液氮冻结法在盾构始发地层加固中的应用
2009-05-14 21:39
液氮冻结法在盾构始发地层加固工程中的应用
摘要：某地铁区间隧道盾构从车站一端始发，端头井位于富水砂层，采用旋喷桩和深层搅拌桩进行端头井加固后盾构始发时出现大的涌水涌砂，为确保距始发井3.4 m处6层居民楼安全，根据工期需要，采用液氮快速冻结补充加固地层，使盾构机安全始发。
关键词：地铁隧道；盾构始发；端头井加固；液氮冻结
用冷却的手段使地层中的地下水冻结成冰，地下水不再流动，结冰后地层的强度大为提高，这种加固地层的方法为冻结法。通常，该工法多在其他辅助加固工法很难实现加固目的的场合下选用[1－2]。冻结法有液氮低温液化气式（直接式）和盐水式（间接式）两种。直接式的优点是冻结速度快，但液氮需用罐车从液氮生产厂运至施工现场，然后提供给冻结管，液氮在大气中的释放损耗大，成本高[3]。本文是一个利用液氮快速冻结加固盾构始发地层的工程实例，供类似工程参考。
1工程概况
某地铁区间盾构从车站一端始发，端头井位于富水砂层，盾构始发地层土体加固采用旋喷桩＋搅拌桩的方案，即在端头井侧墙外先施工两排1.6 m宽的三重管高压旋喷桩，在旋喷桩外侧用双头深层搅拌桩加固，加固深度18.5 m，纵向长度8.4 m，横向范围为盾构直径外侧上下左右各3 m。加固后经抽芯检测，符合要求。但在始发洞门混凝土凿除时，发现隧道中心线以下范围内加固效果较差，出现大量涌砂，立即采取补救措施，用聚氨脂发泡剂止水砂，用混凝土重新封闭洞门。
紧临车站始发井西侧3.4 m是一幢6层居民楼，车站施工时曾出现流砂，该楼房已发生了较大沉降，出于安全考虑，结合工期要求，决定采用液氮快速冻结加固盾构始发地层。
2冻结方案设计
冻结方案采用全断面局部冻结，设单排冻结孔。冻结孔深度16 m，冻结孔数13个，冻结孔中心间距0.675 m，冻结孔距连续墙外侧0.4 m，最外边的冻结孔离盾构外轮廓线0.7 m，冻结管采用覫159×7 mm无缝钢管，材质为20#低碳钢。地面布置温度监测孔3个，出洞口壁面布置测温孔4个，详见图1。
2.1冻结参数计算
洞口冻结加固体在工作井破壁和盾构开始推进阶段，起到抵御水土压力、防止洞周土体塌落和地下水涌进的作用。
2.1.1荷载计算
该始发洞口冻结加固土体承受的荷载、计算模型及冻结管布置示意图如图2所示。应用重液理论计算水土压力时，其出洞口的水土压力P＝0.013H。其中，P为计算点的水土压力，MPa；H为计算点深度，m。
出洞口中心埋深11.00 m，当开洞直径为6.70 m时，开洞口的底缘深度为14.35 m。如取计算深度为14.35 m，则计算得到水土压力P≈0.19 MPa。
2.1.2冻结加固体厚度
假定加固体为整体板块而承受水土压力，用弯拉应力计算加固体的厚度，计算公式如下：
式中：h为冻结加固体厚度，m；β为系数，一般取1.2；D为加固体开挖直径，取6.70 m；κ为安全系数，取2.5；σ为冻土弯拉强度，当冻土平均温度为－20℃时，冻结粉细砂的弯拉强度取8.0 MPa。
将上述参数代入公式，计算得到冻土体计算加固厚度h＝0.89 m，可取h＝1.0 m。
2.1.3其他尺寸的确定
冻土体本身处于加固过的土层中，且其前方为深层搅拌桩加固过的地层，稳定性充足，可不作校验。参照国外经验，为有效封水，应使冻结加固体的深度大于洞口底部的深度1～2.0 m，该工程加固体深度大于洞口底部1.65 m。
2.2其他冻结参数
完成冻结加固体设计之后，应进行冻结管的布置及其他设计。包括冻结管长度、液氮需要量估算、钻孔量等内容。
2.2.1冻结管长度
冻结管总长13×16=208 m；测温管总长16+7.6+16=39.6 m；地面连接长约20 m；解冻拔管加温用管路长20 m；供液管长310 m，采用覫57×4 mm无缝钢管。
2.2.2钻孔量及液氮需要量
钻孔总长15×16+7.6=247.6 m；冻土总体积8.7×8.1×1.0=70.47 m3；每m3冻土需冷量约125 600kJ，每kg液氮变为-60℃气体氮时吸收冷量约342kJ；则每m3冻土需液氮为125600/342≈368kg，考虑25%损耗，为460 kg，则总需要液氮量460×70.47=32 416 kg，约32.5 t。
维护冻结视冻结时间的长短而定，如果按48 h计算，每h约200 kg，维护冻结需液氮量200×48=9 600 kg。
2.2.3解冻拔管
解冻用高温盐水（Cal2）循环，需要2 m3盐水箱、管路、阀门、盐水泵等。加温盐水使用电加热器，总功率约80 kW。解冻盐水加热温度80℃以上，循环方式为单孔循环，循环时间1 h以上，进行试拔，起拔力约5～8 t，如果起拔困难切不可强行起拔以免将冻结管拔断。盾构边缘两侧的2根冻结管在其他冻结管解冻期间继续工作，待盾构顺利出洞后另行处理。
2.3冻结时间及总工期估算
液氮冻结由于温度极低（-196℃），冻土的发展速度也较快，根据液氮在冻结管中单位时间的蒸发量不同，冻土的发展速度约在1～5 cm/h，结合其他工程冻结经验，冻土的发展速度取24 cm/d。
冻结孔边对边距离0.516 m，加上0.5%的偏斜，最大孔间距L=0.676 m。
距此推算冻土交圈时间T=676/2/240=1.5 d（36 h），冻土达到设计厚度需45 h。
总工期估算：钻孔8 d，冻结管及附件安装2 d，积极冻结2 d，破除洞门2 d，解冻拔管1 d，共15 d。
3冻结方案实施
加固冻结从3月28日12时开始，其中东侧1、2号孔和西侧13、14号孔的液氮循环27日24时开始试运行，地面连接没有问题后继续其他孔的连接工作，连接好一个孔循环一个孔，直到全部孔的连接完成。
冻结至4月2日8时，系统共运转116 h，比预计多36 h。从测温等资料分析，冻结交圈已经形成，开始凿除洞门，4月3日晚10时盾构靠上槽壁，开始解冻拔除冻结管。4月4日拔管过程中出现断管，只好暂停拔管进行处理，试用胀管器等方法后没有成功，最后采用从地面向下开挖6.5 m将焊缝处露出进行处理的方法，至4月8日凌晨4时全部冻结管拔除。
由于地温高（24～25℃），实际冻结时间比设计多2 d；因处理断管，实际拔管时间比设计多3 d。消耗液氮量约120 t。
4冻结过程监测分析
3月30日根据测温资料对冻结情况作如下分析：
1）共布置3个测温孔，其中东面的测温孔距离1号孔0.408 m，30日12时离地面11 m的深度温度为-15℃，此时推算冻土扩展圆柱直径950 mm。
2）中间测温孔离地面7.6 m深处，30日12时的温度为+15℃，与估计的冻土发展范围差别较大。
3）按保守的液氮冻结冻土发展速度估算，液态氮进入冻结管周围的冻土发展速度约0.8 cm/h，气态氮进入冻结管周围的冻土发展速度约0.4 cm/h，按此估算冻土在两冻结管之间的发展距离为0.735 m，就是说凡是冻结管间距大于该距离的冻结管之间没有交圈。
4）根据测斜资料冻结管在4、5号孔，6、7号孔，9、10号孔和12、13号孔的孔底间距分别达到1.150 m、1.030 m、1.250 m、1.000 m。按目前的发展速度还需要约30 h冻土才能全部交圈。
5）西侧测温孔距离14号孔0.469m，30日12时离地面11 m深度的温度为+20℃，与估计的冻土发展范围差别较大。
6）在始发洞口的壁面上布置2个温度测点，1个布置在洞口上方已经露出的地下连续墙外侧钢筋上，1个布置在下部补浇筑的30 cm厚混凝土的中间（深度15 cm）。目前温度均为+12℃。
7）洞口滴水现象目前还没有停止，正在加强观察。
8）洞口的地面温达到+24℃，超过原来估计的18℃左右，造成耗氮量增加。
9）上部和中部的测温孔测温结果与以往的经验差别较大，疑为地层注入聚氨脂发泡剂的影响。
根据上述分析决定延长冻结时间，至4月2日开始凿除洞门。4月3日下午3时左右，洞门混凝土外侧钢筋基本割除后，在洞门的东侧中部位置有一出水点，每h流量约0.5 m3，后经快速硬化水泥加引流管封堵，在清理洞门的6～7 h内流量基本没有变化，并且一直流出的是清水，直至盾构靠上槽壁。
5结论和建议
该工程冻结时间比原设计延长了48 h，最终达到了设计要求，保证了盾构机出洞及居民楼的安全（盾构出洞后，西侧居民楼最大沉降仅为8 mm）。经验教训总结如下：
1）对地层情况没有充分的了解就开始施工，造成钻孔工期的拖延；同时由于没有掌握地温的资料，造成冻结时间和液氮消耗量估计不足。
2）局部冻结器的形式不合理，没有充分考虑普通低碳钢超低温下的冷缩。供液管两头全部焊接，冷冻几小时后供液管由于冷缩而断裂，只得重新安装，造成了冻结时间的增加、浪费了液氮，同时也是拔管时冻结管断裂的诱因之一。今后工程中应考虑冻结管采用丝扣连接。
3）两供液管之间在地面应用软连接。使用硬连接极易断裂，冻结后期个别连接处有裂缝，造成液氮的漏失。
4）液氮流量偏小（受供应量的限制），气氮出口温度明显偏高（设计为-60℃，从测温资料看基本上没有达到这一标准），造成冻结时间延长。
5）冻结壁完全形成消耗液氮约120 t，平均每m3冻土需1.7 t液氮。液氮冻土墙不均匀，成上小下大的塔形，但盐水冻土墙比较均匀，成圆柱形[4]。
6）液氮温度比较低，应严防施工人员被低温冻伤。
7）液氮冻结时间短，但其价格与气温升高成正比，成本比盐水略高，但冻结时间可缩短20～25 d[4]，可用在工程抢险或局部堵漏工程。
参考文献：
[1]张凤祥，傅德明，杨国祥，项兆池.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社，2005：445-447.
[2]李继宏.冷冻法在广州地铁基坑施工中的应用[J].隧道建设，2002，22（2）：40-42.
[3]翁家杰.液氮冻结土层的理论与实践[J].煤炭科学技术，1994，22（9）：11-15.
[4]李宏安，王定峰.冻结法在南京地铁隧道流砂地层中的应用[J].探矿工程，2005，32（3）：60-62.
