液氮凍結(jié)局部加固技術(shù)在頂管施工中的應用

張昌武

在頂管施工過程中,遇到流砂、透水等影響頂管施工的不良地質(zhì)條件,當降水、注漿等措施無法實施時,采用液氮凍結(jié)加固頂管管片周邊的土體,起到臨時止水作用,完成管道對接和密封以及管道內(nèi)的各項清理工作,在實際應用中有著良好的效果。

1工程概況

南京鐵北一標污水管道工程范圍北至長江,東至繞城公路,西南方向至紫金山山脈、經(jīng)五路、邁化路及和燕路圍合的區(qū)域,服務(wù)范圍約為26.3km2。主要包括和燕路、太新路、邁化路、神農(nóng)路、水吉路、經(jīng)五路等五條路,管徑為DN400～1500,總長度17.480km。其中太新路污水管道工程的W39-W40管道穿過北十里長溝東支河床底,在進行W39向W40頂管施工、頂過河床時,遇到流砂;根據(jù)設(shè)計及現(xiàn)場情況立即封堵,改由W40向W39反向頂管,兩管頭之間間距相差2m時,河水已經(jīng)滲入管道內(nèi),無法繼續(xù)正常頂管施工。根據(jù)現(xiàn)場情況,采用液氮凍結(jié)局部加固技術(shù)對管道周邊土體進行加固、止水,以完成剩余2m管道對接,無論是從工期保障還是從安全可行性等方面考慮都是比較好的選擇。

2液氮凍結(jié)加固原理

在含水土體中,人工設(shè)置凍結(jié)管,凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)冷媒劑(液氨),液氮由液態(tài)膨脹氣化需要吸收大量的熱量,從而會帶走土體中的熱能,大大降低管片周圍土體的溫度,形成強度高、密封性好的凍化土體,在溫度升高時及時補氮,保持凍化土體堅固穩(wěn)定,經(jīng)過合理布局、適當設(shè)置,會形成一個良好的有效凍化土體,起到承受荷載和密封防水的作用,給地下暗挖施工提供一個安全可靠的工作空間。

冷凍土體發(fā)展速度主要與土體原有溫度高低、土體含水量多少、周邊環(huán)境溫度高低、冷凍管間距大小以及液氮蒸發(fā)量多少等因素有關(guān)。經(jīng)過適當設(shè)計,一般可把冷凍土體形成時間控制在3～5天。

3凍結(jié)加固方案

3.1 凍結(jié)加固范圍

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況,直徑1.5m頂管處沿軸線方向加固2m,徑向3m。直徑1.2m頂管處沿軸線方向加固1m,徑向3m。兩管頭中間區(qū)域全部加固,平面尺寸為長2.2m,寬3m。凍結(jié)加固范圍如圖1所示。

深度方向從地表向下直到頂管上部管壁和不透水巖石層上緣。

3.2 凍結(jié)管的布置

為了使冷凍效果顯著,加快施工速度,采用挖機挖除河岸土至高于河水面1m處、找平,測量定位,實地劃出冷凍管布置區(qū)域,用白灰定出冷凍管管位以及測溫孔位置,為了使施工安全,冷凍區(qū)域為沿管軸線方向長5.2m、寬3.2m、深度直達管底巖層總計約5m。

凍結(jié)孔外密內(nèi)疏成梅花形布置,孔間距0.6m～0.8m四周橫向布置2排,豎向布置2排,中間布置5排,其中靠近河水側(cè)管片上加強布置2排,另一側(cè)管片加強布置1排。冷凍孔布置如圖2所示,共計47個。同時設(shè)置3個測溫孔,T1、T2、T3。液氮管采用φ108×5～6mm無縫鋼管;供液管采用φ32×3.5mm無縫鋼管;測溫管采用φ108×5～6mm無縫鋼管。凍結(jié)管實際布置如圖3所示。

3.3 凍結(jié)加固施工

液氮儲罐出口壓力控制在0.3MPa～0.5MPa為宜,凍結(jié)管出口溫度控制在-50℃ ～-70℃,壓力調(diào)節(jié)使用液氮車上的調(diào)節(jié)閥,溫度調(diào)節(jié)使用分配器中每組去路調(diào)節(jié)閥。管路用不銹鋼軟管連接,并用低溫液氮閥控制,所有暴露凍結(jié)管路用保溫泡沫板或棉胎保溫,這次實際使用棉胎絕熱。用容積不小于20方的槽車,作為凍結(jié)期間液氮儲備,隨時用以補充再次冷凍之需,以防液氮供應中斷。

首次充入液氮時,必須使液氮以氣體形式進入凍結(jié)系統(tǒng)管路,預冷3h～4h,避免各道焊縫因急冷造成脆裂滲漏,發(fā)現(xiàn)滲漏則應立即補焊。

凍結(jié)時,要經(jīng)常檢測各回路溫度,確保凍結(jié)發(fā)展均勻進行;正常凍結(jié)后每隔30min記錄一次測溫孔溫度,使冷凍土體保持在-25℃～-30℃,當高于-25℃時要及時補充液氮進行再次冷凍,確保冷凍土體穩(wěn)定堅固。冷凍后的工作面效果如圖4。

3.4 頂管管道接通施工

由于工作面非常接近河床,頂進施工也難以進行,而只有2m距離的管道施工未完成,因此采用非常規(guī)施工。在冷凍準備工作的同時,加工制作了3m長φ1100mm的鋼管,并進行了鋼管內(nèi)外防腐處理。未接通部分,在冷凍土體形成后,使用風鎬、鑿子、扁鏟等工具人工破除管線凍土,鑿通清除垃圾后,把鋼管塞入,兩端搭接伸入原有砼管0.5m,鋼管與砼管間隙內(nèi)填充密封膠凝材料,封堵后再進行防腐處理。在冷凍土體內(nèi)進行挖掘、接管、封堵與防腐施工,未發(fā)生滲漏現(xiàn)象,安全順利,工期短,總體上經(jīng)濟可行。

3.5 安全防護措施

液氮車司機控制液氮出口壓力,操作時一定要戴保溫棉手套,謹防凍傷;測溫控制由測溫員專人監(jiān)測記錄,并隨時報告溫度情況,當溫度升高到-25℃以上時通知施工人員撤離現(xiàn)場,并告知液氮車司機補氮降溫。

冷凍凍結(jié)施工時,由于氮氣分子量為28與空氣平均分子量29基本接近,氮氣自然散發(fā)需要很長時間,為了充分利用時間、降低成本以及確保安全,所以必須要對管道內(nèi)井下24h不間斷強制送風。進入管道從W40工作井進,因管路短、通風疏散泄漏氮氣快、施工方便、安全撤離快。下井工作前必須停止輸?shù)?h以上,且保證管內(nèi)液氮全部蒸發(fā)、散盡,先用剪去翅膀羽毛的鴿子做活體試驗,確認安全后才能下井施工,施工前和施工中強制通風不得停止。

每次凍結(jié)后,均應立即儲備一車液氮,以防因停凍產(chǎn)生危險。補氮凍結(jié)時,嚴禁下井施工,必須撤離井下、管內(nèi)所有人員。管內(nèi)、井內(nèi)施工照明全部采用LED充電式安全燈具。管頭開挖施工時嚴禁使用水沖洗,不得在井內(nèi)生火取暖,所有下井施工人員均需身穿保暖衣褲、戴保溫棉手套以防凍傷身體。

井內(nèi)、管內(nèi)、井口均安設(shè)專人負責,配置手機、隨時聯(lián)系、通達情況,換班人員均在W40工作井旁臨時房屋內(nèi)休息,做好應急準備,以防險情發(fā)生時能夠及時施救,減少損失,杜絕傷亡事故發(fā)生。

開挖和接通管道時,提前準備沙袋于管道內(nèi)底部,以防少量冒沙、冒水發(fā)生,萬一發(fā)生大量冒水、冒沙,無法用沙袋堵壓時,則用沙袋封堵管道并立即撤離所有人員。

上下工作井設(shè)2個安全爬梯,并垂下3條安全繩,井下放置吊籃,吊車停于井邊待命。井口周邊用鋼管、扣件搭設(shè)臨邊防護,整個工作面全部用圍擋圍護,防止閑雜人員進入工地。

管頭開挖過程中,需要割斷液氮管時,必須是停氮時間進行,且一定要確認管內(nèi)無液氮,割完后及時封閉該管,加強強制通風。

4結(jié)語

液氮冷凍法施工,對解決地下暗挖遇透水難題有著其他措施不可替代的優(yōu)點:冷凍土體、冰體在鑿除開挖施工時很難被破壞,即使有點損壞,也可及時通過補氮凍結(jié)而修復,有效地防止流沙、透水的危害,能確保施工人員安全施工。

這次穿北十里長溝東支河床底施工遇透水,在周密的安全措施保障下,成功使用液氮冷凍施工方案,經(jīng)過18天的努力,順利完成了業(yè)主的任務(wù)要求,實現(xiàn)了圣誕節(jié)前管道通水節(jié)點工期?？傮w上為業(yè)主降低了成本,實現(xiàn)了年度工程目標。

整個施工過程安全可控,施工進展順利,為該工程以后的調(diào)概打下了良好的基礎(chǔ),展示了公司應用先進技術(shù)以及安全施工控制的能力,樹立了良好的企業(yè)形象。