冻结法在星云湖抚仙湖出流改道工程隧洞施工中的应用

唐汇春 方宗明 童克强

(武汉长科工程建设监理有限责任公司,湖北 武汉 430015)

1 工程概况

在云南省玉溪市星云湖抚仙湖出流改道工程中,九溪隧洞是施工难度最大的部分。隧洞为城门洞型断面,宽2.3m,高2.7 m,钢筋混凝土衬砌厚度为 40cm。九溪洞段地层为饱和粘土、粉土和粉细砂,粘土具有膨胀性,饱和粉土和粉细砂具有流动性,造成隧洞开挖过程中多次出现涌水、涌砂和坍塌。在 K11+000～K11+120段,隧洞埋深约 60m,地下水位约 40m,开挖过程中上游端涌砂量超过700m3,下游端涌砂量超过 4000m3,造成该段地表出现塌陷,工程进展受阻,无法贯通。为此,先后采用灌浆法、高压旋喷灌浆法和顶管法等施工技术进行试验和施工,均未获成功。经过多方考察、研究、论证,确定对该段采用冻结法地基处理技术。经过地基冻结处理后,有效防止了涌水、涌砂地质灾害的发生,隧洞施工顺利完成。

2 冻结方案设计

2.1 冻结方法

冻结方法分为垂直冻结和水平冻结两种。垂直冻结适用性广,冻结孔施工方便,造孔技术要求不高,孔位、孔斜、孔深等指标控制方便,造孔施工在地表进行不受场地限制,相对于水平冻结法对地质要求不高,但也存在冻结段埋深较大、工程投资较大的缺点。

星云湖抚仙湖出流改道工程主隧洞 K11+000～K11+120段受地质条件的限制,无法在隧洞内形成水平造孔的工作面,故选用垂直冻结法。在地面上向下钻垂直冻结孔,然后沉放用 ø133×4.5 mm无缝钢管制作的冻结器,在地面冻结区附近建立冷冻站,采用氨(NH3)为制冷剂,氯化钙(CaCl)溶液(俗称盐水)为冻结介质,水为冷却剂。

2.2 冻结设计参数

(1)冻结7 d盐水温度达到 -20℃,积极冻结期盐水温度为 -28～-30℃,维护冻结期盐水温度为 -25～-28℃;

(2)冻结孔终孔偏斜控制在0.7%以内,最大偏斜不超过 400mm;

(3)冻结帷幕交圈时间为 30～35 d,积极冻结期(达到设计厚度时间)为50d,设计冻结帷幕厚度为2.2 m,冻土帷幕平均温度不高于 -10℃。

2.3 冻结厚度的确定

首先运用解析方程和经验公式,对冻结壁厚度进行初步计算。然后利用数值模拟方法,对隧洞开挖过程进行模拟,分析其稳定性,进而确定冻结壁的最终设计厚度为2.2 m。采用有限元法对冻土帷幕受力与变形进行计算,最终得出冻土的总体承载力是足够的。

2.4 冻结孔布置

先对地下水流速与流向进行测定,两个测点分别布设在已开挖隧洞两端,测定结果为上游端流速较大,冻结区内流速最高为5 m/d。

根据测得的地下水流速、工期要求及冻结发展速度等指标设计冻结孔的布设。该段共布设冻结孔419个,测温孔20个,有效冻结长度为 4075m。冻结孔深度至开挖面底板以下2.9 m,平均深度约60m(具体孔深根据实际测量底板标高而定),有效冻结深度约 9.6 m,即从开挖面拱顶以上2.8m到开挖面底板以下2.9m。

2.5 冻结断面布置

隧洞采用厚 0.5m的 C20钢筋混凝土衬砌,在开挖后采用 I18工字钢进行临时支撑和厚 4 cm的木板隔热,冻结断面结构见图1。

图1 冻结断面结构(单位:mm)

3 冻结过程控制

3.1 钻孔倾斜控制

为保证冻结孔垂直度,钻孔偏斜严格控制在7‰以内,每钻进20m测斜一次,采用 CX-6B型陀螺测斜仪测斜,如有超偏及时进行纠偏;对终孔进行复测,并及时绘制钻孔偏斜图,不符合设计要求的及时补孔。实际施工检测结果为钻孔倾斜0.22‰～5.13‰。

3.2 温度控制

冻结区部分地层在冻结施工前已经过扰动,因此冻结质量是工程安全的关键,为此在冻结区内布置有效测温孔,根据监测数据准确计算冻结效果。该段共布置测温孔20个,测温孔设在相邻冻结孔连线成的多面边重心处,每天测温两次,及时掌握冻结发展情况。达到设计冻结时间后,根据测温孔实测温度推算冻结壁厚度。冻结壁温度和厚度达到或超过设计值后方可进行隧洞冻土的开挖施工。

4 冻土掘进和衬砌施工

4.1 掘进方法

爆破容易破坏冻结器,使盐水泄露,引起冻结壁融化;另外,也容易震裂冻结壁,引进地下水,使冻结体解冻,从而导致冻结失败,引发安全事故。为避免破坏冻结壁,该段在冻土中掘进时全部采用人工手持风镐掘凿,从两端向中间掘进,有轨运输出渣。

严格限制超挖,边墙、顶拱超挖均不得大于10cm。冻结壁的厚度是固定的(边墙2.2 m,顶拱3.0m),如果超挖过大,就会削减冻结壁厚度,从而降低抵抗外界水土压力的性能。

冻土开挖严禁有外部水流入冻结区,在冻结区与非冻结区交接处设集水坑,对外来水进行有效截流和抽排。

4.2 支护措施

在隧洞开挖后,地层中原有的应力平衡受到破坏,引起隧洞周围地层中的应力重新分布,从而使冻结帷幕产生变形。为控制变形的发展,在冻土开挖后及时对冻结帷幕进行支护。

该段工程临时支护采用全封闭型 I18工字钢,纵向采用 I14型钢连接,以提高其整体性和刚度。为防止冻结壁暴露时间过长而造成冻结壁解冻,采用厚 4 cm的木背板作为保温材料,封闭暴露的冻结壁,同时避免冻土与浇筑的混凝土直接接触,有效防止混凝土早期受冻。木背板和冻结壁之间的空隙用水泥砂浆充填密实,为防止砂浆受冻,在拌制砂浆时加入氯化钠作为防冻剂(重量比为水∶氯化钠 =100∶5)。

永久支护采用 C25钢筋混凝土衬砌。为了防止混凝土早期受冻导致混凝土强度和耐久性降低,在配备混凝土时,掺加防冻型早强剂,利用临时支护作为隔温层,保证新浇混凝土在达到允许受冻临界强度(非大体积混凝土和钢筋混凝土不应低于设计强度的 85%)前有一定的正温养护期。

4.3 冻结壁暴露时间

开挖后冻结壁暴露时间不能过长,否则会溶化失稳。根据相关规定,冻土暴露时间应控制在 8 h以内,但根据实际情况(基于冻土变形和温度监测数据分析)有所延长,实际暴露时间一般为1～2 d,最长 3 d,实践证明这样是可行的,且大大减少了掘进、支护、浇筑各工序之间的相互影响,缩短了工期,为隧洞按时通水提供了有效保障。

5 结 语

针对星云湖抚仙湖出流改道工程主隧洞 K11+000～K11+120段所出现的涌水、涌砂和坍塌现象,在先后采取灌浆法、高压旋喷灌浆法和顶管法施工均未获成功,施工被迫中断的情况下,经过多方考察、研究、论证,采用冻结法地基处理技术,取得了圆满成功,保证了星云湖抚仙湖出流改道工程的顺利完成。冻结法是解决短距离特殊地段地下工程施工技术难题的一种有效工法,必将得到更广泛的应用。

[1]马芹永.人工冻结法的理论与施工技术[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2]王宗金,曹化春.我国冻结法施工技术及其发展[J].山西建筑,2006,32(18):147-148.