液氮冻结技术

液氮低温快速冻结技术及其应用

隧道网(2008-11-12) 来源：隧道网

报告主题：液氮低温快速冻结技术及其应用

报告人：岳丰田先生，中国矿业大学岩土工程研究所副所长

报告人介绍

岳丰田先生，中国矿业大学岩土工程研究所副所长，教授。长期从事城市地下工程和煤矿矿井井筒冻结施工理论和工程问题研究，主持冻结关键技术研究项目50余项，获得省、部级奖10余项。

报告内容介绍

阐述液氮低温快速冻结技术的原理以及工艺过程，系统介绍液氮运输、储存、施放以及换热系统等，并通过上海近年工程应用实例，增加人们对液氮低温快速冻结的认识。

报告内容节选

运营地铁隧道修复液氮快速冻结技术及其应用研究

液氮是一种理想的制冷介质。常压下其沸点是-195.8℃，蒸发潜热为250kJ/m3。在地层冻结中，液氮通过管路输送到冻结管底部。然后在进液管和套管之间的空间蒸发，以后冷的氮气温度上升到设定的气体温度，把土层的热量吸走，使土层冻结。液氮冻结土层可称为“快速冻结”，因为使用液氮只需很短的时间即可冻结土体，可以达到常规氨—盐水循环冻结速度的10倍。液氮冻结无需在工地安装冷冻站而只需把冻结管插入地层。20世纪60年代开始在美、英、日、法、俄、意等国家在土层加固工程中应用，在城市交通繁忙地区的地下工程和处理紧急工程事故等发挥加固和稳定地层作用。

上海地铁2号线南京东路站至陆家嘴站区间隧道联络通道排水管与隧道管片接口处于2006年8月19日发现漏水漏砂现象，后经紧急处理，用注浆的方法封闭了原排水口，该联络通道位于黄埔江底中心位置，隧道中心标高为-26.337m，上部江水深度9.5m，排水管口发生漏水冒泥现象问题非常严重，情况危险，此地层含水压力很大而且该地层供水与黄浦江水明显存在水利联系。此处情况与上海四号线出事地点情况相似，如处理不当，盲目进行开挖维修可能引起黄浦江底泥沙倒灌，导致整个2号线封闭进行抢修，甚至淹没整个上海地铁

系统导致瘫痪。经多方论证，决定采用液氮冻结的方法加固排水管口周围的土体，再开挖并处理原排水管的方案。

上海地铁2号线南京东路站至陆家嘴站区间隧道联络通道排水管与隧道管片接口处于2006年08月发现漏水漏砂现象，后经紧急处理，用注浆的方法封闭了原排水口，该联络通道位于黄埔江底中心位置，隧道中心标高为-26.337m，上部江水深度9.5m ，排水管口发生漏水冒泥现象问题非常严重，情况危险，此地层含水压力很大而且该地层供水与黄浦江水明显存在水利联系，盲目进行开挖维修可能引起黄浦江底泥沙倒灌，导致整个2号线封闭进行抢修，甚至淹没整个上海地铁系统导致瘫痪。经多方论证，决定采用液氮冻结的方法加固排水管口周围的土体，再开挖并处理原排水管的方案。

施工难点

1、工程水文地质条件差

2、对运营地铁的保护要求高

3、施工环境复杂

4、隧道钢管片和排水管连接方式

5、冻胀和融沉的控制

冻结难点

1、液氮冻结的冻结范围和冻结帷幕厚度的设计计算。

2、地层的冻胀应力及冻胀量融沉量难以精确计算。

3、在工程施工过程中，液氮的施工工艺没有经验可循。

4、液氮冻结控制参数，特别是液氮消耗量的控制较难计算。

5、液氮冻结的温度场和隧道位移场的数值分析和实测。

施工方案

修复施工进行的同时地铁2号线必须正常运营，夜间11：30 ～03：30为施工时间。

冻结加固范围

冻结操作

全部安装并保温后，首先对冻结器进行预冷，可分两步进行：气态氮预冷和液态氮预冷，随后即可进行冻结。

开挖。冻结加固土体满足开挖要求，将道床混凝土、集水坑内抢修时封压的水泥及浆液固结体等予以清除，开挖至排水管与钢管片接头完全暴露，观察原铸铁排水管与钢管片接头情况，准备进行排水管的修复工作。

开挖区域应急盖板

隧道侧连接形式集水井侧连接方式

施工经验

（1）冻结时间。交圈位置冻土的平均发展速度最小为10.1 cm/d，最大发展速度27.8cm/d，冻结开始后第22h冻结壁开始交圈，到60h全部交圈，冻结壁交圈前发展速度较交圈后为大。

（2）冻结壁的均匀程度。冻结管水平放置，沿冻结管壁方向，中间温度低，两头温度高，造成中间厚度大两头小的情况。冻土上部盖板未做保温处理，冷量流失，造成冻结壁发展不均匀。

（3）冻胀位移情况。位移监测说明在冻结区域内各位置冻结冻胀量增长比较均匀，在9.5~12.7mm之间。主要是因为冻结管壁温度均匀，冻结壁发展比较一致，所以冻胀量相差不大。

（4）开始冻结时，进液管位置主面、出气管位置主面和中间截面三个位置的冻结壁厚度和扩展速度不同，进液管位置主面位置的冻结壁厚度和发展速度为大，中间截面位置的冻结壁厚度和发展速度为小；冻结时间超过20小时后，中间截面的冻结壁厚度超过了温度高的出气管位置主面的温度。特别是进液管壁温度较高时，温度高的主面的冻结壁厚度较中间截面差别更明显。冻结时间达到40小时后，三个截面冻结壁的厚度相差较小，特别是冻结温度较低时，三个截面冻结壁的厚度基本是一致的。

（5）当冻结温度一定时，不同的冻结管间距下，冻结壁主面的厚度和发展速度差别不大。当冻结壁厚度超过冻结管间距后，冻结管间距较大时，冻结速度明显降低。同时冻结管间距对冻结壁中间截面的冻结壁厚度影响较大，冻结管间距为250mm和350mm时，在冻结40小时后，中间截面冻结壁厚度差102mm。

（6）有限元计算得出挖开的冻土区域的最大位移量为0.83mm。最大主拉应力为0.26MPa，小于-10℃冻土弯拉强度2.1MPa，安全系数为8.0；最大主压应力为0.95MPa，小于-10℃冻土单轴抗压强度3.4MPa，安全系数为3.5。冰冻体最大剪切应力为0.15MPa，小于-10℃冻土剪切强度1.68MPa，安全系数较大。

（7）通过试验，液氮冻结出口温度最高不宜超过-60℃，液氮压力一般控制在200kPa左右，采用冻结管封头，在冻结段均匀打十字花孔的铜管作为冻结器的形式，冻结系统与液氮罐使用不锈钢软管连接，不锈钢软管使用铜外丝接头分别与供液铜管和液氮管上的供液阀连接。

（8）注浆期间对应区间隧道收敛变形有一定影响，离注浆位置越近，变形越大，反之，