楊 坤，胡 俊，曾 暉，林小淇，任軍昊，王志鑫

（1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 海口 570228；2.五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門 5 290203；3.海南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，海南 ?？?570206）

盾構(gòu)對(duì)接［1-4］是指兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)在挖掘同一條隧道時(shí)，它們分別從隧道的兩端相向掘進(jìn)，當(dāng)掘進(jìn)到對(duì)接處時(shí)，兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)將它們之間的土體掘通，從而使得隧道順利貫通的過程.在埋深大距離長(zhǎng)的盾構(gòu)隧道工程中，采用盾構(gòu)對(duì)接的方式更加適用，更有利于盾構(gòu)隧道的順利施工，而且節(jié)省工期.

盾構(gòu)對(duì)接一般運(yùn)用兩種方法：土木盾構(gòu)對(duì)接法和機(jī)械式盾構(gòu)對(duì)接法.土木盾構(gòu)對(duì)接方法因其方便簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，它是將對(duì)接區(qū)土層進(jìn)行加固處理，以避免對(duì)接處土體滲水和地層失穩(wěn)，并在地層穩(wěn)定的前提下拆除盾構(gòu)機(jī)，然后進(jìn)行后續(xù)的隧道貫通與襯砌施工.通常用于隧道地層加固的方法有：在地面進(jìn)行地層加固、在隧道內(nèi)進(jìn)行注漿處理和通過凍結(jié)來輔助地層加固［5-6］.盾構(gòu)對(duì)接過程中所使用的凍結(jié)法［7-9］是在盾構(gòu)機(jī)的一側(cè)或兩側(cè)對(duì)土體打入凍結(jié)管，然后依靠冷媒介質(zhì)對(duì)土層進(jìn)行凍結(jié)，使其在盾構(gòu)機(jī)周圍形成一圈不僅封閉且強(qiáng)度高的凍土帷幕［10］，如此就阻止了地下水在盾構(gòu)對(duì)接過程滲入對(duì)接掌子工作面，此外，它還有承擔(dān)外部水土壓力的作用，可充當(dāng)有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)［11-12］.

目前，國(guó)內(nèi)外在盾構(gòu)對(duì)接中運(yùn)用凍結(jié)法主要集中在施工方法上.例如，國(guó)外研究者Biggart 等［13］曾對(duì)盾構(gòu)對(duì)接技術(shù)進(jìn)行過詳盡的技術(shù)介紹.又如Odgard 等［14］針對(duì)Storebaelt 提出了利用TBM 技術(shù)進(jìn)行海底隧道盾構(gòu)對(duì)接的設(shè)計(jì).對(duì)于跨度大、工期長(zhǎng)和地質(zhì)條件差的盾構(gòu)隧道工程，較為符合盾構(gòu)對(duì)接的各項(xiàng)技術(shù)要求.然而針對(duì)盾構(gòu)對(duì)接過程中采用人工凍結(jié)技術(shù)來加固地層的研究卻不多，類似的研究有：胡向東等［15］在瓊州海峽區(qū)域結(jié)合理論知識(shí)探究了盾構(gòu)對(duì)接的施工方法，總結(jié)出了在盾構(gòu)對(duì)接地點(diǎn)處凍土帷幕的一些指標(biāo)參數(shù)；胡俊等［16］以瓊州海峽隧道這一盾構(gòu)對(duì)接工程為例，研究了直管和半圓環(huán)形凍結(jié)兩種模型的凍土帷幕發(fā)展?fàn)顩r；任軍昊等［17］運(yùn)用有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道對(duì)接半圓環(huán)形加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模計(jì)算與分析，掌握了其溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，并與圓形刀盤凍結(jié)加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，優(yōu)化了其設(shè)計(jì).上述研究中涉及到的凍結(jié)裝置較為繁復(fù)，在凍結(jié)時(shí)必須先拆除盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的設(shè)備，然后再通過土中的凍結(jié)管提供冷量來進(jìn)行土體凍結(jié)，這種施工方法存在凍結(jié)管浪費(fèi)過多和凍結(jié)施工進(jìn)程較為繁瑣等缺點(diǎn).

為提高施工效率，縮短施工工期并保證盾構(gòu)對(duì)接安全，適合的對(duì)接凍結(jié)方法是迫切需要解決的技術(shù)問題［18］.為此，本研究提出一種新型的盾構(gòu)對(duì)接隧道土體凍結(jié)加固措施，這種新型的盾構(gòu)對(duì)接加固技術(shù)無須進(jìn)行凍結(jié)管的插埋與拔除，即只需在盾構(gòu)機(jī)中增設(shè)凍結(jié)裝置來進(jìn)行施工.

此外，本文對(duì)這種盾構(gòu)對(duì)接新型加固工法與裝置展開了研究，同時(shí)運(yùn)用有限元軟件ADINA 對(duì)其建立了數(shù)值模型，并采用控制變量法選取了不同的降溫計(jì)劃，分析了計(jì)算結(jié)果和選取了不同模型的凍結(jié)方案，最終確立了最優(yōu)方案，它可為相關(guān)的盾構(gòu)對(duì)接工程提供借鑒.

1 盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板凍結(jié)加固工法簡(jiǎn)介

1.1 加固工法實(shí)現(xiàn)概述盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板加固是一種新型的盾構(gòu)對(duì)接時(shí)的土體加固方法.該加固方法是在兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)中設(shè)置可拆卸錨栓，可拆卸錨栓中放置凍結(jié)管，凍結(jié)管緊貼盾構(gòu)機(jī)內(nèi)壁，凍結(jié)管附著在盾構(gòu)機(jī)上，以便于隨機(jī)選擇進(jìn)液口和出液口的施工位置.盾殼與位于其中的刀盤、主軸承組成盾構(gòu)機(jī)，主軸承通過高強(qiáng)度螺栓分別與盾殼和刀盤相連接.在盾構(gòu)機(jī)距離端頭恰當(dāng)位置處設(shè)有多個(gè)可拆卸錨栓，將裝置整體固定在所需加固的土體旁.盾構(gòu)機(jī)內(nèi)殼上側(cè)也設(shè)有多個(gè)可拆卸錨栓，起吊點(diǎn)處設(shè)有吊環(huán)，以便于對(duì)裝置整體的運(yùn)輸和取出.防水鋼板環(huán)焊接在兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的外層盾殼，起洞內(nèi)拆機(jī)支護(hù)的作用，對(duì)接段采用鋼筋混凝土管片或鋼管片襯砌.在凍土帷幕中設(shè)置若干測(cè)溫管，測(cè)溫計(jì)安裝在這些測(cè)溫管上，測(cè)溫計(jì)依靠與外部輸出裝置連接來讀取數(shù)值.

凍結(jié)管通過管路與停在隧道始發(fā)井外的槽車中的凍結(jié)液儲(chǔ)罐連通，凍結(jié)管中還設(shè)置有收集汽化凍結(jié)液的集氣管，集氣管和與其連通的排氣管延伸至隧道外空曠處，至此完成整個(gè)凍結(jié)施工的過程.

本工法無須進(jìn)行凍結(jié)管的插埋與拔除，為了防止地層中的水對(duì)工程造成影響，本工法采用了在盾構(gòu)機(jī)中增設(shè)凍結(jié)裝置的施工方案.當(dāng)向緊貼盾構(gòu)機(jī)的凍結(jié)裝置中注入冷媒介質(zhì)時(shí)，由于盾構(gòu)和內(nèi)殼是金屬，具有導(dǎo)熱性，因此此時(shí)裝置具有凍結(jié)板的效果，在緊靠盾構(gòu)機(jī)刀盤端頭2 m 寬處形成了凍結(jié)板，從而在盾構(gòu)對(duì)接處形成凍土帷幕，因而可在其保護(hù)下進(jìn)行隧道貫通施工.盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板加固結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其平面示意圖如圖2所示.本文結(jié)合半徑為6 m的大直徑盾構(gòu)機(jī)來進(jìn)行具體研究.

圖1 盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板加固結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 盾構(gòu)對(duì)接平面圖

1.2 本工法的有益效果一是節(jié)省工期.該技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)（凍結(jié)管需要插埋等）不同，它大大節(jié)省了布置時(shí)間，不僅加固止水效果較好，而且又能提高施工效率.二是具有一定的經(jīng)濟(jì)性，且施工便利.施工流程簡(jiǎn)便，無須進(jìn)行凍結(jié)管的埋設(shè)與拔除，盾構(gòu)機(jī)可直接拆除貫通施工，可降低施工成本.三是安全性好.可確保盾構(gòu)對(duì)接順利施工，滿足強(qiáng)度要求和防滲的要求.

1.3 本工法施工工藝流程本工法施工工藝流程如圖3所示.當(dāng)兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)挖掘至相距200 m 時(shí)，停止掘進(jìn)，測(cè)量并修正掘進(jìn)方向，先行到達(dá)對(duì)接里程的盾構(gòu)機(jī)，首先加固地層和封堵地下水，然后進(jìn)行管片防松、盾構(gòu)防退處理，接著進(jìn)行洞內(nèi)拆機(jī)，保留盾殼，完成第一次解體.接著進(jìn)行精確對(duì)接定位，啟動(dòng)另一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)并進(jìn)行坐標(biāo)和姿態(tài)的調(diào)整與掘進(jìn).循環(huán)上述操作，到達(dá)100、50、30 m 后分別測(cè)量，計(jì)算一次盾構(gòu)方向和姿態(tài)，30 m 以前主要進(jìn)行方向調(diào)整，30 m 以后主要進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整.當(dāng)掘進(jìn)到對(duì)接里程后，進(jìn)行裝置的安裝和對(duì)接凍結(jié)施工，做管片防松處理，待對(duì)接面貫通后，先拆除盾殼內(nèi)部件，然后拆除刀盤并焊接止水鋼環(huán)板，以防止地下水進(jìn)入工作面，最后在盾殼的保護(hù)下做對(duì)接襯砌，最終完成對(duì)接.

圖3 施工工藝流程圖

2 溫度場(chǎng)三維數(shù)值模型的建立

2.1 基本假定考慮地下土層復(fù)雜多樣，為方便運(yùn)算，將數(shù)值模型作以下假定：土層材料單一，均質(zhì)且各向同性；隨著溫度的變化，土體參數(shù)不發(fā)生改變；土層初始溫度為18 ℃，且均勻；不考慮水分遷移的作用；直接將溫度載荷施加到盾構(gòu)機(jī)凍結(jié)板外表面上；-1 ℃時(shí)，土層開始結(jié)冰，生成保護(hù)帷幕，-10 ℃時(shí)，形成穩(wěn)定的凍結(jié)帷幕.

2.2 幾何模型和參數(shù)選取依托盾構(gòu)隧道假定建立半徑6 m的盾構(gòu)機(jī)對(duì)接三維溫度場(chǎng)模型（圖4）.對(duì)接處兩端為沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向上長(zhǎng)9 m的隧道，中間2 m為未貫穿的土體.以隧道掌子面中心為原點(diǎn)，沿X、Y、Z軸方向的長(zhǎng)度分別為20 m、30 m、30 m.環(huán)形凍結(jié)板緊貼布置于付之東鄰近盾構(gòu)機(jī)刀盤處，長(zhǎng)度2 m.

圖4 模型幾何尺寸及劃分網(wǎng)格圖

數(shù)值模型為整個(gè)矩形土體通過Boolean 運(yùn)算減去凍結(jié)板和盾構(gòu)隧道，兩環(huán)形凍結(jié)板表面作為熱荷載邊界，冷媒介質(zhì)的溫度為邊界負(fù)荷，模型的整個(gè)計(jì)算區(qū)域邊界假定為絕熱邊界.經(jīng)驗(yàn)算，凍結(jié)帷幕區(qū)域未超過所建模型的尺寸范圍.本模型中，凍結(jié)板和測(cè)溫管直徑較小，而土體模型尺寸相對(duì)很大，因此設(shè)置凍結(jié)板與測(cè)溫管的網(wǎng)格密度為0.1 m，以提高計(jì)算精度，土體的網(wǎng)格密度設(shè)為1 m，減少過多無效計(jì)算.計(jì)劃凍結(jié)時(shí)間步取40 d，1 d（24 h）為一個(gè)步長(zhǎng).結(jié)合相關(guān)研究報(bào)告［19］，土體材料性能是熱傳導(dǎo)單元，土層為粉砂細(xì)砂層，無卵石；根據(jù)最不利原則，忽略滲流作用，參考胡俊等［20］研究得到本模型參數(shù)，如表1 所示.本次數(shù)值模擬以18 ℃為土層的原始地層溫度，降溫計(jì)劃如表2 和表3 所示［21-22］.據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究證明，采用該數(shù)值模擬計(jì)算方法具有一定的可行性，如林小淇等［23］的研究，他們運(yùn)用該方法模擬了內(nèi)蒙古呼和浩特市地鐵2號(hào)線1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道，將模型溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，較為真實(shí)地反映了實(shí)際工程概況；又如吳雨薇［24］的研究，她基于南寧地鐵3 號(hào)線東葛路站—濱湖路站區(qū)間內(nèi)的聯(lián)絡(luò)通道，采用凍結(jié)法展開了研究，使用類似方法（ADINA 有限元軟件）建立了三維模型，將各測(cè)溫點(diǎn)的模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比與分析，也驗(yàn)證了采用該方法三維建模的科學(xué)性.

表1 土體材料參數(shù)

表2 初始降溫計(jì)劃表

表3 改變后的降溫計(jì)劃表

3 溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果和分析

3.1 凍土帷幕的基本情況圖5為環(huán)形凍結(jié)板凍結(jié)加固Y=0剖面-1 ℃和-10 ℃的溫度等值線圖，圖中藍(lán)線表示-10 ℃等溫線，紅線表示-1 ℃等溫線（后文同）.由圖5可知：在初始降溫計(jì)劃下，經(jīng)過40 d的凍結(jié)加固，盾構(gòu)對(duì)接凍土帷幕逐漸圍繞盾構(gòu)機(jī)呈環(huán)形向未貫通土體擴(kuò)張，直到凍結(jié)40 d后，-1 ℃與-10 ℃等溫線都未能交圈且未能形成封閉的凍土帷幕，不能滿足加固施工要求.

圖5 不同凍結(jié)時(shí)間的等溫線圖

圖6 為40 d 時(shí)Y=0 m 剖面的溫度場(chǎng)云圖.由圖可知，凍結(jié)40 d 后，Y=0 m 剖面并未形成封閉的凍土帷幕，不滿足要求，措施之一為改變降溫計(jì)劃，直到達(dá)到加固要求.

圖6 凍結(jié)40 d時(shí)凍土帷幕的基本情況

3.2 改變降溫計(jì)劃后凍土帷幕的基本情況改變后的降溫計(jì)劃如表3所示，由3.1節(jié)凍土帷幕的情況分析可知，當(dāng)降溫計(jì)劃最低溫度為-28 ℃時(shí)，未能形成閉合的凍土帷幕，故需要調(diào)整降溫計(jì)劃.圖7為不同降溫計(jì)劃下凍結(jié)40 d 后Y=0 m 剖面凍土帷幕的總體情況，表4 為不同降溫計(jì)劃下-1 ℃與-10 ℃帷幕厚度的統(tǒng)計(jì)值.經(jīng)計(jì)算與研究發(fā)現(xiàn)：隨著降溫計(jì)劃最低溫度的不斷降低，凍土帷幕厚度隨之變厚變寬，逐漸向外伸展，并在未貫通土體處形成凍土帷幕.降溫計(jì)劃最低溫度在-40 ℃時(shí)，于凍結(jié)40 d時(shí)開始形成閉合的凍土帷幕，-1 ℃等溫線的凍土帷幕厚度約為1.07 m，-10 ℃等溫線的凍土帷幕厚度約為0.82 m；降溫計(jì)劃最低溫度在-100 ℃時(shí)，-1 ℃等溫線的凍土帷幕厚度約為1.59 m，-10 ℃等溫線的凍土帷幕厚度約為1.37 m；降溫計(jì)劃最低溫度在-150 ℃時(shí)，-1 ℃等溫線的凍土帷幕厚度約為1.83 m.帷幕厚度的增長(zhǎng)率與降溫計(jì)劃的溫度降低率成反比，在-100 ℃之前，帷幕發(fā)展較快，每降低1 ℃，帷幕發(fā)展厚度約增加0.01 m，而在-100 ℃之后，帷幕發(fā)展逐漸變慢，每降低1 ℃，帷幕發(fā)展厚度的增加小于0.01 m；降溫計(jì)劃的溫度越低，帷幕厚度發(fā)展越慢.降溫計(jì)劃的溫度愈低，凍土帷幕愈厚，當(dāng)降到-150 ℃時(shí)得到-10 ℃等溫線的凍土帷幕厚度為1.6 m.因此，當(dāng)降溫計(jì)劃最低溫度降至-150 ℃時(shí)，該模型的凍土帷幕厚度達(dá)到了1.6 m，可滿足施工加固要求，具有較高的安全性.

表4 不同降溫計(jì)劃下-1 ℃與-10 ℃凍土帷幕厚度統(tǒng)計(jì)值

圖7 不同降溫計(jì)劃下凍結(jié)40 d時(shí)Y=0 m剖面凍土帷幕的總體情況

3.3 降溫計(jì)劃6 的凍土帷幕基本情況為符合施工加固要求，對(duì)恰能滿足條件的降溫計(jì)劃6 展開了研究.圖8 為計(jì)劃6 盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板加固結(jié)構(gòu)Y=0 剖面-1 ℃和-10 ℃的等溫線圖.由圖8 可以看出：凍結(jié)前期，-1 ℃等溫線逐漸圍繞凍結(jié)板向外擴(kuò)展，-10 ℃的等溫線還未出現(xiàn)；凍結(jié)6 d 時(shí)，-10 ℃的等溫線顯現(xiàn)，隨著凍結(jié)進(jìn)程進(jìn)行，它與-1 ℃等溫線一同呈圓弧形向外擴(kuò)伸；凍結(jié)15 d 時(shí)，-1 ℃等溫線交圈開始；凍結(jié)20 d 時(shí)，-1 ℃等溫線交圈閉合完成，-10 ℃等溫線開始交圈；凍結(jié)40 d 時(shí)，-10 ℃等溫線交圈閉合完成，最終形成封閉的圓筒形凍土帷幕.Y=0 m 剖面的溫度場(chǎng)云圖如圖9 所示，觀察發(fā)現(xiàn)：凍結(jié)40 d時(shí)，Y=0剖面凍土帷幕閉合完成，-1 ℃的凍土帷幕厚度約為1.83 m，-10 ℃的凍土帷幕厚度約為1.60 m.

圖8 計(jì)劃6凍結(jié)Y=0剖面-1 ℃和-10 ℃的等溫線圖

圖9 凍結(jié)40 d時(shí)凍土帷幕基本情況

3.4 路徑分析以該模型的幾何中心點(diǎn)為起點(diǎn)，設(shè)置一沿著高度（即Z 軸）正方向12 m 的分析點(diǎn)溫度變化路徑，在該路徑上以自Z=6 m 處分析點(diǎn)3#為界限，間隔0.5 m 布置，上方設(shè)置三個(gè)點(diǎn)，下方設(shè)置兩個(gè)點(diǎn)，共6個(gè)分析點(diǎn)（1-6#）；選擇這些觀測(cè)點(diǎn)是基于凍結(jié)板結(jié)構(gòu)中，刀盤區(qū)域發(fā)展的帷幕關(guān)于X=-10剖面有對(duì)稱性，同樣地，盾構(gòu)機(jī)表面凍結(jié)板的帷幕也關(guān)于土體X=-10剖面具有對(duì)稱性，故選取對(duì)稱面上處于不同區(qū)域的分析點(diǎn)，這樣其溫度變化具有代表性.1#和2#分別與4#和5#關(guān)于3#點(diǎn)對(duì)稱，為了分析1.6 m 處土體的溫度變化情況，引入6#觀測(cè)點(diǎn)，6#觀測(cè)點(diǎn)距3#點(diǎn)1.5 m（由于假設(shè)達(dá)到的1.6 m 帷幕是模型形成帷幕的最大值，在路徑上處于對(duì)接中心區(qū)域，實(shí)際形成的帷幕要略薄于帷幕的最大值，故測(cè)得1.5 m 處的情況即可）.各分析點(diǎn)位置如圖9所示.圖10為各分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化圖.

圖10 路徑上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化圖

3#分析點(diǎn)降溫速率最快，僅需16 d 溫度就降到-1 ℃，凍結(jié)40 d后溫度約為-50 ℃；2#和4#的凍結(jié)效果相似，凍結(jié)19 d 時(shí)溫度降到-1 ℃附近，凍結(jié)40 d 后溫度分別為-38 ℃和-40 ℃；1#和5#的凍結(jié)效果也相似，25 d 左右溫度降至-1 ℃；6#分析點(diǎn)降溫最慢，直到約33 d 時(shí)才降溫到-1 ℃，最終凍結(jié)溫度只有-8 ℃.究其原因是：3#分析點(diǎn)離盾構(gòu)對(duì)接兩側(cè)的凍結(jié)板最近，1#與5#和2#與4#處于同一水平凍結(jié)板兩側(cè)，2#與4#點(diǎn)靠?jī)?nèi)，故其凍結(jié)效果比稍靠外的1#和5#要好，6#離凍結(jié)板最遠(yuǎn).

4 盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板＋環(huán)形刀盤凍結(jié)加固結(jié)構(gòu)的凍結(jié)效果分析

單獨(dú)采用盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板加固結(jié)構(gòu)，須降溫至-150 ℃，需采用低溫液氮凍結(jié)，且凍結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，不經(jīng)濟(jì).將其與環(huán)形刀盤凍結(jié)加固相結(jié)合，在不改變盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板降溫計(jì)劃的情況下（即降溫計(jì)劃1）引入環(huán)形刀盤凍結(jié)加固結(jié)構(gòu)，在盾構(gòu)刀盤外圈添加上凍結(jié)裝置，分析其最終凍土帷幕的效果和發(fā)展規(guī)律.采用相同的數(shù)值計(jì)算模型，不同之處是在半徑為6 m 的刀盤外圈0.5～4 m范圍內(nèi)增設(shè)凍結(jié)裝置，盾構(gòu)機(jī)和刀盤上的兩處凍結(jié)裝置同時(shí)凍結(jié)，對(duì)該方案溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析，與單獨(dú)采用盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板進(jìn)行對(duì)比.圖11為盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板+環(huán)形刀盤凍結(jié)加固結(jié)構(gòu)示意圖.

圖11 盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板+環(huán)形刀盤凍結(jié)加固結(jié)構(gòu)示意圖

刀盤外圈凍結(jié)板范圍為1 m時(shí)，降溫計(jì)劃1下凍結(jié)40 d時(shí)Y=0 m剖面的溫度場(chǎng)云圖如圖12所示.由圖12可知：到凍結(jié)40 d時(shí)，凍土帷幕凍結(jié)完成，形成了一個(gè)較大的凍土帷幕體.為探究該方案凍結(jié)帷幕的有益效果，對(duì)溫度場(chǎng)Y=0 剖面-1 ℃與-10 ℃的等溫線變化情況進(jìn)行了分析，圖13 為不同時(shí)間等溫線的變化情況.結(jié)合Y=0 和X=-10 截面不同時(shí)間時(shí)-1 ℃與-10 ℃的等溫線可知：凍結(jié)4 d 時(shí)，盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板＋環(huán)形刀盤凍結(jié)在Y=0和X=-10截面-1 ℃等溫線開始向外擴(kuò)伸，在凍結(jié)24 d時(shí)，-1 ℃等溫線逐漸閉合；凍結(jié)36 d時(shí)，-10 ℃等溫線開始封閉；到凍結(jié)40 d時(shí)，帷幕整個(gè)完全封閉，形成一個(gè)較大的凍土帷幕體.

圖12 凍結(jié)40 d時(shí)凍土帷幕基本情況

圖13 Y=0和X=-10剖面不同時(shí)間-1 ℃與-10 ℃等溫線

將模型一（單獨(dú)采用盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板結(jié)構(gòu)）與模型二（盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板＋環(huán)形刀盤凍結(jié)結(jié)構(gòu)）進(jìn)行對(duì)比與分析，目的是探究在不同條件下引入環(huán)形刀盤后凍結(jié)的有益效果及規(guī)律，同時(shí)也為了了解兩種模型凍結(jié)板布置的適用性及其對(duì)應(yīng)溫度場(chǎng)的演變規(guī)律.

在降溫計(jì)劃相同情況下（最低溫度-28 ℃），模型一并未形成凍土帷幕，不滿足施工設(shè)計(jì)要求.模型二形成了完全封閉的凍土帷幕：從凍結(jié)效果分析，模型二凍土帷幕范圍覆蓋更廣，更有利于盾構(gòu)對(duì)接加固止水；從安全的角度上分析，未貫穿土體上方有帷幕支護(hù)，待挖通的土體部分也有凍土帷幕支撐，在該模型凍土帷幕的保護(hù)下，盾構(gòu)對(duì)接施工的安全可以得到保障.雖增加環(huán)形刀盤凍結(jié)會(huì)使盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，施工程序更繁瑣，但得到的凍土帷幕效果較好，更安全，能滿足施工要求，更有益于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施.據(jù)模擬研究分析，模型二中，采用常規(guī)降溫計(jì)劃（-28 ℃）情況下，凍結(jié)40 d后，待挖土體四周剛好出現(xiàn)閉合的凍土帷幕.因此，在模型一凍結(jié)加固的基礎(chǔ)上采用環(huán)形刀盤凍結(jié)，能增大凍結(jié)加固封水范圍，形成凍土帷幕.同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)角度分析，當(dāng)取環(huán)形刀盤范圍1 m 并且凍結(jié)40 d 時(shí)，待挖通土層上下方恰好形成封閉的凍土帷幕，模型二在此種情況下最具有經(jīng)濟(jì)效益.

由圖13（d）可知：當(dāng)使用降溫計(jì)劃1時(shí)，-10 ℃帷幕厚度并未滿足1.60 m的止水加固要求，故為了增強(qiáng)盾構(gòu)對(duì)接凍結(jié)加固的止水性和安全性，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，刀盤凍結(jié)范圍取外圈1 m 最佳前提下，改變降溫計(jì)劃，降低冷媒介質(zhì)溫度.其他條件不變，采用降溫計(jì)劃5，計(jì)算結(jié)果見圖14（凍結(jié)40 d 時(shí)凍土帷幕基本情況）以及圖15（凍結(jié)40 d 時(shí)Y=0 和X=-10 剖面不同時(shí)間-1 ℃與-10 ℃溫度等溫線）.經(jīng)測(cè)量得：-10 ℃等溫線距盾構(gòu)機(jī)表面剛好1.60 m，刀盤區(qū)域-10 ℃等溫線距盾構(gòu)機(jī)上方-10 ℃等溫線甚至達(dá)到3.88 m，已滿足開挖施工要求.

圖14 凍結(jié)40 d時(shí)凍土帷幕基本情況

圖15 凍結(jié)40 d時(shí)不同剖面-1 ℃與-10 ℃等溫線

綜上所述，當(dāng)兩種數(shù)值模型中目標(biāo)帷幕厚度都要求達(dá)到厚度1.6 m 時(shí)，模型一（即單獨(dú)采用盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板結(jié)構(gòu)）需采用降溫計(jì)劃6，最低溫度-150 ℃；模型二（即盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板＋環(huán)形刀盤凍結(jié)結(jié)構(gòu)）僅需采用降溫計(jì)劃5，最低溫度-120 ℃，且所得凍土帷幕覆蓋面更廣，經(jīng)濟(jì)且安全性較高，更具有推廣實(shí)用價(jià)值.

5 結(jié)論

本文結(jié)合盾構(gòu)對(duì)接土體凍結(jié)加固新技術(shù)，運(yùn)用有限元軟件Adina 模擬了新型凍結(jié)加固結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律，分析了不同降溫計(jì)劃下的溫度場(chǎng)演變規(guī)律，在滿足施工條件的前提下，選擇最優(yōu)的降溫計(jì)劃，為以后相似工程提供參考依據(jù).主要得出以下結(jié)論：

（1）運(yùn)用該盾構(gòu)對(duì)接土體凍結(jié)加固新技術(shù)，凍結(jié)帷幕以凍結(jié)板冷源呈放射型向土體發(fā)散，使用常規(guī)的降溫計(jì)劃（最低溫度-28 ℃）未能形成目標(biāo)帷幕，不能滿足加固要求；

（2）該新型裝置需采用最低溫度-150 ℃的降溫計(jì)劃進(jìn)行凍結(jié)，方可達(dá)到-10 ℃等溫線1.6 m厚凍土帷幕的要求；

（3）路徑1中離兩端凍結(jié)源最近的分析點(diǎn)3#降溫最快，僅需凍結(jié)16 d后結(jié)冰；2#與4#及1#與5#位于兩凍結(jié)源內(nèi)側(cè)，且距離相等，溫度隨時(shí)間變化相似，開始結(jié)冰所需時(shí)間分別為19 d與25 d；6#距離最遠(yuǎn)，降溫速率最慢，凍結(jié)約33 d天后結(jié)冰；

（4）盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板＋環(huán)形刀盤凍結(jié)結(jié)構(gòu)中刀盤凍結(jié)區(qū)域取1 m，采用最低溫度-120 ℃的降溫計(jì)劃，此方案較為經(jīng)濟(jì)，滿足加固要求，凍結(jié)效果較單獨(dú)采用盾構(gòu)對(duì)接環(huán)形凍結(jié)板結(jié)構(gòu)使用最低溫度-150 ℃降溫計(jì)劃更好，凍土帷幕范圍更廣，安全性更高.