液氮超低溫局部凍結技術在頂管始發工程中的應用

關 偉

上海公路橋梁（集團）有限公司 上海 200433

1 背景工程概況

紹興濱海新城沿世紀大道向西擬鋪設DN1 400～DN1 200 mm的供水管，供水管在曹娥江右岸海塘處轉折向北行進，在世紀大橋下游約2.50 km處穿越江水，穿越擬采用江底頂管的方式。本次頂管始發工作井為臨時工作井，位于曹娥江左岸海塘邊的河道內。頂管洞門設計孔洞直徑1.60 m，工作井地面標高＋5.00 m，頂管洞門圈中心標高－15.00 m。上覆地層主要以雜填土為主，土質不均，頂管推進區域以粉砂為主，富水性強。頂管區域內上下4 m及推進深度5 m區域采用高壓旋噴加固，封水效果不理想，根據現場情況及液氮凍結技術優勢，決定采用垂直液氮凍結加固土體配合頂管始發。

2 液氮凍結設計

分析地層特征及周邊環境，施工難點主要表現在以下兩點：地層軟硬不均，造孔鉆頭易跑偏，偏斜控制難，且施工區域處于流砂地層，成孔過程中容易產生跑漿、坍孔風險；鄰近曹娥江，河道底板以下可能存在動水，且地層中進行過三軸攪拌與高壓旋噴，水泥水化放熱嚴重，地層需冷量大，地層交圈面臨挑戰[1-3]。

針對以上難點，經過精心設計，決定采用垂直雙排孔液氮超低溫凍結的加固方案，以擴大凍結加固范圍，縮小開孔間距，最終確定凍結深度為23.80 m，深入到頂管底板以下3 m?？紤]到液氮凍結技術及經濟的全面合理性，采用了長短腿設計、液氮局部凍結加固方案，每2根凍結管作為一組，采用串聯式連接，加固范圍為－23.80～－16.00 m。同時，針對液氮凍結存在的不均勻性，對凍結區域，頂管上下層界面處，采用十字對開透氣孔，增大了液氮的汽化斷面，從而增強了凍結壁的均勻性（圖1、圖2、表1）。

圖1 液氮凍結方案設計

圖2 串聯式凍結器

3 液氮凍結施工

3.1 凍結孔施工

紹興濱海工作井頂管始發液氮超低溫局部凍結工程于2017年6月14日開始鉆孔施工，于6月22日鉆孔施工完成。

表1 頂管始發液氮超低溫局部凍結加固主要參數

在施工鉆孔過程中，由于頂管始發部位用高壓旋噴樁與三軸攪拌樁進行過處理，特別是15 m以下，在鉆孔過程中鉆頭碰到加固的混凝土與水泥層，特別是在軟硬地層界面，鉆頭跑偏嚴重，鉆孔成孔過程中坍孔嚴重，成孔困難。后通過調節鉆機參數及配制應用高效護壁泥漿，優化鉆孔工藝，方確保了成孔與下管的順利進行。

3.2 凍結運轉

凍結加固工程于2017年6月23日轉入積極凍結施工工序，在緩慢降低凍結系統出氣口溫度、凍結3 h后，采用接觸式熱電偶K型數字測溫儀調控出口溫度達到－80～－60 ℃。針對鉆孔偏斜偏大的位置，采用單組循環的方式，同時加大液氮流量進行加強凍結。采用液氮槽車不間斷供給，通過調節干管壓力進行流量控制，積極凍結時間累計9 d。

4 施工過程監測及環境效應控制

4.1 原始地溫監測

本工程的工作井區域原始地溫在25 ℃左右，因受三軸攪拌與高壓旋噴水泥水化熱的影響，在頂管始發區域地溫升高了2.5～7.8 K，這對凍結壁的正常交圈產生了一定影響。

4.2 測溫孔溫度監測及分析

本凍結工程共布置3個測溫孔，其中T1、T2在凍結孔內側，T3在凍結孔外側。在T1、T2、T3測溫孔內部共埋設7個測點，凍結段布置5個測點，非凍結段布置2個測點。分析不同階段、不同部位凍結壁溫度場擴展情況，根據測溫孔溫度情況計算凍土擴展速率，及相應的凍結壁厚度與平均溫度，以為準確判斷交圈時間提供依據。

4.2.1 ?凍土擴展速度推算

測溫孔測點溫度降至0 ℃的時間如表2所示。

根據凍土擴展速率，以凍土擴展速率最慢的T3為例，最大孔間距1.4 m，以此來推算出凍結壁交圈時間為5.1 d。

4.2.2 ?凍結壁厚度推算

根據推算的凍土擴展速率，凍結壁向內擴展速度按T1孔計算，邊界向外擴展速度按T3孔計算，推測積極凍結10 d時的凍結壁厚度（表3）。

表2 凍土發展速率計算

表3 凍結壁有效厚度推算

按照凍結壁向內向外擴展速度，積極凍結10 d時洞門處凍結壁厚度超過2.5 m。

4.2.3 ?凍結壁平均溫度計算

根據7月1日的測溫數據繪制測溫孔溫度值與凍結管中心線的距離關系（圖3），按積分面積法求得凍結壁平均溫度為－40 ℃＜－15 ℃（設計凍土平均溫度）。由此可知，凍土帷幕凍結情況良好，凍結壁厚度及平均溫度均滿足設計要求。

4.2.4 ?局部凍結設計（長短腿）效果分析

為實現既加強頂管始發區域凍結、又可節約冷量的目的，凍結器設計采用供回液管長短腿的結構形式（以下稱為凍結段與非凍結段）。分析凍結段與非凍結段凍土的擴展速度，從而判斷局部凍結設計的效果。

分析溫度降溫曲線（圖4）可知，供液管采用長短腿的局部凍結設計方案，凍結段降溫梯度明顯高于非凍結段，推算凍結段凍土擴展速度約為非凍結段凍土擴展速度的3倍，供液管采用長短腿局部凍結設計的效果較好，約可節約冷量2/3。

4.2.5 ?探孔施工

2017年7月1日進行探孔施工，探孔深度均穿透厚1 m的地下連續墻到達凍土層，共布置4個探孔（表4）。

根據探孔施工情況，探孔內干燥無流水，探孔溫度均≤－3 ℃，這與測溫孔推算的情況基本吻合。

圖4 凍結段與非凍結段溫度變化曲線

表4 探孔情況

經過測溫孔與探孔揭露的情況分析，凍結壁強度與厚度滿足頂管始發進洞條件。2017年7月2日頂管順利始發，凍結法在頂管始發加固工程中的首次應用取得成功。

頂管始發期間，經監測，工作井地下連續墻結構及地面軌道均無明顯變形，液氮凍結降溫梯度大、凍結時間短，凍土凍脹對地下連續墻結構及地面影響小。

5 結語

此次液氮超低溫局部凍結技術在紹興濱海工作井頂管始發中的應用取得圓滿成功，為類似工程施工提供了有益借鑒，積累了經驗。

1）實踐證明，采用雙排孔液氮凍結方案配合頂管始發綠色、高效、安全。

2）采用超低溫液氮局部凍結技術，凍土擴展速度快，相比常規的鹽水凍結，凍土擴展速度為鹽水凍結速度的8～10倍[4-5]。

3）供液管采用長短腿局部凍結設計方案效果較好，約可節約冷量2/3。

4）由于液氮凍結溫度低、凍結降溫梯度大，可有效縮短凍結工期，減少凍脹效應。

5）在城市地下工程擬采用凍結工法時，工期要求緊、周邊環境效應要求高的工程，液氮凍結工法可優先考慮。