液氮、盐水联合冻结盾构开仓技术研究与应用

文敏

盾构法施工时经常需要进行盾构机开仓，以便进行刀具检修维护及地层障碍物清理等作业。在超大埋深富水复合地层需要突发性开仓时，目前采用较多的气压开仓、地面预加固常压开仓、常压刀盘开仓均有较大的局限性。采用地面液氮垂直冻结结合隧道内盾构机切口环环向盐水冻结加固刀盘四周土层，较快地实现盾构常压开仓作业，是一种适用于复杂地层、安全高效的盾构开仓技术。

一、工程概况

珠江三角洲水资源配置工程某盾构区间的一台Φ8630泥水平衡盾构机因突发情况需要开仓换刀。盾构机停机位置现状地面为草地，地面标高约为2m，刀盘中心线标高约为-44.33m，地表到刀盘底覆土厚度约为50.63m。自上而下为①人工填土3.0m，②-2淤泥10.1m，②-3含淤泥质粉细砂、细砂5.9m，②-4淤泥、淤泥质黏土12m，②-5泥质粉细砂、中细砂4.5m，②-6中粗砂2.7m、③-2含有机质粉质黏土3.83m、③-4中粗砂、砾砂4.99m、Ⅳ强风化粗砂岩1.19m、Ⅲ弱风化泥质砂砾岩2.42m。盾构机掌子面位置上方为中粗砂，中部为强风化粗砂岩，下部为弱风化岩。地下水位埋深较浅，为0.5～3m。

二、冻结方案设计

采用地面液氮垂直冻结结合隧道内盾构机切口环环向盐水冻结加固盾构机刀盘周围土体，实现快速冻结刀盘周围土体，实现常压开仓。

在盾构机刀盘前方、侧面以及上方设置垂直冻结孔，利用液氮冻结加固盾构机刀盘前方、两侧以及上方土体，形成倒U型冻结加固体。同时，利用盾构机切口环环向盐水冻结管，循环低温盐水冻结切口环附近50cm的土体，从而确保刀盘下方土体也得到冻结加固，与液氮垂直冻结形成闭合的冻结帷幕，给盾构常压开仓创造了条件。

液氮垂直冻结孔设置方案为：设置4排液氮冻结孔，排间距为0.8m，孔间距为0.6m，呈梅花形布置。盾构上方布置 2排冻结孔（B排、C 排），在盾构机前方布置2排冻结孔（A排、D排）。考虑液氮往下冻结速度慢，盾构掘进区域 B、C排冻结孔全部打到盾构机顶0.2m 处。冻结管边侧冻结发展为600mm，冻结管底部冻结发展为500mm。刀盘四周土体形成冻结帷幕后，需承受刀盘所处位置的水土压力，并作为止水帷幕，为常压安全开仓换刀创造条件。冻结壁范围设计如下：刀盘前方 1.8m、盾体上、下、左、右各3m，盾体两侧和刀盘前方冻结范围钻孔深度至隧底以下3m，切口环冻土环向发展为500mm。冻结体范围以及冻结孔设置如图1所示。

图1 冻结方案示意图

液氮冻结施工设计指标为：

（1）刀盘前方冻土厚度≥1.8m，刀盘上下左右的冻土厚度≥3m；（2）冻土平均温度≤-15℃；（3）液氮进口温度：-150～-170℃；出口温度：-60℃以下。

三、冻结加固施工

1.总体施工思路

在隧道内建设盐水冷冻站，先进行盾构机切口环环向盐水冻结。随后进行地面液氮垂直冻结施工。

2.液氮垂直冻结孔施工

为了确保冻结孔精度，采用锚固钻机钻孔。首先测量放线，准确定位各冻结孔位置。然后锚固钻机就位，确保锚固钻机水平，钻杆中心与冻结孔中心重合，每钻进3米，即校核一次钻杆的垂直度。

每个钻孔完成后，及时下放冻结管，冻结管选用φ108×5mm的不锈钢管。冻结管分节下放，第一根冻结管的底部应密封焊接，每根冻结管采用内套箍连接，并采用对接焊焊接牢固。冻结管下放到位后，采用木塞、泡沫板等封堵管口，防止杂物掉入。

冻结管安装后，需要进行水压试验检验冻结管的密封性。水压试验压力为0.8MPa，试验30min后压力下降不超过0.05MPa，且再延长15min后压力维持不变，则水压试验合格。

3.液氮冻结装置系统安装

每个冻结管内下放一根液氮供液管，供液管采用φ32×3mm不锈钢管，下放至接近冻结管底部。供液干管采用φ200mm不锈钢管，每排冻结管设置一根供液干管，总计4根供液干管。供液干管与每个冻结孔的供液管之间采用不锈钢金属软管连接，连接处设置阀门开关。供液干管与液氮槽车通过不锈钢金属软管连接。根据实际冻结管长度及位置，冻结管采用每孔单独循环的方式，保证各冻结管向外扩散冷量均匀。非冻结区域的冻结管外壁包裹保温棉，所有外露的供液管与供液干管均包裹保温棉，冻结区域地面铺设保温板。液氮冻结系统如图2所示。为了防止施工人员误触外露的排气管造成冻伤，外露的排气管也需进行保温处理，保温措施同外露的供液管。

4.冻结施工时间估算

据我单位多年液氮冻结施工经验，冻土的平均发展速度约15cm/天。冻结孔间距为60cm。推算冻土交圈时间为:t=60/2/15=2.0天。冻土达到交圈约需2天，液氮冻结4～5天后可以进行换刀作业，具体根据测温孔实测温度判定。

5.液氮需用量估算

冻结帷幕体积：长×宽×高＝14.6m×3.4m×14.6m＝724.74m3。

积极冻结期间，冻结体需要的液氮量为0.5t/天，积极冻结时间预计为7天。

积极冻结需要的液氮总量：0.5×7×724.74=2536.59t。

换刀期间采用维护冻结，维护冻结液氮消耗量约为0.25 t/天，此次换刀时间预计为7天，如换刀时间延长则维护冻结时间延长。

维护冻结需要的液氮总量：0.25×7×724.74=1268.30t。

液氮总消耗量：（2536.59+1268.30）×1.1 =3804.89×1.1=4185.38t。

6.液氮冻结

（1）液氮冻结装置系统预冷

因液氮温度极低，对冷冻装置产生的热胀冷缩效应大，一开始急速冻结，可能会导致焊缝脆裂、冷冻装置破坏，因而开始需要对整个液氮冻结装置系统预冷，即使用温度较低的氮气（-30℃以上）对整个液氮冻结装置进行预冷处理。对冻结系统进行预冷处理时，通过调节阀门大小，使进入冻结管的氮气温度不低于-30℃，经过1小时的预冷处理后，将输入氮气的温度逐步降低，通常经过15～24小时后，可逐渐开始往冻结孔输送液氮。

（2）正式冻结

开始正式冻结时，要确保冻结管内充满液氮，一般正式冻结约24h后，可根据测温孔反馈的土体温度，进行液氮流量调整，从而确保冻结效果。正式冻结时，以测温数据作为液氮供应压力与供应量的调整依据，既充分发挥液氮的低温快速冻结效用，又要避免液氮浪费。

液氮槽车出口处的液氮温度宜控制在-150℃～-170℃，液氮压力控制在0.1MPa～0.15MPa；排气管出口氮气温度宜控制在-50℃～-60℃，氮气压力控制在0.05Mpa～ 0.1 Mpa。

为避免发生液氮供应中断的情况，液氮槽车应“一用一备”，即一台液氮槽车在输送液氮时，现场还有一台装满液氮的槽车待用。

（3）液氮冻结注意事项

①需要做好防护措施，佩戴防护面具或防护眼镜，以及戴皮手套等防护用具，以免液化气体直接接触皮肤、眼睛或手脚等部位引起冻伤。

②冻结装置系统应采用低温氮气进行预冷，以避免冻结管焊缝开裂以及其他管道装置变形过大损坏。

③排气管高度应在2.0m以上，以便低温氮气排放到空气中，保障施工人员安全。

④根据每个冻结孔的排气温度调节供液阀门大小，使各冻结孔周边冻结发展速度均匀。

⑤正式冻结后，采用智能化温度监控系统采集的测温孔温度数据，综合判断冻土发展速度。

⑥为防止雨水灌入，排气管口宜安装弯头。

⑦液氮应由具有专业资质的液氮生产厂家供应，采用容量不小于20m3专用液氮槽车运输。

7.冻结系统温度监测

采用智能化冻结温控系统，该系统采用出气口氮气温度控制液氮流量，从而使冻土均匀发展并及时交圈，确保良好的冻结效果。

监测测温孔温度：在冻结帷幕范围设置10个测温孔，单个测温孔根据需要布置竖向测点；全程进行监测，始终监测冻结帷幕的发展情况。既要保证冻结帷幕的均衡和厚度，又要根据测温孔反馈的温度，随时调整液氮输送量，控制冻结帷幕的发展。

监测供液干管温度：在供液干管上布置测温点，监测供液干管里的液氮温度，保证连续供应温度合适的液氮。

监测液氮供液管口温度：在液氮供液管口布置温度测点，监测供液管口液氮温度，从而调整控制液氮流量，特别在预冷阶段控制氮气的温度与流量。

监测排气管的温度与压力：在每根排气管口部布置一个测温点与压力监测点，通过实时监测排气温度与排气压力，来控制每个冻结孔的供液量，确保每个冻结孔周边冻结帷幕发展速度均衡。

8.开仓条件验收

冻结完成后，冻结施工单位和冻结监测单位均需提供冻结效果评价报告，明确结论，并组织专家对冻结效果进行评价。当现场冻结效果达到设计要求后，及时组织冻结专家进行开仓条件审查验收。只有通过开仓条件验收后，方可转入下道工序施工，即开仓清理工作。

9.强制解冻

待换刀完成后，关闭仓门，对所有冻结管循环热盐水进行强制解冻，拔除刀盘前方的冻结管及测温管。利用人工局部解冻的方案，进行拔管，具体方法如下：利用热盐水在冻结管里循环，使冻结管周围的冻土融化达到50mm～80mm时，开始拔管。盾构刀盘转动后，不应停止，避免刀盘被复冻。

四、常压开仓作业

1.常压开仓前作业准备

（1）应完成对地面沉降监测布点和数据收集准备工作。

（2）应填充盾尾刷油脂、对盾尾后面的管片进行二次注浆并检验止水环封闭效果。

2.减压

对于泥水平衡式盾构，降压梯度为0.2bar/次，每次降压后稳压不小于30分钟，观察压力变化情况及泥水仓内液位变化情况，在确认压力波动值小于总供气量的10%(闸阀开合度不大于0.8）后开始进行下一阶段的降压及降液位，直至压力降低至0bar。压力降至0bar后稳压不小于3h，稳压期间不得进行其他操作（如加压或排水），在确认泥水仓液位变化较少时（泥水排放量不大于20s）后，则判断该地层可满足常压开仓要求。

3.开仓门

常压开仓前，根据地表沉降监测数据＜3mm/d（累计数据不超过28mm）或地表无其他异常情况，确认地层条件满足常压进仓条件。开仓门前，应先打开仓室之间的平衡阀， 待压力平衡后，开启仓门。

4.通风换气

（1）仓门开启前应通风换气

通过盾构机配置的保压装置系统置换仓内空气，同时检测排出仓外的气体质量。在每次开仓工程中加强通风，保证通风至开挖仓内工作面以下，检测仓内有毒、有害、易燃、易爆气体，并实事求是地将检测结果记入《气体检测记录表》。

（2）开仓门后通风换气

仓门开启后，利用鼓风机通风换气，通风时间应大于30min，通过作业通道通风，置换仓内空气。作业过程中，对仓内进行实时通风，并检测气体，如发生异常情况，人员立即撤出，关闭仓门，并通风换气，待开挖仓内气体检测合格后，才能继续进仓作业。

5.清理和换刀

将盾构机刀盘和土仓分为上、中、下三个区进行清理，在满足换刀操作空间的情况下最低限度清理刀盘开口，以清理刀盘背后的冻土为主。开仓清理和换刀顺序：由上自下逐层清理冻土，清一层换一层。

6.关闭仓门

对于泥水平衡盾构机，开仓作业完成后，全面检查刀盘前方及泥水仓，防止遗留工具、杂物等。确认一切正常后关闭仓门，开始试掘进。

五、结语

相对于地面水泥系预加固开仓污染周边环境、施工周期长，而气压开仓则耗用大量的膨润土以及施工人员在高压状态下工作效率低，采用液氮、盐水联合冻结盾构开仓技术，能在复杂地层安全高效地实现盾构常压开仓作业，且绿色环保，应用前景广阔。