具有冷冻功能的盾构刀盘设计

张志国，孙 恒

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

盾构因其施工速度快、对环境影响小、安全等优点而被广泛地应用在隧道施工中。然而，在盾构开挖隧道过程中，由于刀具不断切削土体导致刀具磨损、脱落，甚至是刀盘损坏，致使掘进效率降低或者是机器无法继续推进。常规的刀盘、刀具检查十分重要，发现刀具磨损和刀盘损坏时，需要及时进行换刀和刀盘维护。在盾构施工过程中，需要定期对刀盘、刀具检查，必要时需要进行刀盘修复和刀具更换。盾构在富水软弱地层等不稳定地质条件下进行刀盘、刀具维护时，掌子面可能出现坍塌或突发性的涌水、涌沙，严重威胁工作人员的生命健康安全。盾构在开仓换刀时，作业人员面临掌子面可能失稳带来的威胁。常用的提升地层稳定性的方法包括降水法、地表注浆法等，但这些方法受到多种条件的限制，并不适合所有地层，其连续性、均匀性、封闭性均不佳，仍存在一定的风险隐患。人工冻结法是一种利用人工制冷技术，在地层钻孔中布置一系列的冻结管，通入制冷剂（氨-盐水、液氮等）循环流动，把冷量传入地层，使得地层冻结，形成冻结壁，增强其抗压能力的方法[1]。冻结法冻结土体形成的冻土屏障具有连续性好、均匀性好、强度高、封闭性好、绿色无污染等优点，是一种高效、安全的方案。

具有冷冻功能的刀盘是一种在刀盘内部布置冻结管的特殊盾构刀盘，结合冻结法本身的优点，能够在刀盘周围形成“冻结圆盘”，充分隔绝地下水，增加土体强度和稳定性，如同创造一道冻土屏障，解决了高水压、软弱地层等不稳定地质中盾构安全开仓换刀作业问题。

1 冷冻刀盘的设计

1.1 刀盘冷冻工作原理

盾构刀盘有3 个主要功能，即切削土体、稳控掌子面和搅拌渣土[2～4]。刀盘在工作时直接与掌子面接触，冷冻刀盘即是通过在刀盘背面布置一定数量的流体通道（无缝钢管等），将冷冻机及冻结系统辅助设备的低温盐水传递至隧道掌子面上，冷冻掌子面及其周边区域。

冷冻刀盘适用于全断面软弱地层、含水较丰富地层等地质条件下盾构隧道施工。实验表明含水、松散土体冻结后抗压强度明显提高（图1），冻结土体性状类似混凝土。影响冻土强度的主要因素是冻结温度，土的类型以及土体含水量。以饱和密实砂为例，在-15℃时抗压强度为3.5MPa，弹性模量为150MPa；-20℃时抗压强度5.5MPa，弹性模量为280MPa。

图1 温度与土体强度关系图

1.2 冷冻刀盘材质以及部件选型

冷冻刀盘选用材质需要满足在低温与常温之间的交变下，刀盘能够整体保持足够的结构刚度、强度等特性。刀盘结构常用材质为低碳合金钢Q345，其焊接性能较优。Q345 低碳合金钢分 为Q345A 级、Q345B 级、Q345C 级、Q345D级、Q345E 级。不同等级所代表的主要是冲击温度有所不同。Q345A 级：不做冲击试验；Q345B级：满足+20℃常温冲击试验；Q345C 级：满足0℃冲击试验；Q345D 级：满足-20℃冲击试验；Q345E 级：满足-40℃冲击试验。鉴于Q345E 级型号的冲击试验的温度最低，满足冷冻刀盘的使用温度，因此刀盘材质选用Q345E，既满足温度的要求，又满足材质的焊接要求。

冷冻刀盘中，滚刀、主驱动、回转中心等部件均会在低温与常温之间的交变下施工，因此在此类存在密封装置的部件选用密封时需选用耐低温型密封。

1.3 冷冻管路的布置设计

1.3.1 内外布置式设计

对于小直径刀盘，冷冻管路可分内外区域进行布置，如图2 所示，刀盘开挖直径∅4 350mm，冷冻管路共设置3 路通道，刀盘主要分为2 个区域，内部区域布置2 路冷冻管路，外圈区域布置1 路冷冻管路。

图2 内外布置式冷冻刀盘

该种冷冻管路布置具有预防冷冻刀盘失效的作用，若内外区域存在1 路失效，整体冷冻刀盘依旧能够保留冷冻功能。

1.3.2 “米”字型布置

对于常规直径或大直径盾构而言，由于掌子面区域面积大，同时刀盘冷冻管路布置空间相对充足，可采用米字型设计。冷冻管路布置整体呈“米”字型，分上下层布置，每层各布置2 路，布置图见图3。

图3 米字型冷冻管双层布置

采用米字型布置，冷冻管路回路较长，热交换更加充分；冷冻管路分层布置，刀盘冷冻管路分布更加均匀，基本实现了盘面全覆盖。

2 冻结温度场模拟分析

以直径为9 090mm 刀盘为例，考虑到刀盘本身的对称性，计算模型中简化刀盘上冻结管的布置为“米”字型，后部为“圆环+米”型，忽略刀盘的细节部分，建立1/4 的刀盘及前盾实体模型见图4，刀盘的半径4 545mm，盘面厚度取0.48m，外圈圆筒壁厚取0.5m；冻结管计算模型见图5，刀盘、冻结管（其中冻结管在刀盘内部）和土体的计算模型见图6，土体的半径10m，厚度约为5.5m，高6m，三者相接触，在土体间3m 处放置刀盘；图7 为模型的单元划分图。

图4 刀盘及前盾实体模型

图5 冻结管计算模型

图6 刀盘及土体计算模型

图7 模型单元划分

计算模型的边界条件设定如下：①地层的初始温度为20℃；②冻结管的冻结温度-25℃、-30℃、-40℃三种温度，不考虑冻结管的自身降温过程和沿着管长的冷量损失，即直接施加冻结盐水的温度；③盾构内部及地层的边界温度设定为20℃；④隧道内表面和刀盘内表面设为对流交换界面，空气对流热交换系数为500kJm-2d-1℃-1，空气温度恒18℃。

计算模型的热物理参数如表1 所示。

表1 热物理参数

3 冻结过程温度场演化及实验

3.1 温度场模拟

使用ANSYS 工具，根据对应模型和边界条件，分别对冻结10 天、20 天、30 天的温度场进行了模拟。冻深随时间的增加而变化，数据如表2 所示。

表2 盾构前进方向冻深随时间变化

3.2 冷量的计算及冷冻换刀

以-30℃下冻结30 天结果为例，设盾构前进方向土体冻结模型为圆台，底面直径为10m，高5m，对温度随距离变化曲线进行分段拟合，分段积分得冻结土体所需冷量为1.11×107kJ，水所需冷量为4.7×106kJ，刀盘所需冷量为4.3×106kJ，总需冷量为2.01×107kJ（不考虑与空气的对流损耗）。

使用盾构在富水软弱地层中进行冷冻试验，利用螺杆式制冷机组和盐水循环泵对冷冻管路进行热交换。盐水箱使用CaCl2溶液，盐水泵的冷却能力为-30℃。制冷机组和盐水泵持续工作10天进行冻结，泵出水口温度为-26.7℃，回水温度为-24.1℃。刀盘掌子面前方0.5m 和0.8m 处布置9 个测温点，10 天后测得温度分别为-10℃和-7℃。检查满足开仓换刀条件后，如图8所示，对盾构成功地进行了开仓换刀作业。

图8 冷冻环境下刀具更换

4 结语

对于富水软弱地层隧道盾构施工，在刀盘后部布置的冻结管可以在较短时间周期内有效增加冻结的深度，稳定掌子面周边环境；为了使冷冻效果最大化，小直径盾构刀盘冷冻管可以采用内外布置式设计，常规直径和大直径刀盘可以采用“米字型”冻结管布置方式。作业人员在冷冻环境下进行开仓换刀作业，不仅人身安全得到了保障，同时稳定的掌子面还允许气闸打开，解除带压工作状态，工作效率得到大幅提升。