液氮超低溫局部凍結(jié)技術(shù)在頂管始發(fā)工程中的應(yīng)用

關(guān) 偉

上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司 上海 200433

1 背景工程概況

紹興濱海新城沿世紀(jì)大道向西擬鋪設(shè)DN1 400～DN1 200 mm的供水管，供水管在曹娥江右岸海塘處轉(zhuǎn)折向北行進(jìn)，在世紀(jì)大橋下游約2.50 km處穿越江水，穿越擬采用江底頂管的方式。本次頂管始發(fā)工作井為臨時(shí)工作井，位于曹娥江左岸海塘邊的河道內(nèi)。頂管洞門設(shè)計(jì)孔洞直徑1.60 m，工作井地面標(biāo)高＋5.00 m，頂管洞門圈中心標(biāo)高－15.00 m。上覆地層主要以雜填土為主，土質(zhì)不均，頂管推進(jìn)區(qū)域以粉砂為主，富水性強(qiáng)。頂管區(qū)域內(nèi)上下4 m及推進(jìn)深度5 m區(qū)域采用高壓旋噴加固，封水效果不理想，根據(jù)現(xiàn)場情況及液氮凍結(jié)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，決定采用垂直液氮凍結(jié)加固土體配合頂管始發(fā)。

2 液氮凍結(jié)設(shè)計(jì)

分析地層特征及周邊環(huán)境，施工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：地層軟硬不均，造孔鉆頭易跑偏，偏斜控制難，且施工區(qū)域處于流砂地層，成孔過程中容易產(chǎn)生跑漿、坍孔風(fēng)險(xiǎn)；鄰近曹娥江，河道底板以下可能存在動(dòng)水，且地層中進(jìn)行過三軸攪拌與高壓旋噴，水泥水化放熱嚴(yán)重，地層需冷量大，地層交圈面臨挑戰(zhàn)[1-3]。

針對(duì)以上難點(diǎn)，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，決定采用垂直雙排孔液氮超低溫凍結(jié)的加固方案，以擴(kuò)大凍結(jié)加固范圍，縮小開孔間距，最終確定凍結(jié)深度為23.80 m，深入到頂管底板以下3 m?？紤]到液氮凍結(jié)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的全面合理性，采用了長短腿設(shè)計(jì)、液氮局部凍結(jié)加固方案，每2根凍結(jié)管作為一組，采用串聯(lián)式連接，加固范圍為－23.80～－16.00 m。同時(shí)，針對(duì)液氮凍結(jié)存在的不均勻性，對(duì)凍結(jié)區(qū)域，頂管上下層界面處，采用十字對(duì)開透氣孔，增大了液氮的汽化斷面，從而增強(qiáng)了凍結(jié)壁的均勻性（圖1、圖2、表1）。

圖1 液氮凍結(jié)方案設(shè)計(jì)

圖2 串聯(lián)式凍結(jié)器

3 液氮凍結(jié)施工

3.1 凍結(jié)孔施工

紹興濱海工作井頂管始發(fā)液氮超低溫局部凍結(jié)工程于2017年6月14日開始鉆孔施工，于6月22日鉆孔施工完成。

表1 頂管始發(fā)液氮超低溫局部凍結(jié)加固主要參數(shù)

在施工鉆孔過程中，由于頂管始發(fā)部位用高壓旋噴樁與三軸攪拌樁進(jìn)行過處理，特別是15 m以下，在鉆孔過程中鉆頭碰到加固的混凝土與水泥層，特別是在軟硬地層界面，鉆頭跑偏嚴(yán)重，鉆孔成孔過程中坍孔嚴(yán)重，成孔困難。后通過調(diào)節(jié)鉆機(jī)參數(shù)及配制應(yīng)用高效護(hù)壁泥漿，優(yōu)化鉆孔工藝，方確保了成孔與下管的順利進(jìn)行。

3.2 凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)

凍結(jié)加固工程于2017年6月23日轉(zhuǎn)入積極凍結(jié)施工工序，在緩慢降低凍結(jié)系統(tǒng)出氣口溫度、凍結(jié)3 h后，采用接觸式熱電偶K型數(shù)字測溫儀調(diào)控出口溫度達(dá)到－80～－60 ℃。針對(duì)鉆孔偏斜偏大的位置，采用單組循環(huán)的方式，同時(shí)加大液氮流量進(jìn)行加強(qiáng)凍結(jié)。采用液氮槽車不間斷供給，通過調(diào)節(jié)干管壓力進(jìn)行流量控制，積極凍結(jié)時(shí)間累計(jì)9 d。

4 施工過程監(jiān)測及環(huán)境效應(yīng)控制

4.1 原始地溫監(jiān)測

本工程的工作井區(qū)域原始地溫在25 ℃左右，因受三軸攪拌與高壓旋噴水泥水化熱的影響，在頂管始發(fā)區(qū)域地溫升高了2.5～7.8 K，這對(duì)凍結(jié)壁的正常交圈產(chǎn)生了一定影響。

4.2 測溫孔溫度監(jiān)測及分析

本凍結(jié)工程共布置3個(gè)測溫孔，其中T1、T2在凍結(jié)孔內(nèi)側(cè)，T3在凍結(jié)孔外側(cè)。在T1、T2、T3測溫孔內(nèi)部共埋設(shè)7個(gè)測點(diǎn)，凍結(jié)段布置5個(gè)測點(diǎn)，非凍結(jié)段布置2個(gè)測點(diǎn)。分析不同階段、不同部位凍結(jié)壁溫度場擴(kuò)展情況，根據(jù)測溫孔溫度情況計(jì)算凍土擴(kuò)展速率，及相應(yīng)的凍結(jié)壁厚度與平均溫度，以為準(zhǔn)確判斷交圈時(shí)間提供依據(jù)。

4.2.1 ?凍土擴(kuò)展速度推算

測溫孔測點(diǎn)溫度降至0 ℃的時(shí)間如表2所示。

根據(jù)凍土擴(kuò)展速率，以凍土擴(kuò)展速率最慢的T3為例，最大孔間距1.4 m，以此來推算出凍結(jié)壁交圈時(shí)間為5.1 d。

4.2.2 ?凍結(jié)壁厚度推算

根據(jù)推算的凍土擴(kuò)展速率，凍結(jié)壁向內(nèi)擴(kuò)展速度按T1孔計(jì)算，邊界向外擴(kuò)展速度按T3孔計(jì)算，推測積極凍結(jié)10 d時(shí)的凍結(jié)壁厚度（表3）。

表2 凍土發(fā)展速率計(jì)算

表3 凍結(jié)壁有效厚度推算

按照凍結(jié)壁向內(nèi)向外擴(kuò)展速度，積極凍結(jié)10 d時(shí)洞門處凍結(jié)壁厚度超過2.5 m。

4.2.3 ?凍結(jié)壁平均溫度計(jì)算

根據(jù)7月1日的測溫?cái)?shù)據(jù)繪制測溫孔溫度值與凍結(jié)管中心線的距離關(guān)系（圖3），按積分面積法求得凍結(jié)壁平均溫度為－40 ℃＜－15 ℃（設(shè)計(jì)凍土平均溫度）。由此可知，凍土帷幕凍結(jié)情況良好，凍結(jié)壁厚度及平均溫度均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.4 ?局部凍結(jié)設(shè)計(jì)（長短腿）效果分析

為實(shí)現(xiàn)既加強(qiáng)頂管始發(fā)區(qū)域凍結(jié)、又可節(jié)約冷量的目的，凍結(jié)器設(shè)計(jì)采用供回液管長短腿的結(jié)構(gòu)形式（以下稱為凍結(jié)段與非凍結(jié)段）。分析凍結(jié)段與非凍結(jié)段凍土的擴(kuò)展速度，從而判斷局部凍結(jié)設(shè)計(jì)的效果。

分析溫度降溫曲線（圖4）可知，供液管采用長短腿的局部凍結(jié)設(shè)計(jì)方案，凍結(jié)段降溫梯度明顯高于非凍結(jié)段，推算凍結(jié)段凍土擴(kuò)展速度約為非凍結(jié)段凍土擴(kuò)展速度的3倍，供液管采用長短腿局部凍結(jié)設(shè)計(jì)的效果較好，約可節(jié)約冷量2/3。

4.2.5 ?探孔施工

2017年7月1日進(jìn)行探孔施工，探孔深度均穿透厚1 m的地下連續(xù)墻到達(dá)凍土層，共布置4個(gè)探孔（表4）。

根據(jù)探孔施工情況，探孔內(nèi)干燥無流水，探孔溫度均≤－3 ℃，這與測溫孔推算的情況基本吻合。

圖4 凍結(jié)段與非凍結(jié)段溫度變化曲線

表4 探孔情況

經(jīng)過測溫孔與探孔揭露的情況分析，凍結(jié)壁強(qiáng)度與厚度滿足頂管始發(fā)進(jìn)洞條件。2017年7月2日頂管順利始發(fā)，凍結(jié)法在頂管始發(fā)加固工程中的首次應(yīng)用取得成功。

頂管始發(fā)期間，經(jīng)監(jiān)測，工作井地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)及地面軌道均無明顯變形，液氮凍結(jié)降溫梯度大、凍結(jié)時(shí)間短，凍土凍脹對(duì)地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)及地面影響小。

5 結(jié)語

此次液氮超低溫局部凍結(jié)技術(shù)在紹興濱海工作井頂管始發(fā)中的應(yīng)用取得圓滿成功，為類似工程施工提供了有益借鑒，積累了經(jīng)驗(yàn)。

1）實(shí)踐證明，采用雙排孔液氮凍結(jié)方案配合頂管始發(fā)綠色、高效、安全。

2）采用超低溫液氮局部凍結(jié)技術(shù)，凍土擴(kuò)展速度快，相比常規(guī)的鹽水凍結(jié)，凍土擴(kuò)展速度為鹽水凍結(jié)速度的8～10倍[4-5]。

3）供液管采用長短腿局部凍結(jié)設(shè)計(jì)方案效果較好，約可節(jié)約冷量2/3。

4）由于液氮凍結(jié)溫度低、凍結(jié)降溫梯度大，可有效縮短凍結(jié)工期，減少凍脹效應(yīng)。

5）在城市地下工程擬采用凍結(jié)工法時(shí)，工期要求緊、周邊環(huán)境效應(yīng)要求高的工程，液氮凍結(jié)工法可優(yōu)先考慮。