王仁龍 王建峰 王建文

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原 030024）

0 引言

水利隧洞工程，會(huì)遇到巖性多變、地質(zhì)復(fù)雜、地下富水區(qū)域等特殊情況[1]。在隧洞突水滲漏洞段，可能發(fā)生較大涌水，有時(shí)會(huì)伴隨塌方或掉塊，對(duì)隧洞工程施工進(jìn)度產(chǎn)生很大影響，同時(shí)伴隨較大安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。在確保施工安全，保證工程質(zhì)量的前提下，如何快速提升施工進(jìn)度，給工程建設(shè)提出了較高的要求。一種方法新穎、理念先進(jìn)、又簡(jiǎn)便實(shí)用的技術(shù)，即水利工程突水滲漏洞段冷凍技術(shù)，應(yīng)運(yùn)而生。

采用冷凍技術(shù)進(jìn)行隧洞突水滲漏洞段防治，是對(duì)破碎巖體灌輸冷氣，使突水涌出和滲漏的水體與周圍巖體冷凍固結(jié)，之后采用水泥水玻璃注漿和混凝土澆筑，實(shí)現(xiàn)裂隙充填，改善巖體性能，實(shí)現(xiàn)隧洞突水滲漏洞段封堵的目的，為后續(xù)工程建設(shè)創(chuàng)造便利條件[1]。

1 工作原理

水利工程隧洞突水滲漏洞段防治的工作原理為：1）以隧洞橫斷面中心為軸線，采用多心圓鉆孔，插入冷凍管；采用冷凍技術(shù)，在巖體、破碎體及水體之間，形成冷凍體。2）在冷凍體外圍一定范圍內(nèi)進(jìn)行水泥水玻璃注漿加固，充填縫隙，改善破碎巖體性能，增強(qiáng)巖體完整性。3）按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)冷凍體進(jìn)行外形整治，采用鋼板作為內(nèi)側(cè)支撐面，使之與冷凍巖體間形成混凝土澆筑的空間，之后進(jìn)行混凝土澆筑，形成防滲固結(jié)體。4）施工結(jié)束后冷凍體體自然解凍，為工程正常施工提供有利條件，從而實(shí)現(xiàn)水利工程隧洞突水滲漏洞段的防治，滿足工程建設(shè)要求。

2 冷凍系統(tǒng)組成

2.1 冷凍系統(tǒng)

水利工程隧洞突水滲漏洞段采用冷凍技術(shù)進(jìn)行防治，其組合式結(jié)構(gòu)包括冷凍機(jī)、支架和調(diào)節(jié)固定結(jié)構(gòu)等。支架固定在冷凍機(jī)底部，主要作用為調(diào)節(jié)固定結(jié)構(gòu)高度，包括升降組件、固定組件和伸縮柱。升降組件包括下座板、上座板和氣缸。下座板和上座板水平放置，上座板位于下座板上方。固定組件頂部與支架連接，同時(shí)固定限位板，限位板上設(shè)置支架放置槽。伸縮柱固定在下座板和上座板中間，伸縮柱外側(cè)設(shè)置四個(gè)氣缸。

氣缸下端固定在下座板上表面，內(nèi)部的活塞桿固定在上座板下表面。下座板下表面設(shè)置有多個(gè)移動(dòng)輪，可上下移動(dòng)。

固定組件安裝在限位板上，包括活動(dòng)安裝板、緊固螺栓和卡塊。活動(dòng)板分別位于限位板兩側(cè)，設(shè)置有多個(gè)卡塊。支架兩側(cè)與卡塊之間，設(shè)置卡槽。卡塊可穿過(guò)限位板伸進(jìn)卡槽中。

緊固螺栓安裝在兩個(gè)活動(dòng)板端部，位于限位板外側(cè)。

下座板上安裝支撐組件，該支撐組件處于伸縮柱和氣缸之間。支撐組件包括手輪、單向螺桿和圓形支撐板。單向螺桿安裝在下座板上；單向板上端固定在手輪上，下端在底部固定。

冷凍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1、圖2、圖3 和圖4。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 調(diào)節(jié)固定機(jī)構(gòu)的左視結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 固定組件的俯視內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 支撐組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

特別說(shuō)明：結(jié)構(gòu)示意圖，采用1～10 連續(xù)編號(hào)。調(diào)節(jié)固定機(jī)構(gòu)的左視結(jié)構(gòu)示意圖，采用1～10 連續(xù)和31～33 標(biāo)號(hào)。固定組件的俯視內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，采用1～10 連續(xù)和41～43 編號(hào)。支撐組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，采用1～10 連續(xù)和51～53 編號(hào)。

2.2 冷凍機(jī)與冷凍管組合

冷凍機(jī)與分布在四周的冷凍管連接，冷凍管插入多個(gè)預(yù)設(shè)的孔洞中，通過(guò)冷凍機(jī)和冷凍管結(jié)合，實(shí)現(xiàn)周邊水體與巖體的固結(jié)。

2.3 注漿

采用隧洞現(xiàn)場(chǎng)突水滲漏情況測(cè)試的壓力，按照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的水灰比，添加一定的外加劑（如水玻璃或速凝劑等），形成混合體，通過(guò)預(yù)設(shè)管道，進(jìn)行封堵灌漿，充填一定范圍的裂隙，阻斷突水及涌水通道。

2.4 混凝土澆筑

待巖體開(kāi)挖成型后，在適當(dāng)位置安裝支撐鋼板。在支撐鋼板與巖體之間澆筑混凝土，形成防滲體加固體。

3 應(yīng)用案例

3.1 工程概況

山西省中部引黃工程隧洞占比達(dá)90%以上，隧洞巖性多為寒武系白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r，部分洞段巖性為奧陶系下馬家溝組下段泥灰?guī)r、寒武系中統(tǒng)徐莊組下段紫紅色泥巖。在地應(yīng)力作用下，易產(chǎn)生軟巖變形，存在涌水或突水的可能。施工23 標(biāo)8#支洞位于中陽(yáng)縣張家莊干河溝，支洞長(zhǎng)1 345.4 m，斜坡段長(zhǎng)度為1 319.6 m，斜坡坡比i=36.992%（傾角為20°），支洞與主洞交叉洞段底部埋深457.8 m。

3.2 隧洞突水滲漏洞段突水和涌水過(guò)程

2019年12月19日，施工8#支洞控制主洞下游開(kāi)挖支護(hù)至樁號(hào)20+851 附近5 m 區(qū)域，巖性為薄層狀灰黑色灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，掌子面右側(cè)底板5 m 區(qū)域出現(xiàn)突水和涌水。

2019年12月20日12：00，隧洞內(nèi)抽排水作業(yè)正常進(jìn)行，施工8#支洞控制主洞下游5 m 區(qū)域突發(fā)涌水，洞內(nèi)積水迅速增加，工作人員立即將部分施工設(shè)備（包括裝載機(jī)、扒渣機(jī)、噴漿機(jī)、鉆機(jī)等）撤離現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)加大抽排水能力。主洞內(nèi)因突水和涌水致使水位上升速度過(guò)快，同時(shí)支洞斜坡坡度較大，設(shè)備撤離速度緩慢，造成部分設(shè)備淹沒(méi)。

2019年12月20日14∶16，隧洞突水和涌水導(dǎo)致施工8#支洞水位上升至支洞樁號(hào)K1+210 處，現(xiàn)場(chǎng)輸電線路、通風(fēng)筒等停止工作。

2019年12月20日14∶18，現(xiàn)場(chǎng)工作人員采用直尺、秒表和相關(guān)設(shè)備，開(kāi)始測(cè)試施工8#支洞，因突水和涌水導(dǎo)致水位變化；經(jīng)測(cè)試：第一分鐘，水位沿支洞斜坡，逆向上升50 cm；第二分鐘，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，又連續(xù)進(jìn)行多次因突水和涌水致使施工8#支洞水位變化的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：因突水和涌水，施工8#支洞積水水位上升速度略有變化。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)突水涌水水位變化的測(cè)試，施工8#支洞控制主洞下游5 m 洞段的突水滲漏水量為每小時(shí)440 m3/h。

3.3 突水滲漏洞段防治

依據(jù)隧洞突水滲漏情況，初步測(cè)定：水量、水壓和滲水面積等基本參數(shù)的初始值；然后采用冷凍技術(shù)進(jìn)行防治。

1）前期準(zhǔn)備：冷凍系統(tǒng)準(zhǔn)備及設(shè)備安裝，抽排水系統(tǒng)優(yōu)化和調(diào)整，采取必要措施后，使隧洞突水滲漏洞段具備必要的防治條件。

2）冷凍系統(tǒng)準(zhǔn)備及突水滲漏洞段防治：依據(jù)隧洞突水滲漏洞段的具體情況，按照要求進(jìn)行冷凍系統(tǒng)準(zhǔn)備和設(shè)備安裝、管道預(yù)埋，以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與調(diào)試。經(jīng)過(guò)4 h的具體實(shí)施，隧洞樁號(hào)20+803～20+808 區(qū)域，周圍巖體與突水滲漏洞段水體約1 m 范圍，實(shí)現(xiàn)了冷凍，隧洞突水滲漏得到了有效防治。

3）注漿加固：采用冷凍技術(shù)進(jìn)行隧洞突水滲漏洞段防治時(shí)，在隧洞突水滲漏的水體與巖體具備一定穩(wěn)定條件后，立即在巖體外圍約50 cm 范圍內(nèi)，進(jìn)行注漿加固，充填外圍巖體縫隙。注漿壓力0.5～0.8 MPa，比例1∶1∶0.4（水泥∶水∶水玻璃或速凝劑），注漿時(shí)間45 min。

4）支撐鋼板安裝：隧洞突水滲漏洞段巖體及水體冷凍后，在外圍巖體注漿加固形成充填區(qū)域時(shí)，拆除冷凍、注漿設(shè)備，按照設(shè)計(jì)要求將冷凍體開(kāi)挖成型，之后安裝支撐鋼板，并在鋼板的適當(dāng)部位，預(yù)留混凝土注入孔。

5）混凝土澆筑：在支撐鋼板與冷凍體內(nèi)表面之間，采用泵送設(shè)備灌注C25 混凝土，通過(guò)附著式振搗器振搗，形成混凝土防滲體，阻止突水和涌水外滲，預(yù)防巖體變形。

4 效果分析

以上采用冷凍技術(shù)進(jìn)行隧洞突水滲漏洞段防治的實(shí)例，該洞段每小時(shí)突水滲漏量由440 m3/h 減少到50 m3/h，裂隙進(jìn)行了充填，松散體得到了加固，隧洞突水滲漏洞段巖體的整體性得到改善。實(shí)踐證明，在水利工程隧洞突水滲漏洞段，采用冷凍技術(shù)能夠很好地防治隧洞突水滲漏、破碎巖體、裂隙發(fā)育、軟弱夾層等特殊情況，為隧洞工程正常施工創(chuàng)造了便利條件。

通過(guò)對(duì)水利工程隧洞突水滲漏洞段冷凍技術(shù)的綜合防治研究，經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐的應(yīng)用，冷凍技術(shù)進(jìn)行隧洞突水滲漏洞段的防治，綜合效果良好，可在類似工程中推廣使用。