劉占英 趙書銀 姜景雙 吳 浩 魏清波

(1.呼和浩特市城市軌道交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古呼和浩特 010000；

2.中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100020；3.中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司 北京 101149；4.中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 北京 101300)

1 引言

由于盾構(gòu)法具有快速、安全、環(huán)保、對(duì)周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)，我國(guó)城市軌道交通區(qū)間隧道基本采用盾構(gòu)法施工。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，不可避免出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備故障等需要開倉(cāng)的情況。目前，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)施工中的刀盤故障及更換刀具，一般采用常壓開倉(cāng)和帶壓開倉(cāng)兩種方式處理[1-2]，其中，常壓開倉(cāng)安全可靠且高效。而常壓開倉(cāng)一般需要在無(wú)水環(huán)境中進(jìn)行，因此，如何止水成為盾構(gòu)開倉(cāng)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

液氮凍結(jié)是一種土層人工凍結(jié)技術(shù)，靠液氮在凍結(jié)管內(nèi)直接氣化吸熱帶走地層中的熱量，從而實(shí)現(xiàn)土層的快速凍結(jié)。液氮的惰性很強(qiáng)、無(wú)腐蝕性、不可燃、穩(wěn)定性好，液氮凍結(jié)技術(shù)具有凍結(jié)速度快、溫度低的特點(diǎn)，并且凍結(jié)加固土體規(guī)?？筛鶕?jù)實(shí)際情況而定，工作方便，對(duì)周圍環(huán)境無(wú)污染。目前，地下工程中的液氮凍結(jié)施工主要應(yīng)用于盾構(gòu)隧道進(jìn)出洞、聯(lián)絡(luò)通道、更換盾尾刷和工程搶險(xiǎn)的土體加固施工[3-9]。本工程采用液氮凍結(jié)地層止水維修刀盤和更換刀具，效果理想。

2 工程概況

呼和浩特市城市軌道交通2號(hào)線一期工程水上公園站～諾和木勒站區(qū)間全長(zhǎng)1 152.819 m，區(qū)間結(jié)構(gòu)覆土約11.7～17.16 m，隧道采用盾構(gòu)法施工。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水埋深介于8.6～11.4 m之間，地層自上而下分別為：＜1-2＞素填土，厚度3 m；＜3-4-1＞細(xì)砂層，厚度3 m；＜3-6-1＞中砂，厚度4 m；＜3-9-1＞圓礫，厚度4 m；＜3-8-1＞礫砂，厚度2 m；＜3-9-2＞圓礫，厚度3 m；＜4-2＞粉質(zhì)黏土，厚度8 m。

該區(qū)間地處繁華鬧市區(qū)，施工區(qū)域?yàn)槭姓缆废路?，未涉及市政建筑物。施工區(qū)域內(nèi)涉及到城市燃?xì)夤艿?，沿道路縱線敷設(shè)，位于隧道正上方，且現(xiàn)場(chǎng)無(wú)遷改條件。三條管道分別為中壓A、中壓B和低壓管，埋深1.8～2.3 m。中壓A為DN300鋼管，連接方式為法蘭連接；中壓B為DN300鑄鐵管，連接方式為承插連接；低壓管為DN300鑄鐵管，連接方式為法蘭連接。

該區(qū)間隧道右線盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至DK10+780位置(1 050 m)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)無(wú)法正常掘進(jìn)，需要停機(jī)處理。經(jīng)分析論證認(rèn)為，盾構(gòu)機(jī)刀盤磨損嚴(yán)重，刀具需要更換，已不具備繼續(xù)掘進(jìn)條件。

3 施工方案的選擇

為確保盾構(gòu)機(jī)故障順利解除，復(fù)推前需要開倉(cāng)將刀盤周圍清理干凈，進(jìn)行刀盤修復(fù)和刀具更換。在進(jìn)倉(cāng)實(shí)施前，需完成對(duì)周邊地層止水處理。由于燃?xì)夤艿赖拇嬖?，現(xiàn)場(chǎng)不具備降水施工條件。前期采用注漿法施工，皆因隧道掘進(jìn)面位于＜3-5-2＞細(xì)砂、＜3-9-2＞圓礫和＜3-8-2＞礫砂復(fù)合地層中，地層滲透系數(shù)達(dá)到80～100 m/d，地下水流速較快，反復(fù)注漿處理效果不明顯，無(wú)法達(dá)到止水效果。經(jīng)專家分析論證，最終選用液氮凍結(jié)技術(shù)，采用垂直凍結(jié)管對(duì)刀盤周邊進(jìn)行地層加固，以達(dá)到止水的目的。

4 液氮凍結(jié)加固技術(shù)

4.1 凍結(jié)思路及范圍

(1)凍結(jié)思路

在盾構(gòu)機(jī)體、刀盤上部和前方及其左右兩側(cè)利用垂直凍結(jié)孔凍結(jié)加固地層，使盾構(gòu)機(jī)體、刀盤左右側(cè)、上部和前方范圍內(nèi)土體凍結(jié)。由于地處市政道路，場(chǎng)地限制原因，凍結(jié)孔無(wú)法直接打設(shè)到盾構(gòu)機(jī)體底部，因此采用較大直徑凍結(jié)管(φ146 mm)以延長(zhǎng)凍結(jié)工期的形式，使凍土逐步發(fā)展，直至凍結(jié)壁凍結(jié)完成。

凍結(jié)壁的作用是在盾構(gòu)機(jī)開倉(cāng)施工期間，起到加固周邊土體及封水止水的效果，以滿足盾構(gòu)機(jī)常壓條件下的開倉(cāng)要求，為此，要求確保凍結(jié)壁能承受刀盤處水土壓力。

為確保在刀盤周圍形成加固和止水的凍結(jié)帷幕，考慮到液氮凍結(jié)進(jìn)口溫度為-150～-170℃低溫，本工程凍土平均溫度控制在-15℃以內(nèi)，對(duì)盾構(gòu)各部位及零件無(wú)影響。盾構(gòu)機(jī)的刀盤、焊縫和盾殼能夠長(zhǎng)期承受的最低溫度為-50℃。

(2)凍結(jié)范圍

考慮到凍土發(fā)展的程度，為確保土倉(cāng)及刀盤前方清理的安全，針對(duì)盾構(gòu)機(jī)體、刀盤左右側(cè)1.5 m、刀盤上部2 m，刀盤下部2 m，刀盤前方1.5 m范圍內(nèi)土體凍結(jié)。

液氮凍結(jié)施工設(shè)計(jì)指標(biāo)為：①凍結(jié)壁厚度≥1.5 m，寬度約9.4 m，深度為21 m；②凍土平均溫度≤-15℃；③測(cè)溫孔平均溫度≤-5℃；④液氮進(jìn)口溫度：-150～-170℃；排出口溫度：-50～-60℃。

4.2 凍結(jié)參數(shù)的確定

4.2.1 凍結(jié)效果計(jì)算及驗(yàn)算

(1)凍結(jié)加固體厚度計(jì)算

假定凍結(jié)加固體為整體板塊承受水土壓力，采用日本方法計(jì)算加固體的厚度，計(jì)算公式為：

式中，h為凍結(jié)加固體厚度，單位m；k為安全系數(shù)，取2.0；β為凍土強(qiáng)度系數(shù)，取1.2；p為刀盤底部水土壓力，取0.235 MPa；D為盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑，取6.3 m；σ為凍土彎拉強(qiáng)度，取3.5 MPa[10]。

凍土設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)相應(yīng)地質(zhì)凍土資料以及以往工程經(jīng)驗(yàn)確定。計(jì)算得墻體厚度為1.27 m，取1.5 m?？梢姡瑑鼋Y(jié)壁1.5 m厚度可以滿足受力要求。

(2)剪切驗(yàn)算加固體厚度

沿刀盤土倉(cāng)周邊驗(yàn)算加固體剪切應(yīng)力，計(jì)算公式為：

計(jì)算得凍結(jié)加固體剪切應(yīng)力為τmax=0.246 MPa。因-15℃時(shí)的凍土抗剪強(qiáng)度τ=2.2 MPa，故安全系數(shù)k為8.9。

采用我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算理論進(jìn)行驗(yàn)算，刀盤中心所受最大彎拉應(yīng)力為：

式中，σmax為加固體最大彎拉應(yīng)力，單位MPa；μ為凍土泊松比，μ取0.35。

計(jì)算得凍結(jié)加固體最大彎拉應(yīng)力為σmax=1.3 MPa。因-15℃時(shí)的凍土彎拉強(qiáng)度σ=3.5 MPa，計(jì)算得安全系數(shù)k為2.7。

驗(yàn)算結(jié)果表明，凍結(jié)壁厚度取1.5 m可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 孔位布置

考慮到凍結(jié)對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)及地層中孔隙水結(jié)冰體積增大造成的影響，需合理布置凍結(jié)孔、合理控制凍結(jié)時(shí)間。凍結(jié)區(qū)域共布置4排凍結(jié)孔，見圖1。

(1)A排孔距刀盤1.2 m，B排距刀盤0.4 m，屬于盾構(gòu)機(jī)端頭封水區(qū)，全深凍結(jié)孔，深入地層底部不透水黏土層3 m，兩排梅花式布置；其中，A排凍結(jié)孔7個(gè)，B排凍結(jié)孔8個(gè)，共設(shè)置15個(gè)凍結(jié)孔，開孔間距1 m，孔深26 m，凍結(jié)孔采用φ108×5 mm PE管。

(2)C排孔與B排孔排距1.0 m，距離盾構(gòu)機(jī)體0.4 m，作用于刀盤兩側(cè)止水，設(shè)置2個(gè)凍結(jié)孔，孔深26 m。

(3)D排孔與C排孔排距1.0 m，作用于盾構(gòu)機(jī)體頂端封水，終孔位置距離盾構(gòu)機(jī)體0.2～0.3 m，設(shè)置7個(gè)凍結(jié)孔，開孔間距1.2 m；其中，D1、D7孔深26 m，D2孔深12.8 m，D3孔深12 m，D4孔深11.7 m，D5孔深12 m，D6孔深12.8 m。

圖1 凍結(jié)及測(cè)溫孔布置

(4)在C排孔和D排孔邊排孔中間位置各增加一個(gè)孔，Z1和Z2，孔深26 m，降低邊排孔冷量損失。

(5)為確保實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍土發(fā)展?fàn)顟B(tài)，設(shè)置三個(gè)測(cè)溫孔，其中T1、T3孔深26 m，T2孔深18 m。

需要注意的是，凍結(jié)孔布置時(shí)，要排查地下管線，必要時(shí)須避開地下管線；為實(shí)現(xiàn)不拔凍結(jié)管，盾構(gòu)正前方范圍內(nèi)的凍結(jié)管選用φ108×5 mm PE管，供液管采用φ32×3 mm不銹鋼管；所有管下放時(shí)，要焊接嚴(yán)密，不允許出現(xiàn)漏水現(xiàn)象；邊排孔采用大口徑凍結(jié)管，在鉆孔時(shí)，不允許向外偏斜，可略向內(nèi)偏斜3°；施工期間，D排孔除邊排孔外，以遇到盾構(gòu)鋼外殼為準(zhǔn)。

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)[11]，凍土的凍結(jié)速度按10 cm/d考慮，本工程凍結(jié)孔間距1 m，加上合理偏斜，推算達(dá)到設(shè)計(jì)厚度需要15 d。

4.3 凍結(jié)施工

(1)施工放樣及鉆孔：根據(jù)設(shè)計(jì)孔位布置圖對(duì)現(xiàn)場(chǎng)孔位進(jìn)行噴漆標(biāo)識(shí)。為了保證鉆孔精度，鉆孔前5 m時(shí)，要反復(fù)校核鉆桿垂直度，調(diào)整鉆機(jī)位置；鉆孔期間，勻速鉆進(jìn)；終孔時(shí)應(yīng)復(fù)核鉆具全長(zhǎng)，確保深度滿足要求。

(2)管道下放：成孔后，洗孔至孔內(nèi)渣層排凈，立即下放并固定凍結(jié)管。下放完畢后用木塞封堵管口，以免異物掉進(jìn)凍結(jié)管。

(3)凍結(jié)管密封檢測(cè)：試驗(yàn)壓力為0.8 MPa，30 min后壓力下降不超過(guò)0.05 MPa，延續(xù)15 min壓力不變化為合格。

(4)液氮凍結(jié)

①每根凍結(jié)管內(nèi)下放安裝1根φ32供液管，供液管深至凍結(jié)管底部以上0.2 m。

②凍結(jié)管用不銹鋼金屬軟管連接，然后將每個(gè)凍結(jié)管連接分配器，通過(guò)分配器把液氮分配給每一個(gè)供液管。

③采用單孔單循環(huán)方式，保證各凍結(jié)管均勻向外擴(kuò)散冷量。管路用低溫液氮閥門控制，所有外露的凍結(jié)管路采用保溫泡沫板保溫。液氮注入期間做好注入量的控制，防止液氮出現(xiàn)供應(yīng)中斷。

④液氮凍結(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為溫度控制和壓力控制，液氮儲(chǔ)罐出口的溫度控制在-150～-170℃，壓力控制在0.15 MPa以內(nèi)為宜；凍結(jié)管出口溫度控制在-50～-60℃，溫度調(diào)節(jié)使用液氮儲(chǔ)罐上的散熱板，壓力調(diào)節(jié)使用每組回路中截止閥。現(xiàn)場(chǎng)凍結(jié)施工情況見圖2。

(5)測(cè)溫孔布置、溫度計(jì)選擇及測(cè)溫記錄

①測(cè)溫孔與凍結(jié)孔平行布置，本工程布置3個(gè)測(cè)溫孔，分別位于刀盤側(cè)向，刀盤前方和距離盾構(gòu)掌子面最遠(yuǎn)端；且與凍結(jié)管水平距離分別為1.0 m、0.5 m、1.6 m。

②測(cè)溫計(jì)選擇工業(yè)用電子傳感測(cè)溫表，量程為100～-100℃。

③測(cè)溫記錄，每天定時(shí)抄表記錄，本工程每天下午2點(diǎn)記錄一次。

圖2 液氮凍結(jié)施工

4.4 凍結(jié)加固效果分析

4.4.1 溫度控制分析

鉆孔于2019年6月15日施工結(jié)束；連接冷凍管、供液管和管道保溫，6月17日開始凍結(jié)，凍結(jié)期間液氮連續(xù)注入。本工程通過(guò)3處測(cè)溫孔數(shù)據(jù)反饋，溫度平均值計(jì)算分析，液氮凍結(jié)第14 d溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，根據(jù)凍結(jié)溫度推算，凍結(jié)體厚度滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)調(diào)整液氮注入速度，穩(wěn)定凍結(jié)體溫度，從而可有效控制對(duì)地層的凍結(jié)效果?，F(xiàn)場(chǎng)凍結(jié)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 水～諾區(qū)間液氮凍結(jié)溫度監(jiān)測(cè)值變化曲線

4.4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

施工前根據(jù)施工區(qū)域范圍，進(jìn)行地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置4處，管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)6處，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d。截止溫度穩(wěn)定日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)穩(wěn)定無(wú)明顯變化，地面無(wú)隆起現(xiàn)象。

5 常壓開倉(cāng)及后續(xù)施工

通過(guò)盾構(gòu)土倉(cāng)隔板預(yù)留孔，排干盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)少量集水，并用紅外測(cè)溫計(jì)測(cè)出排放的水溫達(dá)到0℃后，人工進(jìn)倉(cāng)清理，首先將土倉(cāng)內(nèi)渣土清理干凈，人工用小泥斗從人閘出渣；再清理刀盤與掌子面之間渣土，清理厚度40～45 cm；最后清理刀盤外輪廓，清理厚度15 cm左右。清理工具使用風(fēng)鎬和鐵鍬，施工順序均為從上至下，土倉(cāng)清理后啟用螺旋輸送機(jī)出渣；清理期間，作業(yè)面溫度保證在-10℃左右。

刀具更換、刀盤修復(fù)完成，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，并檢查盾構(gòu)機(jī)設(shè)備，確認(rèn)完好后，即可停止凍結(jié)；拔出盾構(gòu)前方供液管；恢復(fù)掘進(jìn)，平穩(wěn)快速推進(jìn)穿過(guò)凍結(jié)區(qū)。

6 結(jié)論

(1)凍結(jié)期間，根據(jù)地面測(cè)溫孔和盾構(gòu)土倉(cāng)隔板預(yù)留孔排水量和排水溫度判斷冷凍固結(jié)效果，盾構(gòu)土倉(cāng)隔板預(yù)留孔排出水的溫度達(dá)到0℃后，成功開倉(cāng)。

(2)刀具更換、刀盤修復(fù)完成，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，并檢查盾構(gòu)機(jī)設(shè)備，確認(rèn)完好后，立即停止凍結(jié)。

(3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，液氮凍結(jié)區(qū)域凍土體積無(wú)明顯增加，實(shí)際凍脹率幾乎為零。本工程實(shí)踐證明，短期內(nèi)液氮凍結(jié)對(duì)地層凍脹影響很小，解決了鹽水凍結(jié)法凍脹的問(wèn)題。

(4)呼和浩特市水上公園站～諾和木勒站區(qū)間隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)脫困處理中，應(yīng)用液氮凍結(jié)技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確判斷開倉(cāng)時(shí)機(jī)和冷凍停止時(shí)間，效果理想，雖然存在經(jīng)濟(jì)成本高的問(wèn)題，但降低了時(shí)間，保證了工期，且開倉(cāng)條件安全可靠，可為類似工程提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)。