液氮快速凍結在地鐵聯絡通道搶險中的應用

包崇

（中煤隧道工程有限公司，上海 200120）

目前，常用的凍結法有鹽水凍結和液氮凍結。前者因其經濟性常用于常規施工當中，收到良好的工程實用效果。后者具有凍結速度快、凍土強度高、凍結系統簡單等特點，該方法已經越來越多地應用于市政工程中，尤其適用于一些需要緊急處理的工程事故中，在地鐵行業受到越來越多的關注。

液氮本身具有溫度低（-196℃）、惰性氣體、無色、無臭、無腐蝕性、不可燃、不易爆，在常溫下瞬間氣化轉化成水和氮氣，可直接排放至空氣中，無污染、無公害等特點。液氮凍結封水原理：液態的氮經過減壓后，變為氣態的氮氣，在氣化的過程中要吸收大量的熱量。利用該原理，在要搶險的部位布置凍結管讓液氮通過，從而使液氮在氣化過程中吸收凍結管周圍土體的熱量，達到土體快速凍結形成凍土帷幕封水的目的[1]。

1.工程概況

福州地鐵一號線三叉街站～白湖亭站區間聯絡通道位于則徐大道下方，由與隧道鋼管片相連的喇叭口、水平通道和泵站構成。聯絡通道處兩隧道中心間距15.0m，上行線隧道中心標高為-10.555m，下行線隧道中心標高-10.552m，地面標高約為7.38m。所處土層自上而下依次為：④粉質黏土、④j中砂、⑤1淤泥質土夾細砂、⑤3淤泥質土，其中④j中砂為富水砂層，為此采用鹽水凍結和礦山法施工。見圖1。

圖1 鹽水凍結孔布置圖

2.施工情況

本工程于2月17日開始凍結，4月9日凍結50d開挖驗收通過，5月3日拉開對側隧道喇叭口管片，已完成噴漿支護、防水及墻部、拱頂鋼筋綁扎工序。施工期間凍結情況良好，工作面凍土堅硬，結霜明顯。

5月4日凌晨1點，下行線從三叉街車站突然涌水，涌水漫過4道擋水壩（擋水壩高度0.75m），冷凍站平臺水位最高達到1.3m，瞬間淹沒主孔凍結區域，凍結區水深約0.9m，少量水進入開挖面。值班人員一方面立即組織排水，一方面派人排查水源。原因為三叉街車站下行線擋水壩被人打開，三叉街車站內大量積水全部涌入隧道，水溫24℃。5月6日約凌晨2點排完隧道內積水，排水期間結構無法施工，現場24h值班。5月7日6:15分，左側直墻與喇叭口底部交界面開始少量出水，水量逐漸變大。施工單位立即組織搶險，下行線通道口用鋼板進行封堵，上行線通道口用水泥進行臨時封堵。5月9日聯絡通道口在原有封堵基礎上進行二次混凝土封堵。

經過測溫數據及現場探孔情況分析，在聯絡通道上行線C11、C12、C9凍結孔附近三點測溫數據偏高，該位置估測出現1.5m（長）×2m（寬）×4m（高）的通水區域。

3.搶險方案

經業主、監理、設計、建設單位共同會議決定：為保證施工工期，對聯絡通道通水區域進行液氮補強凍結，加強凍結效果，快速封堵通水區域。

3.1 凍結設計

從地面打鉆至空倉漏水區域，液氮凍結孔共計5個，孔深22m，測溫孔2個，凍結管選用φ89×4.5mm不銹鋼管，測溫管選用φ40×4mm不銹鋼鋼管，供液管選用φ32×3mm不銹鋼管。見圖2。

圖2 液氮凍結孔布置圖

采用局部凍結法，每根凍結管和測溫管長度為22m，凍結孔間距為790mm～900mm。凍結管隔板位于地面以下14m處，即從凍結孔底部往上8m長度內凍結，凍結管結構見圖3。

圖3 凍結管結構示意圖

3.2 制冷設計

5個凍結管分成5組連接以保證凍結效果；液氮供應槽車設置在地面離凍結區域較近位置，利用φ40×4mm不銹鋼管將液氮接至凍結工作面進行凍結。

液氮凍結的關鍵環節為溫度控制，根據以往液氮凍結的經驗，液氮儲罐出口的壓力用壓力表控制在0.1MPa～0.15MPa，凍結管出口壓力控制在0.05MPa ～0.1 MPa，排氣溫度用溫度計控制在-50℃ ～-70℃，壓力調節使用液氮儲罐上的散熱板，溫度調節使用每組回路中截止閥，液氮放空管口朝上設置在地面以上1.5m～2m高度[2]。

由于液氮凍結溫度極低，凍土的發展速度也較快，根據以往工程的施工經驗，取凍土的發展速度為10cm/d，推算凍結交圈時間約為9d，再通過測溫孔的測溫判斷，方可進行后繼施工。維護凍結暫定20d。按積極凍結時需液氮2000kg/m3，維護凍結時每組需液氮200kg/h計算，總需液氮量約640t。

4.液氮凍結效果分析

液氮凍結于7月10日開始，原泄壓孔壓力凍結12d時已下降為零，并根據測溫數據分析，推導外部已經無水源涌入，通水區域已封閉，遂決定實測通道情況。7月27日凍結17d時在下行線開挖區域內增開2個探孔，開始水流量約50升/h，在放水的過程中，水量逐漸減少并停止，淤泥質粘土斷續流出，到夜間已無水、淤泥、砂等流出。7月28日鑿除下行線封堵墻后重新修復安裝安全門，8月1日通過各方驗收正式開挖，8月22日完成主體結構。目前區間隧道已通車，聯絡通道也投入使用。

5.結論

（1）該聯絡通道工程使用液氮凍結加固效果良好，有效地避免了重大損失。后期監測凍土帷幕厚度及強度達到設計要求，開挖前準備工作充足，最終將主體結構順利完成。整個施工過程安全、質量受控，符合設計要求，符合國家及地方規范，符合強制性規范條文。最終評定工程質量達到優質標準。

（2）此類由于外界不確定因素導致在開挖期間停機、漏水、漏砂等工程風險事故，首先要封堵漏水漏砂點，其次增補測溫孔、探孔進行科學分析，采用液氮快速凍結，可有效避免更大的安全事故，節省人力、物力、財力。