液氮冻结技术在隧道工作井二次封堵水中的应用

汪振伟，王星童

(1.中国中铁二院重庆公司，重庆 400015;2.机械工业第六设计研究院有限公司，郑州 450007)

0 引言

近年来，盾构进洞冻结加固在地铁隧道施工过程中得到了广泛应用。由于冻结工程的特殊性，冻结壁存在未交圈或冻结壁强度不够的风险，极易在开挖过程中出现涌水涌砂现象。为实现快速封堵水的目的，通常采用液氮冻结加固施工［1－2］。由于液氮冻结设备简单、操作容易、冻结速度较传统冻结快、冻结壁平均温度低、冻结壁强度高，液氮冻结技术被广泛应用于工程抢险中，特别是特殊地层的加固处理、工程抢险封堵水、突发事故处理以及地下隧道结构修复加固［3－4］。前人对于液氮冻结的研究主要以物理实验和数值分析为主，如:熊旺［5］以上海地铁2号线南京东路站—陆家嘴站隧道排水管修复为背景，采用实验室试验、数值模拟以及现场实测相结合的方法，对运营地铁隧道液氮快速冻结的温度场、位移场进行了较全面的研究;石荣剑［6］在对液氮冻结进出洞免拔管的物理试验研究基础上，对现场液氮冻结进行实测研究，论证了液氮冻结免拔管技术在盾构出洞冻结工程应用的可行性。而利用液氮进行二次封堵水的现场实测研究相对较少。本文主要研究盐水冻结壁遭破坏后，利用原盐水冻结孔结合新布设的液氮冻结孔，使用液氮二次冻结封水情况下温度场的发展规律和冻结壁的形成过程，为今后类似工程提供可靠的数据支持。

1 工程概况

为了保证盾构顺利进洞，首先采用盐水冻结法加固接收井周边土体。在盾构进洞推进过程中，当盾构推至工作井位置，在拼装环片过程中突发事故，工作井一侧沿隧道轴向突发地表沉降。根据事故状况，同时考虑到施工环境的限制，拟采用在隧道原位冻结加固保护下拆除盾构、新建竖井后冻结封水的方案(即在原隧道盾构机周围采用冻结加固的方法，取出隧道内的盾构设备，同时在未受影响隧道上方新建工作井，通过冰塞封水)，完成隧道与新工作井的连接。

2009年3月19 日，临时工作井开挖至19.5 m处，施工人员在进行土方开挖作业时将4号和5号槽接缝处混凝土角桩拨倒，该部位突然出现涌水涌砂现象。通过实地查看，该缝隙成A字形，最宽处20 cm左右，约1.5 m长。现场立即对工作井进行回灌水，并采用液氮冻结方案，对除冰墙外的6个接缝采用预留的φ89 mm冻结管并加设新冻结管条件下使用液氮进行二次冻结。

2 液氮二次冻结设计

液氮二次冻结的目的是封堵槽壁结构接缝处的涌水涌砂。此工程的难点有:1)在槽壁接缝处预埋2根冻结管有偏离接缝现象，接缝可能在冻结范围之外，若接缝处出现漏水点，现有冻结可能失去作用;2)存在槽壁向外或向内倾斜的现象，并有向下发育的趋势，液氮二次冻结加固范围难以准确确定;3)槽壁有较厚的土夹层和较厚的沉淀层的存在，对冻结设计有较大影响。

利用原有以及增设的冻结孔，对存在风险的槽壁接缝处进行液氮二次冻结，达到在进行新工作井排水、开挖、修补工作时，冻结壁能隔断加固区域与外部的水力联系，能抵抗槽壁面上的水土压力，形成的冻结壁与地连墙外表面可以完全交接，能保证新工作井开挖及修补施工的安全。

2.1 冻结设计参数

设计冻结壁发展半径为0.54 m，排孔冻结方式下冻结壁厚度为1.1 m，冻结壁平均温度为－15℃。液氮槽车积极冻结期排气温度控制在－100～－130℃，消极冻结期排气温度控制在－85～－110℃，压力控制在 0.1 ～0.15 MPa［7－8］。

根据施工中存在的问题和槽壁存在缺陷的位置、范围等以及对冻结范围的要求，在2号和3号槽接缝外侧增设1个冻结孔，3号和4号槽接缝外侧增设2个冻结孔，4号和5号槽接缝外侧增设3个冻结孔，6号和7号槽接缝外侧增设2个冻结孔，7号和8号槽接缝外侧增设1个冻结孔。

为了准确掌握冻结帷幕的发展状况，在4号和5号槽增设冻结孔的外侧，根据测斜的实际情况，加增1个测温孔。冻结孔和测温孔的具体布置见图1。

图1 冻结孔和测温孔布置图(单位:mm)Fig.1 Layout of freezing holes and temperature monitoring holes(mm)

2.2 冻结系统

冻结系统中，冻结孔选用φ89 mm×4 mm的不锈钢无缝钢管，钢管间通过不锈钢焊条坡口对接焊接，同时供液管选用φ32 mm×3.5 mm的无缝钢管，下放到冻结管底部位置，采用不锈钢软管将液氮槽车和供液管进行连接。液氮经供液管输送到冻结管中，气化吸热后变为氮气，并经排气管排到大气中。测温孔选用φ89 mm×5 mm 20#低碳钢无缝钢管。

液氮冻结温度极低，进而导致管路内外温差极大，极易造成冷量散失。为提高冷量的利用率，对暴露在空气中的管路、不锈钢连接软管、液氮控制阀和连接接头等处均做保温处理。

2.3 冻结监测系统

2.3.1 监测内容

主要包括液氮进液口温度、氮气排气口温度、液氮流量、液氮供液压力、地表沉降位移、水位以及槽壁位移等。

2.3.2 监测方法

1)液氮进液温度、排气温度监测。采用铜－康铜热电偶测点检测法，利用热电偶的热电效应，采用Datataker数据自动采集仪进行数据采集。

2)压力、液位监测。通过压力表和液位计对压力和液位进行监测。

3)沉降、位移监测。沉降监测，水准控制点出发按三、四等水准测量要求测量各监测点的高程，测量闭合差小于±0.5mm(N为测站数);位移监测，经纬仪安置在基准点上，用视准直线法测量各测点到视准线的距离，以开工前2次测量的平均值作为起始初值，以后每次的测量值与之比较得到本次位移量和累积位移量［9］。

3 液氮二次冻结施工

3.1 工作井填充

在液氮冻结前，应对工作井进行灌水或填砂填充，以保证工作井内的水平、地压与外界的保持一致。

3.2 冻结系统预冷施工

冻结系统安装并做好保温后，正式冻结前需要对冻结系统进行预冷，通常分为气态氮预冷和液态氮预冷，预冷后进行正式冻结［10］。

1)气态氮预冷施工。用冻结软管将冻结器与液氮罐气体使用阀连接，打开气体使用阀门，保证液氮压力≤200 kPa，控制氮气出口温度在+10℃左右，循环20 min后，将增压阀打开，同时将液氮压力提升至600 kPa，调节气体使用阀门，降低排气口温度，冻结60 min后，保证排气口温度在－60℃左右［8］。

2)液态氮预冷施工。气态氮预冷施工结束后，将冻结软管换接到液氮罐进出液阀上。打开进出液阀门，并保证排气口温度控制在0℃以上，循环10 min后，调节进出液阀门，2 h内将排气口温度调至－40℃，即可进行正式冻结施工。调节液氮输出控制阀，继而开始正式冻结施工，排气口温度保持在－100～－130℃即可［8］。

3.3 冻结施工控制

液氮积极冻结施工过程中，为保证快速封堵水，需加大液氮供液量，并保证供液压力在0.3～0.45 MPa、排气温度在－100～－130℃、分配器供液压力保持在0.05～0.2 MPa为宜。

液氮冻结施工过程中，依据测温孔温度值监测情况，及时计算出冻结壁厚度。待冻结壁厚度、冻结壁平均温度以及强度达到设计要求时，即可进入液氮消极冻结，并可进行试抽水排砂工作。

液氮消极冻结期间，排气口温度应根据实际情况来定，一般维持在－85～－110℃。通过及时调整液氮的供液压力和供液量，充分发挥液氮低温速冻的优点，同时保证冻结壁的有效厚度和强度。

4 冻结效果分析

D6'和D6″于2009年4月7日12:00开始预冷，D2'、D4'、D5'、D5″于当日 18 时开始预冷，4 月 8 日8:00以后逐渐加大液氮供应，14 h以后开始正常冻结。

4.1 测温孔温度情况

2009年4月10日6:35，C4、C5和C6测温孔内测点温度见表1。C4、C5和C6孔测点温度变化曲线见图 2，3，4。

表1 C4、C5和C6测温孔温度表Table 1 Temperatures measured in C4，C5 and C6 temperature monitoring holes

C4、C5和C6测温孔布置在4号和5号槽接缝位置处槽壁外侧，距离D5'和D5″冻结孔连线的直线距离分别为0.6，0.7，0.8 m。由图2 C4 孔测点温度变化趋势图并结合表1的数据可知:在冻结到2009年4月10日6:35，C4－3和C4－4测点的温度已低于－30℃，C4－1和C4－2的温度在0℃左右，说明D5'和D5″冻结孔所形成的冻结封面在距地面10 m左右早已超过C4测温孔向外扩展，在地面附近冻结封面也基本上达到C4测温孔的位置，总体冻结壁发展半径超过原设计的0.54 m，达到冻结壁的设计要求。由图3 C5孔测点温度变化趋势并结合表1的数据分析可知，在距地面9.6 m的C5－4测点的温度已达到－10℃，此处的冻结壁发展半径超过0.70 m。根据图4 C6测温孔各测点温度变化趋势并结合表1的数据可以看出，冻结封面还没有达到C6测温孔的位置，对保护槽壁的稳定和减小由于冻结施工造成的槽壁位移是有利的。

4.2 槽壁内探孔温度变化情况

在4号和5号槽接缝位置处槽壁内侧距地面3.9 m打了3个探孔，探孔深度为0.2 m，探孔距离4号和5 号槽接缝分别为 0.49，0.58，0.68 m;距地面 7.3 m也打了3个探孔，探孔深度为0.2 m，探孔距离4号和5 号槽接缝分别为 0.48，0.56，0.66 m。

2009年4月10日6:35，槽壁内探孔温度如表2所示。

表2 槽壁内探孔温度表Table 2 Temperature measured in probe holes in the wall

槽壁内探孔温度变化曲线见图5和图6。

图5 距地面3.9 m处槽壁内探孔温度变化曲线(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

图6 距地面7.3 m处槽壁内探孔温度变化曲线(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、图5和图6分析，可以判断4号和5号槽接缝位置处槽壁内侧温度已低于－4℃，6.74 m(7.3－0.56)处的温度达到－5.4℃，且随着深度的加大接缝位置处平均冻结温度降低。通过对内侧测温孔温度的变化情况的分析可以判断冻结封面已超出接缝处槽壁内壁，4号和5号槽接缝位置处槽壁外侧壁与冻结土体有较好的胶结作用，冻结壁的冻结强度和封水作用达到设计要求。

4.3 冻结帷幕发展状况

根据C4和C5孔的测温资料，单个冻结孔向外发展700 mm，冻结壁发展速度约为300 mm/d。利用作图法可推算出到2009年4月10日6:35(即冻结约2.25 d时)冻结帷幕已交圈，厚度大约为1 240 mm，裂缝处的有效厚度达到850 mm左右。4号和5号槽接缝位置冻结帷幕图如图7所示。

图7 4号和5号槽接缝位置冻结帷幕图(单位:mm)Fig.7 Frozen curtain at the connection joint between No.4 groove and No.5 groove(mm)

5 结论与建议

1)液氮冻结技术具有快速、安装简便等特点，在本工程中由于初期盐水冻结形成的冻结壁存在缺陷，导致槽壁接缝处涌水涌砂事故发生，利用液氮快速冻结的优势在短时间内达到预期的冻结效果，缩短了工期，保证了工程质量和安全。

2)测温孔最低温度达－30℃，裂缝处冻结壁有效厚度达到850 mm，冻结发展速度约为300 mm/d，槽壁内侧温度低于－4℃，且随着深度的加大接缝位置处平均冻结温度降低。

3)证明了采用原有盐水冻结孔和新增冻结孔相结合的方式进行液氮冻结封水是可行的，且冻结效果较好，同时采用槽壁外侧布设测温孔和槽壁内侧打探孔相结合的测温方法，总结得出冻结帷幕的形成参数和开挖分析条件。

建议在冻结工程中应加强冻结壁的监测工作，盾构推进施工严格按照规程，防止意外事故发生造成冻结壁损坏。

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