液氮、鹽水聯合凍結盾構開倉技術研究與應用

文敏

盾構法施工時經常需要進行盾構機開倉，以便進行刀具檢修維護及地層障礙物清理等作業。在超大埋深富水復合地層需要突發性開倉時，目前采用較多的氣壓開倉、地面預加固常壓開倉、常壓刀盤開倉均有較大的局限性。采用地面液氮垂直凍結結合隧道內盾構機切口環環向鹽水凍結加固刀盤四周土層，較快地實現盾構常壓開倉作業，是一種適用于復雜地層、安全高效的盾構開倉技術。

一、工程概況

珠江三角洲水資源配置工程某盾構區間的一臺Φ8630泥水平衡盾構機因突發情況需要開倉換刀。盾構機停機位置現狀地面為草地，地面標高約為2m，刀盤中心線標高約為-44.33m，地表到刀盤底覆土厚度約為50.63m。自上而下為①人工填土3.0m，②-2淤泥10.1m，②-3含淤泥質粉細砂、細砂5.9m，②-4淤泥、淤泥質黏土12m，②-5泥質粉細砂、中細砂4.5m，②-6中粗砂2.7m、③-2含有機質粉質黏土3.83m、③-4中粗砂、礫砂4.99m、Ⅳ強風化粗砂巖1.19m、Ⅲ弱風化泥質砂礫巖2.42m。盾構機掌子面位置上方為中粗砂，中部為強風化粗砂巖，下部為弱風化巖。地下水位埋深較淺，為0.5～3m。

二、凍結方案設計

采用地面液氮垂直凍結結合隧道內盾構機切口環環向鹽水凍結加固盾構機刀盤周圍土體，實現快速凍結刀盤周圍土體，實現常壓開倉。

在盾構機刀盤前方、側面以及上方設置垂直凍結孔，利用液氮凍結加固盾構機刀盤前方、兩側以及上方土體，形成倒U型凍結加固體。同時，利用盾構機切口環環向鹽水凍結管，循環低溫鹽水凍結切口環附近50cm的土體，從而確保刀盤下方土體也得到凍結加固，與液氮垂直凍結形成閉合的凍結帷幕，給盾構常壓開倉創造了條件。

液氮垂直凍結孔設置方案為：設置4排液氮凍結孔，排間距為0.8m，孔間距為0.6m，呈梅花形布置。盾構上方布置 2排凍結孔（B排、C 排），在盾構機前方布置2排凍結孔（A排、D排）。考慮液氮往下凍結速度慢，盾構掘進區域 B、C排凍結孔全部打到盾構機頂0.2m 處。凍結管邊側凍結發展為600mm，凍結管底部凍結發展為500mm。刀盤四周土體形成凍結帷幕后，需承受刀盤所處位置的水土壓力，并作為止水帷幕，為常壓安全開倉換刀創造條件。凍結壁范圍設計如下：刀盤前方 1.8m、盾體上、下、左、右各3m，盾體兩側和刀盤前方凍結范圍鉆孔深度至隧底以下3m，切口環凍土環向發展為500mm。凍結體范圍以及凍結孔設置如圖1所示。

圖1 凍結方案示意圖

液氮凍結施工設計指標為：

（1）刀盤前方凍土厚度≥1.8m，刀盤上下左右的凍土厚度≥3m；（2）凍土平均溫度≤-15℃；（3）液氮進口溫度：-150～-170℃；出口溫度：-60℃以下。

三、凍結加固施工

1.總體施工思路

在隧道內建設鹽水冷凍站，先進行盾構機切口環環向鹽水凍結。隨后進行地面液氮垂直凍結施工。

2.液氮垂直凍結孔施工

為了確保凍結孔精度，采用錨固鉆機鉆孔。首先測量放線，準確定位各凍結孔位置。然后錨固鉆機就位，確保錨固鉆機水平，鉆桿中心與凍結孔中心重合，每鉆進3米，即校核一次鉆桿的垂直度。

每個鉆孔完成后，及時下放凍結管，凍結管選用φ108×5mm的不銹鋼管。凍結管分節下放，第一根凍結管的底部應密封焊接，每根凍結管采用內套箍連接，并采用對接焊焊接牢固。凍結管下放到位后，采用木塞、泡沫板等封堵管口，防止雜物掉入。

凍結管安裝后，需要進行水壓試驗檢驗凍結管的密封性。水壓試驗壓力為0.8MPa，試驗30min后壓力下降不超過0.05MPa，且再延長15min后壓力維持不變，則水壓試驗合格。

3.液氮凍結裝置系統安裝

每個凍結管內下放一根液氮供液管，供液管采用φ32×3mm不銹鋼管，下放至接近凍結管底部。供液干管采用φ200mm不銹鋼管，每排凍結管設置一根供液干管，總計4根供液干管。供液干管與每個凍結孔的供液管之間采用不銹鋼金屬軟管連接，連接處設置閥門開關。供液干管與液氮槽車通過不銹鋼金屬軟管連接。根據實際凍結管長度及位置，凍結管采用每孔單獨循環的方式，保證各凍結管向外擴散冷量均勻。非凍結區域的凍結管外壁包裹保溫棉，所有外露的供液管與供液干管均包裹保溫棉，凍結區域地面鋪設保溫板。液氮凍結系統如圖2所示。為了防止施工人員誤觸外露的排氣管造成凍傷，外露的排氣管也需進行保溫處理，保溫措施同外露的供液管。

4.凍結施工時間估算

據我單位多年液氮凍結施工經驗，凍土的平均發展速度約15cm/天。凍結孔間距為60cm。推算凍土交圈時間為:t=60/2/15=2.0天。凍土達到交圈約需2天，液氮凍結4～5天后可以進行換刀作業，具體根據測溫孔實測溫度判定。

5.液氮需用量估算

凍結帷幕體積：長×寬×高＝14.6m×3.4m×14.6m＝724.74m3。

積極凍結期間，凍結體需要的液氮量為0.5t/天，積極凍結時間預計為7天。

積極凍結需要的液氮總量：0.5×7×724.74=2536.59t。

換刀期間采用維護凍結，維護凍結液氮消耗量約為0.25 t/天，此次換刀時間預計為7天，如換刀時間延長則維護凍結時間延長。

維護凍結需要的液氮總量：0.25×7×724.74=1268.30t。

液氮總消耗量：（2536.59+1268.30）×1.1 =3804.89×1.1=4185.38t。

6.液氮凍結

（1）液氮凍結裝置系統預冷

因液氮溫度極低，對冷凍裝置產生的熱脹冷縮效應大，一開始急速凍結，可能會導致焊縫脆裂、冷凍裝置破壞，因而開始需要對整個液氮凍結裝置系統預冷，即使用溫度較低的氮氣（-30℃以上）對整個液氮凍結裝置進行預冷處理。對凍結系統進行預冷處理時，通過調節閥門大小，使進入凍結管的氮氣溫度不低于-30℃，經過1小時的預冷處理后，將輸入氮氣的溫度逐步降低，通常經過15～24小時后，可逐漸開始往凍結孔輸送液氮。

（2）正式凍結

開始正式凍結時，要確保凍結管內充滿液氮，一般正式凍結約24h后，可根據測溫孔反饋的土體溫度，進行液氮流量調整，從而確保凍結效果。正式凍結時，以測溫數據作為液氮供應壓力與供應量的調整依據，既充分發揮液氮的低溫快速凍結效用，又要避免液氮浪費。

液氮槽車出口處的液氮溫度宜控制在-150℃～-170℃，液氮壓力控制在0.1MPa～0.15MPa；排氣管出口氮氣溫度宜控制在-50℃～-60℃，氮氣壓力控制在0.05Mpa～ 0.1 Mpa。

為避免發生液氮供應中斷的情況，液氮槽車應“一用一備”，即一臺液氮槽車在輸送液氮時，現場還有一臺裝滿液氮的槽車待用。

（3）液氮凍結注意事項

①需要做好防護措施，佩戴防護面具或防護眼鏡，以及戴皮手套等防護用具，以免液化氣體直接接觸皮膚、眼睛或手腳等部位引起凍傷。

②凍結裝置系統應采用低溫氮氣進行預冷，以避免凍結管焊縫開裂以及其他管道裝置變形過大損壞。

③排氣管高度應在2.0m以上，以便低溫氮氣排放到空氣中，保障施工人員安全。

④根據每個凍結孔的排氣溫度調節供液閥門大小，使各凍結孔周邊凍結發展速度均勻。

⑤正式凍結后，采用智能化溫度監控系統采集的測溫孔溫度數據，綜合判斷凍土發展速度。

⑥為防止雨水灌入，排氣管口宜安裝彎頭。

⑦液氮應由具有專業資質的液氮生產廠家供應，采用容量不小于20m3專用液氮槽車運輸。

7.凍結系統溫度監測

采用智能化凍結溫控系統，該系統采用出氣口氮氣溫度控制液氮流量，從而使凍土均勻發展并及時交圈，確保良好的凍結效果。

監測測溫孔溫度：在凍結帷幕范圍設置10個測溫孔，單個測溫孔根據需要布置豎向測點；全程進行監測，始終監測凍結帷幕的發展情況。既要保證凍結帷幕的均衡和厚度，又要根據測溫孔反饋的溫度，隨時調整液氮輸送量，控制凍結帷幕的發展。

監測供液干管溫度：在供液干管上布置測溫點，監測供液干管里的液氮溫度，保證連續供應溫度合適的液氮。

監測液氮供液管口溫度：在液氮供液管口布置溫度測點，監測供液管口液氮溫度，從而調整控制液氮流量，特別在預冷階段控制氮氣的溫度與流量。

監測排氣管的溫度與壓力：在每根排氣管口部布置一個測溫點與壓力監測點，通過實時監測排氣溫度與排氣壓力，來控制每個凍結孔的供液量，確保每個凍結孔周邊凍結帷幕發展速度均衡。

8.開倉條件驗收

凍結完成后，凍結施工單位和凍結監測單位均需提供凍結效果評價報告，明確結論，并組織專家對凍結效果進行評價。當現場凍結效果達到設計要求后，及時組織凍結專家進行開倉條件審查驗收。只有通過開倉條件驗收后，方可轉入下道工序施工，即開倉清理工作。

9.強制解凍

待換刀完成后，關閉倉門，對所有凍結管循環熱鹽水進行強制解凍，拔除刀盤前方的凍結管及測溫管。利用人工局部解凍的方案，進行拔管，具體方法如下：利用熱鹽水在凍結管里循環，使凍結管周圍的凍土融化達到50mm～80mm時，開始拔管。盾構刀盤轉動后，不應停止，避免刀盤被復凍。

四、常壓開倉作業

1.常壓開倉前作業準備

（1）應完成對地面沉降監測布點和數據收集準備工作。

（2）應填充盾尾刷油脂、對盾尾后面的管片進行二次注漿并檢驗止水環封閉效果。

2.減壓

對于泥水平衡式盾構，降壓梯度為0.2bar/次，每次降壓后穩壓不小于30分鐘，觀察壓力變化情況及泥水倉內液位變化情況，在確認壓力波動值小于總供氣量的10%(閘閥開合度不大于0.8）后開始進行下一階段的降壓及降液位，直至壓力降低至0bar。壓力降至0bar后穩壓不小于3h，穩壓期間不得進行其他操作（如加壓或排水），在確認泥水倉液位變化較少時（泥水排放量不大于20s）后，則判斷該地層可滿足常壓開倉要求。

3.開倉門

常壓開倉前，根據地表沉降監測數據＜3mm/d（累計數據不超過28mm）或地表無其他異常情況，確認地層條件滿足常壓進倉條件。開倉門前，應先打開倉室之間的平衡閥， 待壓力平衡后，開啟倉門。

4.通風換氣

（1）倉門開啟前應通風換氣

通過盾構機配置的保壓裝置系統置換倉內空氣，同時檢測排出倉外的氣體質量。在每次開倉工程中加強通風，保證通風至開挖倉內工作面以下，檢測倉內有毒、有害、易燃、易爆氣體，并實事求是地將檢測結果記入《氣體檢測記錄表》。

（2）開倉門后通風換氣

倉門開啟后，利用鼓風機通風換氣，通風時間應大于30min，通過作業通道通風，置換倉內空氣。作業過程中，對倉內進行實時通風，并檢測氣體，如發生異常情況，人員立即撤出，關閉倉門，并通風換氣，待開挖倉內氣體檢測合格后，才能繼續進倉作業。

5.清理和換刀

將盾構機刀盤和土倉分為上、中、下三個區進行清理，在滿足換刀操作空間的情況下最低限度清理刀盤開口，以清理刀盤背后的凍土為主。開倉清理和換刀順序：由上自下逐層清理凍土，清一層換一層。

6.關閉倉門

對于泥水平衡盾構機，開倉作業完成后，全面檢查刀盤前方及泥水倉，防止遺留工具、雜物等。確認一切正常后關閉倉門，開始試掘進。

五、結語

相對于地面水泥系預加固開倉污染周邊環境、施工周期長，而氣壓開倉則耗用大量的膨潤土以及施工人員在高壓狀態下工作效率低，采用液氮、鹽水聯合凍結盾構開倉技術，能在復雜地層安全高效地實現盾構常壓開倉作業，且綠色環保，應用前景廣闊。