液氮人工地层冻结法,以其卓越的止水效果和灵活的应用方式,已被成功应用于富水地层的盾构接收[1]、盾尾刷更换[2]、地下结构修复[3]以及盐水冻结难以实现的工程场景,如含盐地层[4]和地下水流速较大的地层[5]。在基坑渗漏处理领域,液氮冻结法多适用于处治地下连续墙接头渗漏[6]。
液氮冻结技术的能量交换规律与传统的盐水冻结技术有所区别。黄建华等[7]深入研究了液氮冻结过程中的能量交换机制,揭示了液氮在冻结管内沸腾对流换热规律。石荣剑等[8]通过现场冻结试验,对液氮在冻结管内的沸腾状态进行了细致的分段研究,指出供液管上开孔的范围是决定液氮沸腾段分布特征的关键因素。Nikolaev等[9]进一步发展了液氮冻结技术,建立了一个适用于高速渗流条件下的冻结传热非局部数学模型。孙立强等[10]利用COMSOL软件,实现了温度与渗流场的耦合计算,并提出了确定临界渗流速度和交圈时间的计算方法。虽然针对多种情况下的液氮冻结温度场研究已有较丰富的案例,但在高渗流条件下水泥系改良土(以下简称水泥土)中的液氮冻结,特别是水泥土的冻结发展速度规律尚不清楚,现有结论还不能满足工程需求。
本文以苏州某地铁明挖区间的涌水修复工程为例,探讨了在地下水水头压力大、施工空间受限的条件下,如何利用液氮冻结法成功实施止水帷幕修复。研究涵盖了原止水帷幕失效的原因分析、冻结止水帷幕方案的设计、液氮用量的控制、冻结壁温度的监测,以及施工步骤与工艺的优化。本文旨在为类似工程提供工程实践参考和理论支持。
1 工程概况
1.1 基本情况
工程为苏州某地铁区间明挖基坑,坑底埋深9.8～17.2 m,该段直线下穿娄江后在南岸对接进入盾构段。明挖段平面布置如图1所示。主体结构横截面为现浇钢筋混凝土单层箱形,尺寸为13 m×6.5 m,顶板覆土为3.2～8.4 m。由于过江范围覆土小于一倍洞径要求,且施工不能阻碍江面通航,故下穿段采用了分期围堰筑岛明挖施工过河,将明挖段工程分为南北两期。一期工程施工过江隧道南部,在建成并恢复河道通航后再开工北部的二期隧道。两侧均采用围堰筑岛,在岛中开展明挖施工。明挖过江段南北总长70 m,涌水发生在北部二期明挖基坑。
图1 基坑施工平面图
Figure 1 Plan view of pit construction
一、二期基坑分界处采用钻孔灌注桩加三轴搅拌桩联合止水,三轴搅拌桩在钻孔灌注桩的北侧,二期基坑开挖深度为11.4～14.5 m,采用21 m长SP-SX27型双排拉森钢板桩加3道钢支撑作为支护结构。
1.2 工程地质与水文地质
施工范围内涉及土层的各层物理力学特性如表1所示。局部土层与下部的微承压水具水力联系,潜水水位标高1.50～2.10 m。微承压水主要埋藏于③-3、④-2层,该含水层富水性一般～中等,补给来源主要为周围河水网的侧向补给及上部潜水的垂直入渗。
表1 土层物理力学性质指标
Table 1 Properties of the soils
层号土层名称重度γ/(kN·m-3)压缩模量Es1-2/MPa静止侧压力系数K0直剪固结快剪Cq黏聚力ccq/kPa内摩擦角φcq/(°)渗透系数k/(cm·s-1)透水性分级土层厚度h/m①-2淤泥18.00.807.05.0(1.0～3.0)×10-5微透水0～0.45③-2粉质黏土19.25.970.5126.016.22.60×10-5弱透水0.30～2.90③-3砂质粉土夹粉砂19.310.980.456.128.81.00×10-3中等透水1.50～4.30④-2粉砂夹砂质粉土19.414.210.434.531.64.77×10-3中等透水4.80～10.50⑤-1粉质黏土19.25.460.5522.414.63.60×10-6微透水3.00～4.50⑥-1黏土20.17.110.4558.814.42.10×10-7不透水5.80～6.00⑥-2粉质黏土19.25.980.4826.015.32.60×10-5弱透水5.00～5.50
2 基坑止水帷幕失效分析
在二期基坑南部下层土方开挖时,一、二期结构隔断桩北侧、二期基坑南端西侧靠近坑底隔断桩缝隙间发生涌砂冒水。通过对渗漏界面整体分析得出结论,渗漏方向主要由东西两侧回填土和二期结构底板以下④-2粉砂夹砂质粉土中流入,涌水出口为基坑西南侧标高-10.05 m,距基坑底部约0.4 m处,地下水流速约为20 m/d且有扩大趋势,经回填反压后得到抑制。
失效原因判定为一、二期基坑交界面的钻孔灌注桩加三轴搅拌桩作为一期基坑围护结构时,外侧三轴搅拌桩发挥止水作用,内圈钻孔灌注桩承担荷载,限制三轴搅拌桩的水平变形。而当其作为二期基坑的围护结构时,靠外侧钻孔灌注桩无法为内侧三轴搅拌桩提供水平向位移约束。随着二期的基坑开挖,三轴搅拌桩失去二期基坑土体约束,向二期基坑侧发生水平向位移,使薄弱处张拉形成贯通的裂缝导致止水帷幕失效。
3 修复施工方案及参数
止水帷幕失效后,现场开展了双液注浆堵漏和MJS固化土层,但都没能完全阻绝涌砂冒水,随即认为地层中渗水通道分布广泛且渗流流速大,常规手段难以阻绝。
经方案比选后认为冻结法具有优异封水性,不受土中既有结构影响,钻孔施工对已建主体结构破坏小,冻结加固范围广,不影响结构施工,适合作为本工程的止水修复方案。采用温度更低的液氮作为冷媒,冻结速度是盐水冻结速度的10～11倍[11],适用于地下水存在渗流的情况。因周边紧邻河道,反压回填土含水率高,超低温冻结加固体强度更高,稳定性好[12]。液氮冻结冷媒温度低于-198 ℃,冻结土体温度可低于-80 ℃,封闭渗流速度快,对结构造成的冻胀压力小。作为对比,盐水冻结冷媒(一般为氯化钙溶液)温度为-30 ℃左右,冻结土体温度为-10 ℃左右,封闭流速较大的渗流通道往往需要较长时间,对于更大渗流可能无法封闭。
地下水流动、冻结管间距、冷媒温度是影响人工冻结温度场发展的主要因素[13],其中最重要的是地下水流动[9]。高速的渗流会产生大量热交换,阻碍冻结壁的发展。一般认为在液氮冻结中,土体渗流不应大于12.73 m/d[13]。在有记录的施工案例中,冻结法辅以其他辅助方法处理过的最大渗流为72 m/d[11]。在处理高流速地下水的冻结工程中,常用的方案有在上游施工降水井降低地下水位、加大制冷能力、缩小冻结管开孔间距等。本工程采用双液注浆降低地下水流速辅助液氮冻结的方案,对一、二期分隔处土层进行加固止水,以保证二期基坑的安全开挖。
3.1 双液注浆
经注浆处理后的水泥土地层具有渗流速度小、冻胀小[14]等特点。在可能存在渗流通道的区域共布设26个注浆孔,充填注浆平面布置如图2所示。采取从中间向两侧的注浆顺序,从结构底板底部钻孔至⑥-1层,注浆孔顶标高-10.0 m,孔底标高-18.0 m,并在渗漏点附近加密注浆孔。通过注浆充填渗流路径,以减小渗流速度,给冻结施工提供有利条件。
图2 充填注浆平面图
Figure 2 Plan view of the filling grouting
3.2 液氮冻结
3.2.1 冻结孔及测温孔布置
冻结施工平面分为D、E、Z这3个区,如图3(a)所示。按梅花形交错布置总计44根冻结管,管间距800～1 060 mm,管底深度均为20.8 m。每2～3个冻结管交错串联为一个冻结回路,在二期漏水点位置适当加密,共计20组冻结回路,每组设置一根排气管排气,每日监测记录排气管口排出氮气温度。冻结管布置信息如表2所示。
表2 冻结管布置信息
Table 2 Information on freezing pipes arrangement
冻结区域冻结孔数量冻结高程/m冻结起始时间D区17-18.8～-7.67月31日E区13-18.8～-9.58月5日Z区14-18.8～2.07月31日
图3 冻结法施工图
Figure 3 Working drawing of freezing method construction
D、E区采取局部冻结,主要针对底部封水,D区冻结管冻结的土质为MJS加固的水泥土和注浆充填的水泥土;E区冻结管冻结土体为一期结构内反压堵水的回填土和注浆充填的水泥土。Z区针对东西两侧封水,其内排土质为三轴搅拌桩加固的水泥土,外排下部为MJS加固水泥土,上部为人工填土,其性质较为松散。
MJS加固区单桩直径2.0 m,间距1.5 m,如图3(b)所示,桩顶标高-8.8 m(基底上1.7 m),桩底标高-18.8 m(基底下8.3 m,插入⑥-1黏土层约1.5 m),桩长10 m,点位距离结构北端头30 cm。
冻结整体形成一个东西长18 m,中部宽3.3 m,两侧宽5.5 m,最深处20.8 m的加固体,并与两侧拉森钢板桩止水帷幕相互咬合后形成封闭的止水结构。
冻结区域内共布置7个测温孔(C1～C7),如图3所示,总计29个测温点监测冻结壁发展情况,测温点信息如表3所示。远程自动监测频率为每4 min一次。
表3 测温点信息
Table 3 Information on temperature sensing points
测温孔编号监测区域测点数量测点布置深度/mC1、C5Z区外侧55.0,9.0,13.0,17.0,20.3C2、C3、C4D区基坑侧510.0,12.5,15.0,17.5,20.3C6、C7D区上部、E区上部210.0,11.6
3.2.2 冻结参数
根据以往工程施工经验,液氮冻结的冻结壁发展平均速度约为100～120 mm/d。冻结交圈时间预计5 d,达到设计冻结壁厚度预计10 d,冻结主要参数如表4所示。
表4 冻结施工主要参数
Table 4 Main parameters of frozen construction
参数数值备注冻结壁设计厚度≥2m冻结壁平均温度≤-10℃交界面平均温度≤-5℃积极冻结时间暂定10d维护冻结时间暂定20d设计液氮罐出口氮气温度 ≤-150℃纯度≥99.999%(O2纯度≤0.001%)设计排气口氮气温度-70～-80℃维护冻结期间-50～-60℃设计液氮罐出口压力0.10～0.15MPa冻结管规格Φ108mm×6mmR304不锈钢管测温管规格Φ108mm×6mmR304不锈钢管回气管规格Φ40mm×3mmR304不锈钢管冻结孔数量44个测温孔数量7个冻结孔长度915.20m测温孔长度124.70m预计冻结发展速度100mm/d向一侧发展
由于水化热导致地层初始温度高,又因为临近水体,土中渗流温度高,交圈时间延长,实际积极冻结为15 d。
4 冻结实测分析
4.1 液氮用量
根据中国液氮冻结案例的统计[11],当含水率为28%时,冻结施工过程液氮消耗量为1 600～1 950 kg/m3,当含水率在2.5%～5.7%时,平均液氮消耗量为726.3 kg/m3。在文献[15]的报道中,平均液氮消耗量为700～1 000 kg/m3,一般液氮用量随单位土体的含水率升高而增加[16]。本工程冻结区域含水率约为23%。
对液氮消耗量进行预算,预计积极冻结期冻结每立方米土消耗液氮为1.25×103 kg,冻结土体体积950 m3,液氮消耗量为1.19×106 kg;预计维护冻结期每天每组串联冻结孔的液氮消耗量为7.2×103 kg,20组20 d液氮消耗量总计为2.88×106 kg。
实测液氮用量如图4所示。积极冻结期间,平均每立方米土液氮消耗量为1.671×103 kg。由于夏季地层温度高且冻结前期地下水流动会产生大量热交换,实际液氮用量大于设计值。维护冻结期平均每组冻结孔每天液氮消耗量为3.49×103 kg,为经验预估值的48.5%。冻结壁维持低温状态所需液氮量较少。
图4 液氮用量统计
Figure 4 Statistic of liquid nitrogen consumption
4.2 实测温度分析
积极冻结期液氮总去平均温度为-173.9 ℃,如图5所示。温度采样处于-168～178 ℃,维护冻结期总去温度略低于积极冻结期。
图5 液氮进入温度
Figure 5 Liquid nitrogen inlet temperature
不同于盐水循环,液氮气化释放冷量后形成的氮气可直接排入大气。排气口温度可推算冻结回路释放的冷量。在液氮罐车换车时需关闭去路阀门,阀门的开闭会引起各回路压力值重新分布,导致排气口温度产生波动,其中19组排气口温度数据如图6所示。各排气口温度总体处于-50.84～-120.43 ℃。
图6 排气口温度
Figure 6 Exhaust outlet temperature
测温孔温度记录如图7所示,可以看出,地层初始温度较高,平均地层温度达32.15 ℃,单点最高地温为41.8 ℃。地温过高是由于水泥土水化热释放[17],这是冻结时间延长的原因之一,土体初始温度呈非均匀场分布。
图7 测温孔温度随时间变化典型曲线
Figure 7 Typical temperature-time curves
现场实测温度结果表明,有渗漏附近(C2)比无渗漏附近(C4)的平均温度高66 ℃,渗流对冻结壁发展的抑制作用明显。冻结温度的影响因素中,渗流产生的影响最大,深度不同产生的影响次之,地层初始温度产生的影响最小。
4.3 冻结壁发展规律
4.3.1 冻结速度
测温点与冻结管的距离和温度变化时间推算出的冻结壁发展速度可以反映冻结锋面推进情况。如图8所示,冻结壁总体发展速度为90.3 mm/d。将测温点按照有无渗漏和有无水泥土加固进行区分,冻结速度如表5所示。由表5可知,在无渗漏区水泥土加固使冻结发展速度提升了18.8%,在水泥土加固区的有渗漏(C2)处冻结壁发展速度为无渗漏(C3、C4)处的58.6%。上游冻结壁受渗流抑制作用略大。
表5 冻结壁发展速度
Table 5 Growth rate of the freezing wall
有无渗透发展速度/(mm·d-1)有水泥土加固无水泥土加固无121.4102.2有67.3
图8 渗漏对冻结壁发展速度影响
Figure 8 Impact of seepage on the growth rate of freezing wall
4.3.2 冻结壁平均温度
根据成冰公式[18]计算出冻结壁平均温度发展规律如图9所示。其中,有渗流处(C1、C2、C5)冻结壁平均温度曲线下降速度明显慢于无渗流处(C3、C4、C6、C7)。无渗流处(C3、C4、C6、C7)温度曲线呈现先快后慢的趋势并逐渐趋于平稳。渗流上游(C1、C5)温度曲线降幅小于其余各处,上游受渗流抑制作用更明显[13]。渗流上游(C1、C5)在15 d积极冻结结束后仍处于冻结帷幕范围外,受地下水影响,冻结管提供的冷量与地下水热交换逐渐使此处温度达到平衡状态,维持在-35 ℃,冻结壁不再向上游发展[10]。
图9 冻结壁平均温度
Figure 9 Average temperature of the freezing wall
冻结15 d后渗流路径封闭,渗流下游(C2)平均温度低于-10 ℃后降温速度并未像上游一样减缓。说明冻结壁发展已不受地下水影响,温度曲线斜率开始大于上游(C1、C5),接近无渗流(C3、C4)处。
4.3.3 土体温度发展
如图10所示,按15 d积极冻结期进行分组,土体与冻结管的距离对温度降幅有明显影响。统计结果表明,和冻结管距离小于800 mm处积极冻结期的土体日降温幅度比维护冻结期大4.3 ℃;而和冻结管距离大于800 mm后日降温幅度差仅为0.6 ℃。可认为800 mm半径范围为冻结壁的快速成型范围。
图10 不同时期日降温幅度对比
Figure 10 Temperature decrease over different periods
不同时期土体温度随土体与冻结管的距离增长的分布曲线如图11所示,实测土体第5天时温度分布曲线在600 mm处出现水平弯曲,降温区继续向远端扩散;15 d开始曲线在600 mm和1 000 mm处出现两个反弯点,温度曲线形态基本稳定。冻结壁10 d左右发展至800 mm,15 d达到1 000 mm,厚度增长25%用时增加了50%。理想的冻结管间距应该在冻结锋面推进速度减速时就使冻结壁完成交圈,冻结管打孔间距以800～1 000 mm为宜。
图11 不同时期土体温度分布曲线
Figure 11 Soil temperature distribution curve in different periods
5 开挖与构筑
冻结壁平均温度及冻结壁厚度达到设计要求后,应先对基坑内进行抽排水施工,并在止水帷幕外水位观测点观测地下水位是否有变化,在确认坑内外无水力联系后才可进行下一步施工。冻结修复施工流程如图12所示。
图12 冻结修复施工流程
Figure 12 Construction process of frozen repairing
在确认具备开挖条件后,先进行回填土开挖清理,后进行基坑内二期结构施工;施工完成后开始凿除围护桩和结构范围内的冻土(冻土采用人工手持风镐凿除);凿除作业完成后进行剩余后浇带部分底板、侧墙钢筋绑扎,浇筑后浇带底板混凝土前开挖范围内D区冻结孔停止冻结(两侧及E区冻结孔继续维护冻结);混凝土浇捣前割除D区冻结孔,冻结孔内进行灌浆封堵。最后待顶板混凝土浇筑完成,两侧Z区冻结孔停止冻结,E区冻结孔拔管后封堵,停一组割一组,待结构施工完成后,Z区冻结孔进行拔管施工。温度监测应贯穿冻结施工。
6 效果评价
液氮冻结15 d后形成完整冻结止水结构,冻结半径600 mm内温度低于-60 ℃,半径600～1 000 mm内温度呈梯度升高至0 ℃。根据不利原则,对各测温点取温度高点进行计算,在冻结第15天时,选取C2-4计算所得冻结壁最小厚度大于2.0 m,冻结壁平均温度计算值最大处为-22.8 ℃,满足设计要求,成功封水。
冻结壁不同部位表现出差异性的冻结速度,正常土中冻结壁发展速度为102.2 mm/d,而在水泥土中冻结壁发展速度提高至121.4 mm/d,渗流抑制效应使得水泥土中冻结壁发展速度降至67.3 mm/d,延长了冻结施工的时间。
液氮冻结发展速度快,水分迁移少,冻结38 d土体冻胀最大处28.5 mm。采用何浩松等[19]提出的R模型对土体冻胀进行判断得出R最大值为0.944 mm/h0.5,属于中冻胀等级。其他观测点冻胀不大于6 mm,对应R值小于0.2 mm/h0.5,属于低冻胀等级。部分位置出现较高冻胀是由于渗径封闭时间较长,水分迁移更大。
当冻结施工的各项指标均达到设计要求后,开始抽排坑内积水。通过对止水帷幕外的地下水位监测孔持续观测,未发现地下水位有明显下降,判断坑内外已无水力联系,止水效果良好,随即开展下一步构筑施工。
7 结论
本文在分析区间分期交界面渗漏原因的基础上,使用注浆充填渗流通道加液氮冻结法成功解决了基坑交界面止水帷幕失效的问题。通过实践得出以下结论。
(1)交界面渗漏原因为地层存在渗流含水层时,三轴搅拌桩和MJS加固难以确保止水帷幕的有效性。液氮冻结可快速有效止水,修复涌砂冒水点。
(2)实测不同时期地层温度随距离分布曲线在第5天时温度分布曲线在600 mm处出现水平弯曲,降温区继续向远端扩散;15 d开始曲线在600 mm和1 000 mm处出现两个反弯点,温度曲线形态基本稳定。
(3)冻结壁发展总平均速度为90.3 mm/d,液氮冻结水泥系改良土冻结壁发展速度为121.4 mm/d,比无水泥系改良土处冻结壁发展速度提升了18.8%,渗漏处冻结壁发展速度为67.3 mm/d,是无渗流处冻结壁平均发展速度的58.6%。
(4)积极冻结期每立方米消耗液氮为1.671×103 kg;维护冻结期每组冻结孔每天液氮消耗量为3.49×103 kg,为经验预估值的48.5%
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