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    高壓深埋富水流砂地層凍結(jié)法施工技術(shù)研究

    2019-03-22 03:22:18牛犇
    科技與創(chuàng)新 2019年5期
    關(guān)鍵詞:富水凍土灌漿

    牛犇

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    高壓深埋富水流砂地層凍結(jié)法施工技術(shù)研究

    牛犇

    (中鐵三局集團有限公司,山西 太原 030001)

    針對某隧道出現(xiàn)的大量高壓涌水、涌砂現(xiàn)象,采用地面垂直凍結(jié)法進行隧道施工。用有限元數(shù)值模擬分析方法確定了凍結(jié)參數(shù),計算得到,開挖段凍結(jié)壁最大拉應力出現(xiàn)在凍結(jié)壁底部外側(cè),最大值為0.82 MPa;最大壓應力出現(xiàn)在開挖面腰部靠近支護側(cè),最大值為2.73 MPa;最大剪應力出現(xiàn)在開挖面底部兩側(cè)位置,最大值為1.03 MPa。結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)施工,發(fā)現(xiàn)凍結(jié)施工方法在高壓深埋富水流砂地層中能有效地解決涌水、涌砂問題,保證隧道順利施工。

    高壓深埋;富水;流砂地層;凍結(jié)施工

    1 引言

    某隧道受F2斷層影響,出現(xiàn)涌水、涌砂,涌渣體推移39 m后抵至襯砌臺車(部分涌砂傾入臺車內(nèi)部)并擠壓襯砌臺車,門架、立柱等部位變形損壞,在襯砌臺車洞口側(cè)施做砂袋擋渣墻后逐步穩(wěn)定。

    據(jù)物探資料顯示,該斷層通過隧道洞身里程為DK10+250~DK10+430,紅糜子灣——黑馬泉大斷裂(F2):走向近南北向,向北延伸至韋州以北,向南與六盤山東側(cè)的大斷裂相接,近場區(qū)內(nèi)其長度為49 km。兩邊地層不連續(xù),東盤為下第三系淺紅色、磚紅色砂巖,西盤為下白堊系藍灰色泥巖夾泥灰?guī)r。斷層面傾向西,傾角達80°以上,為一高角度正斷層。由于斷層通過處地表多被第四系地層覆蓋,破碎帶寬約180 m,破碎帶內(nèi)主要以斷層角礫為主。該斷裂在程兒山隧道與線路約67°通過。

    斷層內(nèi)以第三系富水砂巖和泥巖、頁巖、泥灰?guī)r組成,富水砂巖呈流體狀具有高地壓力(最大壓力2.99 MPa),泥巖、頁巖及泥灰?guī)r應按膨脹巖考慮,遇水易軟化;F2斷層破碎帶核心段寬度為32 m,主要以松軟、破碎的富水含砂體(斷層砂礫)組成,且內(nèi)部承壓較大,地質(zhì)條件極為復雜。高壓涌水涌砂是施工過程中的難題。

    針對此種地質(zhì)情況,采取迂回導洞方法施工,但與正洞同一里程遇到相同的地質(zhì)情況,迂回導洞法掌子面有坍涌危險,欲采用降水和注漿等措施處理,但該種地質(zhì)情況導致鉆頭損壞、流沙順鉆孔噴涌,降水和加固目的均無法實現(xiàn),因此采用凍結(jié)法施工。凍結(jié)法分為水平凍結(jié)法和垂直凍結(jié)法,水平凍結(jié)法需在洞內(nèi)鉆孔,由于洞內(nèi)鉆孔難以實現(xiàn),因此采用地面垂直凍結(jié)法施工[1-3]。

    凍結(jié)法施工的核心是在地層中鉆孔后埋入加鹽水或液氮的鋼管,通過利用人工制冷手段使結(jié)構(gòu)周圍不穩(wěn)定的含水圍巖凍結(jié)成封閉的、具有足夠強度和剛度的凍結(jié)壁,然后進行施工作業(yè)的一種施工方法。凍結(jié)壁能保證地層穩(wěn)定,同時還能起隔水作用,保證地下工程施工的順利進行[4-6]。凍結(jié)法分為垂直凍結(jié)和水平凍結(jié),由于水平鉆孔無法鉆進等多種因素影響,程兒山隧道采用地面垂直凍結(jié)法施工。

    2 凍結(jié)參數(shù)設計

    2.1 凍結(jié)壁厚度計算

    采用ANSYS有限元分析軟件進行應力場分布情況的有限元數(shù)值分析,并根據(jù)計算結(jié)果進行了強度驗算。

    2.2 計算模型和參數(shù)

    根據(jù)隧道尺寸建立三維計算模型,凍土彈性模量為150 MPa,泊松比0.3,密度1 800 kg/m3。凍結(jié)壁厚度按頂部8 m、兩側(cè)及底部4 m計算,開挖段高2 m。計算模型分為已支護段、開挖段和未支護段三段。

    采用Solid92單元劃分四面體網(wǎng)格,共劃分156 437個網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分如圖1所示。凍結(jié)壁左右兩側(cè)施加側(cè)壓力,凍結(jié)壁底部施加固定約束邊界。

    圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分圖

    2.3 計算結(jié)果

    開挖段凍結(jié)壁的主應力和剪應力分布如圖2、圖3、圖4所示。

    圖2 凍結(jié)壁第一主應力σ1分布云圖

    圖3 凍結(jié)壁第三主應力σ3分布云圖

    圖4 開挖段凍結(jié)壁剪應力分布云圖

    計算得到,在開挖段內(nèi),凍結(jié)加固體最大拉應力值為0.82 MPa,最大壓應力值為2.73 MPa,最大剪應力為1.03 MPa。強度驗算如表1所示。

    表1 計算結(jié)果強度驗算

    最大拉應力σ1max/MPa最大壓應力σ3 max/MPa最大剪應力τmax/MPa 計算值0.822.731.03 允許值2.06.02.4 安全系數(shù)2.42.22.3

    根據(jù)以上計算和強度驗算結(jié)果,凍土帷幕的設計厚度滿足強度要求。

    按照平均溫度為﹣15 ℃的凍土,凍結(jié)壁頂部厚度8 m,兩側(cè)及底部厚度4 m,開挖段高2 m,底部凍土強度指標取單軸抗壓強度6.0 MPa,抗拉強度2.0 MPa,抗剪強度2.4 MPa,進行了ANSYS三維數(shù)值分析,分析得出安全系數(shù)都在2以上,安全儲備得以保證。

    3 地面垂直凍結(jié)技術(shù)

    3.1 凍結(jié)孔位布置

    根據(jù)現(xiàn)場平整的場地確定凍結(jié)深度為233.5 m,設計凍結(jié)孔5排,分別為5排凍結(jié)孔,每排孔排間距2.74 m,兩邊2排分別有28個凍結(jié)孔,孔間距1.62 m;中間三排各11個凍結(jié)孔,孔間距3.16~3.2 m;封頭孔12個,孔間距1.56 m。凍結(jié)孔共計101個,測溫孔6個。凍結(jié)管布置如圖5所示。

    圖5 凍結(jié)管布置圖

    3.2 凍結(jié)孔施工

    第一組鉆孔選擇:在F7~F12凍結(jié)孔中選擇2個孔,在C3~C8凍結(jié)孔中選擇2個孔,在B組和D組孔中選擇2個孔(盡量靠近F組鉆孔)。

    第一組鉆孔施工:第一組鉆孔主要是以灌漿為目的。為實現(xiàn)灌漿目的,第一組鉆孔開孔直徑Φ216 mm,Φ216 mm直徑鉆至孔深200 m下Φ194 mm套管,然后換Φ142 mm鉆頭鉆進,鉆進過程中出現(xiàn)漏漿,下止?jié){塞進行灌漿。灌漿結(jié)束,投孔鉆進,鉆進中出現(xiàn)漏漿,停鉆灌漿。重復以上工序,直至鉆孔達到設計深度(236.5 m)。

    單孔灌漿量:第一組鉆孔灌漿量以鉆孔吸漿量為準,灌漿壓力(表壓為0)灌漿開始,觀察隧道擋水墻變化情況,無異常情況。每次灌漿結(jié)束標準,以灌漿泵壓力表為準(0.1 MPa)。灌漿過程中觀察擋水墻有異常,立即停止灌漿,下鉆投孔觀察漏漿情況,漏漿時繼續(xù)鉆進,不漏漿轉(zhuǎn)為鉆進。

    鉆孔通過灌漿處理后,會出現(xiàn)不漏漿孔壁坍塌情況,在斷層帶鉆進鉆孔坍塌是必然的,對于鉆孔坍塌不漏水采用旋噴方法通過。旋噴長度以方鉆桿長度為準。

    3.3 后續(xù)孔施工

    第一組孔施工結(jié)束后,斷層漏失可能得到緩解,大部分鉆孔不漏或微漏。對于微漏鉆孔采用加濃泥漿的辦法解決,結(jié)合鉆孔坍塌進行旋噴注漿解決漏失與坍塌。鉆孔進入斷層帶不漏漿,也會出現(xiàn)孔壁坍塌無法鉆進,此時,采用旋噴注漿方法通過。

    鉆孔施工中,大部分鉆孔在斷層帶中,都要進行旋噴注漿通過。由于旋噴注漿占用時間較長,為縮短工期,旋噴注漿后立即移孔開新孔。新孔旋噴注漿后,再移到老孔,循環(huán)施工減少等待時間。

    A1~A6和E1~E6鉆孔施工,施工中可能會出現(xiàn)漏水,漏水會發(fā)生在鉆孔結(jié)束前9 m孔段。此時鉆孔進尺很快時,可以頂漏鉆進。頂漏鉆進時間不能超過2 h。否則,進行水泥球堵漏處理。

    4 凍結(jié)效果分析

    4.1 測一孔降溫情況

    外測1#孔設計深度234 m,測點有9個,位于E3、E4孔中心連線垂直向外1 200 mm位置處,其降溫趨勢如圖6所示。

    圖6 測一孔降溫曲線圖

    4.2 凍土發(fā)展速度

    根據(jù)測溫孔降溫推算出的凍土發(fā)展速度如表2所示。

    表2 外測1#孔

    層位/m平均降溫/(℃/d)距凍結(jié)孔最近距離凍土發(fā)展速度/(mm/d) 500.071 43317.5 1500.111 31418.8 2070.181 24410.5 2130.151 15312.1 2170.131 15314.1 2210.111 15313.9 2250.121 12218.4 2290.131 12221.6 2330.091 12218.4

    凍結(jié)孔按測6發(fā)展速度,B、C、D排及F7~12內(nèi)排孔按內(nèi)測4發(fā)展速度。A21~27與U型區(qū)域凍結(jié)孔同時投孔按20 mm/d。E5驗證孔投入時間是03-13,發(fā)展速度頂板、隧道正中按25 mm/d,底板按30 mm/d。根據(jù)測溫孔發(fā)展,凍土發(fā)展速度取值如表3所示。

    表3 凍土發(fā)展速度

    測1取值測3取值 2131521429 2211522233 2292223035 測5取值內(nèi)測4取值 2153521435 2203522235 2293523035

    根據(jù)5個測溫孔計算出的凍土發(fā)展速度,按每個孔投孔時間計算出凍土發(fā)展半徑,結(jié)合凍結(jié)管偏斜圖,繪制出04-13,U形區(qū)域凍結(jié)90 d和05-03,凍結(jié)110 d,隧道頂板210 m、隧道正中220 m、隧道底板230 m的凍結(jié)壁預想交圈圖如圖7所示。凍結(jié)后掌子面情況如圖8所示。經(jīng)過凍結(jié)前后掌子面對比,不難得出凍結(jié)法施工效果明顯,克服了涌水、涌砂及個別段落突水、突泥無法施工的難題。

    圖7 220 m 110 d交圈圖

    5 結(jié)論

    從測溫孔數(shù)據(jù)顯示,在隧道頂板位置﹣200~﹣216 m地層溫度較高,降溫緩慢,分析后得出如下原因:①隨著隧道泥沙的涌出,隧道上方地層擾動較大,地層巖性變化很大,或在隧道頂板往上有較大空洞或地層松散;②注漿時下套管都是在﹣200 m以下注漿,大量的水泥漿和水玻璃存留在該部位,水泥的水化熱很大,影響上部溫度,水玻璃屬堿性化學品,冰點較低,影響凍結(jié)發(fā)展速度,從原始地溫測量可以驗證該結(jié)論(﹣200~﹣216 m層位原始地溫為20 ℃,其余層位為15.5 ℃)。

    通過3個層位凍結(jié)壁預測交圈圖可以看出,04-13,U形區(qū)域凍結(jié)90 d交圈圖,已全部交圈,但隧道頂板及正中,受幾個補孔位置的孔影響,凍結(jié)壁薄弱,隧道底部交圈情況好于頂板及中部。U型區(qū)域往后的中間3排孔由于孔間距及排間距較大,交圈程度上還存在間隙。05-03日,U型區(qū)域凍結(jié)110 d交圈圖,已全部交圈,凍結(jié)效果已非常明顯,凍結(jié)壁厚度及凍結(jié)壁強度經(jīng)驗算滿足設計要求,U型區(qū)域往后的中間3排凍結(jié)孔也已全部交圈。

    [1]楊小平,林培欽,叢竺,等.凍結(jié)降溫導致地鐵盾構(gòu)隧道漏水的數(shù)值與理論分析[J].隧道建設,2018,38(2):176-182.

    [2]許黎明,陳曉堅,彭正勇,等.海底隧道聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工健康監(jiān)測技術(shù)研究[J].隧道建設,2018,38(2):295-299.

    [3]申志軍,夏勇.黃土隧道馬蹄形盾構(gòu)工法選擇及應用[J].隧道建設,2017,37(12):1518-1528.

    [4]任輝,胡向東,陳錦,等.異形加強凍結(jié)管在管幕凍結(jié)法中的凍結(jié)效果及使用方法研究[J].隧道建設,2015,35(11):1169-1175.

    [5]周家作,譚龍,韋昌富,等.土的凍結(jié)溫度與過冷溫度試驗研究[J].巖土力學,2015,36(3):777-785.

    [6]楊更社,奚家米.煤礦立井凍結(jié)設計理論的研究現(xiàn)狀與展望分析[J].地下空間與工程學報,2010,6(3):627-635.

    2095-6835(2019)05-0042-04

    U455.49

    A

    10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.042

    牛犇(1968—),男,本科,高級工程師,主要從事隧道及地下工程、橋梁工程方面研究。

    〔編輯:嚴麗琴〕

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