含水疏松砂岩隧洞冻结法掘进技术

魏永学

(甘肃省水利水电工程局 兰州 730000)

1 工程概况

甘肃省引洮供水一期工程总干渠7号隧洞全长17.3km，含水疏松砂岩洞段断面型式为圆形，净断面直径4.96m，开挖断面直径6.25m。隧洞工程地质条件复杂多变，有14.8km 洞段为Ⅴ类上第三系粉砂岩、粉细砂岩及粉砂质泥岩等软—极软岩地层，施工难度大，是引洮供水一期工程控制性单项工程项目之一。

隧洞Ⅴ类上第三系软—极软岩地层中，有不连续分布总长近3.0km的含水疏松砂岩(N2L2s)洞段。疏松砂岩成岩性差、欠固结、胶结不均，局部夹钙质胶结层，结构疏松，天然密度2.21g/cm3，粒径细微，颗粒组成中2～0.25mm 含量占24%～31%;0.25～0.074mm含量占45%～67%;0.074mm 以下含量占5%～13%。含水量高，一般8.0%～15.4%;饱和含水量18%，岩性软弱，强度极低，单轴饱和抗压强度小于1.0MPa。水理性差，吸水率20%～23%，遇水极易软化，浸水快速崩解，具弱透水性，渗透系数6.2×10-5～3.2×10-4cm/s。地层中赋存基岩孔隙水—裂隙水，水位较高且具承压性，工程地质特性极差，性质类似于第四系固结砂土，含水率对岩石强度影响显著，当含水量大于15.4%时，具饱水砂土特性。该围岩开挖后，稳定性主要受岩石强度及地下水活动的控制，通常含水量小于11%时，围岩以坍塌为主;含水量在11%～15%时，掌子面出现滴渗水，局部有线状流水，围岩变形加剧，坍塌严重;当含水量大于15%时，围岩基本处于饱水状态，若遇围岩裂隙发育，则有线状流水，出水量25～60L/(min·10m)，围岩在地下水的渗流作用下，通常被泥化。饱水后工程地质特性极差，不能自稳，塑性变形强烈，掘进施工中受到外力扰动或地下水的作用时，极易液化且发生掌子面外涌的突泥涌砂现象。

含水疏松砂岩透水性弱、可灌性差，采用超前灌浆无法对围岩进行有效固结;由于岩性软弱、强度低，长管棚施作时其前部无高强度可靠支点，极易塌落滑移，无法起到超前支护作用，且长管棚钻进塌孔和管内突泥涌砂严重，难以达到预期效果。

根据含水疏松砂岩的特性，结合地铁工程类似地质条件掘进施工实践，并参考水利工程垂直旋喷桩防渗帷幕原理和功效，确定对总干渠7号隧洞出口含水疏松砂岩洞段，采用“冻结法”超前对含水疏松砂岩进行固结加固，提高围岩强度，增加稳定性，延缓塌落和滑移时间，以保证在隧洞掘进过程中侧顶拱及掌子面稳定，实施掘进并进行一次支护施工。

2 冻结施工技术方案及制冷系统选择

2.1 “冻结法”原理及工序

“冻结法”是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将天然岩土体变成冻土，以增加其强度和稳定性，隔绝地下水与隧洞工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行隧洞工程掘进施工的一种特殊施工技术，其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土性质以加固洞周围岩地层。

考虑到地下水的存在及粉细砂的流变特性，需要形成封闭的掘进区域，防止突泥、涌砂及地下水进入掘进范围，同时，冻结帷幕提供洞周水土压力的支撑作用，因此，需要在掘进范围外部形成封闭的冻结帷幕，包括掘进范围周圈环形冻结帷幕，以及掘进末端掌子面封堵冻结帷幕。所要形成的冻结帷幕如图1～图2所示。

图1 隧洞形成封闭冻结帷幕纵断面

图2 隧洞冻结帷幕横断面

考虑到掘进断面较大，为维持掘进岩面稳定性，需同时将掘进范围内地层也进行冻结，形成稳定的冻土，若需要降低掘进范围冻土强度，可采取将掘进范围内的冻结管设置为局部冻结模式。

“冻结法”施工主要工序:施工准备→冻结孔施工(同时安装冻结制冷系统、盐水系统和检测系统)→积极冻结→一次支护→二次衬砌。冻结孔施工和洞身掘进一次支护施工为关键工序;冻结温度检测、围岩变形、压力监测及二次衬砌施工为特殊工序。

2.2 冻结施工技术方案

冻结施工基本可分为积极冻结期、维护冻结期及解冻(恢复)期等三个阶段。依据含水疏松砂岩工程地质特性和水文地质特性，以及隧洞断面面积较大(达到30m2)的情况，确定单循环纵向冻结长度25.0m，其中有效冻结长度大于20.0m，可实现冻结加固段隧洞开挖长度20.0～22.0m，冻结最大范围为掘进轮廓面周围2.5m 厚冻结帷幕。根据流砂地层特性，可采用发散式埋入冻结管，无需施做扩大起始洞室。

冻结孔施工之前，首先对起始冻结掌子面封堵加固。根据确定的冻结帷幕厚度，共布设64个冻结孔;4个测温孔;2个泄压孔;共计70个孔。冻结管为φ89mm×δ5mm 无缝钢管，在管的端部安装单向阀，采用锚杆钻机进行冻结孔钻孔并同时安装冻结管，安装完成后进行冷冻系统的连接，冷却塔设置在洞外，利用3.0km 长管路供水，采用1台630kVA 变压器。

部分冻结管在掘进及一次支护施工过程中需进行改移，正面冷冻管在掘进中割断，同时，可根据需要及时连接继续冷冻，以确保掘进掌子面稳定。

2.3 制冷系统选择

常用制冷系统有低温盐水、液化气体(液氮)、液氧、二氧化碳(干冰)，以及混合系统(盐水+干冰、盐水+液氮)等，其中:液氧易爆，不安全;液氮适用范围广，冻结速度快，但价格高，消耗量大，且需要自专门工厂远距离及洞内长距离、连续、大量运输，费用极高，同时，也易稀释氧气，洞内施工不安全;干冰主要用于地表冻结;混合系统配置及工序复杂;低温盐水适应任何地层，冻结速度较缓，但价格低廉，储存运输简单。因此，选用低温盐水制冷系统进行冻结施工，制冷效率为30%～50%，冻结速度为20mm/天。

3 冻结孔布置及冻结主要设计参数

3.1 冻结孔布置

掘进洞周2.5m 厚度的冻结帷幕可使用1 圈冻结孔形成，即在掘进范围外部布置一圈冻结管，冻结管方向平行于掘进方向。但考虑到混凝土封堵墙后冻结孔的施工角度问题，需要补充1 圈冻结孔，深度为总长度的一半。掘进掌子面封堵冻结帷幕需要从掘进范围内布置冻结管，低温盐水循环形成。掘进时，将掘进范围的冻结管割断，但同时为了保持封头的冻结帷幕，需要使用软管恢复部分冻结管的循环。

考虑钻机施工角度的限制，按钻机开孔角度10°考虑，掘进面周圈冻结孔倾斜布置，冻结孔成孔控制间距为1.5m，其中:长孔布置为B 排(19个冻结孔)、C 排(14个冻结孔)、D 排(8个冻结孔)、E 排(4个冻结孔)、中间孔(1个)，共5 排46个长孔;开孔段补强的短孔布置为A 排18个短孔，总计冻结孔64个，总长度1475.0m。冻结孔布置分别见图3～图5。

图3 冻结管布置剖面 单位:mm

3.2 冻结主要设计参数

a.冻结围岩强度的设计指标为单轴抗压3.6MPa，抗折2.0MPa;抗剪1.5MPa(-10℃)。

b.积极冻结实施时，在冻结区附近200.0m 范围内不得采取降水措施，在冻结区内围岩中不得有集中水流。

c.在冻结帷幕附近隧洞内侧敷设保温层，敷设范围至设计冻结壁边界2.0m 处。保温层采用阻燃(或难燃)的软质塑料泡沫保温材料，厚度50mm，导热系数不大于0.04W/mK，塑料软板与衬砌管片之间用万能胶粘贴密实。

d.设计冻结壁平均温度为不大于-8℃。

图4 冻结孔开孔位置起始断面

图5 冻结孔终孔位置25m 处断面 单位:mm

e.当施工中地层及环境条件与原设计依据资料有重大变化时，应及时修改冻结帷幕设计。

3.3 确定需冷量及冷冻机

冻结需冷量计算公式为:

式中 H——冻结管总长度，m;

h——盐水干管总长度，m;

D——冻结管直径，m;

d——盐水干管直径，m;

K——冻结管散热系数，取K=250kca1/(m2·h)。

确定总的标准工况需冷量Q=13万kca1/h，按照30万kca1/h的装机容量进行设计，选用JYSLGF300 螺杆冷冻机组4台，其中1台备用。

冻结主要设计参数如下表所列。

冻结主要技术参数表

4 掘进及一次支护施工

4.1 冷冻设备布置及供水

隧洞出口主洞“冻结法”施工掌子面距洞口3.0km，冷冻设备放置于隧洞洞内会车平台上，不影响后续的掘进，冷却水塔设在洞外，洞内铺设3.0km 长管路供水。

4.2 掘进施工

冻结形成的冻结帷幕，经探孔确认并满足设计要求强度后，可进行掘进施工。由于冻结范围内冻结管的存在，影响机械设备使用，一般可采取风镐辅助人工方式掘进。考虑到掘进断面较大，可采取分层方式掘进。掘进范围内影响施工的冻结管割除，使用高压软管恢复;不影响施工的冻结管保留，待全部完成掘进施工后，再予以割除，以保证开挖封头处冻结帷幕的稳定性。同时，需要对冻结和施工过程进行监测，保证冻结施工效果及保障施工安全。

4.3 一次支护

为保证冻结段掘进施工安全，冻结段洞身一次支护主要采用I16 工字钢钢拱架支架支撑，间距400～500mm;挂φ6mm×200mm×200mm 钢筋网;喷C20 混凝土厚200mm。冻结后一次支护与常规钻爆法掘进施工模式基本相同，一次支护实施后，择机采用钢模台车实施二次衬砌钢筋混凝土浇筑施工。

4.4 监控量测

由于冻结完成后围岩强度会逐步衰减，因此，在掘进及一次支护施工过程中需加强监控量测，及时进行收敛变形监控量测，以便及时调整一次支护方式和结构，并注重冻结管的布设位置，以防破坏冻结管影响维护冻结强度。

5 结 语

后续掘进施工实践证明，冻结有效阻止了掌子面突泥涌砂的发生，并对围岩起到了超前加固和固结作用，保证了隧洞洞身侧顶拱及掌子面稳定，后续掘进施工顺利，“冻结法”不失为处理隧洞含水粉细砂及疏松砂岩的一种行之有效的方法。

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2 郭剑虹，朱江波，袁忠银，等.上海长江隧道江中段连接通道冻结法施工［J］.上海师范大学学报(自然科学版)，2010，39(4):390 -394.

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5 张政勃，朱亚坤，李超.地铁联络通道冻结法施工关键技术［J］.科技信息，2011，27(4):354-355.