液氮凍結技術在隧道工作井二次封堵水中的應用

汪振偉，王星童

(1.中國中鐵二院重慶公司，重慶 400015;2.機械工業第六設計研究院有限公司，鄭州 450007)

0 引言

近年來，盾構進洞凍結加固在地鐵隧道施工過程中得到了廣泛應用。由于凍結工程的特殊性，凍結壁存在未交圈或凍結壁強度不夠的風險，極易在開挖過程中出現涌水涌砂現象。為實現快速封堵水的目的，通常采用液氮凍結加固施工［1－2］。由于液氮凍結設備簡單、操作容易、凍結速度較傳統凍結快、凍結壁平均溫度低、凍結壁強度高，液氮凍結技術被廣泛應用于工程搶險中，特別是特殊地層的加固處理、工程搶險封堵水、突發事故處理以及地下隧道結構修復加固［3－4］。前人對于液氮凍結的研究主要以物理實驗和數值分析為主，如:熊旺［5］以上海地鐵2號線南京東路站—陸家嘴站隧道排水管修復為背景，采用實驗室試驗、數值模擬以及現場實測相結合的方法，對運營地鐵隧道液氮快速凍結的溫度場、位移場進行了較全面的研究;石榮劍［6］在對液氮凍結進出洞免拔管的物理試驗研究基礎上，對現場液氮凍結進行實測研究，論證了液氮凍結免拔管技術在盾構出洞凍結工程應用的可行性。而利用液氮進行二次封堵水的現場實測研究相對較少。本文主要研究鹽水凍結壁遭破壞后，利用原鹽水凍結孔結合新布設的液氮凍結孔，使用液氮二次凍結封水情況下溫度場的發展規律和凍結壁的形成過程，為今后類似工程提供可靠的數據支持。

1 工程概況

為了保證盾構順利進洞，首先采用鹽水凍結法加固接收井周邊土體。在盾構進洞推進過程中，當盾構推至工作井位置，在拼裝環片過程中突發事故，工作井一側沿隧道軸向突發地表沉降。根據事故狀況，同時考慮到施工環境的限制，擬采用在隧道原位凍結加固保護下拆除盾構、新建豎井后凍結封水的方案(即在原隧道盾構機周圍采用凍結加固的方法，取出隧道內的盾構設備，同時在未受影響隧道上方新建工作井，通過冰塞封水)，完成隧道與新工作井的連接。

2009年3月19 日，臨時工作井開挖至19.5 m處，施工人員在進行土方開挖作業時將4號和5號槽接縫處混凝土角樁撥倒，該部位突然出現涌水涌砂現象。通過實地查看，該縫隙成A字形，最寬處20 cm左右，約1.5 m長。現場立即對工作井進行回灌水，并采用液氮凍結方案，對除冰墻外的6個接縫采用預留的φ89 mm凍結管并加設新凍結管條件下使用液氮進行二次凍結。

2 液氮二次凍結設計

液氮二次凍結的目的是封堵槽壁結構接縫處的涌水涌砂。此工程的難點有:1)在槽壁接縫處預埋2根凍結管有偏離接縫現象，接縫可能在凍結范圍之外，若接縫處出現漏水點，現有凍結可能失去作用;2)存在槽壁向外或向內傾斜的現象，并有向下發育的趨勢，液氮二次凍結加固范圍難以準確確定;3)槽壁有較厚的土夾層和較厚的沉淀層的存在，對凍結設計有較大影響。

利用原有以及增設的凍結孔，對存在風險的槽壁接縫處進行液氮二次凍結，達到在進行新工作井排水、開挖、修補工作時，凍結壁能隔斷加固區域與外部的水力聯系，能抵抗槽壁面上的水土壓力，形成的凍結壁與地連墻外表面可以完全交接，能保證新工作井開挖及修補施工的安全。

2.1 凍結設計參數

設計凍結壁發展半徑為0.54 m，排孔凍結方式下凍結壁厚度為1.1 m，凍結壁平均溫度為－15℃。液氮槽車積極凍結期排氣溫度控制在－100～－130℃，消極凍結期排氣溫度控制在－85～－110℃，壓力控制在 0.1 ～0.15 MPa［7－8］。

根據施工中存在的問題和槽壁存在缺陷的位置、范圍等以及對凍結范圍的要求，在2號和3號槽接縫外側增設1個凍結孔，3號和4號槽接縫外側增設2個凍結孔，4號和5號槽接縫外側增設3個凍結孔，6號和7號槽接縫外側增設2個凍結孔，7號和8號槽接縫外側增設1個凍結孔。

為了準確掌握凍結帷幕的發展狀況，在4號和5號槽增設凍結孔的外側，根據測斜的實際情況，加增1個測溫孔。凍結孔和測溫孔的具體布置見圖1。

圖1 凍結孔和測溫孔布置圖(單位:mm)Fig.1 Layout of freezing holes and temperature monitoring holes(mm)

2.2 凍結系統

凍結系統中，凍結孔選用φ89 mm×4 mm的不銹鋼無縫鋼管，鋼管間通過不銹鋼焊條坡口對接焊接，同時供液管選用φ32 mm×3.5 mm的無縫鋼管，下放到凍結管底部位置，采用不銹鋼軟管將液氮槽車和供液管進行連接。液氮經供液管輸送到凍結管中，氣化吸熱后變為氮氣，并經排氣管排到大氣中。測溫孔選用φ89 mm×5 mm 20#低碳鋼無縫鋼管。

液氮凍結溫度極低，進而導致管路內外溫差極大，極易造成冷量散失。為提高冷量的利用率，對暴露在空氣中的管路、不銹鋼連接軟管、液氮控制閥和連接接頭等處均做保溫處理。

2.3 凍結監測系統

2.3.1 監測內容

主要包括液氮進液口溫度、氮氣排氣口溫度、液氮流量、液氮供液壓力、地表沉降位移、水位以及槽壁位移等。

2.3.2 監測方法

1)液氮進液溫度、排氣溫度監測。采用銅－康銅熱電偶測點檢測法，利用熱電偶的熱電效應，采用Datataker數據自動采集儀進行數據采集。

2)壓力、液位監測。通過壓力表和液位計對壓力和液位進行監測。

3)沉降、位移監測。沉降監測，水準控制點出發按三、四等水準測量要求測量各監測點的高程，測量閉合差小于±0.5mm(N為測站數);位移監測，經緯儀安置在基準點上，用視準直線法測量各測點到視準線的距離，以開工前2次測量的平均值作為起始初值，以后每次的測量值與之比較得到本次位移量和累積位移量［9］。

3 液氮二次凍結施工

3.1 工作井填充

在液氮凍結前，應對工作井進行灌水或填砂填充，以保證工作井內的水平、地壓與外界的保持一致。

3.2 凍結系統預冷施工

凍結系統安裝并做好保溫后，正式凍結前需要對凍結系統進行預冷，通常分為氣態氮預冷和液態氮預冷，預冷后進行正式凍結［10］。

1)氣態氮預冷施工。用凍結軟管將凍結器與液氮罐氣體使用閥連接，打開氣體使用閥門，保證液氮壓力≤200 kPa，控制氮氣出口溫度在+10℃左右，循環20 min后，將增壓閥打開，同時將液氮壓力提升至600 kPa，調節氣體使用閥門，降低排氣口溫度，凍結60 min后，保證排氣口溫度在－60℃左右［8］。

2)液態氮預冷施工。氣態氮預冷施工結束后，將凍結軟管換接到液氮罐進出液閥上。打開進出液閥門，并保證排氣口溫度控制在0℃以上，循環10 min后，調節進出液閥門，2 h內將排氣口溫度調至－40℃，即可進行正式凍結施工。調節液氮輸出控制閥，繼而開始正式凍結施工，排氣口溫度保持在－100～－130℃即可［8］。

3.3 凍結施工控制

液氮積極凍結施工過程中，為保證快速封堵水，需加大液氮供液量，并保證供液壓力在0.3～0.45 MPa、排氣溫度在－100～－130℃、分配器供液壓力保持在0.05～0.2 MPa為宜。

液氮凍結施工過程中，依據測溫孔溫度值監測情況，及時計算出凍結壁厚度。待凍結壁厚度、凍結壁平均溫度以及強度達到設計要求時，即可進入液氮消極凍結，并可進行試抽水排砂工作。

液氮消極凍結期間，排氣口溫度應根據實際情況來定，一般維持在－85～－110℃。通過及時調整液氮的供液壓力和供液量，充分發揮液氮低溫速凍的優點，同時保證凍結壁的有效厚度和強度。

4 凍結效果分析

D6'和D6″于2009年4月7日12:00開始預冷，D2'、D4'、D5'、D5″于當日 18 時開始預冷，4 月 8 日8:00以后逐漸加大液氮供應，14 h以后開始正常凍結。

4.1 測溫孔溫度情況

2009年4月10日6:35，C4、C5和C6測溫孔內測點溫度見表1。C4、C5和C6孔測點溫度變化曲線見圖 2，3，4。

表1 C4、C5和C6測溫孔溫度表Table 1 Temperatures measured in C4，C5 and C6 temperature monitoring holes

C4、C5和C6測溫孔布置在4號和5號槽接縫位置處槽壁外側，距離D5'和D5″凍結孔連線的直線距離分別為0.6，0.7，0.8 m。由圖2 C4 孔測點溫度變化趨勢圖并結合表1的數據可知:在凍結到2009年4月10日6:35，C4－3和C4－4測點的溫度已低于－30℃，C4－1和C4－2的溫度在0℃左右，說明D5'和D5″凍結孔所形成的凍結封面在距地面10 m左右早已超過C4測溫孔向外擴展，在地面附近凍結封面也基本上達到C4測溫孔的位置，總體凍結壁發展半徑超過原設計的0.54 m，達到凍結壁的設計要求。由圖3 C5孔測點溫度變化趨勢并結合表1的數據分析可知，在距地面9.6 m的C5－4測點的溫度已達到－10℃，此處的凍結壁發展半徑超過0.70 m。根據圖4 C6測溫孔各測點溫度變化趨勢并結合表1的數據可以看出，凍結封面還沒有達到C6測溫孔的位置，對保護槽壁的穩定和減小由于凍結施工造成的槽壁位移是有利的。

4.2 槽壁內探孔溫度變化情況

在4號和5號槽接縫位置處槽壁內側距地面3.9 m打了3個探孔，探孔深度為0.2 m，探孔距離4號和5 號槽接縫分別為 0.49，0.58，0.68 m;距地面 7.3 m也打了3個探孔，探孔深度為0.2 m，探孔距離4號和5 號槽接縫分別為 0.48，0.56，0.66 m。

2009年4月10日6:35，槽壁內探孔溫度如表2所示。

表2 槽壁內探孔溫度表Table 2 Temperature measured in probe holes in the wall

槽壁內探孔溫度變化曲線見圖5和圖6。

圖5 距地面3.9 m處槽壁內探孔溫度變化曲線(2009年)Fig.5 Curves of fluctuations of temperatures measured in proble holes in the wall 3.9 m below the ground surface in 2009

圖6 距地面7.3 m處槽壁內探孔溫度變化曲線(2009年)Fig.6 Curves of fluctuations of temperatures measured in probleholes in the wall 7.3 m below the ground surface in 2009

由表2、圖5和圖6分析，可以判斷4號和5號槽接縫位置處槽壁內側溫度已低于－4℃，6.74 m(7.3－0.56)處的溫度達到－5.4℃，且隨著深度的加大接縫位置處平均凍結溫度降低。通過對內側測溫孔溫度的變化情況的分析可以判斷凍結封面已超出接縫處槽壁內壁，4號和5號槽接縫位置處槽壁外側壁與凍結土體有較好的膠結作用，凍結壁的凍結強度和封水作用達到設計要求。

4.3 凍結帷幕發展狀況

根據C4和C5孔的測溫資料，單個凍結孔向外發展700 mm，凍結壁發展速度約為300 mm/d。利用作圖法可推算出到2009年4月10日6:35(即凍結約2.25 d時)凍結帷幕已交圈，厚度大約為1 240 mm，裂縫處的有效厚度達到850 mm左右。4號和5號槽接縫位置凍結帷幕圖如圖7所示。

圖7 4號和5號槽接縫位置凍結帷幕圖(單位:mm)Fig.7 Frozen curtain at the connection joint between No.4 groove and No.5 groove(mm)

5 結論與建議

1)液氮凍結技術具有快速、安裝簡便等特點，在本工程中由于初期鹽水凍結形成的凍結壁存在缺陷，導致槽壁接縫處涌水涌砂事故發生，利用液氮快速凍結的優勢在短時間內達到預期的凍結效果，縮短了工期，保證了工程質量和安全。

2)測溫孔最低溫度達－30℃，裂縫處凍結壁有效厚度達到850 mm，凍結發展速度約為300 mm/d，槽壁內側溫度低于－4℃，且隨著深度的加大接縫位置處平均凍結溫度降低。

3)證明了采用原有鹽水凍結孔和新增凍結孔相結合的方式進行液氮凍結封水是可行的，且凍結效果較好，同時采用槽壁外側布設測溫孔和槽壁內側打探孔相結合的測溫方法，總結得出凍結帷幕的形成參數和開挖分析條件。

建議在凍結工程中應加強凍結壁的監測工作，盾構推進施工嚴格按照規程，防止意外事故發生造成凍結壁損壞。

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