液氮垂直冻结与水中接收盾构综合施工技术

刘攀

中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东济南 250002

0 引言

盾构接收是盾构工法的关键环节，由于隧道洞门土体自稳性较差，盾构接收时极易引起洞门的涌水涌砂，危险程度很高。国内地铁建设过程中，常用的盾构接收方法为接收端头土体加固接收方案[1-4]，近几年钢套筒接收和水中接收等新技术也得到了应用。江玉生等[5]主要围绕土体加固、洞门密封等进行了盾构接收风险论述；文献[6-7]进行盾构接收土体加固方案的比选；张颖君等[8]运用液氮冻结法完成盾构井的堵漏；汪振伟等[9]运用液氮冻结法完成了地下水的封堵；文献[10-12]分析了盾构接收常用的改良端头土体的接收工法、水中接收工法、钢套筒接收工法的施工技术及优缺点；肖衡等[13]介绍了富水卵石层土压盾构钢套筒接收技术；王文灿[14]提出冻结法和水平注浆在天津地铁盾构接收中的组合应用；贲志江等[15]介绍了泥水盾构水中接收关键技术；侯建军等[16]研究了高水压粉砂地层盾构水中接收到达施工技术；王社江[17]研究了富水粉砂地层盾构到达施工技术。

考虑到济南地铁R1线大杨庄站盾构接收施工具有高富水、高水压、复杂地层等特点，同时接收端头毗邻经十路交通要道，车流、人流量大，并且管线种类多、分布密集，本文对工程原端头土体加固(高压旋喷桩+素咬合桩止水帷幕+辅助降水井)盾构接收方案的不足进行改进，增补液氮垂直冻结与水中接收的盾构接收方案，以确保盾构机在复杂工况条件下的顺利接收。

1 工程概况

1.1 工程位置

济南地铁R1线地下段土建工程一标段区间风井至大杨站区间左、右线长度均为2 033.1 m，双线隧道均采用开挖直径6.68 m的土压平衡盾构机施工。2台盾构机先后从区间风井北端头井始发，沿党杨路由南向北掘进，最终在大杨庄站南端头井接收。大杨庄站南端头井基坑位于齐鲁大道、党杨路和经十路的交叉路口。接收端头上方存在临时改迁的220 kV供电管沟、给水管道，各类管线密集。盾构接收洞门设置在地下2层，两台盾构机在地下2层接收(地下3层为远期地铁M3线预留)。

盾构接收施工包括盾构机最后50 m掘进(掘进参数控制)，接收端头加固(液氮垂直冻结)与水中接收(洞门密封安装、接收基座安装、洞门破除、挡水墙施工、浇筑砂浆垫层、基坑注水、盾构机步入接收基座、封堵洞门、基坑排水)。

1.2 地质水文概况

大杨庄站南端头地处济南西水源地，地质情况由上至下依次为：杂填土层、黄土层、粉质黏土层、卵石层、细砂层、粉质黏土层。隧道拱顶覆土10.4 m，区间左右线均处在粉质黏土中，隧道底部以下0.5 m即为细砂层及卵石层，静止水位线位于地表以下5 m。盾构接收端头位置地下水主要为潜水和承压水。潜水主要分布在粉质黏土中，承压水主要分布在细砂和卵石层中。

盾构接收前，为处理围护结构和加固体之间的冷缝，在接收端头上方靠近围护结构处进行引孔取芯、注浆，核实地层实际情况，接收端头地质横剖面如图1所示。

图1 盾构接收端头实际地质横剖面图

1.3 原接收端头加固设计方案

原接收端头加固采用Φ800 mm@600 mm高压旋喷桩+Φ800 mm@600 mm单排素混凝土咬合桩止水帷幕+辅助降水井的方式，如图2所示(图中单位为mm)，拟达到“土体固结，水位降至隧道底部以下”的目的，防止盾构接收时洞门涌水涌沙，造成地面沉降，威胁管线、地面交通和隧道的安全。

旋喷桩加固体长9 m，加固范围为隧道结构外侧上下左右各3 m，旋喷桩采用三重管工艺。咬合桩采用Φ800 mm素混凝土桩，桩底位于隧道结构以下6 m，混凝土设计强度等级为C20。咬合桩与地下连续墙接口位置采用Φ800 mm@600 mm旋喷桩补强，旋喷桩长度与咬合桩一致。加固体外侧和中部共有8个备用降水井，降水井井底标高位于加固体以下5 m，埋深27 m。

a)平面图

b)剖面图

盾构机接收端头加固完成后：通过对加固体进行取芯，发现隧道中下部断面芯样不完整，不连续，无实质性加固效果；所有降水井运行后，动水位稳定至井底位置附近，水位无法进一步下降，一旦停止抽排水，水位上升很快，经过地下水“强排”，水位不能降至隧道底部以下，降水深度仍然不满足接收条件。

根据钻孔取芯显示的地质情况和降水井降水情况，发现双线隧道洞身及下部均存在厚9 m的卵石层，与地质勘探报告显示厚2 m的卵石层存在较大悬殊。原端头加固方案中素混凝土咬合桩实际没有插入到“2 m卵石层”下面的黏土层，未能隔断卵石层中地下水的水平补给。

因此原盾构接收端头加固方案无效，需要完善。

2 拟定施工方案

2.1 冷冻施工方法

本工程中，端头加固产生了大量的水泥土，水泥土孕含的水化热不能保证冻结施工的效果，因此，选择合适的冻结方法势在必行。常规的冻结方法有液氮冷冻和盐水冷冻。液氮冻结法是将液态氮注入冻结器中的液氮供液管，使之在冻结管内气化，吸收周围土壤的热量，使土壤冻结。液氮气化吸热后，逸出冻结管，排出氮气，随着液氮的气化、挥发和持续向冻结管供给新的液氮，直至形成符合设计要求的冻土墙。盐水冻结法以盐水作为制冷循环系统的媒介，经过低温盐水进入盐水循环系统→低温盐水与地层热交换→高温盐水流出盐水循环系统→高温盐水进入冷冻机组→冷冻机组工作将高温盐水变为低温盐水等过程，盐水周而复始循环，不断吸走地层中的热量，使土壤冻结。表1为液氮冻结与盐水冻结2种方法的施工特点对比[18-20]。

表1 盐水冻结与液氮冻结2种冻结方法对比

由表1可知：液氮冻结较盐水冻结效率高、效果好，能够快速克服水化热的影响。

2.2 确定施工方案

因端头加固区内降水井未能将承压水水头降到隧道中心线以下，隧道下部及以下存在较厚的砂卵地层，在此地层中旋喷桩的加固效果相对较差，难以起到隔水效果，端头地质透水能力强、水压大，易发生洞门涌水涌沙风险。

为确保施工安全，在原“高压旋喷桩+单排素咬合桩止水帷幕+辅助降水井”加固方案基础上，增设液氮垂直冻结与水中接收的盾构综合施工方案。

1)液氮垂直冻结。液氮垂直冻结区别于液氮水平冻结，即在盾构接收端头地表垂直向下打设冻结孔、测温孔。液氮垂直冻结施工可以最大限度地避开盾构接收井，减少交叉作业。另外，还可以方便连接、维护冻结管路，快速展开施工。采用液氮垂直冻结，在洞门后面快速形成连续、完整的冻结壁，有效封堵地下水，降低洞门破除期间涌水涌砂风险。

2)盾构水中接收。在盾构接收下沉井内浇筑临时挡水墙，在基坑灌水状态下进行盾构接收，利用内外水压平衡相抵的原则[21]，降低盾构接收施工的风险。

3 液氮垂直冻结

液氮垂直冻结工艺成熟[22]，采用“两班倒”施工，单班投入16人，其中技术管理人员1人，安全员1人，钻工6人，电工1人，电焊工2人，制冷工4人，材料员1人。液氮垂直冻结施工流程如图3所示。液氮垂直冻结施工进度计划安排如表2所示，加固设备和材料见表3[23]。

图3 液氮冻结施工流程

3.1 冻结孔布置与冻土墙形成

采用垂直冻结孔单排布置，间距700 mm，每个端头布置15个冻结孔，2个测温孔。冻结管距离既有地下连续墙300 mm，现场可根据实际情况微调，以避开地下障碍物，冻结孔D1～D15布置如图4所示(图4中单位为mm)。

表2 主要施工工序及进度计划

序号主要工序计划工期/d备注1施工前准备工作2.02钻孔定位及开孔1.53冻结器连接1.5含系统调试4积极冻结7.05维护冻结5.0根据井内破壁时间定6拔除冻结管1.0总工期18.0

表3 冻结加固设备及材料

材料名称规格型号数量备注履带式钻机YGL-1002台泥浆泵BW-250/502台不锈钢管Φ32 mm×3.5 mm300 m供液管无缝钢管Φ45 mm×4 mm50 m测温管不锈钢管Φ108 mm×4 mm300 m冻结管保温板100 mm100 m2低温截止阀DN2515个不锈钢截止阀DN404个

图4 冻结孔布置示意图

因为地层不同，冻土墙的扩展速度一般为80～150 mm/d。冻结7 d后开始破除洞门进行盾构接收，预计冻结壁厚度可达1.0 m，冻土平均温度为-15 ℃。

3.2 施工工艺

3.2.1 工艺要求

1)工艺参数。根据弹性薄板计算理论及施工经验，选取液氮冻结加固工艺参数如表4所示。

表4 液氮冻结工艺参数

2)冻结孔质量。冻结孔偏斜率控制在0.5%以内，孔位偏差小于1 cm。

3)冻结孔钻进与冻结器安装。钻孔过程中应保证足够的冻结孔钻进深度和钻孔垂直度，钻进后需扫孔。冻结管焊缝不能存在气孔、裂纹。冻结管管口安装堵头，保持管内清洁。

4)冻结孔成孔质量检测。每根冻结孔成孔后应对成孔质量进行检测，包括冻结孔密闭性试验和钻孔垂直度检测。主要采用灯光测斜法测垂直度，将照明装置捆绑在PVC管上慢慢放入冻结孔底部，采用经纬仪测量冻结孔深度和垂直度偏差，并采用滑动式垂直测斜仪进行复核测量。分析冻结孔终孔间距，若终孔间距过大，则需根据实际情况进行补孔。

3.2.2 冻结制冷系统安装与调试

1)液氮供液管安装。供液管主要采用焊接安装。

2)液氮管路安装。每1组串联2个冻结管，管路用低温液氮阀门控制，并用不锈钢软管连接。所有液氮管路裹缠保温泡沫板，防止能量散失。每组回路进、出口处安装测温装置。

3)液氮测温点设置。温度控制是液氮冻结的核心，冻结管出口温度一般不高于-60 ℃，不低于-80 ℃；压力控制在50～100 kPa。液氮储存罐出口温度一般不高于-150 ℃，不低于-170 ℃[24]；压力控制在300～500 kPa。

4)调试与试运行。冻结系统安装完成后，进行系统调试和试运行。试运行期间，每天需要记录液氮的流量和温度，检查冻土壁的形成情况，并及时对运行参数进行动态调整。

3.2.3 液氮冻结施工

冻结施工时，液氮槽车将液氮经干管输送到工作面，再由回路排气管排出。液氮冻结分为积极冻结与维护冻结2个阶段。积极冻结期间，每天如实记录测温孔的温度，并分析冻结壁的发育程度。当冻结壁达到设计温度和厚度后，即可进入维护冻结阶段。

根据施工经验，积极冻结期间需液氮约1.5 t/m3，维护冻结期间需液氮约50 t/d[25]。

3.2.4 拔管施工

拔管共分2次完成。当盾构机掘进至冻土墙前0.3～0.5 m时，拔除刀盘切削范围内的冻结管；当盾构机穿过冻结区域后拔管时，拔出所有冻结管。低温状态下，钢管韧性下降，容易脆裂，拔管时尤其要注意。

3.3 风险分析及主要处理措施

冻结法施工时，因受施工人员、环境因素等影响，可能出现冻结管焊缝开裂、液氮泄露、冻结管折断、刀盘冻住、液氮停供等意外情况，给施工带来一定风险，需要在现场采取紧急处理措施，保障施工顺利进行。

1)初次注入液氮时，要使液氮以气体形式进入冻结系统管路，维持3～5 h的预冷时间，冻结管之间应用不锈钢软管连接，避免焊缝开裂。

2)若因冻结管开裂造成液氮泄露，应立即停止液氮注入，并及时修复渗漏点，防止液氮浓度急剧升高，将人员冻伤。

3)拔管时，若不慎将冻结管折断，应及时使用钻机套取施工。

4)盾构机穿越冻结区时，刀盘必须保持转动状态，保持连续作业，否则刀盘极易冻住[26]。一旦刀盘冻住，应该立即启动刀盘脱困模式。

5)定期测量储罐内的液氮液位，根据液氮剩余量和单位时间的消耗量，制订科学合理的液氮供应计划，避免液氮断供。

4 盾构水中接收

为确保盾构接收工作顺利进行，在端头液氮垂直冻结加固基础上，增加盾构水中接收方案，形成双保险。在大杨庄站接收端头井内事先回填水和砂浆的混合物，然后盾构机突破接收洞门钢环，进入接收井。盾构水中接收流程如图5所示。

4.1 施工要点

盾构水中接收前，应做好施作水平探孔，设置挡水墙，设临时板支撑，安装排注水系统等施工准备。

1)水平探孔。盾构接收前，在洞门范围内设置水平探孔，检测端头加固效果，尤其是洞门底靠近砂卵石层范围内的加固效果，必须进行加密检测。

2)挡水墙。挡水墙的作用是将接收井与车站的主体结构隔离开来，使之成为相对独立的功能单元。挡水墙厚度为600 mm，水平钢筋与侧墙通过植筋连接， 植筋与侧墙竖向钢筋通过L形钢筋焊接，竖向钢筋通过植筋与临时板、地下1层中板连接。挡水墙有足够的防水性能，并且可以抵挡接收井内填料和盾构推进时共同产生的压力。

3)临时板支撑。大杨庄车站是换乘车站(R1线盾构接收在预留济南地铁最新4号线上一层)，为保证此次水中盾构机接收的安全性，须对R1线接收层临时底板进行底板下架设钢管支架和浇筑混凝土支撑柱支护。

图5 盾构水中接收流程

4)盾构接收基座与水泥砂浆的结合使用。考虑后期盾构拆解的需要，使用钢制接收基座，并将基座填埋至强度等级为M5(28 d标准养护后的抗压强度为5 MPa)水泥砂浆中。安装时，接收基座中心轴线水平坐标等同于盾构机接收时预定的水平坐标(即洞门垂直中心线水平坐标)，接收基座的高程坐标略小于盾构机接收时预定的高程坐标。为了使盾构机顺利“爬上”盾构接收基础，并提供盾构接收段管片拼装反力，接收基座设置3%～5%的坡度(近洞门端略低)。

5)注排水系统。当盾构机刀盘到达里程YK32+472.950时，开始往接收井内注水，水源主要为基坑降水，供水量约为600 m3/h。当盾构机刀盘到达里程YK32+495.750时，立即封堵洞门，然后启动2台30 kW污水泵排水，排水量约为400 m3/h。

盾构水中接收过程的控制要点如表5所示。

表5 盾构水中接收过程控制要点

4.2 注意事项

1)挡水墙内首次注水应分次进行，每次高度不超过2 m，观察时间不小于2 h。

2)盾构机在砂浆垫层中掘进时，掘进速度不宜过快，避免盾构机产生剧烈震动，造成姿态难以控制。

3)最后8环管片完成拼装后，及时采用型钢束紧，避免管片环缝过大，后期发生渗水、隧道变形等质量问题。

4)接收段应严格落实管片螺栓3次复紧工作，提升管片拼装质量。

5)洞门密封钢丝绳应预留足够余量，并将倒链固定在洞门上部可以操作的位置。

6)盾构掘进施工中，同步注浆浆液采用水泥砂浆，初凝时间较短，强度高；盾尾通过加固区后，需及时进行水泥、水玻璃双液回填封堵。

4.3 风险分析及主要处理措施

盾构水中接收过程中，应密切关注挡水墙的状况、洞门涌水涌沙情况和接收端头管线沉降监测情况，一旦发现异常，立即按照风险预案要求，划分风险等级，进行风险响应。

1)挡水墙大量渗漏水。若发生涌水，在地下3层安装排水泵，及时排水。可利用回填黏土或埋管封堵渗漏点。

2)挡水墙倾覆。盾构水中推进时，控制总推力和推进速度，避免将推力传递至挡水墙上。挡水墙内侧采取一定的支持措施，提高其水平受力能力。

3)盾尾密封失效，盾构内部涌水。盾构接收阶段，主动增加盾尾油脂注入量和注入压力，提升盾尾密封效果。盾尾脱离帘布后，迅速组织洞门封堵和抽排水工作，减少盾尾在水中浸泡的时间，若发生渗漏水需及时进行抽排，同时降低蓄水池液位，注入盾尾油脂。

4)管线沉降。盾构接收施工过程中，务必做好管线沉降监测工作，一旦发生管线沉降，应立即停止掘进，并迅速调整水池液位，实现水土平衡。组织人员在地面引孔注浆，阻止地面和管线进一步沉降。

5 结论

1)液氮垂直冻结与水中接收综合技术在济南R1号线土压平衡盾构机接收施工中，能够有效降低地层损失率，地表沉降满足3 mm沉降要求。液氮垂直冻结形成承载力强、止水性好的冻结壁，提升了接收端头的自稳能力；盾构接收井内泥浆平衡了地下水，降低了涌水涌沙概率。

2)盾构接收过程中，根据盾构机位置里程动态调整掘进参数，统筹洞门破除、降水井降水、接收井注排水、同步注浆及二次补浆、液氮冻结、冻结管拔除、洞门封堵等各施工环节，是盾构机接收工作成功的关键。持续有效的施工监测及合理可行的施工应急措施是盾构机接收工作成功的保障。

3)本次盾构接收综合技术是在复杂工况条件下对原方案的改进，实施费用较高，其中液氮垂直冻结费用占比60%～70%。类似情况施工时，建议应提前进行地质补勘，减少不必要的重复施工。可在接收洞门范围内采用玻璃纤维筋，减少洞门破除工序，降低施工安全风险。另外，建议优化地下连续墙槽段设计，将工字钢连接点设置在洞门范围外，或者调整地下连续墙接头工艺，发挥地下连续墙最大围蔽作用，在保证施工安全的前提下，控制施工成本，节省工程投资。