液氮凍結法在豎井施工方面的應用

張穎君 褚衍坡 徐國慶

1 工程概況

川氣東送管道工程西起川東北普光首站，東至上海末站，是繼西氣東輸管線之后又一條貫穿我國東西部地區的天然氣管道大動脈，管道主干線自西向東途經四川、重慶、湖北、安徽、江蘇、浙江、上海，全長約1 700 km。

盾構機主機到達接收井，在拼裝環片的過程中發生突發性的意外施工事故，造成接收井井口至大堤一側隧道軸線方向發現地表沉降，地面沉降長度約101 m，寬度約30 m，最深達到6 m左右。根據現場的情況，考慮到施工的具體措施，提出越江隧道原位凍結加固盾構拆除、異位新建豎井冰塞封水的方案。根據詳細勘察資料，地下水位埋深較淺，地下水水位受江水控制，考慮到不影響工程總工期，新工作井采取液氮凍結。

2 方案設計的基本參數

2.1 凍結深度

根據提供的資料，越江隧道的內徑3 080 mm，外徑3 540 mm，隧道的中心埋深31 m，新工作井槽壁埋深44 m，底板埋深37.5 m，凍結深度為44 m。

2.2 加固體尺寸確定

經計算，加固體計算厚度0.54 m，可以滿足安全系數 1.5的要求。因為液氮凍結所形成的凍結壁的平均溫度可達-15℃，為此液氮封堵凍結加固體厚度取為1.1 m。經驗算滿足強度要求。

3 液氮凍結施工

3.1 凍結管加工

凍結管選用φ 89×4 mm的不銹鋼無縫鋼管，采用打坡口用不銹鋼焊條對接焊。供液管選用φ 32×3.5 mm不銹鋼無縫鋼管，采用打坡口用不銹鋼焊條對接焊。第一根供液管下部500 mm加工成花管，花管φ 5 mm。供液管引出凍結管管口后，把凍結管管口用10 mm厚的鋼板封上。在凍結管一側開φ 32 mm的孔，安裝排氣管。凍結管內部結構剖面圖見圖1。

3.2 凍結系統的安裝

3.2.1 液氮分配器的制作

液氮分配器采用1 m長的φ 89×4 mm不銹鋼無縫鋼管焊接，通過不銹鋼軟管和液氮槽車連接。輸入口安裝DN40的低溫截止閥和壓力表，輸出口安裝DN25低溫截止閥，用來控制每個凍結孔的液氮流量(見圖2)。

3.2.2 凍結系統的保溫

為了減少冷量的損失，所有暴露于空氣中的管路，包括連接不銹鋼軟管、控制閥、連接接頭等都進行了保溫處理，保溫時先采用50 mm厚的聚苯乙烯保溫材料保溫，然后加6層密封薄膜密封。

3.3 凍結施工

3.3.1 凍結系統的預冷

正式凍結前，需要對整個凍結系統進行預冷處理。即在液氮凍結前，使用低溫氮氣對整個凍結系統進行充分預冷。

在預冷凍結階段控制閥門，使進入供液管內的氮氣維持在-30℃以上，預冷1 h后，逐漸降低輸入的氮氣溫度，在5 h～12 h后，逐漸向供液管內輸入液氮，開始正式凍結。

3.3.2 凍結的控制

在積極凍結期間，為了盡快達到封水的目的，加大了液氮的供應量，保證液氮槽車的供液壓力在0.3MPa～0.45 MPa之間、分配器供液壓力在0.05 MPa～0.2 MPa之間、排氣溫度在-100℃～-130℃之間。

在凍結過程中，根據測溫孔的溫度變化，判斷凍結帷幕的發展情況。凍結帷幕的厚度和強度達到設計要求以后，可以維持冷凍，并進行試抽水排砂工作。

消極凍結期間，排氣溫度應根據實際的測溫情況來定，一般在-85℃～-110℃之間，保證凍結壁的有效厚度和強度。

4 凍結系統的信息化監測

4.1 監測內容

1)液氮供液管口溫度監測。為了控制液氮的供液，在液氮供液管口布置溫度測點，進行實時監測，控制凍結過程中的液氮供應，特別是作為凍結預冷階段的低溫氮氣溫度控制的依據。2)排氣口溫度的監測。在排氣管口布置溫度測點，對氮氣的排放溫度進行實時監測，保證凍結持續進行，充分發揮液氮低溫速凍的效果，同時也是控制液氮供應量的依據之一。3)測溫孔溫度監測。在D5′和D5″中心連線位置布置一個測溫孔，測溫孔深度為40 m，測溫孔內每間隔6 m～7 m布置一個測溫點，以便于有效測量凍結帷幕的發展范圍。4)壓力監測。對液氮罐和分配器內的壓力要進行監測，每 30 min做一次記錄，保證液氮罐內壓力在0.3 MPa～0.45 MPa，分配器內壓力保持在0.05 MPa～0.2 MPa，保證每個凍結孔內液氮的分配均勻，同時保證液氮在到達凍結管底部之后再蒸發。5)供用量監測。對液氮罐內液氮液位每30 min做一次記錄，通過液位變化帶控制液氮的供用量，以保證液氮持續均勻供給。6)水位監測。對工作井、水源井和江面水位每隔12 h要進行一次測量，并做出記錄，便于分析工作井中水位變化情況，為工作井的抽水工作提供依據。7)地表沉降監測。為了防止凍脹對地表結構體的破壞，在凍結區域20 m范圍內設置地表變形監測點，每隔12 h進行一次測量。8)槽壁位移監測。為防止凍脹影響使槽壁發生位移，在凍結區的槽壁上設置位移監測點，每隔12 h進行一次測量。

4.2 監測結果

從溫度監測結果來看，3月22日預留孔位開始凍結，27日增加的孔位也開始凍結，4月11日大部分測溫孔測點溫度均在-10℃以下，凍結情況良好。通過沉降和位移監測，均在允許范圍內，未對長江大堤造成影響。

5 結語

整個工程于3月22日開始液氮凍結，4月11日試抽水，15 d形成凍結壁。從開挖情況來看凍結壁發展良好，豎井周圍凍脹量較小。液氮凍結法施工便捷，不需要安裝凍結機房和復雜的鹽水管路，凍結周期短，形成的凍土溫度低，強度高，封水性好。而且由于凍結溫度低，凍土中水分遷移量小，與鹽水凍結相比產生的凍脹和融沉量較小，對周圍環境影響小。當凍結區域存在少量動水時，液氮凍結也能形成凍土封水。因此液氮凍結特別適合那些地質條件復雜，場地有限或對工期有嚴格要求的工程。

[1] 翁佳杰.液氮凍結土層的理論和實踐[J].煤炭科學技術，1994(2):11-17.

[2] 王朝暉，朱向榮，曾國熙.動水條件下土層液氮凍結模型試驗的研究[J].浙江大學學報，1998(9):5-8.