浅水位斜坡道明槽冻结法施工技术研究与应用

牛鹏翔，刘晓亭，孟中朝，刘智育，陈 君

(中煤第一建设有限公司，河北 邯郸 056003)

目前，矿山斜井井筒明槽段在含水贫乏的地层一般采用机械大开挖的方式，对边坡采取一定的木桩、插板等支护，一次开挖，一次浇筑。针对含水丰富的地层，李忠华在明槽周围施工降水小井来降低施工范围内的静水位，减小涌水量，为明槽开挖创造良好条件[1]；王者尧采用深水泵井点降水、超前小井排水、大揭盖明槽开挖的方式进行了明槽施工[2]；于新锋采用管井降水降低含水厚表土层水位标高，使水位线低于明槽开挖底面，减少明槽开挖时的涌水量及土体含水量，提高土体稳定性[3]；辛建丽在泰州市远东大道深基坑施工中采用了轻型井点降水法施工达到了降水目标[4]；付景旺采用明槽大揭盖与冬季自然冻结法相结合的方法通过了流沙层[5]。通常采用降水法及大揭盖开挖施工，开挖面积大，土方量高，而且施工周期长、施工效率低。而采用冻结法施工明槽在国内尚属首次，通过研究采用U型冻结壁与钢板桩联合支护的综合防护技术使马城铁矿主斜坡道明槽工程顺利通过了静水位浅、地下水流速高的地层，避免了地下水对施工的影响，保证了井筒在相对干燥的情况下施工，为今后施工类似工程提供了有力的支撑。

1 工程概况

1.1 工程设计

马城铁矿隶属于河北滦南县马城镇，主斜坡道工程位于前苏村东约1km，场地主要为耕地，耕地整体较平整，最大落差2.1m，场地原始地貌为滦河冲积平原。井筒斜长1233.665m，平均坡度11.6%，最大坡度12%，净断面20.17m2，其中明硐段斜长13.327m，区间高程+17.30～+15.60m；明槽段斜长68.666m，区间高程+15.6～+7.13m。明槽段采用马蹄形断面，钢筋混凝土支护，支护厚度550mm，强度等级C50；底板铺设防水塑料薄膜一层、150mm“三七”灰土、150mm厚的C25混凝土防水垫层。斜坡道明槽断面图如图1所示。

图1 斜坡道明槽断面图(mm)

1.2 地质及水文地质

明槽场地地层为第四系冲洪积层及太古界单塔子群白庙子组地层，主要为粉细砂、细中砂、圆砾。粉细砂主要为灰黄色，稍湿、松散，表层为耕植土，下部长英质为主，局部有粉土薄层，分选磨圆中等，厚3.0～4.7m。细中砂主要为灰黄色，稍湿～湿，中密，局部松散，长英质，分选磨圆中等，下部偶见小砾石，5.0～5.3m为粘性土薄层，厚2.9～5.8m。圆砾主要为杂色，饱和，中密，以石英岩为主，砾径 1～3cm左右，约占 55%左右，偶见大块，充填中粗砂，厚2.2～11.9m。

项目区处于冲洪积扇中部，渗透系数k=550m/d，属强富水性含水层。项目区浅层地下水水位埋深6.13m 左右，补给来源主要为大气降水、地表水的入渗以及灌溉水回归，排泄方式以人工开采为主，水位水量随季节变化明显，水位年变化幅度 1.0～3.0m。静水位标高+9.5m，自然地坪标高+15.6m。

2 施工技术方案

马城铁矿主斜坡道工程明槽段施工分为两个阶段施工，分别是普通明槽段(在静水位以上部分)和冻结明槽段(本文主要说明静水位以下明槽施工，即冻结明槽段施工)。普通明槽段采用机械大开挖的方式施工，冻结明槽段采用“冻结+钢板桩”联合支护保证边坡稳定后[6]，再进行明槽施工。

2.1 冻结施工方案

1)高程+12.5～+8.37m，里程38.699～71.996m，斜长33.297m。采用7排冻结孔，封头孔和两侧双排孔均采用∅133mm×5mm冻结管，中排三排孔井筒底板以上采用∅89mm×5mm异径管冻结，底板以下采用∅133mm×5mm冻结管。

2)高程+8.37～+7.13m，里程71.996～81.993m，斜长9.997m，为相接段，即明转暗过渡段，采用5排孔冻结。侧帮孔、封头孔和顶底板冻结壁采用∅133mm×5mm冻结管，穿井筒中排孔井内采用∅89mm×5mm保温管局部保温。

3)冻结工程中通过测温孔、水文孔数据计算，分析冻结壁发展状况，综合分析确认冻结壁满足开挖条件，预计开冻至开挖时间65d。

2.2 钢板桩支护方案

在打钻冻结前按巷道走向两侧及明槽转暗硐位置，采用钢板桩提前对冻结壁进行内支撑，形成钢板桩支护[7]，工字钢桩中至中间距1.0m，自X5点向前2.0m开始打设，单排31根，间距9m，端头8根，合计70根，其中22根8m长36b工字钢，48根12m长H型钢，两侧距离冻结孔中至中800mm。钢板桩施工剖面图如图2所示。

2.3 掘砌施工方案

冻结明槽段冻结75d后，两帮冻结壁厚4m，底部冻结壁厚9m，冻结孔深17m，冻结温度-24℃到-28℃时，达到开挖要求。

冻结段明槽采用挖掘机配破碎锤开挖，开挖长度为41.993m，暗硐掘进长度为3m。其中，41.993m采取PC-200挖掘机配合破碎锤开挖，未冻结表土直接挖掘装车，冻结表土采用破碎锤破碎后再装车，暗硐3m采取导硐分块开挖的方式施工，拱架初期支护，相接段3m与大开挖段整体浇筑。

开挖位置从明槽转暗硐钢板桩处开挖，采取后退式施工，每层开挖深2m、宽8m，两侧预留0.5m冻土采用人工风镐扩刷，开挖的土方直接装胶轮车，从未开挖的普通明槽段运输[8]。暗硐采用分块挖掘，管棚法超前支护，开挖后及时采用工字钢拱架棚进行支护[9]。

图2 钢板桩施工剖面图(mm)

3 有限元模型及计算

3.1 模型建立及冻结过程

为保证方案的可行性，拟采用二维有限元模型进行计算论证，建立二维有限元模型如图3所示，实际开挖深度11m，侧壁冻结管长度20.5m，明槽段底部冻结管长度5m，模型左、右边界及底部距离冻结管长度10m，可取为恒温边界[10]。

图3 开挖深度8.5m处有限元模型

明槽左右两侧的冻结管保持连续运行，明槽段内的冻结管为局部冻结，仅考虑开挖面以下的冻结管对土体冻结的影响，明槽开挖后，明槽内的冻结管停止盐水循环，开挖面底部的冻结管自然解冻。盐水温度随时间的变化曲线如图4所示。原始地温取为12℃，土壤热物性参数见表1。

图4 盐水温度随冻结时间的变化曲线

表1 土壤热物性参数

假定积极冻结40d后开始开挖，11m深的开挖土方分为22段开挖，每次开挖宽度10m，每次开挖深度0.5m，26d开挖完成，换撑及拆除支撑10d完成。开挖后及时对侧壁用喷射聚氨基甲酸酯泡沫绝热层进行保温，以减少由于开挖面暴露对冻土帷幕强度的不利影响。有限元分析时，根据经验数据，侧壁与周围空气的对流换热系数取为5W/(m2·K)，开挖面与周围空气的对流换热系数取为10W/(m2·K)，周围空气温度取为10℃[11]。

3.2 计算结果

冻结40d时温度场计算结果如图5(a)所示。经计算，冻结壁有效厚度为3.67m，冻结壁平均温度-14.1℃，冻结壁厚度和平均温度均满足设计要求。不同开挖深度下冻结50d(第10段开挖)、60d(第16段开挖)、76d(换撑及拆除支撑后)的温度场分布云图分别如图5(b)、(c)、(d)所示。

图5 冻结40d、50d、60d、76d时温度场分布云图

3.3 有限元模型计算结果分析

1)开挖深度5m以上冻土帷幕设计成重力式，可不设置内支撑；开挖深度5m以下设置内支撑。同时，为了避免在明槽开挖过程中降低地下水位对冻结壁的影响，冻结开挖面以下部位，依靠明槽底部的冻土帷幕隔绝坑内外的水力联系。

2)开挖深度8.5m需采用“冻土帷幕+一道支撑+换撑”方案，冻土帷幕厚度3.5m，嵌入深度5m，支撑位于-5m处，支撑间距4m。需设置换撑，用于井壁浇筑及支撑拆除期间的支护。能够满足安全开挖需求。

3)为了减少冻土帷幕位移，增强冻土帷幕的整体稳定性，必须在地表处设置冠梁。

4)在设计工况下，积极冻结40d可以进行明槽开挖工作，每次开挖宽度10m，明槽开挖后，应立即对冻结壁进行有效保温。

5)明槽开挖完成(冻结76d)时侧壁冻土帷幕厚度达到3.9m，井帮温度-4.0℃，冻结壁平均温度-13℃。与开挖初期相比，明槽两侧的冻土帷幕厚度继续增长，这主要是由于冻土继续向外扩展造成的。而此时冻结壁平均温度低于设计值(-10℃)，井帮温度较低，不会造成片帮等不利影响。

4 开挖后钢板桩受力分析

4.1 基本条件

1)考虑最不利工况，计算选取冻结明槽段底部开挖深度最深(9.2m)的工字钢进行受力分析。

2)因已在钢板桩顶部设置冠梁及锚桩，考虑顶部受力情况。

3)计算将冻土作为安全储备，仅考虑钢桩承担外部水土荷载。

4)本计算考虑中部不设支撑和中部设支撑两种方案[12]。

4.2 中部不设支撑受力分析

外部水土侧压力按照重液公式计算，即

p=0.013H

(1)

式中，p为水土侧压力，MPa；H为埋深，m。

由于36b工字钢中对中间距为1m，则外部水土压力为三角形荷载，且底部最大荷载为0.013×9.2×1=119.6kN/m。

工字钢两端按简支考虑，如图6(a)所示，上端支在圈梁上，下端支在未开挖的冻土上。

图6 工字钢受力简图

采用COMSOL大型有限元软件计算，中间不设圈梁工字梁弯矩云图如图7所示，可得到跨中最大弯矩为650kN·m。

图7 中间不设圈梁工字梁弯矩云图

由材料力学理论，36b工字钢的抗弯模量为918.3cm3，许用应力为150MPa，弯矩作用下截面最大应力为：

=707.83MPa>>[σ]=150MPa

(2)

因此，工字钢会发生屈服，说明中间不设支撑不满足要求。

4.3 中部5.2m设支撑前上部工字钢受力分析

考虑在中部5.2m处设置一道圈梁，在开挖至5.2m深度时，可以按图6(b)所示计算工字钢上部的受力为117kN·m，中间5.2m设一道支撑上部工字钢弯矩云图如图8所示。该弯矩作用下截面最大应力为：

=127.4MPa<[σ]=150MPa

(3)

最大应力小于许用应力，满足要求。

图8 中间5.2m设一道支撑上部工字钢弯矩云图

4.4 中部5.2m设支撑后底部工字钢受力分析

开挖至5m以后施工混凝土圈梁，采用钢支撑支护，受力简图如图6(c)所示，计算得到截面最大弯矩为140kN·m，中间5.2m设一道支撑工字钢弯矩云图如图9所示。该弯矩作用下截面最大应力为：

=135MPa<[σ]=150MPa

(4)

最大应力小于许用应力，满足要求。

图9 中间5.2m设一道支撑工字钢弯矩云图

4.5 中部支撑受力分析

为了加快施工掘砌速度，中部5.2m处考虑采用36b工字钢支撑，钢支撑间距2m布置。不考虑冠梁和中部圈梁承受轴向力，两侧的水土压力由中部钢支撑承担。

每个钢支撑承担的水土压力总和为：

36b工字钢的截面积为83.5cm2，则钢支撑的压应力为：

=131.8MPa<[σ]=150MPa

由于支撑受压，还需要考虑压杆稳定问题。支撑按两端固支考虑，则压杆的长度系数μ=0.5，压杆受压临界力为：

=16096.7kN

4.6 钢板桩受力分析结果

1)开挖前在地面设置一道冠梁连接所有工字钢头部，并在冻结壁外设置锚桩，以避免在上部开挖区域设置内支撑，影响开挖进度。

2)中部不设支撑会使36b工字钢弯矩过大而屈服，不满足要求受力要求。

3)在中部5.2m处设置中圈梁一道，每间隔2m设置一道钢支撑，钢支撑可采用36b工字钢或同等截面积的钢管，可满足开挖要求。

4)以上结论只考虑工字钢单独承受水土压力，没有考虑冻土和工字钢共同受力，如果考虑冻土和工字钢共同受力，需要冻土的蠕变参数和长时强度。

5 冻结壁防护技术

5.1 对钢板桩采取拉锚桩措施

冻结明槽段大面积开挖前首先对事先施工的钢板桩进行加固处理，采用挖掘机将钢板桩上部挖开外露500mm，使用24kg道轨将钢板桩上部焊接连成一体，形成圈梁，在距离钢板桩21m处施工锚拉桩，锚拉桩采用3.5m×24kg轨道削尖打入地下3m深，冻结明槽段前15m每3m设置一个锚拉桩；后16m每2m设置一个锚拉桩，锚桩施工完毕后，每根锚桩与钢板桩圈梁采用钢丝绳垂直连接，起到拉桩效果[13]。

锚拉桩初始拉力2t，工作拉力8.5t，选用钢丝绳安全系数不小于工作拉力的3倍，钢丝绳采用∅21.5mm钢丝绳，破断拉力不小于298kN，符合要求。

5.2 对冻结壁采取土钉墙加固措施

1)钢板桩之间冻结壁采用土钉墙支护[14]，两钢板桩之间铺设金属网，并与钢板桩点焊，使用0.5m土钉将钢板桩空隙内的金属网固定在冻土上，间排距1.0m×1.0m，采用喷浆C20混凝土封闭，厚度50mm。

2)冻结壁两侧整体铺设100mm厚橡塑板保温材料，待整体开挖完毕后两帮及端头墙整体铺设防水塑料布，两帮冻结孔维护冻结，保证两侧冻土稳定。

5.3 开挖后采取横撑措施

钢板桩开挖深度超过5m后再使用24kg道轨将钢板桩进行整体连接，连接完毕后采用8寸钢管对钢板桩进行横向支撑，间距2m，支撑完毕后再开挖剩余部分，支模、混凝土浇筑时横撑影响施工时，应及时利用脚手架等进行补偿支撑，并将横撑移至巷道顶板上300mm位置。

5.4 冻结壁保温措施

开挖深度每达到2m后，先挂网喷射50mm厚混凝土封闭土层，然后两帮整体铺设100mm厚橡塑板保温材料[15]，待整体开挖完毕后两帮及迎脸整体铺设防水塑料布，两帮冻结孔维护冻结，保证两侧冻土稳定。

6 冻结壁监控

1)监控措施：开挖以后，在两侧锚拉桩各设置3个拉力计(其中前15m每侧1个，后16m每侧2个)，并在两侧冻结墙体上沿纵向每5m设置一个收敛位移观测点，两侧墙每侧设置6个位移观测点，采用全站仪测量坐标值来确定位移数据，安全值小于50mm，各观测点自设置后每天进行观测，并形成记录；将锚桩拉力计数值拉至设计2t，实时监测中数值变大，表示冻结壁内张，要对冻结壁增加横向支撑；位移观测安全值设定为“<50mm”，为了防止发生位移，使用24kg轨道将纵向、横向钢板桩连成一体，深度超过5m后再焊接一道加固钢板桩有效防止位移；当以上数值不能有效控制时要随时撤人。

2)监控结果：通过监控，施工过程中锚桩拉力计最大拉力变形点为2.1t，两侧墙最大位移为15mm，施工过程安全可控。

7 结 论

马城铁矿主斜坡道冻结明槽段2018年 4月20日开始打钻，5月10日开始开机冻结；第一段明硐明槽段6月11日开始开挖，7月17日浇筑施工完毕，工期33d；第二段冻结明槽段积极冻结74d后7月23日开始开挖，9月13日第二段冻结明槽段浇筑施工完毕；其中第二段冻结明槽段施工期间因暴雨无法施工影响13d，工期40d(不含影响)，合计总工期125d，其中掘砌工期73d，较原计划工期90d提前了17d。通过马城铁矿主斜坡道明槽段的施工及数据收集，与以往冻结明槽的施工方法进行了对比，采用“冻结+钢板桩”联合支护开挖明槽有以下效果：

1)在静水位浅、地下水流速高的斜坡道明槽施工中，成功采用了冻结壁与钢板桩联合支护的综合防护技术，避免了地下水对施工的影响，保证了井筒在相对干燥的情况下施工，节省了挖土方量，减少了水土资源的流失，有效的减少施工工期43d，降低施工成本的同时确保了工程进度。

2)针对冻结明槽深基坑开挖，计算确定了采用钢板桩对冻结壁进行内支撑，通过对钢板桩的拉锚、横撑以及对冻结壁土钉墙加固、保温等措施，保证了开挖后两侧冻结壁的稳定性，有效预防了冻结壁强度不足造成倾覆的风险。

3)该工程的成功实施，避免了因地下水造成降水失败、工期拖延，为今后浅水位、高流速的地层中施工提供了成熟、完善的施工技术。