液氮超低温局部冻结技术在顶管始发工程中的应用

关 伟

上海公路桥梁（集团）有限公司 上海 200433

1 背景工程概况

绍兴滨海新城沿世纪大道向西拟铺设DN1 400～DN1 200 mm的供水管，供水管在曹娥江右岸海塘处转折向北行进，在世纪大桥下游约2.50 km处穿越江水，穿越拟采用江底顶管的方式。本次顶管始发工作井为临时工作井，位于曹娥江左岸海塘边的河道内。顶管洞门设计孔洞直径1.60 m，工作井地面标高＋5.00 m，顶管洞门圈中心标高－15.00 m。上覆地层主要以杂填土为主，土质不均，顶管推进区域以粉砂为主，富水性强。顶管区域内上下4 m及推进深度5 m区域采用高压旋喷加固，封水效果不理想，根据现场情况及液氮冻结技术优势，决定采用垂直液氮冻结加固土体配合顶管始发。

2 液氮冻结设计

分析地层特征及周边环境，施工难点主要表现在以下两点：地层软硬不均，造孔钻头易跑偏，偏斜控制难，且施工区域处于流砂地层，成孔过程中容易产生跑浆、坍孔风险；邻近曹娥江，河道底板以下可能存在动水，且地层中进行过三轴搅拌与高压旋喷，水泥水化放热严重，地层需冷量大，地层交圈面临挑战[1-3]。

针对以上难点，经过精心设计，决定采用垂直双排孔液氮超低温冻结的加固方案，以扩大冻结加固范围，缩小开孔间距，最终确定冻结深度为23.80 m，深入到顶管底板以下3 m。考虑到液氮冻结技术及经济的全面合理性，采用了长短腿设计、液氮局部冻结加固方案，每2根冻结管作为一组，采用串联式连接，加固范围为－23.80～－16.00 m。同时，针对液氮冻结存在的不均匀性，对冻结区域，顶管上下层界面处，采用十字对开透气孔，增大了液氮的汽化断面，从而增强了冻结壁的均匀性（图1、图2、表1）。

图1 液氮冻结方案设计

图2 串联式冻结器

3 液氮冻结施工

3.1 冻结孔施工

绍兴滨海工作井顶管始发液氮超低温局部冻结工程于2017年6月14日开始钻孔施工，于6月22日钻孔施工完成。

表1 顶管始发液氮超低温局部冻结加固主要参数

在施工钻孔过程中，由于顶管始发部位用高压旋喷桩与三轴搅拌桩进行过处理，特别是15 m以下，在钻孔过程中钻头碰到加固的混凝土与水泥层，特别是在软硬地层界面，钻头跑偏严重，钻孔成孔过程中坍孔严重，成孔困难。后通过调节钻机参数及配制应用高效护壁泥浆，优化钻孔工艺，方确保了成孔与下管的顺利进行。

3.2 冻结运转

冻结加固工程于2017年6月23日转入积极冻结施工工序，在缓慢降低冻结系统出气口温度、冻结3 h后，采用接触式热电偶K型数字测温仪调控出口温度达到－80～－60 ℃。针对钻孔偏斜偏大的位置，采用单组循环的方式，同时加大液氮流量进行加强冻结。采用液氮槽车不间断供给，通过调节干管压力进行流量控制，积极冻结时间累计9 d。

4 施工过程监测及环境效应控制

4.1 原始地温监测

本工程的工作井区域原始地温在25 ℃左右，因受三轴搅拌与高压旋喷水泥水化热的影响，在顶管始发区域地温升高了2.5～7.8 K，这对冻结壁的正常交圈产生了一定影响。

4.2 测温孔温度监测及分析

本冻结工程共布置3个测温孔，其中T1、T2在冻结孔内侧，T3在冻结孔外侧。在T1、T2、T3测温孔内部共埋设7个测点，冻结段布置5个测点，非冻结段布置2个测点。分析不同阶段、不同部位冻结壁温度场扩展情况，根据测温孔温度情况计算冻土扩展速率，及相应的冻结壁厚度与平均温度，以为准确判断交圈时间提供依据。

4.2.1  冻土扩展速度推算

测温孔测点温度降至0 ℃的时间如表2所示。

根据冻土扩展速率，以冻土扩展速率最慢的T3为例，最大孔间距1.4 m，以此来推算出冻结壁交圈时间为5.1 d。

4.2.2  冻结壁厚度推算

根据推算的冻土扩展速率，冻结壁向内扩展速度按T1孔计算，边界向外扩展速度按T3孔计算，推测积极冻结10 d时的冻结壁厚度（表3）。

表2 冻土发展速率计算

表3 冻结壁有效厚度推算

按照冻结壁向内向外扩展速度，积极冻结10 d时洞门处冻结壁厚度超过2.5 m。

4.2.3  冻结壁平均温度计算

根据7月1日的测温数据绘制测温孔温度值与冻结管中心线的距离关系（图3），按积分面积法求得冻结壁平均温度为－40 ℃＜－15 ℃（设计冻土平均温度）。由此可知，冻土帷幕冻结情况良好，冻结壁厚度及平均温度均满足设计要求。

4.2.4  局部冻结设计（长短腿）效果分析

为实现既加强顶管始发区域冻结、又可节约冷量的目的，冻结器设计采用供回液管长短腿的结构形式（以下称为冻结段与非冻结段）。分析冻结段与非冻结段冻土的扩展速度，从而判断局部冻结设计的效果。

分析温度降温曲线（图4）可知，供液管采用长短腿的局部冻结设计方案，冻结段降温梯度明显高于非冻结段，推算冻结段冻土扩展速度约为非冻结段冻土扩展速度的3倍，供液管采用长短腿局部冻结设计的效果较好，约可节约冷量2/3。

4.2.5  探孔施工

2017年7月1日进行探孔施工，探孔深度均穿透厚1 m的地下连续墙到达冻土层，共布置4个探孔（表4）。

根据探孔施工情况，探孔内干燥无流水，探孔温度均≤－3 ℃，这与测温孔推算的情况基本吻合。

图4 冻结段与非冻结段温度变化曲线

表4 探孔情况

经过测温孔与探孔揭露的情况分析，冻结壁强度与厚度满足顶管始发进洞条件。2017年7月2日顶管顺利始发，冻结法在顶管始发加固工程中的首次应用取得成功。

顶管始发期间，经监测，工作井地下连续墙结构及地面轨道均无明显变形，液氮冻结降温梯度大、冻结时间短，冻土冻胀对地下连续墙结构及地面影响小。

5 结语

此次液氮超低温局部冻结技术在绍兴滨海工作井顶管始发中的应用取得圆满成功，为类似工程施工提供了有益借鉴，积累了经验。

1）实践证明，采用双排孔液氮冻结方案配合顶管始发绿色、高效、安全。

2）采用超低温液氮局部冻结技术，冻土扩展速度快，相比常规的盐水冻结，冻土扩展速度为盐水冻结速度的8～10倍[4-5]。

3）供液管采用长短腿局部冻结设计方案效果较好，约可节约冷量2/3。

4）由于液氮冻结温度低、冻结降温梯度大，可有效缩短冻结工期，减少冻胀效应。

5）在城市地下工程拟采用冻结工法时，工期要求紧、周边环境效应要求高的工程，液氮冻结工法可优先考虑。