长距离液氮冻结加固高承压富含水层温度实测研究.pdf

第 34 卷 第 1 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.1 2012 年 .1 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Jan. 2012 长距离液氮冻结加固高承压富含水层温度实测研究 陈 成 1，杨 平1，张 婷1，史志铭2 （1. 南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037；2. 中煤五建集团公司上海分公司，上海 200135） 摘 要结合杭州庆春路过江隧道盾尾刷更换工程，给出了在高承压富含水层地层中采用长距离液氮冻结加固封水的 冻结参数和工艺，并进行了冻结温度场实测研究。监测分析结果表明长距离液氮冻结去路温度应保证在到达工作面 时液氮温度为-100℃以下，经循环后出口温度应保持在-50℃～-70℃；采用 3 层 1 cm 厚的聚乙烯保温材料和 3 层密封 薄膜交替包裹保温效果明显，温度回升为 0.070/m℃，最长可用于 1000 m 的远距离液氮冻结；冻土体发展速度从大到 小依次为圆砾层粉细砂层粉质黏土层；管片中的温度受外界影响较大，盾壳-管片界面温度在盾尾刷焊接前、焊接时 及焊接后分别为 5.4℃～-3.2℃、19.3℃～8.7℃、12.7℃～4.8℃，确保了冻结壁不融化和焊接质量；强制解冻仅需 2 d 即可达到盾构继续推进的条件，本工艺总工期为 23 d，解决了承压含水层中封水更换盾尾刷的难题。 关键词盾尾刷；长距离液氮冻结；承压含水层；冻结壁；温度场；解冻 中图分类号TU 443 文献标识码A 文章编号1000–4548201201–0145–06 作者简介陈 成1985– ，男，江苏句容人，硕士，主要从事环境岩土与地下工程研究。E-mail cxcc.2004。 Temperature measurements of long-distance liquid nitrogen freezing in high-confined aquifer reinforcement CHEN Cheng1, YANG Ping1, ZHANG Ting1, SHI Zhi-ming2 1. School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2. Shanghai Branch, The Fifth China Coal Construction Company, Shanghai 200135, China Abstract Based on the Qingchun Road cross-river tunnel of Hangzhou, frozen parameters and process of long-distance liquid nitrogen freezing in high-confined aquifer are obtained, and field measurements of freezing temperature are pered. The results show that the long-distance liquid nitrogen freezing temperature should be guaranteed in the way when the temperature reaches the working liquid nitrogen below -100, and the exit temperature ℃after cycling should be held between -50℃～-70. ℃ By using three 1 cm-thick layers of polyethylene insulating materials and three layers of sealed film alternately, the heat preservation effect is obvious, the package temperature has a rise of 0.070 / m, and the longest distance ℃for the liquid nitrogen freezing can reach 1000 m. The development speed of permafrost from large to small order is gravel layer silt sand layer silt clay layer. The temperature of segment is affected by external environment, and the temperatures at segment-shield shell interface before, during and after welding of shield tail brushes are 5.4℃～-3.2℃, 19.3℃～8.7℃ and 12.7℃～4.8 ℃ so as to ensure the thawing and welding quality of frozen walls. Compulsory thawing only needs 2 days to achieve the condition for the shield, and this procedure has a total duration of 23 days, which solves the problem of replacing shield tail brushes in confined aquifer. Key words shield tail brush; long-distance liquefied nitrogen freezing; confined aquifer; frozen soil wall; temperature field; thawing 0 引 言 盾构法长距离掘进中容易出现盾尾钢丝刷磨损锈 蚀而失去其密封作用，从而需要进行更换。盾尾刷更 换的技术难点在于管片拆卸后盾尾的密封止水，这一 难点尤其凸显于高承压含水层中的盾构掘进。以往工 程实例中封水大都采用注浆法、旋喷法及盐水冻结法 等措施，国外也有采用化学注浆进行封水[1-3]。 注浆法虽得到不少的成功应用，但在饱和软黏土 和高承压含水层中注浆法的地层不适应性、 均匀性差、 土体吃浆量低和注浆土体与盾构管片的胶结缺乏柔性 ─────── 基金项目江苏省“六大人才高峰”计划资助项目（2004） ；江苏省普 通高校研究生科研创新计划项目（CX09S_015Z） ；南京地铁科研项目 （2011） ；江苏高校优势学科建设工程资助项目；江苏高校优势学科建 设工程资助项目 收稿日期2010–11–18 146 岩 土 工 程 学 报 2012 年 和韧性等不利因素，使其用于盾尾刷更换工程的风险 增大。旋喷法在承压水中养护时间延长，有潜在不能 成桩危险。盐水冻结需要建立冻结和维护制冷工序的 循环系统[4-5]，所需工期长。 液氮冻结是一种人工冻结土层技术，依靠液氮的 直接气化吸热带走土层中的热量，实现土层的冻结。 由于液氮冻结具有系统简单、低温（-195.8℃） 、冻结 速度快、冻土强度高和对周围环境无污染等特点。杭 州庆春路钱塘江过江隧道首次采用了长距离（420 m） 液氮冻结封水更换盾尾刷的方案。而有关盾尾封水长 距离液氮冻结尚无可参考的先例[6-12]，其冻结、解冻 温度场及盾壳温度是决定该工法成功与否的关键。 1 工程概况 杭州庆春路钱塘江过江隧道采用大型泥水加压式 盾构进行推进，其中右线盾构段长 1765.72 m，右线 盾构隧道出现漏浆，伴随油脂、同步注浆浆液和少量 砂砾的泥浆被挤出。分析原因系盾尾密封失效，通过 对盾尾密封系统进行检查分析，决定采用更换并增加 盾尾刷的措施进行处理， 以保证后续盾构的安全掘进。 盾构隧道上覆层深度 22.9 m 左右，主要为粉、砂 性土层，受钱塘江冲刷作用，呈现中间薄南北两侧略 厚。盾构主要挖深段为⑤-2 层粉质黏土、⑥-1 层粉质 黏土、⑦-1 层粉质黏土夹粉砂、⑦-2 层粉细砂、⑧-1 层圆砾，其中下卧层为⑦-2 层粉细砂、⑧-1 层圆砾， 具有上细下粗结构，均匀性略差。隧道掘进段主要为 孔隙承压水，赋存于下部⑦层、⑧层砂及圆砾、卵石 层内，实测承压水压力为 0.3 MPa（图 1） 。 图 1 盾构机刀盘位置地质横断面图 Fig. 1 Geological cross-section of shield cutter 2 冻结方案设计 2.1 冻结参数设计 采用 36 个冻结孔，分 5 组。冻结孔开孔间距 900 mm， 终孔间距为 1.1 m， 孔深 1.1 m， 进入土层 0.6 m， 进排气管采用不锈钢管管长 420 m。冻结孔布置如图 2 所示。 图 2 冻结孔与测温孔布置图 Fig. 2 Layout of freezing and temperature measuring holes 液氮冻结的关键环节为温度控制，一般液氮储罐 出口的温度可控制在-150℃～-170℃，到达工作面的 温度应控制在-100℃， 冻结管出口温度控制在-50℃～ -70℃。 由于液氮温度极低，距离较长，因此对管路进行 保温绝热处理是关键。具体保温措施为供氮干管采 用2层1 cm厚的聚乙烯保温材料和3层密封薄膜交替 包裹， 各冻结去回路支管均采用 2 层 1 cm 厚的聚乙烯 保温材料外加 1 层密封薄膜进行包裹。回路干管不设 保温，循环过的氮气通过回路干管排放至大气中。 2.2 测温系统布置 由于隧道底部处于粉细砂和圆砾两个含水层中， 为掌握不同含水层冻结壁发展速度与厚度，共设 8 个 测温孔实测研究冻结温度场的发展规律，判断盾尾刷 更换时机。其中，C1，C3，C5，C7 测温孔在冻结管 沿盾构推进方向前侧 900 mm 处，共两个测点，第一 个测点距管片内壁 10 cm，第二个在管片外壁与盾壳 接触面处。C2，C4，C6，C8 测温孔在冻结管沿盾构 推进方向后侧 800 mm 处，每个测温孔中各布设 6 个 测温点，其中浅部两个测定与前侧测温孔测点位置一 致；土体中共 4 个测点，相邻测点间距 300 mm，具 体孔位见图 2 所示。 盾尾刷更换期间，在已拆除的第 179 环管片盾壳 位置布设测温点，以掌握焊接前后盾壳的温度变化， 为确保盾尾刷焊接质量和防止冻结壁升温，是否需要 采取、何时采取隔热措施提供依据。每块已拆管片范 第 1 期 陈 成，等. 长距离液氮冻结加固高承压富含水层温度实测研究 147 围（F 或 L2 分别为第 179 环原管片位置）布设 20 个 测点（图 3） 。其中横向两点之间距离 1 m，纵向两点 距离 0.5 m，邻近第 178 环管片测点贴近第二道盾尾 刷。管片拆除顺序为先拆除底部的 F 块和 L2 块，然 后按逆时针顺序依次拆除，盾尾刷焊接完成后采取错 位通缝拼装管片，图 3 中虚线框为第 179 环错逢拼装 后新管片位置。 图 3 已拆除管片处盾壳测温点布设展开图 Fig. 3 Layout of temperature measuring points of shield shell after ..removal of segments 2.3 强制解冻设计 盾尾刷更换完成后，需对冻土体进行强制解冻， 使盾尾外壳周围冻土体解冻以保证盾构尽早继续推 进。 沿管片内壁环形布置 5 道热水循环盘管，以冻结 孔为中心，于隧道推进方向内侧布置 4 道，外侧布置 1 道，利用膨胀螺栓将盘管固定与管片上。在冻结区 附近布置热水循环箱，循环热水温度为 75℃，强制解 冻期间仍进行温度的监测，测温孔布置如图 4 所示。 图 4 强制解冻测温孔布置图 Fig. 4 Lay out of temperature measuring holes for compulsory ..thawing 3 冻结实测分析 积极冻结历时 13 d，冻结壁达到设计要求，累计 消耗液氮量 305 t；维护冻结历时 11 d，累计消耗液氮 量 306 t。 3.1 去回管路温度分析 冻结期间到达工作面的去路温度基本稳定在 -110℃～-120℃左右（图 5） 。积极冻结前期液氮回路 温度下降明显， 从-5℃降至-80℃附近， 说明土体冻结 消耗大量冷量；液氮回路温度在开冻第 8 天后趋于稳 定，基本维持于-80℃附近，与去路有约 20℃的温度 差，说明土体消耗冷量处于基本稳定。冻结 15 d，回 路温度突变上升，稳定于-50℃～-60℃附近，与去路 有约 50℃～60℃温度差，究其原因此时拆除管片， 焊接盾尾刷，从土体带走大量的冷量，土体需要从液 氮吸收大量的冷量来维持自身的冻结状态。 图 5 干管温度时间变化曲线 Fig. 5 Temperature-time curves of main pipe 液氮去路干管保温措施采用3层1 cm厚的聚乙烯 保温材料和 3 层密封薄膜交替包裹， 保温层厚度为 2.6 cm，温度损失为 0.070/m℃，对比西线的只有两层保 温材料的隔热措施温度损失要小 （西线采用 2 层 1 cm 厚的聚乙烯保温材料包裹，无密封薄膜交替包裹，温 度损失为 0.133/m℃） ，根据温度衰减规律取液氮储罐 出口温度-170℃，到达工作面温度-100℃，计算得出 该保温形式下最长可用距离为 1000 m。 保温措施的好 坏对液氮供输中冷量消耗有着重要的影响，加强液氮 供给管路的保温可以减少液氮在长距离输送中的温度 损失，实测表明本工程所用保温措施是可行的。 3.2 测温孔温度分析 根据测温孔测温数据的分析对处于不同条件下土 体的冻结效果进行评价。 首先选取布置于不同土层中测温孔在相同深度的 降温情况进行分析，获得了不同土质条件下温度场的 变化规律，其中 C1，C2，C3，C4 处于⑤-1 粉质黏土 层，C5，C6 处于⑧-1 圆砾层，C7，C8 处于⑦-2 粉细 砂层。 从图6降温曲线看， 虽然土质不同， 但是降温过程 仍然具有一定的相似性。初始监测得到的相同深度、 148 岩 土 工 程 学 报 2012 年 不同土层的原始地温基本一致。但是在降温曲线趋于 稳定后的结果均为处于夹有粉砂的圆砾层中的土体温 度最低,其次是粉细砂层，而粉质黏土层温度最高。究 其原因是圆砾层中含水基本都为自由水，粉细砂含 有少量结合水，而粉质黏土中结合水含量相对较高， 而人工冻结主要是冻结土中的自由水。 图 6 距管片外壁 1.2 m 处温度时间变化曲线 Fig. 6 Temperature-time curves of points 1.2 m away from outer .surface of segment 从图7，8降温曲线分析不同土层对应的管片和盾 壳位置的测点降温速率有明显不同， 粉质黏土层 （C1， C3）对应管片降温稳定后温度较高，而夹有粉砂的圆 砾层和粉细砂层（C5，C7）温度较低，和不同土层的 温度变化曲线基本吻合，说明混凝土管片和盾壳位置 的温度变化主因是受土层的温度影响，变化规律与土 层保持一致。冻结13 d，承压含水层中管片与盾壳接 触面测点（C5-1，C7-1）温度达到-11℃，-15℃，结 合冻结壁计算结果说明冻结壁厚度和冻结壁平均温度 达到设计要求，符合盾尾刷更换的条件。拆除管片更 换盾尾刷期间， 承压含水层管片中的测点 （C5-2， C7-2） 温度因受外界环境影响较大，表现出升温明显；而判 断冻土是否融化的管片与盾壳接触面测点（C5-1， C7-1） 温度稳定在-15℃左右， 说明拆除管片更换盾尾 刷对土体冻结壁几乎无影响。 图 7 管片中测点温度时间变化曲线 Fig. 7 Temperature-time curves of segment 图 8 盾壳与管片接触面测点温度时间变化曲线 Fig. 8 Temperature-time curves of points at shield shell-segment .interface 选取布置于相同土层不同深度的测温孔降温情况 进行分析，获得不同深度条件下不同时期的温度场变 化规律。 冻结过程中，土体中的测点基本表现为随着冻结 时间的延长温度越低，说明盾尾刷更换对冻结壁的温 度影响很小。同一测温孔中土体温度基本呈现随着测 点越深温度越高， 其中圆砾层距管片内壁0.8 m处温度 最低可达-22℃（图9） ，主要由于①冻结管长度至管 片内壁1.1 m处， 液氮在冻结管循环过程中与浅部土体 温差更大，液氮在冻结管中吸收土体热量更多；②1.1 m以内的测点与冻结管距离较近， 因此降温速率较快， 深部测点距离冻结管距离较远，受到冻结壁扩展速度 的制约，降温速率较慢，稳定时温度较高。 图 9 圆砾层 C6 测温孔温度场变化曲线 Fig. 9 Temperature curves of gravel layer at temperature measuring hole C6 冻结13 d除距管片内壁1.4 m和1.7 m处测点处于 零上，土体温度基本处于-3℃～-8℃，据此温度计算 的冻结壁厚和冻结壁平均温度都达到了设计要求。 3.3 盾壳–管片界面温度分析 盾壳–管片界面温度是保证焊接质量和盾尾刷成 功更换的关键因素， 通过对液氮去回管路的温度控制， 保证盾尾刷的更换。 图 10 焊接前后 a 位置测点温度曲线 Fig. 10 Temperature curves of measuring points at site a before and after welding 表1中数值为对应图3中a断面位置的测点温度值， 其中F，L2号管片对应含粉细砂和圆砾的高承压富含 水土层。 图10与表1给出了承压含水层中盾尾刷焊接前 后温度变化，计算了各测点每小时升温值，数据表明 第 1 期 陈 成，等. 长距离液氮冻结加固高承压富含水层温度实测研究 149 表 1 焊接前后 a 位置测点温度值 Table 1 Temperatures of measuring points at site a before and after welding F（处于粉细砂层位置） L2（处于圆砾高承压富含水层位置） 状态 F-1 F-2 F-3 F-4 F-5 L2-1 L2-2 L2-3 L2-4 L2-5 尾刷焊接前 1.2 5.4 4.1 3.8 4.3 3.3 0.6 -1.8 -3.2 -2.3 尾刷焊接时 12.1 16.3 16.8 16.9 19.3 15.6 10.3 11.1 8.7 11.8 焊接完成 8.6 8.9 11.6 11.8 11.2 12.7 10 8.6 4.8 5.2 每小时上升值 0.25 0.12 0.25 0.27 0.23 0.31 0.31 0.35 0.27 0.25 处于圆砾层位置的测点升温速度最快，这与该土层的 降温速度是一致的，这是因为该土层中自由水含量较 高，与外界进行热传递速率较快。 3.4 冻结效果分析 冻结13 d，根据冻结施工成冰公式计算得到承压 含水层冻结壁有效厚度最低达到1.806 m， 达到了设计 要求的1.8 m，冻结壁有效冻土平均温度低于-25℃， 达到设计要求的-15℃， 符合进行拆除管片进行盾尾刷 的更换的条件。冻结23 d，盾尾刷更换完成，需要进 行人工强制解冻来保证盾构的继续推进。 从日平均降温值对比分析液氮冻结与常规盐水冻 结，液氮冻结温度日平均下降为-2.62℃/d，常规盐水 冻结温度日平均下降为-0.85℃/d，说明液氮冻结速度 较之常规盐水冻结快了3倍多，冻结时间大大缩短。 4 解冻实测分析 强制解冻50 h后，土体与盾尾壳体接触处温度有 明显上升， 都达到0℃以上， 符合盾构继续推进的条件。 图11，12，表2中表明承压含水层中的测点C5升 温速度要比黏土层的测点C1温度要快，其中靠近盾壳 体的测点每小时升温值C1为0.11℃，C5为0.162℃。原 因主要有以下两个方面①解冻管与冻土体之间的温 差较大，热交换进行较快；②承压含水层为含水率较 大的砂性土层，导热性较好。 图 11 C1，C3，C5 解冻温度时间曲线 Fig. 11 Thawing temperature-time curves at C1, C3 and C5 图中处于粉质黏土层相近位置的测点，C4升温速 度明显较C3快，其中靠近盾壳体的测点C4-2比C3-2快 0.116℃/h。分析原因为C4处于土体中的低温成冰区， C3处于冻结区，C4中的升温空间较大。 图 12 C4 解冻温度时间曲线 Fig. 12 Thawing temperature-time curves at C4 表 2 各测点每小时升温值 Table 2 Heating values of measuring points per hour ℃/h 深度 孔号 C1 C2 C3 C4 C5 1.7 m 0 1.4 m 0.016 1.1 m 0.036 0.190 0.8 m 0.026 0.226 0.5 m 0.1100.124 0.150 0.266 0.162 0.1 m 0.1200.044 0.164 0.212 0.176 解冻使土体与盾尾壳体接触处的温度处于零度以 上，说明冻土帷幕已失去对盾构外壳的围抱力，符合 盾构推进的条件。本工程不需要使周围土体全部融化 后推进，因此强制解冻时间往往仅需2～3 d即可。 5 结 论 （1）冻结13 d开始已经形成封闭的冻结壁，冻结 壁厚度达到了拆除管片更换盾尾刷的要求。 （2） 分析了不同绝热措施下的液氮输送的每米温 度损失，最小的温度损失为0.070/m℃，给出了在损失 较小的绝热保温措施下的液氮最长冻结距离为1000 m。 （3） 结合不同土层、 不同深度测点温度及盾尾钢 板温度分析，盾壳-管片界面温度在盾尾刷焊接前、焊 接时及焊接后分别为5.4℃～-3.2℃、19.3℃～8.7℃、 12.7℃～4.8℃，确保了冻结壁不融化和焊接质量。 （4） 强制解冻采用盘管在管片内壁进行热水循环 解冻，给出了不同土层，不同深度测点每小时的升温 值，可为今后类似工程提供参考。 （5） 长距离液氮冻结更换盾尾刷总工期大约为23 d，强制解冻需要2 d，与盐水冻结法相比大大缩短了 工期，并简化了冻结系统，解决了承压含水层中快速 150 岩 土 工 程 学 报 2012 年 封水更换盾尾刷的难题。 参考文献 [1] 胡向东, 程烨尔. 盾构尾刷冻结法更换的温度场数值分析 [J]. 岩土力学与工程学报, 2009, 28增刊 2 3516–3525. HU Xiang-dong, CHEN Ye-er. Numerical analysis of temperature field during replacement of shield tail brush by freezing [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28S2 3516–3525. in Chinese [2] 杨 平, 佘才高, 董朝文, 等. 人工冻结法在南京地铁张府 园车站的应用[J]. 岩土力学, 2003, 24增刊 2 388–391. YANG Ping, SHE Cai-gao, DONG Chao-wen, et al. Application of artificial freezing in Zhangfuyuan station of Nanjing subway’s[J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24S2 388–391. in Chinese [3] 杨 平, 袁云辉, 佘才高, 等. 南京地铁集庆门盾构隧道进 洞端头人工冻结法加固温度实测[J]. 解放军理工大学学报, 2009, 106 591–596. YANG Ping, YUAN Yun-hui, SHE Cai-gao, et al. Temperature study on artificial soil freezing reinforcement for shield entry in Jiqingmen station of Nanjing metro[J]. Journal of PLA University of Science and Technology, 2009, 106 591–596. in Chinese [4] 姜耀东, 赵毅鑫, 周 罡, 等. 广州地铁超长水平冻结多参 量监测分析[J]. 岩土力学, 2010, 311 158–164. JIANG Yao-dong, ZHAO Yi-xing, ZHOU Gang, et al. Multi-parameter monitoring of frozen soil structure with super-long freezing hole drilling in Guangzhou metro[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 311 158–164. in Chinese [5] 翁家杰, 陈明雄. 冻结技术在城市地下工程中的应用[J]. 煤炭科学技术, 1997, 257 51–53. WENG Jia-jie, CHEN Ming-xiong. Freezing technology in underground engineering application[J]. Coal Science and Technology, 1997, 257 51 –53. in Chinese [6] 翁家杰. 液氮冻结土层的理论与实践[J]. 煤炭科学技术, 1994, 229 11–15. WENG Jia-jie. The theory and practice of liquid nitrogen freezing soil layer[J]. Coal Science and Technology, 1994, 229 11–15. in Chinese [7] HEIJBOER J. The westerschelde tunnel approaching limits [M]. Rotterdam A. A. Balkema, 2003. [8] REBAN D. New experience and problem swith LIN ground freezing[M]// Ground Freezing. Rotterdam Balkema, 1991. [9] BUINGER A. Application of artificial ground-freezing with liquid nitrogen LIN/new control hardware[C]// Ground freezing, Proc of 8th ISGF.1996. [10] 岳丰田, 王 涛, 檀鲁新, 等. 液氮冻结技术在井筒封水 抢险中的应用[J]. 煤炭科学技术, 2009, 372 29–46. YUE Feng-tian, WANG Tao, TAN Lu-xin, et al. Application of liquid nitrogen freezing technology to water sealing rescue in mine shaft[J]. Coal Science and Technology, 2009, 372 29–46. in Chinese [11] 李方政. 液氮冻结技术在地铁泵房排水管修复工程中的 应用[J]. 施工技术, 2007, 367 31–37. LI Fang-zheng. Application of liquefied nitrogen freezing technology for pump station drainpipes repair in metro[J]. Construction Technology, 2007, 367 31–37. in Chinese [12] 曾 涛. 应用液氮冻结技术修复软土地基中的地铁隧道 [J]. 煤炭科学技术, 2010, 386 41–60. ZENG Tao. Application of liquid nitrogen ground freezing technology to repair subway tunnel in soft soil base[J]. Coal Science and Technology, 2010, 386 41–60. in Chinese