液氮凍結(jié)技術(shù)

1、液氮低溫快速凍結(jié)技術(shù)及其應(yīng)用隧道網(wǎng) (2008-11-12)來(lái)源：隧道網(wǎng)報(bào)告主題：液氮低溫快速凍結(jié)技術(shù)及其應(yīng)用報(bào)告人：岳豐田先生，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)巖土工程研究所副所長(zhǎng)報(bào)告人介紹岳豐田先生，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)巖土工程研究所副所長(zhǎng)，教授。長(zhǎng)期從事城市地下工程和煤 礦礦井井筒凍結(jié)施工理論和工程問(wèn)題研究，主持凍結(jié)關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目50余項(xiàng)，獲得省、 部級(jí)獎(jiǎng)10余項(xiàng)。報(bào)告內(nèi)容介紹闡述液氮低溫快速凍結(jié)技術(shù)的原理以及工藝過(guò)程，系統(tǒng)介紹液氮運(yùn)輸、儲(chǔ)存、施放以及 換熱系統(tǒng)等，并通過(guò)上海近年工程應(yīng)用實(shí)例，增加人們對(duì)液氮低溫快速凍結(jié)的認(rèn)識(shí)。報(bào)告內(nèi)容節(jié)選運(yùn)營(yíng)地鐵隧道修復(fù)液氮快速凍結(jié)技術(shù)及其應(yīng)用研究液氮是一種理想的制冷介質(zhì)。常壓下

2、其沸點(diǎn)是-195.8C，蒸發(fā)潛熱為250kJ/m3。在地層凍 結(jié)中，液氮通過(guò)管路輸送到凍結(jié)管底部。然后在進(jìn)液管和套管之間的空間蒸發(fā)，以后冷的氮 氣溫度上升到設(shè)定的氣體溫度，把土層的熱量吸走，使土層凍結(jié)。液氮凍結(jié)土層可稱為“快 速凍結(jié)”，因?yàn)槭褂靡旱恍韬芏痰臅r(shí)間即可凍結(jié)土體，可以達(dá)到常規(guī)氨一鹽水循環(huán)凍結(jié)速 度的10倍。液氮凍結(jié)無(wú)需在工地安裝冷凍站而只需把凍結(jié)管插入地層。20世紀(jì)60年代開(kāi) 始在美、英、日、法、俄、意等國(guó)家在土層加固工程中應(yīng)用，在城市交通繁忙地區(qū)的地下工 程和處理緊急工程事故等發(fā)揮加固和穩(wěn)定地層作用。上海地鐵2號(hào)線南京東路站至陸家嘴站區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道排水管與隧道管片接口處于 20

3、06年8月19日發(fā)現(xiàn)漏水漏砂現(xiàn)象，后經(jīng)緊急處理，用注漿的方法封閉了原排水口，該聯(lián) 絡(luò)通道位于黃埔江底中心位置，隧道中心標(biāo)高為-26.337m，上部江水深度9.5m，排水管口 發(fā)生漏水冒泥現(xiàn)象問(wèn)題非常嚴(yán)重，情況危險(xiǎn)，此地層含水壓力很大而且該地層供水與黃浦江 水明顯存在水利聯(lián)系。此處情況與上海四號(hào)線出事地點(diǎn)情況相似，如處理不當(dāng)，盲目進(jìn)行開(kāi) 挖維修可能引起黃浦江底泥沙倒灌，導(dǎo)致整個(gè)2號(hào)線封閉進(jìn)行搶修，甚至淹沒(méi)整個(gè)上海地鐵系統(tǒng)導(dǎo)致癱瘓。經(jīng)多方論證，決定采用液氮凍結(jié)的方法加固排水管口周圍的土體，再開(kāi)挖并 處理原排水管的方案。上海地鐵2號(hào)線南京東路站至陸家嘴站區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道排水管與隧道管片接口處于 20

4、06年08月發(fā)現(xiàn)漏水漏砂現(xiàn)象，后經(jīng)緊急處理，用注漿的方法封閉了原排水口，該聯(lián)絡(luò) 通道位于黃埔江底中心位置，隧道中心標(biāo)高為-26.337m，上部江水深度9.5m，排水管口 發(fā)生漏水冒泥現(xiàn)象問(wèn)題非常嚴(yán)重，情況危險(xiǎn)，此地層含水壓力很大而且該地層供水與黃浦江 水明顯存在水利聯(lián)系，盲目進(jìn)行開(kāi)挖維修可能引起黃浦江底泥沙倒灌，導(dǎo)致整個(gè)2號(hào)線封 閉進(jìn)行搶修，甚至淹沒(méi)整個(gè)上海地鐵系統(tǒng)導(dǎo)致癱瘓。經(jīng)多方論證，決定采用液氮凍結(jié)的方 法加固排水管口周圍的土體，再開(kāi)挖并處理原排水管的方案。施工難點(diǎn)1、工程水文地質(zhì)條件差2、對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵的保護(hù)要求高3、施工環(huán)境復(fù)雜4、隧道鋼管片和排水管連接方式5、凍脹和融沉的控制凍結(jié)難點(diǎn)1、

5、液氮凍結(jié)的凍結(jié)范圍和凍結(jié)帷幕厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算。2、地層的凍脹應(yīng)力及凍脹量融沉量難以精確計(jì)算。3、在工程施工過(guò)程中，液氮的施工工藝沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可循。4、液氮凍結(jié)控制參數(shù)，特別是液氮消耗量的控制較難計(jì)算。5、液氮凍結(jié)的溫度場(chǎng)和隧道位移場(chǎng)的數(shù)值分析和實(shí)測(cè)。施工方案修復(fù)施工進(jìn)行的同時(shí)地鐵2號(hào)線必須正常運(yùn)營(yíng)，夜間11： 3003： 30為施工時(shí)間。凍結(jié)加固范圍凍結(jié)操作全部安裝并保溫后，首先對(duì)凍結(jié)器進(jìn)行預(yù)冷，可分兩步進(jìn)行：氣態(tài)氮預(yù)冷和液態(tài)氮預(yù)冷， 隨后即可進(jìn)行凍結(jié)。開(kāi)挖。凍結(jié)加固土體滿足開(kāi)挖要求，將道床混凝土、集水坑內(nèi)搶修時(shí)封壓的水泥及漿液 固結(jié)體等予以清除，開(kāi)挖至排水管與鋼管片接頭完全暴露，觀察原鑄鐵排水管與

6、鋼管片接頭 情況，準(zhǔn)備進(jìn)行排水管的修復(fù)工作。開(kāi)挖區(qū)域應(yīng)急蓋板隧道側(cè)連接形式集水井側(cè)連接方式開(kāi)挖區(qū)域應(yīng)急蓋板隧道側(cè)連接形式集水井側(cè)連接方式施工經(jīng)驗(yàn)（1）凍結(jié)時(shí)間。交圈位置凍土的平均發(fā)展速度最小為10.1 cm/d，最大發(fā)展速度27.8cm/d， 凍結(jié)開(kāi)始后第22h凍結(jié)壁開(kāi)始交圈，到60h全部交圈，凍結(jié)壁交圈前發(fā)展速度較交圈后為大。（2）凍結(jié)壁的均勻程度。凍結(jié)管水平放置，沿凍結(jié)管壁方向，中間溫度低，兩頭溫度高， 造成中間厚度大兩頭小的情況。凍土上部蓋板未做保溫處理，冷量流失，造成凍結(jié)壁發(fā)展不 均勻。（3）凍脹位移情況。位移監(jiān)測(cè)說(shuō)明在凍結(jié)區(qū)域內(nèi)各位置凍結(jié)凍脹量增長(zhǎng)比較均勻，在 9.512.7mm之間

7、。主要是因?yàn)閮鼋Y(jié)管壁溫度均勻，凍結(jié)壁發(fā)展比較一致，所以凍脹量相差 不大。（4）開(kāi)始凍結(jié)時(shí)，進(jìn)液管位置主面、出氣管位置主面和中間截面三個(gè)位置的凍結(jié)壁厚度 和擴(kuò)展速度不同，進(jìn)液管位置主面位置的凍結(jié)壁厚度和發(fā)展速度為大，中間截面位置的凍結(jié) 壁厚度和發(fā)展速度為??；凍結(jié)時(shí)間超過(guò)20小時(shí)后，中間截面的凍結(jié)壁厚度超過(guò)了溫度高的 出氣管位置主面的溫度。特別是進(jìn)液管壁溫度較高時(shí)，溫度高的主面的凍結(jié)壁厚度較中間截 面差別更明顯。凍結(jié)時(shí)間達(dá)到40小時(shí)后，三個(gè)截面凍結(jié)壁的厚度相差較小，特別是凍結(jié)溫 度較低時(shí)，三個(gè)截面凍結(jié)壁的厚度基本是一致的。（5）當(dāng)凍結(jié)溫度一定時(shí)，不同的凍結(jié)管間距下，凍結(jié)壁主面的厚度和發(fā)展速度差別不

8、大。 當(dāng)凍結(jié)壁厚度超過(guò)凍結(jié)管間距后，凍結(jié)管間距較大時(shí)，凍結(jié)速度明顯降低。同時(shí)凍結(jié)管間距 對(duì)凍結(jié)壁中間截面的凍結(jié)壁厚度影響較大，凍結(jié)管間距為250mm和350mm時(shí)，在凍結(jié)40 小時(shí)后，中間截面凍結(jié)壁厚度差102mm。（6）有限元計(jì)算得出挖開(kāi)的凍土區(qū)域的最大位移量為0.83mm。最大主拉應(yīng)力為0.26MPa， 小于-10C凍土彎拉強(qiáng)度2.1MPa，安全系數(shù)為8.0；最大主壓應(yīng)力為0.95MPa，小于-10C凍 土單軸抗壓強(qiáng)度3.4MPa，安全系數(shù)為3.5。冰凍體最大剪切應(yīng)力為0.15MPa，小于-10C凍 土剪切強(qiáng)度1.68MPa，安全系數(shù)較大。（7）通過(guò)試驗(yàn)，液氮凍結(jié)出口溫度最高不宜超過(guò)-60C，液氮壓力一般控制在200kPa左 右，采用凍結(jié)管封頭，在凍結(jié)段均勻打十字花孔的銅管作為凍結(jié)器的形式，凍結(jié)系統(tǒng)與液氮 罐使用不銹鋼軟管連接，不銹鋼軟管使用銅外絲接頭分別與供液銅管和液氮管上的供液閥連 接。（8）注漿期間對(duì)應(yīng)區(qū)間隧