陳曉東

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅蘭州730000）

1 工程概況

甘肅省大型跨流域引調(diào)水引洮供水一期工程總干渠第二長洞7號新寨嶺隧洞全長17.29 km，采用中國首臺直徑5.75 m的單護盾全斷面巖石隧洞（隧道）掘進機為主、鉆爆法及“凍結法”特殊工法為輔施工，主要穿越新近系軟-極軟巖，特別是工程地質(zhì)性狀極為惡劣的含水疏松粉（細）砂特殊極軟巖地層，工程地質(zhì)環(huán)境復雜，屬典型深埋軟巖長隧洞，具廣泛的軟巖大變形機理與破壞特征及控制技術工程代表性。TBM掘進并同步襯砌成洞總長13.89 km，占全長的80.3%，含水疏松粉（細）砂巖地層存在強烈及大規(guī)模突泥、涌砂、破壞性大變形等特殊工程地質(zhì)災害的兩段連續(xù)深埋洞段總長309.3 m，TBM及鉆爆法掘進適應性差，存在很大安全風險，分別采用“地面垂直凍結法”“洞內(nèi)水平凍結法”及“地面垂直+洞內(nèi)水平復合凍結法”3種技術方案掘進。

隧洞中部長182.6 m含水疏松粉（細）砂巖洞段，在地面開挖凍結作業(yè)工作平臺后，洞身埋深為206.6～242.5 m，利用一次全深凍結施工輔助豎井工作面，采用上下游雙向工作面“地面垂直凍結法”掘進。隧洞設計為一次掛網(wǎng)噴混凝土及型鋼拱架與木插板支護，高密度聚乙烯閉孔泡沫板保溫，二次現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌的復合式支護襯砌結構，為圓形斷面，掘進洞徑6.5 m，凈洞徑 5.0 m。 豎井布置于隧洞埋深 206.6 m 洞段軸線上，現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌厚 400.0～800.0 mm，最大開挖直徑7.6 m，凈內(nèi)徑6.0 m，考慮豎井處隧洞洞底以下卸渣轉運坑道深5.8 m，設計凈井深212.4 m。

2 巖土人工凍結技術原理

人工地層制冷技術分為鹽水（CaCl2溶液）冷媒劑循環(huán)間接制冷、液氮（N2）制冷劑氣化直接制冷兩類吸收巖土熱量的方式，隧洞（隧道與巷道）、豎井、斜井及平洞屬地下相對封閉空間，為確保安全，通常采用氟利昂（R22）或氨（NH3）制冷劑間接制冷法?！皟鼋Y法”是在地層中造孔安設凍結管，通過冷媒劑循環(huán)將巖土中熱量導出，地層降溫水結冰，松散軟弱含水巖土凝固形成凍結體，暫時改變巖土性狀，提高強度及穩(wěn)定性，形成臨時性封閉凍結帷幕（凍結壁）隔絕地下水，抵抗巖土地壓荷載的物理措施加固法，在凍結帷幕保護下安全掘進支護?！皟鼋Y法”在礦井及地鐵工程中應用廣泛，在水工隧洞工程中應用相對較少，是解決突泥、涌水、涌砂、流砂、破壞性大變形、大規(guī)模塌方等特殊工程地質(zhì)問題的掘進支護特殊工法，分為設備滿負荷運行加速凍結壁發(fā)展完成的前期積極凍結期，以及設備正常運行降低或停止凍結壁發(fā)展，滿足掘進支護的后期維護凍結期兩個階段。

間接制冷技術由制冷劑、冷媒劑及冷卻水三大熱泵循環(huán)系統(tǒng)構成，地熱經(jīng)凍結管由冷媒劑傳至制冷劑循環(huán)系統(tǒng)，再經(jīng)制冷劑傳入冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，最后由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)排入大氣。隨冷媒劑循環(huán)，地層中的水逐漸結冰，形成以凍結管為中心的凍結圓柱，并不斷外擴與相鄰凍結圓柱連為一體，最終形成具一定厚度及強度的凍結帷幕（凍結壁）。

3 含水疏松粉（細）砂巖工程地質(zhì)特性研究

3.1 總體概況

7號長隧洞最大埋深350.0 m，主要穿越長13.53 km新近系（N2L）內(nèi)陸河湖相紅色碎屑沉積中厚層狀地層，屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類軟-極軟巖，巖性以泥質(zhì)粉（細）砂巖、砂質(zhì)泥巖及疏松粉（細）砂巖為主，單軸飽和抗壓強度多小于5.0 MPa。含水疏松粉（細）砂巖為新近系地層中的特殊極軟巖，間隔帶狀分布9段總長3.14 km，占新近系地層總長的23.2%，占隧洞全長的18.2%，埋深 92.0～292.0 m，洞底以上層厚一般 15.0～70.0 m，局部大于 200.0 m。

3.2 礦物及化學成分

試驗研究表明，巖體礦物成分相對單一，主要為石英顆粒，少量為鈣質(zhì)黏土?；瘜W成分以Si元素為主，占60.4%，是巖體形成的主要內(nèi)因，其他元素總計占39.6%。

3.3 顆粒級配及結構特性

試驗研究表明，巖體黏粒含量7.0%，粉粒含量小于 25.0%，一般粒徑 0.1～ 0.5 mm，主要粒徑 0.075 ～0.250 mm，粗粒含量較大，占 85.0% ～95.0%，分選較好，細粒含量較少，約占10.0%。粒徑含量均值 d＞0.075 mm為 80.35%，d＜0.075 mm 為 19.7%；中值粒徑d50＝ 0.089 ～ 0.181 mm，不均勻系數(shù) Cu（d60／d10） ＝2.760～9.836，曲率系數(shù) Cc（d230／（d60·d10））＝ 0.802 ～3.878，屬細砂或粉砂，顆粒級配曲線如圖1所示。巖體骨架以緊密排列的石英顆粒為主，顆粒間無連接或微弱連接，內(nèi)聚力微小，摩擦力大，受壓體積變化小，孔隙比 0.291～0.437，孔隙面積均值 820.0～6 033.0 μm2，占總面積的6.0%～19.2%。凍結改變巖體微結構，孔隙增大，凍結前和解凍后孔隙面積占比為11.0%與12.4%。

圖1 顆粒級配曲線

3.4 物理特性

試驗研究表明，巖體原狀含水率 7.7%～17.2%，均值 13.9%；飽和吸水率為 13.1% ～ 24.8%，均值為18.1%，趨近飽和狀態(tài)，凍結前后容重均值 1.642 g／cm3，變化微小。原狀滲透系數(shù)小于凍結后滲透系數(shù)，凍融循環(huán)對巖體滲透性改變明顯，滲透性增大，并與孔隙比成正比。巖體主要物理特性均值及其變化對比試驗研究成果見表1。巖體熱物理性質(zhì)為：20℃時導熱系數(shù)為 2.00 W／（m·℃），0 ℃時為 2.30 W／（m·℃），-1.5 ℃時為 2.91 W／（m·℃），-30 ℃時為 3.24 W／（m·℃）；結冰溫度-0.4 ℃；凍結比熱容為 0.36 kcal／（kg·℃），解凍比熱容為 0.49 kcal／（kg·℃）。

表1 巖體主要物理特性試驗研究成果

3.5 力學特性

試驗研究表明，25.0 kPa壓力下，巖體壓縮系數(shù)均值 a1-2凍結狀態(tài)為 0.010 9 MPa-1，解凍狀態(tài)為 0.058 9 MPa-1，兩種狀態(tài)的 a1-2＜0.1，壓縮指數(shù) C′c＜0.2，具低壓縮性，固結壓縮應變e與壓力p關系曲線如圖2所示。原狀巖體單軸飽和抗壓強度為 0.7～1.2 MPa，強度應力比為 0.1～0.4，允許承載力 0.2 MPa，巖體抗剪強度試驗研究成果見表2，有效剪切應力τ與正應力σ關系曲線如圖3所示。含水率為12.2%、溫度為-10℃時，凍結巖體單軸抗壓強度均值為5.6 MPa、彎拉強度均值為 2.1 MPa、抗剪強度均值為 1.6 MPa。 抗壓強度在一定溫度范圍內(nèi)與負溫絕對值成線性關系，隨溫度下降而增大；含水率未達飽和時，抗壓強度隨含水率增加而增大，飽和時隨含水率增加而減?。缓食柡鸵欢ǔ潭葧r，抗壓強度降至與冰相當，并與巖體礦物成分及顆粒級配關聯(lián)，與巖體粒徑成正比。凍結巖體具有流變特性，應力一定時，應變隨時間延續(xù)逐漸增大；應變一定時，應力隨時間延續(xù)逐步減小。

表2 巖體抗剪強度試驗研究成果

圖2 巖體固結壓縮曲線

圖3 巖體τ—σ關系曲線

3.6 凍脹融沉特性

試驗研究表明，巖體平均凍脹率不大于1.0%，凍脹量隨時間延續(xù)逐步趨于穩(wěn)定。凍結速率由起始較大、逐漸減小、再逐步增大循環(huán)，波動幅度為±0.05～0.10 mm／20 min。凍結初期300 min內(nèi)融沉量隨時間增加而快速增大至0.1 mm，之后基本趨于穩(wěn)定，融沉系數(shù)為0.255%，小于1.0%。凍結及融沉等級均為Ⅰ級，屬不凍脹、不融沉及少冰凍土類型，圍巖凍結及凍融循環(huán)對隧洞通水運行無影響。

3.7 總體評價

含水疏松粉（細）砂巖總體級配差，黏粉粒膠結物含量低，膠結差，顆粒細，具細粒碎屑結構，成巖性極差，趨近飽和狀態(tài)，密度小，孔隙率大，結構疏松，具低壓縮性。弱透水，浸水3.0～6.0 h完全崩解成粉末狀，遇水極易軟化，浸水極易崩解，失水易干縮龜裂，具典型泥質(zhì)膠結特征，干濕效應極為明顯，水理性極差，松弛變形極為強烈。巖性極其軟弱，強度極低，極易變形，具各向異性，變異性大，塑性變形強烈，具典型極軟巖塑性變形剪切破壞力學特征。巖體中賦存地下水具多層狀，最大涌水量 60.0 L／（m·min），最大承壓水頭74.0 m。總體評價，含水疏松粉（細）砂巖工程地質(zhì)性質(zhì)極為惡劣，安全風險極高。巖體凝聚力凍結遠大于解凍與原狀，凍結對抗剪強度影響明顯，可顯著改善力學性質(zhì)，抗剪強度及穩(wěn)定性大幅提升，且溫控明顯，溫度越低提升越大，反之越小。

4 施工技術方案

根據(jù)豎井及隧洞施工技術特性，“垂直凍結法”施工分為豎井及隧洞兩部分區(qū)域，隧洞洞段長，凍結量較大，氨制冷劑相比氟利昂價格低，采用氨制冷劑低溫鹽水冷媒劑循環(huán)制冷凍結，以降低成本。豎井凍結采取單圈同深布孔，隧洞縱向布置5排凍結孔，內(nèi)3排穿越洞身加強凍結，確保洞身及其周邊控制地層凍結壁厚與強度。全線地面根據(jù)地形開挖形成三臺階凍結作業(yè)平臺，高差16.5～19.4 m，隧洞垂直凍結孔深度不等。井身先行凍結，外圍形成凍結壁保護開挖襯砌，及早形成隧洞施工工作面。隧洞分為6段凍結施工，靠井身兩側先行，向上下游交替延伸，上下游兩端設置厚1.0 m混凝土擋墻堵水及抵抗地壓，墻面及后方敷設保溫層。施工分區(qū)及凍結孔布置如圖4、圖5所示。

圖4 施工分區(qū)及凍結孔布置（單位：mm）

圖5 豎井凍結布孔（單位：mm）

5 凍結設計研究

5.1 垂直凍深

垂直凍結區(qū)全深地層相對均一，隧洞洞底以下仍為深厚含水疏松粉（細）砂巖層，無隔水層，為確保安全，豎井井底以下增加凍深30.0 m封底并延長地下水滲徑，設計凍結總深242.4 m。隧洞掘進時需割除內(nèi)3排垂直凍結管，為保證安全，洞底以下增加凍深6.0 m封底，設計凍結總深第 1、2、4和 6四段為 212.6 m，第3 段為 212.6～232.0 m，第 5 段為 232.0～248.5 m，凍結總深即為凍結管長。

5.2 凍結壁厚

隧洞及豎井凍結壁設計均溫為-10℃［1-9］，循環(huán)鹽水溫度積極凍結期為-26～-28℃，維護凍結期不高于-22℃，凍結深度大于200.0 m，按深埋地層為無限長彈塑性體，采用多姆克公式按第三強度理論（最大剪應力理論）計算凍結壁厚，地壓按水土懸浮重液計算［10］。

式中：E為凍結壁有效厚度，m；rw為最大開挖掘進半徑，豎井及隧洞分別為 3.8 m 與 3.2 m；γh為水土混合重液容重，取 13.0 kN／m3；H′為控制層埋深，豎井取布設處隧洞埋深206.6 m，隧洞取最大埋深 242.5 m；p為凍結壁地壓，豎井與隧洞分別為2.7 MPa與3.2 MPa；σ′t為凍結巖體單軸長時抗壓強度，為 5.6 MPa。

經(jīng)計算，豎井及隧洞有效凍結壁厚分別為2.6 m與2.9 m，全斷面凍結壁厚設計均采用3.0 m以策安全。參考類似地層及埋深煤礦巷道凍結工程，隧洞封頂及封底凍結壁厚均按6.0 m設計。

5.3 凍結壁均溫及強度校核

采用單圈孔“中國成冰公式”［4，10］校核豎井凍結壁均溫及強度。

式中：Tc為凍結壁均溫，℃；Tb為循環(huán)鹽水溫度，取-28.0 ℃；L 為凍結孔間距，為1.3 m；Tn為井壁表溫，取-5.0 ℃ 。

經(jīng)計算，凍結壁均溫-10.2℃，設計均溫-10.0℃達到要求，相應凍結壁強度滿足不小于5.0 MPa的設計要求。

5.4 豎井單循環(huán)開挖深度

考慮全井身地層均為凍結薄弱部位控制層位，采用維亞若夫-扎列茨基有限段高公式［4-9］計算滿足安全要求的豎井單循環(huán)開挖深度。

式中：h為單循環(huán)開挖深度，m；η為凍結狀態(tài)系數(shù)，取1.5。

經(jīng)計算，單循環(huán)開挖深度4.2 m，參考類似地層凍結井工程，設計取3.6 m以策安全。

5.5 豎井凍結圈徑及孔數(shù)

按豎井形成有效凍結壁厚，分別采用凍結孔允許偏斜率、靶域式造孔半徑和開挖爆破安全距離3個不同要求和相應公式，計算單圈凍結孔圈徑。

式中：D為凍結孔圈徑，m；D1為最大開挖直徑，為7.6 m；n為凍結孔圈內(nèi)側凍結壁厚占總厚百分比，凍深小于 300.0 m，取 60.0%；Qf為凍結孔允許偏斜率，按松散地層取 0.3%；H1為凍結孔深，為 242.4 m；R0為凍結孔相對井心允許偏斜半徑，凍深小于300.0 m，取0.6 m。

經(jīng)計算，凍結孔圈徑分別為 12.7、12.4、11.5 m，參考類似地層凍結井工程，并考慮凍結壁形成速率及開挖襯砌進度，以井身襯砌結構與凍結孔圈之間最小凍結壁厚占總厚小于60.0%控制保證安全，設計凍結孔圈徑為10.8 m?？讛?shù)由N＝πD／L計算確定，為26個。造孔總深及凍結管總長6 292.0 m。

5.6 隧洞凍結布孔

根據(jù)掘進洞徑及凍結壁厚，地面沿軸線縱向布設5排凍結孔，其中洞身3排，橫向2.4 m等距排列，外排距洞身掘進線1.6 m，凍結管向外發(fā)展凍結區(qū)半徑1.5 m，凍結壁有效厚度可達3.0 m，縱向間距內(nèi)3排為3.0 m、外 2 排為 2.30～2.32 m。 總計孔數(shù) 328 個，造孔總深及凍結管總長75 017.3 m。

5.7 凍結輔助孔

測溫孔按最大孔距處、盡量對稱及盡可能反映溫度場整體狀況原則布置。豎井布置2孔，其中外側孔深 242.0 m，內(nèi)側孔深 190.0 m，中部布置水文孔（兼作卸壓孔）2孔，孔深190.0 m；隧洞布置16孔，分別布置于外排凍結孔之外以及各排凍結孔之間，孔深212.6～242.5 m，與隧洞最小凍結總深或最大埋深一致。卸壓孔內(nèi)埋設花管以釋放凍脹水，并防止串水。

5.8 凍結管管材

除供液管采用聚乙烯管之外，其他均采用輸送流體用無縫鋼管，內(nèi)管箍連接。凍結管采用鹽水正循環(huán)，根據(jù)循環(huán)量及管壓選材，豎井規(guī)格Ф140×5.0 mm，隧洞規(guī)格 Ф127×5.0 mm，單供液管規(guī)格 Ф75×6.0 mm 與Ф63×5.0 mm，測溫孔及水文孔管規(guī)格 Ф108×6.0 mm。

5.9 凍結溫度場

大量的凍結壁工程實踐及試驗研究表明［1-9］，凍結管對周圍影響范圍一般為兩側凍結壁厚的3～5倍，最大為8倍。凍結初始，低溫鹽水與巖體熱交換劇烈，巖體迅速降溫，凍結管周邊逐步形成凍結巖柱。相應凍結壁初始發(fā)展很快，速率隨時間延續(xù)逐漸降低，相鄰凍結圓柱35～40 d開始相互連接交圈，形成凍結壁，隨時間延續(xù)不斷向外擴展增厚、增強，薄弱交界面50～60 d開始交圈，水平凍結管交圈時間提前于垂直凍結管。當冷量與巖層外圍熱量均衡時形成穩(wěn)定溫度場，148 d時凍結速率開始直線下降至5.3 mm／d，達極限凍結壁厚，循環(huán)鹽水溫度穩(wěn)定，極限壁厚越大，相應穩(wěn)定溫度場溫度梯度越小，反之越大。凍結壁均溫自巖體結冰溫度起始，隨鹽水溫度降低而逐漸降低，凍結管之間溫差逐步減小，整體穩(wěn)定于-10℃，控制因素主要為鹽水溫度，其次為凍結管外徑與間距、地層導熱系數(shù)等，鹽水溫度越低，均溫越低，反之越高。

經(jīng)試驗研究，鹽水降溫曲線如圖6所示，設計積極凍結時間40～50 d，凍結管單管流量不小于 5.0 m3／h，散熱量不小于 100.0 kcal／（h·m），鹽水溫度 7 d 降至-18.0℃以下，15 d降至-24℃以下，去回路溫差不大于2℃；掘進時降至-28℃；凍結壁均溫-10℃。通過測溫確認凍結壁交圈且達設計厚度與強度，以及內(nèi)部巖體基本無壓后再行掘進。

圖6 鹽水降溫曲線

6 制冷系統(tǒng)設計研究

6.1 氨系統(tǒng)

“垂直凍結法”施工布設1個地面凍結站，考慮分區(qū)凍結時間不同，以及積極與維護凍結時段鹽水溫度的不同，設置豎井及隧洞兩個制冷系統(tǒng)，相應構成兩個獨立鹽水循環(huán)系統(tǒng)，低溫鹽水經(jīng)干管輸至凍結區(qū)進入供液管，通過回液干管輸回鹽水箱反復循環(huán)。積極凍結工藝流程為冷凍機組制備冷凍液→鹽水箱→冷凍液泵入進液干管→分流至各凍結管→回液至回液干管→冷凍機組循環(huán)，全程冷卻塔及清水降溫。

積極凍結高峰需冷量計算公式［4-5，10］為

式中：Q為高峰需冷量，kcal／h；m為冷量損失系數(shù)，取1.2；d為凍結管外徑，m；H 為凍結管長度，m；K 為凍結管散熱系數(shù)，取 250.0 kcal／（h·m2）。

按盡可能減小凍結站裝機、降低凍結成本及加快施工進度原則，豎井及其周邊隧洞上下游第1～4段（凍結管總長44 709.0 m）先采取群孔方式同時凍結，以降低冷量負荷，按此確定高峰需冷量及凍結站裝機容量。豎井的高峰需冷量為83.0萬 kcal／h，隧洞為535.0 萬 kcal／h，總計 618.0 萬 kcal／h，設計采用 650.0萬kcal／h。 豎井運行時段長，根據(jù)類似工程實踐［4-9］，維護凍結需冷量取高峰量的 60.0%，為 50.0 萬 kcal／h，注重利用冬季天然冷量，提高凍結效率。

凍結站采用雙級壓縮制冷，按鹽水溫度積極凍結期為-26～-28℃、維護凍結期不高于-22℃、蒸發(fā)-32℃、冷卻水12℃、進水18℃及冷凝28℃等工況設計。為加快凍結進度，制冷能力按高峰總需冷量配置低溫鹽水冷凍機組12臺，其中2臺備用，總裝機容量1 710.0萬 kcal／h，首次充氨量 52.2 t，總用氨量 74.0 t。

6.2 鹽水及清水系統(tǒng)

凍結鹽水循環(huán)量計算公式［4-5，10］為

式中：W 為鹽水總循環(huán)量，m3／h；Q1為需冷量，kcal／h；Δt為去回路鹽水溫差，凍深小于250.0 m，取3℃；γ為鹽水密度，取 15 ℃時的 1 260.0 kg／m3；c為鹽水比熱容，取-28 ℃時的 0.656 kcal／（kg·℃）。

豎井的凍結鹽水循環(huán)量為 334.7 m3／h、隧洞為2 157.5 m3／h，總計 2 492.2 m3／h，按 2 500.0 m3／h 設計，冷媒劑CaCl2溶液總用量590.0 t。鹽水干管與集配管采用規(guī)格Ф377×8.0 mm無縫鋼管，管內(nèi)設計流速2.0 m／s，管道泵 9 臺，總功率 135.0 kW。 冷卻塔新鮮水消耗量 22.0 m3／h。

7 施工技術研究

7.1 監(jiān) 測

監(jiān)測是判斷凍結壁是否達到設計標準的唯一依據(jù)，能夠及時反饋凍結狀態(tài)，調(diào)整凍結參數(shù)，實現(xiàn)施工信息化，主要監(jiān)測項目包括造孔、凍結制冷系統(tǒng)運轉與凍結器工作狀況、凍結壁內(nèi)凍脹力與溫度場、洞壁與井壁溫度、地下水位以及結構與巖體變形等。通過測溫孔對溫度場監(jiān)測分析，掌握凍結壁擴展速率、溫度梯度變化規(guī)律、凍結壁形成厚度及均溫，通過水文孔（卸壓孔）壓力監(jiān)測，確保凍結壁交圈，并釋放凍脹水壓。凍結壁形成后卸壓孔壓力應大于地壓 0.1 MPa以上［4-5，10］，壓力隨凍結壁擴展逐步增大，直至交圈時趨于穩(wěn)定，打開卸壓孔，則將有泥水涌出。

7.2 造 孔

凍結造孔工序為：定位→開孔→鉆進→測斜糾偏→成孔→下管→試壓。設計孔徑190 mm，采用膨潤土泥漿護壁造孔工藝成孔。開孔誤差不大于20.0 mm，偏斜率不大于0.25%，內(nèi)偏（成孔與設計軸線偏差）小于 0.2 m。 造孔鉆具配置為 108.0 mm×108.0 mm 主動鉆桿→Φ89.0 mm 鉆桿→Φ173.0 mm 加重鉆鋌→Φ190.0 mm 牙輪鉆頭，糾偏鉆具配置為 108.0 mm×108.0 mm主動鉆桿→Φ89.0 mm鉆桿→穩(wěn)定器→彎接頭→螺桿鉆具→Φ190.0 mm牙輪鉆頭。造孔時，若地層由軟變硬，則減壓降速，反之，則減壓至常壓的三分之二以下［4-5，10］。 下管前沖孔清除孔底巖粉，且孔內(nèi)泥漿黏度不大于20 Pa·s，凍結管耐壓試驗保持壓力2.0 MPa，45 min 無變化即為合格。

7.3 凍 結

積極凍結期在凍結區(qū)附近200.0 m范圍內(nèi)不得降水，地層中不得有集中水流。凍結需連續(xù)不間歇，否則將造成凍結壁發(fā)展間斷或解凍，強度與質(zhì)量下降，結構及巖體產(chǎn)生變形。風險控制措施主要包括冷凍機、清水與鹽水泵等關鍵設備“一用一備”，雙路與備用發(fā)電機供電，發(fā)生故障及時啟用備用設備與供電線路恢復凍結。若停止凍結24 h以上，積極凍結期要延長凍結時間來提高凍結壁強度，開挖掘進及支護襯砌階段停工，凍結壁表面及時全面保溫。凍結壁全斷面應均勻，凍結全程加強監(jiān)測，保證鹽水循環(huán)均勻，避免形成薄弱部位，薄弱處應補孔加強凍結并布設測溫孔與探孔，評估凍結狀況。

凍結初始3～5 d保證地層均勻降溫至-2℃，凍結管充分自由冷縮，之后急速降至-8℃以下，使其短時內(nèi)急速冷縮，保證一半冷縮量為自由狀態(tài)，20 d前后降至約-28℃，拉應力遠小于抗拉強度，避免凍結管產(chǎn)生過大溫度應力。凍結全程加強監(jiān)測，若有凍結管斷裂或滲漏，立刻停止鹽水循環(huán)，以防進入凍結區(qū)，造成凍結壁融化或巖體難以結冰，及時采取下套管等措施處理，盡快恢復凍結。同時，確保鹽水箱內(nèi)水位穩(wěn)定，成孔后壓水試驗壓力不小于工作壓力的兩倍，保證凍結管安設質(zhì)量。凍結區(qū)域周邊產(chǎn)生變形時，采取間歇凍結、開啟泄壓孔降壓及注漿加固等控制凍脹措施，有效控制并消除凍結對周圍結構的影響。

7.4 開挖掘進

通過探孔評估驗證積極凍結效果，凍結壁滿足設計要求時方可開挖掘進。開挖掘進中加強監(jiān)測分析，持續(xù)凍結并保證循環(huán)鹽水溫度不升高、凍結壁強度不降低，確保支護體系緊跟開挖掘進掌子面，保證施工質(zhì)量，必要時縮減單循環(huán)進尺，及時調(diào)整支護體系參數(shù)與措施控制變形。有水滲漏時停工，及時采用快干水泥封堵或砂袋堆填等措施處理，嚴控隧洞及豎井開挖掘進軸線與斷面，避免偏差，防止超挖造成凍結壁厚減小，若產(chǎn)生超挖，則停工采取保溫及加強凍結措施。

8 結 語

（1）引洮供水一期工程總干渠7號隧洞中部，長182.6 m洞段穿越新近系含水疏松粉（細）砂極軟巖地層，最大埋深242.5 m，存在強烈及大規(guī)模突泥、涌砂及破壞性大變形等特殊工程地質(zhì)問題，工程地質(zhì)性質(zhì)極為惡劣，施工存在很大安全風險。采用一次全深凍結豎井工作面“地面垂直凍結法”掘進技術方案，施工技術獲得全面成功。結合工程實踐，對“垂直凍結法”設計與施工技術進行了全面研究，取得含水疏松粉（細）砂巖工程地質(zhì)特性，以及凍結設計、溫度場發(fā)展、制冷系統(tǒng)設計與施工等關鍵技術創(chuàng)新成果。

（2）“凍結法”施工技術最大限度降低了極軟巖地層突泥、涌砂及破壞性大變形等對隧洞掘進造成的安全風險，全面有效地保證了掘進安全，填補了國內(nèi)長距離洞段200.0 m以上深埋、高外水與極軟巖地層水工隧洞“垂直凍結”工法掘進技術的空白，開創(chuàng)了國內(nèi)水工隧洞“凍結法”施工技術的先導，為國內(nèi)首創(chuàng)，居于領先水平，積累了豐富的實踐技術成果，標志著我國地下工程建設“凍結法”施工技術取得重大突破與創(chuàng)新，設計與施工技術全面躍上新臺階。

（3）“凍結法”施工存在工期長和成本費用高等問題，需通過大量工程實踐不斷研究總結，進一步提高施工效率和技術水平，降低成本。