广东水电二局股份有限公司广州511340
摘要：本盾构机掘进施工过程中，因刀盘刀具的磨损或损坏，需要进行更换刀具，因地质条件复杂，周边环境的限制，需要在较短的时间内完成刀具检查和换刀作业，采用了液氮冻结法对刀盘周边加固止水，从而达到开仓换刀的目的。
关键词：刀盘、土仓、加固止水、液氮冻结
一、工程概况
本工程为广州市轨道交通十四号线支线工程【施工5标】土建工程【枫下站～知识城站】区间左线刀盘土仓液氮冻结加固止水处理，盾构刀盘位于左线掘进1276环（刀盘1281环），里程为ZDK51+968遇孤石。
停机检查及处理情况，目前刀具检查和更换已完成，刀盘前方孤石已使用旋转钻机抽芯处理7孔，目前盾体已脱困，刀盘未脱困。刀盘先已尝试高压旋喷法脱困，然后使用旋挖机成槽助盾构推至槽内使刀盘转动脱困，均未达到预期效果。现到盘位于宽1米、长7米深21米的泥浆槽内，为了确保刀盘顺利脱困，现需要将土仓及刀盘周围清理干净，拟采用液氮冻结法对刀盘周边加固止水。
二、地质条件及盾构机能够承受低温情况
1、盾构机停机位置地层情况见下表：
三、冻结加固总体思路
为确保盾构刀盘顺利脱困，须对刀盘周边土体进行加固止水，同时为保证盾构施工工期要求，采用液氮冻结加固方式。即：在盾构机、刀盘上部及刀盘前方利用垂直冻结孔冻结加固地层，使盾构、刀盘左右侧、上部和前方范围内土体冻结，形成“∩”状冷冻加固体。盾构底部建议总包方根据现场地质情况采取其他措施（降水或者注浆加固），确保开仓时盾构底部的安全。
为保证土仓顺利开仓清理，清除土仓内及刀盘障碍物，拟在刀盘前方设置两排冻结管,盾构两边布置两排冻结孔，盾构上部土仓位置布置一排冻结孔，采用液氮进行冻结,短时间内形成冻结体。
冻结壁的作用是在盾构土仓开仓时，起到加固周边土体及封水的作用。以满足土仓清理的要求,为此，要求冻结壁需能承受刀盘处水土压力的作用。
四、冻结加固帷幕设计
为确保土仓及刀盘前方清理的安全，盾构、刀盘左右侧、上部和前方范围内土体冻结，为土仓开仓及刀盘清理起到加固止水作用。
液氮冻结施工设计指标为：
1、冻结壁厚度≥2.0m，宽度约10.5m，深22m
2、冻土平均温度≤-15℃
3、探孔温度≤-5℃
4、液氮进口温度：-150～-170℃；出口温度：-50～-60℃。
五、冻结加固体厚度计算
设计采用六排液氮冻结孔，成梅花形布置。其中，第一排距刀盘2.0m，孔间距0.8米，设计深度22米；第二排孔与第一排排距0.6m，每排相邻孔间距0.8m，设计孔深22米；第三排孔距离第二排孔1.0米，盾构两边相邻孔间距为0.6米，设计孔深22米；第四排孔距离第三排孔0.46米，相邻孔间距为1.0米，主要位于盾构位置，设计孔深至盾构顶面2米位置；第五排孔距离第四排孔0.54米，盾构两边相邻孔间距为0.6米，设计孔深22米；第六排孔距离第五排孔1.0米，盾构两边相邻孔间距为0.6米，设计孔深22米，盾构位置孔深至盾构顶部，每排相邻孔间距1.0m。冻结壁平均温度可按－15℃，有效厚度可达到2.0m。
冻结厚度验算:
冻结区域，刀盘埋深约为12.5m，盾构外直径6.52m，水位按照泥浆页面考虑。则刀盘底部静水压力为：
2、结论
现有冻结壁2.0米厚度完全满足受力要求。
六、冻结时间估算和破除洞门液氮需要量
1、液氮冻结：根据我单位多年液氮施工经验，取冻土的发展速度为10cm/天。
冻结孔孔间距为1000mm，加上1%的偏斜，最大孔间距为：L=1000+220=1320mm
距此推算冻土交圈时间为:T=132/2/10=6.6天，取7天。冻土达到交圈需7天。即液氮冻结暂定7天后可以土仓清理。
2、冻结体积约为：长×宽×高＝76.388×2.866+129.1*2.0＝477m3。
每立方米冻土每天约需液氮0.25T，则积极冻结时总需液氮量：
0.25×7×477=834.7T。
此次土仓清理完成暂定5天,如工期延长维护冻结液氮量将相应增加。
初步估计液氮消耗量，破除洞门后总共消耗量：0.20×477×5=477T。
七、结论
通过液氮冻结加固土体进行开仓换刀，并在施工过程中，严格控制温度，避免损坏刀具，最终顺利在短时间内完成开仓换刀作业和隧道贯通。
参考文献
[1]李卫东，《安徽建筑》,2006,13(6):53-54，液氮冻结在盾构出洞施工中的应用.