液氮冻结技术在隧道盾构清障中的应用

周骏

摘要:液氮冻结技术是隧道盾构中目前使用较为广泛的技术之一。人工冻结法是一种土层的临时物理加固方法，在岩土工程开挖之前，利用人工制冷技术，通过冻结孔对周围地层进行制冷，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，形成强度高，封闭性好的冻结壁抵抗周围岩土的压力，确保工程开挖的安全。本文结合某工程盾构清障冻结设计和施工过程，总结了在富水地下工程中冻结法施工的冻结设计参数标准、冻结前准备工作和控制标准、后期融沉注浆的监测要求等。

关键词:地铁：冻结法；富水圆砾层；盾构清障

1前言

1.1工程概况

某区间采用盾构法施工，盾构刀盘位于左线掘进1276环（刀盘1281环），里程为ZDK51+968遇孤石。目前刀具检查和更换已完成，刀盘前方孤石已使用旋转钻机抽芯处理7孔，盾体已脱困，刀盘未脱困。为了确保刀盘顺利脱困，现需要将土仓内渣土同刀盘与盾壳之间的空隙清理干净，拟采用液氮冻结法对刀盘及刀盘同土仓空隙周边进行加固止水。

1.2水文地质概况

根据地勘资料，盾构刀盘位置地层自上而下依次为<1>素填土（厚3.63米）；<3-1>中粗砂层（厚1.30米）；<4N-2>粉质黏土（厚1.04米）；<3-2>中粗砂层（厚3.74米）；<5H-2>硬塑残积土（厚4.54米）；<6H>全风化花岗岩（厚5.35米）；前期为确保刀头顺利脱困，先已尝试高压旋喷法和旋挖机成槽助进行处理，现刀头位于高富水率的泥浆槽中。该含水层富水性较好、透水性较好，受大气降水和地表水补给，水量中等，具承压性。

2冻结法施工设计及应用

2.1冻结设计

为保证土仓顺利开仓清理，清除土仓内刀盘同盾壳间的障碍物，拟在刀盘位置设置三排冻结管,采用液氮进行冻结,短时间内形成冻结体冻结壁的作用是在盾构土仓开仓时，起到加固周边土体及封水的作用。以满足土仓清理的要求,为此，要求冻结壁需能承受刀盘处水土压力的作用。

2.2冻结壁设计

盾构接收端头范围内已经使用搅拌桩进行了土体加固（冻结区域也进行了加固），水泥土加固土体强度提供必要的承载力，冻结土体主要起到止水的作用。

液氮冻结施工设计指标为：

(1)冻结壁厚度≥1.8m，宽度约10m，深22m；

(2)冻土平均温度≤-15℃；

(3)探孔温度≤-5℃；

(4)液氮进口温度：-150～-170℃；出口温度：-50～-60℃。

2.3冻结孔布置

盾构刀盘、土仓液氮加固止水共设计3排冻结孔，共计冻结孔31个，采用垂直冻结方案。第一排孔数14个，距刀盘0.4m,孔间距0.8m；第二排孔数9个，第一排孔与第二排排距1.106m，孔间距均为1.0m；深度为18.1m，冻结孔长度380m。测温孔设置2个。

冻结管、测温管和供液管规格：冻结管选用φ108×5mm不锈钢管，供液管采用φ32×3mm不锈钢管。结壁平均温度可按－15℃，有效厚度可达到1.6-1.8m。

2.4钻孔施工

钻孔设备选用潜孔钻机一台，电机功率30KW，钻孔使用灯光测斜，选用空压机一台，电机功率45KW。

首先按冻结孔设计位置固定钻机，为了保证钻孔精度，钻进前5m钻孔时，要反复校核钻杆垂直度、调整钻机位置。

钻进时，应按深度及地层情况的需要，及时增减钻铤，要求作到均匀、匀速钻进。合理掌握转速、压力及冲洗量，加尺或更换钻头时，钻具应下到距孔底0.3～0.5m处扫孔，不准将钻具停在一个深度长期冲洗。停电时，应将钻具提至安全深度，停电超过2小时，应将钻具全部提出，对所有钻具应经常详细检查，弯钻杆和磨损过大的钻杆禁止使用，终孔时应复核钻具全长，并冲孔将岩粉排净，再下放冻结管。

每钻完一个孔后进行下管工作：先将第一根管的底部焊接密封，然后将之与其它钢管焊接下放。下放完毕后用木塞等封堵管口，以免异物掉进冻结管，然后进行下一个冻结孔的钻孔下管施工。

冻结孔检漏：将成孔管进行冻结管检漏试验，试验压力为0.8MPa，经试压30min压力下降不超过0.05MPa，再延续15min压力不变为合格。

2.5积极冻结

液氮冻结的关键是温度控制。液氮储液罐出口温度控制在-150～170℃，压力控制在0.3～0.5Mpa为宜；冻结管出口温度控制在-50～-70℃为宜，压力调节可使用液氮储液罐上的热板，温度调节使用每组回路中的32mm锈钢截止阀。

冻结管两两串接，保证各冻结管均匀向外扩散冷量。管路用不锈钢软管连接，用低温液氮阀门控制。所有暴露的冻结管路均用保温棉胎保温。

根据相关工程经验，冻土发展速度按10cm／d考虑。冻结孔孔间距为1100mm，根据土仓与刀盘空隙位置，最小冻结直径为2.4米，加上1%的偏斜，最大孔间距为：L=2400+220=1320mm，距此推算冻土交圈时间为:T=132/2/10=6.6天，取7天。冻土达到交圈需7天。即液氮冻结7天后可以土仓清理。

3盾构土仓开仓条件

(1)经过测温孔测温，冻结帷幕厚度达到设计要求，温度降至-15℃一下。

(2)液氮冻结7天后可进行探孔打设、或进行抽水试验；在探孔打设过程中，如发现有渗水涌砂现象，要及时进行封堵，以防水土流失，影响冻土墙交圈。

(3)在土仓内土体清理过程中，如发现有渗水点，要及时进行封堵，以防水土流失，破坏形成的冻结壁。

4冻结管拔除

在土仓清理完成以后，关闭仓门对所有冻结孔进行解冻，开始进行第一次拔管，待盾构推过冻结帷幕跟踪注浆稳定后，拔除所有冻结管。盾构在穿越冻结区时，不宜停留，且刀盘解锁后不间断正反转动，以防刀盘被冻死。

前侧冻结管待盾构土仓清理完成，确定刀盘成功脱困后，对所有冻结管进行强制解冻，先拔除刀盘，待盾构推进超过50米后，拔除全部冻结管。

5结束语

本工程成功地在承压水地层条件下进行了盾构土仓无压开仓作业液氮冷冻法施工，为类似的工程提供了可借鉴的施工经验。该工程于2017年1月15日开始进行液氮冻结，同年1月24日完成盾构土仓的清理工程，1月26日盾构刀盘正常运转，恢复盾构正常掘进工作。通过分析液氮降温，土体温度场的变化规律，结合冻结实施时间、测温孔温度、探测观测孔渗漏情况，认为本工程的冻土帷幕达到了设计要求，在整个盾构土仓清理作业过程中未出现任何异常情况，实践证明了所采用的冻土帷幕符合盾构土仓开仓的强度和封水条件。此类工程中需注意液氮输送过程中的保温，减少冷量的损失，节约施工成本。

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