１４ 水利建设与管理・２０１０年第６期 １８０ｍ，沿途布设三口竖井（１３～１５号）作为施工通道，井距 窜 一含地下水隧洞交通竖并 ＩＯＯＯｍ。竖井开挖井径为：土层部分（厚约６１～９０ｍ）开挖井 径４．５ｍ，初衬井径４．１ｍ；岩石部分（厚７０一ｌＯＯｍ）开挖井 冻 一 结一渍施工技术 径４．１ｍ。开挖后采用３００ｍｍ厚Ｃ３０钢筋混凝土二次衬 砌，衬砌成型井径３．５ｍ。 南黄河工程有限公司郑州 ８０４ ２施工中存在的问题 －、 河 ㈡，郑 ≯ 。 ㈦∥ 绢殿。州 顺 鑫 工 程 刘 一河南黄河工程有限公司监 王 国 章 碧 哆 限 止 公 司 厶 ｕ１ ０ ０ ０ 厶 【摘要】神木县供水工程富含地下水隧道交通竖井采用冻 结法施５－５－艺，解决了富含地下水地区的施工难题，为促进该 地区基本建设和经济发展开拓了可行的办法。 【关键词】竖井含水层冻结法施工 １项目概况 神木县供水工程是榆林市重点建设项目，工程主要 解决该城区１５万人生活用水、城区各企业工业用水和县 城周边农业用水问题，为神木县经济社会的发展及小康 社会的建设提供水资源保障。该工程由２１ｋｍ隧洞和 ２２ｋｍ压力管道组成，隧洞部分位于毛乌素沙漠一漏斗形 区域，水平埋深为８Ｏ～１９０ｍ，该工程区域内地质条件复杂 并富含地下水。 由河南黄河工程有限公司施工的该工程第五标段， 位于输水隧洞中部，标段全长３１１５ｍ，隧洞水平埋深１５０～ 雪卞 该标段为整个输水隧洞的中间段，隧洞水平埋深较 深，三个竖井深度分别为１７０ｍ、１８０ｍ、１５０ｍ，在距地面高 。㈠ 程３０～９０ｍ范围的土层和岩石层内，为含水层，地下水极 为丰富。施工面临的首要问题是如何解决地下水对竖井 开挖的影响。为此，在施工中分别采用了井周深井降水 法、注浆法、钢井套沉井法等措施，郑州 ０００ 一 仍无法解决地下水对 竖井施工的影响。 ２．１深井降水 该工程区含水层为粉质砂层，透水性较强。根据这一 特点，在方案选择上优先考虑采用深井降水，即在井周布 设１２眼深井，井深考虑不透水层深度，选用范围为８０～ ９０ｍ，采用１２台６英寸深井水泵排水。但由于水层涌水量 较大，在满负荷运行时仍无法完全排除开挖过程中的涌 水，且一旦出现停电或水泵故障，立即导致淹井，最大淹 井速度达到１．０ｍ／ｍｉｎ，存在极大的安全隐患，不能保证施 工正常进行。 ２．２注浆法 由于深井降水法无法保证施工需要，为保证竖井 施工，采用在井周布设水泥粉体深层搅拌桩工艺，利用 水泥与土拌和成水泥浆，水泥浆固结后形成致密结构， 以封闭井周井壁，达到阻水效果。但在实际操作中效果 并不理想，由于地下水丰富，且水层存在一定的流动 性，成桩后不能完全形成交圈封闭，局部薄弱部分开挖 时渗水现象仍然十分严重，且水压随着开挖深度加大 而增加，井深越深渗水越严重，经反复试桩仍未能达到 预期效果。 ２．３钢井套沉井 在以上两种方法难以满足要求的情况下，试用了钢 制井套沉井法施工，将直径４．１ｍ、壁厚１５ｍｍ的钢管采 用焊接接长，采用沉井法施工工艺，并在已沉井套外侧 注水泥浆与井壁封闭。此工艺可对井壁部分起到完全阻 水作用，施工时可边开挖，边排水，边沉钢套。在试用时， 初始水位尚可保证开挖，当开挖深度进入水层ｌＯｍ以上 时，由于水压过大，井底部涌水严重，排除困难，且井套 刘国章等／富含地下水隧洞交通竖井冻结法施工技术 下沉困难且难以保证垂直度，试验失败。 ３冷冻法施工工艺 由于采用传统深井降水、井周注浆及钢套沉井均无 法保证地下水对竖井施工开挖的影响，为此，采用了冷冻 法施工新技术。 ３．１冷冻法的施工原理 在井周布设竖向立管，采用低温盐水在井周竖管内 快速循环，使管壁地下水急速降温冻结，竖管在含水层内 形成冰柱，随着冰柱直径加大，在井壁形成冻结交圈，最 终在井壁外周沿井深高度形成１．５～２．４ｍ厚的环状冰套， 从而起到阻水作用。 ３．２冻结法施工 采用冻结法施工，首先要根据竖井含水层厚度、含 水层地质构造及最大水压来确定冻结壁厚度，再根据 地温、温度传导系数、冻结壁厚度、冻结深度等确定冻 结所需能量，确定冻结管数量、循环低温盐水温度及所 用机型。 ａ．冻结竖管布置。根据计算，该标段三口竖井含水 层范围内设计冻结环厚度为２．４ｍ，其他部位设计厚度 为１．５ｍ，由此确定冻结圈径分别为含水层部分７．５ｍ、 其他部分不小于７．Ｏｍ，冻结井壁温度为一８～１０℃。为 达到以上冻结要求，按每竖管有效冻结周径２．６ｍ计， 在含水层内需设置竖管ｌ６根，在其他部位需设置竖 管８根。 由于该标段三口竖井深度较深，在冷冻管布置上考 虑冻结交圈时间与开挖进度相匹配，同时，考虑含水层 位于交通竖井上部土层，因此，在井周冻结竖管布置上 采用了短腿和长腿相结合的方式。根据以上计算，短腿 和长腿部分分别设置为８根。在短腿冻结深度内，冻结 管数量为１６根，满足冻结需要，短腿长度设计为穿越 含水层ｌＯｍ，并进入基岩不小于５ｍ，以保证含水层冻 结质量。长腿部分冻结管数量为８根，设计长度为竖井 冻结深度，即竖井井深＋４．Ｏｍ，保证竖井在开挖过程中 冻结壁完整。 ｂ．根据冻结管布置及冻结柱径，循环低温盐水温度 设计为：入水温度一３０℃，回水温度一１６℃，并在施工中根 据测温情况进行调整。 ｃ．机型选择。根据冻结深度、厚度及冻结交圈所需 时间，经计算，三口竖井在冻结期需要的能量分别为 ３０万ｋｃａｌ／ｈ、３４万ｋｃａｌ／ｈ、２７万ｋｃａｌ／ｈ，冻结维持期间 １５ 需要的能量为８万一１０万ｋｃａｌ／ｈ，为合理分配能耗，在 每口竖井分别安装３００ｋＷ和１２０ｋＷ压缩机各一台，均 可满足要求。 ｄ．冻结开始４Ｏ天后，经检测上部短腿部分交圈并 达到冻结厚度，开始实施竖井开挖，在开挖进行至４０ 天后（即冻结８０天后），长腿部分交圈并达到冻结厚 度。长腿部分冻结成型１０天后，开始进入冻结维持阶 段，维持阶段采用１２０ｋＷ压缩机间断工作（该工程采用 开一停一的方式），维持阶段至竖井衬砌通过含水层后 结束全部冻结工序。 ４冻结工艺流程 冻结工艺流程见图１，冻结设施布置见图２，冷冻立 管布置见图３，冷冻断面图见图４。 根据地质资料分析确定冻 结壁厚，确定冻结立管布置 ｌ 计算确定冻结耗能，选择机型 Ｉ 钻孔布设冷冻管，安装制冷设备 Ｉ 设备调试、试运行 ｊ ｌｌ 冻结运行 Ｉ Ｉ 冻结维持至二衬通过含水层 ｌ ｌ『 裁管封管、拆除设备 图１冻结工艺流程 图２冻结设施布置示意图 ５成效分析及结论 ５．１成效分析 由于采用了冻结法施工，使得竖井在开挖前在开挖 １６ 刘国章等／富合地下水隧洞交通竖井冻结法施工技术 冷冻管Ｉ 冷冻管Ⅱ 冷冻管Ⅱ 一一一～～，，、、＼ ０ ／．／ ｏ 竖井开挖线 Ｉ—Ｉ断面 一一一～～， 、 ，／ ＼、 ｏ 。／竖井开挖线 ＼ 。 蟹 ＼ ／ ｏ 、＼、＼／ ＼／ 、，，～～一一一冷冻管Ｉ 至含开挖线下４ｍ Ⅱ一Ⅱ断面 图３冷冻立管布置示意图 冷冻环 Ｉ—Ｉ冷冻断面 冷冻环 ｊ— ＩＩ一１１冷冻断面 图４冷冻断面示意图 范围外形成冰环，有效地解决了含水层涌水问题，可以方 ５．２结论 便地采用挖冻土、冻石的方式实施作业，使施工得到了保 该施工工艺有效地解决了富含水层竖井施工中涌水 证。同时，由于土体及岩体冻结，避免了井壁坍塌和掉块， 干扰，极大地改善了施工作业的安全，在地下工程中有广 使竖井内安全环境得到根本改善。 泛的推广价值。
