时间：2017-12-15 分类：水力
冻结法施工是一种水利施工技术，本文以云南省玉溪市星云湖、抚仙湖出流改道工程为例，研究了冻结法施工技术的具体应用。
《水利信息化》(双月刊)创刊于1983年，由水利部南京水利水文自动化研究所主办。杂志以服务水利行业信息化建设为宗旨，紧紧围绕水利信息化建设的主要任务，权威发布水利信息化建设政策、法规和标准，及时介绍水利信息化建设的经验和成果。
国家级重点工程--云南省玉溪市星云湖、抚仙湖出流改道工程K11+002.265～K11+120.265段因出现了严重的涌水涌砂而导致工程停工。在历经一年多时间、先后采用过注浆法、高压旋喷法、顶管法、降水法等多种工法均无果的情况下，最终选择冻结法施工并获得圆满成功。本文通过总结工程特点难点、冻结技术设计和与立井冻结区别的分析，为今后深埋进水平硐室或斜井的多排垂直孔冻结方案设计提供借鉴。
1 工程概况
1.1 工程概况
星云湖、抚仙湖是云南九大高原湖泊中的两个姊妹湖，地处云南省中部，居滇中湖盆中心，跨澄江、江川、华宁三县，西北距昆明市69 Km。星云湖、抚仙湖出流改道工程是经国务院批准并纳入国家发改委2005年度基本建设项目计划内的国家级重点水利建设工程，采用明渠和暗渠两种施工形式并举施工的一条隧道，全长25.8km，饮水工程段长12.8km，其中引水工程部分位于云南省玉溪市江川县九溪镇境内，是整个工程施工难度最大的部分。该隧洞设计开挖尺寸为高3.6m、宽3.3m、长120m的城门洞形断面，为一穿山隧洞，上覆土层厚50m～60m，隧洞设计底板高程1705.21m～1703.32m。2005年11月九溪段隧道施工至K11+02.265和K11+120.265两处位置时均出现严重的涌水涌砂现象，其中K11+02.265端涌砂量在700m3左右，K11+120.265端涌砂量在4000m3以上，造成该段地表塌陷和沉降，原施工好的隧洞部分垮裂。问题出现后，先后采用了注浆封堵法、高压旋喷法、顶管法、降水法等工法进行施工均未能取得成功，工程被迫停工至2006年底。经建设单位多方考察和研究，最终选择采用针对该工程地质特征最为有效的冻结法进行施工。
1.2 工程地质概况及难点
1.2.1 工程地质概况
工程所在位置的地层主要为上第三系(N)粉砂岩夹粉砂质泥岩、炭质粉砂质泥岩，炭质似成层褐煤，多为互层，单层厚 1～2.0m，呈半成岩状。可掰碎，也可捏成砂粒状。泥岩泡水似土状，干时坚硬。上覆岩体厚50m～60m，岩体完整性系数0.08～0.21，破碎，定为Ⅴ类围岩。岩层孔内注水试验渗透系数k=2.8×10-5cm/s，隧洞水流方向为从东往西，地下水位高程1718.0m～1751.0m。隧洞底高程1703m左右，但随着地形下降和两侧冲沟切割，地下水位随之下降。泥岩、粉砂质泥岩、含炭质泥岩为相对隔水层。
1.2.2 工程难点
⑴地层已严重挠动：冻结区段已完成大量勘探孔、超前固结灌浆孔、高压旋喷和管棚施工段。
⑵鉴于冻结段区域内涌砂量过多、施工场地小、甲方提供的冻结站位置离冻结区域很近，冻结施工过程有地面不均匀沉降的隐患。
⑶水文勘探孔施工时自管口21m以下不返水。
⑷K11+006.5(1#孔)水文勘探孔测量结果是：冻结顶板附近地下水流速高达7m/d，冻结范围内超过5m/d的有3个测点，孔底(弱风化泥岩)相对流速较小;水流方向以50m为界方向改变。2#孔(K11+100m)水流速度很小，方向稳定。这表明K11+02.265m端地下水流速较大、水力联系极为复杂。
2 冻结技术设计
2.2 冻结方式
因为加固区域长度近120米，为有效节约制冷量，采取分期、分段冻结方式，第一期冻结区域为靠两端封堵墙侧30米，第二期冻结区为中部60米。
2.3 冻结制冷设备选型
根据冻结最大需冷量及现场施工工况，冻结站采用双级压缩制冷，低压机选用HJLG25ⅢTA250螺杆压缩机2台、高压机选用HLG20ⅢDA185螺杆压缩机2台。其总工况制冷量可达到11.2×105Kcal/h。
3 冻结施工
3.1 冻结钻孔施工
3.1.1钻#p#副标题#e#孔工程量
本工程设计冻结孔数436个,其中冻结孔413个,测温孔23个,钻孔总长度为25673米。
3.1.2冻结孔施工设备选型
选用扭矩较大的TK系列钻机，同时为保证端头及外排等钻孔的垂直度和钻进速度，另选2台套重型千米冻注钻机。
3.1.3冻结孔与冻结管设置要点
冻结孔施工分4段，每段为30米，共分二期施工，两端30米范围内冻结孔为一期施工，中间60段冻结孔为二期施工;开孔前，要对钻机认真找正;钻机底盘要垫实固定，防止正常钻进时钻机移位或震动，使钻孔产生偏斜;冻结孔开孔孔位误差不得大于100mm;配备烧碱、纤维素等配制泥浆用化学原料;在冻结管设置时，局部冻结部分供液管之间采用外管箍焊接连接;在不稳定地层施工钻孔必要时下套管护壁;冻结孔深度不小于设计深度，不大于设计深度1.0米; 冻结管焊接时，管头采用外管箍进行对接;焊管接箍时，作好原始记录，发生渗漏时便于查清原因和制定处理方法;钻孔偏斜控制在0.7%以内，冻结孔钻进20米时测斜一次，测斜时下专用测斜管，用灯光结合经纬仪，如有超偏及时进行纠偏;终孔应进行复测，并及时绘制钻孔偏斜图;不合设计要求的必须补孔;下冻结管时，进行冻结管长度的复测;冻结器必须进行打压试漏，压力不小于0.8Mpa，经试压30分钟，压力下降不超过0.05Mpa，再延续15分钟压力保持不变者为合格。
3.1.4冻结孔施工情况
2007年5月7日进点，5月14日输电线路及泥浆循环系统形成、钻塔组装完成，造孔人员全部到位，5月15日一号机正式开钻，7月22日冻结造孔结束，历时69天，总计施工钻孔436个，其中A排孔117个，B排孔79个，C排孔78个，D排孔117个，加强孔22个，测温孔23个，完成总工程量25673m。由于冻结孔施工前地层曾受到很大的扰动，造孔期间隧洞两端严重漏浆，孔口不再上返泥浆，混凝土盘出现开裂和塌陷，根据以往的丰富施工经验，及时采取膨润土搅拌泥浆往孔内注入粘度大于28秒的高浓度的优质泥浆，并结合人工搅拌现场泥土往孔里注浆从而保证了施工较原定工期提前完成任务。所有冻结孔经过各项严格的检验，其质量均达到设计和相关规范要求，为后续的冻结顺利交圈开挖奠定了坚实的基础。
3.2 冻结制冷施工
6月21日冻结站安装、打压试漏结束，充氨试运转。6月23日上游端正式开机冻结。因下游受旋喷施工和漏浆影响，下游端于7月23日正式开机冻结，冻土发展效果良好。8月4日通过对测温资料进行综合分析，认为冻结壁强度、厚度已经满足开挖要求，隧洞冻结段K11+02.265端于2008年8月5日进行试挖。在满足安全施工的前提下和掘砌单位密切合作，合理调整盐水温度、流量，保障安全可靠地顺利开挖。10月22日冻结段掘砌结束。标志着星云湖抚仙湖出流改道冻结工程在保质保工期的情况下安全竣工。
4 冻结控制
在两端开挖后冻结段仍有区域处于积极冻结状态，根据实际开挖速度和支护情况，在确保盐水温度达到设计要求的同时，通过减少开挖后段的冻结器盐水流量和加大积极冻结区域冻结器盐水流量的措施，既保证了开挖区域的冻结壁强度和厚度从而确保了安全开挖，同时又加快了积极冻结区域冻土的发展速度，实现整个冻结段隧洞的连续开挖，缩短了建设周期。
一方面工程技术人员每天下到隧洞开挖工作面进行实地的掌子面温度观测，观察掌子面冻土的实际情况，经过测量和计算，冻结壁的平均温度达到-12℃以下，掌子面冻土表面温度在-7.9℃~-17℃之间;另一方面,冷冻站通过对制冷系统的供液量的调节和盐水温度、泵压等参数的调整，确保了维护冻结区域的冻结器盐水温度保持在-28℃以下，积极冻结区域的冻结器盐水温度保持在-30℃以下，完全满足了设计要求。
5 隧道掘砌施工
隧道掘砌施工分两步进行,第一步是步距为0.8m～1.0m进行土体开挖,并及时进行临时支护,掘进轴向深度达8.0m～12.0m时停止掘进;第二步是对已进行临时支护的隧道进行永久支护;如此循环直至该段隧道掘砌施工完成。由于土体采用冻结法加固，冻土强度较高，冻结帷幕承载能力大，因而开挖时采取全断面一次开挖，开挖步距为0.8m～1.0m。采用两次支护，第一次支护(临时支护)采用预应力钢支架加木背板，第二次支护(永久支护)采用现浇钢筋混凝土。
5.1 临时支护
隧道冻土开挖后，及时对冻结帷幕进行临时支护，既是确保施工安全的一项重要技术措施，又是永久支护的一部分，是支护工艺较为关键的一步。
临时支护采用24#槽钢支架、木背板加喷射混凝土进行。木背板与冻土之间铺设一层后30mmPEF保温板。支架间距为0.8m～1.0m，为增加支架的稳定性，相邻两排支架间用钢管支撑焊接连接成整体。所有支架间冻土体全用木板背实背紧，背板与冻土间的空隙用水泥砂浆充填严实，最后用喷浆机进行架喷支护。
5.2 永久支护
结构永久支护是采用现浇钢筋混凝土。为降低已修建的完好隧道与采用冻结法加固土体进行开挖构筑施工的隧道之间产生差异沉降，两者之间设置变形缝。永久支护采用每8.0m～12.0m一次支护现浇钢筋混凝土。
5.3 开挖质量要求
⑴隧道净宽：两帮开挖尺寸不得大于设计尺寸100㎜;
⑵隧道净高：上下开挖尺寸不得大于设计尺寸100mm
6 结论
出流改道工程的关键是解决地下流水流砂的问题，实践证明冻结法是解决此类问题的最有效工法，在确保工程施工安全、质量的前提下缩短了整个工程的建设周期。随着水利工程和市政工程施工中问题的不断出现，冻结法施工技术必将在矿井建设之外的施工领域得到广泛的应用。
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