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冷冻方法在水利工程中的应用

1、工程概况

引水隧洞在×年×月施工至隧洞11+003~11+120区段时，由于该段隧道施工地层为粘土、粉土和粉砂层，粘土具有膨胀性及含水粉砂具有流动性，从掌子面顶部涌出大量粘土夹流砂，出现隧洞顶拱连续塌方和已砌隧道侧墙变形，多次采取洞内、地表灌浆处理，但效果不明显，目前隧洞施工停止。该隧道开挖尺寸为高3.6m、宽3.3m、长117m的矩形拱顶断面，为一穿山隧洞，上覆土层厚50m~60m，隧洞设计底板高程1703.485m～1703.32m。

本工程选用垂直冻结法加固土体，然后进行暗挖法施工。

对于平均温度为－10℃的冻土，冻土强度指标取单轴抗压强度3.6MPa，抗弯强度2.1MPa，抗剪强度1.6MPa。冻结帷幕设计厚度2.2米。

×年×月×日，进场进行地下水流速、流向测试，2007年5月15日，冷冻钻孔正式开机，×年×月×日，K11+002.256～K11+032.265冻结工程正式开机冻结。×年×月×日，冷冻钻孔全部结束，K11+089.265～K11+119.265开机冻结。

×年×月×日九溪段上游一期冷冻段达到设计要求,K11+002.256~K11+032.265正式开挖。

2、地下水流速、流向测试

（1）地下水流速、流向孔布置

由于冻结段两端呈出现地表沉陷、开裂及洞内涌水涌砂现象，地下水的流动状态已发生改变，特别是有可能增大地下水的流速，为保证冻结段的合理设计和施工，使工程能满足开挖及工期要求，需要了解冻结段地下水的流速和流向。在冻结段沿洞轴线布置2个测试孔，孔深60m，CSK1和CSK2的桩号分别为K11+006.5和K11+100.5，孔（管）口高程分别为1759.76m和1758.466m，2007年5月2日晚实测孔内水位分别为1738.436m和1739.216m。

（2）流速、流向测试结果

实际对管口下40～60m孔段进行不同深度的流速和流向测试。

垂向测试结果：CSK1孔47m和54m之间存在涌水流，上、下粉砂层之间可能串通。CSK1孔不存在明显的垂向流。

水平测试结果：CSK1孔在1.887～7.552m/d之间，最大值在管口下49m，在

47m、50m和53～55m处渗透流速也大于5m/d。CSK2孔在0.038～0.307m/d之间。

（3）建议

CSK1孔存在明显的垂向流和局部孔段水平流速（＞5m/d）偏大，建议在冻结施工中适当增加CSK1附近冻结孔数量。

3、冻结孔的布置

冷冻段桩号k11+002.265～119.265m，冻结长度117m，冻结孔共布置4排孔，外围冻结孔及两端头与完好隧道胶结部位冻结孔的孔间距均为1.0米，内排孔的孔间距均为1.5米；排距为1.9米。上游封堵墙桩号为K10+999～k11+002，下游封堵墙桩号为k11+118.452～119.952，两端头第一排孔孔位布置在封堵墙中心。所有冻结孔的深度至开挖面底版以下3米，平均深度约60米（具体各冻结孔的深度根据实际测量底板标高为准）。有效冻结深度9.6米，即从开挖面拱顶上3米到开挖面底板以下3米。冷冻总进尺3934.56m，非冷冻段总进尺20313.90m。

冻结孔数414个，测温孔20个，主要布置在终孔间距较大的部位。冻结管选用φ133×5mm无缝钢管，供液管选用φ45×5mm无缝钢管。

4、冻结孔施工

（1）工期分段：冻结孔施工分三段，每段为40米，共分二期施工，两端

40米范围内冻结孔为一期施工，中间40段冻结孔为二期施工。

（2）冻结钻孔施工

钻进设备为扭矩较大的TK系列钻机，泥浆护壁钻进。

由于上游K11+000～016m，下游K11+110～120m地表出现沉陷、开裂及洞内涌水涌砂现象。CSK1附近钻孔施工时出现大量泥浆泄漏和串浆现象，上游47m~54m之间，粉砂层与开挖隧洞串通。下游钻孔施工时通过浆注压力作用于1714~1706.3m扰动粉砂层，至使隧洞中出现泥浆泄漏。建议钻孔施工时注入水泥粘土浆（水泥：粘土=1：4），浆液比重1.35～1.40。直至井注满不下沉为止改用纯膨润土浆液钻进，解决了泥浆泄漏和串浆问题。

（3）需冷量和冷冻机选型需冷量计算：

Q=1.2·π·d·H·K

式中:H—冻结总长度；d—冻结管直径；

K—冻结管散热系数；

将上述参数代入公式得：

一期冻结Q=1.2·π·d·H·K=10×105Kcal/h

二期冻结