富水砂砾地层盾构液氮冻结常压开仓施工技术

常压开仓施工技术刘占英1赵书银'姜景双3吴 浩4魏清波4(1.呼和浩特市城市轨道交通建设管理有限责任公司 内蒙古呼和浩特010000；2.中铁十六局集团有限公司北京100020； 3.中铁十六局集团北京轨道交通工程建设

有限公司北京101149； 4.中铁十九局集团轨道交通工程有限公司北京101300)摘 要：为了解决富水砂砾地层中盾构区间前盾范围的土体加固，使得盾构机具备常压开仓换刀的条件，考虑到液

氮气化时剧烈吸热的原理，提出了采用液氮冻结技术快速冻结土体的解决思路。通过地面施工垂直钻孔，并下放 液氮冻结管，液氮气化吸热，直至冻结面及周围土体，对盾构机前盾1- 5 m范围的土体加固。实践证明，在富水砂

砾地层中其它封水措施效果达不到安全要求的情况下，液氮快速冻结技术取得了理想效果。关键词：盾构隧道 常压开仓 土体加固 液氮冻结 富水砂砾地层中图分类号：U455.43 文献标识码：B DOI： 10. 3969/j. issn. 1009-4539. 2020. 02. 020ContrucrnonTechnology fo+ShneldOpennng Chambe+arArmotphe+nc

Presstrr in Water-rich Sand and Gravel StrataLIU Zhanying1 , ZHAO Shuyin2, JIANG Jingshuang3, WU Hao4 , WEI Qingbo4(1. Hohhot City Rail Transit Construction Management Co. Ltd., Hohhot Inner Mongolia 010000, China ； 2. China Railway 16th Bureau

Group Co. Ltd.. Beijing 100020 , China； 3. China Railway 16th Bureau Group Beijing Metre Engineering Conseuction Co. Ltd.,

Beijing 101149, China； 4. China Railway 19th Bureau Group Metre Engineering Co. Ltd.. Beijing 101300 , China)Abtrracr： In oedeetosoeeesoieeeintoecementattheteontotshieed in watee-eich sand and geaeeesteata, thecondition was

satistied toeshieed toopen chambeeatatmospheeicpeessuee.Soeution thoughtwaspeoposed toeapideyteeeeesoiebyeiquid

niteogen teeeeingtechnoeogyin consideeation otthepeincipeeoteigoeousheatabsoeption dueingeiquid niteogen gasitication. Thesoiewaseeintoeced atthe1 .5 mahead otshieed byeeeticaedeieingteomgeound suetace, peacingdown theteeeeingpipe

oteiquid niteogen.Liquid niteogen wasgasitied toabsoeb heatuntieteeeeingahead and aeound soie.Thepeacticepeoeed that

ideal result was reached for liquid nitrogen te rapidly freeoe, when other measures of prevention water couldn' t meet saOe demand in watee-eich sand and geaeeesteata.Theeeseaech eesuetcoued peoeideceetain eeteeencetoesimieaecompeexgeoeogicae conditionsotshieed toopen chambeeand changecu tingtooesatatmospheeicpeessuee.Key wordt： shieed tunnee； openingchambeeatatmospheeicpeessuee； soieeeintoecement； teeeeingoteiquid niteogen；

watee-eich sand and geaeeesteata1引言由于盾构法具有快速、安全、环保、对周围环境影

响小等特点，我国城市轨道交通区间隧道基本采用盾

收稿日期：2019-12 — 08作者简介：刘占英(1970-)，男，内蒙古呼和浩特人，高级工程师，主要

从事城市轨道交通工程建设管理工作；E-mil： nmlzy488@

构法施工。在盾构施工过程中,不可避免出现机械设

备故障等需要开仓的情况。目前，对于盾构机施工中

的刀盘故障及更换刀具,一般采用常压开仓和带压开 仓两种方式处理［1_2］，其中，常压开仓安全可靠且高

效。而常压开仓一般需要在无水环境中进行，因此, 如何止水成为盾构开仓施工的关键环节。163.com

液氮冻结是一种土层人工冻结技术,靠液氮在

81铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2020 (02)•隧道/地下工程・冻结管内直接气化吸热带走地层中的热量，从而实 论证，最终选用液氮冻结技术,采用垂直冻结管对刀

现土层的快速冻结。液氮的惰性很强、无腐蚀性、 不可燃、稳定性好，液氮冻结技术具有冻结速度快、

盘周边进行地层加固,以达到止水的目的。温度低的特点，并且冻结加固土体规模可根据实际

情況而定，工作方便,对周围环境无污染。目前，地

4液氮冻结加固技术4.1冻结思路及范围(1) 冻结思路在盾构机体、刀盘上部和前方及其左右两侧利

下工程中的液氮冻结施工主要应用于盾构隧道进

出洞、联络通道、更换盾尾刷和工程抢险的土体加 固施工本工程采用液氮冻结地层止水维修刀

用垂直冻结孔冻结加固地层，使盾构机体、刀盘左

盘和更换刀具，效果理想。右侧、上部和前方范围内土体冻结。 由于地处市政 道路，场地原因，冻结孔无法直接打设到盾构 机体底部，因此采用较大直径冻结管(&146 mm)以 延长冻结工期的形式，使冻土逐步发展，直至冻结

壁冻结完成。2工程概况呼和浩特市城市轨道交通2号线一期工程水上 公园站~诺和木勒站区间全长1 152.819 m,区间结

构覆土约11-7-17.16 m,隧道采用盾构法施工。隧

冻结壁的作用是在盾构机开仓施工期间，起到

道地质条件复杂，地下水埋深介于8.6-11.4 m之

间，地层自上而下分别为：＜1-2 ＞素填土，厚度3 m； ＜3-4-1 ＞细砂层，厚度3 m； ＜3-6-1 ＞中砂，厚度4 m； ＜3-9-1 ＞圆砾，厚度4 m； ＜3-8-1 ＞砾砂，厚度2 m； ＜

加固周边土体及封水止水的效果，以满足盾构机常

压条件下的开仓要求，为此，要求确保冻结壁能承

受刀盘处水土压力。为确保在刀盘周围形成加固和止水的冻结帷幕,

3-9-2 ＞圆砾，厚度3 m； ＜4-2 ＞粉质黏土，厚度8 m。考虑到液氮冻结进口温度为-150 - -170 u低温,

该区间地处繁华闹市区,施工区域为市政道路 本工程冻土平均温度控制在-15 u以内，对盾构各

部位及零件无影响。盾构机的刀盘、焊缝和盾壳能

下方，未涉及市政建筑物。施工区域内涉及到城市

燃气管道，沿道路纵线敷设，位于隧道正上方，且现

够长期承受的最低温度为 -50 u。(2) 冻结范围场无迁改条件。三条管道分别为中压A、中压B和

低压管，埋深1.8~2.3m。中压A为DN300钢管， 考虑到冻土发展的程度,为确保土仓及刀盘前

连接方式为法兰连接；中压-为DN300铸铁管，连

接方式为承插连接;低压管为DN300铸铁管，连接 方式为法兰连接。该区间隧道右线盾构机推进至DK10 +780位

方清理的安全，针对盾构机体、刀盘左右侧1.5 m、

刀盘上部2 m,刀盘下部2 m,刀盘前方1.5 m范围

内土体冻结。置(1 050 m)时,盾构机无法正常掘进，需要停机处 理。经分析论证认为，盾构机刀盘磨损严重，刀具

需要更换,已不具备继续掘进条件。液氮冻结施工设计指标为:①冻结壁厚度#1.5 m, 宽度约9.4 m,深度为21 m;②冻土平均温度)-15 U; ③测温孔平均温度)-5 u；④液氮进口温度：-150- -170 U；排出口温度：-50 - -60 U。3施工方案的选择为确保盾构机故障顺利解除，复推前需要开仓 将刀盘周围清理干净，进行刀盘修复和刀具更换。

4.4冻结参数的确定4.4.1冻结效果计算及验算(1)冻结加固体厚度计算假定冻结加固体为整体板块承受水土压力，采

在进仓实施前，需完成对周边地层止水处理。由于 用日本方法计算加固体的厚度,计算公式为：3 = [%//吓

燃气管道的存在， 现场不具备降水施工条件。 前期

采用注浆法施工,皆因隧道掘进面位于＜ 3-C-2 ＞细

⑴砂、＜3-9-2 ＞圆砾和＜3-8-2 ＞砾砂复合地层中，地层 渗透系数达到80 ~ 100 m/d,地下水流速较快,反复注

浆处理效果不明显,无法达到止水效果。经专家分析 82式中,3为冻结加固体厚度，单位m;%为安全系数, 取2.0； *为冻土强度系数，取1.2； P为刀盘底部水

土压力，取0.235 MPa；@为盾构机刀盘直径，取6.3 m；铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2020 (02)•隧道/地下工程・!为冻土弯拉强度，取3.5 MPa10(&冻土设计参数根据相应地质冻土资料以及以往工

' 程经验确定。计算得墙体厚度为1.27 m,取1.5 m。可

见,冻结壁1.5 m厚度可以满足受力要求。(2)剪切验算加固体厚度沿刀盘土仓周边验算加固体剪切应力,计算公

式为：计算得冻结加固体剪切应力为!max =0.246 MPa。

因-15 °C时的冻土抗剪强度!二2. 2 MPa,故安全系数

%为 8.9。采用我国建筑结构静力计算理论进行验算，刀盘

中心所受最大弯拉应力为：P * (㊁@)• (3 +' 6!max 二 16 * 卡

1(3)式中,！max为加固体最大弯拉应力，单位MPV ；'为冻土

泊松比，\"取0.35。计算得冻结加固体最大弯拉应力为!max二1・3 MPa。 因-15 C时的冻土弯拉强度！二3.5 MPa,计算得

安全系数％为2.7。图1冻结及测温孔布置验算结果表明，冻结壁厚度取1.5 m可以满足 设计要求。4.3.3孔位布置(4) 在C排孔和D排孔边排孔中间位置各增加

一个孔,Z1和Z2，孔深26 m,降低边排孔冷量损失。(5) 为确保实时监测冻土发展状态，设置三个

测温孔，其中T1、T3孔深26 m,T2孔深18 m。需要注意的是,冻结孔布置时,要排查地下管线, 必要时须避开地下管线;为实现不拔冻结管,盾构正

考虑到冻结对刀盘结构及地层中孔隙水结冰

体积增大造成的影响，需合理布置冻结孔、合理控

制冻结时间。冻结区域共布置4排冻结孔，见图1。(1) A排孔距刀盘1.2 m,B排距刀盘0.4 m,属

于盾构机端头封水区，全深冻结孔，深入地层底部不

前方范围内的冻结管选用&108 a5 mm PE管,供液

管采用&32 a 3 mm不锈钢管;所有管下放时，要焊接

透水黏土层3 m,两排梅花式布置;其中,A排冻结孔 7个,B排冻结孔8个,共设置15个冻结孔，开孔间距 1 m,孔深26 m,冻结孔采用&108 a5 mm PE管。严密,不允许出现漏水现象;边排孔采用大口径冻结 管，在钻孔时，不允许向外偏斜,可略向内偏斜3。；施

工期间,D排孔除边排孔外,以遇到盾构钢外壳为准。(2) C排孔与B排孔排距1.0m,距离盾构机体

0.4 m,作用于刀盘两侧止水，设置2个冻结孔，孔深

根据相关工程经验⑴，冻土的冻结速度按

10 cm/d考虑，本工程冻结孔间距1 m,加上合理偏 斜，推算达到设计厚度需要15 d &'26 m。(3) D排孔与C排孔排距1.0m,作用于盾构机 体顶端封水，终孔位置距离盾构机体0.2〜0.3 m,

4.3冻结施工(1 \"施工放样及钻孔:根据设计孔位布置图对

现场孔位进行喷漆标识。为了保证钻孔精度，钻孔

设置7个冻结孔，开孔间距1.2m；其中，D1)D7孔

深26 m, D2孔深12. 8 m, D3孔深12 m, D4孔深11.7 m,D5 孔深 12 m,D6 孔深 12.8 m。前5 m时，要反复校核钻杆垂直度，调整钻机位置;

钻孔期间,匀速钻进;终孔时应复核钻具全长,确保

83铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2020 (02)•隧道/地下工程・深度满足要求。设计要求。通过调整液氮注入速度,稳定冻结体温

度，从而可有效控制对地层的冻结效果。现场冻结

(2) 管道下放:成孔后，洗孔至孔内渣层排净, 立即下放并固定冻结管。下放完毕后用木塞封堵 管口，以免异物掉进冻结管。(3) 冻结管密封检测:试验压力为0. 8 MPa ,30 min

温度监测结果如图3所示。后压力下降不超过0.05 MPa,延续15 min压力不变 化为合格。(4) 液氮冻结① 每根冻结管内下放安装1根&32供液管，供 液管深至冻结管底部以上0.2 m。② 冻结管用不锈钢金属软管连接，然后将每个 冻结管连接分配器,通过分配器把液氮分配给每一

9999999999999 卜卜卜卜卜卜卜卜卜OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO监测时间图3水~诺区间液氮冻结温度监测值变化曲线个供液管。③ 采用单孔单循环方式,保证各冻结管均匀向

外扩散冷量。管路用低温液氮阀门控制，所有外露

4.4.4监测数据分析施工前根据施工区域范围，进行地面监测点布

的冻结管路采用保温泡沫板保温。液氮注入期间

置4处，管线监测点6处，监测频率为1次/d。截止 温度稳定日监测数据显示，数据稳定无明显变化, 地面无隆起现象。做好注入量的控制,防止液氮出现供应中断。④ 液氮冻结的关键环节为温度控制和压力控制, 液氮储罐出口的温度控制在- 150〜- 170 U ,压力

控制在0. 15 MPa以内为宜;冻结管出口温度控制在 -50〜-60 U,温度调节使用液氮储罐上的散热

5常压开仓及后续施工通过盾构土仓隔板预留孔，排干盾构土仓内少

板,压力调节使用每组回路中截止阀。现场冻结施

工情况见图 2。量集水，并用红外测温计测出排放的水温达到0 u

后，人工进仓清理,首先将土仓内渣土清理干净，人

工用小泥斗从人闸出渣;再清理刀盘与掌子面之间

(5)测温孔布置、温 度计选择及测温记录①测温孔与冻结孔 平行布置，本工程布置3 个测温孔，分别位于刀

渣土，清理厚度40 -45 cm；最后清理刀盘外轮廓，

清理厚度15 cm左右。清理工具使用风镐和铁锹, 施工顺序均为从上至下,土仓清理后启用螺旋输送

机出渣;清理期间，作业面温度保证在-10 u左右。刀具更换、刀盘修复完成，转动刀盘，并检查盾

图2液氮冻结施工盘侧向，刀盘前方和距 离盾构掌子面最远端;构机设备,确认完好后,即可停止冻结;拔出盾构前 方供液管;恢复掘进,平稳快速推进穿过冻结区。且与冻结管水平距离分别为1.0 m、0.5 m、1. 6 m。②测温计选择工业用电子传感测温表,量程为100 〜-100 u。③测温记录，每天定时抄表记录，本工程每天 下午2点记录一次。6结论(1) 冻结期间，根据地面测温孔和盾构土仓隔板 预留孔排水量和排水温度判断冷冻固结效果,盾构土

仓隔板预留孔排出水的温度达到0 u后，成功开仓。(2) 刀具更换、刀盘修复完成，转动刀盘，并检 查盾构机设备,确认完好后,立即停止冻结&(3) 监测数据表明，液氮冻结区域冻土体积无 明显增加，实际冻胀率几乎为零。本工程实践证

4.4冻结加固效果分析4.4.1温度控制分析钻孔于2019年6月15日施工结束;连接冷冻

管、供液管和管道保温,6月17日开始冻结,冻结期

间液氮连续注入。本工程通过3处测温孔数据反 明，短期内液氮冻结对地层冻胀影响很小,解决了 盐水冻结法冻胀的问题。(下转第92页)馈,温度平均值计算分析，液氮冻结第14 d温度达 到设计要求,根据冻结温度推算,冻结体厚度满足

84铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2020 (02)•隧道/地下工程・3.6同步注浆浆液控制采用商品砂浆有效控制浆液质量，杜绝扬尘污 染。中板储浆桶设置超声波液位仪,放浆量精确控 制到0.1 m3，确保同步注浆量可控[11]o该措施既能

[1] [2] [3] [4] [5]

[6]

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(10) ：25 -27.防止地面沉降对周边环境造成影响。3.7隧道内减震降噪技术在电瓶车连接插销处加设呢绒套可有效降低

电瓶车制动时产生的噪声;在轨枕与管片接触面加 设橡胶垫可保护成型隧道[12];在轨枕与轨道接触面

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4结束语绿色施工是可持续发展理念在工程施工中全 面应用的体现，绿色施工不仅指在工程施工中实施

封闭施工，没有尘土飞扬、没有噪声扰民，它还涉及

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过程的各个环节。绿色施工技术在城市轨道交通

盾构工程中的应用，最大程度减少了盾构施工活动 对周边环境的不利影响，践行环保、高效、低耗的新

发展理念，实现环境、经济、社会效益的最大化。2016(8)： 23 -25.[12] 竹隰生，任宏.可持续发展与绿色施工[J].基建优

化，2002(4)：33 -35.温建筑技术，2014(12) : 1 -156.[5]

(上接第84页)(4)呼和浩特市水上公园站~诺和木勒站区间

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过优化设计，准确判断开仓时机和冷冻停止时间， 效果理想,虽然存在经济成本高的问题，但降低了

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