深埋水工隧洞水平凍結(jié)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

陳曉東，陳居乾

（1.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730000；2.甘肅甘蘭水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730030）

1 工程概況

甘肅省大型跨流域引調(diào)水引洮供水一期工程總干渠第二長(zhǎng)洞7號(hào)新寨嶺隧洞全長(zhǎng)17.29 km，采用中國(guó)首臺(tái)直徑5.75 m單護(hù)盾全斷面巖石隧洞（隧道）掘進(jìn)機(jī)為主、鉆爆法及“凍結(jié)法”特殊工法為輔施工。主要穿越新近系軟-極軟巖，特別是工程地質(zhì)性狀極為惡劣的含水疏松粉（細(xì)）砂特殊極軟巖地層，工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，屬典型深埋軟巖長(zhǎng)隧洞，具廣泛的軟巖大變形機(jī)理與破壞特征及控制技術(shù)工程代表性。TBM掘進(jìn)并同步拼裝管片襯砌成洞總長(zhǎng)13.89 km，占全長(zhǎng)的80.3%，含水疏松粉（細(xì)）砂巖地層存在強(qiáng)烈大規(guī)模突泥、涌砂及破壞性大變形等特殊工程地質(zhì)災(zāi)害的兩段連續(xù)深埋洞段總長(zhǎng)309.25 m，TBM及鉆爆法掘進(jìn)適應(yīng)性差，存在很大安全風(fēng)險(xiǎn)，分別采用“地面垂直+洞內(nèi)水平復(fù)合凍結(jié)法”“地面垂直凍結(jié)法”及“洞內(nèi)水平凍結(jié)法”3種技術(shù)方案掘進(jìn)。

隧洞中部及下游鉆爆法與TBM掘進(jìn)停工掌子面前方兩段總長(zhǎng)78.65 m含水疏松粉（細(xì)）砂巖洞段采用“洞內(nèi)水平凍結(jié)法”掘進(jìn)，洞身設(shè)計(jì)為一次掛網(wǎng)噴混凝土及型鋼拱架與木插板支護(hù)，高密度聚乙烯閉孔泡沫板保溫，二次現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌的復(fù)合式支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)。中部長(zhǎng)16.20 m洞段埋深206.6 m，通過(guò)施工輔助斜井工作面單循環(huán)凍結(jié)施工，圓形斷面，掘進(jìn)洞徑6.45 m，凈洞徑4.96 m。下游長(zhǎng)62.45 m轉(zhuǎn)彎洞段埋深135.0～161.0 m，類(lèi)馬蹄形斷面，掘進(jìn)尺寸5.90 m（寬）×5.97 m（高），凈尺寸 4.80 m×5.02 m，其中前段長(zhǎng)40.35 m通過(guò)施工輔助平洞工作面雙循環(huán)凍結(jié)施工，后段長(zhǎng)22.10 m通過(guò)隧洞出口工作面單循環(huán)凍結(jié)施工。

2 巖土人工凍結(jié)技術(shù)原理

人工地層制冷技術(shù)分為鹽水（CaCl2溶液）冷媒劑循環(huán)間接制冷和液氮（N2）制冷劑氣化直接制冷兩類(lèi)吸收巖土熱量的方式。隧洞（隧道與巷道）、豎井、斜井及平洞屬地下相對(duì)封閉空間，為確保安全，通常采用氟利昂（R22）或氨（NH3）制冷劑間接制冷法?！皟鼋Y(jié)法”是在地層中造孔安設(shè)凍結(jié)管，通過(guò)冷媒劑循環(huán)將巖土熱量導(dǎo)出，地層降溫水結(jié)冰，松散軟弱含水巖土凝固形成凍結(jié)體，暫時(shí)改變巖土性狀，提高強(qiáng)度及穩(wěn)定性，形成臨時(shí)性封閉凍結(jié)帷幕（凍結(jié)壁）隔絕地下水，抵抗巖土地壓荷載的物理措施加固法，在凍結(jié)帷幕保護(hù)下安全掘進(jìn)支護(hù)?！皟鼋Y(jié)法”在礦井及地鐵工程中應(yīng)用廣泛，在水工隧洞工程中應(yīng)用相對(duì)較少，是解決突泥、涌水、涌砂、流砂、破壞性大變形、大規(guī)模塌方等特殊工程地質(zhì)問(wèn)題的掘進(jìn)支護(hù)特殊工法，分為設(shè)備滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行加速凍結(jié)壁發(fā)展完成的前期積極凍結(jié)期和設(shè)備正常運(yùn)行減緩或停止凍結(jié)壁發(fā)展以滿(mǎn)足掘進(jìn)支護(hù)的后期維護(hù)凍結(jié)期兩個(gè)階段。

間接制冷技術(shù)由制冷劑、冷媒劑及冷卻水三大熱泵循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，地?zé)峤?jīng)凍結(jié)管由冷媒劑傳至制冷劑循環(huán)系統(tǒng)，再經(jīng)制冷劑傳入冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，最后由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)排入大氣。隨冷媒劑循環(huán)，地層中的水逐漸結(jié)冰，形成以?xún)鼋Y(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱，并不斷外擴(kuò)與相鄰凍結(jié)圓柱連為一體，最終形成具一定厚度及強(qiáng)度的凍結(jié)帷幕（凍結(jié)壁）。

3 含水疏松粉（細(xì)）砂巖工程地質(zhì)特性研究

3.1 總體概況

7號(hào)長(zhǎng)隧洞最大埋深350.0 m，主要穿越長(zhǎng)13.53 km新近系（N2L）內(nèi)陸河湖相紅色碎屑沉積中厚層狀地層，屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類(lèi)軟-極軟巖，巖性以泥質(zhì)粉（細(xì)）砂巖、砂質(zhì)泥巖及疏松粉（細(xì)）砂巖為主，單軸飽和抗壓強(qiáng)度多小于5.0 MPa。含水疏松粉（細(xì)）砂巖為新近系地層中的特殊極軟巖，間隔帶狀分布9段總長(zhǎng)3.14 km，占新近系地層總長(zhǎng)的23.2%，占隧洞全長(zhǎng)的18.2%，埋深92.0～292.0 m，洞底以上層厚一般15.0～70.0 m，局部大于200.0 m。

3.2 礦物及化學(xué)成分

試驗(yàn)研究表明，巖體礦物成分相對(duì)單一，主要為石英顆粒，少量為鈣質(zhì)黏土?；瘜W(xué)成分以Si元素為主，占60.4%，是巖體形成的主要內(nèi)因，其他元素總計(jì)占39.6%。

3.3 顆粒級(jí)配及結(jié)構(gòu)特性

試驗(yàn)研究表明，巖體黏粒含量7.0%，粉粒含量小于25.0%，一般粒徑0.1～0.5 mm，主要粒徑0.075～0.250 mm，粗粒含量較大，占85.0%～95.0%，分選較好，細(xì)粒含量較少，約占10.0%。粒徑含量均值 d＞0.075 mm為80.35%，d＜0.075 mm為19.65%；平均粒徑d50=0.089～0.181 mm，不均勻系數(shù) Cu（d60/d10）=2.760～9.836，曲率系數(shù) Cc（d230/（d60·d10））=0.802～3.878，屬細(xì)砂或粉砂，顆粒級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示。巖體骨架以緊密排列的石英顆粒為主，具有顆粒間孔隙為主的均勻松散結(jié)構(gòu)，顆粒間無(wú)連接或微弱連接，內(nèi)聚力微小，摩擦力大，受壓體積變化小，孔隙比0.291～0.437，孔隙面積均值 820.0～6 033.0 μm2，占總面積的6.0%～19.2%。凍結(jié)改變巖體微結(jié)構(gòu)，孔隙增大，凍結(jié)前及解凍后孔隙面積占比為11.0%與12.4%。

圖1 顆粒級(jí)配曲線(xiàn)

3.4 物理特性

試驗(yàn)研究表明，巖體原狀含水率7.7%～17.2%，均值為 13.9%，飽和吸水率 13.1%～24.8%，均值為18.1%，趨近飽和狀態(tài)，凍結(jié)前后容重均值為1.642 g/cm3，變化微小。原狀滲透系數(shù)小于凍結(jié)后滲透系數(shù)，凍融循環(huán)對(duì)巖體滲透性改變明顯，滲透性增大，并與孔隙比成正比。巖體主要物理特性均值及其變化對(duì)比試驗(yàn)研究成果見(jiàn)表1。巖體熱物理性質(zhì)為：20℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為 2.00 W/（m·℃），0 ℃ 時(shí)為2.30 W/（m·℃），-1.5 ℃時(shí)為 2.91 W/（m·℃），-30℃時(shí)為3.24 W/（m·℃）；結(jié)冰溫度為-0.4℃；凍結(jié)比熱容為0.36 kcal/（kg·℃），解凍比熱容為0.49 kcal/（kg·℃）。

表1 巖體主要物理特性試驗(yàn)研究成果

3.5 力學(xué)特性

試驗(yàn)研究表明，在25.0 kPa壓力條件下，巖體壓縮系數(shù)均值a1-2凍結(jié)狀態(tài)為0.010 9 MPa-1、解凍狀態(tài)為0.058 9 MPa-1，兩種狀態(tài)的a1-2＜0.1、壓縮指數(shù)C′c＜0.2，具低壓縮性，固結(jié)壓縮應(yīng)變e與壓力p的關(guān)系如圖2所示。原狀巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度為0.7～1.2 MPa，強(qiáng)度應(yīng)力比為0.1～0.4，允許承載力為0.2 MPa，巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究成果見(jiàn)表2，有效剪應(yīng)力τ與正應(yīng)力σ關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。含水率為12.2%，溫度為-10℃時(shí)凍結(jié)巖體單軸抗壓強(qiáng)度均值為5.6 MPa、彎拉強(qiáng)度均值為2.1 MPa、抗剪強(qiáng)度均值為1.6 MPa?？箟簭?qiáng)度在一定溫度范圍內(nèi)與負(fù)溫絕對(duì)值成線(xiàn)性關(guān)系，隨溫度下降而增大；含水率未達(dá)飽和時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨含水率提高而增大，飽和時(shí)隨含水率提高而減??；含水率超飽和一定程度時(shí)，抗壓強(qiáng)度降至與冰相當(dāng)，并與巖體礦物成分及顆粒級(jí)配關(guān)聯(lián)，且抗壓強(qiáng)度與巖體粒徑成正比關(guān)系。凍結(jié)巖體具有流變特性，應(yīng)力一定時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間延續(xù)逐漸增長(zhǎng)；應(yīng)變一定時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間延續(xù)逐步減小。

圖2 巖體固結(jié)壓縮曲線(xiàn)

表2 巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究成果

圖3 巖體τ—σ關(guān)系曲線(xiàn)

3.6 凍脹融沉特性

試驗(yàn)研究表明，巖體平均凍脹率不大于1.0%，凍脹量隨時(shí)間延續(xù)逐步趨于穩(wěn)定。凍結(jié)速率由起始較大、逐漸減小、再逐步增大循環(huán)，波動(dòng)幅度為±（0.05～0.10）mm/20 min。凍結(jié)初期300 min內(nèi)融沉量隨時(shí)間增加而快速增大至0.1 mm，之后基本趨于穩(wěn)定，融沉系數(shù)為0.255%，小于1.0%。凍結(jié)及融沉等級(jí)均為Ⅰ級(jí)，屬不凍脹、不融沉及少冰凍土類(lèi)型，圍巖凍結(jié)及凍融循環(huán)對(duì)隧洞通水運(yùn)行無(wú)影響。

3.7 總體評(píng)價(jià)

含水疏松粉（細(xì)）砂巖總體級(jí)配差，黏粉粒膠結(jié)物含量低，膠結(jié)差，顆粒細(xì)，具細(xì)粒碎屑結(jié)構(gòu)，成巖性極差，趨近飽和狀態(tài)，密度小，孔隙率大，結(jié)構(gòu)疏松，具低壓縮性。弱透水，浸水3.0～6.0 h完全崩解成粉末狀，遇水極易軟化，浸水極易崩解，失水易干縮龜裂，具典型泥質(zhì)膠結(jié)特征，干濕效應(yīng)極為明顯，水理性極差，松弛變形極為強(qiáng)烈。巖性極其軟弱，強(qiáng)度極低，極易變形，具各向異性，變異性大，塑性變形強(qiáng)烈，具典型極軟巖塑性變形剪切破壞力學(xué)特征。受鉆爆法掘進(jìn)停工前塌方及TBM掘進(jìn)停機(jī)前脫困強(qiáng)推的影響，巖體遭受強(qiáng)烈擾動(dòng)。巖體中賦存地下水具多層狀，最大涌水量60.0 L/（m·min），最大承壓水頭74.0 m?？傮w評(píng)價(jià)，含水疏松粉（細(xì)）砂巖工程地質(zhì)性質(zhì)極為惡劣，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。巖體凝聚力凍結(jié)遠(yuǎn)大于解凍與原狀，凍結(jié)對(duì)抗剪強(qiáng)度影響明顯，可顯著改善力學(xué)性質(zhì)，抗剪強(qiáng)度及穩(wěn)定性大幅提升，且溫控明顯，溫度越低提升越大，反之越小。

4 施工技術(shù)方案

隧洞“水平凍結(jié)法”分為施工輔助斜井、平洞以及主洞出口等3個(gè)獨(dú)立工作面區(qū)域，采用氟利昂制冷劑低溫鹽水冷媒劑循環(huán)制冷凍結(jié)。凍結(jié)起始掌子面均設(shè)置厚1.0 m或1.5 m混凝土擋墻堵水及抵抗地壓，墻面及后方敷設(shè)保溫層，斜井工作面因外水壓力大，凍結(jié)起始掌子面后方洞段先行完成支護(hù)襯砌，為水平凍結(jié)及其造孔提供條件。封堵墻或后方二次襯砌上施作水平凍結(jié)發(fā)散孔及水平孔，對(duì)隧洞實(shí)施凍結(jié)，周邊形成凍結(jié)壁保護(hù)進(jìn)行洞身掘進(jìn)及支護(hù)襯砌。下游前段施工輔助平洞工作面長(zhǎng)40.35 m洞段實(shí)施雙循環(huán)凍結(jié)，首循環(huán)凍結(jié)段掘進(jìn)前方預(yù)留洞長(zhǎng)3.0 m，作為次循環(huán)凍結(jié)段封堵墻及造孔工作面以策安全?！八絻鼋Y(jié)法”凍結(jié)孔縱橫剖面如圖4～圖6所示。

圖4 圓形斷面凍結(jié)孔縱剖面（單位：mm）

圖5 圓形斷面凍結(jié)孔橫剖面（單位：mm）

圖6 類(lèi)馬蹄形斷面凍結(jié)孔橫剖面（單位：mm）

5 凍結(jié)設(shè)計(jì)研究

5.1 凍結(jié)壁厚

隧洞全斷面實(shí)施凍結(jié)保證安全，洞底以下增加凍深封底以策安全，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)均溫-10.0℃[1-9]，按深埋地層為無(wú)限長(zhǎng)彈塑性體，采用多姆克公式按第三強(qiáng)度理論（最大剪應(yīng)力理論）[10]計(jì)算凍結(jié)壁厚，外壓按水土懸浮重液計(jì)算[10]。

式中：E為凍結(jié)壁有效厚度，m；rw為洞身最大開(kāi)挖半徑，圓形斷面為3.23 m，類(lèi)馬蹄形斷面為2.99 m；γh為水土混合重液容重，取13.0 kN/m3；H′為控制層埋深，取最大埋深，圓形斷面為206.6 m，類(lèi)馬蹄形斷面為161.0 m；P為凍結(jié)壁外壓，圓形斷面為2.7 MPa，類(lèi)馬蹄形斷面為2.1 MPa；σ′t為凍結(jié)巖體單軸長(zhǎng)時(shí)抗壓強(qiáng)度，為 5.6 MPa。

經(jīng)計(jì)算，圓形及類(lèi)馬蹄形斷面的有效凍結(jié)壁厚分別為2.16 m和1.29 m。綜合考慮中部洞段洞長(zhǎng)較短，可在凍結(jié)壁融化及強(qiáng)度降低之前完成掘進(jìn)與支護(hù)襯砌，下游洞段洞身轉(zhuǎn)彎與凍結(jié)孔直線(xiàn)布置所形成的全長(zhǎng)范圍凍結(jié)壁厚不均等因素，并參考類(lèi)似地層及埋深煤礦巷道凍結(jié)工程實(shí)踐，圓形及類(lèi)馬蹄形斷面設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚不小于2.00 m。

5.2 凍結(jié)壁均溫及強(qiáng)度校核

采用“中國(guó)成冰公式”[4，10]校核凍結(jié)壁均溫及強(qiáng)度：

式中：Tc為凍結(jié)壁均溫，℃；Tb為循環(huán)鹽水溫度，取-28.0℃；L為凍結(jié)孔間距，圓形及類(lèi)馬蹄形斷面分別為1.29 m與1.04 m；Tn為井壁表溫，取-5.0℃。

經(jīng)計(jì)算，圓形及類(lèi)馬蹄形斷面的凍結(jié)壁均溫分別為-8.8℃與-9.4℃，設(shè)計(jì)均溫-10.0℃達(dá)到要求，相應(yīng)凍結(jié)壁強(qiáng)度滿(mǎn)足不小于5.0 MPa的設(shè)計(jì)要求。

5.3 圓形斷面凍結(jié)布孔

隧洞中部圓形斷面凍結(jié)區(qū)按雙圈發(fā)散方式布設(shè)凍結(jié)孔，以保證前方凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。內(nèi)圈主凍結(jié)孔于封堵墻上開(kāi)孔，洞身上部及下部分別距軸線(xiàn)（洞身中心線(xiàn)）2.33 m與1.40 m，按凍結(jié)區(qū)前方末端分別距洞身掘進(jìn)線(xiàn)1.42 m與0.49 m布設(shè)，并延伸至上游垂直凍結(jié)施工洞段以保證安全，發(fā)散角7.605°，深17.45 m；外圈輔助加強(qiáng)凍結(jié)孔于后方1.70 m處二次襯砌上開(kāi)孔，按凍結(jié)區(qū)前方遠(yuǎn)端距洞身掘進(jìn)線(xiàn)2.06 m布設(shè)，發(fā)散角11.717°，深13.79 m。內(nèi)圈孔數(shù)20個(gè)，環(huán)向開(kāi)孔間距0.62～0.73 m，終孔間距1.39～1.46 m；外圈孔數(shù)17個(gè)，環(huán)向開(kāi)孔間距0.92 m，終孔間距1.95 m；造孔總深及凍結(jié)管總長(zhǎng)595.6 m。

5.4 類(lèi)馬蹄形斷面凍結(jié)布孔

隧洞下游類(lèi)馬蹄形斷面凍結(jié)區(qū)，根據(jù)洞身斷面形式及軸線(xiàn)轉(zhuǎn)彎特點(diǎn)，每次循環(huán)凍結(jié)施工均設(shè)置掌子面，其后方5.0 m加強(qiáng)兩個(gè)布孔斷面，對(duì)掌子面外圈孔之外巖體加強(qiáng)凍結(jié)，保證單循環(huán)凍結(jié)區(qū)全線(xiàn)全斷面凍結(jié)壁厚不小于2.0 m。掌子面斷面設(shè)置雙圈凍結(jié)孔，內(nèi)圈凍結(jié)孔按與洞身斷面形式相同尺寸縮小0.71～0.73 m的類(lèi)馬蹄形輪廓線(xiàn)水平向布設(shè)，洞身中部增設(shè)3個(gè)水平孔凍結(jié)補(bǔ)強(qiáng)。外圈凍結(jié)孔按發(fā)散方式布設(shè)，以保證前方凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，開(kāi)孔圈采用直徑5.68 m且與洞身頂拱同心的圓，覆蓋洞身除兩側(cè)拱下部之外的絕大部分?jǐn)嗝妫⑴c水平孔圈下部相交，前方遠(yuǎn)端凍結(jié)圈采用與洞身斷面形式相同尺寸擴(kuò)大1.55～1.58 m的類(lèi)馬蹄形輪廓線(xiàn)。內(nèi)圈水平孔數(shù)15個(gè)，環(huán)向開(kāi)孔間距1.13～1.31 m；外圈發(fā)散孔數(shù)24個(gè)，環(huán)向開(kāi)孔間距0.58～0.80 m，終孔間距 1.20～1.29 m，俯仰角 0.0°～4.1°，水平角 0.5°～4.5°；內(nèi)外圈單孔深 25.0 m，造孔總深及凍結(jié)管總長(zhǎng)975.0 m。

掌子面后方加強(qiáng)斷面設(shè)置單圈發(fā)散凍結(jié)孔，開(kāi)孔圈與掌子面斷面相同，前方遠(yuǎn)端凍結(jié)圈也采用與洞身斷面形式相同尺寸擴(kuò)大2.80～2.85 m的類(lèi)馬蹄形輪廓線(xiàn)，孔數(shù)25個(gè)，環(huán)向開(kāi)孔間距0.58～0.74 m，終孔間距1.44～1.50 m，俯仰角 0.0°～8.7°，水平角 0.0°～8.8°，單孔深20.0 m，造孔總深及凍結(jié)管總長(zhǎng)500.0 m。單循環(huán)凍結(jié)總孔數(shù)64個(gè)，造孔總深及凍結(jié)管總長(zhǎng)1 475.0 m，三循環(huán)水平凍結(jié)總孔數(shù)192個(gè)，造孔總深及凍結(jié)管總長(zhǎng)4 425.0 m。

5.5 凍結(jié)輔助孔

測(cè)溫孔按盡可能反映凍結(jié)區(qū)整體溫度場(chǎng)狀況布置，總計(jì)6孔，必要時(shí)可作為補(bǔ)孔，卸壓孔內(nèi)埋設(shè)花管以釋放凍脹水，并防止串水。隧洞中部?jī)鼋Y(jié)區(qū)洞身上下部?jī)?nèi)外孔圈之間布置測(cè)溫孔2孔，孔深17.7 m與17.0 m；洞身中部布置水文孔（兼作卸壓孔）1孔，孔深9.8 m，總計(jì)孔深44.5 m。下游凍結(jié)區(qū)于掌子面斷面洞身范圍及內(nèi)外圈凍結(jié)孔之間單循環(huán)布置測(cè)溫孔4孔，單孔深22.0～22.7 m，洞身中部布置泄壓孔2孔，單孔深3.0 m，總計(jì)孔深94.7 m，三循環(huán)總孔深284.1 m。

5.6 凍結(jié)管管材

凍結(jié)管全部采用鹽水正循環(huán)，根據(jù)循環(huán)量及管壓選材，均采用輸送流體用無(wú)縫鋼管，內(nèi)管箍連接，凍結(jié)管 Ф89×10.0 mm 或 Ф89×8.0 mm，供液管 Ф45×3.0 mm，接頭強(qiáng)度不低于母管的75.0%。

5.7 凍結(jié)溫度場(chǎng)

大量的凍結(jié)壁工程實(shí)踐及試驗(yàn)研究表明[1-9]，凍結(jié)管對(duì)周?chē)绊懛秶话銥閮蓚?cè)凍結(jié)壁厚的3.0～5.0倍，最大約為8.0倍。凍結(jié)初始，低溫鹽水與巖體熱交換劇烈，巖體迅速降溫，凍結(jié)管周邊逐步形成凍結(jié)巖柱。相應(yīng)凍結(jié)壁初始發(fā)展很快，速率隨時(shí)間延續(xù)逐漸降低，相鄰凍結(jié)圓柱35～40 d開(kāi)始相互連接交圈，形成凍結(jié)壁，隨時(shí)間延續(xù)不斷向外擴(kuò)展增厚、增強(qiáng)，薄弱交界面50～60 d開(kāi)始交圈，水平凍結(jié)管交圈時(shí)間提前于垂直凍結(jié)管。當(dāng)冷量與巖層外圍熱量均衡時(shí)形成穩(wěn)定溫度場(chǎng)，148 d時(shí)凍結(jié)速率開(kāi)始直線(xiàn)下降至5.3 mm/d，達(dá)極限凍結(jié)壁厚，循環(huán)鹽水溫度穩(wěn)定，極限壁厚越大，相應(yīng)穩(wěn)定溫度場(chǎng)溫度梯度越小，反之越大。凍結(jié)壁均溫由巖體結(jié)冰溫度起始，隨鹽水溫度降低而逐漸降低，凍結(jié)管之間溫差逐步減小，整體穩(wěn)定于-10.0℃，控制因素主要為鹽水溫度，其次為凍結(jié)管外徑與間距、地層導(dǎo)熱系數(shù)等，鹽水溫度越低均溫越低，反之越高。

經(jīng)試驗(yàn)研究，鹽水降溫曲線(xiàn)如圖7所示，設(shè)計(jì)積極凍結(jié)時(shí)間40～50 d，凍結(jié)管單管流量不小于5.0 m3/h，散熱量不小于100.0 kcal/（h·m），鹽水溫度7 d降至-18.0℃以下，15 d降至-24.0℃以下，去回路溫差不大于2.0℃，掘進(jìn)時(shí)降至-28.0℃，凍結(jié)壁均溫-10℃。通過(guò)測(cè)溫確認(rèn)凍結(jié)壁交圈且達(dá)設(shè)計(jì)厚度與強(qiáng)度，以及內(nèi)部巖體基本無(wú)壓后再行掘進(jìn)。

圖7 鹽水降溫曲線(xiàn)

6 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

6.1 氟利昂系統(tǒng)

“水平凍結(jié)法”施工輔助斜井及平洞工作面分設(shè)2個(gè)洞外凍結(jié)站，主洞出口工作面凍結(jié)站布設(shè)于洞內(nèi)，高壓低溫?fù)Q熱系統(tǒng)均置于洞內(nèi)，通過(guò)鹽水干管與凍結(jié)站相連，冷卻塔均置于洞外，利用2根Ф219.0×6.0 mm或Ф219.0×8.0 mm鋼管進(jìn)行清水循環(huán)。相應(yīng)分設(shè)獨(dú)立鹽水循環(huán)系統(tǒng)，低溫鹽水經(jīng)干管輸至凍結(jié)區(qū)進(jìn)入供液管，通過(guò)回液干管輸回鹽水箱反復(fù)循環(huán)。積極凍結(jié)工藝流程為：冷凍機(jī)組制備冷凍液→鹽水箱→冷凍液泵入進(jìn)液干管→分流至各凍結(jié)管→回液至回液干管→冷凍機(jī)組循環(huán)，全程冷卻塔及清水降溫。積極凍結(jié)高峰需冷量計(jì)算公式[4，5，10]為

式中：Q為高峰需冷量，kcal/h；m為冷量損失系數(shù)，取1.3；d為凍結(jié)管外徑，m；H為凍結(jié)管長(zhǎng)度，m；K為凍結(jié)管散熱系數(shù)，取 250.0 kcal/（h·m2）。

經(jīng)計(jì)算，隧洞中部?jī)鼋Y(jié)區(qū)高峰需冷量5.4萬(wàn)kcal/h，另考慮凍結(jié)站外長(zhǎng)約1.3 km的鹽水循環(huán)干管熱量損耗9.7萬(wàn)kcal/h，總需冷量15.1萬(wàn)kcal/h，凍結(jié)站配置冷凍機(jī)組2臺(tái)，1用1備，總用氟量2.0 t、鹽水50.0 t。下游凍結(jié)區(qū)三循環(huán)相應(yīng)總需冷量40.2萬(wàn)kcal/h，2個(gè)凍結(jié)站各配置冷凍機(jī)組4臺(tái)，3用1備，總用氟量5.0 t、鹽水130.0 t。注重利用冬季天然冷量，提高效率。凍結(jié)站按鹽水-28℃、蒸發(fā)-32℃、冷卻水12℃、進(jìn)水18℃及冷凝28℃等溫度工況設(shè)計(jì)。

6.2 鹽水及清水系統(tǒng)

凍結(jié)鹽水循環(huán)量計(jì)算公式[4，5，10]為

式中：W為鹽水總循環(huán)量，m3/h；Q1為需冷量，kcal/h；Δt為去回路鹽水溫差，埋深小于250.0 m時(shí)，取4.0℃；γ為鹽水密度，取15.0℃時(shí)的1 260.0 kg/m3；c為鹽水比熱容，取-28℃時(shí)的0.656 kcal/（kg·℃）。

經(jīng)計(jì)算，隧洞中部?jī)鼋Y(jié)區(qū)鹽水高峰循環(huán)量為45.7 m3/h，下游凍結(jié)區(qū)三循環(huán)為121.6 m3/h，鹽水干管分別采用規(guī)格Ф219×8.0 mm與Ф159×6.0 mm無(wú)縫鋼管，管內(nèi)設(shè)計(jì)流速2.0 m/s。冷卻塔冷卻水循環(huán)量140.0 m3/h，新鮮水消耗量20.0～30.0 m3/h。

7 施工技術(shù)研究

7.1 監(jiān) 測(cè)

監(jiān)測(cè)是判斷凍結(jié)壁是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的唯一依據(jù)，能夠及時(shí)反饋凍結(jié)狀態(tài)，調(diào)整凍結(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)施工信息化，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括造孔、制冷系統(tǒng)、凍結(jié)壁內(nèi)凍脹力與溫度場(chǎng)、洞壁溫度以及結(jié)構(gòu)與巖體變形等。通過(guò)測(cè)溫孔對(duì)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析，掌握凍結(jié)壁擴(kuò)展速率、溫度梯度變化規(guī)律、凍結(jié)壁形成厚度及均溫，通過(guò)水文孔（卸壓孔）壓力監(jiān)測(cè)，確保凍結(jié)壁交圈，并釋放凍脹水壓。凍結(jié)壁形成后卸壓孔壓力應(yīng)大于地壓0.1 MPa以上，壓力隨凍結(jié)壁擴(kuò)展逐步增大，直至交圈時(shí)趨于穩(wěn)定，打開(kāi)卸壓孔，則將有泥水涌出。

7.2 造 孔

凍結(jié)造孔工序?yàn)椋憾ㄎ弧_(kāi)孔→孔口管及裝置安裝→鉆進(jìn)→測(cè)斜糾偏→封閉孔底→下管→試壓，設(shè)計(jì)孔徑170 mm或190 mm。凍結(jié)孔成孔精度直接影響凍結(jié)效果，若偏差過(guò)大，則造成后續(xù)凍結(jié)產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)，造孔前要準(zhǔn)確復(fù)核開(kāi)孔位置，成孔全程復(fù)測(cè)鉆進(jìn)角度，及時(shí)修正偏差，成孔后測(cè)定偏斜率，偏斜率超要求量時(shí)補(bǔ)孔。開(kāi)孔誤差不大于0.1 m，孔深20.0 m以?xún)?nèi)的最大偏斜（成孔與設(shè)計(jì)軸線(xiàn)偏差）為0.20 m，20.0 m以上則為0.25 m，且終孔間距不大于1.5 m。凍結(jié)管耐壓試驗(yàn)中，隧洞中部?jī)鼋Y(jié)區(qū)壓力不低于3.0 MPa保持45 min、下游凍結(jié)區(qū)壓力不低于0.8 MPa保持30 min無(wú)變化即為合格，且凍結(jié)區(qū)壓力不低于鹽水壓的1.5倍，不能循環(huán)鹽水的管端長(zhǎng)不大于0.2 m。

開(kāi)孔中發(fā)生涌水及涌砂時(shí)，采用如圖8所示的孔口密封裝置[5-6]，同時(shí)采取兩次開(kāi)孔措施，首先使用取芯鉆鉆進(jìn)一定深度，待安裝孔口管后再行鉆進(jìn)施工。鉆進(jìn)中控制水土流失，發(fā)生涌水及涌砂時(shí)使用凍結(jié)管作為鉆桿，成孔后不抽出。盡量干鉆，鉆進(jìn)困難時(shí)再加水，水土流失量過(guò)多時(shí)注漿處理，全程確保孔口密封，巖體流失量不得大于成孔體積，否則需注漿控制地層沉降。涌砂不返水時(shí)先行預(yù)注漿填充，采用螺紋鉆桿鉆進(jìn)。

圖8 孔口密封結(jié)構(gòu)

7.3 凍 結(jié)

積極凍結(jié)期在凍結(jié)區(qū)附近200.0 m范圍內(nèi)不得降水，地層中不得有集中水流。凍結(jié)需連續(xù)不間歇，否則將造成凍結(jié)壁發(fā)展間斷或解凍，強(qiáng)度與質(zhì)量下降，結(jié)構(gòu)及巖體產(chǎn)生變形。風(fēng)險(xiǎn)控制措施主要包括冷凍機(jī)、清水與鹽水泵等關(guān)鍵設(shè)備“一用一備”，雙路與備用發(fā)電機(jī)供電，發(fā)生故障及時(shí)啟用備用設(shè)備與供電線(xiàn)路恢復(fù)凍結(jié)。若停止凍結(jié)24 h以上，積極凍結(jié)期要延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間來(lái)提高凍結(jié)壁強(qiáng)度，開(kāi)挖掘進(jìn)及支護(hù)襯砌階段停工，凍結(jié)壁表面及時(shí)全面保溫。凍結(jié)壁全斷面應(yīng)均勻，凍結(jié)全程加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，保證鹽水循環(huán)均勻，避免形成薄弱部位，薄弱處應(yīng)補(bǔ)孔加強(qiáng)凍結(jié)并布設(shè)測(cè)溫孔與探孔，評(píng)估凍結(jié)狀況。

凍結(jié)初始階段保證地層降溫均勻，避免急降導(dǎo)致凍結(jié)管產(chǎn)生過(guò)大溫度應(yīng)力。凍結(jié)全程加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，若有凍結(jié)管斷裂或滲漏，立刻停止鹽水循環(huán)，以防進(jìn)入凍結(jié)區(qū)，造成凍結(jié)壁融化或巖體難以結(jié)冰，及時(shí)采取下套管等措施處理，盡快恢復(fù)凍結(jié)。同時(shí)，確保鹽水箱內(nèi)水位穩(wěn)定，成孔后壓水試驗(yàn)壓力不小于工作壓力的兩倍，保證凍結(jié)管安設(shè)質(zhì)量。凍結(jié)區(qū)域周邊產(chǎn)生變形時(shí)，采取間歇凍結(jié)、開(kāi)啟泄壓孔降壓及注漿加固等控制凍脹措施，有效控制并消除凍結(jié)對(duì)周?chē)Y(jié)構(gòu)的影響。

7.4 掘 進(jìn)

通過(guò)探孔評(píng)估驗(yàn)證積極凍結(jié)效果，凍結(jié)壁滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí)方可開(kāi)挖掘進(jìn)。開(kāi)挖掘進(jìn)中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)分析，持續(xù)凍結(jié)并保證循環(huán)鹽水溫度不升高、凍結(jié)壁強(qiáng)度不降低，確保支護(hù)體系緊跟開(kāi)挖掘進(jìn)掌子面，保證施工質(zhì)量，必要時(shí)縮減單循環(huán)進(jìn)尺，及時(shí)調(diào)整支護(hù)體系參數(shù)與措施控制變形。有水滲漏時(shí)停工，及時(shí)采用快干水泥封堵或砂袋堆填等措施處理，嚴(yán)控隧洞開(kāi)挖掘進(jìn)軸線(xiàn)與斷面，避免偏差，防止超挖造成凍結(jié)壁厚減小，若發(fā)生超挖，則停工采取保溫及加強(qiáng)凍結(jié)措施。

8 結(jié) 語(yǔ)

（1）引洮供水一期工程總干渠7號(hào)隧洞中部及下游兩段總長(zhǎng)78.65 m洞段穿越新近系含水疏松粉（細(xì)）砂極軟巖地層，埋深135.0～206.0 m，存在高強(qiáng)大規(guī)模突泥、涌砂及破壞性大變形等特殊工程地質(zhì)問(wèn)題，工程地質(zhì)性質(zhì)極為惡劣，施工存在很大安全風(fēng)險(xiǎn)。采用“洞內(nèi)水平凍結(jié)法”掘進(jìn)技術(shù)方案，施工技術(shù)獲得全面成功。結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)“水平凍結(jié)法”設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行了全面研究，取得含水疏松粉（細(xì)）砂巖工程地質(zhì)特性，以及凍結(jié)與制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、溫度場(chǎng)發(fā)展與施工等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新成果。

（2）“凍結(jié)法”施工技術(shù)最大限度降低了極軟巖地層突泥、涌砂及破壞性大變形等對(duì)隧洞掘進(jìn)造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，全面有效地保證了掘進(jìn)安全，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)200.0 m以上深埋、高外水、強(qiáng)擾動(dòng)與極軟巖地層隧洞（隧道與巷道）洞內(nèi)“水平凍結(jié)”工法掘進(jìn)技術(shù)的空白，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)水工隧洞“凍結(jié)法”及地下工程深埋“水平凍結(jié)法”施工技術(shù)的先導(dǎo)，為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，居于領(lǐng)先水平，積累了豐富的實(shí)踐技術(shù)成果，標(biāo)志著我國(guó)地下工程建設(shè)“凍結(jié)法”施工技術(shù)取得重大突破與創(chuàng)新，設(shè)計(jì)與施工技術(shù)全面躍上新臺(tái)階。

（3）“凍結(jié)法”施工存在工期長(zhǎng)和成本費(fèi)用高等問(wèn)題，需通過(guò)大量工程實(shí)踐不斷研究總結(jié)，進(jìn)一步提高施工效率和技術(shù)水平，降低成本。