大直径泥水盾构液氮冻结更换盾尾刷施工研究

忽 慧 涛

(中交第一公路工程局，北京 100024)



大直径泥水盾构液氮冻结更换盾尾刷施工研究

忽 慧 涛

(中交第一公路工程局，北京 100024)

以南京纬三路超大直径泥水盾构为例，介绍了江底高压水环境下液氮冷冻法更换盾尾刷的施工工艺，阐述了围岩冻结设计方法及液氮冻结设备，并对液氮冷冻温度进行了监测，为工程施工提供了依据。

泥水平衡盾构，液氮冷冻，盾尾刷，测温孔

1 概述

高水压条件下更换盾尾刷需在更换盾尾刷前对地层进行加固止水,保证地下水不能涌入隧道内后,才能对盾尾刷进行更换。对于超大直径盾构在江底高水压环境下，采用传统的管片注浆加固方法已经无法满足止水要求。南京市纬三路过江通道采用直径14.93 m的泥水平衡盾构，盾尾密封由装在盾构主机最后部内侧的2排螺栓安装式钢丝刷和3排焊接安装式钢丝刷构成。盾尾刷更换处长江水深27.67 m，覆土厚度为16.29 m，掘进地层主要为粉细砂层、砂砾层和卵石层。设计采用液氮冻结法封堵盾体外侧的水体，在冻土帷幕的保护下，更换盾构机前3排尾刷。

其主要的施工顺序如图1所示。

2 围岩冻结设计

与盐溶液人工冻结相比，液氮冻结具有稳定性好、冻结系统简单、温度低、冻结强度高、冻结速度快等优点并且冻结加固形式灵活，冻结规模可根据实际工程情况而定，并且对周围环境无污染。

地层加固采用液氮冷冻，液氮通过管路输送到管片和土体内的冻结孔内，气化吸热使周围水土温度降低，气化后的氮气通过管道排放至隧道外。设计冻土帷幕的形状为一圆环柱形，纵向有效厚度为2.0 m,径向有效厚度为1.4 m。冻结壁平均温度设计为-15 ℃。盾体与管片胶合处冻结帷幕平均温度为-8 ℃。

冻结施工前，通过对邻近十环管片二次注浆孔进行压注双液浆，填充管片环外空隙，起到固结管片、减小地面沉降、充当环外第一道防水线的作用。

2.1 冻结孔设计

冻结采用61个冻结孔，分为17组。孔深1.8 m，进入土层1.4 m。液氮储罐出口的温度控制在-150 ℃～-170 ℃，压力控制在0.05 MPa～0.10 MPa为宜，冻结管出口温度控制在-50 ℃～-70 ℃，压力控制在0.05 MPa～0.1 MPa为宜，压力调节可使用液氮储罐上的截止阀，温度调节使用每组回路中散热板。液氮冻结孔布置见图2。

2.2 测温孔设计

测温孔孔深分为两种，详见表1。测温孔采用材料等同于冻结孔，重点监测位置为出现渗漏一侧、盾构底部泥岩地层、盾构顶部以及冻结孔间距最大位置。

表1 测温孔钻孔特征一览表

3 液氮冻结设备

用开孔器(配金刚石钻头取芯)按设计角度开孔，用膨胀螺丝将孔口管固定牢固。

液氮冻结施工示意图如图3，图4所示。

4 温度监测分析

液氮冻结的关键环节为温度控制，应加强对各测温孔的温度监测，提供有利数据，作为分析工程进度的有利参考。本工程一共冻结21 d；实际冻结壁纵向厚度达4.62 m，超过设计冻结壁纵向厚度2.0 m；径向有效厚度也满足设计厚度1.4 m；盾体与管片胶合处冻结帷幕平均温度为-38.6 ℃，达到盾体与管片胶合处冻结帷幕平均温度为-8 ℃的要求；冻土壁平均温度为-56.7 ℃，达到冻土壁设计平均温度-15.0 ℃的要求。在拆除管片更换盾尾刷期间冻结情况良好。

由图5，图6可知，液氮回路在冻结施工开始3 d～5 d内，液氮回路温度迅速降低。在冷冻后期，液氮回路温度83.4%趋于稳定。盾尾前各测温孔所测得的温度因测温孔的位置表现出差异性，具体表现在温度降低程度和温度降低速率上。并且在冻结过程中，各测温孔温度在不同的时期出现轻微的波动，尤其在冻结后期出现的温度回升波动，应作为监测的重点。

由图7～图9可知，盾尾后各冻结测温孔在不同测温深度表现出温度降低趋势大致相同的特点，但对于C8测温孔，温度降低值在不同深度出现较大的差异，整体曲线呈现离散形的状态，随着时间的推移，温度差异有增大的趋势。

5 结论与展望

1)液氮冻结加固技术用于超大直径盾构隧道更换盾尾刷施工中国内罕见，液氮冷冻具有冻结速度快、温度低、冻结稳定等特点，对超大直径泥水盾构隧道盾体外部加固可达到有效快速的止水效果。

2)液氮冻结过程在开始冻结3 d～5 d内，温度可迅速降低，但仍需有稳定维持的过程，以防止温度波动或出现反弹。

3)通过对液氮冷冻数据的监测、采集和分析，还可进一步优化液氮冷冻的时间温度及液氮用量等之间的关系，进一步做到精细化、经济化。

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[4] 王洪斌.冻结法施工在庞庞塔矿井掘进中的应用[J].山西建筑,2010,36(34)：118-119.

Research of using liquid nitrogen freezing method in the large diameter shield to replace the construction of the shield tail brush

Hu Huitao

(CCCCFirstHighwayEngineeringCo.，Ltd,Beijing100024，China)

Taking the super-large-diameter slurry shield of Weisan Road in Nanjing City as the example, the paper introduces the construction craft for the liquid nitrogen freezing method to replace construction of shield tail brush under the high-pressure water environment, illustrates the surrounding rock freezing design methods and liquid freezing equipment, and supervises the liquid nitrogen freezing temperature, so as to provide some reference for the engineering construction.

slurry balanced shield, liquid nitrogen freezing, shield tail brush, thermometer hole

1009-6825(2016)11-0202-03

2016-01-29

忽慧涛(1985- )，男，助理工程师

U455

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