水利工程隧洞突水渗漏洞段采用冷冻技术进行防治的研究与应用

王仁龙 王建峰 王建文

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原 030024）

0 引言

水利隧洞工程，会遇到岩性多变、地质复杂、地下富水区域等特殊情况[1]。在隧洞突水渗漏洞段，可能发生较大涌水，有时会伴随塌方或掉块，对隧洞工程施工进度产生很大影响，同时伴随较大安全风险[2]。在确保施工安全，保证工程质量的前提下，如何快速提升施工进度，给工程建设提出了较高的要求。一种方法新颖、理念先进、又简便实用的技术，即水利工程突水渗漏洞段冷冻技术，应运而生。

采用冷冻技术进行隧洞突水渗漏洞段防治，是对破碎岩体灌输冷气，使突水涌出和渗漏的水体与周围岩体冷冻固结，之后采用水泥水玻璃注浆和混凝土浇筑，实现裂隙充填，改善岩体性能，实现隧洞突水渗漏洞段封堵的目的，为后续工程建设创造便利条件[1]。

1 工作原理

水利工程隧洞突水渗漏洞段防治的工作原理为：1）以隧洞横断面中心为轴线，采用多心圆钻孔，插入冷冻管；采用冷冻技术，在岩体、破碎体及水体之间，形成冷冻体。2）在冷冻体外围一定范围内进行水泥水玻璃注浆加固，充填缝隙，改善破碎岩体性能，增强岩体完整性。3）按照设计要求，对冷冻体进行外形整治，采用钢板作为内侧支撑面，使之与冷冻岩体间形成混凝土浇筑的空间，之后进行混凝土浇筑，形成防渗固结体。4）施工结束后冷冻体体自然解冻，为工程正常施工提供有利条件，从而实现水利工程隧洞突水渗漏洞段的防治，满足工程建设要求。

2 冷冻系统组成

2.1 冷冻系统

水利工程隧洞突水渗漏洞段采用冷冻技术进行防治，其组合式结构包括冷冻机、支架和调节固定结构等。支架固定在冷冻机底部，主要作用为调节固定结构高度，包括升降组件、固定组件和伸缩柱。升降组件包括下座板、上座板和气缸。下座板和上座板水平放置，上座板位于下座板上方。固定组件顶部与支架连接，同时固定限位板，限位板上设置支架放置槽。伸缩柱固定在下座板和上座板中间，伸缩柱外侧设置四个气缸。

气缸下端固定在下座板上表面，内部的活塞杆固定在上座板下表面。下座板下表面设置有多个移动轮，可上下移动。

固定组件安装在限位板上，包括活动安装板、紧固螺栓和卡块。活动板分别位于限位板两侧，设置有多个卡块。支架两侧与卡块之间，设置卡槽。卡块可穿过限位板伸进卡槽中。

紧固螺栓安装在两个活动板端部，位于限位板外侧。

下座板上安装支撑组件，该支撑组件处于伸缩柱和气缸之间。支撑组件包括手轮、单向螺杆和圆形支撑板。单向螺杆安装在下座板上；单向板上端固定在手轮上，下端在底部固定。

冷冻系统结构详见图1、图2、图3 和图4。

图1 结构示意图

图2 调节固定机构的左视结构示意图

图3 固定组件的俯视内部结构示意图

图4 支撑组件的内部结构示意图

特别说明：结构示意图，采用1～10 连续编号。调节固定机构的左视结构示意图，采用1～10 连续和31～33 标号。固定组件的俯视内部结构示意图，采用1～10 连续和41～43 编号。支撑组件的内部结构示意图，采用1～10 连续和51～53 编号。

2.2 冷冻机与冷冻管组合

冷冻机与分布在四周的冷冻管连接，冷冻管插入多个预设的孔洞中，通过冷冻机和冷冻管结合，实现周边水体与岩体的固结。

2.3 注浆

采用隧洞现场突水渗漏情况测试的压力，按照现场试验的水灰比，添加一定的外加剂（如水玻璃或速凝剂等），形成混合体，通过预设管道，进行封堵灌浆，充填一定范围的裂隙，阻断突水及涌水通道。

2.4 混凝土浇筑

待岩体开挖成型后，在适当位置安装支撑钢板。在支撑钢板与岩体之间浇筑混凝土，形成防渗体加固体。

3 应用案例

3.1 工程概况

山西省中部引黄工程隧洞占比达90%以上，隧洞岩性多为寒武系白云岩、白云质灰岩、泥质条带灰岩，部分洞段岩性为奥陶系下马家沟组下段泥灰岩、寒武系中统徐庄组下段紫红色泥岩。在地应力作用下，易产生软岩变形，存在涌水或突水的可能。施工23 标8#支洞位于中阳县张家庄干河沟，支洞长1 345.4 m，斜坡段长度为1 319.6 m，斜坡坡比i=36.992%（倾角为20°），支洞与主洞交叉洞段底部埋深457.8 m。

3.2 隧洞突水渗漏洞段突水和涌水过程

2019年12月19日，施工8#支洞控制主洞下游开挖支护至桩号20+851 附近5 m 区域，岩性为薄层状灰黑色灰岩，节理裂隙发育，掌子面右侧底板5 m 区域出现突水和涌水。

2019年12月20日12：00，隧洞内抽排水作业正常进行，施工8#支洞控制主洞下游5 m 区域突发涌水，洞内积水迅速增加，工作人员立即将部分施工设备（包括装载机、扒渣机、喷浆机、钻机等）撤离现场，同时加大抽排水能力。主洞内因突水和涌水致使水位上升速度过快，同时支洞斜坡坡度较大，设备撤离速度缓慢，造成部分设备淹没。

2019年12月20日14∶16，隧洞突水和涌水导致施工8#支洞水位上升至支洞桩号K1+210 处，现场输电线路、通风筒等停止工作。

2019年12月20日14∶18，现场工作人员采用直尺、秒表和相关设备，开始测试施工8#支洞，因突水和涌水导致水位变化；经测试：第一分钟，水位沿支洞斜坡，逆向上升50 cm；第二分钟，水位延支洞斜坡又逆向上升了50 cm。

2019年12月20日14∶21-14∶36，又连续进行多次因突水和涌水致使施工8#支洞水位变化的测试。测试结果表明：因突水和涌水，施工8#支洞积水水位上升速度略有变化。

经过现场突水涌水水位变化的测试，施工8#支洞控制主洞下游5 m 洞段的突水渗漏水量为每小时440 m3/h。

3.3 突水渗漏洞段防治

依据隧洞突水渗漏情况，初步测定：水量、水压和渗水面积等基本参数的初始值；然后采用冷冻技术进行防治。

1）前期准备：冷冻系统准备及设备安装，抽排水系统优化和调整，采取必要措施后，使隧洞突水渗漏洞段具备必要的防治条件。

2）冷冻系统准备及突水渗漏洞段防治：依据隧洞突水渗漏洞段的具体情况，按照要求进行冷冻系统准备和设备安装、管道预埋，以及现场测试与调试。经过4 h的具体实施，隧洞桩号20+803～20+808 区域，周围岩体与突水渗漏洞段水体约1 m 范围，实现了冷冻，隧洞突水渗漏得到了有效防治。

3）注浆加固：采用冷冻技术进行隧洞突水渗漏洞段防治时，在隧洞突水渗漏的水体与岩体具备一定稳定条件后，立即在岩体外围约50 cm 范围内，进行注浆加固，充填外围岩体缝隙。注浆压力0.5～0.8 MPa，比例1∶1∶0.4（水泥∶水∶水玻璃或速凝剂），注浆时间45 min。

4）支撑钢板安装：隧洞突水渗漏洞段岩体及水体冷冻后，在外围岩体注浆加固形成充填区域时，拆除冷冻、注浆设备，按照设计要求将冷冻体开挖成型，之后安装支撑钢板，并在钢板的适当部位，预留混凝土注入孔。

5）混凝土浇筑：在支撑钢板与冷冻体内表面之间，采用泵送设备灌注C25 混凝土，通过附着式振捣器振捣，形成混凝土防渗体，阻止突水和涌水外渗，预防岩体变形。

4 效果分析

以上采用冷冻技术进行隧洞突水渗漏洞段防治的实例，该洞段每小时突水渗漏量由440 m3/h 减少到50 m3/h，裂隙进行了充填，松散体得到了加固，隧洞突水渗漏洞段岩体的整体性得到改善。实践证明，在水利工程隧洞突水渗漏洞段，采用冷冻技术能够很好地防治隧洞突水渗漏、破碎岩体、裂隙发育、软弱夹层等特殊情况，为隧洞工程正常施工创造了便利条件。

通过对水利工程隧洞突水渗漏洞段冷冻技术的综合防治研究，经过工程实践的应用，冷冻技术进行隧洞突水渗漏洞段的防治，综合效果良好，可在类似工程中推广使用。