凍結法在星云湖撫仙湖出流改道工程隧洞施工中的應用

唐匯春 方宗明 童克強

(武漢長科工程建設監理有限責任公司,湖北 武漢 430015)

1 工程概況

在云南省玉溪市星云湖撫仙湖出流改道工程中,九溪隧洞是施工難度最大的部分。隧洞為城門洞型斷面,寬2.3m,高2.7 m,鋼筋混凝土襯砌厚度為 40cm。九溪洞段地層為飽和粘土、粉土和粉細砂,粘土具有膨脹性,飽和粉土和粉細砂具有流動性,造成隧洞開挖過程中多次出現涌水、涌砂和坍塌。在 K11+000～K11+120段,隧洞埋深約 60m,地下水位約 40m,開挖過程中上游端涌砂量超過700m3,下游端涌砂量超過 4000m3,造成該段地表出現塌陷,工程進展受阻,無法貫通。為此,先后采用灌漿法、高壓旋噴灌漿法和頂管法等施工技術進行試驗和施工,均未獲成功。經過多方考察、研究、論證,確定對該段采用凍結法地基處理技術。經過地基凍結處理后,有效防止了涌水、涌砂地質災害的發生,隧洞施工順利完成。

2 凍結方案設計

2.1 凍結方法

凍結方法分為垂直凍結和水平凍結兩種。垂直凍結適用性廣,凍結孔施工方便,造孔技術要求不高,孔位、孔斜、孔深等指標控制方便,造孔施工在地表進行不受場地限制,相對于水平凍結法對地質要求不高,但也存在凍結段埋深較大、工程投資較大的缺點。

星云湖撫仙湖出流改道工程主隧洞 K11+000～K11+120段受地質條件的限制,無法在隧洞內形成水平造孔的工作面,故選用垂直凍結法。在地面上向下鉆垂直凍結孔,然后沉放用 ?133×4.5 mm無縫鋼管制作的凍結器,在地面凍結區附近建立冷凍站,采用氨(NH3)為制冷劑,氯化鈣(CaCl)溶液(俗稱鹽水)為凍結介質,水為冷卻劑。

2.2 凍結設計參數

(1)凍結7 d鹽水溫度達到 -20℃,積極凍結期鹽水溫度為 -28～-30℃,維護凍結期鹽水溫度為 -25～-28℃;

(2)凍結孔終孔偏斜控制在0.7%以內,最大偏斜不超過 400mm;

(3)凍結帷幕交圈時間為 30～35 d,積極凍結期(達到設計厚度時間)為50d,設計凍結帷幕厚度為2.2 m,凍土帷幕平均溫度不高于 -10℃。

2.3 凍結厚度的確定

首先運用解析方程和經驗公式,對凍結壁厚度進行初步計算。然后利用數值模擬方法,對隧洞開挖過程進行模擬,分析其穩定性,進而確定凍結壁的最終設計厚度為2.2 m。采用有限元法對凍土帷幕受力與變形進行計算,最終得出凍土的總體承載力是足夠的。

2.4 凍結孔布置

先對地下水流速與流向進行測定,兩個測點分別布設在已開挖隧洞兩端,測定結果為上游端流速較大,凍結區內流速最高為5 m/d。

根據測得的地下水流速、工期要求及凍結發展速度等指標設計凍結孔的布設。該段共布設凍結孔419個,測溫孔20個,有效凍結長度為 4075m。凍結孔深度至開挖面底板以下2.9 m,平均深度約60m(具體孔深根據實際測量底板標高而定),有效凍結深度約 9.6 m,即從開挖面拱頂以上2.8m到開挖面底板以下2.9m。

2.5 凍結斷面布置

隧洞采用厚 0.5m的 C20鋼筋混凝土襯砌,在開挖后采用 I18工字鋼進行臨時支撐和厚 4 cm的木板隔熱,凍結斷面結構見圖1。

圖1 凍結斷面結構(單位:mm)

3 凍結過程控制

3.1 鉆孔傾斜控制

為保證凍結孔垂直度,鉆孔偏斜嚴格控制在7‰以內,每鉆進20m測斜一次,采用 CX-6B型陀螺測斜儀測斜,如有超偏及時進行糾偏;對終孔進行復測,并及時繪制鉆孔偏斜圖,不符合設計要求的及時補孔。實際施工檢測結果為鉆孔傾斜0.22‰～5.13‰。

3.2 溫度控制

凍結區部分地層在凍結施工前已經過擾動,因此凍結質量是工程安全的關鍵,為此在凍結區內布置有效測溫孔,根據監測數據準確計算凍結效果。該段共布置測溫孔20個,測溫孔設在相鄰凍結孔連線成的多面邊重心處,每天測溫兩次,及時掌握凍結發展情況。達到設計凍結時間后,根據測溫孔實測溫度推算凍結壁厚度。凍結壁溫度和厚度達到或超過設計值后方可進行隧洞凍土的開挖施工。

4 凍土掘進和襯砌施工

4.1 掘進方法

爆破容易破壞凍結器,使鹽水泄露,引起凍結壁融化;另外,也容易震裂凍結壁,引進地下水,使凍結體解凍,從而導致凍結失敗,引發安全事故。為避免破壞凍結壁,該段在凍土中掘進時全部采用人工手持風鎬掘鑿,從兩端向中間掘進,有軌運輸出渣。

嚴格限制超挖,邊墻、頂拱超挖均不得大于10cm。凍結壁的厚度是固定的(邊墻2.2 m,頂拱3.0m),如果超挖過大,就會削減凍結壁厚度,從而降低抵抗外界水土壓力的性能。

凍土開挖嚴禁有外部水流入凍結區,在凍結區與非凍結區交接處設集水坑,對外來水進行有效截流和抽排。

4.2 支護措施

在隧洞開挖后,地層中原有的應力平衡受到破壞,引起隧洞周圍地層中的應力重新分布,從而使凍結帷幕產生變形。為控制變形的發展,在凍土開挖后及時對凍結帷幕進行支護。

該段工程臨時支護采用全封閉型 I18工字鋼,縱向采用 I14型鋼連接,以提高其整體性和剛度。為防止凍結壁暴露時間過長而造成凍結壁解凍,采用厚 4 cm的木背板作為保溫材料,封閉暴露的凍結壁,同時避免凍土與澆筑的混凝土直接接觸,有效防止混凝土早期受凍。木背板和凍結壁之間的空隙用水泥砂漿充填密實,為防止砂漿受凍,在拌制砂漿時加入氯化鈉作為防凍劑(重量比為水∶氯化鈉 =100∶5)。

永久支護采用 C25鋼筋混凝土襯砌。為了防止混凝土早期受凍導致混凝土強度和耐久性降低,在配備混凝土時,摻加防凍型早強劑,利用臨時支護作為隔溫層,保證新澆混凝土在達到允許受凍臨界強度(非大體積混凝土和鋼筋混凝土不應低于設計強度的 85%)前有一定的正溫養護期。

4.3 凍結壁暴露時間

開挖后凍結壁暴露時間不能過長,否則會溶化失穩。根據相關規定,凍土暴露時間應控制在 8 h以內,但根據實際情況(基于凍土變形和溫度監測數據分析)有所延長,實際暴露時間一般為1～2 d,最長 3 d,實踐證明這樣是可行的,且大大減少了掘進、支護、澆筑各工序之間的相互影響,縮短了工期,為隧洞按時通水提供了有效保障。

5 結 語

針對星云湖撫仙湖出流改道工程主隧洞 K11+000～K11+120段所出現的涌水、涌砂和坍塌現象,在先后采取灌漿法、高壓旋噴灌漿法和頂管法施工均未獲成功,施工被迫中斷的情況下,經過多方考察、研究、論證,采用凍結法地基處理技術,取得了圓滿成功,保證了星云湖撫仙湖出流改道工程的順利完成。凍結法是解決短距離特殊地段地下工程施工技術難題的一種有效工法,必將得到更廣泛的應用。

[1]馬芹永.人工凍結法的理論與施工技術[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2]王宗金,曹化春.我國凍結法施工技術及其發展[J].山西建筑,2006,32(18):147-148.