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盾构开仓中的液氮冻结法加固分析

摘 要:在工程实施的过程中,盾构开仓作业存在的风险比较大,开仓前需要专业的技术人员对地质进行勘察,看能否实施开仓作业。 盾构开仓工程的运用也是较为广泛的,比如地铁、隧道等工程建设都需要用到盾构开仓的施工方法,然而,以往的盾构开仓采用的方法有很多,但是这些方法并不能保证开仓作业的安全顺利的进行,在盾构开仓的过程中,难免会因为土体加固不牢,而发生水砂涌出以及塌方的现象,对施工工作人员的安全造成一定的隐患,为解决这些问题,部分建筑行业采用的液氮冻结法加固的方法,有效的避免了安全隐患的发生,因为,液氮冻结温度非常低,冻结的速度非常快,加固用的时间短,实践证明这种方法是既可靠又安全的。 本文将对液氮冻结法加固的原理进行分析,希望液氮冻结法加固可以被更多的地下工程所运用。
1 引 言
  盾构法是“桥式盾构法”的简称,是当今社会上一种比较先进的顶涵施工方法,它保留了传统顶涵施工、桥涵结构路侧预制的施工工艺,并且对结构顶进支护方法,进行了非常重大的改革,改革之后将以往的明挖开槽改为地下暗挖盾构支护,大大降低了施工对列车行车的影响。盾构法在城市轨道交通工程的建设中运用最为广泛,但是,社会在不断地发展,城市也在发展,这些外界因素影响着盾构法施工的进行,如果是比较复杂的地址环境,就会使得整个盾构施工停止,还会对施工工作人员的安全构成威胁。因此,研究液氮冻结加固土体的方法,对整个工程具有非常大的意义。
2 液氮冻结加固的原理及工艺
  在传统的冻结法实施的过程中,需要有氨、盐水以及冷却水这三个循环系统,这种方法冻结效果不但复杂,而且效果不明显,冷量损失也很大。然而超低温的液氮冻结有效的减少了冷量的损耗,提升了冻结效率。由于液氮气化温度非常低,是-195.8℃,它在冻结器内气化,冻结速度是盐水冻结 9~10 倍,因此被人们称为“超低温冻结”。液氮冻结直接取消了氨、盐水以及冷却水这三个循环系统,不需要冻结站,只需液氮冻结的设备,即贮存槽、输送槽车、管路,安装比较简单,组织管理工作也比传统的冻结法简化。这一新技术的运用,为很多工程的堵水、抢险和处理紧急事故提供了新的手段、新的策略。
2.1 液氮冻结的原理
  氮(N2 )在常温下,它是一种无色、无臭、无毒的惰性气体。氮气在空气中体积含量为 78.16%,它比空气要轻,在标准状态下 1m2氮气重1.251kg。在常压下,将氮气冷却至-195.8℃就会变成液氮,液氮的液体密度为807kg/m2,继续将它冷却至-210.1℃时,液氮凝固变成雪花状的固体物质。液氮的惰性很强,而且没有什么腐蚀性,也不会燃烧,对震动、热、电火花都是稳定的。因此,液氮冻结地基加固的施工方法已被矿山、市政等工程领域广泛应用。在盾构开仓作业中,它能够使不稳定的含水地层,冻结成强度很高的冻土体,同时也能形成完整的防水屏蔽,起到隔离水砂的作用,液氮冻结也可以形成良好的挡土墙,用来承受外来的荷载,有效的避免了安全隐患的发生,提高了施工效率。
2.2 液氮冻结的工艺
  液氮冻结与盐水冻结有着很大的区别,相对来说简化了很多,冻结设备采用的是串联的模式,液氮冻结的工艺最简单的施工方式,液氮由分离厂进行分离,用专用液氮槽车运输到工地,然后经过绝热管路和膨胀阀注入到冻结管内进行汽化,将施工部位周围的土质层的热量进行吸收,形成冻土层,产生的氮气从冻结管排除到空气中,完成液氮冻结施工。
3 盾构开仓作业中液氮冻结法的应用
3.1 液氮冻结法在盾构开仓作业中进洞出洞时的应用
  盾构开仓作业中,保证进洞、出洞工程的质量是整个开仓工程的开挖的重要环节,相对整个开仓工程来说,难度是最大的,施工用到的技术也是比较复杂的,是确保整个隧道工程实施的基础,会对后期施工带来很大的影响。进洞、出洞阶段的施工环境多变,盾构机对地面下沉的控制也比较难把握,对土体的稳定性要求也是比较高的。采用液氮冻结法,可以有效地帮助进出洞工程的实施,避免出现水砂涌出以及塌方等现象的发生,液氮冻结的冻土层厚度完全可以达到施工要求,这对施工的顺利进行提供了条件。
3.2 液氮冻结法在盾构开仓作业中密封处理中的应用
  盾构开仓作业对盾构尾部密封问题比较重视,虽然说盾构尾部出现漏水的现象比较少,密封问题存在的可能性也比较小,但是如果一旦出现密封不良的问题,那么对整个工程造成的影响是非常严重的,那些长距离的隧道工程,在施工后期由于盾尾刷的磨损,密封性会大大地降低,这个时候,就需要采用冻结的方法来进行止水,液氮冻结法可有效地解决这个问题。
3.3 液氮冻结法在盾构开仓作业中对隧道修复的运用
在隧道施工过程中,需要提前对该地区的地质、土层、环境进行勘察,因为地质条件的复杂性是阻碍施工的关键因素,如果对这些因素的勘察处理不到位,在施工过程中就会遇到突发性事故,严重时会遇到塌方的现象。例如:南京地铁 2 号线,在施工过程中,隧道开挖到“圆通站”的时候,出现了水砂涌出的突发事故,致使盾构隧道发生了坍塌现象。这时候根据当时的地理环境条件,施工队采用原位修复的方案,利用液氮冻结法将事故阶段与其他非事故的阶段进行连接,及时解决了问题,缩短了工期,也节约了一定的施工成本。由此可见,液氮冻结法在盾构开仓作业中对隧道修复的运用是非常重要的。
3.4 液氮冻结法在盾构开仓作业中对隧道对接的运用
很多隧道施工工程在开挖的时候,建筑行业为了缩短工期,常常对采用分段开挖的施工模式。那么,这就要求施工方对隧道之间的对接问题进行研究,城市地下轨道的施工中,由于地面建筑物比较密集,地下的管道也比较复杂,从城市地面开凿工作井是相当困难的。因此,采用液氮冻结法进行隧道的对接,可以有效的对其对接区域进行加固,同时也能有效地避开错综复杂的地表建筑环境的影响。
4 液氮冻结法加固在盾构开仓作业中施工人员的安全
注意事项
首先,在盾构开仓作业中采用液氮冻结法加固的施工过程中,工作人员必须保证自身的人身安全,做好防护措施,必须配戴防护手套;其次,由于液氮温度非常低,施工人员应该注意对身体部分进行保温措施,以免发生冻伤事故;再就是工作人员必须时刻保持警惕,对液氮罐储存过程中压力变化时刻关注,防止液氮罐放气阀的突然释放,导致液氮气态的排出,冻伤工作人员;最后,应该注意施工场地的通风性,避免排出的氮气过多,空气中的氮气浓度太高,致使工作人员窒息事故的发生。
5 结 语
综上所述,液氮冻结在盾构开仓中的应用对施工带来很大的便利,可以有效地缩短施工工期,也能保证工程的质量。液氮冻结法与传统的冻结法相比,施工工艺更简化,施工效果更明显,比传统冻结法更加环保。液氮冻结法加固的推广,有利于建筑工程的发展,有利于提高工程的质量,也能够进一步减少施工人员的安全隐患,能解决传统冻结中出现的冻胀以及融沉大等问题。事实证明,液氮冻结法是目前冻结施工采用的最有效、最广泛、最安全的冻结方法,这种方法也能适用于类似的其他工程,液氮冻结法加固的推广,有利于推进社会的经济发展,能为建筑行业的进步提供有力的价值。 
 

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