液氮冻结法在竖井施工方面的应用

张颖君 褚衍坡 徐国庆

1 工程概况

川气东送管道工程西起川东北普光首站，东至上海末站，是继西气东输管线之后又一条贯穿我国东西部地区的天然气管道大动脉，管道主干线自西向东途经四川、重庆、湖北、安徽、江苏、浙江、上海，全长约1 700 km。

盾构机主机到达接收井，在拼装环片的过程中发生突发性的意外施工事故，造成接收井井口至大堤一侧隧道轴线方向发现地表沉降，地面沉降长度约101 m，宽度约30 m，最深达到6 m左右。根据现场的情况，考虑到施工的具体措施，提出越江隧道原位冻结加固盾构拆除、异位新建竖井冰塞封水的方案。根据详细勘察资料，地下水位埋深较浅，地下水水位受江水控制，考虑到不影响工程总工期，新工作井采取液氮冻结。

2 方案设计的基本参数

2.1 冻结深度

根据提供的资料，越江隧道的内径3 080 mm，外径3 540 mm，隧道的中心埋深31 m，新工作井槽壁埋深44 m，底板埋深37.5 m，冻结深度为44 m。

2.2 加固体尺寸确定

经计算，加固体计算厚度0.54 m，可以满足安全系数 1.5的要求。因为液氮冻结所形成的冻结壁的平均温度可达-15℃，为此液氮封堵冻结加固体厚度取为1.1 m。经验算满足强度要求。

3 液氮冻结施工

3.1 冻结管加工

冻结管选用φ 89×4 mm的不锈钢无缝钢管，采用打坡口用不锈钢焊条对接焊。供液管选用φ 32×3.5 mm不锈钢无缝钢管，采用打坡口用不锈钢焊条对接焊。第一根供液管下部500 mm加工成花管，花管φ 5 mm。供液管引出冻结管管口后，把冻结管管口用10 mm厚的钢板封上。在冻结管一侧开φ 32 mm的孔，安装排气管。冻结管内部结构剖面图见图1。

3.2 冻结系统的安装

3.2.1 液氮分配器的制作

液氮分配器采用1 m长的φ 89×4 mm不锈钢无缝钢管焊接，通过不锈钢软管和液氮槽车连接。输入口安装DN40的低温截止阀和压力表，输出口安装DN25低温截止阀，用来控制每个冻结孔的液氮流量(见图2)。

3.2.2 冻结系统的保温

为了减少冷量的损失，所有暴露于空气中的管路，包括连接不锈钢软管、控制阀、连接接头等都进行了保温处理，保温时先采用50 mm厚的聚苯乙烯保温材料保温，然后加6层密封薄膜密封。

3.3 冻结施工

3.3.1 冻结系统的预冷

正式冻结前，需要对整个冻结系统进行预冷处理。即在液氮冻结前，使用低温氮气对整个冻结系统进行充分预冷。

在预冷冻结阶段控制阀门，使进入供液管内的氮气维持在-30℃以上，预冷1 h后，逐渐降低输入的氮气温度，在5 h～12 h后，逐渐向供液管内输入液氮，开始正式冻结。

3.3.2 冻结的控制

在积极冻结期间，为了尽快达到封水的目的，加大了液氮的供应量，保证液氮槽车的供液压力在0.3MPa～0.45 MPa之间、分配器供液压力在0.05 MPa～0.2 MPa之间、排气温度在-100℃～-130℃之间。

在冻结过程中，根据测温孔的温度变化，判断冻结帷幕的发展情况。冻结帷幕的厚度和强度达到设计要求以后，可以维持冷冻，并进行试抽水排砂工作。

消极冻结期间，排气温度应根据实际的测温情况来定，一般在-85℃～-110℃之间，保证冻结壁的有效厚度和强度。

4 冻结系统的信息化监测

4.1 监测内容

1)液氮供液管口温度监测。为了控制液氮的供液，在液氮供液管口布置温度测点，进行实时监测，控制冻结过程中的液氮供应，特别是作为冻结预冷阶段的低温氮气温度控制的依据。2)排气口温度的监测。在排气管口布置温度测点，对氮气的排放温度进行实时监测，保证冻结持续进行，充分发挥液氮低温速冻的效果，同时也是控制液氮供应量的依据之一。3)测温孔温度监测。在D5′和D5″中心连线位置布置一个测温孔，测温孔深度为40 m，测温孔内每间隔6 m～7 m布置一个测温点，以便于有效测量冻结帷幕的发展范围。4)压力监测。对液氮罐和分配器内的压力要进行监测，每 30 min做一次记录，保证液氮罐内压力在0.3 MPa～0.45 MPa，分配器内压力保持在0.05 MPa～0.2 MPa，保证每个冻结孔内液氮的分配均匀，同时保证液氮在到达冻结管底部之后再蒸发。5)供用量监测。对液氮罐内液氮液位每30 min做一次记录，通过液位变化带控制液氮的供用量，以保证液氮持续均匀供给。6)水位监测。对工作井、水源井和江面水位每隔12 h要进行一次测量，并做出记录，便于分析工作井中水位变化情况，为工作井的抽水工作提供依据。7)地表沉降监测。为了防止冻胀对地表结构体的破坏，在冻结区域20 m范围内设置地表变形监测点，每隔12 h进行一次测量。8)槽壁位移监测。为防止冻胀影响使槽壁发生位移，在冻结区的槽壁上设置位移监测点，每隔12 h进行一次测量。

4.2 监测结果

从温度监测结果来看，3月22日预留孔位开始冻结，27日增加的孔位也开始冻结，4月11日大部分测温孔测点温度均在-10℃以下，冻结情况良好。通过沉降和位移监测，均在允许范围内，未对长江大堤造成影响。

5 结语

整个工程于3月22日开始液氮冻结，4月11日试抽水，15 d形成冻结壁。从开挖情况来看冻结壁发展良好，竖井周围冻胀量较小。液氮冻结法施工便捷，不需要安装冻结机房和复杂的盐水管路，冻结周期短，形成的冻土温度低，强度高，封水性好。而且由于冻结温度低，冻土中水分迁移量小，与盐水冻结相比产生的冻胀和融沉量较小，对周围环境影响小。当冻结区域存在少量动水时，液氮冻结也能形成冻土封水。因此液氮冻结特别适合那些地质条件复杂，场地有限或对工期有严格要求的工程。

[1] 翁佳杰.液氮冻结土层的理论和实践[J].煤炭科学技术，1994(2):11-17.

[2] 王朝晖，朱向荣，曾国熙.动水条件下土层液氮冻结模型试验的研究[J].浙江大学学报，1998(9):5-8.