液氮凍結(jié)法在盾構(gòu)始發(fā)地層加固工程中的應(yīng)用

1、液氮凍結(jié)法在盾構(gòu)始發(fā)地層加固工程中的應(yīng)用摘要：某地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)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(jìn)行端頭井加固后盾構(gòu)始發(fā)時(shí)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(jié)補(bǔ)充加固地層，使盾構(gòu)機(jī)安全始發(fā)。關(guān)鍵詞：地鐵隧道；盾構(gòu)始發(fā)；端頭井加固；液氮凍結(jié)用冷卻的手段使地層中的地下水凍結(jié)成冰，地下水不再流動，結(jié)冰后地層的強(qiáng)度大為提高，這種加固地層的方法為凍結(jié)法。通常，該工法多在

2、其他輔助加固工法很難實(shí)現(xiàn)加固目的的場合下選用[1－2]。凍結(jié)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(diǎn)是凍結(jié)速度快，但液氮需用罐車從液氮生產(chǎn)廠運(yùn)至施工現(xiàn)場，然后提供給凍結(jié)管，液氮在大氣中的釋放損耗大，成本高[3]。本文是一個(gè)利用液氮快速凍結(jié)加固盾構(gòu)始發(fā)地層的工程實(shí)例，供類似工程參考。1工程概況某地鐵區(qū)間盾構(gòu)從車站一端始發(fā)，端頭井位于富水砂層，盾構(gòu)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(gòu)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(shí)，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(bǔ)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(shí)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(jié)合工期要求，決定采用液氮快

4、速凍結(jié)加固盾構(gòu)始發(fā)地層。2凍結(jié)方案設(shè)計(jì)凍結(jié)方案采用全斷面局部凍結(jié)，設(shè)單排凍結(jié)孔。凍結(jié)孔深度16m，凍結(jié)孔數(shù)13個(gè)，凍結(jié)孔中心間距0.675m，凍結(jié)孔距連續(xù)墻外側(cè)0.4m，最外邊的凍結(jié)孔離盾構(gòu)外輪廓線0.7m，凍結(jié)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(gè)，出洞口壁面布置測溫孔4個(gè)，詳見圖1。2.1凍結(jié)參數(shù)計(jì)算洞口凍結(jié)加固體在工作井破壁和盾構(gòu)開始推進(jìn)階段，起到抵御水土壓力、防止洞周土體塌落和地下水涌進(jìn)的作用。

5、2.1.1荷載計(jì)算該始發(fā)洞口凍結(jié)加固土體承受的荷載、計(jì)算模型及凍結(jié)管布置示意圖如圖2所示。應(yīng)用重液理論計(jì)算水土壓力時(shí)，其出洞口的水土壓力P＝0.013H。其中，P為計(jì)算點(diǎn)的水土壓力，MPa；H為計(jì)算點(diǎn)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(shí)間1h以上，進(jìn)行試拔，起拔力約5～8t，如果起拔困難切不可強(qiáng)行起

6、拔以免將凍結(jié)管拔斷。盾構(gòu)邊緣兩側(cè)的2根凍結(jié)管在其他凍結(jié)管解凍期間繼續(xù)工作，待盾構(gòu)順利出洞后另行處理。2.3凍結(jié)時(shí)間及總工期估算液氮凍結(jié)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(jié)管中單位時(shí)間的蒸發(fā)量不同，凍土的發(fā)展速度約在1～5cmh，結(jié)合其他工程凍結(jié)經(jīng)驗(yàn)，凍土的發(fā)展速度取24cmd。凍結(jié)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(shí)間T=6762240=1.5d（36h）

7、，凍土達(dá)到設(shè)計(jì)厚度需45h。總工期估算：鉆孔8d，凍結(jié)管及附件安裝2d，積極凍結(jié)2d，破除洞門2d，解凍拔管1d，共15d。3凍結(jié)方案實(shí)施加固凍結(jié)從3月28日12時(shí)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(shí)開始試運(yùn)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(gè)孔循環(huán)一個(gè)孔，直到全部孔的連接完成。凍結(jié)至4月2日8時(shí)，系統(tǒng)共運(yùn)轉(zhuǎn)116h，比預(yù)計(jì)多36h。從測溫等資料分析，凍結(jié)交圈已經(jīng)形成，開始鑿除洞門，4月3

8、日晚10時(shí)盾構(gòu)靠上槽壁，開始解凍拔除凍結(jié)管。4月4日拔管過程中出現(xiàn)斷管，只好暫停拔管進(jìn)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(jìn)行處理的方法，至4月8日凌晨4時(shí)全部凍結(jié)管拔除。由于地溫高（24～25℃），實(shí)際凍結(jié)時(shí)間比設(shè)計(jì)多2d；因處理斷管，實(shí)際拔管時(shí)間比設(shè)計(jì)多3d。消耗液氮量約120t。4凍結(jié)過程監(jiān)測分析3月30日根據(jù)測溫資料對凍結(jié)情況作如下分析：1）共布置3個(gè)測溫孔，其中東面的測溫孔距離1號孔0

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

10、料凍結(jié)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(dá)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(shí)離地面11m深度的溫度為20℃，與估計(jì)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(gè)溫度測點(diǎn)，1個(gè)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(gè)布置在下部補(bǔ)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(qiáng)觀察。8）洞口的地面溫達(dá)到24℃，超過原來估計(jì)的18℃左右，造成耗氮量增加。9）上部和中部的測溫孔測溫結(jié)果與以往的經(jīng)驗(yàn)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(jié)時(shí)間，至4月2日開始鑿除洞門。4月3日下午3時(shí)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(diǎn)，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