陳曉東

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730000）

1 工程概況

甘肅省大型跨流域引調(diào)水引洮供水一期工程總干渠第二長(zhǎng)洞7號(hào)新寨嶺隧洞全長(zhǎng)17.29 km,采用中國首臺(tái)直徑5.75 m的單護(hù)盾全斷面巖石隧洞（隧道)掘進(jìn)機(jī)為主、鉆爆法及“凍結(jié)法”特殊工法為輔施工,主要穿越新近系軟-極軟巖,特別是工程地質(zhì)性狀極為惡劣的含水疏松粉（細(xì))砂特殊極軟巖地層,工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,屬典型深埋軟巖長(zhǎng)隧洞,具廣泛的軟巖大變形機(jī)理與破壞特征及控制技術(shù)工程代表性。TBM掘進(jìn)并同步襯砌成洞總長(zhǎng)13.89 km,占全長(zhǎng)的80.3%,含水疏松粉（細(xì))砂巖地層存在強(qiáng)烈及大規(guī)模突泥、涌砂、破壞性大變形等特殊工程地質(zhì)災(zāi)害的兩段連續(xù)深埋洞段總長(zhǎng)309.3 m,TBM及鉆爆法掘進(jìn)適應(yīng)性差,存在很大安全風(fēng)險(xiǎn),分別采用“地面垂直+洞內(nèi)水平復(fù)合凍結(jié)法”“地面垂直凍結(jié)法”及“洞內(nèi)水平凍結(jié)法”三種技術(shù)方案掘進(jìn)。

隧洞中部TBM掘進(jìn)停機(jī)掌子面前方長(zhǎng)48.0 m含水疏松粉（細(xì))砂巖洞段埋深244.0 m,采用一次全深凍結(jié)施工輔助豎井工作面,單循環(huán)“地面垂直+洞內(nèi)水平復(fù)合凍結(jié)法”掘進(jìn),其中垂直凍結(jié)長(zhǎng)22.2 m,水平凍結(jié)長(zhǎng)25.8 m。隧洞設(shè)計(jì)為一次掛網(wǎng)噴混凝土及型鋼拱架與木插板支護(hù),高密度聚乙烯閉孔泡沫板保溫,二次現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌的復(fù)合式支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu),為圓形斷面,掘進(jìn)洞徑Ф6.5 m,凈洞徑Ф5.0 m。豎井布置于隧洞軸線上,現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌厚450.0～600.0 mm,最大開挖直徑Ф7.2 m,凈內(nèi)徑Ф6.0 m,考慮隧洞洞底以下卸渣轉(zhuǎn)運(yùn)坑道深4.4 m,設(shè)計(jì)凈井深248.4 m。

2 巖土人工凍結(jié)技術(shù)原理

人工地層制冷技術(shù)分為鹽水（CaCl2溶液)冷媒劑循環(huán)間接制冷,以及液氮（N2)制冷劑氣化直接制冷兩類吸收巖土熱量的方式,隧洞（隧道與巷道)、豎井、斜井及平洞屬地下相對(duì)封閉空間,為確保安全,通常采用氟利昂（R22)或氨（NH3)制冷劑間接制冷法。“凍結(jié)法”是在地層中造孔安設(shè)凍結(jié)管,通過冷媒劑循環(huán)將巖土中熱量導(dǎo)出,地層降溫水結(jié)冰,松散軟弱含水巖土凝固形成凍結(jié)體,暫時(shí)改變巖土性狀,提高強(qiáng)度及穩(wěn)定性,形成臨時(shí)性封閉凍結(jié)帷幕（凍結(jié)壁)隔絕地下水,抵抗巖土地壓荷載的物理措施加固法,在凍結(jié)帷幕保護(hù)下安全掘進(jìn)支護(hù)?！皟鼋Y(jié)法”在礦井及地鐵工程中應(yīng)用廣泛,在水工隧洞工程中應(yīng)用相對(duì)較少,是解決突泥、涌水、涌砂、流砂、破壞性大變形、大規(guī)模塌方等特殊工程地質(zhì)問題的掘進(jìn)支護(hù)特殊工法,分為設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行加速凍結(jié)壁發(fā)展完成的前期積極凍結(jié)期,以及設(shè)備正常運(yùn)行降低或停止凍結(jié)壁發(fā)展,滿足掘進(jìn)支護(hù)的后期維護(hù)凍結(jié)期兩個(gè)階段。

間接制冷技術(shù)由制冷劑、冷媒劑及冷卻水三大熱泵循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成,地?zé)峤?jīng)凍結(jié)管由冷媒劑傳至制冷劑循環(huán)系統(tǒng),再經(jīng)制冷劑傳入冷卻水循環(huán)系統(tǒng),最后由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)排入大氣。隨冷媒劑循環(huán),地層中的水逐漸結(jié)冰,形成以凍結(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱,并不斷外擴(kuò)與相鄰凍結(jié)圓柱連為一體,最終形成具一定厚度及強(qiáng)度的凍結(jié)帷幕（凍結(jié)壁)。

3 含水疏松粉（細(xì)）砂巖工程地質(zhì)特性研究

3.1 總體概況

7號(hào)長(zhǎng)隧洞最大埋深350.0 m,主要穿越長(zhǎng)13.53 km新近系（N2L)內(nèi)陸河湖相紅色碎屑沉積中厚層狀地層,屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類軟-極軟巖,巖性以泥質(zhì)粉（細(xì))砂巖、砂質(zhì)泥巖及疏松粉（細(xì))砂巖為主,單軸飽和抗壓強(qiáng)度多小于5.0 MPa。含水疏松粉（細(xì))砂巖為新近系地層中的特殊極軟巖,間隔帶狀分布9段總長(zhǎng)3.14 km,占新近系地層總長(zhǎng)的23.2%,占隧洞全長(zhǎng)的18.2%,埋深92.0～292.0 m,洞底以上層厚一般15.0～70.0 m,局部大于200.0 m。

3.2 礦物及化學(xué)成分

試驗(yàn)研究表明,巖體礦物成分相對(duì)單一,主要為石英顆粒,少量為鈣質(zhì)黏土?；瘜W(xué)成分以Si元素為主,占60.4%,是巖體形成的主要內(nèi)因,其他元素總計(jì)占39.6%。

3.3 顆粒級(jí)配及結(jié)構(gòu)特性

試驗(yàn)研究表明,巖體黏粒含量7.0%,粉粒含量小于25.0%,一般粒徑0.1～0.5 mm,主要粒徑0.075～0.250 mm,粗粒含量較大,占85.0%～95.0%,分選較好,細(xì)粒含量較少,約占10.0%。粒徑含量均值d＞0.075 mm為80.35%,d＜0.075 mm為19.65%；平均粒徑d50＝0.089～0.181 mm,不均勻系數(shù)Cu（d60／d10)＝2.760～9.836,曲率系數(shù)Cc（d230／（d60·d10))＝ 0.802～3.878,屬細(xì)砂或粉砂,顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。巖體骨架以緊密排列的石英顆粒為主,具有顆粒間孔隙為主的均勻松散結(jié)構(gòu),顆粒間無連接或微弱連接,內(nèi)聚力微小,摩擦力大,受壓體積變化小,孔隙比0.291～0.437,孔隙面積均值820.0～6 033.0 μm2,占總面積的6.0%～19.2%。凍結(jié)改變巖體微結(jié)構(gòu),孔隙增大,凍結(jié)前及解凍后孔隙面積占比為11.00%與12.38%。

圖1 顆粒級(jí)配曲線

3.4 物理特性

試驗(yàn)研究表明,巖體原狀含水率為7.7%～17.2%,均值為13.9%；飽和吸水率為13.1%～24.8%,均值為18.1%,趨近飽和狀態(tài),凍結(jié)前后容重均值為1.642 g/cm3,變化微小。原狀滲透系數(shù)小于凍結(jié)后滲透系數(shù),凍融循環(huán)對(duì)巖體滲透性改變明顯,滲透性增大,并與孔隙比成正比。巖體主要物理特性均值及其變化對(duì)比試驗(yàn)研究成果見表1。巖體熱物理性質(zhì)為：20℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為 2.00 W/（m·℃),0℃時(shí)為 2.30 W/（m·℃),-1.5℃時(shí)為2.91 W/（m·℃),-30℃時(shí)為3.24 W/（m·℃)；結(jié)冰溫度為-0.4℃；凍結(jié)比熱容為0.36 kcal/（kg·℃),解凍比熱容為 0.49 kcal/（kg·℃)。

表1 巖體主要物理特性試驗(yàn)研究成果

3.5 力學(xué)特性

試驗(yàn)研究表明,在25.0 kPa壓力條件下,巖體壓縮系數(shù)均值a1-2凍結(jié)狀態(tài)為0.010 9 MPa-1,解凍狀態(tài)為 0.058 9 MPa-1,兩種狀態(tài)的a1-2＜0.1,壓縮指數(shù)C′c＜0.2,具低壓縮性,固結(jié)壓縮應(yīng)變e與壓力p的e—p及e—lgp曲線如圖2所示。原狀巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度為0.7～1.2 MPa,強(qiáng)度應(yīng)力比為0.1～0.4,允許承載力為0.2 MPa,巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究成果見表2,有效剪應(yīng)力τ與正應(yīng)力σ關(guān)系曲線如圖3所示。含水率為12.2%,溫度為-10℃時(shí),凍結(jié)巖體單軸抗壓強(qiáng)度均值為5.6 MPa、彎拉強(qiáng)度均值為2.1 MPa、抗剪強(qiáng)度均值為1.6 MPa?？箟簭?qiáng)度在一定溫度范圍內(nèi)與負(fù)溫絕對(duì)值呈線性關(guān)系,隨溫度下降而增大；含水率未達(dá)飽和時(shí),抗壓強(qiáng)度隨含水率提高而增大,飽和時(shí)隨含水率提高而減??；含水率超飽和一定程度時(shí),抗壓強(qiáng)度降至與冰相當(dāng),并與巖體礦物成分及顆粒級(jí)配關(guān)聯(lián),且抗壓強(qiáng)度與巖體粒徑呈正比關(guān)系。凍結(jié)巖體具有流變特性,應(yīng)力一定時(shí),應(yīng)變隨時(shí)間延續(xù)逐漸增長(zhǎng)；應(yīng)變一定時(shí),應(yīng)力隨時(shí)間延續(xù)逐步減小。

圖2 巖體固結(jié)壓縮曲線

表2 巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究成果

圖3 巖體τ—σ關(guān)系曲線

3.6 凍脹融沉特性

試驗(yàn)研究表明,巖體平均凍脹率不大于1.0%,凍脹量隨時(shí)間延續(xù)逐步趨于穩(wěn)定。凍結(jié)速率由起始較大、逐漸減小、再逐步增大循環(huán),波動(dòng)幅度為±0.05～0.10 mm/20 min。凍結(jié)初期300 min內(nèi)融沉量隨時(shí)間增加而快速增大至0.1 mm,之后基本趨于穩(wěn)定,融沉系數(shù)為0.255%,小于1.0%。凍結(jié)及融沉等級(jí)均為Ⅰ級(jí),屬不凍脹、不融沉及少冰凍土類型,圍巖凍結(jié)及凍融循環(huán)對(duì)隧洞通水運(yùn)行無影響。

3.7 總體評(píng)價(jià)

含水疏松粉（細(xì))砂巖總體級(jí)配差,黏粉粒膠結(jié)物含量低,膠結(jié)差,顆粒細(xì),具細(xì)粒碎屑結(jié)構(gòu),成巖性極差,趨近飽和狀態(tài),密度小,孔隙率大,結(jié)構(gòu)疏松,具低壓縮性。弱透水,浸水3.0～6.0 h完全崩解成粉末狀,遇水極易軟化,浸水極易崩解,失水易干縮龜裂,具典型泥質(zhì)膠結(jié)特征,干濕效應(yīng)極為明顯,水理性極差,松弛變形極為強(qiáng)烈。巖性極其軟弱,強(qiáng)度極低,極易變形,具各向異性,變異性大,塑性變形強(qiáng)烈,具典型極軟巖塑性變形剪切破壞力學(xué)特征。受TBM掘進(jìn)停機(jī)前為卡機(jī)脫困而強(qiáng)推的影響,巖體遭受強(qiáng)烈擾動(dòng)。巖體中賦存地下水具多層狀,最大涌水量60.0 L/（m·min),最大承壓水頭74.0 m。總體評(píng)價(jià),含水疏松粉（細(xì))砂巖工程地質(zhì)性質(zhì)極為惡劣,安全風(fēng)險(xiǎn)極高。巖體凝聚力凍結(jié)遠(yuǎn)大于解凍與原狀,凍結(jié)對(duì)抗剪強(qiáng)度影響明顯,可顯著改善力學(xué)性質(zhì),抗剪強(qiáng)度及穩(wěn)定性大幅提升,且溫控明顯,溫度越低提升越大,反之越小。

4 施工技術(shù)方案

根據(jù)豎井及隧洞施工技術(shù)特性,“復(fù)合凍結(jié)法”施工分為豎井井身及其與隧洞洞身交叉口段地面垂直凍結(jié),以及隧洞段洞內(nèi)水平凍結(jié)等三部分區(qū)域,采用氟利昂制冷劑低溫鹽水冷媒劑循環(huán)制冷。為加快進(jìn)度,交叉口段垂直凍結(jié)采取群孔方式同時(shí)先行,外圍形成凍結(jié)壁保護(hù)進(jìn)行井身開挖襯砌,形成隧洞施工工作面。井底交叉口段隧洞下游在凍結(jié)壁保護(hù)下掘進(jìn)長(zhǎng)11.5 m、洞徑Ф7.1～7.6 m逐漸擴(kuò)大的圓臺(tái)形洞室,為消除掘進(jìn)時(shí)凍結(jié)壁融化對(duì)一次支護(hù)體系影響,全斷面現(xiàn)澆厚300.0 mm混凝土臨時(shí)襯砌,凈洞徑Ф6.5～7.0 m,形成洞內(nèi)水平凍結(jié)工作面,端部設(shè)置厚1.0 m混凝土擋墻堵水及抵抗地壓,墻面及后方敷設(shè)保溫層,為深埋水平凍結(jié)及其造孔提供條件。之后,在混凝土封堵墻上施作水平凍結(jié)發(fā)散孔,對(duì)隧洞實(shí)施凍結(jié),周邊形成凍結(jié)壁保護(hù)進(jìn)行洞身掘進(jìn)及支護(hù)襯砌?！皬?fù)合凍結(jié)法”施工分區(qū)及凍結(jié)孔布置如圖4、圖5所示。

圖4 施工分區(qū)及凍結(jié)孔布置（單位：mm)

圖5 水平凍結(jié)布孔（單位：mm)

5 凍結(jié)設(shè)計(jì)研究

5.1 垂直凍深

垂直凍結(jié)區(qū)全深地層相對(duì)均一,豎井井底以下仍為深厚含水疏松粉（細(xì))砂巖層,無隔水層,為確保安全,井底以下增加凍深30.0 m封底并延長(zhǎng)地下水滲徑,設(shè)計(jì)凍結(jié)總深278.4 m。交叉口段隧洞掘進(jìn)時(shí)需割除垂直凍結(jié)管,為保證安全,洞底以下增加凍深5.0 m封底,設(shè)計(jì)凍結(jié)平均總深249.5 m,凍結(jié)總深即為凍結(jié)管長(zhǎng)。

5.2 凍結(jié)壁厚

豎井開挖直徑與隧洞掘進(jìn)洞徑以及控制層深度接近,考慮豎直與水平洞室外壓及承載的差異性,隧洞凍結(jié)壁厚設(shè)計(jì)與豎井相同。井身凍結(jié)壁厚以單循環(huán)開挖深度及直徑為控制截面進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變研究分析,凍結(jié)壁設(shè)計(jì)均溫為-10.0℃［1-9］,凍結(jié)深度大于200.0 m,按深埋地層為無限長(zhǎng)彈塑性體,采用多姆克公式按第三強(qiáng)度理論（最大剪應(yīng)力理論)［10］計(jì)算井身凍結(jié)壁厚,徑向外壓按水土懸浮重液計(jì)算［10］。

式中：E為凍結(jié)壁有效厚度,m；rw為井身最大開挖半徑,為3.6 m；γh為水土混合重液容重,取13.0 kN/m3；H′為控制層埋深,取凍結(jié)總深的80.0%,為222.7 m；P為凍結(jié)壁徑向外壓,為2.9 MPa；σ′t為凍結(jié)巖體單軸長(zhǎng)時(shí)抗壓強(qiáng)度,為5.6 MPa。

經(jīng)計(jì)算,有效凍結(jié)壁厚為2.8 m,豎井與隧洞全斷面設(shè)計(jì)壁厚均采用3.0 m。

5.3 凍結(jié)壁均溫及強(qiáng)度校核

采用單圈孔“中國成冰公式”［4,10］校核井身凍結(jié)壁均溫及強(qiáng)度：

式中：Tc為凍結(jié)壁均溫,℃；Tb為循環(huán)鹽水溫度,取-28.0℃；L為凍結(jié)孔間距,為1.28 m；Tn為井壁表溫,取-5.0℃。

經(jīng)計(jì)算,凍結(jié)壁均溫-10.2℃、設(shè)計(jì)均溫-10.0℃,均達(dá)到要求,相應(yīng)凍結(jié)壁強(qiáng)度滿足不小于5.0 MPa的設(shè)計(jì)要求。

5.4 豎井單循環(huán)開挖深度

采用維亞若夫—扎列茨基有限段高公式［4-9］計(jì)算滿足安全要求的豎井單循環(huán)開挖深度：

式中：h為單循環(huán)開挖深度,m；η為凍結(jié)狀態(tài)系數(shù),取1.5。

經(jīng)計(jì)算,單循環(huán)開挖深度為3.9 m,參考類似地層凍結(jié)井工程實(shí)踐,設(shè)計(jì)取3.6 m。

5.5 豎井凍結(jié)圈徑及孔數(shù)

按井身形成有效凍結(jié)壁厚及凍結(jié)孔允許偏斜率計(jì)算單圈凍結(jié)孔圈徑：

式中：D為凍結(jié)孔圈徑,m；D1為井身最大開挖直徑,為Ф7.2 m；n為凍結(jié)孔圈內(nèi)側(cè)凍結(jié)壁厚占總厚百分比,凍深接近300.0 m,取55.0%；Qf為凍結(jié)孔允許偏斜率,按松散地層取0.3%；H1為凍結(jié)孔深,為278.4 m。

經(jīng)計(jì)算,凍結(jié)孔圈徑為12.2 m,參考類似地層凍結(jié)井工程實(shí)踐,并考慮凍結(jié)壁形成速率及開挖襯砌進(jìn)度,以井身襯砌結(jié)構(gòu)與凍結(jié)孔圈之間最小凍結(jié)壁厚占總厚的55.0%,即1.7 m控制以策安全,設(shè)計(jì)凍結(jié)孔圈徑為10.6 m?？讛?shù)由N＝πD／L計(jì)算確定,為26個(gè)。凍結(jié)孔圈外上游增設(shè)4個(gè)加強(qiáng)孔,總計(jì)孔數(shù)30個(gè),造孔總深及凍結(jié)管總長(zhǎng)8 352.0 m。

5.6 交叉口段垂直凍結(jié)布孔

交叉口段根據(jù)掘進(jìn)洞徑及凍結(jié)壁厚,在地面沿軸線縱橫向布設(shè)5排垂直凍結(jié)孔,跨越水平凍結(jié)區(qū)2.5 m保證安全,橫向排距為2.4～2.6 m、縱向排距為2.5 m,上游距豎井凍結(jié)孔圈1.3 m,外排各增設(shè)1個(gè)加強(qiáng)孔,凍結(jié)管向外發(fā)展凍結(jié)區(qū)半徑為1.2 m,凍結(jié)壁有效厚度可達(dá)3.0 m,總計(jì)孔數(shù)27個(gè),造孔總深及凍結(jié)管總長(zhǎng)6 736.5 m。

5.7 水平凍結(jié)布孔

隧洞深埋水平凍結(jié)區(qū)按一次單循環(huán)設(shè)計(jì),凍結(jié)孔按發(fā)散方式及不進(jìn)入掘進(jìn)洞徑布設(shè),以保證前方凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。內(nèi)圈主凍結(jié)孔按凍結(jié)區(qū)前方末端距洞身掘進(jìn)線3.0 m布設(shè),并延伸進(jìn)入下游垂直凍結(jié)施工洞段水平投影長(zhǎng)2.0 m以保證安全,發(fā)散角6.633°,深29.0 m；外圈輔助加強(qiáng)凍結(jié)孔按凍結(jié)區(qū)起始端距洞身掘進(jìn)線1.0 m及遠(yuǎn)端2.0 m布設(shè),發(fā)散角7.163°,深15.2 m。內(nèi)外圈縱向起始開孔間距4.06 m,內(nèi)圈孔數(shù)20個(gè),環(huán)向開孔間距0.98 m,終孔間距2.03 m；外圈孔數(shù)17個(gè),環(huán)向開孔間距1.23 m,終孔間距1.93 m；造孔總深及凍結(jié)管總長(zhǎng)838.1 m。

5.8 凍結(jié)輔助孔

測(cè)溫孔按盡可能反映豎井整體凍結(jié)溫度場(chǎng)狀況布置4孔,必要時(shí)可作為補(bǔ)孔,孔深與井深相同,均為248.4 m,其中近井壁內(nèi)外側(cè)各1孔,凍結(jié)孔圈外2孔。井身中部布置水文孔（兼作卸壓孔)2孔,孔深為235.0 m（深孔)與180.0 m（淺孔)。隧洞垂直凍結(jié)區(qū)不設(shè)輔助孔,水平凍結(jié)區(qū)洞頂與洞底中部于內(nèi)外圈凍結(jié)孔間各布設(shè)1個(gè)深27.0 m測(cè)溫孔,中部布設(shè)1個(gè)深25.0 m水文孔（兼作卸壓孔)。卸壓孔內(nèi)埋設(shè)花管以釋放凍脹水,并防止串水。

5.9 凍結(jié)管管材

凍結(jié)管全部采用鹽水正循環(huán),根據(jù)循環(huán)量及管壓選材,凍結(jié)管采用輸送流體用無縫鋼管,內(nèi)管箍連接,垂直管 Ф133×6.0 mm,水平管 Ф89×8.0 mm,Ф75×5.0 mm與Ф55×4.0 mm聚乙稀管供液,測(cè)溫孔及水文孔分別采用Ф108×5.0 mm與Ф133×5.0 mm無縫鋼管。

5.1 0 凍結(jié)溫度場(chǎng)

大量的凍結(jié)壁工程實(shí)踐及試驗(yàn)研究表明［1-9］,凍結(jié)管對(duì)周圍影響范圍一般為兩側(cè)凍結(jié)壁厚的3.0～5.0倍,最大為8.0倍。凍結(jié)初始,低溫鹽水與巖體熱交換劇烈,巖體迅速降溫,凍結(jié)管周邊逐步形成凍結(jié)巖柱。相應(yīng)凍結(jié)壁初始發(fā)展很快,速率隨時(shí)間延續(xù)逐漸降低,相鄰凍結(jié)圓柱35～40 d開始相互連接交圈,形成凍結(jié)壁,隨時(shí)間延續(xù)不斷向外擴(kuò)展增厚、增強(qiáng),薄弱交界面50～60 d開始交圈,水平凍結(jié)管交圈時(shí)間提前于垂直凍結(jié)管。當(dāng)冷量與巖層外圍熱量均衡時(shí)形成穩(wěn)定溫度場(chǎng),148 d時(shí)凍結(jié)速率開始直線下降至5.3 mm/d,達(dá)極限凍結(jié)壁厚,循環(huán)鹽水溫度穩(wěn)定,極限壁厚越大相應(yīng)穩(wěn)定溫度場(chǎng)溫度梯度越小,反之越大。凍結(jié)壁均溫由巖體結(jié)冰溫度起始,隨鹽水溫度降低而逐漸降低,凍結(jié)管之間溫差逐步減小,整體穩(wěn)定于-10.0℃,控制因素主要為鹽水溫度,其次為凍結(jié)管外徑與間距、地層導(dǎo)熱系數(shù)等,鹽水溫度越低均溫越低,反之越高。

經(jīng)試驗(yàn)研究,鹽水降溫曲線如圖6所示,設(shè)計(jì)積極凍結(jié)時(shí)間40～50 d,凍結(jié)管單管流量不小于5.0 m3/h,散熱量不小于100.0 kcal/（h·m),鹽水溫度7 d降至-18.0℃以下,15 d降至-24.0℃以下,去回路溫差不大于2.0℃,掘進(jìn)時(shí)降至-28.0℃,凍結(jié)壁均溫-10℃。通過測(cè)溫確認(rèn)凍結(jié)壁交圈且達(dá)設(shè)計(jì)厚度與強(qiáng)度,以及內(nèi)部巖體基本無壓后再行掘進(jìn)。

圖6 鹽水降溫曲線

6 施工技術(shù)研究

6.1 制冷系統(tǒng)

“復(fù)合凍結(jié)法”施工布設(shè)1個(gè)地面凍結(jié)站,垂直凍結(jié)系統(tǒng)分區(qū)時(shí)間不同,積極與維護(hù)凍結(jié)的鹽水溫度不同,設(shè)置豎井及隧洞兩個(gè)制冷系統(tǒng),相應(yīng)構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立鹽水循環(huán)系統(tǒng),低溫鹽水經(jīng)干管輸至凍結(jié)區(qū)進(jìn)入供液管,通過回液干管輸回鹽水箱反復(fù)循環(huán)。為避免施工干擾,降低鹽水壓力及施工風(fēng)險(xiǎn),在交叉口段洞內(nèi)布置鹽水箱及循環(huán)泵,利用6根已割除豎直凍結(jié)管作為供液及回液管,與凍結(jié)站、鹽水箱、泵、凍結(jié)管及巖體之間形成高低壓兩套鹽水換熱循環(huán)系統(tǒng),以確保深埋水平凍結(jié)鹽水循環(huán)管路承壓安全。

積極凍結(jié)工藝流程為：冷凍機(jī)組制備冷凍液→鹽水箱→冷凍液泵入進(jìn)液干管→分流至各凍結(jié)管→回液至回液干管→冷凍機(jī)組循環(huán),全程冷卻塔及清水降溫。積極凍結(jié)高峰需冷量計(jì)算公式［4-5,10］為

式中：Q為高峰需冷量,kcal/h；m為冷量損失系數(shù),三區(qū)復(fù)合凍結(jié),凍結(jié)管長(zhǎng)度大,運(yùn)行時(shí)段長(zhǎng),取1.5；d為凍結(jié)管外徑,m；H為凍結(jié)管長(zhǎng)度,m；K為凍結(jié)管散熱系數(shù),取 250.0 kcal/（h·m2)。

豎井運(yùn)行時(shí)段長(zhǎng),根據(jù)類似工程實(shí)踐［4-9］,維護(hù)凍結(jié)需冷量取高峰量的60.0%,需冷量計(jì)算成果見表3?？傂枥淞扛叻鍨?44.0萬kcal/h、維護(hù)凍結(jié)為191.6萬kcal/h,注重利用冬季天然冷量,提高效率。凍結(jié)站按鹽水-28℃、蒸發(fā)-32℃、冷卻水12℃、進(jìn)水18℃及冷凝28℃等溫度工況設(shè)計(jì)。為加快凍結(jié)進(jìn)度,制冷能力按高峰總需冷量配置低溫鹽水冷凍機(jī)組8臺(tái),其中2臺(tái)備用,首次充氟量7.2 t,總用氟量10.2 t。

表3 需冷量及鹽水循環(huán)量計(jì)算成果

6.2 鹽水及清水系統(tǒng)

凍結(jié)鹽水循環(huán)量計(jì)算公式［4-5,10］為

式中：W為鹽水總循環(huán)量,m3/h；Q1為需冷量,kcal/h；Δt為去回路鹽水溫差,垂直凍深接近或大于250.0 m,取4.0℃；γ為鹽水密度,取15.0℃時(shí)的1 260.0 kg/m3；c為鹽水比熱容,取-28℃時(shí)的0.656 kcal/（kg·℃)。

鹽水循環(huán)量計(jì)算成果見表3,總循環(huán)量高峰為738.0 m3/h、維護(hù)凍結(jié)為579.5 m3/h,冷媒劑 CaCl2溶液總用量210.0 t。鹽水干管采用螺旋焊接鋼管,垂直管Ф273×6.0 mm、水平管Ф165×5.5 mm,管內(nèi)設(shè)計(jì)流速2.0 m/s。冷卻塔冷卻水用量1 000.0～1 200.0 m3/h,新鮮水消耗量250.0 m3/h。

6.3 監(jiān) 測(cè)

監(jiān)測(cè)是判斷凍結(jié)壁是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的唯一依據(jù),能夠及時(shí)反饋凍結(jié)狀態(tài),調(diào)整凍結(jié)參數(shù),實(shí)現(xiàn)施工信息化,主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括造孔、制冷系統(tǒng)、凍結(jié)壁內(nèi)凍脹力與溫度場(chǎng)、洞壁與井壁溫度以及結(jié)構(gòu)與巖體變形等。通過測(cè)溫孔對(duì)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析,掌握凍結(jié)壁擴(kuò)展速率、溫度梯度變化規(guī)律、凍結(jié)壁形成厚度及均溫,通過水文孔（卸壓孔)壓力監(jiān)測(cè),確保凍結(jié)壁交圈,并釋放凍脹水壓。凍結(jié)壁形成后卸壓孔壓力應(yīng)大于地壓0.1 MPa以上,壓力隨凍結(jié)壁擴(kuò)展逐步增大,直至交圈時(shí)趨于穩(wěn)定,打開卸壓孔,則將有泥水涌出。

6.4 造 孔

凍結(jié)造孔工序?yàn)椋憾ㄎ弧_孔→孔口管及裝置安裝→鉆進(jìn)→測(cè)斜糾偏→封閉孔底→下管→試壓,設(shè)計(jì)孔徑Ф170 mm或Ф190 mm,垂直凍結(jié)孔采用膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁造孔工藝成孔。開孔誤差不大于0.1 m,偏斜要求為垂直孔靶域半徑0.4 m,水平孔內(nèi)偏（成孔與設(shè)計(jì)軸線偏差)不大于0.3 m。造孔鉆具配置為108.0 mm×108.0 mm主動(dòng)鉆桿→Ф89.0 mm鉆桿→Ф133.0 mm（或Ф140.0 mm)加重鉆鋌→Ф170.0 m（或Ф190.0 mm)鉆頭,糾偏鉆具配置為108.0 mm×108.0 mm主動(dòng)鉆桿→Ф89.0 mm鉆桿→穩(wěn)定器→彎接頭→螺桿鉆→Ф170.0 mm（Ф190.0 mm)牙輪鉆頭。下管前沖孔清除孔底巖粉,且孔內(nèi)泥漿黏度不大于20 Pa·s；成孔后壓水試驗(yàn)孔內(nèi)保持壓力1.5 MPa,30 min無變化即為合格；凍結(jié)管耐壓試驗(yàn)壓力4.0 MPa,45 min無變化即為合格。

開孔中發(fā)生涌水及涌砂時(shí),采用如圖7所示的孔口密封裝置［5-6］,同時(shí)采取兩次開孔措施,首先使用取芯鉆鉆進(jìn)一定深度,待安裝孔口管后再行鉆進(jìn)施工。鉆進(jìn)中控制水土流失,發(fā)生涌水及涌砂時(shí)使用凍結(jié)管作為鉆桿,成孔后不抽出。盡量干鉆,鉆進(jìn)困難時(shí)再加水,水土流失量過多時(shí)注漿處理,全程確?？卓诿芊?。涌砂不返水時(shí)先行預(yù)注漿填充,采用螺紋鉆桿鉆進(jìn)。凍結(jié)孔成孔精度直接影響凍結(jié)效果,若偏差過大,則造成后續(xù)凍結(jié)產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié),造孔前須準(zhǔn)確復(fù)核開孔位置,成孔全程復(fù)測(cè)鉆進(jìn)角度,及時(shí)修正偏差,成孔后測(cè)定偏斜度,偏斜度超要求量時(shí)補(bǔ)孔。

圖7 孔口密封結(jié)構(gòu)

6.5 凍 結(jié)

積極凍結(jié)期在凍結(jié)區(qū)附近200.0 m范圍內(nèi)不得降水,地層中不得有集中水流。凍結(jié)需連續(xù)不間歇,否則將造成凍結(jié)壁發(fā)展間斷或解凍,強(qiáng)度與質(zhì)量下降,結(jié)構(gòu)及巖體產(chǎn)生變形。風(fēng)險(xiǎn)控制措施主要包括冷凍機(jī)、清水與鹽水泵等關(guān)鍵設(shè)備“一用一備”,雙路與備用發(fā)電機(jī)供電,發(fā)生故障及時(shí)啟用備用設(shè)備與供電線路恢復(fù)凍結(jié)。若停止凍結(jié)24 h以上,則積極凍結(jié)期要延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間來提高凍結(jié)壁強(qiáng)度,開挖掘進(jìn)襯砌階段停工,凍結(jié)壁表面及時(shí)全面保溫。凍結(jié)壁全斷面應(yīng)均勻,凍結(jié)全程加強(qiáng)監(jiān)測(cè),保證鹽水循環(huán)均勻,避免形成薄弱部位,薄弱處應(yīng)補(bǔ)孔加強(qiáng)凍結(jié)并布設(shè)測(cè)溫孔與探孔,評(píng)估凍結(jié)狀況。

凍結(jié)初始階段保證地層降溫均勻,避免急降導(dǎo)致凍結(jié)管產(chǎn)生過大溫度應(yīng)力。凍結(jié)全程加強(qiáng)監(jiān)測(cè),若有凍結(jié)管斷裂或滲漏,則應(yīng)立刻停止鹽水循環(huán),以防進(jìn)入凍結(jié)區(qū),造成凍結(jié)壁融化或巖體難以結(jié)冰,及時(shí)采取下套管等措施處理,盡快恢復(fù)凍結(jié)。同時(shí),確保鹽水箱內(nèi)水位穩(wěn)定,成孔后壓水試驗(yàn)壓力不小于工作壓力的兩倍,保證凍結(jié)管安設(shè)質(zhì)量。凍結(jié)區(qū)域周邊產(chǎn)生變形時(shí),采取間歇凍結(jié)、開啟泄壓孔降壓及注漿加固等控制凍脹措施,有效控制并消除凍結(jié)對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的影響。

6.6 開挖掘進(jìn)

通過探孔評(píng)估驗(yàn)證積極凍結(jié)效果,凍結(jié)壁滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)方可開挖掘進(jìn)。開挖掘進(jìn)中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)分析,持續(xù)凍結(jié)并保證循環(huán)鹽水溫度不升高、凍結(jié)壁強(qiáng)度不降低,確保支護(hù)體系緊跟開挖掘進(jìn)掌子面,保證施工質(zhì)量,必要時(shí)縮減單循環(huán)進(jìn)尺,及時(shí)調(diào)整支護(hù)體系參數(shù)與措施控制變形。有水滲漏時(shí)停工,及時(shí)采用快干水泥封堵或砂袋堆填等措施處理,嚴(yán)格控制隧洞及豎井開挖掘進(jìn)軸線與邊線控制,避免偏差,防止超挖造成凍結(jié)壁厚減小,若產(chǎn)生超挖,則停工采取保溫及加強(qiáng)凍結(jié)措施。

7 結(jié) 論

（1)引洮供水一期工程總干渠7號(hào)隧洞中部,長(zhǎng)48.0 m洞段穿越新近系含水疏松粉（細(xì))砂極軟巖地層,埋深244.0 m,存在強(qiáng)烈及大規(guī)模突泥、涌砂及破壞性大變形等特殊工程地質(zhì)問題,工程地質(zhì)性質(zhì)極為惡劣,施工存在很大安全風(fēng)險(xiǎn)。采用一次全深凍結(jié)豎井工作面,單循環(huán)“地面垂直+洞內(nèi)水平復(fù)合凍結(jié)法”掘進(jìn)技術(shù)方案,施工技術(shù)獲得全面成功。結(jié)合工程實(shí)踐,對(duì)“復(fù)合凍結(jié)法”設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行了全面研究,取得含水疏松粉（細(xì))砂巖工程地質(zhì)特性,以及凍結(jié)設(shè)計(jì)、溫度場(chǎng)發(fā)展、制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新成果。

（2)“凍結(jié)法”施工技術(shù)最大限度降低了極軟巖地層突泥、涌砂及破壞性大變形等對(duì)隧洞掘進(jìn)造成的安全風(fēng)險(xiǎn),全面有效地保證了掘進(jìn)安全,填補(bǔ)了國內(nèi)200.0 m以上深埋、高外水、強(qiáng)擾動(dòng)與極軟巖地層隧洞（隧道與巷道)洞內(nèi)“水平凍結(jié)”工法掘進(jìn)技術(shù)的空白,開創(chuàng)了國內(nèi)水工隧洞“凍結(jié)法”及地下工程深埋“水平凍結(jié)法”施工技術(shù)的先導(dǎo),為國內(nèi)首創(chuàng),居于領(lǐng)先水平,積累了豐富的實(shí)踐技術(shù)成果,標(biāo)志著我國地下工程建設(shè)“凍結(jié)法”施工技術(shù)取得重大突破與創(chuàng)新,設(shè)計(jì)與施工技術(shù)全面躍上新臺(tái)階。

（3)“凍結(jié)法”施工存在工期長(zhǎng)和成本費(fèi)用高等問題,需通過大量工程實(shí)踐不斷研究總結(jié),進(jìn)一步提高施工效率和技術(shù)水平,降低成本。