1、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12。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
2、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
3、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 1597 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
4、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 P0.013H。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 P0.19 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； 为系数，一般取 1.2；D 为加固体开
5、挖直径，取 6.70 m； 为安全系数，取 2.5； 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 h0.89 m，可取 h1.0 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 12.0 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
6、冻结管总长 1316=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 574 mm 无缝钢管。2.2.2 钻孔量及液氮需要量钻孔总长 1516+7.6=247.6 m；冻土总体积 8.78.11.0=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 125600/342368kg，考虑 25%损耗，为 460 kg，则总需要液氮量 46070.47=32 416 kg，约 32.5 t。维护冻结视冻结时间的
7、长短而定，如果按 48 h 计算，每 h 约 200 kg，维护冻结需液氮量 20048=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 58 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
8、同，冻土的发展速度约在 15 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
9、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（2425 ），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
10、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，
11、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
12、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 67 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
13、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
14、 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 2025 d4，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.
