文敏

盾構(gòu)法施工時(shí)經(jīng)常需要進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)開(kāi)倉(cāng)，以便進(jìn)行刀具檢修維護(hù)及地層障礙物清理等作業(yè)。在超大埋深富水復(fù)合地層需要突發(fā)性開(kāi)倉(cāng)時(shí)，目前采用較多的氣壓開(kāi)倉(cāng)、地面預(yù)加固常壓開(kāi)倉(cāng)、常壓刀盤(pán)開(kāi)倉(cāng)均有較大的局限性。采用地面液氮垂直凍結(jié)結(jié)合隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)環(huán)向鹽水凍結(jié)加固刀盤(pán)四周土層，較快地實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)常壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)，是一種適用于復(fù)雜地層、安全高效的盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)技術(shù)。

一、工程概況

珠江三角洲水資源配置工程某盾構(gòu)區(qū)間的一臺(tái)Φ8630泥水平衡盾構(gòu)機(jī)因突發(fā)情況需要開(kāi)倉(cāng)換刀。盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置現(xiàn)狀地面為草地，地面標(biāo)高約為2m，刀盤(pán)中心線(xiàn)標(biāo)高約為-44.33m，地表到刀盤(pán)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(zhì)粉細(xì)砂、細(xì)砂5.9m，②-4淤泥、淤泥質(zhì)黏土12m，②-5泥質(zhì)粉細(xì)砂、中細(xì)砂4.5m，②-6中粗砂2.7m、③-2含有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)黏土3.83m、③-4中粗砂、礫砂4.99m、Ⅳ強(qiáng)風(fēng)化粗砂巖1.19m、Ⅲ弱風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖2.42m。盾構(gòu)機(jī)掌子面位置上方為中粗砂，中部為強(qiáng)風(fēng)化粗砂巖，下部為弱風(fēng)化巖。地下水位埋深較淺，為0.5～3m。

二、凍結(jié)方案設(shè)計(jì)

采用地面液氮垂直凍結(jié)結(jié)合隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)環(huán)向鹽水凍結(jié)加固盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)周?chē)馏w，實(shí)現(xiàn)快速凍結(jié)刀盤(pán)周?chē)馏w，實(shí)現(xiàn)常壓開(kāi)倉(cāng)。

在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方、側(cè)面以及上方設(shè)置垂直凍結(jié)孔，利用液氮凍結(jié)加固盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方、兩側(cè)以及上方土體，形成倒U型凍結(jié)加固體。同時(shí)，利用盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)環(huán)向鹽水凍結(jié)管，循環(huán)低溫鹽水凍結(jié)切口環(huán)附近50cm的土體，從而確保刀盤(pán)下方土體也得到凍結(jié)加固，與液氮垂直凍結(jié)形成閉合的凍結(jié)帷幕，給盾構(gòu)常壓開(kāi)倉(cāng)創(chuàng)造了條件。

液氮垂直凍結(jié)孔設(shè)置方案為：設(shè)置4排液氮凍結(jié)孔，排間距為0.8m，孔間距為0.6m，呈梅花形布置。盾構(gòu)上方布置 2排凍結(jié)孔（B排、C 排），在盾構(gòu)機(jī)前方布置2排凍結(jié)孔（A排、D排）。考慮液氮往下凍結(jié)速度慢，盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)域 B、C排凍結(jié)孔全部打到盾構(gòu)機(jī)頂0.2m 處。凍結(jié)管邊側(cè)凍結(jié)發(fā)展為600mm，凍結(jié)管底部?jī)鼋Y(jié)發(fā)展為500mm。刀盤(pán)四周土體形成凍結(jié)帷幕后，需承受刀盤(pán)所處位置的水土壓力，并作為止水帷幕，為常壓安全開(kāi)倉(cāng)換刀創(chuàng)造條件。凍結(jié)壁范圍設(shè)計(jì)如下：刀盤(pán)前方 1.8m、盾體上、下、左、右各3m，盾體兩側(cè)和刀盤(pán)前方凍結(jié)范圍鉆孔深度至隧底以下3m，切口環(huán)凍土環(huán)向發(fā)展為500mm。凍結(jié)體范圍以及凍結(jié)孔設(shè)置如圖1所示。

圖1 凍結(jié)方案示意圖

液氮凍結(jié)施工設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

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

三、凍結(jié)加固施工

1.總體施工思路

在隧道內(nèi)建設(shè)鹽水冷凍站，先進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)切口環(huán)環(huán)向鹽水凍結(jié)。隨后進(jìn)行地面液氮垂直凍結(jié)施工。

2.液氮垂直凍結(jié)孔施工

為了確保凍結(jié)孔精度，采用錨固鉆機(jī)鉆孔。首先測(cè)量放線(xiàn)，準(zhǔn)確定位各凍結(jié)孔位置。然后錨固鉆機(jī)就位，確保錨固鉆機(jī)水平，鉆桿中心與凍結(jié)孔中心重合，每鉆進(jìn)3米，即校核一次鉆桿的垂直度。

每個(gè)鉆孔完成后，及時(shí)下放凍結(jié)管，凍結(jié)管選用φ108×5mm的不銹鋼管。凍結(jié)管分節(jié)下放，第一根凍結(jié)管的底部應(yīng)密封焊接，每根凍結(jié)管采用內(nèi)套箍連接，并采用對(duì)接焊焊接牢固。凍結(jié)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(jié)管安裝后，需要進(jìn)行水壓試驗(yàn)檢驗(yàn)凍結(jié)管的密封性。水壓試驗(yàn)壓力為0.8MPa，試驗(yàn)30min后壓力下降不超過(guò)0.05MPa，且再延長(zhǎng)15min后壓力維持不變，則水壓試驗(yàn)合格。

3.液氮凍結(jié)裝置系統(tǒng)安裝

每個(gè)凍結(jié)管內(nèi)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(jié)管底部。供液干管采用φ200mm不銹鋼管，每排凍結(jié)管設(shè)置一根供液干管，總計(jì)4根供液干管。供液干管與每個(gè)凍結(jié)孔的供液管之間采用不銹鋼金屬軟管連接，連接處設(shè)置閥門(mén)開(kāi)關(guān)。供液干管與液氮槽車(chē)通過(guò)不銹鋼金屬軟管連接。根據(jù)實(shí)際凍結(jié)管長(zhǎng)度及位置，凍結(jié)管采用每孔單獨(dú)循環(huán)的方式，保證各凍結(jié)管向外擴(kuò)散冷量均勻。非凍結(jié)區(qū)域的凍結(jié)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(jié)區(qū)域地面鋪設(shè)保溫板。液氮凍結(jié)系統(tǒng)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(jìn)行保溫處理，保溫措施同外露的供液管。

4.凍結(jié)施工時(shí)間估算

據(jù)我單位多年液氮凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，凍土的平均發(fā)展速度約15cm/天。凍結(jié)孔間距為60cm。推算凍土交圈時(shí)間為:t=60/2/15=2.0天。凍土達(dá)到交圈約需2天，液氮凍結(jié)4～5天后可以進(jìn)行換刀作業(yè)，具體根據(jù)測(cè)溫孔實(shí)測(cè)溫度判定。

5.液氮需用量估算

凍結(jié)帷幕體積：長(zhǎng)×寬×高＝14.6m×3.4m×14.6m＝724.74m3。

積極凍結(jié)期間，凍結(jié)體需要的液氮量為0.5t/天，積極凍結(jié)時(shí)間預(yù)計(jì)為7天。

積極凍結(jié)需要的液氮總量：0.5×7×724.74=2536.59t。

換刀期間采用維護(hù)凍結(jié)，維護(hù)凍結(jié)液氮消耗量約為0.25 t/天，此次換刀時(shí)間預(yù)計(jì)為7天，如換刀時(shí)間延長(zhǎng)則維護(hù)凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。

維護(hù)凍結(jié)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(jié)

（1）液氮凍結(jié)裝置系統(tǒng)預(yù)冷

因液氮溫度極低，對(duì)冷凍裝置產(chǎn)生的熱脹冷縮效應(yīng)大，一開(kāi)始急速凍結(jié)，可能會(huì)導(dǎo)致焊縫脆裂、冷凍裝置破壞，因而開(kāi)始需要對(duì)整個(gè)液氮凍結(jié)裝置系統(tǒng)預(yù)冷，即使用溫度較低的氮?dú)猓?30℃以上）對(duì)整個(gè)液氮凍結(jié)裝置進(jìn)行預(yù)冷處理。對(duì)凍結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷處理時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)大小，使進(jìn)入凍結(jié)管的氮?dú)鉁囟炔坏陀?30℃，經(jīng)過(guò)1小時(shí)的預(yù)冷處理后，將輸入氮?dú)獾臏囟戎鸩浇档?，通常?jīng)過(guò)15～24小時(shí)后，可逐漸開(kāi)始往凍結(jié)孔輸送液氮。

（2）正式凍結(jié)

開(kāi)始正式凍結(jié)時(shí)，要確保凍結(jié)管內(nèi)充滿(mǎn)液氮，一般正式凍結(jié)約24h后，可根據(jù)測(cè)溫孔反饋的土體溫度，進(jìn)行液氮流量調(diào)整，從而確保凍結(jié)效果。正式凍結(jié)時(shí)，以測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)作為液氮供應(yīng)壓力與供應(yīng)量的調(diào)整依據(jù)，既充分發(fā)揮液氮的低溫快速凍結(jié)效用，又要避免液氮浪費(fèi)。

液氮槽車(chē)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?dú)鉁囟纫丝刂圃?50℃～-60℃，氮?dú)鈮毫刂圃?.05Mpa～ 0.1 Mpa。

為避免發(fā)生液氮供應(yīng)中斷的情況，液氮槽車(chē)應(yīng)“一用一備”，即一臺(tái)液氮槽車(chē)在輸送液氮時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)還有一臺(tái)裝滿(mǎn)液氮的槽車(chē)待用。

（3）液氮凍結(jié)注意事項(xiàng)

①需要做好防護(hù)措施，佩戴防護(hù)面具或防護(hù)眼鏡，以及戴皮手套等防護(hù)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(jié)裝置系統(tǒng)應(yīng)采用低溫氮?dú)膺M(jìn)行預(yù)冷，以避免凍結(jié)管焊縫開(kāi)裂以及其他管道裝置變形過(guò)大損壞。

③排氣管高度應(yīng)在2.0m以上，以便低溫氮?dú)馀欧诺娇諝庵?，保障施工人員安全。

④根據(jù)每個(gè)凍結(jié)孔的排氣溫度調(diào)節(jié)供液閥門(mén)大小，使各凍結(jié)孔周邊凍結(jié)發(fā)展速度均勻。

⑤正式凍結(jié)后，采用智能化溫度監(jiān)控系統(tǒng)采集的測(cè)溫孔溫度數(shù)據(jù)，綜合判斷凍土發(fā)展速度。

⑥為防止雨水灌入，排氣管口宜安裝彎頭。

⑦液氮應(yīng)由具有專(zhuān)業(yè)資質(zhì)的液氮生產(chǎn)廠(chǎng)家供應(yīng)，采用容量不小于20m3專(zhuān)用液氮槽車(chē)運(yùn)輸。

7.凍結(jié)系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)

采用智能化凍結(jié)溫控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用出氣口氮?dú)鉁囟瓤刂埔旱髁?，從而使凍土均勻發(fā)展并及時(shí)交圈，確保良好的凍結(jié)效果。

監(jiān)測(cè)測(cè)溫孔溫度：在凍結(jié)帷幕范圍設(shè)置10個(gè)測(cè)溫孔，單個(gè)測(cè)溫孔根據(jù)需要布置豎向測(cè)點(diǎn)；全程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，始終監(jiān)測(cè)凍結(jié)帷幕的發(fā)展情況。既要保證凍結(jié)帷幕的均衡和厚度，又要根據(jù)測(cè)溫孔反饋的溫度，隨時(shí)調(diào)整液氮輸送量，控制凍結(jié)帷幕的發(fā)展。

監(jiān)測(cè)供液干管溫度：在供液干管上布置測(cè)溫點(diǎn)，監(jiān)測(cè)供液干管里的液氮溫度，保證連續(xù)供應(yīng)溫度合適的液氮。

監(jiān)測(cè)液氮供液管口溫度：在液氮供液管口布置溫度測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)供液管口液氮溫度，從而調(diào)整控制液氮流量，特別在預(yù)冷階段控制氮?dú)獾臏囟扰c流量。

監(jiān)測(cè)排氣管的溫度與壓力：在每根排氣管口部布置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)與壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排氣溫度與排氣壓力，來(lái)控制每個(gè)凍結(jié)孔的供液量，確保每個(gè)凍結(jié)孔周邊凍結(jié)帷幕發(fā)展速度均衡。

8.開(kāi)倉(cāng)條件驗(yàn)收

凍結(jié)完成后，凍結(jié)施工單位和凍結(jié)監(jiān)測(cè)單位均需提供凍結(jié)效果評(píng)價(jià)報(bào)告，明確結(jié)論，并組織專(zhuān)家對(duì)凍結(jié)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)凍結(jié)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，及時(shí)組織凍結(jié)專(zhuān)家進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)條件審查驗(yàn)收。只有通過(guò)開(kāi)倉(cāng)條件驗(yàn)收后，方可轉(zhuǎn)入下道工序施工，即開(kāi)倉(cāng)清理工作。

9.強(qiáng)制解凍

待換刀完成后，關(guān)閉倉(cāng)門(mén)，對(duì)所有凍結(jié)管循環(huán)熱鹽水進(jìn)行強(qiáng)制解凍，拔除刀盤(pán)前方的凍結(jié)管及測(cè)溫管。利用人工局部解凍的方案，進(jìn)行拔管，具體方法如下：利用熱鹽水在凍結(jié)管里循環(huán)，使凍結(jié)管周?chē)膬鐾寥诨_(dá)到50mm～80mm時(shí)，開(kāi)始拔管。盾構(gòu)刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，不應(yīng)停止，避免刀盤(pán)被復(fù)凍。

四、常壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)

1.常壓開(kāi)倉(cāng)前作業(yè)準(zhǔn)備

（1）應(yīng)完成對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集準(zhǔn)備工作。

（2）應(yīng)填充盾尾刷油脂、對(duì)盾尾后面的管片進(jìn)行二次注漿并檢驗(yàn)止水環(huán)封閉效果。

2.減壓

對(duì)于泥水平衡式盾構(gòu)，降壓梯度為0.2bar/次，每次降壓后穩(wěn)壓不小于30分鐘，觀察壓力變化情況及泥水倉(cāng)內(nèi)液位變化情況，在確認(rèn)壓力波動(dòng)值小于總供氣量的10%(閘閥開(kāi)合度不大于0.8）后開(kāi)始進(jìn)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(wěn)壓不小于3h，穩(wěn)壓期間不得進(jìn)行其他操作（如加壓或排水），在確認(rèn)泥水倉(cāng)液位變化較少時(shí)（泥水排放量不大于20s）后，則判斷該地層可滿(mǎn)足常壓開(kāi)倉(cāng)要求。

3.開(kāi)倉(cāng)門(mén)

常壓開(kāi)倉(cāng)前，根據(jù)地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)＜3mm/d（累計(jì)數(shù)據(jù)不超過(guò)28mm）或地表無(wú)其他異常情況，確認(rèn)地層條件滿(mǎn)足常壓進(jìn)倉(cāng)條件。開(kāi)倉(cāng)門(mén)前，應(yīng)先打開(kāi)倉(cāng)室之間的平衡閥， 待壓力平衡后，開(kāi)啟倉(cāng)門(mén)。

4.通風(fēng)換氣

（1）倉(cāng)門(mén)開(kāi)啟前應(yīng)通風(fēng)換氣

通過(guò)盾構(gòu)機(jī)配置的保壓裝置系統(tǒng)置換倉(cāng)內(nèi)空氣，同時(shí)檢測(cè)排出倉(cāng)外的氣體質(zhì)量。在每次開(kāi)倉(cāng)工程中加強(qiáng)通風(fēng)，保證通風(fēng)至開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)工作面以下，檢測(cè)倉(cāng)內(nèi)有毒、有害、易燃、易爆氣體，并實(shí)事求是地將檢測(cè)結(jié)果記入《氣體檢測(cè)記錄表》。

（2）開(kāi)倉(cāng)門(mén)后通風(fēng)換氣

倉(cāng)門(mén)開(kāi)啟后，利用鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)換氣，通風(fēng)時(shí)間應(yīng)大于30min，通過(guò)作業(yè)通道通風(fēng)，置換倉(cāng)內(nèi)空氣。作業(yè)過(guò)程中，對(duì)倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)通風(fēng)，并檢測(cè)氣體，如發(fā)生異常情況，人員立即撤出，關(guān)閉倉(cāng)門(mén)，并通風(fēng)換氣，待開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)氣體檢測(cè)合格后，才能繼續(xù)進(jìn)倉(cāng)作業(yè)。

5.清理和換刀

將盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)和土倉(cāng)分為上、中、下三個(gè)區(qū)進(jìn)行清理，在滿(mǎn)足換刀操作空間的情況下最低限度清理刀盤(pán)開(kāi)口，以清理刀盤(pán)背后的凍土為主。開(kāi)倉(cāng)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(guān)閉倉(cāng)門(mén)

對(duì)于泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，開(kāi)倉(cāng)作業(yè)完成后，全面檢查刀盤(pán)前方及泥水倉(cāng)，防止遺留工具、雜物等。確認(rèn)一切正常后關(guān)閉倉(cāng)門(mén)，開(kāi)始試掘進(jìn)。

五、結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于地面水泥系預(yù)加固開(kāi)倉(cāng)污染周邊環(huán)境、施工周期長(zhǎng)，而氣壓開(kāi)倉(cāng)則耗用大量的膨潤(rùn)土以及施工人員在高壓狀態(tài)下工作效率低，采用液氮、鹽水聯(lián)合凍結(jié)盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)技術(shù)，能在復(fù)雜地層安全高效地實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)常壓開(kāi)倉(cāng)作業(yè)，且綠色環(huán)保，應(yīng)用前景廣闊。