液氮凍結法在盾構始發(fā)地層加固工程中的應用

1、液氮凍結法在盾構始發(fā)地層加固工程中的應用摘要：某地鐵區(qū)間隧道盾構從車站一端始發(fā)，端頭井位于富水砂層，采用旋噴樁和深層攪拌樁進行端頭井加固后盾構始發(fā)時出現(xiàn)大的涌水涌砂，為確保距始發(fā)井3.4m處6層居民樓安全，根據(jù)工期需要，采用液氮快速凍結補充加固地層，使盾構機安全始發(fā)。關鍵詞：地鐵隧道；盾構始發(fā)；端頭井加固；液氮凍結用冷卻的手段使地層中的地下水凍結成冰，地下水不再流動，結冰后地層的強度大為提高，這種加固地層的方法為凍結法。通常，該工法多在

2、其他輔助加固工法很難實現(xiàn)加固目的的場合下選用[1－2]。凍結法有液氮低溫液化氣式（直接式）和鹽水式（間接式）兩種。直接式的優(yōu)點是凍結速度快，但液氮需用罐車從液氮生產(chǎn)廠運至施工現(xiàn)場，然后提供給凍結管，液氮在大氣中的釋放損耗大，成本高[3]。本文是一個利用液氮快速凍結加固盾構始發(fā)地層的工程實例，供類似工程參考。1工程概況某地鐵區(qū)間盾構從車站一端始發(fā)，端頭井位于富水砂層，盾構始發(fā)地層土體加固采用旋噴樁＋攪拌樁的方案，即在端頭井側(cè)墻外先施工兩排

3、1.6m寬的三重管高壓旋噴樁，在旋噴樁外側(cè)用雙頭深層攪拌樁加固，加固深度18.5m，縱向長度8.4m，橫向范圍為盾構直徑外側(cè)上下左右各3m。加固后經(jīng)抽芯檢測，符合要求。但在始發(fā)洞門混凝土鑿除時，發(fā)現(xiàn)隧道中心線以下范圍內(nèi)加固效果較差，出現(xiàn)大量涌砂，立即采取補救措施，用聚氨脂發(fā)泡劑止水砂，用混凝土重新封閉洞門。緊臨車站始發(fā)井西側(cè)3.4m是一幢6層居民樓，車站施工時曾出現(xiàn)流砂，該樓房已發(fā)生了較大沉降，出于安全考慮，結合工期要求，決定采用液氮快

4、速凍結加固盾構始發(fā)地層。2凍結方案設計凍結方案采用全斷面局部凍結，設單排凍結孔。凍結孔深度16m，凍結孔數(shù)13個，凍結孔中心間距0.675m，凍結孔距連續(xù)墻外側(cè)0.4m，最外邊的凍結孔離盾構外輪廓線0.7m，凍結管采用覫1597mm無縫鋼管，材質(zhì)為20#低碳鋼。地面布置溫度監(jiān)測孔3個，出洞口壁面布置測溫孔4個，詳見圖1。2.1凍結參數(shù)計算洞口凍結加固體在工作井破壁和盾構開始推進階段，起到抵御水土壓力、防止洞周土體塌落和地下水涌進的作用。

5、2.1.1荷載計算該始發(fā)洞口凍結加固土體承受的荷載、計算模型及凍結管布置示意圖如圖2所示。應用重液理論計算水土壓力時，其出洞口的水土壓力P＝0.013H。其中，P為計算點的水土壓力，MPa；H為計算點深度，m。解凍用高溫鹽水（Cal2）循環(huán)，需要2m3鹽水箱、管路、閥門、鹽水泵等。加溫鹽水使用電加熱器，總功率約80kW。解凍鹽水加熱溫度80℃以上，循環(huán)方式為單孔循環(huán)，循環(huán)時間1h以上，進行試拔，起拔力約5～8t，如果起拔困難切不可強行起

6、拔以免將凍結管拔斷。盾構邊緣兩側(cè)的2根凍結管在其他凍結管解凍期間繼續(xù)工作，待盾構順利出洞后另行處理。2.3凍結時間及總工期估算液氮凍結由于溫度極低（196℃），凍土的發(fā)展速度也較快，根據(jù)液氮在凍結管中單位時間的蒸發(fā)量不同，凍土的發(fā)展速度約在1～5cmh，結合其他工程凍結經(jīng)驗，凍土的發(fā)展速度取24cmd。凍結孔邊對邊距離0.516m，加上0.5%的偏斜，最大孔間距L=0.676m。距此推算凍土交圈時間T=6762240=1.5d（36h）

7、，凍土達到設計厚度需45h?？偣て诠浪悖恒@孔8d，凍結管及附件安裝2d，積極凍結2d，破除洞門2d，解凍拔管1d，共15d。3凍結方案實施加固凍結從3月28日12時開始，其中東側(cè)1、2號孔和西側(cè)13、14號孔的液氮循環(huán)27日24時開始試運行，地面連接沒有問題后繼續(xù)其他孔的連接工作，連接好一個孔循環(huán)一個孔，直到全部孔的連接完成。凍結至4月2日8時，系統(tǒng)共運轉(zhuǎn)116h，比預計多36h。從測溫等資料分析，凍結交圈已經(jīng)形成，開始鑿除洞門，4月3

8、日晚10時盾構靠上槽壁，開始解凍拔除凍結管。4月4日拔管過程中出現(xiàn)斷管，只好暫停拔管進行處理，試用脹管器等方法后沒有成功，最后采用從地面向下開挖6.5m將焊縫處露出進行處理的方法，至4月8日凌晨4時全部凍結管拔除。由于地溫高（24～25℃），實際凍結時間比設計多2d；因處理斷管，實際拔管時間比設計多3d。消耗液氮量約120t。4凍結過程監(jiān)測分析3月30日根據(jù)測溫資料對凍結情況作如下分析：1）共布置3個測溫孔，其中東面的測溫孔距離1號孔0

9、.408m，30日12時離地面11m的深度溫度為15℃，此時推算凍土擴展圓柱直徑950mm。2）中間測溫孔離地面7.6m深處，30日12時的溫度為15℃，與估計的凍土發(fā)展范圍差別較大。3）按保守的液氮凍結凍土發(fā)展速度估算，液態(tài)氮進入凍結管周圍的凍土發(fā)展速度約0.8cmh，氣態(tài)氮進入凍結管周圍的凍土發(fā)展速度約0.4cmh，按此估算凍土在兩凍結管之間的發(fā)展距離為0.735m，就是說凡是凍結管間距大于該距離的凍結管之間沒有交圈。4）根據(jù)測斜資

10、料凍結管在4、5號孔，6、7號孔，9、10號孔和12、13號孔的孔底間距分別達到1.150m、1.030m、1.250m、1.000m。按目前的發(fā)展速度還需要約30h凍土才能全部交圈。5）西側(cè)測溫孔距離14號孔0.469m，30日12時離地面11m深度的溫度為20℃，與估計的凍土發(fā)展范圍差別較大。6）在始發(fā)洞口的壁面上布置2個溫度測點，1個布置在洞口上方已經(jīng)露出的地下連續(xù)墻外側(cè)鋼筋上，1個布置在下部補澆筑的30cm厚混凝土的中間（深度1

11、5cm）。目前溫度均為12℃。7）洞口滴水現(xiàn)象目前還沒有停止，正在加強觀察。8）洞口的地面溫達到24℃，超過原來估計的18℃左右，造成耗氮量增加。9）上部和中部的測溫孔測溫結果與以往的經(jīng)驗差別較大，疑為地層注入聚氨脂發(fā)泡劑的影響。根據(jù)上述分析決定延長凍結時間，至4月2日開始鑿除洞門。4月3日下午3時左右，洞門混凝土外側(cè)鋼筋基本割除后，在洞門的東側(cè)中部位置有一出水點，每h流量約0.5m3，后經(jīng)快速硬化水泥加引流管封堵，在清理洞門的6～7h