液氮水平凍結在盾構進洞施工中的運用
摘 要 上海軌道交通明珠線二期工程，在上海體育場站～宜山路站區間隧道施工中，為了保證盾構順利進入上體場站接收井，確保周邊建筑物的安全，采用了液氮水平凍結加固措施，取得了良好的效果。文章闡述了水平液氮凍結加固的方法，并概括和總結了凍土發展的特點。
關鍵詞 盾構進洞 水平凍結工藝 液氮用量 環境保護
1 工程概況
上海體育場站～宜山路站區間隧道分為上、下行線，采用2臺法國FCB土壓平衡盾構進行施工。盾構于宜山路站南端頭井出發，向上海體育場站方向掘進，最終進入上海體育場站西端頭井，盾構進洞處隧道中心標高為-12.878 m。
盾構在進入上海體育場站西端頭井前，將穿越大量的建筑物，其中有2幢20世紀70年代建成的14層高的大樓。大樓基礎為條形基礎，下部樁基為400 mm×400 mm的鋼筋混凝土方樁，樁長16 m（分為8 m 長2節，用硫磺膠粘而成），樁基坐落在④2－2灰色砂質粉土夾粉質粘土層上，樁基的埋設位置與隧道中心基本持平。盾構將在2幢大樓的樁基間穿越，大樓距洞口7.2 m，與隧道最小的凈距僅為1.15 m（見圖1）。
2 工程地質
盾構穿越地層主要為④1灰色淤泥質粘土層和④2-2灰色砂質粉土層，土體的主要物理力學指標見表1。
3 液氮水平凍結工藝
上體場西端頭井盾構進洞區采用深層攪拌樁加固，攪拌樁深25.5 m，加固區寬4.7 m；地下連續墻外側與攪拌樁之間的間隙用高壓旋噴樁填充。
在檢查加固效果進行開樣洞的過程中，發現多處漏水、漏泥，于是在攪拌樁和地下連續墻之間重新進行了雙液注漿加固，但效果也不佳。
由于該場地狹小，不具備地面垂直凍結的條件，而該處土體已經過加固，具有了一定的強度，補充加固僅是為了起到止水作用；再則工期要求緊，為確保盾構進洞安全，故選用了液氮水平凍結加固的施工工藝。
3.1 液氮水平凍結管布置
在上、下行線洞門外側均設置單排凍結孔，凍結孔（31個）布置圈的直徑為8.0 m，水平長度3.5 m（地下連續墻加結構厚度1.6 m，盾構鼻尖400 mm，故實際凍結帷幕與盾構的交圈長度為1.5 m），凍結壁厚度設計為1.7 m。凍結孔、測溫孔布置見圖2。
凍結管采用f89 mm的20號低碳鋼管，壁厚8 mm，凍結孔中心間距810 mm。
布置溫度監測孔18個(9個布置在洞圈外側，布置圈的直徑為7 m；9個布置在盾構周邊，其布置圈徑6.6 m)，測溫孔采用f38×3 mm無縫鋼管。
3.2 凍結指標
液氮循環以2個孔為1組，2孔之間用1 m長的不銹鋼軟管連接。
⑴ 液氮儲罐的出口溫度控制在-150～-170 ℃，壓力控制在0.1～0.15 MPa；
⑵ 凍結管出口溫度控制在-50～-70 ℃（溫度調節使用每組回路中截止閥），壓力控制在0.05～0.1 MPa（壓力調節可使用液氮儲罐上的散熱板）；
⑶ 控制盾構外周凍土溫度不低于-5 ℃，并接近0 ℃（但不高于0 ℃），保證水呈固態。
3.3 液氮水平凍結的特點
⑴ 耗時短
液氮水平凍結明顯地比常規的鹽水凍結耗時短。上行線采用液氮水平凍結，在動水影響下，凍結時間需19 d；下行線施工時，外界溫度較高，熱量損失較大，凍結時間為15 d。若在客觀條件更好的前提下，則凍結時間還將進一步縮短。若采用鹽水凍結，按照上海地區的施工經驗，將土體溫度降至-5 ℃以下，凍結時間一般都在30 d以上。
⑵ 凍土發展快
選取下行線盾構進洞時W1、W3、N2、N3和N9測點在同一深度的溫度，假定降溫曲線為折線進行計算，得出凍土發展速度，見表2。
由于液氮溫度極低（液氮儲罐出口溫度-150～-170 ℃），起始階段溫度下降極快，在R為3.5m的圈徑上，凍土發展平均速度為15～25 cm/d；而隨著凍土柱直徑的擴大，其發展速度變慢，在R為 3.3m的圈徑上，凍土發展平均速度為8.5～10cm/d。
⑶ 凍土發展不均勻
在采用液氮凍結時，由于每個凍結孔的液氮流量是由分配器通過各回路截止閥控制的，因此，流量難以控制均勻，從圖3、圖4中的降溫曲線可以看出各部位的凍土發展極不均勻。
⑷ 凍結受動水影響大
圖5為流水對溫度的影響圖。
盾構在上行線進洞前，先對洞門進行了分塊，發現洞門局部位置有少量的滲漏水。在凍結過程中，由于流水的作用，帶走了大量的冷量，降溫極其緩慢，使凍結壁無法正常形成，極大地影響了施工效率。
從圖5中可看出：在相同的凍結條件下，由于動水的影響，上行線的降溫幅度明顯低于下行線（見）；當在第14日將流水完全堵住后，上行線受流水影響最大的N3孔處降溫又相對加快。因此，動水對凍結是極其不利的。
⑸ 水平凍結對環境影響小
液氮水平凍結施工場地小，地面上僅有液氮儲罐，沒有垂直凍結的鉆孔、制冷等設備所需占用的場地大；沒有鹽水凍結制冷設備的噪聲影響；液氮最終氣化變成氮氣排入空中，不污染環境。
4 小結
上行線于2004年1月11日開始凍結，到29日完成，具備盾構進洞條件，歷時19天（期間受到洞門漏水的影響）；下行線于2004年5月27日開始凍結，至6月10日凍結成功，歷時15天。
⑴ 本工程盾構進洞液氮用量上行線為346 m3，下行線為444 m3。上行線液氮消耗量為1.89 t/m3，下行線為2.43 t/m3，其中包含積極凍結及維護凍結的液氮消耗。液氮的實際用量與外界溫度有關，外界溫度越高，所需冷量越大，液氮的損耗越多。
⑵ 凍土與盾構的搭接長度為1.5m，交接面凍土的平均溫度為0～-5 ℃，凍土與鋼板之間的粘結強度為0.68 MPa。
⑶ 由于本工程的凍結是在原有加固土體中進行，因此，在凍結和解凍期間，凍脹和融沉的量都很小，未超過10 mm。
⑷ 液氮凍結具有施工簡便、見效快的特點。但是施工中必須嚴格控制凍土溫度，要防止因溫度過高而導致土體強度不夠，引發洞口漏水漏泥，也要防止因溫度過低而導致凍土與盾構的粘結力過大，造成盾構無法掘進。
文章來源：隧道網
