高壓深埋富水流砂地層凍結法施工技術研究

牛犇

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高壓深埋富水流砂地層凍結法施工技術研究

牛犇

（中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001）

針對某隧道出現的大量高壓涌水、涌砂現象，采用地面垂直凍結法進行隧道施工。用有限元數值模擬分析方法確定了凍結參數，計算得到，開挖段凍結壁最大拉應力出現在凍結壁底部外側，最大值為0.82 MPa；最大壓應力出現在開挖面腰部靠近支護側，最大值為2.73 MPa；最大剪應力出現在開挖面底部兩側位置，最大值為1.03 MPa。結合現場工業施工，發現凍結施工方法在高壓深埋富水流砂地層中能有效地解決涌水、涌砂問題，保證隧道順利施工。

高壓深埋；富水；流砂地層；凍結施工

1 引言

某隧道受F2斷層影響，出現涌水、涌砂，涌渣體推移39 m后抵至襯砌臺車（部分涌砂傾入臺車內部）并擠壓襯砌臺車，門架、立柱等部位變形損壞，在襯砌臺車洞口側施做砂袋擋渣墻后逐步穩定。

據物探資料顯示，該斷層通過隧道洞身里程為DK10+250～DK10+430，紅糜子灣——黑馬泉大斷裂（F2）：走向近南北向，向北延伸至韋州以北，向南與六盤山東側的大斷裂相接，近場區內其長度為49 km。兩邊地層不連續，東盤為下第三系淺紅色、磚紅色砂巖，西盤為下白堊系藍灰色泥巖夾泥灰巖。斷層面傾向西，傾角達80°以上，為一高角度正斷層。由于斷層通過處地表多被第四系地層覆蓋，破碎帶寬約180 m，破碎帶內主要以斷層角礫為主。該斷裂在程兒山隧道與線路約67°通過。

斷層內以第三系富水砂巖和泥巖、頁巖、泥灰巖組成，富水砂巖呈流體狀具有高地壓力（最大壓力2.99 MPa），泥巖、頁巖及泥灰巖應按膨脹巖考慮，遇水易軟化；F2斷層破碎帶核心段寬度為32 m，主要以松軟、破碎的富水含砂體（斷層砂礫）組成，且內部承壓較大，地質條件極為復雜。高壓涌水涌砂是施工過程中的難題。

針對此種地質情況，采取迂回導洞方法施工，但與正洞同一里程遇到相同的地質情況，迂回導洞法掌子面有坍涌危險，欲采用降水和注漿等措施處理，但該種地質情況導致鉆頭損壞、流沙順鉆孔噴涌，降水和加固目的均無法實現，因此采用凍結法施工。凍結法分為水平凍結法和垂直凍結法，水平凍結法需在洞內鉆孔，由于洞內鉆孔難以實現，因此采用地面垂直凍結法施工[1-3]。

凍結法施工的核心是在地層中鉆孔后埋入加鹽水或液氮的鋼管，通過利用人工制冷手段使結構周圍不穩定的含水圍巖凍結成封閉的、具有足夠強度和剛度的凍結壁，然后進行施工作業的一種施工方法。凍結壁能保證地層穩定，同時還能起隔水作用，保證地下工程施工的順利進行[4-6]。凍結法分為垂直凍結和水平凍結，由于水平鉆孔無法鉆進等多種因素影響，程兒山隧道采用地面垂直凍結法施工。

2 凍結參數設計

2.1 凍結壁厚度計算

采用ANSYS有限元分析軟件進行應力場分布情況的有限元數值分析，并根據計算結果進行了強度驗算。

2.2 計算模型和參數

根據隧道尺寸建立三維計算模型，凍土彈性模量為150 MPa，泊松比0.3，密度1 800 kg/m3。凍結壁厚度按頂部8 m、兩側及底部4 m計算，開挖段高2 m。計算模型分為已支護段、開挖段和未支護段三段。

采用Solid92單元劃分四面體網格，共劃分156 437個網格，網格劃分如圖1所示。凍結壁左右兩側施加側壓力，凍結壁底部施加固定約束邊界。

圖1 有限元模型網格劃分圖

2.3 計算結果

開挖段凍結壁的主應力和剪應力分布如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 凍結壁第一主應力σ1分布云圖

圖3 凍結壁第三主應力σ3分布云圖

圖4 開挖段凍結壁剪應力分布云圖

計算得到，在開挖段內，凍結加固體最大拉應力值為0.82 MPa，最大壓應力值為2.73 MPa，最大剪應力為1.03 MPa。強度驗算如表1所示。

表1 計算結果強度驗算

最大拉應力σ1max/MPa最大壓應力σ3 max/MPa最大剪應力τmax/MPa 計算值0.822.731.03 允許值2.06.02.4 安全系數2.42.22.3

根據以上計算和強度驗算結果，凍土帷幕的設計厚度滿足強度要求。

按照平均溫度為﹣15 ℃的凍土，凍結壁頂部厚度8 m，兩側及底部厚度4 m，開挖段高2 m，底部凍土強度指標取單軸抗壓強度6.0 MPa，抗拉強度2.0 MPa，抗剪強度2.4 MPa，進行了ANSYS三維數值分析，分析得出安全系數都在2以上，安全儲備得以保證。

3 地面垂直凍結技術

3.1 凍結孔位布置

根據現場平整的場地確定凍結深度為233.5 m，設計凍結孔5排，分別為5排凍結孔，每排孔排間距2.74 m，兩邊2排分別有28個凍結孔，孔間距1.62 m；中間三排各11個凍結孔，孔間距3.16～3.2 m；封頭孔12個，孔間距1.56 m。凍結孔共計101個，測溫孔6個。凍結管布置如圖5所示。

圖5 凍結管布置圖

3.2 凍結孔施工

第一組鉆孔選擇：在F7～F12凍結孔中選擇2個孔，在C3～C8凍結孔中選擇2個孔，在B組和D組孔中選擇2個孔（盡量靠近F組鉆孔）。

第一組鉆孔施工：第一組鉆孔主要是以灌漿為目的。為實現灌漿目的，第一組鉆孔開孔直徑Φ216 mm，Φ216 mm直徑鉆至孔深200 m下Φ194 mm套管，然后換Φ142 mm鉆頭鉆進，鉆進過程中出現漏漿，下止漿塞進行灌漿。灌漿結束，投孔鉆進，鉆進中出現漏漿，停鉆灌漿。重復以上工序，直至鉆孔達到設計深度（236.5 m）。

單孔灌漿量：第一組鉆孔灌漿量以鉆孔吸漿量為準，灌漿壓力（表壓為0）灌漿開始，觀察隧道擋水墻變化情況，無異常情況。每次灌漿結束標準，以灌漿泵壓力表為準（0.1 MPa）。灌漿過程中觀察擋水墻有異常，立即停止灌漿，下鉆投孔觀察漏漿情況，漏漿時繼續鉆進，不漏漿轉為鉆進。

鉆孔通過灌漿處理后，會出現不漏漿孔壁坍塌情況，在斷層帶鉆進鉆孔坍塌是必然的，對于鉆孔坍塌不漏水采用旋噴方法通過。旋噴長度以方鉆桿長度為準。

3.3 后續孔施工

第一組孔施工結束后，斷層漏失可能得到緩解，大部分鉆孔不漏或微漏。對于微漏鉆孔采用加濃泥漿的辦法解決，結合鉆孔坍塌進行旋噴注漿解決漏失與坍塌。鉆孔進入斷層帶不漏漿，也會出現孔壁坍塌無法鉆進，此時，采用旋噴注漿方法通過。

鉆孔施工中，大部分鉆孔在斷層帶中，都要進行旋噴注漿通過。由于旋噴注漿占用時間較長，為縮短工期，旋噴注漿后立即移孔開新孔。新孔旋噴注漿后，再移到老孔，循環施工減少等待時間。

A1～A6和E1～E6鉆孔施工，施工中可能會出現漏水，漏水會發生在鉆孔結束前9 m孔段。此時鉆孔進尺很快時，可以頂漏鉆進。頂漏鉆進時間不能超過2 h。否則，進行水泥球堵漏處理。

4 凍結效果分析

4.1 測一孔降溫情況

外測1#孔設計深度234 m，測點有9個，位于E3、E4孔中心連線垂直向外1 200 mm位置處，其降溫趨勢如圖6所示。

圖6 測一孔降溫曲線圖

4.2 凍土發展速度

根據測溫孔降溫推算出的凍土發展速度如表2所示。

表2 外測1#孔

層位/m平均降溫/（℃/d）距凍結孔最近距離凍土發展速度/（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

凍結孔按測6發展速度，B、C、D排及F7～12內排孔按內測4發展速度。A21～27與U型區域凍結孔同時投孔按20 mm/d。E5驗證孔投入時間是03-13，發展速度頂板、隧道正中按25 mm/d，底板按30 mm/d。根據測溫孔發展，凍土發展速度取值如表3所示。

表3 凍土發展速度

測1取值測3取值 2131521429 2211522233 2292223035 測5取值內測4取值 2153521435 2203522235 2293523035

根據5個測溫孔計算出的凍土發展速度，按每個孔投孔時間計算出凍土發展半徑，結合凍結管偏斜圖，繪制出04-13，U形區域凍結90 d和05-03，凍結110 d，隧道頂板210 m、隧道正中220 m、隧道底板230 m的凍結壁預想交圈圖如圖7所示。凍結后掌子面情況如圖8所示。經過凍結前后掌子面對比，不難得出凍結法施工效果明顯，克服了涌水、涌砂及個別段落突水、突泥無法施工的難題。

圖7 220 m 110 d交圈圖

5 結論

從測溫孔數據顯示，在隧道頂板位置﹣200～﹣216 m地層溫度較高，降溫緩慢，分析后得出如下原因：①隨著隧道泥沙的涌出，隧道上方地層擾動較大，地層巖性變化很大，或在隧道頂板往上有較大空洞或地層松散；②注漿時下套管都是在﹣200 m以下注漿，大量的水泥漿和水玻璃存留在該部位，水泥的水化熱很大，影響上部溫度，水玻璃屬堿性化學品，冰點較低，影響凍結發展速度，從原始地溫測量可以驗證該結論（﹣200～﹣216 m層位原始地溫為20 ℃，其余層位為15.5 ℃）。

通過3個層位凍結壁預測交圈圖可以看出，04-13，U形區域凍結90 d交圈圖，已全部交圈，但隧道頂板及正中，受幾個補孔位置的孔影響，凍結壁薄弱，隧道底部交圈情況好于頂板及中部。U型區域往后的中間3排孔由于孔間距及排間距較大，交圈程度上還存在間隙。05-03日，U型區域凍結110 d交圈圖，已全部交圈，凍結效果已非常明顯，凍結壁厚度及凍結壁強度經驗算滿足設計要求，U型區域往后的中間3排凍結孔也已全部交圈。

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2095－6835（2019）05－0042－04

U455.49

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.042

牛犇（1968—），男，本科，高級工程師，主要從事隧道及地下工程、橋梁工程方面研究。

〔編輯：嚴麗琴〕