张昌武

在顶管施工过程中,遇到流砂、透水等影响顶管施工的不良地质条件,当降水、注浆等措施无法实施时,采用液氮冻结加固顶管管片周边的土体,起到临时止水作用,完成管道对接和密封以及管道内的各项清理工作,在实际应用中有着良好的效果。

1工程概况

南京铁北一标污水管道工程范围北至长江,东至绕城公路,西南方向至紫金山山脉、经五路、迈化路及和燕路围合的区域,服务范围约为26.3km2。主要包括和燕路、太新路、迈化路、神农路、水吉路、经五路等五条路,管径为DN400～1500,总长度17.480km。其中太新路污水管道工程的W39-W40管道穿过北十里长沟东支河床底,在进行W39向W40顶管施工、顶过河床时,遇到流砂;根据设计及现场情况立即封堵,改由W40向W39反向顶管,两管头之间间距相差2m时,河水已经渗入管道内,无法继续正常顶管施工。根据现场情况,采用液氮冻结局部加固技术对管道周边土体进行加固、止水,以完成剩余2m管道对接,无论是从工期保障还是从安全可行性等方面考虑都是比较好的选择。

2液氮冻结加固原理

在含水土体中,人工设置冻结管,冻结管内循环冷媒剂(液氨),液氮由液态膨胀气化需要吸收大量的热量,从而会带走土体中的热能,大大降低管片周围土体的温度,形成强度高、密封性好的冻化土体,在温度升高时及时补氮,保持冻化土体坚固稳定,经过合理布局、适当设置,会形成一个良好的有效冻化土体,起到承受荷载和密封防水的作用,给地下暗挖施工提供一个安全可靠的工作空间。

冷冻土体发展速度主要与土体原有温度高低、土体含水量多少、周边环境温度高低、冷冻管间距大小以及液氮蒸发量多少等因素有关。经过适当设计,一般可把冷冻土体形成时间控制在3～5天。

3冻结加固方案

3.1 冻结加固范围

根据现场的实际情况,直径1.5m顶管处沿轴线方向加固2m,径向3m。直径1.2m顶管处沿轴线方向加固1m,径向3m。两管头中间区域全部加固,平面尺寸为长2.2m,宽3m。冻结加固范围如图1所示。

深度方向从地表向下直到顶管上部管壁和不透水岩石层上缘。

3.2 冻结管的布置

为了使冷冻效果显著,加快施工速度,采用挖机挖除河岸土至高于河水面1m处、找平,测量定位,实地划出冷冻管布置区域,用白灰定出冷冻管管位以及测温孔位置,为了使施工安全,冷冻区域为沿管轴线方向长5.2m、宽3.2m、深度直达管底岩层总计约5m。

冻结孔外密内疏成梅花形布置,孔间距0.6m～0.8m四周横向布置2排,竖向布置2排,中间布置5排,其中靠近河水侧管片上加强布置2排,另一侧管片加强布置1排。冷冻孔布置如图2所示,共计47个。同时设置3个测温孔,T1、T2、T3。液氮管采用φ108×5～6mm无缝钢管;供液管采用φ32×3.5mm无缝钢管;测温管采用φ108×5～6mm无缝钢管。冻结管实际布置如图3所示。

3.3 冻结加固施工

液氮储罐出口压力控制在0.3MPa～0.5MPa为宜,冻结管出口温度控制在-50℃ ～-70℃,压力调节使用液氮车上的调节阀,温度调节使用分配器中每组去路调节阀。管路用不锈钢软管连接,并用低温液氮阀控制,所有暴露冻结管路用保温泡沫板或棉胎保温,这次实际使用棉胎绝热。用容积不小于20方的槽车,作为冻结期间液氮储备,随时用以补充再次冷冻之需,以防液氮供应中断。

首次充入液氮时,必须使液氮以气体形式进入冻结系统管路,预冷3h～4h,避免各道焊缝因急冷造成脆裂渗漏,发现渗漏则应立即补焊。

冻结时,要经常检测各回路温度,确保冻结发展均匀进行;正常冻结后每隔30min记录一次测温孔温度,使冷冻土体保持在-25℃～-30℃,当高于-25℃时要及时补充液氮进行再次冷冻,确保冷冻土体稳定坚固。冷冻后的工作面效果如图4。

3.4 顶管管道接通施工

由于工作面非常接近河床,顶进施工也难以进行,而只有2m距离的管道施工未完成,因此采用非常规施工。在冷冻准备工作的同时,加工制作了3m长φ1100mm的钢管,并进行了钢管内外防腐处理。未接通部分,在冷冻土体形成后,使用风镐、凿子、扁铲等工具人工破除管线冻土,凿通清除垃圾后,把钢管塞入,两端搭接伸入原有砼管0.5m,钢管与砼管间隙内填充密封胶凝材料,封堵后再进行防腐处理。在冷冻土体内进行挖掘、接管、封堵与防腐施工,未发生渗漏现象,安全顺利,工期短,总体上经济可行。

3.5 安全防护措施

液氮车司机控制液氮出口压力,操作时一定要戴保温棉手套,谨防冻伤;测温控制由测温员专人监测记录,并随时报告温度情况,当温度升高到-25℃以上时通知施工人员撤离现场,并告知液氮车司机补氮降温。

冷冻冻结施工时,由于氮气分子量为28与空气平均分子量29基本接近,氮气自然散发需要很长时间,为了充分利用时间、降低成本以及确保安全,所以必须要对管道内井下24h不间断强制送风。进入管道从W40工作井进,因管路短、通风疏散泄漏氮气快、施工方便、安全撤离快。下井工作前必须停止输氮2h以上,且保证管内液氮全部蒸发、散尽,先用剪去翅膀羽毛的鸽子做活体试验,确认安全后才能下井施工,施工前和施工中强制通风不得停止。

每次冻结后,均应立即储备一车液氮,以防因停冻产生危险。补氮冻结时,严禁下井施工,必须撤离井下、管内所有人员。管内、井内施工照明全部采用LED充电式安全灯具。管头开挖施工时严禁使用水冲洗,不得在井内生火取暖,所有下井施工人员均需身穿保暖衣裤、戴保温棉手套以防冻伤身体。

井内、管内、井口均安设专人负责,配置手机、随时联系、通达情况,换班人员均在W40工作井旁临时房屋内休息,做好应急准备,以防险情发生时能够及时施救,减少损失,杜绝伤亡事故发生。

开挖和接通管道时,提前准备沙袋于管道内底部,以防少量冒沙、冒水发生,万一发生大量冒水、冒沙,无法用沙袋堵压时,则用沙袋封堵管道并立即撤离所有人员。

上下工作井设2个安全爬梯,并垂下3条安全绳,井下放置吊篮,吊车停于井边待命。井口周边用钢管、扣件搭设临边防护,整个工作面全部用围挡围护,防止闲杂人员进入工地。

管头开挖过程中,需要割断液氮管时,必须是停氮时间进行,且一定要确认管内无液氮,割完后及时封闭该管,加强强制通风。

4结语

液氮冷冻法施工,对解决地下暗挖遇透水难题有着其他措施不可替代的优点:冷冻土体、冰体在凿除开挖施工时很难被破坏,即使有点损坏,也可及时通过补氮冻结而修复,有效地防止流沙、透水的危害,能确保施工人员安全施工。

这次穿北十里长沟东支河床底施工遇透水,在周密的安全措施保障下,成功使用液氮冷冻施工方案,经过18天的努力,顺利完成了业主的任务要求,实现了圣诞节前管道通水节点工期。总体上为业主降低了成本,实现了年度工程目标。

整个施工过程安全可控,施工进展顺利,为该工程以后的调概打下了良好的基础,展示了公司应用先进技术以及安全施工控制的能力,树立了良好的企业形象。