高压深埋富水流砂地层冻结法施工技术研究

牛犇



高压深埋富水流砂地层冻结法施工技术研究

牛犇

（中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001）

针对某隧道出现的大量高压涌水、涌砂现象，采用地面垂直冻结法进行隧道施工。用有限元数值模拟分析方法确定了冻结参数，计算得到，开挖段冻结壁最大拉应力出现在冻结壁底部外侧，最大值为0.82 MPa；最大压应力出现在开挖面腰部靠近支护侧，最大值为2.73 MPa；最大剪应力出现在开挖面底部两侧位置，最大值为1.03 MPa。结合现场工业施工，发现冻结施工方法在高压深埋富水流砂地层中能有效地解决涌水、涌砂问题，保证隧道顺利施工。

高压深埋；富水；流砂地层；冻结施工

1 引言

某隧道受F2断层影响，出现涌水、涌砂，涌渣体推移39 m后抵至衬砌台车（部分涌砂倾入台车内部）并挤压衬砌台车，门架、立柱等部位变形损坏，在衬砌台车洞口侧施做砂袋挡渣墙后逐步稳定。

据物探资料显示，该断层通过隧道洞身里程为DK10+250～DK10+430，红糜子湾——黑马泉大断裂（F2）：走向近南北向，向北延伸至韦州以北，向南与六盘山东侧的大断裂相接，近场区内其长度为49 km。两边地层不连续，东盘为下第三系浅红色、砖红色砂岩，西盘为下白垩系蓝灰色泥岩夹泥灰岩。断层面倾向西，倾角达80°以上，为一高角度正断层。由于断层通过处地表多被第四系地层覆盖，破碎带宽约180 m，破碎带内主要以断层角砾为主。该断裂在程儿山隧道与线路约67°通过。

断层内以第三系富水砂岩和泥岩、页岩、泥灰岩组成，富水砂岩呈流体状具有高地压力（最大压力2.99 MPa），泥岩、页岩及泥灰岩应按膨胀岩考虑，遇水易软化；F2断层破碎带核心段宽度为32 m，主要以松软、破碎的富水含砂体（断层砂砾）组成，且内部承压较大，地质条件极为复杂。高压涌水涌砂是施工过程中的难题。

针对此种地质情况，采取迂回导洞方法施工，但与正洞同一里程遇到相同的地质情况，迂回导洞法掌子面有坍涌危险，欲采用降水和注浆等措施处理，但该种地质情况导致钻头损坏、流沙顺钻孔喷涌，降水和加固目的均无法实现，因此采用冻结法施工。冻结法分为水平冻结法和垂直冻结法，水平冻结法需在洞内钻孔，由于洞内钻孔难以实现，因此采用地面垂直冻结法施工[1-3]。

冻结法施工的核心是在地层中钻孔后埋入加盐水或液氮的钢管，通过利用人工制冷手段使结构周围不稳定的含水围岩冻结成封闭的、具有足够强度和刚度的冻结壁，然后进行施工作业的一种施工方法。冻结壁能保证地层稳定，同时还能起隔水作用，保证地下工程施工的顺利进行[4-6]。冻结法分为垂直冻结和水平冻结，由于水平钻孔无法钻进等多种因素影响，程儿山隧道采用地面垂直冻结法施工。

2 冻结参数设计

2.1 冻结壁厚度计算

采用ANSYS有限元分析软件进行应力场分布情况的有限元数值分析，并根据计算结果进行了强度验算。

2.2 计算模型和参数

根据隧道尺寸建立三维计算模型，冻土弹性模量为150 MPa，泊松比0.3，密度1 800 kg/m3。冻结壁厚度按顶部8 m、两侧及底部4 m计算，开挖段高2 m。计算模型分为已支护段、开挖段和未支护段三段。

采用Solid92单元划分四面体网格，共划分156 437个网格，网格划分如图1所示。冻结壁左右两侧施加侧压力，冻结壁底部施加固定约束边界。

图1 有限元模型网格划分图

2.3 计算结果

开挖段冻结壁的主应力和剪应力分布如图2、图3、图4所示。

图2 冻结壁第一主应力σ1分布云图

图3 冻结壁第三主应力σ3分布云图

图4 开挖段冻结壁剪应力分布云图

计算得到，在开挖段内，冻结加固体最大拉应力值为0.82 MPa，最大压应力值为2.73 MPa，最大剪应力为1.03 MPa。强度验算如表1所示。

表1 计算结果强度验算

最大拉应力σ1max/MPa最大压应力σ3 max/MPa最大剪应力τmax/MPa 计算值0.822.731.03 允许值2.06.02.4 安全系数2.42.22.3

根据以上计算和强度验算结果，冻土帷幕的设计厚度满足强度要求。

按照平均温度为﹣15 ℃的冻土，冻结壁顶部厚度8 m，两侧及底部厚度4 m，开挖段高2 m，底部冻土强度指标取单轴抗压强度6.0 MPa，抗拉强度2.0 MPa，抗剪强度2.4 MPa，进行了ANSYS三维数值分析，分析得出安全系数都在2以上，安全储备得以保证。

3 地面垂直冻结技术

3.1 冻结孔位布置

根据现场平整的场地确定冻结深度为233.5 m，设计冻结孔5排，分别为5排冻结孔，每排孔排间距2.74 m，两边2排分别有28个冻结孔，孔间距1.62 m；中间三排各11个冻结孔，孔间距3.16～3.2 m；封头孔12个，孔间距1.56 m。冻结孔共计101个，测温孔6个。冻结管布置如图5所示。

图5 冻结管布置图

3.2 冻结孔施工

第一组钻孔选择：在F7～F12冻结孔中选择2个孔，在C3～C8冻结孔中选择2个孔，在B组和D组孔中选择2个孔（尽量靠近F组钻孔）。

第一组钻孔施工：第一组钻孔主要是以灌浆为目的。为实现灌浆目的，第一组钻孔开孔直径Φ216 mm，Φ216 mm直径钻至孔深200 m下Φ194 mm套管，然后换Φ142 mm钻头钻进，钻进过程中出现漏浆，下止浆塞进行灌浆。灌浆结束，投孔钻进，钻进中出现漏浆，停钻灌浆。重复以上工序，直至钻孔达到设计深度（236.5 m）。

单孔灌浆量：第一组钻孔灌浆量以钻孔吸浆量为准，灌浆压力（表压为0）灌浆开始，观察隧道挡水墙变化情况，无异常情况。每次灌浆结束标准，以灌浆泵压力表为准（0.1 MPa）。灌浆过程中观察挡水墙有异常，立即停止灌浆，下钻投孔观察漏浆情况，漏浆时继续钻进，不漏浆转为钻进。

钻孔通过灌浆处理后，会出现不漏浆孔壁坍塌情况，在断层带钻进钻孔坍塌是必然的，对于钻孔坍塌不漏水采用旋喷方法通过。旋喷长度以方钻杆长度为准。

3.3 后续孔施工

第一组孔施工结束后，断层漏失可能得到缓解，大部分钻孔不漏或微漏。对于微漏钻孔采用加浓泥浆的办法解决，结合钻孔坍塌进行旋喷注浆解决漏失与坍塌。钻孔进入断层带不漏浆，也会出现孔壁坍塌无法钻进，此时，采用旋喷注浆方法通过。

钻孔施工中，大部分钻孔在断层带中，都要进行旋喷注浆通过。由于旋喷注浆占用时间较长，为缩短工期，旋喷注浆后立即移孔开新孔。新孔旋喷注浆后，再移到老孔，循环施工减少等待时间。

A1～A6和E1～E6钻孔施工，施工中可能会出现漏水，漏水会发生在钻孔结束前9 m孔段。此时钻孔进尺很快时，可以顶漏钻进。顶漏钻进时间不能超过2 h。否则，进行水泥球堵漏处理。

4 冻结效果分析

4.1 测一孔降温情况

外测1#孔设计深度234 m，测点有9个，位于E3、E4孔中心连线垂直向外1 200 mm位置处，其降温趋势如图6所示。

图6 测一孔降温曲线图

4.2 冻土发展速度

根据测温孔降温推算出的冻土发展速度如表2所示。

表2 外测1#孔

层位/m平均降温/（℃/d）距冻结孔最近距离冻土发展速度/（mm/d） 500.071 43317.5 1500.111 31418.8 2070.181 24410.5 2130.151 15312.1 2170.131 15314.1 2210.111 15313.9 2250.121 12218.4 2290.131 12221.6 2330.091 12218.4

冻结孔按测6发展速度，B、C、D排及F7～12内排孔按内测4发展速度。A21～27与U型区域冻结孔同时投孔按20 mm/d。E5验证孔投入时间是03-13，发展速度顶板、隧道正中按25 mm/d，底板按30 mm/d。根据测温孔发展，冻土发展速度取值如表3所示。

表3 冻土发展速度

测1取值测3取值 2131521429 2211522233 2292223035 测5取值内测4取值 2153521435 2203522235 2293523035

根据5个测温孔计算出的冻土发展速度，按每个孔投孔时间计算出冻土发展半径，结合冻结管偏斜图，绘制出04-13，U形区域冻结90 d和05-03，冻结110 d，隧道顶板210 m、隧道正中220 m、隧道底板230 m的冻结壁预想交圈图如图7所示。冻结后掌子面情况如图8所示。经过冻结前后掌子面对比，不难得出冻结法施工效果明显，克服了涌水、涌砂及个别段落突水、突泥无法施工的难题。

图7 220 m 110 d交圈图

5 结论

从测温孔数据显示，在隧道顶板位置﹣200～﹣216 m地层温度较高，降温缓慢，分析后得出如下原因：①随着隧道泥沙的涌出，隧道上方地层扰动较大，地层岩性变化很大，或在隧道顶板往上有较大空洞或地层松散；②注浆时下套管都是在﹣200 m以下注浆，大量的水泥浆和水玻璃存留在该部位，水泥的水化热很大，影响上部温度，水玻璃属碱性化学品，冰点较低，影响冻结发展速度，从原始地温测量可以验证该结论（﹣200～﹣216 m层位原始地温为20 ℃，其余层位为15.5 ℃）。

通过3个层位冻结壁预测交圈图可以看出，04-13，U形区域冻结90 d交圈图，已全部交圈，但隧道顶板及正中，受几个补孔位置的孔影响，冻结壁薄弱，隧道底部交圈情况好于顶板及中部。U型区域往后的中间3排孔由于孔间距及排间距较大，交圈程度上还存在间隙。05-03日，U型区域冻结110 d交圈图，已全部交圈，冻结效果已非常明显，冻结壁厚度及冻结壁强度经验算满足设计要求，U型区域往后的中间3排冻结孔也已全部交圈。

［1］杨小平，林培钦，丛竺，等.冻结降温导致地铁盾构隧道漏水的数值与理论分析［J］.隧道建设，2018，38（2）：176-182.

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2095－6835（2019）05－0042－04

U455.49

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.042

牛犇（1968—），男，本科，高级工程师，主要从事隧道及地下工程、桥梁工程方面研究。

〔编辑：严丽琴〕