水利工程隧洞突水滲漏洞段采用冷凍技術進行防治的研究與應用

王仁龍 王建峰 王建文

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司 山西太原 030024）

0 引言

水利隧洞工程，會遇到巖性多變、地質復雜、地下富水區域等特殊情況[1]。在隧洞突水滲漏洞段，可能發生較大涌水，有時會伴隨塌方或掉塊，對隧洞工程施工進度產生很大影響，同時伴隨較大安全風險[2]。在確保施工安全，保證工程質量的前提下，如何快速提升施工進度，給工程建設提出了較高的要求。一種方法新穎、理念先進、又簡便實用的技術，即水利工程突水滲漏洞段冷凍技術，應運而生。

采用冷凍技術進行隧洞突水滲漏洞段防治，是對破碎巖體灌輸冷氣，使突水涌出和滲漏的水體與周圍巖體冷凍固結，之后采用水泥水玻璃注漿和混凝土澆筑，實現裂隙充填，改善巖體性能，實現隧洞突水滲漏洞段封堵的目的，為后續工程建設創造便利條件[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，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進行水泥水玻璃注漿加固，充填縫隙，改善破碎巖體性能，增強巖體完整性。3）按照設計要求，對冷凍體進行外形整治，采用鋼板作為內側支撐面，使之與冷凍巖體間形成混凝土澆筑的空間，之后進行混凝土澆筑，形成防滲固結體。4）施工結束后冷凍體體自然解凍，為工程正常施工提供有利條件，從而實現水利工程隧洞突水滲漏洞段的防治，滿足工程建設要求。

2 冷凍系統組成

2.1 冷凍系統

水利工程隧洞突水滲漏洞段采用冷凍技術進行防治，其組合式結構包括冷凍機、支架和調節固定結構等。支架固定在冷凍機底部，主要作用為調節固定結構高度，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，同時固定限位板，限位板上設置支架放置槽。伸縮柱固定在下座板和上座板中間，伸縮柱外側設置四個氣缸。

氣缸下端固定在下座板上表面，內部的活塞桿固定在上座板下表面。下座板下表面設置有多個移動輪，可上下移動。

固定組件安裝在限位板上，包括活動安裝板、緊固螺栓和卡塊?；顒影宸謩e位于限位板兩側，設置有多個卡塊。支架兩側與卡塊之間，設置卡槽?？▔K可穿過限位板伸進卡槽中。

緊固螺栓安裝在兩個活動板端部，位于限位板外側。

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。

冷凍系統結構詳見圖1、圖2、圖3 和圖4。

圖1 結構示意圖

圖2 調節固定機構的左視結構示意圖

圖3 固定組件的俯視內部結構示意圖

圖4 支撐組件的內部結構示意圖

特別說明：結構示意圖，采用1～10 連續編號。調節固定機構的左視結構示意圖，采用1～10 連續和31～33 標號。固定組件的俯視內部結構示意圖，采用1～10 連續和41～43 編號。支撐組件的內部結構示意圖，采用1～10 連續和51～53 編號。

2.2 冷凍機與冷凍管組合

冷凍機與分布在四周的冷凍管連接，冷凍管插入多個預設的孔洞中，通過冷凍機和冷凍管結合，實現周邊水體與巖體的固結。

2.3 注漿

采用隧洞現場突水滲漏情況測試的壓力，按照現場試驗的水灰比，添加一定的外加劑（如水玻璃或速凝劑等），形成混合體，通過預設管道，進行封堵灌漿，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

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

3 應用案例

3.1 工程概況

山西省中部引黃工程隧洞占比達90%以上，隧洞巖性多為寒武系白云巖、白云質灰巖、泥質條帶灰巖，部分洞段巖性為奧陶系下馬家溝組下段泥灰巖、寒武系中統徐莊組下段紫紅色泥巖。在地應力作用下，易產生軟巖變形，存在涌水或突水的可能。施工23 標8#支洞位于中陽縣張家莊干河溝，支洞長1 345.4 m，斜坡段長度為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程

2019年12月19日，施工8#支洞控制主洞下游開挖支護至樁號20+851 附近5 m 區域，巖性為薄層狀灰黑色灰巖，節理裂隙發育，掌子面右側底板5 m 區域出現突水和涌水。

2019年12月20日12：00，隧洞內抽排水作業正常進行，施工8#支洞控制主洞下游5 m 區域突發涌水，洞內積水迅速增加，工作人員立即將部分施工設備（包括裝載機、扒渣機、噴漿機、鉆機等）撤離現場，同時加大抽排水能力。主洞內因突水和涌水致使水位上升速度過快，同時支洞斜坡坡度較大，設備撤離速度緩慢，造成部分設備淹沒。

2019年12月20日14∶16，隧洞突水和涌水導致施工8#支洞水位上升至支洞樁號K1+210 處，現場輸電線路、通風筒等停止工作。

2019年12月20日14∶18，現場工作人員采用直尺、秒表和相關設備，開始測試施工8#支洞，因突水和涌水導致水位變化；經測試：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，又連續進行多次因突水和涌水致使施工8#支洞水位變化的測試。測試結果表明：因突水和涌水，施工8#支洞積水水位上升速度略有變化。

經過現場突水涌水水位變化的測試，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440 m3/h。

3.3 突水滲漏洞段防治

依據隧洞突水滲漏情況，初步測定：水量、水壓和滲水面積等基本參數的初始值；然后采用冷凍技術進行防治。

1）前期準備：冷凍系統準備及設備安裝，抽排水系統優化和調整，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）冷凍系統準備及突水滲漏洞段防治：依據隧洞突水滲漏洞段的具體情況，按照要求進行冷凍系統準備和設備安裝、管道預埋，以及現場測試與調試。經過4 h的具體實施，隧洞樁號20+803～20+808 區域，周圍巖體與突水滲漏洞段水體約1 m 范圍，實現了冷凍，隧洞突水滲漏得到了有效防治。

3）注漿加固：采用冷凍技術進行隧洞突水滲漏洞段防治時，在隧洞突水滲漏的水體與巖體具備一定穩定條件后，立即在巖體外圍約50 cm 范圍內，進行注漿加固，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域時，拆除冷凍、注漿設備，按照設計要求將冷凍體開挖成型，之后安裝支撐鋼板，并在鋼板的適當部位，預留混凝土注入孔。

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

4 效果分析

以上采用冷凍技術進行隧洞突水滲漏洞段防治的實例，該洞段每小時突水滲漏量由440 m3/h 減少到50 m3/h，裂隙進行了充填，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。實踐證明，在水利工程隧洞突水滲漏洞段，采用冷凍技術能夠很好地防治隧洞突水滲漏、破碎巖體、裂隙發育、軟弱夾層等特殊情況，為隧洞工程正常施工創造了便利條件。

通過對水利工程隧洞突水滲漏洞段冷凍技術的綜合防治研究，經過工程實踐的應用，冷凍技術進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。