含水疏松砂岩地层深埋隧洞冻结施工技术与实践

(甘肃省引洮工程建设管理局，甘肃 兰州 730000)

甘肃省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 4.96 m，采用1台单护盾全断面岩石隧洞掘进机(Single Shield TBM)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%，地下水测定水压为0.9 MPa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6.5 m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38.5 m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159.0 m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。

常规冻结法是一种有效应对富含水不良地质段的隧洞施工方法，在实际工程中也有一定的使用经验和相应分析研究，如“人工水平冻结法隧道施工冻胀融沉效应对冻结壁、地下管线及地表变形的影响”[1]、“人工冻结法在地铁上、下行连通隧道施工中的应用研究”[2]、“通过建立多场耦合的地下隧洞模型，对人工水平冻结法施工冻结壁形成规律、冻胀与融沉效应等问题研究”[3]、“人工冻土强制解冻的特点及基本理论研究分析”[4]、“水平冻结加固施工设计、关键技术的处理及实际应用效果”[5]、“冻结法施工中地表的冻胀与融沉”[6]，以及 “冻融对粉砂土力学性能的影响试验研究”[7]等。在冻结法隧洞施工过程中，冻土本身的性质及参数是变化的，其对支护的设计也具有非常重要的影响，对此类问题的研究也取得了一些较为成熟的结果，如 “冻融循环对土的力学性质影响研究”[8]、 “通过建立粘弹塑本构模型模拟冻土对其参数研究确定”[9]，以及“对冻融过程中桩土之间的相互作用机理研究”[10]等。

但由于引洮供水一期工程总干渠7#隧洞TBM卡机洞段洞身埋深接近250.0 m，如此深度采用水平冻结国内外没有先例，同时地层本身的强度很低，在开挖后工作面不能自稳，钻孔过程喷砂及喷水，需要对冻结壁强度及稳定性进行评价，国内关于疏松砂岩冻结的工程实例很少，仅有西部地区几个矿井的白垩系和侏罗系软弱地层采用过冻结法，不仅无成熟经验可供参考，而且也缺少相应的冻土基本物理力学参数等基础数据。

考虑到水平冻结地层为疏松砂岩，按煤炭行业冻结规范可视为含承压水流砂地层，冻结过程中的承压水会影响到冻结施工，因此，在获得冻结加固体的基本参数后，可根据力学计算确定冻结壁的基本参数，但对于如何形成设计冻结壁、如何进行冻结加固设计(包括确定冻结孔布置方式、冻结施工基本参数确定等)、如何确定高水压情况下冻结孔开孔方法、如何确定冻结施工基本要求，以及如何确定冻结时间等一系列的冻结施工参数及其问题均需进行研究。同时，还要研究相应的工程措施，以减少冻胀和后期融沉对隧洞结构的影响，最终保证隧洞安全。本文依托引洮供水一期工程总干渠7#隧洞典型富含水疏松砂岩洞段的冻结设计与施工实践，对冻结法施工相应技术参数及其相关问题进行研究。

1 工程冻土力学参数

富含水粉细砂层冻结加固工程冻土力学性质试验项目为单轴抗压强度、抗弯拉强度与剪切强度。将土样按12.18%的含水率进行重塑土配置，并制备成重塑土试样(砂性原状土的强度高于重塑土)，进行重塑冻土单轴抗压强度的测试。最终确定，冻土抗压强度均值为5.578 MPa、抗弯拉强度均值为2.08 MPa、抗剪强度均值为1.56 Mpa。

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，如图1所示。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。

2.1 冻结深度确定

施工辅助竖井的开挖深度按照250.0 m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30.0 m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280.0 m。

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250.0 m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3.6 m，冻结壁平均温度取-10.0℃，冻土强度取5.5 MPa。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3.25 MPa，冻结壁平均温度-10.0℃，冻结壁计算厚度为2.7 m，设计取为3.0 m。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3.0 m，冻结壁平均温度能够达到要求的-10.0℃，强度满足要求。

图1 施工区域分区示意

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10.6 m；冻结孔数量26个；冻结孔间距取为1.3 m；冻结孔深度取为280.0 m。冻结管采用φ133×6.0 mm优质低碳钢无缝管，内管箍焊接，冻结管总长为7280.0 m。

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248.0 m，水压0.9 MPa，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；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4.0 MPa，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。

经实际冻结施工实践验证，总结出一套适用的施工工艺流程：施工准备→冻结孔施工→安装冻结制冷系统→安装冻结盐水系统和监测系统→积极冻结→试开挖→隧洞开挖掘进与初支护施工→维护冻结→停止冻结。

2.4.1 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。

2.4.2 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。

2.4.3 采用高低压换热系统

井下248.0 m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。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。过量的冻胀或融沉会对地表建筑、地下结构和管线产生破坏作用，同时，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。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。

4 结语

引洮供水一期工程总干渠7#隧洞富含水疏松砂岩洞段最大埋深达到248.0 m，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200.0 m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200.0 m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。