冻结法在江底取水隧道修复工程中的应用

冻结法在江底取水隧道修复工程中的应用

关淳

中交天和机械设备制造有限公司江苏常熟215500

摘要：在江底取水隧道修复工程中，若突水涌砂事故在江底取水隧的道施工当中发生，其临时冻结封堵墙就可以由填充冻结法形成；从而可以将隧道内积水排出形成永久封堵墙，以保障隧道后续工程施工安全且顺利的开展。

关键词：冻结法；江底隧道；临时封堵墙；修复

前言

随着社会的发展，江底隧道工程越来越多，其取水隧道修复工程中的冻结法也随之普及。例如，江底隧道在较为复杂的地质情况下，临时封堵墙的填充冻结法施工与水下灌注混凝土施工相比。其冻结法可以有效防止发生突水涌砂事故，给附近建筑物及隧道本体造成的损伤较小，并且积水隧道内无需人员施工，其冻结法的安全性、可控性较高。以下针对常熟发电厂江底取水隧道修复工程中冻结法在的应用进行了分析。

1工程概况

其发电厂有东线和西线2条江底盾构取水隧道，其间净间距16.8ｍ，间距21.6ｍ。中段隧道江约870ｍ，大堤与始发井距12ｍ，如图１所示。隧道西线已施工完成。隧道东线剩最后一环（1048环），在1030环和1031环临近段缝间，因沼气渗漏，隧道涌入水流砂，发生突水涌砂。

图1取水隧道工程平面

据专家分析评估后，发生突水涌砂的原因：蕴含丰富沼气的⑤层土（淤泥质粉质粘土）和承压水⑥层土（粉土）同时导致，是恶劣的地质环境下无法预见和抗拒的地质灾害。

根据地理位置及周边环境的特殊性，在后续施工的东线取水隧道时，经方案比对，决定临时封堵墙由填充冻结法进行施工。

2修复冻结方案

2.1修复冻结施工取决于修复位置，冻土临时封堵墙在破损段与隧道完好段之间形成才更为有效

经过探测资料显示，变形最大的范围在东线隧道1020～1048环。因此，决定在952～964环处进行局部冻结，临时封堵墙先填充后冻结。之后排出隧道中的淤泥积水，（设在950环处）永久封堵墙形成[1]。待完成满足规定强度的永久封堵墙构筑后，冻结停止并拔出导管。以下是冻结法的优点：

（1）在隧道修复施工遵循尽量不扰动地层的原则下，对未破损东线隧道及西线隧道扰动较小；

（2）据可靠性监测冻结效果的方法得出，其冻结效果未受到江面自然环境变化的影响。

（3）为了让江底取水隧道修复施工可以完全在常压条件下进行作业，可以采用冻结帷幕来封闭隧道，其作用是封水并承载，以达到滴水不漏。

2.2冻结方案比选

针对发电厂工程施工现状，截断方案有全断面冻结和隧道内冻结两种。全断面冻结截断方案，顶部冻结孔应当穿越隧道，到达隧道以下２ｍ深处。以确保管片与充填孔的密封，把冻结管放置在已充填后的充填孔隧道内的0.5ｍ处；并在其两侧各增加１个冻结加强孔，深度与管片交接。隧道内冻结截断方案，顶部冻结孔穿越隧道顶板，到达隧道底板；隧道两侧冻结孔到达隧道以下２ｍ深处。隧道内冻结与全断面冻结方案优缺点对比见表１。

经隧道内冻结与全断面冻结方案的综合对比，确定冻结截断方案，可以选择安全系数较高的全断面冻结方案进行作业。

2.3临时冻结封堵墙受力验算

沿着隧道内横断面两侧边缘的临时封堵墙冻结体，其厚度发展为0.5ｍ。沿着取水隧道的纵轴方向厚度为7.0ｍ；在截断隧道时，需挖掉2.4ｍ。在隧道区域内总共布设６排冻结孔，排距1.2ｍ，每一排布设３个孔。布设１排冻结孔在取水隧道的左右两侧外面，孔间距0.9ｍ。

其取水隧道的冻结封堵墙温度，设计为平均－10℃。σｃ＝3.6ＭPa的抗压强度冻土，σｔ＝1.8ＭPa的抗拉强度，τ＝1.6ＭPa的抗剪强度。

部清理完毕后的隧道内冻结封堵墙，作用于冻结封堵器外侧的水土压力，应当对其强度进行计算。

（1）计算水土带来的压力

根据重液公式进行水土压力Ｐ计算：

Ｐ＝0.013Ｈ≈0.36ＭPa

式中，Ｈ为深度，取27.5ｍ。

（2）计算其冻结封堵墙的厚度

根据其计算理论对承受水土压力冻结封堵墙整体板块的厚度：

式中：ｈ为厚度，ｍ；Ｋ为安全系数，取３；β为承载系数，取1.3；Ｄ为开挖直径，4.2ｍ；其他符号取值同上。经计算，其冻结封堵墙厚度h为1.86ｍ，达到规定要求[2]。

（3）对冻结封堵墙进行抗拉验算

公式采用国内建筑结构静力计算理论进行圆形冻结封堵墙的抗拉验算。

最大弯拉应力在圆板中心的计算公式：

式中：μ为冻土泊松比，取0.35；冻结封堵墙计算厚度ｈ，按冻结设计方案，取4.6ｍ；其他符号同上。

经计算，σｍａｘ≈0.09ＭPa，低于规定要求冻土抗拉的强度1.8ＭPa，且具备20的安全系数。

（4）冻结封堵墙抗剪验算

冻着强度按照隧道内圆形冻结封堵墙与管片来验算冻结封堵墙被水土压力推动的可能性。

冻结封堵墙周边最大剪应力为

τｍａｘ＝ＰＤ/４ｈ

式中：Ｐ，Ｄ，ｈ（取4.6ｍ）同上。

3施工工艺

其水上施工平台应当提前架设好，高出最高水位时的２ｍ以上，承载能力达到30ｋＮ／㎡。选用高压电缆来供电，经水上架设的浮道和输煤栈桥引至施工平台。另备用１台400kVA发电机。

保持冻结站安装与钻孔施工的一致性。在钻进管片时避免跑钻，把全部钻至管片上部的冻结孔安置导向套管；用钢筋焊接固定全部导向套管，再钻透管片放置冻结管。

在钻孔结束之后进行封堵器的冻结。在进行冻结时，对每段冻土扩展、盐水温度和盐水流量情况进行检测。必要时，为了满足机组运行的冻结要求可以对冻结系统运行参数进行调整。经分析，达到冻结规定要求后，方可进行排水及验收。排水后，永久封堵墙制成。停止冻结应当满足永久封堵墙达到设计强度要求。江中的冻结管应当在冻结完成后，采用人力局部解冻的方法全部拔除。以下为具体操作法：让冻结管内的热盐水进行往复循环，使其融化周围冻土。当融化了50毫米至100毫米的冻土厚度时，冻结管才可以用拔桩船或者施工平台上的卷扬机进行起拔。其起拔机械与冻结管之间应当设最大拉力装置，以避免冻结管被拔断。

4冻结效果

因施工工期紧张，冻结系统安装与冻结孔施工同时施工。冷冻机的正常运转，从开机到结束只用了117ｄ。在此期间，冻结系统没有出现盐水

漏失。盐水流量、积极冻结时间都满足规定要求。盐水温度以－29℃以下长期维持，来、回路的盐水温差保持在１℃之间，满足规定要求的２℃以下。

总共设５个测温孔。经过在各测温孔的测温资料分析下，最小平均速度为26.5mm／d的冻土发展，最小半径为1.166ｍ的冻土圆柱发展。

以最半径1.166ｍ的小冻土圆柱发展作冻结帷幕交圈图，根据图上测量出隧道内最薄厚度为4.983ｍ的冻结帷幕在规定要求厚度4.6ｍ之上。按照规定要求冻土平均温度为－10℃，其隧道内冻土帷幕平均温度计算值为－10.7℃，满足要求。

根据对冻土帷幕形状和冻结状态的分析，冻结44ｄ时，其已构筑完成并且满足设计规定要求的临时冻结封堵墙，满足排水条件。然后在临时冻结封堵墙的保护下，使其隧道内的淤泥积水可以顺利排完，以此构筑成功永久封堵墙，给取水隧道修复工程进行下一步施工提供了安全、顺利的保障。

结语

由于上述工程江底隧道的修复施工有着很大困难和风险。通过我们对江底土体冻结加固原理的研究，以及经过隧道内冻结和全断面冻结优缺点的比对，优化了冻结加固设计，确定了相对合理的隧道修复冻结方案和技术参数；并经过研究江面上冻结施工工艺和施工条件，解决了给冻结施工造成影响的水流，同时，给同类江底取水隧道修复工程施工积累了经验。

参考文献：

[1]郝明强，史志明.冻结法在江底取水隧道修复工程中的应用[J].建井技术，2014，35（04）：12-16.

[2]刘鹏，阎长虹，孙貴根，奚林根，刘经纬.江底取水隧道修复围岩注浆材料性能试验研究[J].工程勘察，2016，44（04）：11-15+44.