汪振偉，王星童

(1.中國中鐵二院重慶公司，重慶 400015;2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450007)

0 引言

近年來，盾構(gòu)進(jìn)洞凍結(jié)加固在地鐵隧道施工過程中得到了廣泛應(yīng)用。由于凍結(jié)工程的特殊性，凍結(jié)壁存在未交圈或凍結(jié)壁強(qiáng)度不夠的風(fēng)險(xiǎn)，極易在開挖過程中出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象。為實(shí)現(xiàn)快速封堵水的目的，通常采用液氮凍結(jié)加固施工［1－2］。由于液氮凍結(jié)設(shè)備簡單、操作容易、凍結(jié)速度較傳統(tǒng)凍結(jié)快、凍結(jié)壁平均溫度低、凍結(jié)壁強(qiáng)度高，液氮凍結(jié)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程搶險(xiǎn)中，特別是特殊地層的加固處理、工程搶險(xiǎn)封堵水、突發(fā)事故處理以及地下隧道結(jié)構(gòu)修復(fù)加固［3－4］。前人對于液氮凍結(jié)的研究主要以物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析為主，如:熊旺［5］以上海地鐵2號線南京東路站—陸家嘴站隧道排水管修復(fù)為背景，采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，對運(yùn)營地鐵隧道液氮快速凍結(jié)的溫度場、位移場進(jìn)行了較全面的研究;石榮劍［6］在對液氮凍結(jié)進(jìn)出洞免拔管的物理試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，對現(xiàn)場液氮凍結(jié)進(jìn)行實(shí)測研究，論證了液氮凍結(jié)免拔管技術(shù)在盾構(gòu)出洞凍結(jié)工程應(yīng)用的可行性。而利用液氮進(jìn)行二次封堵水的現(xiàn)場實(shí)測研究相對較少。本文主要研究鹽水凍結(jié)壁遭破壞后，利用原鹽水凍結(jié)孔結(jié)合新布設(shè)的液氮凍結(jié)孔，使用液氮二次凍結(jié)封水情況下溫度場的發(fā)展規(guī)律和凍結(jié)壁的形成過程，為今后類似工程提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況

為了保證盾構(gòu)順利進(jìn)洞，首先采用鹽水凍結(jié)法加固接收井周邊土體。在盾構(gòu)進(jìn)洞推進(jìn)過程中，當(dāng)盾構(gòu)推至工作井位置，在拼裝環(huán)片過程中突發(fā)事故，工作井一側(cè)沿隧道軸向突發(fā)地表沉降。根據(jù)事故狀況，同時(shí)考慮到施工環(huán)境的限制，擬采用在隧道原位凍結(jié)加固保護(hù)下拆除盾構(gòu)、新建豎井后凍結(jié)封水的方案(即在原隧道盾構(gòu)機(jī)周圍采用凍結(jié)加固的方法，取出隧道內(nèi)的盾構(gòu)設(shè)備，同時(shí)在未受影響隧道上方新建工作井，通過冰塞封水)，完成隧道與新工作井的連接。

2009年3月19 日，臨時(shí)工作井開挖至19.5 m處，施工人員在進(jìn)行土方開挖作業(yè)時(shí)將4號和5號槽接縫處混凝土角樁撥倒，該部位突然出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象。通過實(shí)地查看，該縫隙成A字形，最寬處20 cm左右，約1.5 m長?，F(xiàn)場立即對工作井進(jìn)行回灌水，并采用液氮凍結(jié)方案，對除冰墻外的6個(gè)接縫采用預(yù)留的φ89 mm凍結(jié)管并加設(shè)新凍結(jié)管條件下使用液氮進(jìn)行二次凍結(jié)。

2 液氮二次凍結(jié)設(shè)計(jì)

液氮二次凍結(jié)的目的是封堵槽壁結(jié)構(gòu)接縫處的涌水涌砂。此工程的難點(diǎn)有:1)在槽壁接縫處預(yù)埋2根凍結(jié)管有偏離接縫現(xiàn)象，接縫可能在凍結(jié)范圍之外，若接縫處出現(xiàn)漏水點(diǎn)，現(xiàn)有凍結(jié)可能失去作用;2)存在槽壁向外或向內(nèi)傾斜的現(xiàn)象，并有向下發(fā)育的趨勢，液氮二次凍結(jié)加固范圍難以準(zhǔn)確確定;3)槽壁有較厚的土夾層和較厚的沉淀層的存在，對凍結(jié)設(shè)計(jì)有較大影響。

利用原有以及增設(shè)的凍結(jié)孔，對存在風(fēng)險(xiǎn)的槽壁接縫處進(jìn)行液氮二次凍結(jié)，達(dá)到在進(jìn)行新工作井排水、開挖、修補(bǔ)工作時(shí)，凍結(jié)壁能隔斷加固區(qū)域與外部的水力聯(lián)系，能抵抗槽壁面上的水土壓力，形成的凍結(jié)壁與地連墻外表面可以完全交接，能保證新工作井開挖及修補(bǔ)施工的安全。

2.1 凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)凍結(jié)壁發(fā)展半徑為0.54 m，排孔凍結(jié)方式下凍結(jié)壁厚度為1.1 m，凍結(jié)壁平均溫度為－15℃。液氮槽車積極凍結(jié)期排氣溫度控制在－100～－130℃，消極凍結(jié)期排氣溫度控制在－85～－110℃，壓力控制在 0.1 ～0.15 MPa［7－8］。

根據(jù)施工中存在的問題和槽壁存在缺陷的位置、范圍等以及對凍結(jié)范圍的要求，在2號和3號槽接縫外側(cè)增設(shè)1個(gè)凍結(jié)孔，3號和4號槽接縫外側(cè)增設(shè)2個(gè)凍結(jié)孔，4號和5號槽接縫外側(cè)增設(shè)3個(gè)凍結(jié)孔，6號和7號槽接縫外側(cè)增設(shè)2個(gè)凍結(jié)孔，7號和8號槽接縫外側(cè)增設(shè)1個(gè)凍結(jié)孔。

為了準(zhǔn)確掌握凍結(jié)帷幕的發(fā)展?fàn)顩r，在4號和5號槽增設(shè)凍結(jié)孔的外側(cè)，根據(jù)測斜的實(shí)際情況，加增1個(gè)測溫孔。凍結(jié)孔和測溫孔的具體布置見圖1。

圖1 凍結(jié)孔和測溫孔布置圖(單位:mm)Fig.1 Layout of freezing holes and temperature monitoring holes(mm)

2.2 凍結(jié)系統(tǒng)

凍結(jié)系統(tǒng)中，凍結(jié)孔選用φ89 mm×4 mm的不銹鋼無縫鋼管，鋼管間通過不銹鋼焊條坡口對接焊接，同時(shí)供液管選用φ32 mm×3.5 mm的無縫鋼管，下放到凍結(jié)管底部位置，采用不銹鋼軟管將液氮槽車和供液管進(jìn)行連接。液氮經(jīng)供液管輸送到凍結(jié)管中，氣化吸熱后變?yōu)榈獨(dú)?，并?jīng)排氣管排到大氣中。測溫孔選用φ89 mm×5 mm 20#低碳鋼無縫鋼管。

液氮凍結(jié)溫度極低，進(jìn)而導(dǎo)致管路內(nèi)外溫差極大，極易造成冷量散失。為提高冷量的利用率，對暴露在空氣中的管路、不銹鋼連接軟管、液氮控制閥和連接接頭等處均做保溫處理。

2.3 凍結(jié)監(jiān)測系統(tǒng)

2.3.1 監(jiān)測內(nèi)容

主要包括液氮進(jìn)液口溫度、氮?dú)馀艢饪跍囟?、液氮流量、液氮供液壓力、地表沉降位移、水位以及槽壁位移等?/p>

2.3.2 監(jiān)測方法

1)液氮進(jìn)液溫度、排氣溫度監(jiān)測。采用銅－康銅熱電偶測點(diǎn)檢測法，利用熱電偶的熱電效應(yīng)，采用Datataker數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2)壓力、液位監(jiān)測。通過壓力表和液位計(jì)對壓力和液位進(jìn)行監(jiān)測。

3)沉降、位移監(jiān)測。沉降監(jiān)測，水準(zhǔn)控制點(diǎn)出發(fā)按三、四等水準(zhǔn)測量要求測量各監(jiān)測點(diǎn)的高程，測量閉合差小于±0.5mm(N為測站數(shù));位移監(jiān)測，經(jīng)緯儀安置在基準(zhǔn)點(diǎn)上，用視準(zhǔn)直線法測量各測點(diǎn)到視準(zhǔn)線的距離，以開工前2次測量的平均值作為起始初值，以后每次的測量值與之比較得到本次位移量和累積位移量［9］。

3 液氮二次凍結(jié)施工

3.1 工作井填充

在液氮凍結(jié)前，應(yīng)對工作井進(jìn)行灌水或填砂填充，以保證工作井內(nèi)的水平、地壓與外界的保持一致。

3.2 凍結(jié)系統(tǒng)預(yù)冷施工

凍結(jié)系統(tǒng)安裝并做好保溫后，正式凍結(jié)前需要對凍結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷，通常分為氣態(tài)氮預(yù)冷和液態(tài)氮預(yù)冷，預(yù)冷后進(jìn)行正式凍結(jié)［10］。

1)氣態(tài)氮預(yù)冷施工。用凍結(jié)軟管將凍結(jié)器與液氮罐氣體使用閥連接，打開氣體使用閥門，保證液氮壓力≤200 kPa，控制氮?dú)獬隹跍囟仍?10℃左右，循環(huán)20 min后，將增壓閥打開，同時(shí)將液氮壓力提升至600 kPa，調(diào)節(jié)氣體使用閥門，降低排氣口溫度，凍結(jié)60 min后，保證排氣口溫度在－60℃左右［8］。

2)液態(tài)氮預(yù)冷施工。氣態(tài)氮預(yù)冷施工結(jié)束后，將凍結(jié)軟管換接到液氮罐進(jìn)出液閥上。打開進(jìn)出液閥門，并保證排氣口溫度控制在0℃以上，循環(huán)10 min后，調(diào)節(jié)進(jìn)出液閥門，2 h內(nèi)將排氣口溫度調(diào)至－40℃，即可進(jìn)行正式凍結(jié)施工。調(diào)節(jié)液氮輸出控制閥，繼而開始正式凍結(jié)施工，排氣口溫度保持在－100～－130℃即可［8］。

3.3 凍結(jié)施工控制

液氮積極凍結(jié)施工過程中，為保證快速封堵水，需加大液氮供液量，并保證供液壓力在0.3～0.45 MPa、排氣溫度在－100～－130℃、分配器供液壓力保持在0.05～0.2 MPa為宜。

液氮凍結(jié)施工過程中，依據(jù)測溫孔溫度值監(jiān)測情況，及時(shí)計(jì)算出凍結(jié)壁厚度。待凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)壁平均溫度以及強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，即可進(jìn)入液氮消極凍結(jié)，并可進(jìn)行試抽水排砂工作。

液氮消極凍結(jié)期間，排氣口溫度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來定，一般維持在－85～－110℃。通過及時(shí)調(diào)整液氮的供液壓力和供液量，充分發(fā)揮液氮低溫速凍的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保證凍結(jié)壁的有效厚度和強(qiáng)度。

4 凍結(jié)效果分析

D6'和D6″于2009年4月7日12:00開始預(yù)冷，D2'、D4'、D5'、D5″于當(dāng)日 18 時(shí)開始預(yù)冷，4 月 8 日8:00以后逐漸加大液氮供應(yīng)，14 h以后開始正常凍結(jié)。

4.1 測溫孔溫度情況

2009年4月10日6:35，C4、C5和C6測溫孔內(nèi)測點(diǎn)溫度見表1。C4、C5和C6孔測點(diǎn)溫度變化曲線見圖 2，3，4。

表1 C4、C5和C6測溫孔溫度表Table 1 Temperatures measured in C4，C5 and C6 temperature monitoring holes

C4、C5和C6測溫孔布置在4號和5號槽接縫位置處槽壁外側(cè)，距離D5'和D5″凍結(jié)孔連線的直線距離分別為0.6，0.7，0.8 m。由圖2 C4 孔測點(diǎn)溫度變化趨勢圖并結(jié)合表1的數(shù)據(jù)可知:在凍結(jié)到2009年4月10日6:35，C4－3和C4－4測點(diǎn)的溫度已低于－30℃，C4－1和C4－2的溫度在0℃左右，說明D5'和D5″凍結(jié)孔所形成的凍結(jié)封面在距地面10 m左右早已超過C4測溫孔向外擴(kuò)展，在地面附近凍結(jié)封面也基本上達(dá)到C4測溫孔的位置，總體凍結(jié)壁發(fā)展半徑超過原設(shè)計(jì)的0.54 m，達(dá)到凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)要求。由圖3 C5孔測點(diǎn)溫度變化趨勢并結(jié)合表1的數(shù)據(jù)分析可知，在距地面9.6 m的C5－4測點(diǎn)的溫度已達(dá)到－10℃，此處的凍結(jié)壁發(fā)展半徑超過0.70 m。根據(jù)圖4 C6測溫孔各測點(diǎn)溫度變化趨勢并結(jié)合表1的數(shù)據(jù)可以看出，凍結(jié)封面還沒有達(dá)到C6測溫孔的位置，對保護(hù)槽壁的穩(wěn)定和減小由于凍結(jié)施工造成的槽壁位移是有利的。

4.2 槽壁內(nèi)探孔溫度變化情況

在4號和5號槽接縫位置處槽壁內(nèi)側(cè)距地面3.9 m打了3個(gè)探孔，探孔深度為0.2 m，探孔距離4號和5 號槽接縫分別為 0.49，0.58，0.68 m;距地面 7.3 m也打了3個(gè)探孔，探孔深度為0.2 m，探孔距離4號和5 號槽接縫分別為 0.48，0.56，0.66 m。

2009年4月10日6:35，槽壁內(nèi)探孔溫度如表2所示。

表2 槽壁內(nèi)探孔溫度表Table 2 Temperature measured in probe holes in the wall

槽壁內(nèi)探孔溫度變化曲線見圖5和圖6。

圖5 距地面3.9 m處槽壁內(nèi)探孔溫度變化曲線(2009年)Fig.5 Curves of fluctuations of temperatures measured in proble holes in the wall 3.9 m below the ground surface in 2009

圖6 距地面7.3 m處槽壁內(nèi)探孔溫度變化曲線(2009年)Fig.6 Curves of fluctuations of temperatures measured in probleholes in the wall 7.3 m below the ground surface in 2009

由表2、圖5和圖6分析，可以判斷4號和5號槽接縫位置處槽壁內(nèi)側(cè)溫度已低于－4℃，6.74 m(7.3－0.56)處的溫度達(dá)到－5.4℃，且隨著深度的加大接縫位置處平均凍結(jié)溫度降低。通過對內(nèi)側(cè)測溫孔溫度的變化情況的分析可以判斷凍結(jié)封面已超出接縫處槽壁內(nèi)壁，4號和5號槽接縫位置處槽壁外側(cè)壁與凍結(jié)土體有較好的膠結(jié)作用，凍結(jié)壁的凍結(jié)強(qiáng)度和封水作用達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 凍結(jié)帷幕發(fā)展?fàn)顩r

根據(jù)C4和C5孔的測溫資料，單個(gè)凍結(jié)孔向外發(fā)展700 mm，凍結(jié)壁發(fā)展速度約為300 mm/d。利用作圖法可推算出到2009年4月10日6:35(即凍結(jié)約2.25 d時(shí))凍結(jié)帷幕已交圈，厚度大約為1 240 mm，裂縫處的有效厚度達(dá)到850 mm左右。4號和5號槽接縫位置凍結(jié)帷幕圖如圖7所示。

圖7 4號和5號槽接縫位置凍結(jié)帷幕圖(單位:mm)Fig.7 Frozen curtain at the connection joint between No.4 groove and No.5 groove(mm)

5 結(jié)論與建議

1)液氮凍結(jié)技術(shù)具有快速、安裝簡便等特點(diǎn)，在本工程中由于初期鹽水凍結(jié)形成的凍結(jié)壁存在缺陷，導(dǎo)致槽壁接縫處涌水涌砂事故發(fā)生，利用液氮快速凍結(jié)的優(yōu)勢在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期的凍結(jié)效果，縮短了工期，保證了工程質(zhì)量和安全。

2)測溫孔最低溫度達(dá)－30℃，裂縫處凍結(jié)壁有效厚度達(dá)到850 mm，凍結(jié)發(fā)展速度約為300 mm/d，槽壁內(nèi)側(cè)溫度低于－4℃，且隨著深度的加大接縫位置處平均凍結(jié)溫度降低。

3)證明了采用原有鹽水凍結(jié)孔和新增凍結(jié)孔相結(jié)合的方式進(jìn)行液氮凍結(jié)封水是可行的，且凍結(jié)效果較好，同時(shí)采用槽壁外側(cè)布設(shè)測溫孔和槽壁內(nèi)側(cè)打探孔相結(jié)合的測溫方法，總結(jié)得出凍結(jié)帷幕的形成參數(shù)和開挖分析條件。

建議在凍結(jié)工程中應(yīng)加強(qiáng)凍結(jié)壁的監(jiān)測工作，盾構(gòu)推進(jìn)施工嚴(yán)格按照規(guī)程，防止意外事故發(fā)生造成凍結(jié)壁損壞。

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