液氮快速冻结在地铁联络通道抢险中的应用

2021-07-22包崇

中国科技纵横 2021年7期

包崇

（中煤隧道工程有限公司，上海 200120）

目前，常用的冻结法有盐水冻结和液氮冻结。前者因其经济性常用于常规施工当中，收到良好的工程实用效果。后者具有冻结速度快、冻土强度高、冻结系统简单等特点，该方法已经越来越多地应用于市政工程中，尤其适用于一些需要紧急处理的工程事故中，在地铁行业受到越来越多的关注。

液氮本身具有温度低（-196℃）、惰性气体、无色、无臭、无腐蚀性、不可燃、不易爆，在常温下瞬间气化转化成水和氮气，可直接排放至空气中，无污染、无公害等特点。液氮冻结封水原理：液态的氮经过减压后，变为气态的氮气，在气化的过程中要吸收大量的热量。利用该原理，在要抢险的部位布置冻结管让液氮通过，从而使液氮在气化过程中吸收冻结管周围土体的热量，达到土体快速冻结形成冻土帷幕封水的目的[1]。

1.工程概况

福州地铁一号线三叉街站～白湖亭站区间联络通道位于则徐大道下方，由与隧道钢管片相连的喇叭口、水平通道和泵站构成。联络通道处两隧道中心间距15.0m，上行线隧道中心标高为-10.555m，下行线隧道中心标高-10.552m，地面标高约为7.38m。所处土层自上而下依次为：④粉质黏土、④j中砂、⑤1淤泥质土夹细砂、⑤3淤泥质土，其中④j中砂为富水砂层，为此采用盐水冻结和矿山法施工。见图1。

图1 盐水冻结孔布置图

2.施工情况

本工程于2月17日开始冻结，4月9日冻结50d开挖验收通过，5月3日拉开对侧隧道喇叭口管片，已完成喷浆支护、防水及墙部、拱顶钢筋绑扎工序。施工期间冻结情况良好，工作面冻土坚硬，结霜明显。

5月4日凌晨1点，下行线从三叉街车站突然涌水，涌水漫过4道挡水坝（挡水坝高度0.75m），冷冻站平台水位最高达到1.3m，瞬间淹没主孔冻结区域，冻结区水深约0.9m，少量水进入开挖面。值班人员一方面立即组织排水，一方面派人排查水源。原因为三叉街车站下行线挡水坝被人打开，三叉街车站内大量积水全部涌入隧道，水温24℃。5月6日约凌晨2点排完隧道内积水，排水期间结构无法施工，现场24h值班。5月7日6:15分，左侧直墙与喇叭口底部交界面开始少量出水，水量逐渐变大。施工单位立即组织抢险，下行线通道口用钢板进行封堵，上行线通道口用水泥进行临时封堵。5月9日联络通道口在原有封堵基础上进行二次混凝土封堵。

经过测温数据及现场探孔情况分析，在联络通道上行线C11、C12、C9冻结孔附近三点测温数据偏高，该位置估测出现1.5m（长）×2m（宽）×4m（高）的通水区域。

3.抢险方案

经业主、监理、设计、建设单位共同会议决定：为保证施工工期，对联络通道通水区域进行液氮补强冻结，加强冻结效果，快速封堵通水区域。

3.1 冻结设计

从地面打钻至空仓漏水区域，液氮冻结孔共计5个，孔深22m，测温孔2个，冻结管选用φ89×4.5mm不锈钢管，测温管选用φ40×4mm不锈钢钢管，供液管选用φ32×3mm不锈钢管。见图2。

图2 液氮冻结孔布置图

采用局部冻结法，每根冻结管和测温管长度为22m，冻结孔间距为790mm～900mm。冻结管隔板位于地面以下14m处，即从冻结孔底部往上8m长度内冻结，冻结管结构见图3。

图3 冻结管结构示意图

3.2 制冷设计

5个冻结管分成5组连接以保证冻结效果；液氮供应槽车设置在地面离冻结区域较近位置，利用φ40×4mm不锈钢管将液氮接至冻结工作面进行冻结。

液氮冻结的关键环节为温度控制，根据以往液氮冻结的经验，液氮储罐出口的压力用压力表控制在0.1MPa～0.15MPa，冻结管出口压力控制在0.05MPa ～0.1 MPa，排气温度用温度计控制在-50℃ ～-70℃，压力调节使用液氮储罐上的散热板，温度调节使用每组回路中截止阀，液氮放空管口朝上设置在地面以上1.5m～2m高度[2]。

由于液氮冻结温度极低，冻土的发展速度也较快，根据以往工程的施工经验，取冻土的发展速度为10cm/d，推算冻结交圈时间约为9d，再通过测温孔的测温判断，方可进行后继施工。维护冻结暂定20d。按积极冻结时需液氮2000kg/m3，维护冻结时每组需液氮200kg/h计算，总需液氮量约640t。

4.液氮冻结效果分析

液氮冻结于7月10日开始，原泄压孔压力冻结12d时已下降为零，并根据测温数据分析，推导外部已经无水源涌入，通水区域已封闭，遂决定实测通道情况。7月27日冻结17d时在下行线开挖区域内增开2个探孔，开始水流量约50升/h，在放水的过程中，水量逐渐减少并停止，淤泥质粘土断续流出，到夜间已无水、淤泥、砂等流出。7月28日凿除下行线封堵墙后重新修复安装安全门，8月1日通过各方验收正式开挖，8月22日完成主体结构。目前区间隧道已通车，联络通道也投入使用。