張志國，孫 恒

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構(gòu)因其施工速度快、對環(huán)境影響小、安全等優(yōu)點而被廣泛地應(yīng)用在隧道施工中。然而，在盾構(gòu)開挖隧道過程中，由于刀具不斷切削土體導(dǎo)致刀具磨損、脫落，甚至是刀盤損壞，致使掘進(jìn)效率降低或者是機(jī)器無法繼續(xù)推進(jìn)。常規(guī)的刀盤、刀具檢查十分重要，發(fā)現(xiàn)刀具磨損和刀盤損壞時，需要及時進(jìn)行換刀和刀盤維護(hù)。在盾構(gòu)施工過程中，需要定期對刀盤、刀具檢查，必要時需要進(jìn)行刀盤修復(fù)和刀具更換。盾構(gòu)在富水軟弱地層等不穩(wěn)定地質(zhì)條件下進(jìn)行刀盤、刀具維護(hù)時，掌子面可能出現(xiàn)坍塌或突發(fā)性的涌水、涌沙，嚴(yán)重威脅工作人員的生命健康安全。盾構(gòu)在開倉換刀時，作業(yè)人員面臨掌子面可能失穩(wěn)帶來的威脅。常用的提升地層穩(wěn)定性的方法包括降水法、地表注漿法等，但這些方法受到多種條件的限制，并不適合所有地層，其連續(xù)性、均勻性、封閉性均不佳，仍存在一定的風(fēng)險隱患。人工凍結(jié)法是一種利用人工制冷技術(shù)，在地層鉆孔中布置一系列的凍結(jié)管，通入制冷劑（氨-鹽水、液氮等）循環(huán)流動，把冷量傳入地層，使得地層凍結(jié)，形成凍結(jié)壁，增強(qiáng)其抗壓能力的方法[1]。凍結(jié)法凍結(jié)土體形成的凍土屏障具有連續(xù)性好、均勻性好、強(qiáng)度高、封閉性好、綠色無污染等優(yōu)點，是一種高效、安全的方案。

具有冷凍功能的刀盤是一種在刀盤內(nèi)部布置凍結(jié)管的特殊盾構(gòu)刀盤，結(jié)合凍結(jié)法本身的優(yōu)點，能夠在刀盤周圍形成“凍結(jié)圓盤”，充分隔絕地下水，增加土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，如同創(chuàng)造一道凍土屏障，解決了高水壓、軟弱地層等不穩(wěn)定地質(zhì)中盾構(gòu)安全開倉換刀作業(yè)問題。

1 冷凍刀盤的設(shè)計

1.1 刀盤冷凍工作原理

盾構(gòu)刀盤有3 個主要功能，即切削土體、穩(wěn)控掌子面和攪拌渣土[2～4]。刀盤在工作時直接與掌子面接觸，冷凍刀盤即是通過在刀盤背面布置一定數(shù)量的流體通道（無縫鋼管等），將冷凍機(jī)及凍結(jié)系統(tǒng)輔助設(shè)備的低溫鹽水傳遞至隧道掌子面上，冷凍掌子面及其周邊區(qū)域。

冷凍刀盤適用于全斷面軟弱地層、含水較豐富地層等地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道施工。實驗表明含水、松散土體凍結(jié)后抗壓強(qiáng)度明顯提高（圖1），凍結(jié)土體性狀類似混凝土。影響凍土強(qiáng)度的主要因素是凍結(jié)溫度，土的類型以及土體含水量。以飽和密實砂為例，在-15℃時抗壓強(qiáng)度為3.5MPa，彈性模量為150MPa；-20℃時抗壓強(qiáng)度5.5MPa，彈性模量為280MPa。

圖1 溫度與土體強(qiáng)度關(guān)系圖

1.2 冷凍刀盤材質(zhì)以及部件選型

冷凍刀盤選用材質(zhì)需要滿足在低溫與常溫之間的交變下，刀盤能夠整體保持足夠的結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度等特性。刀盤結(jié)構(gòu)常用材質(zhì)為低碳合金鋼Q345，其焊接性能較優(yōu)。Q345 低碳合金鋼分 為Q345A 級、Q345B 級、Q345C 級、Q345D級、Q345E 級。不同等級所代表的主要是沖擊溫度有所不同。Q345A 級：不做沖擊試驗；Q345B級：滿足+20℃常溫沖擊試驗；Q345C 級：滿足0℃沖擊試驗；Q345D 級：滿足-20℃沖擊試驗；Q345E 級：滿足-40℃沖擊試驗。鑒于Q345E 級型號的沖擊試驗的溫度最低，滿足冷凍刀盤的使用溫度，因此刀盤材質(zhì)選用Q345E，既滿足溫度的要求，又滿足材質(zhì)的焊接要求。

冷凍刀盤中，滾刀、主驅(qū)動、回轉(zhuǎn)中心等部件均會在低溫與常溫之間的交變下施工，因此在此類存在密封裝置的部件選用密封時需選用耐低溫型密封。

1.3 冷凍管路的布置設(shè)計

1.3.1 內(nèi)外布置式設(shè)計

對于小直徑刀盤，冷凍管路可分內(nèi)外區(qū)域進(jìn)行布置，如圖2 所示，刀盤開挖直徑?4 350mm，冷凍管路共設(shè)置3 路通道，刀盤主要分為2 個區(qū)域，內(nèi)部區(qū)域布置2 路冷凍管路，外圈區(qū)域布置1 路冷凍管路。

圖2 內(nèi)外布置式冷凍刀盤

該種冷凍管路布置具有預(yù)防冷凍刀盤失效的作用，若內(nèi)外區(qū)域存在1 路失效，整體冷凍刀盤依舊能夠保留冷凍功能。

1.3.2 “米”字型布置

對于常規(guī)直徑或大直徑盾構(gòu)而言，由于掌子面區(qū)域面積大，同時刀盤冷凍管路布置空間相對充足，可采用米字型設(shè)計。冷凍管路布置整體呈“米”字型，分上下層布置，每層各布置2 路，布置圖見圖3。

圖3 米字型冷凍管雙層布置

采用米字型布置，冷凍管路回路較長，熱交換更加充分；冷凍管路分層布置，刀盤冷凍管路分布更加均勻，基本實現(xiàn)了盤面全覆蓋。

2 凍結(jié)溫度場模擬分析

以直徑為9 090mm 刀盤為例，考慮到刀盤本身的對稱性，計算模型中簡化刀盤上凍結(jié)管的布置為“米”字型，后部為“圓環(huán)+米”型，忽略刀盤的細(xì)節(jié)部分，建立1/4 的刀盤及前盾實體模型見圖4，刀盤的半徑4 545mm，盤面厚度取0.48m，外圈圓筒壁厚取0.5m；凍結(jié)管計算模型見圖5，刀盤、凍結(jié)管（其中凍結(jié)管在刀盤內(nèi)部）和土體的計算模型見圖6，土體的半徑10m，厚度約為5.5m，高6m，三者相接觸，在土體間3m 處放置刀盤；圖7 為模型的單元劃分圖。

圖4 刀盤及前盾實體模型

圖5 凍結(jié)管計算模型

圖6 刀盤及土體計算模型

圖7 模型單元劃分

計算模型的邊界條件設(shè)定如下：①地層的初始溫度為20℃；②凍結(jié)管的凍結(jié)溫度-25℃、-30℃、-40℃三種溫度，不考慮凍結(jié)管的自身降溫過程和沿著管長的冷量損失，即直接施加凍結(jié)鹽水的溫度；③盾構(gòu)內(nèi)部及地層的邊界溫度設(shè)定為20℃；④隧道內(nèi)表面和刀盤內(nèi)表面設(shè)為對流交換界面，空氣對流熱交換系數(shù)為500kJm-2d-1℃-1，空氣溫度恒18℃。

計算模型的熱物理參數(shù)如表1 所示。

表1 熱物理參數(shù)

3 凍結(jié)過程溫度場演化及實驗

3.1 溫度場模擬

使用ANSYS 工具，根據(jù)對應(yīng)模型和邊界條件，分別對凍結(jié)10 天、20 天、30 天的溫度場進(jìn)行了模擬。凍深隨時間的增加而變化，數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 盾構(gòu)前進(jìn)方向凍深隨時間變化

3.2 冷量的計算及冷凍換刀

以-30℃下凍結(jié)30 天結(jié)果為例，設(shè)盾構(gòu)前進(jìn)方向土體凍結(jié)模型為圓臺，底面直徑為10m，高5m，對溫度隨距離變化曲線進(jìn)行分段擬合，分段積分得凍結(jié)土體所需冷量為1.11×107kJ，水所需冷量為4.7×106kJ，刀盤所需冷量為4.3×106kJ，總需冷量為2.01×107kJ（不考慮與空氣的對流損耗）。

使用盾構(gòu)在富水軟弱地層中進(jìn)行冷凍試驗，利用螺桿式制冷機(jī)組和鹽水循環(huán)泵對冷凍管路進(jìn)行熱交換。鹽水箱使用CaCl2溶液，鹽水泵的冷卻能力為-30℃。制冷機(jī)組和鹽水泵持續(xù)工作10天進(jìn)行凍結(jié)，泵出水口溫度為-26.7℃，回水溫度為-24.1℃。刀盤掌子面前方0.5m 和0.8m 處布置9 個測溫點，10 天后測得溫度分別為-10℃和-7℃。檢查滿足開倉換刀條件后，如圖8所示，對盾構(gòu)成功地進(jìn)行了開倉換刀作業(yè)。

圖8 冷凍環(huán)境下刀具更換

4 結(jié)語

對于富水軟弱地層隧道盾構(gòu)施工，在刀盤后部布置的凍結(jié)管可以在較短時間周期內(nèi)有效增加凍結(jié)的深度，穩(wěn)定掌子面周邊環(huán)境；為了使冷凍效果最大化，小直徑盾構(gòu)刀盤冷凍管可以采用內(nèi)外布置式設(shè)計，常規(guī)直徑和大直徑刀盤可以采用“米字型”凍結(jié)管布置方式。作業(yè)人員在冷凍環(huán)境下進(jìn)行開倉換刀作業(yè)，不僅人身安全得到了保障，同時穩(wěn)定的掌子面還允許氣閘打開，解除帶壓工作狀態(tài)，工作效率得到大幅提升。