液氮水平冻结在盾构进洞施工中的运用
摘 要 上海轨道交通明珠线二期工程，在上海体育场站～宜山路站区间隧道施工中，为了保证盾构顺利进入上体场站接收井，确保周边建筑物的安全，采用了液氮水平冻结加固措施，取得了良好的效果。文章阐述了水平液氮冻结加固的方法，并概括和总结了冻土发展的特点。
关键词 盾构进洞 水平冻结工艺 液氮用量 环境保护
1 工程概况
上海体育场站～宜山路站区间隧道分为上、下行线，采用2台法国FCB土压平衡盾构进行施工。盾构于宜山路站南端头井出发，向上海体育场站方向掘进，最终进入上海体育场站西端头井，盾构进洞处隧道中心标高为-12.878 m。
盾构在进入上海体育场站西端头井前，将穿越大量的建筑物，其中有2幢20世纪70年代建成的14层高的大楼。大楼基础为条形基础，下部桩基为400 mm×400 mm的钢筋混凝土方桩，桩长16 m（分为8 m 长2节，用硫磺胶粘而成），桩基坐落在④2－2灰色砂质粉土夹粉质粘土层上，桩基的埋设位置与隧道中心基本持平。盾构将在2幢大楼的桩基间穿越，大楼距洞口7.2 m，与隧道最小的净距仅为1.15 m（见图1）。
2 工程地质
盾构穿越地层主要为④1灰色淤泥质粘土层和④2-2灰色砂质粉土层，土体的主要物理力学指标见表1。
3 液氮水平冻结工艺
上体场西端头井盾构进洞区采用深层搅拌桩加固，搅拌桩深25.5 m，加固区宽4.7 m；地下连续墙外侧与搅拌桩之间的间隙用高压旋喷桩填充。
在检查加固效果进行开样洞的过程中，发现多处漏水、漏泥，于是在搅拌桩和地下连续墙之间重新进行了双液注浆加固，但效果也不佳。
由于该场地狭小，不具备地面垂直冻结的条件，而该处土体已经过加固，具有了一定的强度，补充加固仅是为了起到止水作用；再则工期要求紧，为确保盾构进洞安全，故选用了液氮水平冻结加固的施工工艺。
3.1 液氮水平冻结管布置
在上、下行线洞门外侧均设置单排冻结孔，冻结孔（31个）布置圈的直径为8.0 m，水平长度3.5 m（地下连续墙加结构厚度1.6 m，盾构鼻尖400 mm，故实际冻结帷幕与盾构的交圈长度为1.5 m），冻结壁厚度设计为1.7 m。冻结孔、测温孔布置见图2。
冻结管采用f89 mm的20号低碳钢管，壁厚8 mm，冻结孔中心间距810 mm。
布置温度监测孔18个(9个布置在洞圈外侧，布置圈的直径为7 m；9个布置在盾构周边，其布置圈径6.6 m)，测温孔采用f38×3 mm无缝钢管。
3.2 冻结指标
液氮循环以2个孔为1组，2孔之间用1 m长的不锈钢软管连接。
⑴ 液氮储罐的出口温度控制在-150～-170 ℃，压力控制在0.1～0.15 MPa；
⑵ 冻结管出口温度控制在-50～-70 ℃（温度调节使用每组回路中截止阀），压力控制在0.05～0.1 MPa（压力调节可使用液氮储罐上的散热板）；
⑶ 控制盾构外周冻土温度不低于-5 ℃，并接近0 ℃（但不高于0 ℃），保证水呈固态。
3.3 液氮水平冻结的特点
⑴ 耗时短
液氮水平冻结明显地比常规的盐水冻结耗时短。上行线采用液氮水平冻结，在动水影响下，冻结时间需19 d；下行线施工时，外界温度较高，热量损失较大，冻结时间为15 d。若在客观条件更好的前提下，则冻结时间还将进一步缩短。若采用盐水冻结，按照上海地区的施工经验，将土体温度降至-5 ℃以下，冻结时间一般都在30 d以上。
⑵ 冻土发展快
选取下行线盾构进洞时W1、W3、N2、N3和N9测点在同一深度的温度，假定降温曲线为折线进行计算，得出冻土发展速度，见表2。
由于液氮温度极低（液氮储罐出口温度-150～-170 ℃），起始阶段温度下降极快，在R为3.5m的圈径上，冻土发展平均速度为15～25 cm/d；而随着冻土柱直径的扩大，其发展速度变慢，在R为 3.3m的圈径上，冻土发展平均速度为8.5～10cm/d。
⑶ 冻土发展不均匀
在采用液氮冻结时，由于每个冻结孔的液氮流量是由分配器通过各回路截止阀控制的，因此，流量难以控制均匀，从图3、图4中的降温曲线可以看出各部位的冻土发展极不均匀。
⑷ 冻结受动水影响大
图5为流水对温度的影响图。
盾构在上行线进洞前，先对洞门进行了分块，发现洞门局部位置有少量的渗漏水。在冻结过程中，由于流水的作用，带走了大量的冷量，降温极其缓慢，使冻结壁无法正常形成，极大地影响了施工效率。
从图5中可看出：在相同的冻结条件下，由于动水的影响，上行线的降温幅度明显低于下行线（见）；当在第14日将流水完全堵住后，上行线受流水影响最大的N3孔处降温又相对加快。因此，动水对冻结是极其不利的。
⑸ 水平冻结对环境影响小
液氮水平冻结施工场地小，地面上仅有液氮储罐，没有垂直冻结的钻孔、制冷等设备所需占用的场地大；没有盐水冻结制冷设备的噪声影响；液氮最终气化变成氮气排入空中，不污染环境。
4 小结
上行线于2004年1月11日开始冻结，到29日完成，具备盾构进洞条件，历时19天（期间受到洞门漏水的影响）；下行线于2004年5月27日开始冻结，至6月10日冻结成功，历时15天。
⑴ 本工程盾构进洞液氮用量上行线为346 m3，下行线为444 m3。上行线液氮消耗量为1.89 t/m3，下行线为2.43 t/m3，其中包含积极冻结及维护冻结的液氮消耗。液氮的实际用量与外界温度有关，外界温度越高，所需冷量越大，液氮的损耗越多。
⑵ 冻土与盾构的搭接长度为1.5m，交接面冻土的平均温度为0～-5 ℃，冻土与钢板之间的粘结强度为0.68 MPa。
⑶ 由于本工程的冻结是在原有加固土体中进行，因此，在冻结和解冻期间，冻胀和融沉的量都很小，未超过10 mm。
⑷ 液氮冻结具有施工简便、见效快的特点。但是施工中必须严格控制冻土温度，要防止因温度过高而导致土体强度不够，引发洞口漏水漏泥，也要防止因温度过低而导致冻土与盾构的粘结力过大，造成盾构无法掘进。
文章来源：隧道网
