含水疏松砂巖地層深埋隧洞凍結(jié)施工技術(shù)與實(shí)踐

(甘肅省引洮工程建設(shè)管理局，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省引洮供水一期工程總干渠7#隧洞全長(zhǎng)17.29 km，圓形斷面，凈洞徑 4.96 m，采用1臺(tái)單護(hù)盾全斷面巖石隧洞掘進(jìn)機(jī)(Single Shield TBM)施工，進(jìn)口工作面開(kāi)挖掘進(jìn)施工洞長(zhǎng)11.12 km時(shí)遇富含水疏松砂巖，機(jī)頭前部掌子面發(fā)生嚴(yán)重涌水及涌沙，造成TBM卡機(jī)被困，施工被迫停工。根據(jù)卡機(jī)掌子面實(shí)際開(kāi)挖掘進(jìn)施工揭示及補(bǔ)充勘探的地質(zhì)情況分析，掌子面下游約有長(zhǎng)220.0 m洞段為富含水疏松沙地層，含水量為10.8%～13.9%，地下水測(cè)定水壓為0.9 MPa左右，洞身圍巖巖性軟弱、成巖差、結(jié)構(gòu)疏松、遇水軟化崩解、成洞條件差，屬于極不穩(wěn)定的Ⅴ類。對(duì)長(zhǎng)大管棚注漿法、水平旋噴樁法、盾構(gòu)法和凍結(jié)法等多種施工方案進(jìn)行了綜合評(píng)估，凍結(jié)法施工方案的工期和投資控制風(fēng)險(xiǎn)最低，決定采用凍結(jié)加固的方法進(jìn)行開(kāi)挖掘進(jìn)施工，具體施工方案為一是解困TBM，在TBM卡機(jī)下游6.5 m處增設(shè)施工輔助豎井，上游向?qū)BM盾體外圍采用水平凍結(jié)進(jìn)行加固，在凍土帷幕保護(hù)下實(shí)施TBM解困，并承擔(dān)下游向洞長(zhǎng)38.5 m的主洞凍結(jié)開(kāi)挖掘進(jìn)施工任務(wù)；二是下游洞長(zhǎng)172.0m疏松沙層洞段施工開(kāi)挖掘進(jìn)施工，并在掌子面下游159.0 m處再增設(shè)1座施工輔助豎井，主洞所增設(shè)的2個(gè)開(kāi)挖掘進(jìn)施工工作面，以及新增豎井井身均采用凍結(jié)法開(kāi)挖掘進(jìn)施工。

常規(guī)凍結(jié)法是一種有效應(yīng)對(duì)富含水不良地質(zhì)段的隧洞施工方法，在實(shí)際工程中也有一定的使用經(jīng)驗(yàn)和相應(yīng)分析研究，如“人工水平凍結(jié)法隧道施工凍脹融沉效應(yīng)對(duì)凍結(jié)壁、地下管線及地表變形的影響”[1]、“人工凍結(jié)法在地鐵上、下行連通隧道施工中的應(yīng)用研究”[2]、“通過(guò)建立多場(chǎng)耦合的地下隧洞模型，對(duì)人工水平凍結(jié)法施工凍結(jié)壁形成規(guī)律、凍脹與融沉效應(yīng)等問(wèn)題研究”[3]、“人工凍土強(qiáng)制解凍的特點(diǎn)及基本理論研究分析”[4]、“水平凍結(jié)加固施工設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)的處理及實(shí)際應(yīng)用效果”[5]、“凍結(jié)法施工中地表的凍脹與融沉”[6]，以及 “凍融對(duì)粉砂土力學(xué)性能的影響試驗(yàn)研究”[7]等。在凍結(jié)法隧洞施工過(guò)程中，凍土本身的性質(zhì)及參數(shù)是變化的，其對(duì)支護(hù)的設(shè)計(jì)也具有非常重要的影響，對(duì)此類問(wèn)題的研究也取得了一些較為成熟的結(jié)果，如 “凍融循環(huán)對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)影響研究”[8]、 “通過(guò)建立粘彈塑本構(gòu)模型模擬凍土對(duì)其參數(shù)研究確定”[9]，以及“對(duì)凍融過(guò)程中樁土之間的相互作用機(jī)理研究”[10]等。

但由于引洮供水一期工程總干渠7#隧洞TBM卡機(jī)洞段洞身埋深接近250.0 m，如此深度采用水平凍結(jié)國(guó)內(nèi)外沒(méi)有先例，同時(shí)地層本身的強(qiáng)度很低，在開(kāi)挖后工作面不能自穩(wěn)，鉆孔過(guò)程噴砂及噴水，需要對(duì)凍結(jié)壁強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)關(guān)于疏松砂巖凍結(jié)的工程實(shí)例很少，僅有西部地區(qū)幾個(gè)礦井的白堊系和侏羅系軟弱地層采用過(guò)凍結(jié)法，不僅無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可供參考，而且也缺少相應(yīng)的凍土基本物理力學(xué)參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

考慮到水平凍結(jié)地層為疏松砂巖，按煤炭行業(yè)凍結(jié)規(guī)范可視為含承壓水流砂地層，凍結(jié)過(guò)程中的承壓水會(huì)影響到凍結(jié)施工，因此，在獲得凍結(jié)加固體的基本參數(shù)后，可根據(jù)力學(xué)計(jì)算確定凍結(jié)壁的基本參數(shù)，但對(duì)于如何形成設(shè)計(jì)凍結(jié)壁、如何進(jìn)行凍結(jié)加固設(shè)計(jì)(包括確定凍結(jié)孔布置方式、凍結(jié)施工基本參數(shù)確定等)、如何確定高水壓情況下凍結(jié)孔開(kāi)孔方法、如何確定凍結(jié)施工基本要求，以及如何確定凍結(jié)時(shí)間等一系列的凍結(jié)施工參數(shù)及其問(wèn)題均需進(jìn)行研究。同時(shí)，還要研究相應(yīng)的工程措施，以減少凍脹和后期融沉對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的影響，最終保證隧洞安全。本文依托引洮供水一期工程總干渠7#隧洞典型富含水疏松砂巖洞段的凍結(jié)設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐，對(duì)凍結(jié)法施工相應(yīng)技術(shù)參數(shù)及其相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 工程凍土力學(xué)參數(shù)

富含水粉細(xì)砂層凍結(jié)加固工程凍土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)項(xiàng)目為單軸抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度。將土樣按12.18%的含水率進(jìn)行重塑土配置，并制備成重塑土試樣(砂性原狀土的強(qiáng)度高于重塑土)，進(jìn)行重塑凍土單軸抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。最終確定，凍土抗壓強(qiáng)度均值為5.578 MPa、抗彎拉強(qiáng)度均值為2.08 MPa、抗剪強(qiáng)度均值為1.56 Mpa。

2 施工區(qū)域及凍結(jié)技術(shù)方案

基于凍土力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)施工特點(diǎn)及施工先后順序，將整個(gè)凍結(jié)范圍分成四個(gè)施工區(qū)域，如圖1所示。施工輔助豎井施工區(qū)域Ⅰ、主洞開(kāi)口部分施工區(qū)域Ⅱ、主洞剩余部分施工區(qū)域Ⅲ，以及TBM解困施工區(qū)域Ⅳ。以施工輔助豎井施工區(qū)域Ⅰ為例，確定豎井凍結(jié)壁設(shè)計(jì)基本參數(shù)的方法及過(guò)程。

2.1 凍結(jié)深度確定

施工輔助豎井的開(kāi)挖深度按照250.0 m考慮，由于井筒下部沒(méi)有凍實(shí)，并且沒(méi)有確認(rèn)可靠的隔水層，因此，增加30.0 m凍結(jié)深度來(lái)延長(zhǎng)底部水的滲流路徑，確定豎井的凍結(jié)深度為280.0 m。

2.2 凍結(jié)壁厚確定

施工輔助豎井凍結(jié)壁壁厚確定以開(kāi)挖深度為250.0 m作為控制截面，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。豎井井身單循環(huán)開(kāi)挖段深取3.6 m，凍結(jié)壁平均溫度取-10.0℃，凍土強(qiáng)度取5.5 MPa。采用多姆克公式E=Ra[0.29(P/σs)+2.3(P/σs)2]確定凍結(jié)壁厚度，最大地壓取3.25 MPa，凍結(jié)壁平均溫度-10.0℃，凍結(jié)壁計(jì)算厚度為2.7 m，設(shè)計(jì)取為3.0 m。經(jīng)驗(yàn)算，當(dāng)凍結(jié)循環(huán)鹽水溫度為-28.0℃時(shí)，最下部表土層井幫溫度為-5.0℃，凍結(jié)壁厚度為3.0 m，凍結(jié)壁平均溫度能夠達(dá)到要求的-10.0℃，強(qiáng)度滿足要求。

圖1 施工區(qū)域分區(qū)示意

2.3 凍結(jié)孔施工參數(shù)確定

根據(jù)凍結(jié)孔布置圈徑公式及開(kāi)孔間距等優(yōu)化，確定凍結(jié)孔施工基本參數(shù)為凍結(jié)孔布置圈徑10.6 m；凍結(jié)孔數(shù)量26個(gè)；凍結(jié)孔間距取為1.3 m；凍結(jié)孔深度取為280.0 m。凍結(jié)管采用φ133×6.0 mm優(yōu)質(zhì)低碳鋼無(wú)縫管，內(nèi)管箍焊接，凍結(jié)管總長(zhǎng)為7280.0 m。

2.4 深埋水平凍結(jié)施工技術(shù)

區(qū)別于常規(guī)凍結(jié)法施工，深埋隧洞凍結(jié)鉆孔難度大，最大埋深248.0 m，水壓0.9 MPa，國(guó)內(nèi)外未有類似水平鉆孔施工經(jīng)驗(yàn)，且處于疏松砂巖高地壓情況下涌砂量較大，突涌壓力大，造成鉆孔施工困難；鉆孔過(guò)程易發(fā)生卡鉆與抱鉆現(xiàn)象，采用常規(guī)的鉆進(jìn)工藝無(wú)法滿足施工要求。施工中鉆孔出砂量無(wú)法有效控制，導(dǎo)致鉆孔區(qū)域底層擾動(dòng)，已施工完成的凍結(jié)管在地層高水土塑性流動(dòng)應(yīng)力下變形，產(chǎn)生位移，甚至折斷。同時(shí)，循環(huán)管路壓力大，豎井井筒內(nèi)水平凍結(jié)段的鹽水循環(huán)系統(tǒng)，若按常規(guī)設(shè)計(jì)始終處于高壓循環(huán)狀態(tài)，管路內(nèi)總壓力超過(guò)4.0 MPa，一旦發(fā)生管路破損將造成鹽水泄露、凍結(jié)失敗、人身傷害等嚴(yán)重后果。

經(jīng)實(shí)際凍結(jié)施工實(shí)踐驗(yàn)證，總結(jié)出一套適用的施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→凍結(jié)孔施工→安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)→安裝凍結(jié)鹽水系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)→積極凍結(jié)→試開(kāi)挖→隧洞開(kāi)挖掘進(jìn)與初支護(hù)施工→維護(hù)凍結(jié)→停止凍結(jié)。

2.4.1 改進(jìn)鉆進(jìn)密閉裝置

疏松砂巖高水壓情況下水平鉆孔采用常規(guī)單向閥密封難以鉆進(jìn)，對(duì)單向閥進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)頭部尺寸進(jìn)行調(diào)整，并改變內(nèi)部出水方式。

2.4.2 改進(jìn)水平鉆孔鉆桿形式

在鉆桿上焊接鋼筋形成螺紋鉆桿，改變鉆桿周圍壓力分布，部分經(jīng)過(guò)多次鉆進(jìn)未鉆至設(shè)計(jì)深度的孔，在使用螺紋鉆桿之后鉆至設(shè)計(jì)深度，并在一定程度上緩解了涌沙現(xiàn)象，提高了鉆進(jìn)速度。

2.4.3 采用高低壓換熱系統(tǒng)

井下248.0 m處水平凍結(jié)鹽水循環(huán)系統(tǒng)采用高壓和低壓兩套循環(huán)系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)為專業(yè)加工的耐高壓密封循環(huán)系統(tǒng)，由鹽水泵、地面循環(huán)管路和井下?lián)Q熱管路組成。將制冷系統(tǒng)制冷的低溫鹽水從地面輸送至井下鹽水箱中的換熱器，與高壓系統(tǒng)中的低溫鹽水通過(guò)換熱器與鹽水箱內(nèi)高溫鹽水進(jìn)行換熱，并將換熱后的高溫鹽水通過(guò)換熱器輸送回地面制冷系統(tǒng)。低壓采用常規(guī)鹽水循環(huán)系統(tǒng)，由鹽水泵、集配液圈、鹽水箱和凍結(jié)管組成。

3 凍脹融沉對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)影響及其應(yīng)對(duì)措施

凍結(jié)法作為一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用在地下工程施工中，可解決其他工法無(wú)法解決的技術(shù)難題，但對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境的影響是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。含水土體在凍融過(guò)程中，伴隨著溫度的降低和升高，其自身的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)也將發(fā)生一系列的顯著變化，其外在表現(xiàn)集中體現(xiàn)在凍結(jié)過(guò)程中的凍脹現(xiàn)象，以及解凍過(guò)程中融沉現(xiàn)象。過(guò)量的凍脹或融沉?xí)?duì)地表建筑、地下結(jié)構(gòu)和管線產(chǎn)生破壞作用，同時(shí)，一般凍土的融沉量要大于凍脹量，有時(shí)融沉?xí)優(yōu)橥幌?。融沉的不均勻性及突陷往往?huì)導(dǎo)致地表建筑結(jié)構(gòu)的破壞。目前，工程實(shí)踐中多采用人工加速地層融化和跟蹤注漿的方法減少融沉量，通過(guò)采取開(kāi)挖卸壓槽或設(shè)置卸壓管，采用間歇凍結(jié)，人為地控制凍結(jié)壁的發(fā)展；精確計(jì)算需要凍結(jié)的體積，將凍結(jié)土體體積降低到底線，以及采用真空泵抽去多余的水分或預(yù)先對(duì)凍結(jié)區(qū)域土體進(jìn)行處理等方法減小前期凍脹與后期融沉量。

4 結(jié)語(yǔ)

引洮供水一期工程總干渠7#隧洞富含水疏松砂巖洞段最大埋深達(dá)到248.0 m，如此深度采用水平凍結(jié)法施工國(guó)內(nèi)外沒(méi)有先例，本文以此水平凍結(jié)法施工實(shí)踐為依托，研究了200.0 m級(jí)埋深隧洞凍結(jié)加固體的基本力學(xué)參數(shù)，研究確定了凍結(jié)孔的布置方式、凍結(jié)施工基本參數(shù)、深埋高水壓情況下凍結(jié)孔的開(kāi)孔方法、凍結(jié)施工特殊要求等施工參數(shù)。同時(shí)，還研究了相應(yīng)的工程措施，以減少凍脹和后期融沉對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的影響。本文研究成果為200.0 m級(jí)深埋隧洞水平凍結(jié)法施工提供了技術(shù)和實(shí)踐參考。對(duì)于深埋隧洞凍結(jié)施工，還應(yīng)密切進(jìn)行實(shí)時(shí)信息化監(jiān)測(cè)，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行定期分析，用于溫度場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r的判斷，以及后續(xù)溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律的預(yù)測(cè)，并根據(jù)分析情況及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。