液氮凍結技術在盾構隧道土體加固中的應用

摘要：為了解決地下水發育的強透水砂礫層條件下，盾構常壓開倉施工地層加固和止水問題，以某區間隧道為例，在分析場區基本施工現狀基礎上，基于液氮人工凍結技術，對盾構常壓開倉所需的土層加固范圍和強度進行計算，并對加固效果進行監測。研究結果表明：冷凍期間地層溫度控制和地表沉降變形控制良好，形成了加固體和止水帷幕，保障了盾構常壓開倉清理土層和更換維修刀具。

關鍵詞：人工凍結法;液氮凍結;地鐵盾構;土體加固;富水砂礫層

0" "引言

盾構工法施工時常用的開倉換刀方式有2種，即常壓開倉換刀方式和帶壓開倉換刀方式。帶壓開倉換刀具有極大的風險性，且對機械維修人員的素質要求較高，因此在工程中應用較少。常壓開倉換刀具有高效、安全等特點，但應創造一個無水環境，在富水砂礫層中需采取有效的止水措施。液氮人工凍結技術提供了一個高效安全、環境友好的止水選項。

針對液氮人工地層凍結技術，國內外較多的研究學者展開了研究。姚夢威等[1]人依托南京緯三路過江通道盾構施工為研究背景，通過液氮凍結對高圍壓條件下盾構機尾部滲水涌砂事故進行處理。楊海東[2]針對富水粉砂層條件下，分別采用液氮凍結和鹽水凍結，對盾構進出端頭井的土層進行加固，分析凍結法的適用性。魯先龍[3]基于人工地層凍結法的基本原理，介紹了其在工程搶險中的應用風險，以及從施工和設計方面進行了技術把控。

結合現有的文獻分析[4]表明，現有的液氮人工地層凍結技術主要應用于盾構機端頭井加固、盾尾滲漏事故以及工程搶險，在盾構機常壓開倉換刀和機械維修方面的土層加固止水方面，尚未有工程報道。本文依托盾構施工為研究背景，采用液氮人工凍結地層技術加固地下水豐富的砂礫土層，為盾構機常壓開倉創造條件，研究成果可為富水條件下強透水地層的盾構施工土層加固的類似工程提供參考。

1" "地鐵隧洞盾構施工的現狀分析

所研究的區間隧道為分離式隧道，區間隧道上覆土層厚度為11.70～17.16m，左、右線間距為12.0～17.0m。場區地下水發育，埋藏深度為8.6～11.4m。盾構隧道施工穿越的土層以強透水砂礫層為主，隧道沿線洞身范圍內土層的厚度分布及滲透系數如表1所示。

在右線盾構推進過程中，掌子面施作至里程DK10+780時（已推進1050m），盾構機出現刀盤、刀具嚴重磨損現象，盾構機不具備進一步掘進的條件。若強行施工將引發盾構卡頓、刀盤破損等風險，需停機對刀盤故障進行排除，才能保障盾構的安全復推。停機處，掌子面地層主要為③-4-1細砂層、③-9-2圓礫層和③-8-1礫砂層。

經過現場調研，停機位置處為城市中心市政道路正下方，道路交通繁忙，地下管線密集，涉及風險性大的管道為3根城市燃氣管道。具體如下：管道壓力等級為中壓力的管道A，管徑為300mm，管材質為鋼材，管接之間的連接采用法蘭連接。管道壓力等級為中壓力的管道B，管徑為300mm，管材質為鑄鐵，管接之間的連接采用承插連接。管道壓力等級為低壓力的管道C，管徑為300mm，管材質為鑄鐵，管接之間的連接采用法蘭連接。管道對地層的變形敏感，容許變形小于1mm。

為了達到常壓開倉的條件，進入刀盤倉體前需對周圍土體進行止水，以便機械維修人員在無水環境下工作，清理刀盤周圍土層和更換刀具。由于現場分布的市政燃氣管道對降水施工、降水變形的限制，場區不具備降水施工條件。前期對場區地層采用了高壓旋噴注漿加固措施，但掌子面位置處地層的滲透系數大（范圍為3.5×10-3～1.3×10-1cm/s），且地下水流速度較大，影響旋噴加固止水效果，反復注漿也未達到常壓開倉條件。為此經過多方論證，嘗試利用液氮人工凍結土層技術，對富水砂礫層進行加固并形成止水帷幕。

2" nbsp;液氮凍結技術基本原理及凍結施工參數驗算

2.1" "液氮凍結技術基本原理

在富水砂層中，砂層的孔隙內充填地下水呈現飽和狀態，通過對冷媒介質對土層降溫凍結，地下水從液體變為固體，達到了止水效果。另一方面，砂層凍結后從顆粒接觸變為整體固結，可以有效提高土體的強度、連續性。液氮人工凍結土層技術的原理，是利用液氮相變吸熱的物理本質對周圍土層進行溫度降低。實施時，通過對土體內部埋設凍結管，冷液氮在管內不斷循環沸騰相變，吸收土體內的熱量，使土體內溫度迅速下降，孔隙內地下水凍結，形成一個連續的止水帷幕。

對于有地下水滲流的液氮人工凍結技術，可以采用多場耦合的偏微分方程進行描述，如式（1）、式（2）所示。

（1）

（2）

式中，T為溫度，ρse為液氮密度，cρe為液氮比熱容，λe為液氮導入系數，Vx、Vy為水流速度，ρw為地下水密度，Cρw為地下水比熱容，H為水頭高度，K為傳導系數。

2.2" "液氮凍結技術施工參數

為了滿足盾構常壓開倉換刀的施工要求，提供一個土倉清理和機械維修的空間，需要對盾構機周圍和掌子面前方土體進行凍結，使其形成封閉的凍結帷幕和加固結構。凍結體需要滿足3個方面的要求：一是凍結體的厚度應滿足強度要求，避免厚度不足誘發地下水擊穿凍結體;二是凍結體具有一定安全系數，能夠抵抗地下水土壓力，地下刀盤中心位置能夠提供一定拉彎應力;三是凍結體溫度在維持地下水冷凍基本要求上，最低溫度不能超過刀盤、盾殼等能承受的最低溫度。

綜合考慮冷凍能力以及土層受凍的發展程度，設計凍結范圍為刀盤左右兩側為1.5m內土層，頂部和底部2.0m內土層，掌子面前方1.5m內土層，寬度×深度為9.4m×21.00m。為了維持冷凍效果，施工時，將液氮冷凍液進入管道內溫度控制在-170～-150℃，液壓注入控制為0.15MPa排出管道溫度控制在-60～-50℃，凍土的溫度不大于-15℃，并采用溫度監測孔對土體溫度進行測試，測溫孔內溫度不大于-5℃。

3" "盾構隧道液氮凍結土體加固方案布置及凍結驗算

3.1" "盾構隧道液氮凍結土體加固方案布置

為了達到冷凍設計效果，對盾構機周圍的土體進行冷凍管埋設。受限于場區燃氣管線條件，采用地質鉆機進行成孔。埋深大直徑的冷凍管進行凍結，冷凍管直徑為146mm，每根凍結管內下放安裝1根直徑為32mm的供液管，供液管深至凍結管底部以上0.2m。現場冷凍管和測溫孔的平面和立面布置如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2中可以看出，冷凍管共分為5列，共26孔，分別為A列（7孔）、B列（8孔）、C列（2孔）D列（7孔）和Z列（2孔），其中A列孔距離刀盤1.2m，孔間距為1.0m，孔深為26m，冷凍管孔徑為108mm，厚度為5mm，材質為PE管;B列孔距離刀盤0.4m，孔間距為1.0m，孔深為26m，冷凍管孔徑為108mm，厚度為5mm，材質為PE管;C列孔距離刀盤0.6m，距離盾構機盾殼0.4m，孔深為26m，冷凍管孔徑為108mm，厚度為5mm，材質為PE管;D列孔距離刀盤1.6m，距離盾構機盾殼0.2～0.3m，孔間距為1.2m。D1、D7孔深為26m，D3、D5孔深為12.0m，D2、D6孔深為12.8m，D4孔深為11.7m。冷凍管孔徑為108mm，厚度為5mm，材質為PE管。Z列孔為增設孔，防止邊孔冷量損耗，設置時與相鄰C列孔和D列孔形成等邊三角形，孔深為26m。

3.2" "盾構隧道液氮凍結土體加固方案驗算

3.2.1" "掌子面前方凍結體厚度驗算

掌子面前方凍結體厚度驗算可由等效強度理論公式進行計算，如公式（3）所示

（3）

式中，h為掌子面前方凍結體厚度，m;k為安全系數，依據經驗取值為2.0;β為凍結體的強度系數，按地區經驗和相關資料取1.2;p為地下水土壓力作用于刀盤底部的壓力值，按停機處的水土條件計算得到為0.237MPa;D為盾構機外直徑，按設計要求為6.30m;σ為凍結土體的容許彎拉強度，大小為3.5MPa。經過計算可知，滿足安全系數2.0的掌子面前方凍結體厚度為1.27m，現設計取值為1.5m，可以滿足受力要求。

3.2.2" "掌子面前方凍結體抗剪切驗算

除了滿足厚度要求外，掌子面前方凍結體還受到剪切應力的作用，沿刀盤土倉周邊驗算加固體剪切應力，按照我國建筑結構靜力計算理論公式進行驗算，刀盤中心所受最大彎拉應力計算方法，如公式（4）所示

（4）

式中，σmax為掌子面前方加固體的最大彎拉應力;p為地下水土壓力作用于刀盤底部的壓力值，按停機處的水土條件計算得到為0.237MPa;D為盾構機外直徑，按設計要求為6.30m;μ為土體的泊松比，取值為0.35;h為掌子面前方加固體設計厚度，為1.5m。經過計算，得到σmax為1.3MPa。由于設計的凍結體溫度為-15℃。此時凍土的彎拉強度σ為3.5MPa，可計算得安全系數k為2.7，滿足設計要求。

4" "盾構隧道液氮凍結土體加固效果分析

盾構隧道液氮凍結孔內冷凍管、供液管的安裝于2019年6月15日施工完成，并從2019年6月17日開始對土體進行冷凍施工，凍結期間維持液氮的持續灌入，控制凍土凍結速率為10cm/d，并持續對T1、T2、T3測溫孔進行溫度監測，孔內溫度隨時間變化的曲線結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，不同位置的測溫孔溫度隨時間的變化規律基本一致，隨著時間的增加呈線性減小，并趨于穩定，表明液氮人工凍結地層技術施作效果良好，地層均表現出較為一致的溫度場變化規律。在凍結體中約中心的位置，土體的溫度下降較大。T2測溫孔正處于掌子面中心附近，其穩定溫度極值約為-50℃。而T1測溫孔位于凍結體邊緣，其穩定溫度極值較T2測溫孔小，約為-20℃。而T3測溫孔處于凍結體之外，其穩定溫度極值最小，約為-10℃。

為防止市政燃氣管網破裂，施工前在冷凍區域進行位移監測點布置，共布置4個地表沉降監測點，6個管線位移監測點，監測頻率為1次/天。從地表沉降監測結果可知，在冷凍期間，任意監測點位置處的變形均隨時間的增長無明顯變化，位移控制良好。

5" "結論

本文以某區間隧道為例，研究液氮人工凍結技術在盾構換刀段的應用，得到以下結論：

由于現場分布的市政燃氣管道對降水施工、降水變形的限制，場區不具備降水施工條件。前期對場區地層采用高壓旋噴注漿加固措施，但掌子面位置處地層滲透系數大。且地下水流速度較大，影響旋噴加固止水效果，反復注漿也未達到常壓開倉條件。為了達到常壓開倉的條件，進入刀盤倉體前需對周圍土體進行止水，以便機械維修人員在無水環境下清理刀盤周圍土層和更換刀具。

基于液氮人工凍結技術對盾構常壓開倉所需的土層加固范圍和強度進行計算，設計的凍結體厚度1.5m，設計溫度為-15℃時，凍土的彎拉強度σ為3.5MPa，安全系數k為2.7，滿足厚度和抗剪切強度要求。冷凍期間地層溫度控制和地表沉降變形控制良好，形成了加固體和止水帷幕，保障了盾構常壓開倉清理土層和更換維修刀具。

【基金項目】

2021年甘肅省高等學校創新基金項目（2021A-206）

參考文獻

[1] 姚夢威，楊平，張英明，等.南京緯三路過江通道液氮凍結盾尾刷更換技術及溫度實測研究[J].現代隧道技術，2018，55（3）：186-192.

[2] 楊海東.粉細砂地層地鐵盾構端頭井加固方法的適用性分析[J].城市軌道交通研究，2011，14（5）：61-64.

[3] 魯先龍，陳湘生，陳曦.人工地層凍結法風險預控[J].巖土工程學報，2021，43（12）：2308-2314.

[4] 郭曉東，胡向東.多供液管供液下液氮凍結優越性分析[J].現代隧道技術，2020，57（3）：141-146，153.