液氮水平冻结在盾构进洞施工中的运用 .doc

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1、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-12.878m。　　盾构在进入上海体育场站西

2、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400mm×400mm的钢筋混凝土方桩，桩长16m（分为8m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7.2m，与隧道最小的净距仅为1.15m（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25.5m，加固区宽4.

3、7m；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8.0m，水平长度3.5m（地下连续墙加结构厚度1.6m，盾构鼻尖400mm，故实际冻结帷幕与盾构的交圈长度为1

4、.5m），冻结壁厚度设计为1.7m。冻结孔、测温孔布置见图2。3　　冻结管采用f89mm的20号低碳钢管，壁厚8mm，冻结孔中心间距810mm。　　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7m；9个布置在盾构周边，其布置圈径6.6m)，测温孔采用f38×3mm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1m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0.1～0.15MPa；　　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0.05～0.1MPa（压力调节可使用液氮

5、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19d；下行线施工时，外界温度较高，热量损失较大，冻结时间为15d。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30d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

6、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15～25cm/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。3　　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

7、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