關于綜合管廊工程盾構液氮凍結施工技術的探討

曾德文

廣州市市政集團有限公司工程總承包分公司 廣東 廣州 510060

1 工程概況

天河智慧城地下綜合管廊盾構施工段全長8.08km，分為華觀路綜合管廊和科韻路綜合管廊。科韻路段綜合管廊主要沿現狀科韻路鋪設，起于菠蘿山保障房旁，終于廣園快速北側棠下 220kV 變電站，全長約2.92km，沿線設7個綜合井（K3-1、K3、K4、K5、K6、K7、K8）。本區間采用的泥水盾構機施工，選自于德國海瑞克。本盾構區間由K4綜合井（兼盾構始發井）向南始發掘進至K8綜合井吊出。本次液氮凍結施工處于隧道225環，刀盤里程KB0+682.34，盾構頂部埋深約23m，根據勘察報告，穩定水位約4.2～4.3m。該處地層自上往下為：

表1 巖土分層圖

其中全風化花崗巖、微風化花崗巖就是盾構洞身所處地層。

2 液氮凍結加固方案

采用開口率為28%的刀盤，其開挖直徑為6280mm，并且采用多種刀具類型，具體包括六種，即17″雙刃中心滾刀、18″單刃正面滾刀、18″單刃邊緣滾刀、仿形刀滾刀、標準刮刀、邊緣刮刀。在換刀之前，需要進行地層加固，對此，根據現場實際情況，擬采用液氮凍結，然后進行換刀。為確保盾構順利換刀，采用液氮凍結加固方式。即：在盾構機刀盤周圍設置垂直凍結孔，凍結盾構機刀盤上部、左右側、前方的土層，并且在刀盤周形成 “∩”狀冷凍加固體。擬在刀盤前方設置1排凍結管，盾構兩邊布置2排凍結孔，盾構上部位置布置1排凍結孔，采用液氮進行凍結,短時間內形成凍結壁。在刀盤換刀時，一方面凍結壁起到加固周邊土體的作用，另一方面凍結壁起到封水的作用，為安全換刀提供良好的環境,為此，必須保證凍結壁施工質量，進而使其能夠承受上述的作用[1]。

3 盾構液氮凍結施工技術

3.1 施工工藝流程

本次常壓開倉采用液氮冷凍的方式進行加固處理，具體施工工藝流程見下圖：

3.2 凍結孔施工

3.2.1 打鉆設備選型

由于本工程工期較為緊張，根據現場條件，鉆孔設備選用地質鉆機（柴油）2臺，鉆孔使用燈光測斜。施工前應對鉆孔地面位置進行適當硬化，并對盾構停機位置的刀盤、中心線、邊線、地面標高進行測量，保證鉆孔深度與設計相符。現場準備發電機一臺，保證電焊機及施工照明用電。

3.2.2 鉆孔施工方法

首先安裝好固定鉆機以后，需要立即固定鉆機，固定時，需要將凍結孔設計位置作為依據，固定好后開始鉆進，前5m需要對鉆桿垂直度進行反復的校驗，并且對鉆機位置進行精準調整。

鉆進時，要均勻前進，并且要控制好轉速和壓力，保證沖洗量的適宜性，對于鉆鋌的增減，既要考慮深度，也要考慮地層情況。鉆具應在加尺或更換鉆頭時進行重新設置，需要使其下到距孔底0.3～0.5m處，并進行掃孔，按照規范要求，禁止在沖洗鉆具時，將其停在一個深度，并且長期的進行沖洗。一旦發生停電的情況，應立即提升鉆具，使其達到安全深度，如果停電時間大于2小時，為了保護鉆具的安全，對于所有的鉆具，應全部提出。在鉆進過程中，需要定期檢查所有鉆具的質量，檢查時，一旦發現出現彎鉆桿和磨損過大的情況，應立即更換鉆桿，終孔時，對鉆具全長進行仔細的復核，通過沖孔排凈巖粉，再下放凍結管。

一個鉆孔結束以后，開始進行下管，下第一根管時，需要對焊接密封其鋼管的底部，然后焊接下放第一個管與其它鋼管。鋼管下放完畢后，為了避免凍結管中掉入異物，還需要管口用木塞堵住。最后在進行下一個凍結孔的鉆孔以及下管施工。

垂直凍結管采用局部凍結工藝，在地面預加工，完成加工以后，實施局部凍結，然后再通過吊車，將垂直凍結管進行整根下放。

凍結孔試壓試漏：通過凍結管檢漏試驗確定成孔管的壓力，試驗時，將初始的試驗壓力設置為0.8MPa，試壓時間為30min，在此過程中，觀察壓力下降的情況，如果不超過0.05MPa，試壓時間在延長15min，如果壓力不變，則視為合格。

3.2.3 鉆孔精度保證措施

在鉆孔過程中為保證盾構機刀盤安全，確保現場鉆孔位置和深度，現場鉆孔作業時須嚴格執行以下保證措施：凍結孔孔位由項目部測量人員測量復核后設置顯著的標識，鉆孔作業班組根據現場標識鉆進，嚴禁私自調整孔位；鉆進過程中應反復校核鉆桿垂直度，發生偏斜時應及時調整；鉆進至距離設計孔底標高0.5m處時，應減小鉆進速度，直至終孔；鉆孔過程中當遇到扭矩過大、鉆頭跳動等異常情況，應及時停止鉆進，由測量人員核查鉆孔位置及深度無異常后方可恢復鉆進[2]。

3.3 凍結系統施工

3.3.1 液氮凍結系統安裝

將Ф32的供液管的進行下放，使其置于凍結管內底部。采用不銹鋼金屬軟管來連接供液管和液氮分配器，罐車中的液氮通過液氮分配器和供液管均勻分配給每一個凍結管。

根據現場工況，采用單孔單循環連接方式，保證各液氮凍結管在向外擴散冷量時，能夠均勻的進行。采用不銹鋼軟件，對各管路進行連接，由低溫液氮閥門進行控制，并且使用保溫泡沫板來包裹所有暴露的凍結管路。當槽車液氮用至一半時聯系液氮槽車到達現場進行補給，過程中控制好時間。

液氮凍結施工，要嚴格控制溫度和壓力，根據規范要求，對于液氮儲罐出口的液氮溫度，將其控制在-150℃～-170℃范圍之內較為適宜，對于液氮儲罐出口的壓力，將其控制在0.1MPa～0.15MPa范圍之內較為適宜；對于液氮出氣口溫度，將其控制在-50℃～-60℃范圍之內較為適宜，對于液氮出氣口壓力，將其控制在0.05MPa～0.1MPa范圍之內較為適宜。

3.3.2 液氮凍結系統保溫

連接不銹鋼軟管、連接接頭以及控制閥等暴露空氣中的管路，通過保溫處理來減少冷量的損失。保溫層采用橡塑保溫板和保溫棉材質，厚度不小于5cm。同時，排氣管應高于地面2m以上，地面保溫需要進行保溫。

3.3.3 液氮的運輸和存放

目前疫情影響較大，優先選用廣州市本地的液氮廠家供應液氮，采用的液氮運輸槽車，其運輸量應不小于20m3，由生產企業的專業人員負責運輸。同時凍結期間，為了避免出現施工中液氮供應中斷的問題，還需要采用容積大于20m3的1輛液氮儲罐車作為儲備設備。需要注意的是液氮供運輸，需要保證時間要求，以便于能夠及時的、持續的供應液氮供應。

3.3.4 液氮凍結系統的預冷

根據規范要求，整個凍結系統在正式凍結前需要通過低溫氮氣進行充分預冷。預冷凍結時，通過閥門來控制進入供液管內的氮氣，使其溫度保持-30℃以上，氮氣溫度在預冷的時間持續1小時以后逐漸降低，15-24小時左右將液氮輸入供液管中。

3.3.5 凍結過程的控制

液氮在凍結管內充滿后需凍結1天，液氮的供應需根據凍結效果進行調整。凍結過程要進行測溫，并液氮供應壓力和供應量需要根據測溫數據進行科學、合理的調整，既讓液氮充分發揮凍結作用，又能保證凍結的效果。

3.3.6 凍結時間估算

液氮凍結：根據液氮施工經驗，積極凍結期，凍土的平均發展速度為15cm/天以上。考慮到凍結孔偏斜，凍結孔最大孔間距為：L=1200mm。據此推算凍土交圈時間為：T=1200/2/15=4天。即液氮凍結5天后可以開倉清理及換刀作業。

3.3.7 液氮需用量

凍結體積約為：長×寬×高＝106m3。

每立方米凍土每天約需液氮0.5t，則積極凍結時總需液氮量：

0.5×5×106=265t。

此次換刀時間暫定為2天。

維護凍結液氮消耗量：0.25×2×106=53t。

液氮總消耗量（預計）（265+53）*1.1=349.8t*1.1=384.8t。（液氮損失按照10%考慮）

3.3.8 強制解凍

待換刀完成后，關閉倉門，及時的強制解凍所有凍結孔，如果存在對盾構推進施工影響的凍結管，按照要求需要全部拔除。在穿越凍結區時，需要注意盾構不宜停留，且刀盤解鎖后不間斷正反轉動，否則可能會發生防刀盤被凍死的情況。

（1）采用熱鹽水，對凍結管進行循環解凍，待凍結管周圍凍結體解凍以后立即拔除凍結管，并對凍結孔進行灌漿封堵。

（2）判斷依據：刀盤解凍采用泥漿內參入氯化鈣循環進行解凍，只要滿足刀盤能轉動后停止泥漿循環，然后恢復掘進，在通道冷凍區時刀盤應連續轉動，以防刀盤被凍死。

所有凍結管全部拔出后，盾構方可開始推進，防止盾構推進損壞凍結管，使其無法拔出。拔除凍結管，不需完全解凍，凍結管完全拔除并回填砂漿或黃砂。

3.4 開倉驗收條件

打開倉門之前，必須具備如下條件方可開倉清理：

1、經過測溫孔測溫，凍結板塊厚度達到設計要求，對凍結壁平均溫度進行測量，已降至-10℃以下。通過智能化凍結溫控系統每天實時監測，測溫項目主要包括兩個方面，一是每根凍結管出氣口的溫，二是各測溫孔的溫度。開倉前凍土墻的厚度的檢驗方式主要有：T1、T2、T3各測溫孔，按照規范要求，各測溫孔的測點以及交界面平均溫度均要達到-5°以下，對于凍土平均溫度，需要達到-10°以下。

2、對土倉內土體進行全面清理，在此過程中，如果存在滲水點，要采取措施，及時封堵。

3、開倉作業時，倉內氣體必須持續循環，進倉前必須進行氣體檢查，倉內氣體條件應符合表2的規定，如果超標，禁止人員進倉作業，則繼續進行氣體置換。

表2 開倉驗收條件

表3 開挖倉內氣體條件要求

（1）檢測位置：開倉前，其檢測位置為開挖倉壁的隔板開口處，開倉后，其檢測位置為倉內。

（2）檢測頻率：開倉作業時，將檢測次數控制在1h-2h檢測一次的頻率較為適宜，如果檢測過程中，發現異常，則可以適當的增加加密檢測頻率，一般請情況下每0.5h-1h檢測一次，并做好記錄。

3.5 倉內作業注意事項

1、倉內作業時，人倉與土倉之間閘門必須保持敞開。

2、換刀方式采取依次換刀方式，即：換完一把后再依次更換其他刀具，更換刀具時，有可能會出現凍死的情況，可采取局部解凍的方式，對刀具周圍凍土進行適當解凍。

3、待倉內工作事項全部完成以后關閉倉門，并向倉內注滿膨潤土泥漿，最后進行強制解凍，恢復掘進施工。

3.6 融沉控制

3.6.1 融沉注漿

為控制冷凍融沉量，應根據實際情況和測量數據對冷凍區域進行注漿，相關要求如下：注漿總量：根據經驗，按照凍土體積的15%左右，對融沉注漿總量進行準確計算，即注漿體積約為9.6m3。并在盾構機通過該冷凍區域后，用以下兩種方式進行融沉注漿：①利用拔除的凍結孔中預留注漿管進行跟蹤注漿；②跟蹤注漿時，主要是通過管片上注漿孔進行實施。

1、地面預留注漿管注漿施工要求

（1）安裝注漿閥管及注漿芯管：在凍結管拔除后再原凍結孔中鉆孔灌入封閉泥漿后立即插入單向密封閥管至設計深度，然后再在注漿閥管中插入密封式雙向密封芯管。

（2）灰漿攪拌：拌制水泥漿，水灰比0.6，28天無側限抗壓強度qu＞0.2MPa。

（3）注漿：注漿閥管及注漿芯管安裝完畢后，通過注漿軟管，將注漿泵以及注漿芯管進行連接，開始注漿，注漿一段拔出一段。注漿壓力按0.2-0.5MPa控制，重復3次注漿，注漿壓力逐步提高，注漿結束標準以達到注漿終壓并繼續注漿5min可結束,實際灌漿參數根據現場試驗后再進行調整，注漿擴散半徑設為1.0m。

（4）注漿孔填塞處理：考慮到在施工過程中造成地面不均勻沉降值可能超標，需再次用注漿加固方式以減小沉降速度，防止建筑物沉降不再快速延續，將注漿孔預留備用，用麻絲塞注漿閥管上口20～30cm，保證不進水，并做好明顯標志易于找尋。

2、管片注漿孔注漿施工要求

（1）注漿壓力：注漿壓力控制在0.15-0.25MPa，超過0.3MPa則停止注漿。

（2）漿液配比：單液漿，水灰比0.6。

（3）注漿結束標準：在對注漿指標控制時，主要以注漿壓力作為主要標準，即當注漿壓力達到設定值時，持續注10min左右停止注漿[3]。

4 總結

從上述內容可以看出液氮凍結施工技術也較為復雜，對此應根據工程項目的情況，制訂完善的液氮凍結施工方案，對施工方案的相關規定進行嚴格的執行，抓住液氮凍結施工技術要點，確保液氮凍結施工的質量。