液氮水平凍結(jié)在盾構(gòu)進洞施工中的運用

 

上海體育場站～宜山路站區(qū)間隧道分為上、下行線，采用2臺法國FCB土壓平衡盾構(gòu)進行施工。盾構(gòu)于宜山路站南端頭井出發(fā)，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(gòu)進洞處隧道中心標(biāo)高為-12.878m。

 

盾構(gòu)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(jì)70年代建成的14層高的大樓。大樓基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，下部樁基為400mm×400mm的鋼筋混凝土方樁，樁長16m（分為8m長2節(jié)，用硫磺膠粘而成），樁基坐落在④2－2灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土層上，樁基的埋設(shè)位置與隧道中心基本持平。盾構(gòu)將在2幢大樓的樁基間穿越，大樓距洞口7.2m，與隧道最小的凈距僅為1.15m（見圖1）。2工程地質(zhì)

 

盾構(gòu)穿越地層主要為④1灰色淤泥質(zhì)粘土層和④2-2灰色砂質(zhì)粉土層，土體的主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

 

3液氮水平凍結(jié)工藝

 

上體場西端頭井盾構(gòu)進洞區(qū)采用深層攪拌樁加固，攪拌樁深25.5m，加固區(qū)寬4.7m；地下連續(xù)墻外側(cè)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(fā)現(xiàn)多處漏水、漏泥，于是在攪拌樁和地下連續(xù)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(jié)的條件，而該處土體已經(jīng)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(gòu)進洞安全，故選用了液氮水平凍結(jié)加固的施工工藝。

 

3.1液氮水平凍結(jié)管布置

 

在上、下行線洞門外側(cè)均設(shè)置單排凍結(jié)孔，凍結(jié)孔（31個）布置圈的直徑為8.0m，水平長度3.5m（地下連續(xù)墻加結(jié)構(gòu)厚度1.6m，盾構(gòu)鼻尖400mm，故實際凍結(jié)帷幕與盾構(gòu)的交圈長度為1.5m），凍結(jié)壁厚度設(shè)計為1.7m。凍結(jié)孔、測溫孔布置見圖2。

 

凍結(jié)管采用f89mm的20號低碳鋼管，壁厚8mm，凍結(jié)孔中心間距810mm。

 

布置溫度監(jiān)測孔18個(9個布置在洞圈外側(cè)，布置圈的直徑為7m；9個布置在盾構(gòu)周邊，其布置圈徑6.6m)，測溫孔采用f38×3mm無縫鋼管。

 

3.2凍結(jié)指標(biāo)

 

液氮循環(huán)以2個孔為1組，2孔之間用1m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0.1～0.15MPa；

 

⑵凍結(jié)管出口溫度控制在-50～-70℃（溫度調(diào)節(jié)使用每組回路中截止閥），壓力控制在0.05～0.1MPa（壓力調(diào)節(jié)可使用液氮儲罐上的散熱板）；

 

⑶控制盾構(gòu)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(tài)。

 

3.3液氮水平凍結(jié)的特點

 

⑴耗時短

 

液氮水平凍結(jié)明顯地比常規(guī)的鹽水凍結(jié)耗時短。上行線采用液氮水平凍結(jié)，在動水影響下，凍結(jié)時間需19d；下行線施工時，外界溫度較高，熱量損失較大，凍結(jié)時間為15d。若在客觀條件更好的前提下，則凍結(jié)時間還將進一步縮短。若采用鹽水凍結(jié)，按照上海地區(qū)的施工經(jīng)驗，將土體溫度降至-5℃以下，凍結(jié)時間一般都在30d以上。

 

⑵凍土發(fā)展快

 

選取下行線盾構(gòu)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(fā)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(fā)展平均速度為15～25cm/d；而隨著凍土柱直徑的擴大，其發(fā)展速度變慢，在R為3.3m的圈徑上，凍土發(fā)展平均速度為8.5～10cm/d。

 

⑶凍土發(fā)展不均勻

 

在采用液氮凍結(jié)時，由于每個凍結(jié)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(fā)展極不均勻。⑷凍結(jié)受動水影響大

 

圖5為流水對溫度的影響圖。

 

盾構(gòu)在上行線進洞前，先對洞門進行了分塊，發(fā)現(xiàn)洞門局部位置有少量的滲漏水。在凍結(jié)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(jié)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(jié)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(dāng)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(jié)是極其不利的。

 

⑸水平凍結(jié)對環(huán)境影響小

 

液氮水平凍結(jié)施工場地小，地面上僅有液氮儲罐，沒有垂直凍結(jié)的鉆孔、制冷等設(shè)備所需占用的場地大；沒有鹽水凍結(jié)制冷設(shè)備的噪聲影響；液氮最終氣化變成氮氣排入空中，不污染環(huán)境。4小結(jié)

 

上行線于2004年1月11日開始凍結(jié)，到29日完成，具備盾構(gòu)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(jié)，至6月10日凍結(jié)成功，歷時15天。

 

⑴本工程盾構(gòu)進洞液氮用量上行線為346m3，下行線為444m3。上行線液氮消耗量為1.89t/m3，下行線為2.43t/m3，其中包含積極凍結(jié)及維護凍結(jié)的液氮消耗。液氮的實際用量與外界溫度有關(guān)，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(gòu)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(jié)強度為0.68MPa。

 

⑶由于本工程的凍結(jié)是在原有加固土體中進行，因此，在凍結(jié)和解凍期間，凍脹和融沉的量都很小，未超過10mm。

 

⑷液氮凍結(jié)具有施工簡便、見效快的特點。但是施工中必須嚴(yán)格控制凍土溫度，要防止因溫度過高而導(dǎo)致土體強度不夠，引發(fā)洞口漏水漏泥，也要防止因溫度過低而導(dǎo)致凍土與盾構(gòu)的粘結(jié)力過大，造成盾構(gòu)無法掘進。