富水砂礫地層盾構(gòu)液氮凍結(jié)常壓開倉施工技術

劉占英 趙書銀 姜景雙 吳 浩 魏清波

(1.呼和浩特市城市軌道交通建設管理有限責任公司 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000；

2.中鐵十六局集團有限公司 北京 100020；3.中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司 北京 101149；4.中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司 北京 101300)

1 引言

由于盾構(gòu)法具有快速、安全、環(huán)保、對周圍環(huán)境影響小等特點，我國城市軌道交通區(qū)間隧道基本采用盾構(gòu)法施工。在盾構(gòu)施工過程中，不可避免出現(xiàn)機械設備故障等需要開倉的情況。目前，對于盾構(gòu)機施工中的刀盤故障及更換刀具，一般采用常壓開倉和帶壓開倉兩種方式處理[1-2]，其中，常壓開倉安全可靠且高效。而常壓開倉一般需要在無水環(huán)境中進行，因此，如何止水成為盾構(gòu)開倉施工的關鍵環(huán)節(jié)。

液氮凍結(jié)是一種土層人工凍結(jié)技術，靠液氮在凍結(jié)管內(nèi)直接氣化吸熱帶走地層中的熱量，從而實現(xiàn)土層的快速凍結(jié)。液氮的惰性很強、無腐蝕性、不可燃、穩(wěn)定性好，液氮凍結(jié)技術具有凍結(jié)速度快、溫度低的特點，并且凍結(jié)加固土體規(guī)?？筛鶕?jù)實際情況而定，工作方便，對周圍環(huán)境無污染。目前，地下工程中的液氮凍結(jié)施工主要應用于盾構(gòu)隧道進出洞、聯(lián)絡通道、更換盾尾刷和工程搶險的土體加固施工[3-9]。本工程采用液氮凍結(jié)地層止水維修刀盤和更換刀具，效果理想。

2 工程概況

呼和浩特市城市軌道交通2號線一期工程水上公園站～諾和木勒站區(qū)間全長1 152.819 m，區(qū)間結(jié)構(gòu)覆土約11.7～17.16 m，隧道采用盾構(gòu)法施工。隧道地質(zhì)條件復雜，地下水埋深介于8.6～11.4 m之間，地層自上而下分別為：＜1-2＞素填土，厚度3 m；＜3-4-1＞細砂層，厚度3 m；＜3-6-1＞中砂，厚度4 m；＜3-9-1＞圓礫，厚度4 m；＜3-8-1＞礫砂，厚度2 m；＜3-9-2＞圓礫，厚度3 m；＜4-2＞粉質(zhì)黏土，厚度8 m。

該區(qū)間地處繁華鬧市區(qū)，施工區(qū)域為市政道路下方，未涉及市政建筑物。施工區(qū)域內(nèi)涉及到城市燃氣管道，沿道路縱線敷設，位于隧道正上方，且現(xiàn)場無遷改條件。三條管道分別為中壓A、中壓B和低壓管，埋深1.8～2.3 m。中壓A為DN300鋼管，連接方式為法蘭連接；中壓B為DN300鑄鐵管，連接方式為承插連接；低壓管為DN300鑄鐵管，連接方式為法蘭連接。

該區(qū)間隧道右線盾構(gòu)機推進至DK10+780位置(1 050 m)時，盾構(gòu)機無法正常掘進，需要停機處理。經(jīng)分析論證認為，盾構(gòu)機刀盤磨損嚴重，刀具需要更換，已不具備繼續(xù)掘進條件。

3 施工方案的選擇

為確保盾構(gòu)機故障順利解除，復推前需要開倉將刀盤周圍清理干凈，進行刀盤修復和刀具更換。在進倉實施前，需完成對周邊地層止水處理。由于燃氣管道的存在，現(xiàn)場不具備降水施工條件。前期采用注漿法施工，皆因隧道掘進面位于＜3-5-2＞細砂、＜3-9-2＞圓礫和＜3-8-2＞礫砂復合地層中，地層滲透系數(shù)達到80～100 m/d，地下水流速較快，反復注漿處理效果不明顯，無法達到止水效果。經(jīng)專家分析論證，最終選用液氮凍結(jié)技術，采用垂直凍結(jié)管對刀盤周邊進行地層加固，以達到止水的目的。

4 液氮凍結(jié)加固技術

4.1 凍結(jié)思路及范圍

(1)凍結(jié)思路

在盾構(gòu)機體、刀盤上部和前方及其左右兩側(cè)利用垂直凍結(jié)孔凍結(jié)加固地層，使盾構(gòu)機體、刀盤左右側(cè)、上部和前方范圍內(nèi)土體凍結(jié)。由于地處市政道路，場地限制原因，凍結(jié)孔無法直接打設到盾構(gòu)機體底部，因此采用較大直徑凍結(jié)管(φ146 mm)以延長凍結(jié)工期的形式，使凍土逐步發(fā)展，直至凍結(jié)壁凍結(jié)完成。

凍結(jié)壁的作用是在盾構(gòu)機開倉施工期間，起到加固周邊土體及封水止水的效果，以滿足盾構(gòu)機常壓條件下的開倉要求，為此，要求確保凍結(jié)壁能承受刀盤處水土壓力。

為確保在刀盤周圍形成加固和止水的凍結(jié)帷幕，考慮到液氮凍結(jié)進口溫度為-150～-170℃低溫，本工程凍土平均溫度控制在-15℃以內(nèi)，對盾構(gòu)各部位及零件無影響。盾構(gòu)機的刀盤、焊縫和盾殼能夠長期承受的最低溫度為-50℃。

(2)凍結(jié)范圍

考慮到凍土發(fā)展的程度，為確保土倉及刀盤前方清理的安全，針對盾構(gòu)機體、刀盤左右側(cè)1.5 m、刀盤上部2 m，刀盤下部2 m，刀盤前方1.5 m范圍內(nèi)土體凍結(jié)。

液氮凍結(jié)施工設計指標為：①凍結(jié)壁厚度≥1.5 m，寬度約9.4 m，深度為21 m；②凍土平均溫度≤-15℃；③測溫孔平均溫度≤-5℃；④液氮進口溫度：-150～-170℃；排出口溫度：-50～-60℃。

4.2 凍結(jié)參數(shù)的確定

4.2.1 凍結(jié)效果計算及驗算

(1)凍結(jié)加固體厚度計算

假定凍結(jié)加固體為整體板塊承受水土壓力，采用日本方法計算加固體的厚度，計算公式為：

式中，h為凍結(jié)加固體厚度，單位m；k為安全系數(shù)，取2.0；β為凍土強度系數(shù)，取1.2；p為刀盤底部水土壓力，取0.235 MPa；D為盾構(gòu)機刀盤直徑，取6.3 m；σ為凍土彎拉強度，取3.5 MPa[10]。

凍土設計參數(shù)根據(jù)相應地質(zhì)凍土資料以及以往工程經(jīng)驗確定。計算得墻體厚度為1.27 m，取1.5 m?？梢?，凍結(jié)壁1.5 m厚度可以滿足受力要求。

(2)剪切驗算加固體厚度

沿刀盤土倉周邊驗算加固體剪切應力，計算公式為：

計算得凍結(jié)加固體剪切應力為τmax=0.246 MPa。因-15℃時的凍土抗剪強度τ=2.2 MPa，故安全系數(shù)k為8.9。

采用我國建筑結(jié)構(gòu)靜力計算理論進行驗算，刀盤中心所受最大彎拉應力為：

式中，σmax為加固體最大彎拉應力，單位MPa；μ為凍土泊松比，μ取0.35。

計算得凍結(jié)加固體最大彎拉應力為σmax=1.3 MPa。因-15℃時的凍土彎拉強度σ=3.5 MPa，計算得安全系數(shù)k為2.7。

驗算結(jié)果表明，凍結(jié)壁厚度取1.5 m可以滿足設計要求。

4.2.2 孔位布置

考慮到凍結(jié)對刀盤結(jié)構(gòu)及地層中孔隙水結(jié)冰體積增大造成的影響，需合理布置凍結(jié)孔、合理控制凍結(jié)時間。凍結(jié)區(qū)域共布置4排凍結(jié)孔，見圖1。

(1)A排孔距刀盤1.2 m，B排距刀盤0.4 m，屬于盾構(gòu)機端頭封水區(qū)，全深凍結(jié)孔，深入地層底部不透水黏土層3 m，兩排梅花式布置；其中，A排凍結(jié)孔7個，B排凍結(jié)孔8個，共設置15個凍結(jié)孔，開孔間距1 m，孔深26 m，凍結(jié)孔采用φ108×5 mm PE管。

(2)C排孔與B排孔排距1.0 m，距離盾構(gòu)機體0.4 m，作用于刀盤兩側(cè)止水，設置2個凍結(jié)孔，孔深26 m。

(3)D排孔與C排孔排距1.0 m，作用于盾構(gòu)機體頂端封水，終孔位置距離盾構(gòu)機體0.2～0.3 m，設置7個凍結(jié)孔，開孔間距1.2 m；其中，D1、D7孔深26 m，D2孔深12.8 m，D3孔深12 m，D4孔深11.7 m，D5孔深12 m，D6孔深12.8 m。

圖1 凍結(jié)及測溫孔布置

(4)在C排孔和D排孔邊排孔中間位置各增加一個孔，Z1和Z2，孔深26 m，降低邊排孔冷量損失。

(5)為確保實時監(jiān)測凍土發(fā)展狀態(tài)，設置三個測溫孔，其中T1、T3孔深26 m，T2孔深18 m。

需要注意的是，凍結(jié)孔布置時，要排查地下管線，必要時須避開地下管線；為實現(xiàn)不拔凍結(jié)管，盾構(gòu)正前方范圍內(nèi)的凍結(jié)管選用φ108×5 mm PE管，供液管采用φ32×3 mm不銹鋼管；所有管下放時，要焊接嚴密，不允許出現(xiàn)漏水現(xiàn)象；邊排孔采用大口徑凍結(jié)管，在鉆孔時，不允許向外偏斜，可略向內(nèi)偏斜3°；施工期間，D排孔除邊排孔外，以遇到盾構(gòu)鋼外殼為準。

根據(jù)相關工程經(jīng)驗[11]，凍土的凍結(jié)速度按10 cm/d考慮，本工程凍結(jié)孔間距1 m，加上合理偏斜，推算達到設計厚度需要15 d。

4.3 凍結(jié)施工

(1)施工放樣及鉆孔：根據(jù)設計孔位布置圖對現(xiàn)場孔位進行噴漆標識。為了保證鉆孔精度，鉆孔前5 m時，要反復校核鉆桿垂直度，調(diào)整鉆機位置；鉆孔期間，勻速鉆進；終孔時應復核鉆具全長，確保深度滿足要求。

(2)管道下放：成孔后，洗孔至孔內(nèi)渣層排凈，立即下放并固定凍結(jié)管。下放完畢后用木塞封堵管口，以免異物掉進凍結(jié)管。

(3)凍結(jié)管密封檢測：試驗壓力為0.8 MPa，30 min后壓力下降不超過0.05 MPa，延續(xù)15 min壓力不變化為合格。

(4)液氮凍結(jié)

①每根凍結(jié)管內(nèi)下放安裝1根φ32供液管，供液管深至凍結(jié)管底部以上0.2 m。

②凍結(jié)管用不銹鋼金屬軟管連接，然后將每個凍結(jié)管連接分配器，通過分配器把液氮分配給每一個供液管。

③采用單孔單循環(huán)方式，保證各凍結(jié)管均勻向外擴散冷量。管路用低溫液氮閥門控制，所有外露的凍結(jié)管路采用保溫泡沫板保溫。液氮注入期間做好注入量的控制，防止液氮出現(xiàn)供應中斷。

④液氮凍結(jié)的關鍵環(huán)節(jié)為溫度控制和壓力控制，液氮儲罐出口的溫度控制在-150～-170℃，壓力控制在0.15 MPa以內(nèi)為宜；凍結(jié)管出口溫度控制在-50～-60℃，溫度調(diào)節(jié)使用液氮儲罐上的散熱板，壓力調(diào)節(jié)使用每組回路中截止閥?，F(xiàn)場凍結(jié)施工情況見圖2。

(5)測溫孔布置、溫度計選擇及測溫記錄

①測溫孔與凍結(jié)孔平行布置，本工程布置3個測溫孔，分別位于刀盤側(cè)向，刀盤前方和距離盾構(gòu)掌子面最遠端；且與凍結(jié)管水平距離分別為1.0 m、0.5 m、1.6 m。

②測溫計選擇工業(yè)用電子傳感測溫表，量程為100～-100℃。

③測溫記錄，每天定時抄表記錄，本工程每天下午2點記錄一次。

圖2 液氮凍結(jié)施工

4.4 凍結(jié)加固效果分析

4.4.1 溫度控制分析

鉆孔于2019年6月15日施工結(jié)束；連接冷凍管、供液管和管道保溫，6月17日開始凍結(jié)，凍結(jié)期間液氮連續(xù)注入。本工程通過3處測溫孔數(shù)據(jù)反饋，溫度平均值計算分析，液氮凍結(jié)第14 d溫度達到設計要求，根據(jù)凍結(jié)溫度推算，凍結(jié)體厚度滿足設計要求。通過調(diào)整液氮注入速度，穩(wěn)定凍結(jié)體溫度，從而可有效控制對地層的凍結(jié)效果?，F(xiàn)場凍結(jié)溫度監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 水～諾區(qū)間液氮凍結(jié)溫度監(jiān)測值變化曲線

4.4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

施工前根據(jù)施工區(qū)域范圍，進行地面監(jiān)測點布置4處，管線監(jiān)測點6處，監(jiān)測頻率為1次/d。截止溫度穩(wěn)定日監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)穩(wěn)定無明顯變化，地面無隆起現(xiàn)象。

5 常壓開倉及后續(xù)施工

通過盾構(gòu)土倉隔板預留孔，排干盾構(gòu)土倉內(nèi)少量集水，并用紅外測溫計測出排放的水溫達到0℃后，人工進倉清理，首先將土倉內(nèi)渣土清理干凈，人工用小泥斗從人閘出渣；再清理刀盤與掌子面之間渣土，清理厚度40～45 cm；最后清理刀盤外輪廓，清理厚度15 cm左右。清理工具使用風鎬和鐵鍬，施工順序均為從上至下，土倉清理后啟用螺旋輸送機出渣；清理期間，作業(yè)面溫度保證在-10℃左右。

刀具更換、刀盤修復完成，轉(zhuǎn)動刀盤，并檢查盾構(gòu)機設備，確認完好后，即可停止凍結(jié)；拔出盾構(gòu)前方供液管；恢復掘進，平穩(wěn)快速推進穿過凍結(jié)區(qū)。

6 結(jié)論

(1)凍結(jié)期間，根據(jù)地面測溫孔和盾構(gòu)土倉隔板預留孔排水量和排水溫度判斷冷凍固結(jié)效果，盾構(gòu)土倉隔板預留孔排出水的溫度達到0℃后，成功開倉。

(2)刀具更換、刀盤修復完成，轉(zhuǎn)動刀盤，并檢查盾構(gòu)機設備，確認完好后，立即停止凍結(jié)。

(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，液氮凍結(jié)區(qū)域凍土體積無明顯增加，實際凍脹率幾乎為零。本工程實踐證明，短期內(nèi)液氮凍結(jié)對地層凍脹影響很小，解決了鹽水凍結(jié)法凍脹的問題。

(4)呼和浩特市水上公園站～諾和木勒站區(qū)間隧道內(nèi)盾構(gòu)機脫困處理中，應用液氮凍結(jié)技術，通過優(yōu)化設計，準確判斷開倉時機和冷凍停止時間，效果理想，雖然存在經(jīng)濟成本高的問題，但降低了時間，保證了工期，且開倉條件安全可靠，可為類似工程提供一定的參考經(jīng)驗。