管理因素四方面分析在承壓水地層應用凍結法的風險影響因素，并提出應對突發(fā)險情的工程對策”[6]、“聯絡通道凍結法施工中可能出現的冷凍前設備安裝、冷凍過程操作、冷凍期間溫度維持、設備拆除及施工開挖等風險，提出相應防范措施”[7]、“杭州地鐵1號線33.4 m超長聯絡通道各施工階段風險因素識別和分析，確定凍結管鉆孔偏斜、承壓水危害、凍脹變形和泵房開挖分別是各施工階段最大風險事件，并進行有效控制”[8]、“通過歸納聯絡通道施工中風險事件產生的原因、后果，建立聯絡通道施工風險等級評估標準，對聯絡通道風險劃分等級，并提出應對措施”[9]，以及“郭屯煤礦凍結法鑿井風險管理組織設計、風險管理識別、項目風險信息動態(tài)監(jiān)測與預警、風險信息化管理決策方面研究”[10]等諸多風險控制與分析研究。

本文針對7#隧洞水平凍結洞段埋深大(最大埋深248.0 m)，且穿越富含水疏松粉細砂巖地層，對施工過程的凍結孔、凍結與開挖施工，以及凍結后融沉變形控制等方面存在的風險與應對措施進行深入分析。

2 凍結孔施工風險控制

2.1 開孔過程中產生涌水及涌砂

由于凍結施工段洞身圍巖為富含水疏松粉細砂巖地層，凍結孔開孔施工中須采用專用的孔口管且固定牢固，否則可能出現涌水及涌砂，甚至出現噴砂，淹沒已修建的隧洞。其風險控制的措施主要包括改進鉆進密閉裝置，高水壓情況下水平鉆孔采用常規(guī)單向閥密封難以鉆進，須對單向閥進行改進，并對頭部進行尺寸進行調整，改變內部出水方式。

2.2 鉆進過程中出現涌水及涌砂

凍結孔鉆進過程中要控制水土的流失量，若孔口密封裝置未壓緊或鉆機頂力不夠，可能造成水土順鉆桿或密封裝置流出。其風險控制的措施主要包括鉆進過程中使用凍結管作為鉆桿，鉆孔完成后不將鉆桿抽出，避免水土涌出；鉆進盡量使用干鉆，當難以鉆進時再通水，同時控制水土的流失量；若鉆進過程中水土的流失量過多，在凍結孔施工結束后須進行孔位注漿；鉆進過程中要經常檢查孔口密封裝置，及時緊固螺絲，防止水土從孔口密封裝置的縫隙中流出。

2.3 凍結孔施工偏斜過大

凍結管施工精度直接影響凍結的效果，若凍結孔的施工偏斜過大，可能造成后續(xù)凍結施工存在薄弱環(huán)節(jié)，從而影響開挖及構筑施工。引起凍結孔偏斜大的主要原因有開孔位置偏差大及開孔角度偏差大，其風險控制的措施主要包括凍結孔施工前須詳細復核開孔位置；鉆孔過程中要定期復測鉆進角度，避免鉆進角度偏差大；鉆孔完成后及時進行測斜，若凍結孔偏斜超允許值，需在適當位置補打凍結孔。

3 凍結施工風險控制

3.1 凍結施工不連續(xù)

凍結施工一般要求連續(xù)凍結，若凍結過程中停電或出現設備故障時，極易造成已形成的凍結帷幕停止發(fā)展或解凍，影響形成的凍結壁強度，需延長凍結時間來保證形成凍結壁的質量。若在開挖和構筑階段出現停止凍結的情況，可能在短時間內造成凍結帷幕強度降低，變形加大，不能發(fā)揮圍護作用，導致施工的失敗。其風險控制的措施主要包括準備備用冷凍機、清水泵及鹽水泵等關鍵設備，各準備1套備用設備，在施工前接入系統(tǒng)并試運轉正常，當某一設備出現故障后，及時啟用備用設備，短期內恢復凍結；準備雙路供電，供電線路發(fā)生故障時啟用備用線路恢復供電，及時恢復凍結；開挖及構筑階段現場準備發(fā)電設備，以應付凍結過程中的突然停電；積極凍結期間若停止凍結24 h以上時，需延長凍結時間，以提高凍結壁的強度；開挖及構筑階段若出現長時間停止凍結情況，應停止開挖及構筑施工，采取保溫及關閉應急門等措施，防止產生災害性后果。

3.2 凍結帷幕存在薄弱環(huán)節(jié)

凍結形成的帷幕應保證盡可能均勻，減少薄弱環(huán)節(jié)的出現。若凍結帷幕的薄弱環(huán)節(jié)出現變形過大及漏水等現象，可能會造成薄弱環(huán)節(jié)附近的凍結壁強度迅速降低，變形加大，引起凍結帷幕的圍護作用失效。其風險控制的措施主要包括凍結過程中加強監(jiān)測，保證凍結鹽水循環(huán)均勻，避免凍結過程中出現薄弱環(huán)節(jié)；凍結孔完工后根據施工資料，分析可能出現的薄弱環(huán)節(jié)，在薄弱環(huán)節(jié)處補孔加強凍結，同時在薄弱環(huán)節(jié)處設置測溫孔，以掌握整個凍結過程中薄弱環(huán)節(jié)凍結帷幕發(fā)展情況；積極凍結完成后根據監(jiān)測資料，分析凍結壁的形成狀況，在薄弱環(huán)節(jié)處補探孔，以驗證凍結帷幕薄弱環(huán)節(jié)的凍結狀況。

3.3 凍結管斷裂

在凍結過程中，由于鹽水降溫過程不規(guī)律、凍結管材質有缺陷或是連接方式不科學、或開挖過程中凍結帷幕的變形過大等，都會造成凍結管的斷裂。凍結管斷裂后不能繼續(xù)凍結，同時會造成凍結管中鹽水漏失，導致凍結帷幕中出現薄弱環(huán)節(jié)。其風險控制的措施主要包括凍結開始階段精心施工，保證降溫符合規(guī)律，避免凍結管產生過大的溫度應力；凍結過程中要加強監(jiān)測，發(fā)現凍結管斷裂后，要立即停止斷裂凍結管的鹽水循環(huán)，防止大量鹽水進入凍結區(qū)域，造成凍結壁的融化；及時采取下套管等措施，對凍結管進行處理，盡快恢復凍結。

3.4 鹽水漏失

凍結過程中若凍結管出現滲漏或斷裂時，會導致鹽水漏失，引起凍結帷幕融化或土層難以結冰，導致凍結帷幕存在薄弱環(huán)節(jié)。其風險控制的措施主要包括加強對鹽水箱鹽水水位的觀測，發(fā)現鹽水水位波動較大時，及時分析原因；凍結孔施工完成后進行打壓試驗，保證打壓壓力不小于工作壓力的2倍，以保證凍結管的施工質量；全部凍結孔施工完成后，全部凍結孔進行復打壓試驗，保證所有凍結管在凍結前的質量；若凍結管存在滲漏情況，可在凍結管中下入套管，繼續(xù)進行凍結。

4 開挖掘進施工風險控制

4.1 開挖掘進判定條件不科學

積極凍結形成的凍結帷幕滿足設計要求，可提供足夠的圍護作用時，方可進行開挖掘進工作。由于凍結過程中影響因素較多，而獲得的測試數據相對較少，若開挖掘進判定條件不科學，凍結帷幕不能提供足夠的圍護作用，導致災難性后果的發(fā)生。其風險控制的措施主要包括開挖掘進條件的判定需經確認后，方可進行開挖施工；開挖掘進條件滿足要求后，在適當位置補探孔驗證分析結果，并對凍結效果進行評估。

4.2 凍結壁變形大

開挖掘進施工過程中，由于局部凍土帷幕厚度不夠，凍結壁強度低、或支撐質量不好、或凍土暴露時間過長，均可能會造成凍結壁的變形過大。若不采取措施控制凍結壁變形發(fā)展，可能造成凍結壁的失效，不能提供足夠的圍護作用，導致災害性后果的發(fā)生。其風險控制的措施主要包括開挖掘進施工開始后，采取加強凍結的措施，保證鹽水溫度不升高，提高凍結壁的強度；保證一次支護支撐結構和凍結壁緊密接觸，若支撐結構后的木背板與凍結壁之間縫隙過大，采用填砂等方法使兩者之間接觸緊密；開挖掘進施工中加強對凍結壁和一次支護支撐結構變形的監(jiān)測，當凍結壁和支撐結構變形過大時，采取縮小支撐間距的辦法，減小凍結壁和支撐結構的變形；開挖掘進后要及時實施一次支護，縮短開挖掘進后凍結壁的暴露時間，必要時縮短開挖掘進單循環(huán)洞長；一次支護結構完成后，在一次支護結構內掛網噴混凝土，以提高一次支護支撐結構體系的整體穩(wěn)定性。

4.3 開挖掘進施工掌子面滲水

若開挖掘進后凍結壁存在薄弱環(huán)節(jié)，可能造成開挖面滲水，而滲水易引起凍結壁失穩(wěn)，導致凍結壁不能提供圍護作用。其風險控制的措施主要包括開挖掘進施工過程中加強觀測，及時發(fā)現凍結壁的薄弱環(huán)節(jié)；對開挖掘進施工掌子面存在的薄弱環(huán)節(jié)采取保溫，以及使用液氮凍結器加強凍結等措施，提高薄弱環(huán)節(jié)的凍結壁強度；若開挖掘進施工掌子面有水滲出時，立即停止施工，及時對滲水點進行處理，若出水量小，則利用快干水泥封堵；當開挖掘進施工掌子面滲水量大，形成線流不能控制時，采用砂袋堆填封堵開挖掘進施工掌子面控制漏水，停止開挖施工，繼續(xù)加強凍結，待開挖掘進施工掌子面穩(wěn)定后，恢復施工。

4.4 開挖掘進過程凍結壁超挖過大

若開挖掘進施工過程中洞身軸線偏移，或開挖掘進尺寸控制不當，將會造成凍結壁的超挖過大，引起凍結壁厚度降低，使凍結帷幕不能提供足夠的圍護作用，同時會對后續(xù)的結構構筑施工造成影響。其風險控制的措施主要包括開挖掘進施工前，在隧洞內標識開挖掘進施工洞身軸線及其外輪廓線位置，作為開挖掘進施工尺寸復核控制的參考；開挖掘進施工過程中，定期復核開挖掘進施工洞身軸線及其外輪廓線尺寸，避免偏差過大；若凍結壁超挖過大，需停止開挖掘進施工，對超挖凍結壁進行保溫及加強凍結，并對凍結效果進行評估，凍結壁滿足設計要求時，方可繼續(xù)開挖掘進施工。

5 凍結后融沉變形風險控制

隧道開挖掘進施工結束后，凍結帷幕的解凍會引起凍結區(qū)域的融沉，若融沉變形過大，會造成洞身二次襯砌的變形。其風險控制的措施主要包括根據變形情況，使用洞身二次襯砌結構施工預留的注漿孔，對凍結區(qū)域內進行跟蹤注漿；確定合理的地面及洞身變形的控制指標，作為跟蹤注漿及停止注漿的依據。

6 結語

引洮供水一期總干渠7#隧洞工程富含水粉細砂巖洞段最大埋深達248.0 m，采用洞內水平凍結法進行加固，礦山法開挖掘進施工。通過對隧洞凍結施工過程的凍結造孔、凍結與開挖掘進等施工過程，以及凍結后融沉變形等階段風險因素的判別與分析研究，分別提出相應風險控制工程技術措施，達到預期目的，實施效果良好，確保了隧洞安全順利地完成開挖掘進施工。