深埋含水粉细砂岩地层隧洞水平冻结施工风险控制研究

(甘肃省引洮工程建设管理局，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

甘肃引洮供水一期工程总干渠7#隧洞全长17.29 km，圆形断面，净洞径Ф4.96 m，纵坡1/1 650，采用1台单护盾全断面岩石隧洞掘进机(Single Shield TBM)施工。TBM开挖掘进施工中遇富含水疏松粉细砂岩不良地层，导致TBM被困并栽头下沉最大达663.0 mm，之后采取井点降水及超前大管棚结合注浆等多种方法开挖，均由于围岩极不稳定、变形严重、涌水及涌砂等而无法继续掘进施工[1,2]。而地层冻结施工技术已经广泛应用于含水软弱地层煤矿巷道，以及地铁与轨道交通工程，解决了其他工法难以解决的许多工程难题[3]，经多方论证和比选，最终确定采用洞内水平冻结法完成TBM解困，以及停工掌子面下游剩余洞段的开挖掘进施工。

在冻结工程的风险控制及分析研究方面，已有“以上海M线为工程实例，介绍了冻结法施工联络通道的工艺、风险点的设立及风险分析，并详述了风险控制对策”[4]、“上海轨道交通4号线工程采用冻结法施工的技术风险，防范风险的安全技术措施与应急预案”[5]、“从工程地质勘察、方案设计、施工技术和人员管理因素四方面分析在承压水地层应用冻结法的风险影响因素，并提出应对突发险情的工程对策”[6]、“联络通道冻结法施工中可能出现的冷冻前设备安装、冷冻过程操作、冷冻期间温度维持、设备拆除及施工开挖等风险，提出相应防范措施”[7]、“杭州地铁1号线33.4 m超长联络通道各施工阶段风险因素识别和分析，确定冻结管钻孔偏斜、承压水危害、冻胀变形和泵房开挖分别是各施工阶段最大风险事件，并进行有效控制”[8]、“通过归纳联络通道施工中风险事件产生的原因、后果，建立联络通道施工风险等级评估标准，对联络通道风险划分等级，并提出应对措施”[9]，以及“郭屯煤矿冻结法凿井风险管理组织设计、风险管理识别、项目风险信息动态监测与预警、风险信息化管理决策方面研究”[10]等诸多风险控制与分析研究。

本文针对7#隧洞水平冻结洞段埋深大(最大埋深248.0 m)，且穿越富含水疏松粉细砂岩地层，对施工过程的冻结孔、冻结与开挖施工，以及冻结后融沉变形控制等方面存在的风险与应对措施进行深入分析。

2 冻结孔施工风险控制

2.1 开孔过程中产生涌水及涌砂

由于冻结施工段洞身围岩为富含水疏松粉细砂岩地层，冻结孔开孔施工中须采用专用的孔口管且固定牢固，否则可能出现涌水及涌砂，甚至出现喷砂，淹没已修建的隧洞。其风险控制的措施主要包括改进钻进密闭装置，高水压情况下水平钻孔采用常规单向阀密封难以钻进，须对单向阀进行改进，并对头部进行尺寸进行调整，改变内部出水方式。

2.2 钻进过程中出现涌水及涌砂

冻结孔钻进过程中要控制水土的流失量，若孔口密封装置未压紧或钻机顶力不够，可能造成水土顺钻杆或密封装置流出。其风险控制的措施主要包括钻进过程中使用冻结管作为钻杆，钻孔完成后不将钻杆抽出，避免水土涌出；钻进尽量使用干钻，当难以钻进时再通水，同时控制水土的流失量；若钻进过程中水土的流失量过多，在冻结孔施工结束后须进行孔位注浆；钻进过程中要经常检查孔口密封装置，及时紧固螺丝，防止水土从孔口密封装置的缝隙中流出。

2.3 冻结孔施工偏斜过大

冻结管施工精度直接影响冻结的效果，若冻结孔的施工偏斜过大，可能造成后续冻结施工存在薄弱环节，从而影响开挖及构筑施工。引起冻结孔偏斜大的主要原因有开孔位置偏差大及开孔角度偏差大，其风险控制的措施主要包括冻结孔施工前须详细复核开孔位置；钻孔过程中要定期复测钻进角度，避免钻进角度偏差大；钻孔完成后及时进行测斜，若冻结孔偏斜超允许值，需在适当位置补打冻结孔。

3 冻结施工风险控制

3.1 冻结施工不连续

冻结施工一般要求连续冻结，若冻结过程中停电或出现设备故障时，极易造成已形成的冻结帷幕停止发展或解冻，影响形成的冻结壁强度，需延长冻结时间来保证形成冻结壁的质量。若在开挖和构筑阶段出现停止冻结的情况，可能在短时间内造成冻结帷幕强度降低，变形加大，不能发挥围护作用，导致施工的失败。其风险控制的措施主要包括准备备用冷冻机、清水泵及盐水泵等关键设备，各准备1套备用设备，在施工前接入系统并试运转正常，当某一设备出现故障后，及时启用备用设备，短期内恢复冻结；准备双路供电，供电线路发生故障时启用备用线路恢复供电，及时恢复冻结；开挖及构筑阶段现场准备发电设备，以应付冻结过程中的突然停电；积极冻结期间若停止冻结24 h以上时，需延长冻结时间，以提高冻结壁的强度；开挖及构筑阶段若出现长时间停止冻结情况，应停止开挖及构筑施工，采取保温及关闭应急门等措施，防止产生灾害性后果。

3.2 冻结帷幕存在薄弱环节

冻结形成的帷幕应保证尽可能均匀，减少薄弱环节的出现。若冻结帷幕的薄弱环节出现变形过大及漏水等现象，可能会造成薄弱环节附近的冻结壁强度迅速降低，变形加大，引起冻结帷幕的围护作用失效。其风险控制的措施主要包括冻结过程中加强监测，保证冻结盐水循环均匀，避免冻结过程中出现薄弱环节；冻结孔完工后根据施工资料，分析可能出现的薄弱环节，在薄弱环节处补孔加强冻结，同时在薄弱环节处设置测温孔，以掌握整个冻结过程中薄弱环节冻结帷幕发展情况；积极冻结完成后根据监测资料，分析冻结壁的形成状况，在薄弱环节处补探孔，以验证冻结帷幕薄弱环节的冻结状况。

3.3 冻结管断裂

在冻结过程中，由于盐水降温过程不规律、冻结管材质有缺陷或是连接方式不科学、或开挖过程中冻结帷幕的变形过大等，都会造成冻结管的断裂。冻结管断裂后不能继续冻结，同时会造成冻结管中盐水漏失，导致冻结帷幕中出现薄弱环节。其风险控制的措施主要包括冻结开始阶段精心施工，保证降温符合规律，避免冻结管产生过大的温度应力；冻结过程中要加强监测，发现冻结管断裂后，要立即停止断裂冻结管的盐水循环，防止大量盐水进入冻结区域，造成冻结壁的融化；及时采取下套管等措施，对冻结管进行处理，尽快恢复冻结。

3.4 盐水漏失

冻结过程中若冻结管出现渗漏或断裂时，会导致盐水漏失，引起冻结帷幕融化或土层难以结冰，导致冻结帷幕存在薄弱环节。其风险控制的措施主要包括加强对盐水箱盐水水位的观测，发现盐水水位波动较大时，及时分析原因；冻结孔施工完成后进行打压试验，保证打压压力不小于工作压力的2倍，以保证冻结管的施工质量；全部冻结孔施工完成后，全部冻结孔进行复打压试验，保证所有冻结管在冻结前的质量；若冻结管存在渗漏情况，可在冻结管中下入套管，继续进行冻结。

4 开挖掘进施工风险控制

4.1 开挖掘进判定条件不科学

积极冻结形成的冻结帷幕满足设计要求，可提供足够的围护作用时，方可进行开挖掘进工作。由于冻结过程中影响因素较多，而获得的测试数据相对较少，若开挖掘进判定条件不科学，冻结帷幕不能提供足够的围护作用，导致灾难性后果的发生。其风险控制的措施主要包括开挖掘进条件的判定需经确认后，方可进行开挖施工；开挖掘进条件满足要求后，在适当位置补探孔验证分析结果，并对冻结效果进行评估。

4.2 冻结壁变形大

开挖掘进施工过程中，由于局部冻土帷幕厚度不够，冻结壁强度低、或支撑质量不好、或冻土暴露时间过长，均可能会造成冻结壁的变形过大。若不采取措施控制冻结壁变形发展，可能造成冻结壁的失效，不能提供足够的围护作用，导致灾害性后果的发生。其风险控制的措施主要包括开挖掘进施工开始后，采取加强冻结的措施，保证盐水温度不升高，提高冻结壁的强度；保证一次支护支撑结构和冻结壁紧密接触，若支撑结构后的木背板与冻结壁之间缝隙过大，采用填砂等方法使两者之间接触紧密；开挖掘进施工中加强对冻结壁和一次支护支撑结构变形的监测，当冻结壁和支撑结构变形过大时，采取缩小支撑间距的办法，减小冻结壁和支撑结构的变形；开挖掘进后要及时实施一次支护，缩短开挖掘进后冻结壁的暴露时间，必要时缩短开挖掘进单循环洞长；一次支护结构完成后，在一次支护结构内挂网喷混凝土，以提高一次支护支撑结构体系的整体稳定性。

4.3 开挖掘进施工掌子面渗水

若开挖掘进后冻结壁存在薄弱环节，可能造成开挖面渗水，而渗水易引起冻结壁失稳，导致冻结壁不能提供围护作用。其风险控制的措施主要包括开挖掘进施工过程中加强观测，及时发现冻结壁的薄弱环节；对开挖掘进施工掌子面存在的薄弱环节采取保温，以及使用液氮冻结器加强冻结等措施，提高薄弱环节的冻结壁强度；若开挖掘进施工掌子面有水渗出时，立即停止施工，及时对渗水点进行处理，若出水量小，则利用快干水泥封堵；当开挖掘进施工掌子面渗水量大，形成线流不能控制时，采用砂袋堆填封堵开挖掘进施工掌子面控制漏水，停止开挖施工，继续加强冻结，待开挖掘进施工掌子面稳定后，恢复施工。

4.4 开挖掘进过程冻结壁超挖过大

若开挖掘进施工过程中洞身轴线偏移，或开挖掘进尺寸控制不当，将会造成冻结壁的超挖过大，引起冻结壁厚度降低，使冻结帷幕不能提供足够的围护作用，同时会对后续的结构构筑施工造成影响。其风险控制的措施主要包括开挖掘进施工前，在隧洞内标识开挖掘进施工洞身轴线及其外轮廓线位置，作为开挖掘进施工尺寸复核控制的参考；开挖掘进施工过程中，定期复核开挖掘进施工洞身轴线及其外轮廓线尺寸，避免偏差过大；若冻结壁超挖过大，需停止开挖掘进施工，对超挖冻结壁进行保温及加强冻结，并对冻结效果进行评估，冻结壁满足设计要求时，方可继续开挖掘进施工。

5 冻结后融沉变形风险控制

隧道开挖掘进施工结束后，冻结帷幕的解冻会引起冻结区域的融沉，若融沉变形过大，会造成洞身二次衬砌的变形。其风险控制的措施主要包括根据变形情况，使用洞身二次衬砌结构施工预留的注浆孔，对冻结区域内进行跟踪注浆；确定合理的地面及洞身变形的控制指标，作为跟踪注浆及停止注浆的依据。

6 结语

引洮供水一期总干渠7#隧洞工程富含水粉细砂岩洞段最大埋深达248.0 m，采用洞内水平冻结法进行加固，矿山法开挖掘进施工。通过对隧洞冻结施工过程的冻结造孔、冻结与开挖掘进等施工过程，以及冻结后融沉变形等阶段风险因素的判别与分析研究，分别提出相应风险控制工程技术措施，达到预期目的，实施效果良好，确保了隧洞安全顺利地完成开挖掘进施工。