液氮凍結止水施工技術在地下連續(xù)墻中的應用

王寧寧，盛炎民，史 博，朱先發(fā)

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210000； 2.常州工學院土木建筑工程學院，江蘇 常州 213032；3.中鐵一局集團股份有限公司，陜西 西安 710054； 4.南通城市軌道交通有限公司，江蘇 南通 226010）

0 引言

隨著社會發(fā)展和技術進步，越來越多的城市開展地鐵建設，在周邊環(huán)境較為復雜及主體變形要求高的深大基坑工程中，地下連續(xù)墻作為圍護結構得到廣泛使用［1-3］。 地下連續(xù)墻主要具有以下優(yōu)點：墻體剛度大、整體穩(wěn)定性好、土體壓力對其造成的變形小、適合城市施工環(huán)境的需要［4-5］。 但地下連續(xù)墻幅與幅間的接縫為整個圍護結構防水的薄弱環(huán)節(jié)，墻體滲漏成為深基坑最大的施工風險源之一，包括接頭開裂、夾渣等。 同時，主動土壓區(qū)部分殘留“水囊”（承壓水、微承壓水、市政管線殘留及雨水等），也會增加地下連續(xù)墻滲漏風險［6］。 地下連續(xù)墻滲漏會導致局部墻體強度降低、側向剛度減小，從而進一步引起坑外水土流失，在實際施工中表現(xiàn)為地下連續(xù)墻側向位移增大、地面沉降增大等現(xiàn)象，嚴重影響基坑施工和地面環(huán)境的安全［4，7］。

本文以某城市地鐵1 號線某站地下連續(xù)墻滲漏搶險為例，對富水砂層中地下連續(xù)墻接頭滲漏的原因及液氮凍結法止水施工技術進行分析與探究。

1 工程概況

該工程項目所在地層隸屬長江下游沖積平原，地層從上至下為①填土、②砂質粉土、③1砂質粉土夾粉砂、③2粉砂、③3砂質粉土夾粉砂、④2砂質黏土夾粉土、④2t砂質粉土夾粉質黏土。 基坑底部位于粉砂層中。 基坑開挖標準段深度約－16.95m，圍護結構采用800mm 厚地下連續(xù)墻，墻深38.2m。 車站采用明挖順作法施工，開挖深度范圍受③1砂質粉土夾粉砂和③2粉砂影響較大，這2 層較厚、含水量豐富、滲透系數(shù)大，極易出現(xiàn)涌水、流砂等施工風險。

2 地下連續(xù)墻滲漏事故調查分析

2019 年3 月30 日，在施工過程中，基坑土方開挖至地下連續(xù)墻B19 與B20 墻縫位置處（深度13.5m），發(fā)現(xiàn)墻縫處有漏水、夾帶少量泥砂，現(xiàn)場立即回填土反壓至－10.800m 位置，滲漏點地層位于③2層，部分區(qū)域與③1層有部分重疊。 基坑位于主要市政道路區(qū)域，交通流量密集，周邊重要建筑眾多，各類地下市政管線錯綜復雜，場地狹窄，施工機械的動載和各種堆積超載均會對基坑及支護結構產生影響。

2.1 地下連續(xù)墻滲漏事故情況調查

滲漏事故出現(xiàn)后，對滲漏點采用堆碼圍堰反壓、注漿堵漏和加固技術處理，而在圍堰拆除過程中多次發(fā)生滲漏事故，可見傳統(tǒng)堵漏工藝止水效果不佳。 受土質自穩(wěn)性較差、漏水、注漿堵漏施工等影響，地下連續(xù)墻緩慢發(fā)生側向位移，在地下13 ～18m 處累計最大位移96.57mm，測斜位移曲線如圖1 所示。

圖1 測斜位移曲線Fig.1 Inclinometer displacement curve

墻縫出現(xiàn)滲漏后，對滲漏周邊地表及管線進行監(jiān)測，監(jiān)測點分布如圖2 所示（D16-2 和D16-3 為地表監(jiān)測點，其余為管線監(jiān)測點）。

圖2 監(jiān)測點分布Fig.2 Distribution of monitoring points

經過3 月25 日至4 月12 日滲漏水期間的連續(xù)觀測，地下連續(xù)墻B19 與B20 接縫處周圍地表、管線有下沉趨勢但速率可控，在墻縫背后土體注漿時點位有所上浮，在4 月9 日后恢復穩(wěn)定，變化平穩(wěn)（見圖3）。

圖3 地表、管線累積量變化曲線Fig.3 Change curve of surface and pipeline accumulation

2.2 地下連續(xù)墻滲漏事故原因分析

1） 工程地層特性 根據詳勘結果，場地潛水水位埋深為 1.200 ～3.100m， 平均水位埋深為2.480m，承壓水頭埋深2.000 ～5.000m。 承壓水層相對隔水層其厚度較薄，左線（北側）隔水層厚度約2m，且該層夾粉土，場地承壓水與潛水存在一定的水力聯(lián)系。 若周圍荷載較大，承壓水對墻體的水壓將增大，若施工不當，墻體連接處存在施工縫隙，易造成滲漏。

2） 地下連續(xù)墻施工質量 由于施工工藝不同，墻幅接縫處的嚴密程度差別較大，如果接頭部位處理不好，防滲漏縫隙不封閉，出現(xiàn)滲水現(xiàn)象的機率很高［8］。 此外，由于施工工期緊張，可能存在開挖前降水時間不足，部分相關土層仍殘留地下水。 根據B19 與B20 接縫滲水前期應急處置措施，基坑開挖面下部出現(xiàn)滲漏可能性較大，在滲水位置以下存在縫隙，不嚴密，造成墻縫滲漏呈線形分布，一旦再次開挖，出現(xiàn)滲漏可能性高、風險大。

3） 施工現(xiàn)場環(huán)境復雜 基坑周圍建筑及車輛等附加荷載較大，在周圍荷載作用下，地下連續(xù)墻會發(fā)生較大側移，導致墻幅連接處的墻縫間隙擴大，墻體周圍的孔隙水壓力上升，增大了地下連續(xù)墻的水壓力，極易發(fā)生滲漏事故［9-10］。 根據圖1，B19 與B20 地下連續(xù)墻正常開挖期間的側向位移值較大，易導致墻體局部薄弱處接縫開裂，進而誘發(fā)滲漏事故。

4） 前期搶險措施對地層的擾動 根據圖2，3可知，滲漏期間地表單日最大位移為10mm，土體加固注漿期間最大位移在地面以下18m（基底下1m），累計位移約96.57mm。 前期搶險堵漏過程中陸續(xù)向地層內注入聚氨酯AB 液1t、水泥48t、水玻璃36t。 地層注漿會對墻縫背后地層產生一定程度的擾動，后續(xù)的堵漏處理需根據前期注漿加固情況進行調整，由于土體內漿液流動的不確定性，需采取鉆芯取樣的方式對墻縫背后的注漿加固情況進行分析。

3 液氮凍結法止水施工

為確?；娱_挖見底過程中不再發(fā)生滲漏，地下連續(xù)墻接縫外側采用液氮凍結法進行止水處理。液氮經過減壓后，會變?yōu)闅鈶B(tài)的氮氣，在氣化過程中吸收大量的熱。 利用該原理，在接縫背后要止水的區(qū)域布置好凍結孔，讓液氮通過凍結孔，使液氮氣化過程中吸收凍結管周圍土體的熱量，使土體快速凍結形成凍土帷幕，達到止水阻漏的目的。

3.1 液氮凍結法止水施工技術

3.1.1 液氮凍結孔施工流程及布置

液氮凍結孔施工流程：施工準備→凍結孔定位→凍結孔鉆進→凍結管安裝→供液管安裝→凍結系統(tǒng)及測溫系統(tǒng)安裝→液氮進行凍結（測溫）→維護凍結→解凍、融沉注漿。

在地下連續(xù)墻接縫外側距離250mm 位置，由工字鋼翼板外端起始平行地下連續(xù)墻方向布設1 排（共4 個） 凍結孔， 凍結孔間距500mm， 深度24.95m，冷凍管采用?108×8 不銹鋼管，供液管選用?32×3 不銹鋼管，液氮凍結采用局部凍結法，凍結范圍為基坑底以下8m、滲漏點以上5m，共計16.45m。 由于液氮凍結土體會產生凍脹壓力，為避免凍脹壓力對地下連續(xù)墻造成影響，在地下連續(xù)墻外側距離冷凍孔500mm 位置處打設1 排（共3 個）卸壓孔，卸壓孔間距500mm，深度24.95m，卸壓孔可根據基坑監(jiān)測土壓變化情況進行加密。

為便于判斷土體凍結效果，測定土體凍結溫度，在凍結孔兩端間距400mm 位置處打設2 個測溫孔（兼作備用凍結孔），距離地下連續(xù)墻100mm 位置、凍結孔后排300mm 位置各打設2 個測溫孔（兼作泄壓孔，解凍時可作注漿孔），卸壓孔間距250mm，打設3 個測溫孔（兼作備用凍結孔），測溫孔深度24.95m，測溫管選用?89×5 不銹鋼鋼管，測溫管內每1m 設置1 個測溫點，同時在基坑內側墻縫邊地下連續(xù)墻上打設水平探孔取芯及測溫，通過密布的測溫孔判斷土體凍結速度及效果。 將成孔管進行凍結管檢漏試驗，試驗壓力為0.8MPa，試壓30min 壓力下降不超過0.05MPa，再延續(xù)15min，壓力不變?yōu)楹细瘛?凍結孔布置如圖4，5 所示。

圖4 凍結孔平面Fig.4 Freezing hole plane

圖5 凍結孔縱剖面Fig.5 Longitudinal section of freezing hole

將4 個凍結管分成2 組，兩兩串聯(lián)形成回路以保證凍結效果；液氮供應槽車設置在離凍結位置較近的位置，利用?40×4 不銹鋼管將液氮接至凍結工作面進行凍結（見圖6）。

圖6 凍結連接Fig.6 Frozen connections

液氮凍結的關鍵環(huán)節(jié)為液氮儲罐出口和凍結管出口的溫度和壓力控制，壓力調節(jié)可使用液氮儲罐上的散熱板，使用進路中截止閥進行溫度調節(jié)。溫度和壓力控制范圍如表1 所示。

表1 溫度和壓力控制Table 1 Temperature and pressure control

液氮凍結由于溫度極低，凍土的發(fā)展速度較快，根據液氮在凍結管中單位時間的蒸發(fā)量不同，凍土的發(fā)展速度在1 ～5cm／h，根據以往的施工經驗，取凍土的發(fā)展速度為100cm／d，推算凍結交圈時間約為3d。 為確保效果，需凍結7d 再通過測溫孔進行判斷，方可進行后續(xù)施工。

3.1.2 圍堰拆除墻縫處理

地下連續(xù)墻接縫背后液氮凍結止水完成且基坑圍護結構監(jiān)測數(shù)據穩(wěn)定后進行圍堰拆除，圍堰拆除處理前，凍土和測溫孔的平均溫度應≤－5℃。 每次拆除50cm，然后采用5mm 厚、50cm×50cm 帶球閥鋼板、膨脹螺栓將墻縫部位封堵起來，在鋼板周邊采用小型注漿機注入聚氨酯發(fā)泡劑進行封堵，鋼板接縫處采用M10 防水砂漿或快干水泥進行抹面封閉，拆除施工隨基坑開挖依次向下封堵，開挖至基坑底，地下連續(xù)墻墻縫位置下挖50cm，墻縫位置向下封堵1 塊鋼板后，將深挖坑槽采用素混凝土回填密實。

3.1.3 融沉注漿

凍結施工結束后拔除凍結管，安放注漿管，進行融沉補償注漿。 在施工現(xiàn)場通過泄壓孔和測溫孔進行單液漿注漿，對解凍區(qū)域進行融沉注漿，注漿壓力控制在1MPa 內，待凍結區(qū)域均注漿填充加固完成后結束。

3.1.4 施工過程監(jiān)測

凍結壁周邊設置3 個測溫孔，孔深22.95m，24h不間斷監(jiān)測凍結壁的厚度及周邊土體溫度。 凍結過程中應定時定人監(jiān)測測溫孔內不同位置的溫度，根據測溫結果計算凍結峰面的發(fā)展位置，預測凍結體的擴展情況。

測溫孔溫度變化如圖7 所示，1，2 號為測溫孔，3 號為預備凍結孔兼測溫孔，由于1，2 號測溫孔距離凍結管距離較近（25cm 左右），溫度變化較為敏感，而3 號孔距離最近凍結管60cm 左右，溫度呈現(xiàn)降低趨勢。

4 結語

當深基坑地下連續(xù)墻墻縫出現(xiàn)滲漏時，受富水砂層地層、地下水情況以及接縫施工質量的影響，加之場地環(huán)境復雜，極易發(fā)生滲漏事故。 處置滲漏事故應遵循“疏導為主，疏導、封堵、加固相結合”的處理原則，對不同情況采取何種措施的可靠性，尤其是滲漏事故原因進行認真調研和分析。 通過B19與B20 墻縫滲漏液氮凍結法止水施工技術的應用，總結如下。

1）液氮溫度較鹽水溫度更低，凍結速度更快，在搶險施工過程中止水速度更快。

2）液氮凍結降溫速度快、土壤失水少，所以產生凍脹壓力較小，解凍后溶解沉降較小，相對風險較小。

3）在富水砂層且地下水位較高的情況下，液氮凍結止水施工技術較傳統(tǒng)注漿堵漏工藝更快。