液氮凍結二次加固在富水軟弱地層小盾構接收中的應用與實測

刁鵬程， 楊　平

(南京林業大學土木工程學院， 江蘇 南京　210037)

0　引言

盾構接收與始發是盾構法建設隧道的關鍵工序，由于隧道洞門土體自身穩定性較差，盾構接收與始發時易引起洞門周圍土體坍塌，發生涌水涌砂，嚴重影響盾構的接收與始發，并易導致地表沉降并危及周邊建(構)筑物安全，因此需要對盾構端頭土體進行加固，以降低其工程風險[1-2]。盾構端頭加固方式很多，人工凍結加固法是眾多方式中的一種，因其較強的適應性、靈活的凍結方式、施工過程無污染等特點，在盾構端頭加固研究與施工中廣為應用，且已取得豐富經驗[3-6]。

端頭加固凍結主要以鹽水凍結為主，液氮凍結大多用于搶險、應急工程等小體積的凍結工程。近年來，在含承壓水軟土地層中的地鐵隧道修復[7]、盾尾刷的更換[8]、盾構清障[9]等工程實踐中，都有液氮凍結的成功應用實例。國內學者還針對富水地層盾構進出洞端頭井液氮凍結開展了一系列研究和實踐工作，如岳豐田等[10]利用液氮凍結技術完成了凍結井筒水文孔內部流水的封閉施工；張穎君等[11]在盾構工作井漏水情況下，使用液氮凍結對漏水點進行封堵；汪振偉等[12]在隧道工作井初次凍結的基礎上，使用液氮進行了二次凍結，提高了凍結加固體的強度，有效封堵了地下流水。以上工程實踐與研究，均是在無水化熱或者水化熱影響較小的情況下進行液氮凍結，而對于大量水泥土加固后仍存在流水通道的富水軟弱地層盾構端頭進行的凍結二次加固，是水泥土加固與人工凍結法的疊加，受高水化熱影響，其溫度場的分布規律與常規液氮凍結規律存在差別。本文通過對秦淮—濱南220 kV線路盾構隧道K4井盾構接收工程已有化學加固失效后盾構端頭凍結二次加固封水施工方案的研究，及對凍結施工實測分析，有效地論證了富水軟弱地層采用液氮凍結進行二次加固封水的合理性與優越性，以期為類似的研究和施工提供參考。

1　工程概況

秦淮—濱南220 kV線路盾構隧道K4井盾構接收工程位于南京揚子江大道天后村附近，地面標高 為+6.1 m。沿線中下部地基土主要由粉砂組成，其富水性、透水性好。上部孔隙潛水水位埋深1.5～2.8 m，初見水位標高為4.7～6.0 m。微承壓水主要賦存于下部砂性土層中，常年穩定水位埋深為3.5～8.0 m，變化幅度為0.5～1.5 m。

隧道處于③-1粉砂夾粉質黏土層，地質情況較差，受上部孔隙型潛水及中下部微承壓水作用，施工過程中細顆粒土在滲流作用下易產生流砂、管涌、突涌等現象。接收端頭西北側距離長江約1.0 km，東北側距離秦淮新河約0.7 km，地下水系發達，水量充足，是孔隙潛水和微承壓的主要補給源之一，對盾構施工有較大影響。

盾構接收端頭前期加固布置圖如圖1所示，為確保K4井基坑和軟弱含水土層盾構接收安全，工程首先對接收端頭土體采用φ1 000@750咬合灌注樁+φ850@600三軸攪拌樁進行加固，同時輔以人工降水措施。由于加固情況不滿足盾構接收要求，后又對接收端頭地層進行補充加固，補充加固采用φ850@600三軸攪拌樁，新舊三軸攪拌樁冷縫處采用φ800@600高壓旋噴樁處理，采用三重管施工工藝，注漿壓力為2 MPa，提升速度為12 cm/min，水泥標號為42.5，水灰比為1∶1，水泥漿比為1.5，水泥用量為400 kg/m。加固強度達到要求后，對加固后的洞門進行檢查，發現檢查孔有明顯的涌水、流砂現象，盾構無法安全接收。經論證，提出采用封水效果卓越、能適應復雜地質條件、可進一步補強加固的凍結法進行二次加固。

圖1　盾構接收端頭前期加固布置圖(單位： mm)

Fig. 1Arrangement of fore-period consolidation of shield-receiving end soil (unit: mm)

2　凍結法需要解決的重點問題

經分析，本工程采用凍結法施工需解決如下重點問題。

1)二次水泥土加固仍不能止水，盾構被迫停機2個多月，造成工期延誤、投資損失，如何合理利用凍結法快速止水急需解決。

2)盡管水泥土加固已達45 d，但由于水泥漿量過大，仍存在大量水化熱，而水化熱對凍結具有抑制作用。為避免延誤工期，需選擇合理的凍結方式快速克服水化熱影響。

3)工程地層條件較差。洞身穿越④-1粉砂地層的滲透系數為2×10-2cm/s，含水層綜合透水性等級為強透水，且毗鄰長江水系，地下水系發達，盾構所處土層處為孔隙承壓水，凍結需能夠應對可能存在的暗流與動水等凍結不利因素。

3　凍結加固方案

3.1　凍結方式選擇

凍結法施工制冷方法有鹽水制冷系統和液氮制冷系統。工程中，鹽水制冷系統造價比液氮低，因此常被使用，但鹽水凍結需建立凍結和維護制冷工序的循環系統，場地占用大；地層水流過快時，凍結壁不易交圈[13-14]；鹽水凍結一般需30～60 d，工期較長。液氮依靠汽化吸熱帶走土層中的熱量實現凍結。工程實踐表明： 液氮凍結系統簡單、場地占用小，可直接由液氮車提供低溫液氮；液氮理論溫度可低至-195.8 ℃，與土體熱交換劇烈，數日便可使加固土體降至0 ℃，凍結速度快且對動水凍結效果顯著；形成凍土壁溫度低、強度高、封水效果好。

本工程地處郊區，場地內無道路、管線與建筑物，施工井口較小，毗鄰長江，地下水系發達、水流速較快，加固體內存在大量水化熱，加上前期水泥土加固效果不佳，導致盾構已停機2個多月，工程工期緊。因此，采用液氮垂直凍結方式，對已有的三軸攪拌樁+灌注樁加固體與洞門槽壁的間隙進行封水。

3.2　加固范圍及凍結孔布置

為有效減小凍脹、融沉的負面影響并降低制冷量，采用局部凍結法； 為克服水化熱及動水對凍結的影響，加快凍結，采用雙排凍結孔。垂直凍結孔、測溫孔平面布置如圖2(a)所示，第1排(A排)距槽壁0.4 m，第2排(B排)與第1排距離0.8 m，每排相鄰孔間距0.8 m，呈梅花形布置，孔深18.1 m，至洞門底3 m，第1排孔數為11，第2排孔數為10，共計21個孔。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

圖中A1—A11和B1—B10為凍結孔； C1、C2、C3為測溫孔； C1-1—C1-10為測溫孔中測點； H1—H11為回路。

圖2垂直凍結孔、測溫孔布置圖(單位： mm)

Fig. 2Arrangement of vertical freezing holes and temperature measuring holes (unit: mm)

該隧道直徑為3.5 m，設計以洞門為中心、水平方向10 m和垂直方向9.5 m的長方形凍結加固范圍，凍結壁厚1.8 m。

3.3　凍結施工參數

根據工程地質、水文地質、周邊環境和埋深等條件，設計液氮凍結指標如下：

1)凍結壁厚度≥1.8 m，寬10 m，深18.1 m；

2)凍結壁平均溫度≤-15 ℃；

3)洞門水平探孔溫度≤-5 ℃(無涌水、涌砂)；

4)液氮進口溫度為-150～-170 ℃，壓力控制在0.1～0.15 MPa； 出口溫度為-50～-60 ℃，壓力控制在0.05～0.1 MPa。施工參數見表1。

表1盾構接收端頭凍結施工參數

Table 1Parameters of freezing construction of shield receiving end soil

參數名稱參數值凍結孔深度/ m18.1凍土墻平均溫度/℃-15(預計可達-20)積極凍結時間/d5凍結孔(總)數21凍結孔(總)長度/m380凍結孔開孔間距/m0.8凍結孔與槽壁間距/m0.4凍結孔偏斜率/%≤1液氮進口溫度/℃-150～170液氮出口溫度/℃-50～-60凍結管規格/mm?89×5供液管規格/mm?32×3.5測溫孔總數3計劃液氮量/t570

4　液氮凍結實測研究

4.1　凍結實測方案

凍結實測的目的是掌握盾構端頭垂直局部凍結加固過程中的液氮去回路溫度和加固體不同部位的溫度變化情況，繼而推算凍結壁厚度及凍結壁平均溫度，準確判斷洞門槽壁鑿除和盾構接收時機，確保盾構安全接收。凍結實測主要內容為： 總去液氮溫度、分支回路液氮溫度、各測溫孔不同深度測點溫度、液氮進口壓力和液氮消耗量等。

為全面掌握凍結加固體不同位置、不同深度處溫度變化情況，共布置3個測溫孔，如圖2所示。C1和C2每孔設10個測點，1—10測點分別距地面3、5、7、9、11、12、13、14、15、17 m，C3在隧道正上方布置3個測點，1—3測點分別距地面8、9、10 m。

采用熱電偶測溫，測溫前對每組熱電偶進行標定。系統工作壓力可通過液氮車壓力表直接讀取數據，以判斷冷凍系統的運轉狀況。本工程實測頻率積極凍結期間為2 次/d，維護凍結期間為1 次/d，有特殊情況時增加監測頻率。監測周期為凍結開始至凍結結束。

4.2　凍結實測分析

4.2.1凍結測溫曲線分析

本工程自2016年12月14日19時開始凍結，至2017年1月4日結束，共凍結21 d，其中第1天至第10天為積極凍結。凍結過程中主要監測凍結孔管口的出氣溫度、各測點溫度，以分析凍結效果和溫度場的分布規律。凍結期間實測回路液氮溫度、各測溫孔不同測點溫度變化趨勢如圖3和圖4所示。

(a) 回路溫度

(b) 去回路平均溫差

Fig. 3Temperature-time curves of backflow pipe temperature and average temperature difference

4.2.1.1干管回路溫度分析

由圖3可知，積極凍結期間的初期回路液氮溫度變化強烈，凍結第5天，與總去路液氮溫度(即表1中液氮進口溫度，為-170 ℃)的平均溫差由134.6 ℃降低至84.3 ℃，隨后溫差總體在75～85 ℃波動。其原因是凍結開始時的熱交換量大，導致去回路溫差大，隨著土體與液氮溫差減小，熱交換量減小，去回路溫差縮小，回路溫度逐漸趨于穩定，反映了凍結加固體吸冷量先快后慢直至平衡的基本規律。凍結第11天，回路溫度突升，隨后穩定在-67～-47 ℃。其原因是積極凍結轉入維護凍結，只需較少冷量保持凍土壁溫度，自第11天起，液氮量由60 t/d減少至20 t/d，導致各回路溫度驟升。由圖4(b)示出的偏斜較小的C2測溫孔溫度曲線可以看出，此時液氮量能夠保證凍結壁與液氮熱交換平衡，回路溫度保持穩定。凍結期間，液氮各回路溫度離散性較大，且同一回路隨時間變化波動較大。其原因是液氮車直接接干管，液氮量逐漸變少，會導致各回路壓力不均勻變化； 更換液氮車后，各回路壓力重新分布，導致各回路液氮流量不同，溫度波動較大。因此，凍結過程中，需根據實測回路溫度不斷調節閥門，控制液氮流量、平衡溫度，以便凍結壁均勻發展。

(a) C1測溫孔溫度

(c) C3測溫孔溫度

積極凍結期間，總去路液氮溫度恒定為-170 ℃，回路溫度均穩定下降并保持在-70 ℃以下，壓力均在要求范圍內，符合凍結設計要求；維護凍結期間，減少液氮供應，各測點溫度能保持低溫穩定，滿足維護凍結期間施工要求。

4.2.1.2測溫孔溫度分析

由圖4可知，冬季正常地溫應在10 ℃左右，但受水化熱影響，處于加固體邊緣的C1和C2處初始地溫為23～35 ℃，加固體內部的C3處初始地溫高達45 ℃。凍結地層初始溫度高且存在內熱源，是本凍結工程的特殊性之一。由于加固體內部熱量不易散發，原始地溫分布形成了一個非均勻的初始溫度場，這需要凍結過程中合理控制各部位液氮量，使溫度均勻下降，以便凍結壁均勻發展。凍結過程中，潛熱階段不明顯，其原因是液氮溫度過低，土體和液氮溫差大，熱交換劇烈，導致土體潛熱迅速被釋放，潛熱階段較短。

由圖4(a)可知，積極凍結期間，C1-3—C1-10測點溫度下降快，多數測點凍結第1天便達0 ℃，不同測點溫度最終穩定在-93.1～-28.8 ℃，跨度較大，其溫度下降速度隨深度按-6.2～-11.3 ℃/d梯度分布； 而此時C1-1與C1-2最低溫度為-16.1 ℃，最快下降速度為-4.7 ℃/d。其原因是C1測溫孔偏向凍結管A1，低溫液氮使鄰近范圍內土體迅速凍結并降溫，且由于液氮是由凍結孔底部向上流動，因此深部液氮溫度低，雙重耦合作用下，深部測點出現不均勻快速降溫。C1距凍結管30 cm以內的測點易隨回路01溫度波動，起伏程度隨距離(即深度)縮小而遞增。其原因是凍結管溫度易受液氮罐的更換、氣閥的調節以及輸入液氮量的減少等因素影響。而文獻[15]提到的鹿島試驗表明： 液氮注入量的微小增減，足以敏感地影響凍結管附近溫度急劇變化，故凍結孔溫度波動，凍結孔周圍土體溫度也隨之變化。因此，與鹽水凍結偏斜影響不同[4]，液氮凍結偏斜不但會使溫度產生梯度，且由于液氮溫度極低，偏近時測點溫度易受影響而迅速下降并強烈波動，不能完全反映出既定勘測位置溫度場的真實情況，故液氮凍結工程中應避免這種偏斜影響。

C2測溫孔受凍結孔液氮溫度波動影響小，且各深處均布有測點，降溫過程具有代表性，故選取其降溫過程進行分析。由圖4(b)可知，整個凍結過程分為如下3個階段。

第1階段(1～7 d)： 克服水化熱緩慢降溫階段。該階段末土體最高溫度為23.5 ℃，最低溫度為-1.4 ℃，深部凍結鋒面已達測點處，平均每日下降0.7～4.3 ℃。由去回路平均溫差曲線變化較陡可知，該階段土體熱交換劇烈，冷量須先克服持續產生的水化熱后，再使土體降溫，導致溫度下降較慢。

第2階段(8～10.5 d)： 加速下降階段。此階段末土體最高溫度為-13.6 ℃，最低溫度為-29.9 ℃，平均每日下降5.5～12.6 ℃，總體為第1階段下降速度的1.8～3.6倍。此時，水的結冰潛熱已釋放完成，低溫下水泥水化熱被抑制，釋放量逐步減少，土體溫度得以加速下降，凍結鋒面快速發展，凍結壁迅速形成。

第3階段(10.5～21 d)： 維護凍結開挖階段。此階段日降溫為0.1～1.0 ℃，溫度下降速度較前一階段明顯減緩，凍結壁達到設計要求，槽壁開挖對溫度影響較小。

總結降溫過程可知： 與常規凍結工程先快后慢的規律不同，水化熱影響下，C2除C2-10外各測點溫度下降呈現先慢后快再慢的規律。而C2-10呈現先快后慢再快最后慢的規律，這是因為C2-10處于加固體底部邊緣，初始地溫相對較低，為24 ℃，受水化熱影響較小，且處于底部，液氮溫度最低，冷量充足，凍結初期溫度下降正常，速度較快； 凍結第5天下午，洞門底部鄰近C2側冒水，水流流速快，溫度低，帶走部分冷量，且土體正處于潛熱釋放階段，冷量不足以使C2-10溫度繼續降低，溫度下降變緩； 第8天上午冒水封堵成功后，無動水影響，C2-10溫度繼續加速下降；進入維護凍結期間后，下降速度變緩，且由于液氮量減少， C2-10未能持續下降至相鄰測點溫度(-35 ℃)。

選取初始地溫相近、處于隧道所在土層的測點C2-3—C2-9進行凍結鋒面發展速率分析： 受水化熱影響，積極凍結期間C2處凍結鋒面的平均發展速率為81.9 mm/d，僅為常規地鐵盾構液氮凍結加固工程發展速率(120～150 mm/d)的55 %～68 %；從垂直方向看，隧道所在土層最大凍結壁發展速率為最小處的1.47倍，體現出液氮凍結存在不均勻性。

由圖4(c)可知，C3處于加固體內部，原始地溫較高、水化熱較大，理應較難降溫，但由于加固體內部原始地溫為邊緣處的1.4倍，為使土體溫度均勻降至同一水平，此處冷量供應應為邊緣處的1.4倍，因此凍結初期，調大加固體內部凍結管閥門，使流量為邊緣處的1.4倍。比較圖5所示的相同深度測點C2-4和C3-2溫度可知： 加固體內部溫度快速下降，溫度差異逐漸減小，從第7天起，C3與C2降溫基本同步，此時液氮流量逐漸恢復正常； 完全克服水化熱后，降溫速度先快后慢，最后穩定至-35 ℃左右，實現均勻凍結，達到施工要求。

4.2.2凍結效果分析

4.2.2.1凍結圓柱半徑及凍結壁厚度計算

為掌握盾構端頭垂直凍結加固體溫度分布和變化情況，需推算凍結圓柱半徑、凍結壁厚度及凍結壁平均溫度，以此判斷洞門槽壁鑿除及盾構接收時機。凍結圓柱半徑由成冰公式計算：

(1)

式中：r2為凍結圓柱半徑，m；r1為凍結管內半徑，m；r為測溫孔與凍結管之間距離，m；t1為回路溫度，℃；t為測溫孔溫度，℃。

液氮凍結與常規鹽水凍結回路溫度不同，供液管不開孔時，凍結管內液氮溫度沿長度方向呈線性分布[16]。因此，不同測點最近凍結管溫度應根據深度取不同值，加上本工程存在偏斜現象，計算時不能根據常規最不利原則計算凍結圓柱最小半徑。本工程將液氮溫度沿凍結管長度線性插值計算出各測點最近凍結管溫度，由測得凍結管及測溫孔偏斜率計算測點與凍結管最近距離，由此計算各測點深度處凍結圓柱半徑，取最小值推算凍結壁厚度。為安全起見，計算時凍結管端部液氮溫度取-170 ℃，回路出口溫度波動較大，為客觀反映液氮真實作用效果，回路溫度取維護凍結前2 d平均溫度，線性插值得不同深度處實際溫度。推算采用的各項數據以及計算得到的凍結半徑見表2。

表2　凍結圓柱半徑計算表

由于深度7 m以上凍結加固體不在凍結帷幕設計范圍內，對洞門影響較小，故不考慮深度7 m以上最小圓柱半徑。由表2可知，深度7 m以下C1-4深度處算得凍結圓柱半徑最小，為0.83 m，利用勾股定理算出相鄰交圈凍結圓柱最薄弱處的厚度，該厚度除以2再加上外排凍結管距井壁與土體交界面處的距離算得垂直凍結壁有效厚度為1.92 m，超過設計凍結壁厚度1.8 m，滿足設計要求。

4.2.2.2凍結壁平均溫度計算

凍結壁平均溫度依據成冰公式進行計算：

(2)

tc=toc+0.25tn。

(3)

式(2)—(3)中:toc為按零度邊界線計算的凍結壁平均溫度；tc為凍結壁平均溫度；tb為液氮回路溫度；l為凍結孔間距；E為凍結壁厚度；tn為測點溫度。

根據最不利原則，深度7 m以下測點C3-1溫度最高，為-18.2 ℃，故對該點溫度進行計算。為安全考慮，取液氮回路溫度為出口處平均溫度(-93.7 ℃)，代入成冰公式算得的凍土壁平均溫度為-31.98 ℃，達到凍土壁設計平均溫度低于-15.0 ℃的要求。

4.2.2.3探孔溫度

根據凍結加固設計要求，在計算凍結壁厚度及凍結壁平均溫度符合凍結設計要求后、洞門槽壁鑿除之前，必須通過探孔實測判斷凍結加固體與槽壁的膠結情況及加固體與槽壁界面處溫度。按照圖2(b)所示“米”字形布設9個探孔，用電鉆鉆穿槽壁，孔深均為100 cm，鉆孔過程中未見流水流砂，采用高精測溫儀進行探孔溫度實測，探孔實際溫度為-77～-64.3 ℃。凍結效果良好，滿足凍結設計低于-15 ℃的要求。

4.2.2.4綜合效果分析

1)水化熱影響下，初始地溫高，且溫度場分布不均勻，凍結過程中通過合理控制液氮流量，使隧道所在土層溫度場分布均勻，凍結圓柱半徑差異較小；但凍結壁平均發展速度為81.9 mm/d，為常規液氮凍結加固工程的55%～68%，導致積極凍結工期比一般工程延長5 d(計劃5 d)，液氮多消耗180 t(計劃570 t)。

2)水化熱影響下液氮凍結凍結壁平均發展速度是常規鹽水凍結發展速度(25 mm/d)[17]的3.2倍；總工期為21 d，是常規鹽水凍結時間的1/3～1/2；形成的凍結壁平均溫度為-31.98 ℃，是常規鹽水凍結平均溫度(-10 ℃)的3倍。

3)液氮凍結快速克服水化熱影響，總體上使富水軟弱地層溫度在7～8 d降至0 ℃，10 d降至-20 ℃以下，形成了平均溫度達-31.98 ℃的1.92 m厚凍結壁，成功封水，并進一步補強加固體，使盾構較短時間內安全接收，體現了液氮凍結的合理性。

5　結論與討論

1)實踐表明，富水軟弱土層盾構隧道端頭采用咬合灌注樁+三軸攪拌樁組合地基加固，難以完全阻水隔水，采用液氮垂直局部凍結進行二次加固，既可有效封水，又能進一步補強加固體，確保盾構接收安全，可供類似工程借鑒和參考。

2)高水化熱富水軟弱土層，采用液氮凍結比鹽水凍結更有優勢。受水化熱的影響，凍結壁平均發展速度為常規液氮凍結加固工程的55%～68%，為常規鹽水凍結發展速度的3.2倍。

3)液氮垂直凍結存在不均勻性，同一土層內凍結圓柱半徑發展速度自上而下近似線性增大，本工程C2孔處凍結半徑最快發展速度為最慢速度的1.47倍。

4)液氮凍結潛熱階段不明顯，維護凍結期間液氮消耗量僅為積極凍結期間的1/3即可。

5)液氮凍結工程，采用此類成冰公式推測凍結效果時，回路溫度應考慮液氮溫度沿凍結管呈線性分布，以避免推算結果偏大，錯誤判斷接收時機。

6)本工程過量的水泥土加固，直到45 d后仍有較大水化熱，會對凍結產生不利影響。為規避水泥土加固工程中的水化熱影響，聯合加固工程中如何適量使用水泥土加固與選擇合適的起凍時機有待進一步研究。