中铁七局集团西安铁路工程有限公司 陕西西安 710032
摘要：加强隧洞施工技术的研究，有助于提高建设工程的质量。冻结法施工是一种有效应对富含水不良地质段的隧洞施工方法，然而200．0m级埋深隧洞采用水平冻结法施工尚无先例，且缺少相应的基础数据。本文依托于引洮供水一期工程总干渠7#隧洞典型洞段的冻结法施工实践，研究了国内富含水粉细砂层冻结加固工程冻土力学性质，基于此，研究了200．0m级埋深隧洞冻结壁参数，确定了冻结孔布置方式、冻结施工基本参数、深埋高水压情况下冻结孔开孔方法，以及冻结施工特殊要求等技术参数。同时，还研究了相应工程技术措施，以减少冻胀和后期融沉对隧洞结构的影响。本文研究成果将为200．0m级深埋隧洞水平冻结法施工提供技术和实践参考。
关键词：深埋隧洞;疏松砂岩;冻结施工;砂岩地层
1 工程概述
某工程圆形断面，净洞径4.96m，采用1台单护盾全断面岩石隧洞掘进机施工，进口工作面开挖掘进施工洞长 11.12 km 时遇富含水疏松砂岩，机头前部掌子面发生严重涌水及涌沙，造成 TBM 卡机被困，施工被迫停工。根据卡机掌子面实际开挖掘进施工揭示及补充勘探的地质情况分析，掌子面下游约有长 220.0 m 洞段为富含水疏松沙地层，含水量为10.8%～13.9 9% ，地下水测定水压为 0.9MPa 左右，洞身围岩岩性软弱、成岩差、结构疏松、遇水软化崩解、成洞条件差，属于极不稳定的Ⅴ类。对长大管棚注浆法、水平旋喷桩法、盾构法和冻结法等多种施工方案进行了综合评估，冻结法施工方案的工期和投资控制风险最低，决定采用冻结加固的方法进行开挖掘进施工，具体施工方案为一是解困TBM，在TBM卡机下游6．5m处增设施工辅助竖井，上游向对TBM盾体外围采用水平冻结进行加固，在冻土帷幕保护下实施TBM解困，并承担下游向洞长38．5m的主洞冻结开挖掘进施工任务;二是下游洞长172．0m疏松沙层洞段施工开挖掘进施工，并在掌子面下游159．0m处再增设1座施工辅助竖井，主洞所增设的2个开挖掘进施工工作面，以及新增竖井井身均采用冻结法开挖掘进施工。
2 施工区域及冻结技术方案
基于冻土力学参数试验数据，根据施工特点及施工先后顺序，将整个冻结范围分成四个施工区域。施工辅助竖井施工区域Ⅰ、主洞开口部分施工区域Ⅱ、主洞剩余部分施工区域Ⅲ，以及TBM解困施工区域Ⅳ。以施工辅助竖井施工区域Ⅰ为例，确定竖井冻结壁设计基本参数的方法及过程。
图1 施工区域分区示意图
2.1 冻结深度确定
施工辅助竖井的开挖深度按照250.0m考虑，由于井筒下部没有冻实，并且没有确认可靠的隔水层，因此，增加30.0m冻结深度来延长底部水的渗流路径，确定竖井的冻结深度为280.0m。
2.2 冻结壁厚确定
施工辅助竖井冻结壁壁厚确定以开挖深度为250．0m作为控制截面，进行应力应变分析。竖井井身单循环开挖段深取3.6m，冻结壁平均温度取－10.0℃，冻土强度取5.5MPa。采用多姆克公式：
E=Ra［0.29(P/σs)+2.3(P/σs)2］
确定冻结壁厚度：
最大地压取：3.25MPa
冻结壁平均温度：－10.0℃
冻结壁计算厚度为：2.7m
设计取为：3.0m
经验算，当冻结循环盐水温度为－28.0℃时，最下部表土层井帮温度为－5.0℃，冻结壁厚度为3.0m，冻结壁平均温度能够达到要求的－10.00℃，强度满足其要求。
2.3 冻结孔施工参数确定
根据冻结孔布置圈径公式及开孔间距等优化，确定冻结孔施工基本参数为冻结孔布置圈径10.6m;冻结孔数量26个;冻结孔间距取为1.3m;冻结孔深度取为280.0m。冻结管采用φ133×6.0mm优质低碳钢无缝管，内管箍焊接，冻结管总长为7280.0m。
图2 冻结施工图
2.4 深埋水平冻结施工技术
区别于常规冻结法施工，深埋隧洞冻结钻孔难度大。最大埋深248.0m，水压0.9MPa，国内外未有类似水平钻孔施工经验，且处于疏松砂岩高地压情况下涌砂量较大，突涌压力大，造成钻孔施工困难（图3）;钻孔过程易发生卡钻与抱钻现象，采用常规的钻进工艺无法满足施工要求。施工中钻孔出砂量无法有效控制，导致钻孔区域底层扰动，已施工完成的冻结管在地层高水土塑性流动应力下变形，产生位移，甚至折断。同时，循环管路压力大，竖井井筒内水平冻结段的盐水循环系统，若按常规设计始终处于高压循环状态，管路内总压力超过4.0MPa，一旦发生管路破损将造成盐水泄露、冻结失败、人身伤害等严重后果。
图3 冻结壁力学模型
（1）改进钻进密闭装置疏松砂岩高水压情况下水平钻孔采用常规单向阀密封难以钻进，对单向阀进行了改进，对头部尺寸进行调整，并改变内部出水方式。
（2）改进水平钻孔钻杆形式在钻杆上焊接钢筋形成螺纹钻杆，改变钻杆周围压力分布，部分经过多次钻进未钻至设计深度的孔，在使用螺纹钻杆之后钻至设计深度，并在一定程度上缓解了涌沙现象，提高了钻进速度。
采用高低压换热系统井下248．0m处水平冻结盐水循环系统采用高压和低压两套循环系统。高压系统为专业加工的耐高压密封循环系统，由盐水泵、地面循环管路和井下换热管路组成[1]。将制冷系统制冷的低温盐水从地面输送至井下盐水箱中的换热器，与高压系统中的低温盐水通过换热器与盐水箱内高温盐水进行换热，并将换热后的高温盐水通过换热器输送回地面制冷系统。低压采用常规盐水循环系统，由盐水泵、集配液圈、盐水箱和冻结管组成。
3 冻胀融沉对隧洞结构影响及其应对措施
冻结法作为一项新技术应用在地下工程施工中，可解决其他工法无法解决的技术难题，但对隧洞结构及周围环境的影响是需要解决的关键技术问题。含水土体在冻融过程中，伴随着温度的降低和升高，其自身的物理、化学及力学性质也将发生一系列的显著变化，其外在表现集中体现在冻结过程中的冻胀现象，以及解冻过程中融沉现象。一般冻土的融沉量要大于冻胀量，有时融沉会变为突陷。融沉的不均匀性及突陷往往会导致地表建筑结构的破坏[2]。目前，工程实践中多采用人工加速地层融化和跟踪注浆的方法减少融沉量，通过采取开挖卸压槽或设置卸压管，采用间歇冻结，人为地控制冻结壁的发展;精确计算需要冻结的体积，将冻结土体体积降低到底线，以及采用真空泵抽去多余的水分或预先对冻结区域土体进行处理等方法减小前期冻胀与后期融沉量。
结 语：
总之，该工程总干渠7#隧洞富含水疏松砂岩洞段最大埋深达到248．0m，如此深度采用水平冻结法施工国内外没有先例，本文以此水平冻结法施工实践为依托，研究了200．0m级埋深隧洞冻结加固体的基本力学参数，研究确定了冻结孔的布置方式、冻结施工基本参数、深埋高水压情况下冻结孔的开孔方法、冻结施工特殊要求等施工参数。同时，还研究了相应的工程措施，以减少冻胀和后期融沉对隧洞结构的影响。本文研究成果为200.0m级深埋隧洞水平冻结法施工提供了技术和实践参考。对于深埋隧洞冻结施工，还应密切进行实时信息化监测，利用实测数据对温度场进行定期分析，用于温度场发展状况的判断，以及后续温度场发展规律的预测，并根据分析情况及时调整施工参数。
参考文献：
[1]王超,张社荣,李宏璧,于茂. 复杂地质条件输水隧洞冻结施工段支护控制研究[J]. 工程地质学报,2015,23(02):311-319.
[2]牛军. 深埋含水粉细砂岩地层隧洞水平冻结施工风险控制研究[J]. 地下水,2018,40(05):151-153.
论文作者:徐树伟
论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/15
标签：隧洞论文; 竖井论文; 盐水论文; 水平论文; 疏松论文; 钻孔论文; 砂岩论文; 《防护工程》2018年第30期论文;