引洮一期工程7号隧洞4号斜井绕洞冻结开挖技术

冉 曙 霞

(甘肃省引洮工程建设管理局，甘肃 兰州 730030)

引洮一期工程7号隧洞4号斜井绕洞冻结开挖技术

冉 曙 霞

(甘肃省引洮工程建设管理局，甘肃 兰州 730030)

基于引洮一期工程7号隧洞4号斜井绕洞冻结加固工程，介绍了冻结加固段绕洞开挖的支护方案和冻胀融沉控制等施工技术，工程的成功实施，为类似工程积累了一定的施工经验。

冻结法，开挖，支护，冻胀融沉

1 工程概况

甘肃省引洮供水一期工程7号隧洞4号斜井绕洞施工过程中遭遇含水疏松砂岩地质地段，该地层围岩为极软岩，遇水极容易软化并崩解，工程地质性质极其差；有地下水活动，大部分呈滴或渗水状，小部分呈线状流水，涌水量在0.43 L/(min·m)～3.3 L/(min·m)之间，瞬时最大涌水量在8 L/(min·m)～10 L/(min·m)之间，渗透系数在10-5～10-6之间，地下水位在隧洞上部约10 m，测定水压为0.2 MPa左右。开挖后，围岩稳定性差，没有自稳时间，围岩塑性变形强烈，掌子面坍塌严重；饱水极易出现掌子面涌砂现象。先后进行了旋喷加固、水平注浆施工，开挖过程中均有泥砂突涌。为保证施工安全可靠，决定采用冻结法加固土体后进行暗挖法施工。

2 施工技术方案

根据工程勘探地质资料和现场施工条件，先在绕洞内钻冻结孔，并用冻结法形成冻土帷幕，再进行矿山法暗挖、构筑施工。在绕洞内钻凿水平或倾斜冻结孔，对地层进行冻结加固，把绕洞周围地层冻结成高强度、封闭性好的冻土帷幕，最后采用矿山暗挖的方法在冻土帷幕的保护下进行绕洞的开挖和支护施工，地层冻结、开挖和支护全部在绕洞内进行。

开挖和支护施工的顺序为：

准备→先打探孔再试开挖→边开挖边进行一次支护→进行二次支护→进行充填注浆→进行融沉注浆。

2.1 开挖方案

本绕洞开挖采用人工掘进，铲车和出渣车配合输送带进行运输。

先做施工及相应的应急准备，再打探孔确认冻结壁的厚度和平均温度，然后从掌子面向前进行正式开挖。采用风镐+铁铲+破碎锤进行开挖，装载机配合自卸王出土。开挖高度为6.125 m，采用台阶式进行开挖。在开挖过程中，对影响施工的进行冻结管割除，然后用高压软管恢复冻结；对不影响施工的冻结管全部保留，继续维护冻结，待全部完成开挖、支护施工后，再进行割除，以确保开挖过程中冻结壁的厚度和强度。在冻结和掘砌施工过程中，应加强温度和冻结壁收敛变形监测，以保证冻结施工的效果和掘砌施工的安全。

在冻结良好的冻结施工工作面搭设一个4 m×6 m的施工操作平台，用作摆放小型设备、工具以及临时堆放渣土等。

开挖前在开挖小导洞两侧用植筋胶植入18号以上螺纹钢筋，然后焊接上工字钢卡槽，可以保证出现不明情况时及时将洞口封闭。

绕洞开挖总体的顺序为：

开挖小导洞→10 m后全断面开挖至下游封堵墙→回挖扩大上游10 m剩余渣土→拆除上游封堵墙→拆除下游封堵墙。

2.2 支护施工方案

支护施工分为临时支护和永久支护。临时支护为一次支护，采用型钢支撑+喷射混凝土进行支护；永久支护为二次支护，采用钢筋+混凝土支护。

为保证冻土帷幕的安全，冻土开挖后要对冻土帷幕进行及时支护。因为绕洞开挖施工的过程中，地层中的应力平衡将发生改变，应力在开挖周围土层中重新分布，使土层产生位移，已加固好的冻土帷幕便有了新形成的附加荷载作用在上面。

开挖小导洞为2.5 m×2 m，采用型钢加木板支撑，边挖边支，相邻间距为0.6 m，采用钢筋焊接，开挖临空面不超过1 m，采用小推车进行运输到操作平台，然后用小铲车装入大型运输车运出绕洞弃渣。挖至10 m后进行全断面开挖，原有的小推车运输更换为输送带出土。边挖边支，采用型钢加木板支撑，相邻间距为0.5 m，开挖临空面不超过0.8 m，环向间隔1 m用20螺纹钢筋水平焊接拉接。

一次支护施工采用22号b工字钢+22号槽钢+5 cm厚木板。工字钢加工成矩形，槽钢加工成拱形。绕洞内临时支护的钢拱架采用封闭形式。每道支撑中部有2根横撑和2根立柱，以增加支撑的稳定性。拱形支撑排间距为0.50 m～0.60 m，为增加整个支护体系的整体性和稳定性，相邻支撑间有纵向拉杆。为减少冻土帷幕损失冷量和防止支架间冻土帷幕的变形，在钢支撑后填满木板，木板紧贴冻土帷幕，并尽可能减小木板与冻土帷幕之间的间隙，以防木板松动。

结构设计中的永久支护为钢筋混凝土结构，开挖与临时支护完成后，进行一次连续浇筑，以减少施工接缝。

在临时支护与结构层施工期间，在背板和冻土之间及防水层和结构层之间预埋注浆管，作最后充填注浆用。

为了保证开挖施工安全和进度，从封堵墙向下游方向先开挖小导洞，然后在冻结壁厚度和强度较高处进行全断面开挖、支护施工。

采用型钢支撑+木背板+喷射混凝土进行一次支护。支撑间距0.5 m～0.6 m。相邻支撑间用拉杆连接牢固，以增强支撑的稳定性。支撑与冻土帷幕之间全用木板背密实，并用水泥砂浆把少量空隙充填严实。

在临时支护施工过程中预埋注浆管，按2 m一个断面布设注浆管，每个断面布置4个注浆管。选用DN40×3.25 mm的焊接钢管作为注浆管，注浆管一头用管箍连接，另一头装上塑料帽。

2.3 喷射混凝土施工

临时支撑+木板支护完成后，进行喷射混凝土施工。在施工前在金属支架上焊金属网，由于受喷面为木质结构，不利喷射物集结；为控制喷射混凝土厚度，可把若干短钢筋焊接在金属支架的适当位置。喷射强度等级为C20的混凝土(配合比水泥与砂、石之重量比为1.0∶3.5～1.0∶4.0，水灰比为0.42～0.50，砂率50%～60%)，厚度为200 mm，喷射混凝土施工按GB 50086—2001锚杆喷射混凝土支护技术规范要求进行。支护层厚度25 cm左右，由于一次不易成型，分三次进行喷射混凝土施工。前两次喷射混凝土厚度约10 cm，第三次喷射找平，在前次喷射混凝土初凝后再进行下一次喷射。从下向上进行喷射混凝土施工，喷射物料按实验配合比加入速凝剂。在进行墙体部分混凝土喷射施工时，应当拆除几块金属支撑后的木板，让喷射混凝土进入木板后面，便于一次支护层和绕洞四周冻土紧密接触，防止冻土帷幕解冻时，土体发生变形对绕洞造成破坏。

3 冻胀融沉预防措施

3.1 基本预防措施

为减小地层中土体冻胀及融沉造成的破坏，依据冻胀及融沉研究成果、施工经验、相关资料和本工程特有的施工环境，对冻胀及融沉防治采取如下措施：1)在冻土帷幕内未冻区域设置泄压孔，泄压孔数量以2个为宜，采用φ50×5 mm无缝钢管作泄压管，深入土体0.5 m以上。在泄压管口安装压力表和用于泄压的阀门，压力表的精度应达到±0.02 MPa以上。泄压孔压力超过初始压力0.2 MPa以上时应进行泄压，排除冻土帷幕水和部分土体，消除作用在封堵墙和绕洞结构体上的冻胀力。2)通过调整盐水温度和盐水流量，确保冻结壁的厚度在设计范围内。为调整、确定冻结施工参数提供可靠依据，在冻结过程中，通过加强对封堵墙和绕洞结构体变形的监测，预测冻结施工对绕洞结构的影响。3)在冻土帷幕解冻过程中，地层中冻土体积会减小，使土体产生下沉。为了消除土体下沉对绕洞产生的破坏，在一次支护和二次支护体上预留注浆管，在冻土帷幕解冻过程中进行注浆，用于充填冻土帷幕消融造成的冻土体积的减小。4)冻结停止后，应及时进行融沉注浆，以控制绕洞及地面不均匀沉降。

3.2 注浆控制融沉措施

1)补偿注浆控制融沉。a.注浆管的布置。在结构施工时沿绕洞顶部、侧墙和底部全断面预留注浆管。注浆管规格为2寸焊接钢管，注浆管深入到达一次支护体与冻土帷幕之间；注浆孔沿绕洞轴线方向间距布置，共布置483根注浆管。b.注浆的材料。选用水玻璃和水泥为注浆原材料。水泥和水玻璃双液浆配合比为：水泥浆水灰比为1∶1，水泥浆与水玻璃溶液体积比为1∶1，采用B35～B40水玻璃加约1.5倍体积的水进行稀释。c.注浆的顺序。按照从底板→侧墙→拱顶的顺序进行注浆，底板注浆时，从中部至两侧的注浆孔依次开始注浆。d.注浆的方法及原则。单孔每次注浆量0.5 m3左右，最好不超过1.0 m3；注浆压力为静水压力的2倍左右，压力不大于1.0 MPa。注浆原则少量均匀多次。一天地表沉降不小于0.5 mm或累计地表沉降不小于1.0 mm时，必须进行充填注浆；地层隆起不小于2.0 mm时应停止注浆。施工过程中注浆量调整以地面变形监测情况而定。

注浆前，将准备注浆的注浆孔和其相邻的注浆孔上的阀门全部打开；注浆过程中，当邻孔连续出浆时关闭相邻孔阀门，压入定量浆液后可停止本孔注浆，关闭阀门；接着对相邻孔注浆。遇到注浆孔堵住时，需用加长冲击钻头通孔。

2)注浆过程监测。解冻过程中，要加强地表和绕洞沉降的监测、冻土温度的监测、冻土帷幕外水土压力的监测，用以控制地表和绕洞沉降。注浆过程中，通过在相邻注浆孔安装压力表，监测注浆压力的变形情况。通过综合监测数据进行分析，以调整注浆参数。

3)结束融沉注浆的条件。根据地表沉降和绕洞稳定性来判定融沉注浆是否可以结束。在冻土帷幕全部融化，不注浆的情况下，地层沉降不大于0.5 mm/半个月，方可停止融沉补偿注浆。

4 结语

在本冻结绕洞开挖施工过程中，主要采用了在绕洞内布设水平孔、近水平孔冻结孔，用锚杆钻机进行钻冻结孔，冻结法临时加固土体，矿山暗挖法构筑施工方案。采用钢拱架和喷射混凝土相结合的支护方法以及冻结施工的冻胀融沉控制措施，工程的成功实施，工程的有关施工参数可以给类似的工程提供一定的参考和借鉴。

[1] 翁家杰.井巷特殊施工[M].北京：中国矿业大学出版社，1991.

[2] 刘典基.冻结技术在地铁联络隧道施工中的应用[J].隧道建设,2004，24(2)：32-35.

[3] 岳丰田,张水宾,李文勇,等.地铁联络通道冻结加固融沉注浆研究[J].岩土力学,2008，29(8):2283-2286.

Freezing excavation technology of 7# tunnel 4# inclined shaft of Yintao phase1 engineering

Ran Shuxia

(GansuYintaoEngineeringConstructionAdministrationBureau,Lanzhou730030,China)

Based on 7# tunnel 4# inclined shaft freezing reinforcement project of Yintao phase1 engineering, the paper introduces successful implementation of tunnel excavation support scheme and freezing-thawing control of freezing reinforcement section, which has accumulated certain construction experience for similar engineering.

freezing method, excavation, support, freezing-thawing

1009-6825(2015)07-0163-02

2014-12-23

冉曙霞(1972- )，女，高级工程师

U455.4

A