盾构对接新型冻结装置地层加固温度场的演变规律

2023-07-08林小淇任军昊王志鑫

海南大学学报（自然科学版） 2023年2期

杨坤，胡俊，曾晖，林小淇，任军昊，王志鑫

（1.海南大学土木建筑工程学院，海南海口 570228；2.五邑大学土木建筑学院，广东江门 5 290203；3.海南省水文地质工程地质勘察院，海南海口 570206）

盾构对接［1-4］是指两台盾构机在挖掘同一条隧道时，它们分别从隧道的两端相向掘进，当掘进到对接处时，两台盾构机将它们之间的土体掘通，从而使得隧道顺利贯通的过程.在埋深大距离长的盾构隧道工程中，采用盾构对接的方式更加适用，更有利于盾构隧道的顺利施工，而且节省工期.

盾构对接一般运用两种方法：土木盾构对接法和机械式盾构对接法.土木盾构对接方法因其方便简单而被广泛应用于实际工程中，它是将对接区土层进行加固处理，以避免对接处土体渗水和地层失稳，并在地层稳定的前提下拆除盾构机，然后进行后续的隧道贯通与衬砌施工.通常用于隧道地层加固的方法有：在地面进行地层加固、在隧道内进行注浆处理和通过冻结来辅助地层加固［5-6］.盾构对接过程中所使用的冻结法［7-9］是在盾构机的一侧或两侧对土体打入冻结管，然后依靠冷媒介质对土层进行冻结，使其在盾构机周围形成一圈不仅封闭且强度高的冻土帷幕［10］，如此就阻止了地下水在盾构对接过程渗入对接掌子工作面，此外，它还有承担外部水土压力的作用，可充当有效的支护结构［11-12］.

目前，国内外在盾构对接中运用冻结法主要集中在施工方法上.例如，国外研究者Biggart 等［13］曾对盾构对接技术进行过详尽的技术介绍.又如Odgard 等［14］针对Storebaelt 提出了利用TBM 技术进行海底隧道盾构对接的设计.对于跨度大、工期长和地质条件差的盾构隧道工程，较为符合盾构对接的各项技术要求.然而针对盾构对接过程中采用人工冻结技术来加固地层的研究却不多，类似的研究有：胡向东等［15］在琼州海峡区域结合理论知识探究了盾构对接的施工方法，总结出了在盾构对接地点处冻土帷幕的一些指标参数；胡俊等［16］以琼州海峡隧道这一盾构对接工程为例，研究了直管和半圆环形冻结两种模型的冻土帷幕发展状况；任军昊等［17］运用有限元软件对盾构隧道对接半圆环形加固结构进行了建模计算与分析，掌握了其温度场的发展规律，并与圆形刀盘冻结加固结构进行了对比，优化了其设计.上述研究中涉及到的冻结装置较为繁复，在冻结时必须先拆除盾构机内的设备，然后再通过土中的冻结管提供冷量来进行土体冻结，这种施工方法存在冻结管浪费过多和冻结施工进程较为繁琐等缺点.

为提高施工效率，缩短施工工期并保证盾构对接安全，适合的对接冻结方法是迫切需要解决的技术问题［18］.为此，本研究提出一种新型的盾构对接隧道土体冻结加固措施，这种新型的盾构对接加固技术无须进行冻结管的插埋与拔除，即只需在盾构机中增设冻结装置来进行施工.

此外，本文对这种盾构对接新型加固工法与装置展开了研究，同时运用有限元软件ADINA 对其建立了数值模型，并采用控制变量法选取了不同的降温计划，分析了计算结果和选取了不同模型的冻结方案，最终确立了最优方案，它可为相关的盾构对接工程提供借鉴.

1 盾构对接环形冻结板冻结加固工法简介

1.1 加固工法实现概述盾构对接环形冻结板加固是一种新型的盾构对接时的土体加固方法.该加固方法是在两台盾构机中设置可拆卸锚栓，可拆卸锚栓中放置冻结管，冻结管紧贴盾构机内壁，冻结管附着在盾构机上，以便于随机选择进液口和出液口的施工位置.盾壳与位于其中的刀盘、主轴承组成盾构机，主轴承通过高强度螺栓分别与盾壳和刀盘相连接.在盾构机距离端头恰当位置处设有多个可拆卸锚栓，将装置整体固定在所需加固的土体旁.盾构机内壳上侧也设有多个可拆卸锚栓，起吊点处设有吊环，以便于对装置整体的运输和取出.防水钢板环焊接在两台盾构机的外层盾壳，起洞内拆机支护的作用，对接段采用钢筋混凝土管片或钢管片衬砌.在冻土帷幕中设置若干测温管，测温计安装在这些测温管上，测温计依靠与外部输出装置连接来读取数值.

冻结管通过管路与停在隧道始发井外的槽车中的冻结液储罐连通，冻结管中还设置有收集汽化冻结液的集气管，集气管和与其连通的排气管延伸至隧道外空旷处，至此完成整个冻结施工的过程.

本工法无须进行冻结管的插埋与拔除，为了防止地层中的水对工程造成影响，本工法采用了在盾构机中增设冻结装置的施工方案.当向紧贴盾构机的冻结装置中注入冷媒介质时，由于盾构和内壳是金属，具有导热性，因此此时装置具有冻结板的效果，在紧靠盾构机刀盘端头2 m 宽处形成了冻结板，从而在盾构对接处形成冻土帷幕，因而可在其保护下进行隧道贯通施工.盾构对接环形冻结板加固结构示意图如图1所示，其平面示意图如图2所示.本文结合半径为6 m的大直径盾构机来进行具体研究.

图1 盾构对接环形冻结板加固结构示意图

图2 盾构对接平面图

1.2 本工法的有益效果一是节省工期.该技术与传统技术（冻结管需要插埋等）不同，它大大节省了布置时间，不仅加固止水效果较好，而且又能提高施工效率.二是具有一定的经济性，且施工便利.施工流程简便，无须进行冻结管的埋设与拔除，盾构机可直接拆除贯通施工，可降低施工成本.三是安全性好.可确保盾构对接顺利施工，满足强度要求和防渗的要求.

1.3 本工法施工工艺流程本工法施工工艺流程如图3所示.当两台盾构机挖掘至相距200 m 时，停止掘进，测量并修正掘进方向，先行到达对接里程的盾构机，首先加固地层和封堵地下水，然后进行管片防松、盾构防退处理，接着进行洞内拆机，保留盾壳，完成第一次解体.接着进行精确对接定位，启动另一台盾构机并进行坐标和姿态的调整与掘进.循环上述操作，到达100、50、30 m 后分别测量，计算一次盾构方向和姿态，30 m 以前主要进行方向调整，30 m 以后主要进行姿态调整.当掘进到对接里程后，进行装置的安装和对接冻结施工，做管片防松处理，待对接面贯通后，先拆除盾壳内部件，然后拆除刀盘并焊接止水钢环板，以防止地下水进入工作面，最后在盾壳的保护下做对接衬砌，最终完成对接.

图3 施工工艺流程图

2 温度场三维数值模型的建立

2.1 基本假定考虑地下土层复杂多样，为方便运算，将数值模型作以下假定：土层材料单一，均质且各向同性；随着温度的变化，土体参数不发生改变；土层初始温度为18 ℃，且均匀；不考虑水分迁移的作用；直接将温度载荷施加到盾构机冻结板外表面上；-1 ℃时，土层开始结冰，生成保护帷幕，-10 ℃时，形成稳定的冻结帷幕.

2.2 几何模型和参数选取依托盾构隧道假定建立半径6 m的盾构机对接三维温度场模型（图4）.对接处两端为沿盾构掘进方向上长9 m的隧道，中间2 m为未贯穿的土体.以隧道掌子面中心为原点，沿X、Y、Z轴方向的长度分别为20 m、30 m、30 m.环形冻结板紧贴布置于付之东邻近盾构机刀盘处，长度2 m.

图4 模型几何尺寸及划分网格图

数值模型为整个矩形土体通过Boolean 运算减去冻结板和盾构隧道，两环形冻结板表面作为热荷载边界，冷媒介质的温度为边界负荷，模型的整个计算区域边界假定为绝热边界.经验算，冻结帷幕区域未超过所建模型的尺寸范围.本模型中，冻结板和测温管直径较小，而土体模型尺寸相对很大，因此设置冻结板与测温管的网格密度为0.1 m，以提高计算精度，土体的网格密度设为1 m，减少过多无效计算.计划冻结时间步取40 d，1 d（24 h）为一个步长.结合相关研究报告［19］，土体材料性能是热传导单元，土层为粉砂细砂层，无卵石；根据最不利原则，忽略渗流作用，参考胡俊等［20］研究得到本模型参数，如表1 所示.本次数值模拟以18 ℃为土层的原始地层温度，降温计划如表2 和表3 所示［21-22］.据相关学者的研究证明，采用该数值模拟计算方法具有一定的可行性，如林小淇等［23］的研究，他们运用该方法模拟了内蒙古呼和浩特市地铁2号线1号联络通道，将模型温度场的计算结果与工程实测数据进行了对比，较为真实地反映了实际工程概况；又如吴雨薇［24］的研究，她基于南宁地铁3 号线东葛路站—滨湖路站区间内的联络通道，采用冻结法展开了研究，使用类似方法（ADINA 有限元软件）建立了三维模型，将各测温点的模拟结果与现场数据进行了对比与分析，也验证了采用该方法三维建模的科学性.

表1 土体材料参数

表2 初始降温计划表

表3 改变后的降温计划表

3 温度场的计算结果和分析

3.1 冻土帷幕的基本情况图5为环形冻结板冻结加固Y=0剖面-1 ℃和-10 ℃的温度等值线图，图中蓝线表示-10 ℃等温线，红线表示-1 ℃等温线（后文同）.由图5可知：在初始降温计划下，经过40 d的冻结加固，盾构对接冻土帷幕逐渐围绕盾构机呈环形向未贯通土体扩张，直到冻结40 d后，-1 ℃与-10 ℃等温线都未能交圈且未能形成封闭的冻土帷幕，不能满足加固施工要求.

图5 不同冻结时间的等温线图

图6 为40 d 时Y=0 m 剖面的温度场云图.由图可知，冻结40 d 后，Y=0 m 剖面并未形成封闭的冻土帷幕，不满足要求，措施之一为改变降温计划，直到达到加固要求.

图6 冻结40 d时冻土帷幕的基本情况

3.2 改变降温计划后冻土帷幕的基本情况改变后的降温计划如表3所示，由3.1节冻土帷幕的情况分析可知，当降温计划最低温度为-28 ℃时，未能形成闭合的冻土帷幕，故需要调整降温计划.图7为不同降温计划下冻结40 d 后Y=0 m 剖面冻土帷幕的总体情况，表4 为不同降温计划下-1 ℃与-10 ℃帷幕厚度的统计值.经计算与研究发现：随着降温计划最低温度的不断降低，冻土帷幕厚度随之变厚变宽，逐渐向外伸展，并在未贯通土体处形成冻土帷幕.降温计划最低温度在-40 ℃时，于冻结40 d时开始形成闭合的冻土帷幕，-1 ℃等温线的冻土帷幕厚度约为1.07 m，-10 ℃等温线的冻土帷幕厚度约为0.82 m；降温计划最低温度在-100 ℃时，-1 ℃等温线的冻土帷幕厚度约为1.59 m，-10 ℃等温线的冻土帷幕厚度约为1.37 m；降温计划最低温度在-150 ℃时，-1 ℃等温线的冻土帷幕厚度约为1.83 m.帷幕厚度的增长率与降温计划的温度降低率成反比，在-100 ℃之前，帷幕发展较快，每降低1 ℃，帷幕发展厚度约增加0.01 m，而在-100 ℃之后，帷幕发展逐渐变慢，每降低1 ℃，帷幕发展厚度的增加小于0.01 m；降温计划的温度越低，帷幕厚度发展越慢.降温计划的温度愈低，冻土帷幕愈厚，当降到-150 ℃时得到-10 ℃等温线的冻土帷幕厚度为1.6 m.因此，当降温计划最低温度降至-150 ℃时，该模型的冻土帷幕厚度达到了1.6 m，可满足施工加固要求，具有较高的安全性.

表4 不同降温计划下-1 ℃与-10 ℃冻土帷幕厚度统计值

图7 不同降温计划下冻结40 d时Y=0 m剖面冻土帷幕的总体情况

3.3 降温计划6 的冻土帷幕基本情况为符合施工加固要求，对恰能满足条件的降温计划6 展开了研究.图8 为计划6 盾构对接环形冻结板加固结构Y=0 剖面-1 ℃和-10 ℃的等温线图.由图8 可以看出：冻结前期，-1 ℃等温线逐渐围绕冻结板向外扩展，-10 ℃的等温线还未出现；冻结6 d 时，-10 ℃的等温线显现，随着冻结进程进行，它与-1 ℃等温线一同呈圆弧形向外扩伸；冻结15 d 时，-1 ℃等温线交圈开始；冻结20 d 时，-1 ℃等温线交圈闭合完成，-10 ℃等温线开始交圈；冻结40 d 时，-10 ℃等温线交圈闭合完成，最终形成封闭的圆筒形冻土帷幕.Y=0 m 剖面的温度场云图如图9 所示，观察发现：冻结40 d时，Y=0剖面冻土帷幕闭合完成，-1 ℃的冻土帷幕厚度约为1.83 m，-10 ℃的冻土帷幕厚度约为1.60 m.

图8 计划6冻结Y=0剖面-1 ℃和-10 ℃的等温线图

图9 冻结40 d时冻土帷幕基本情况

3.4 路径分析以该模型的几何中心点为起点，设置一沿着高度（即Z 轴）正方向12 m 的分析点温度变化路径，在该路径上以自Z=6 m 处分析点3#为界限，间隔0.5 m 布置，上方设置三个点，下方设置两个点，共6个分析点（1-6#）；选择这些观测点是基于冻结板结构中，刀盘区域发展的帷幕关于X=-10剖面有对称性，同样地，盾构机表面冻结板的帷幕也关于土体X=-10剖面具有对称性，故选取对称面上处于不同区域的分析点，这样其温度变化具有代表性.1#和2#分别与4#和5#关于3#点对称，为了分析1.6 m 处土体的温度变化情况，引入6#观测点，6#观测点距3#点1.5 m（由于假设达到的1.6 m 帷幕是模型形成帷幕的最大值，在路径上处于对接中心区域，实际形成的帷幕要略薄于帷幕的最大值，故测得1.5 m 处的情况即可）.各分析点位置如图9所示.图10为各分析点温度随时间的变化图.

图10 路径上各点温度随时间的变化图

3#分析点降温速率最快，仅需16 d 温度就降到-1 ℃，冻结40 d后温度约为-50 ℃；2#和4#的冻结效果相似，冻结19 d 时温度降到-1 ℃附近，冻结40 d 后温度分别为-38 ℃和-40 ℃；1#和5#的冻结效果也相似，25 d 左右温度降至-1 ℃；6#分析点降温最慢，直到约33 d 时才降温到-1 ℃，最终冻结温度只有-8 ℃.究其原因是：3#分析点离盾构对接两侧的冻结板最近，1#与5#和2#与4#处于同一水平冻结板两侧，2#与4#点靠内，故其冻结效果比稍靠外的1#和5#要好，6#离冻结板最远.

4 盾构对接环形冻结板＋环形刀盘冻结加固结构的冻结效果分析

单独采用盾构对接环形冻结板加固结构，须降温至-150 ℃，需采用低温液氮冻结，且冻结时间较长，不经济.将其与环形刀盘冻结加固相结合，在不改变盾构对接环形冻结板降温计划的情况下（即降温计划1）引入环形刀盘冻结加固结构，在盾构刀盘外圈添加上冻结装置，分析其最终冻土帷幕的效果和发展规律.采用相同的数值计算模型，不同之处是在半径为6 m 的刀盘外圈0.5～4 m范围内增设冻结装置，盾构机和刀盘上的两处冻结装置同时冻结，对该方案温度场发展规律进行分析，与单独采用盾构对接环形冻结板进行对比.图11为盾构对接环形冻结板+环形刀盘冻结加固结构示意图.

图11 盾构对接环形冻结板+环形刀盘冻结加固结构示意图

刀盘外圈冻结板范围为1 m时，降温计划1下冻结40 d时Y=0 m剖面的温度场云图如图12所示.由图12可知：到冻结40 d时，冻土帷幕冻结完成，形成了一个较大的冻土帷幕体.为探究该方案冻结帷幕的有益效果，对温度场Y=0 剖面-1 ℃与-10 ℃的等温线变化情况进行了分析，图13 为不同时间等温线的变化情况.结合Y=0 和X=-10 截面不同时间时-1 ℃与-10 ℃的等温线可知：冻结4 d 时，盾构对接环形冻结板＋环形刀盘冻结在Y=0和X=-10截面-1 ℃等温线开始向外扩伸，在冻结24 d时，-1 ℃等温线逐渐闭合；冻结36 d时，-10 ℃等温线开始封闭；到冻结40 d时，帷幕整个完全封闭，形成一个较大的冻土帷幕体.

图12 冻结40 d时冻土帷幕基本情况

图13 Y=0和X=-10剖面不同时间-1 ℃与-10 ℃等温线

将模型一（单独采用盾构对接环形冻结板结构）与模型二（盾构对接环形冻结板＋环形刀盘冻结结构）进行对比与分析，目的是探究在不同条件下引入环形刀盘后冻结的有益效果及规律，同时也为了了解两种模型冻结板布置的适用性及其对应温度场的演变规律.

在降温计划相同情况下（最低温度-28 ℃），模型一并未形成冻土帷幕，不满足施工设计要求.模型二形成了完全封闭的冻土帷幕：从冻结效果分析，模型二冻土帷幕范围覆盖更广，更有利于盾构对接加固止水；从安全的角度上分析，未贯穿土体上方有帷幕支护，待挖通的土体部分也有冻土帷幕支撑，在该模型冻土帷幕的保护下，盾构对接施工的安全可以得到保障.虽增加环形刀盘冻结会使盾构机结构更复杂，施工程序更繁琐，但得到的冻土帷幕效果较好，更安全，能满足施工要求，更有益于现场实施.据模拟研究分析，模型二中，采用常规降温计划（-28 ℃）情况下，冻结40 d后，待挖土体四周刚好出现闭合的冻土帷幕.因此，在模型一冻结加固的基础上采用环形刀盘冻结，能增大冻结加固封水范围，形成冻土帷幕.同时，从经济角度分析，当取环形刀盘范围1 m 并且冻结40 d 时，待挖通土层上下方恰好形成封闭的冻土帷幕，模型二在此种情况下最具有经济效益.

由图13（d）可知：当使用降温计划1时，-10 ℃帷幕厚度并未满足1.60 m的止水加固要求，故为了增强盾构对接冻结加固的止水性和安全性，降低施工风险，刀盘冻结范围取外圈1 m 最佳前提下，改变降温计划，降低冷媒介质温度.其他条件不变，采用降温计划5，计算结果见图14（冻结40 d 时冻土帷幕基本情况）以及图15（冻结40 d 时Y=0 和X=-10 剖面不同时间-1 ℃与-10 ℃温度等温线）.经测量得：-10 ℃等温线距盾构机表面刚好1.60 m，刀盘区域-10 ℃等温线距盾构机上方-10 ℃等温线甚至达到3.88 m，已满足开挖施工要求.

图14 冻结40 d时冻土帷幕基本情况

图15 冻结40 d时不同剖面-1 ℃与-10 ℃等温线

综上所述，当两种数值模型中目标帷幕厚度都要求达到厚度1.6 m 时，模型一（即单独采用盾构对接环形冻结板结构）需采用降温计划6，最低温度-150 ℃；模型二（即盾构对接环形冻结板＋环形刀盘冻结结构）仅需采用降温计划5，最低温度-120 ℃，且所得冻土帷幕覆盖面更广，经济且安全性较高，更具有推广实用价值.