盾構對接新型凍結裝置地層加固溫度場的演變規律

楊 坤，胡 俊，曾 暉，林小淇，任軍昊，王志鑫

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

盾構對接［1-4］是指兩臺盾構機在挖掘同一條隧道時，它們分別從隧道的兩端相向掘進，當掘進到對接處時，兩臺盾構機將它們之間的土體掘通，從而使得隧道順利貫通的過程.在埋深大距離長的盾構隧道工程中，采用盾構對接的方式更加適用，更有利于盾構隧道的順利施工，而且節省工期.

盾構對接一般運用兩種方法：土木盾構對接法和機械式盾構對接法.土木盾構對接方法因其方便簡單而被廣泛應用于實際工程中，它是將對接區土層進行加固處理，以避免對接處土體滲水和地層失穩，并在地層穩定的前提下拆除盾構機，然后進行后續的隧道貫通與襯砌施工.通常用于隧道地層加固的方法有：在地面進行地層加固、在隧道內進行注漿處理和通過凍結來輔助地層加固［5-6］.盾構對接過程中所使用的凍結法［7-9］是在盾構機的一側或兩側對土體打入凍結管，然后依靠冷媒介質對土層進行凍結，使其在盾構機周圍形成一圈不僅封閉且強度高的凍土帷幕［10］，如此就阻止了地下水在盾構對接過程滲入對接掌子工作面，此外，它還有承擔外部水土壓力的作用，可充當有效的支護結構［11-12］.

目前，國內外在盾構對接中運用凍結法主要集中在施工方法上.例如，國外研究者Biggart 等［13］曾對盾構對接技術進行過詳盡的技術介紹.又如Odgard 等［14］針對Storebaelt 提出了利用TBM 技術進行海底隧道盾構對接的設計.對于跨度大、工期長和地質條件差的盾構隧道工程，較為符合盾構對接的各項技術要求.然而針對盾構對接過程中采用人工凍結技術來加固地層的研究卻不多，類似的研究有：胡向東等［15］在瓊州海峽區域結合理論知識探究了盾構對接的施工方法，總結出了在盾構對接地點處凍土帷幕的一些指標參數；胡俊等［16］以瓊州海峽隧道這一盾構對接工程為例，研究了直管和半圓環形凍結兩種模型的凍土帷幕發展狀況；任軍昊等［17］運用有限元軟件對盾構隧道對接半圓環形加固結構進行了建模計算與分析，掌握了其溫度場的發展規律，并與圓形刀盤凍結加固結構進行了對比，優化了其設計.上述研究中涉及到的凍結裝置較為繁復，在凍結時必須先拆除盾構機內的設備，然后再通過土中的凍結管提供冷量來進行土體凍結，這種施工方法存在凍結管浪費過多和凍結施工進程較為繁瑣等缺點.

為提高施工效率，縮短施工工期并保證盾構對接安全，適合的對接凍結方法是迫切需要解決的技術問題［18］.為此，本研究提出一種新型的盾構對接隧道土體凍結加固措施，這種新型的盾構對接加固技術無須進行凍結管的插埋與拔除，即只需在盾構機中增設凍結裝置來進行施工.

此外，本文對這種盾構對接新型加固工法與裝置展開了研究，同時運用有限元軟件ADINA 對其建立了數值模型，并采用控制變量法選取了不同的降溫計劃，分析了計算結果和選取了不同模型的凍結方案，最終確立了最優方案，它可為相關的盾構對接工程提供借鑒.

1 盾構對接環形凍結板凍結加固工法簡介

1.1 加固工法實現概述盾構對接環形凍結板加固是一種新型的盾構對接時的土體加固方法.該加固方法是在兩臺盾構機中設置可拆卸錨栓，可拆卸錨栓中放置凍結管，凍結管緊貼盾構機內壁，凍結管附著在盾構機上，以便于隨機選擇進液口和出液口的施工位置.盾殼與位于其中的刀盤、主軸承組成盾構機，主軸承通過高強度螺栓分別與盾殼和刀盤相連接.在盾構機距離端頭恰當位置處設有多個可拆卸錨栓，將裝置整體固定在所需加固的土體旁.盾構機內殼上側也設有多個可拆卸錨栓，起吊點處設有吊環，以便于對裝置整體的運輸和取出.防水鋼板環焊接在兩臺盾構機的外層盾殼，起洞內拆機支護的作用，對接段采用鋼筋混凝土管片或鋼管片襯砌.在凍土帷幕中設置若干測溫管，測溫計安裝在這些測溫管上，測溫計依靠與外部輸出裝置連接來讀取數值.

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

本工法無須進行凍結管的插埋與拔除，為了防止地層中的水對工程造成影響，本工法采用了在盾構機中增設凍結裝置的施工方案.當向緊貼盾構機的凍結裝置中注入冷媒介質時，由于盾構和內殼是金屬，具有導熱性，因此此時裝置具有凍結板的效果，在緊靠盾構機刀盤端頭2 m 寬處形成了凍結板，從而在盾構對接處形成凍土帷幕，因而可在其保護下進行隧道貫通施工.盾構對接環形凍結板加固結構示意圖如圖1所示，其平面示意圖如圖2所示.本文結合半徑為6 m的大直徑盾構機來進行具體研究.

圖1 盾構對接環形凍結板加固結構示意圖

圖2 盾構對接平面圖

1.2 本工法的有益效果一是節省工期.該技術與傳統技術（凍結管需要插埋等）不同，它大大節省了布置時間，不僅加固止水效果較好，而且又能提高施工效率.二是具有一定的經濟性，且施工便利.施工流程簡便，無須進行凍結管的埋設與拔除，盾構機可直接拆除貫通施工，可降低施工成本.三是安全性好.可確保盾構對接順利施工，滿足強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.當兩臺盾構機挖掘至相距200 m 時，停止掘進，測量并修正掘進方向，先行到達對接里程的盾構機，首先加固地層和封堵地下水，然后進行管片防松、盾構防退處理，接著進行洞內拆機，保留盾殼，完成第一次解體.接著進行精確對接定位，啟動另一臺盾構機并進行坐標和姿態的調整與掘進.循環上述操作，到達100、50、30 m 后分別測量，計算一次盾構方向和姿態，30 m 以前主要進行方向調整，30 m 以后主要進行姿態調整.當掘進到對接里程后，進行裝置的安裝和對接凍結施工，做管片防松處理，待對接面貫通后，先拆除盾殼內部件，然后拆除刀盤并焊接止水鋼環板，以防止地下水進入工作面，最后在盾殼的保護下做對接襯砌，最終完成對接.

圖3 施工工藝流程圖

2 溫度場三維數值模型的建立

2.1 基本假定考慮地下土層復雜多樣，為方便運算，將數值模型作以下假定：土層材料單一，均質且各向同性；隨著溫度的變化，土體參數不發生改變；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機凍結板外表面上；-1 ℃時，土層開始結冰，生成保護帷幕，-10 ℃時，形成穩定的凍結帷幕.

2.2 幾何模型和參數選取依托盾構隧道假定建立半徑6 m的盾構機對接三維溫度場模型（圖4）.對接處兩端為沿盾構掘進方向上長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，沿X、Y、Z軸方向的長度分別為20 m、30 m、30 m.環形凍結板緊貼布置于付之東鄰近盾構機刀盤處，長度2 m.

圖4 模型幾何尺寸及劃分網格圖

數值模型為整個矩形土體通過Boolean 運算減去凍結板和盾構隧道，兩環形凍結板表面作為熱荷載邊界，冷媒介質的溫度為邊界負荷，模型的整個計算區域邊界假定為絕熱邊界.經驗算，凍結帷幕區域未超過所建模型的尺寸范圍.本模型中，凍結板和測溫管直徑較小，而土體模型尺寸相對很大，因此設置凍結板與測溫管的網格密度為0.1 m，以提高計算精度，土體的網格密度設為1 m，減少過多無效計算.計劃凍結時間步取40 d，1 d（24 h）為一個步長.結合相關研究報告［19］，土體材料性能是熱傳導單元，土層為粉砂細砂層，無卵石；根據最不利原則，忽略滲流作用，參考胡俊等［20］研究得到本模型參數，如表1 所示.本次數值模擬以18 ℃為土層的原始地層溫度，降溫計劃如表2 和表3 所示［21-22］.據相關學者的研究證明，采用該數值模擬計算方法具有一定的可行性，如林小淇等［23］的研究，他們運用該方法模擬了內蒙古呼和浩特市地鐵2號線1號聯絡通道，將模型溫度場的計算結果與工程實測數據進行了對比，較為真實地反映了實際工程概況；又如吳雨薇［24］的研究，她基于南寧地鐵3 號線東葛路站—濱湖路站區間內的聯絡通道，采用凍結法展開了研究，使用類似方法（ADINA 有限元軟件）建立了三維模型，將各測溫點的模擬結果與現場數據進行了對比與分析，也驗證了采用該方法三維建模的科學性.

表1 土體材料參數

表2 初始降溫計劃表

表3 改變后的降溫計劃表

3 溫度場的計算結果和分析

3.1 凍土帷幕的基本情況圖5為環形凍結板凍結加固Y=0剖面-1 ℃和-10 ℃的溫度等值線圖，圖中藍線表示-10 ℃等溫線，紅線表示-1 ℃等溫線（后文同）.由圖5可知：在初始降溫計劃下，經過40 d的凍結加固，盾構對接凍土帷幕逐漸圍繞盾構機呈環形向未貫通土體擴張，直到凍結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 不同凍結時間的等溫線圖

圖6 為40 d 時Y=0 m 剖面的溫度場云圖.由圖可知，凍結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劃，直到達到加固要求.

圖6 凍結40 d時凍土帷幕的基本情況

3.2 改變降溫計劃后凍土帷幕的基本情況改變后的降溫計劃如表3所示，由3.1節凍土帷幕的情況分析可知，當降溫計劃最低溫度為-28 ℃時，未能形成閉合的凍土帷幕，故需要調整降溫計劃.圖7為不同降溫計劃下凍結40 d 后Y=0 m 剖面凍土帷幕的總體情況，表4 為不同降溫計劃下-1 ℃與-10 ℃帷幕厚度的統計值.經計算與研究發現：隨著降溫計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.降溫計劃最低溫度在-40 ℃時，于凍結40 d時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；降溫計劃最低溫度在-100 ℃時，-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；降溫計劃最低溫度在-150 ℃時，-1 ℃等溫線的凍土帷幕厚度約為1.83 m.帷幕厚度的增長率與降溫計劃的溫度降低率成反比，在-100 ℃之前，帷幕發展較快，每降低1 ℃，帷幕發展厚度約增加0.01 m，而在-100 ℃之后，帷幕發展逐漸變慢，每降低1 ℃，帷幕發展厚度的增加小于0.01 m；降溫計劃的溫度越低，帷幕厚度發展越慢.降溫計劃的溫度愈低，凍土帷幕愈厚，當降到-150 ℃時得到-10 ℃等溫線的凍土帷幕厚度為1.6 m.因此，當降溫計劃最低溫度降至-150 ℃時，該模型的凍土帷幕厚度達到了1.6 m，可滿足施工加固要求，具有較高的安全性.

表4 不同降溫計劃下-1 ℃與-10 ℃凍土帷幕厚度統計值

圖7 不同降溫計劃下凍結40 d時Y=0 m剖面凍土帷幕的總體情況

3.3 降溫計劃6 的凍土帷幕基本情況為符合施工加固要求，對恰能滿足條件的降溫計劃6 展開了研究.圖8 為計劃6 盾構對接環形凍結板加固結構Y=0 剖面-1 ℃和-10 ℃的等溫線圖.由圖8 可以看出：凍結前期，-1 ℃等溫線逐漸圍繞凍結板向外擴展，-10 ℃的等溫線還未出現；凍結6 d 時，-10 ℃的等溫線顯現，隨著凍結進程進行，它與-1 ℃等溫線一同呈圓弧形向外擴伸；凍結15 d 時，-1 ℃等溫線交圈開始；凍結20 d 時，-1 ℃等溫線交圈閉合完成，-10 ℃等溫線開始交圈；凍結40 d 時，-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 剖面的溫度場云圖如圖9 所示，觀察發現：凍結40 d時，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 計劃6凍結Y=0剖面-1 ℃和-10 ℃的等溫線圖

圖9 凍結40 d時凍土帷幕基本情況

3.4 路徑分析以該模型的幾何中心點為起點，設置一沿著高度（即Z 軸）正方向12 m 的分析點溫度變化路徑，在該路徑上以自Z=6 m 處分析點3#為界限，間隔0.5 m 布置，上方設置三個點，下方設置兩個點，共6個分析點（1-6#）；選擇這些觀測點是基于凍結板結構中，刀盤區域發展的帷幕關于X=-10剖面有對稱性，同樣地，盾構機表面凍結板的帷幕也關于土體X=-10剖面具有對稱性，故選取對稱面上處于不同區域的分析點，這樣其溫度變化具有代表性.1#和2#分別與4#和5#關于3#點對稱，為了分析1.6 m 處土體的溫度變化情況，引入6#觀測點，6#觀測點距3#點1.5 m（由于假設達到的1.6 m 帷幕是模型形成帷幕的最大值，在路徑上處于對接中心區域，實際形成的帷幕要略薄于帷幕的最大值，故測得1.5 m 處的情況即可）.各分析點位置如圖9所示.圖10為各分析點溫度隨時間的變化圖.

圖10 路徑上各點溫度隨時間的變化圖

3#分析點降溫速率最快，僅需16 d 溫度就降到-1 ℃，凍結40 d后溫度約為-50 ℃；2#和4#的凍結效果相似，凍結19 d 時溫度降到-1 ℃附近，凍結40 d 后溫度分別為-38 ℃和-40 ℃；1#和5#的凍結效果也相似，25 d 左右溫度降至-1 ℃；6#分析點降溫最慢，直到約33 d 時才降溫到-1 ℃，最終凍結溫度只有-8 ℃.究其原因是：3#分析點離盾構對接兩側的凍結板最近，1#與5#和2#與4#處于同一水平凍結板兩側，2#與4#點靠內，故其凍結效果比稍靠外的1#和5#要好，6#離凍結板最遠.

4 盾構對接環形凍結板＋環形刀盤凍結加固結構的凍結效果分析

單獨采用盾構對接環形凍結板加固結構，須降溫至-150 ℃，需采用低溫液氮凍結，且凍結時間較長，不經濟.將其與環形刀盤凍結加固相結合，在不改變盾構對接環形凍結板降溫計劃的情況下（即降溫計劃1）引入環形刀盤凍結加固結構，在盾構刀盤外圈添加上凍結裝置，分析其最終凍土帷幕的效果和發展規律.采用相同的數值計算模型，不同之處是在半徑為6 m 的刀盤外圈0.5～4 m范圍內增設凍結裝置，盾構機和刀盤上的兩處凍結裝置同時凍結，對該方案溫度場發展規律進行分析，與單獨采用盾構對接環形凍結板進行對比.圖11為盾構對接環形凍結板+環形刀盤凍結加固結構示意圖.

圖11 盾構對接環形凍結板+環形刀盤凍結加固結構示意圖

刀盤外圈凍結板范圍為1 m時，降溫計劃1下凍結40 d時Y=0 m剖面的溫度場云圖如圖12所示.由圖12可知：到凍結40 d時，凍土帷幕凍結完成，形成了一個較大的凍土帷幕體.為探究該方案凍結帷幕的有益效果，對溫度場Y=0 剖面-1 ℃與-10 ℃的等溫線變化情況進行了分析，圖13 為不同時間等溫線的變化情況.結合Y=0 和X=-10 截面不同時間時-1 ℃與-10 ℃的等溫線可知：凍結4 d 時，盾構對接環形凍結板＋環形刀盤凍結在Y=0和X=-10截面-1 ℃等溫線開始向外擴伸，在凍結24 d時，-1 ℃等溫線逐漸閉合；凍結36 d時，-10 ℃等溫線開始封閉；到凍結40 d時，帷幕整個完全封閉，形成一個較大的凍土帷幕體.

圖12 凍結40 d時凍土帷幕基本情況

圖13 Y=0和X=-10剖面不同時間-1 ℃與-10 ℃等溫線

將模型一（單獨采用盾構對接環形凍結板結構）與模型二（盾構對接環形凍結板＋環形刀盤凍結結構）進行對比與分析，目的是探究在不同條件下引入環形刀盤后凍結的有益效果及規律，同時也為了了解兩種模型凍結板布置的適用性及其對應溫度場的演變規律.

在降溫計劃相同情況下（最低溫度-28 ℃），模型一并未形成凍土帷幕，不滿足施工設計要求.模型二形成了完全封閉的凍土帷幕：從凍結效果分析，模型二凍土帷幕范圍覆蓋更廣，更有利于盾構對接加固止水；從安全的角度上分析，未貫穿土體上方有帷幕支護，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下，盾構對接施工的安全可以得到保障.雖增加環形刀盤凍結會使盾構機結構更復雜，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，更有益于現場實施.據模擬研究分析，模型二中，采用常規降溫計劃（-28 ℃）情況下，凍結40 d后，待挖土體四周剛好出現閉合的凍土帷幕.因此，在模型一凍結加固的基礎上采用環形刀盤凍結，能增大凍結加固封水范圍，形成凍土帷幕.同時，從經濟角度分析，當取環形刀盤范圍1 m 并且凍結40 d 時，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濟效益.

由圖13（d）可知：當使用降溫計劃1時，-10 ℃帷幕厚度并未滿足1.60 m的止水加固要求，故為了增強盾構對接凍結加固的止水性和安全性，降低施工風險，刀盤凍結范圍取外圈1 m 最佳前提下，改變降溫計劃，降低冷媒介質溫度.其他條件不變，采用降溫計劃5，計算結果見圖14（凍結40 d 時凍土帷幕基本情況）以及圖15（凍結40 d 時Y=0 和X=-10 剖面不同時間-1 ℃與-10 ℃溫度等溫線）.經測量得：-10 ℃等溫線距盾構機表面剛好1.60 m，刀盤區域-10 ℃等溫線距盾構機上方-10 ℃等溫線甚至達到3.88 m，已滿足開挖施工要求.

圖14 凍結40 d時凍土帷幕基本情況

圖15 凍結40 d時不同剖面-1 ℃與-10 ℃等溫線

綜上所述，當兩種數值模型中目標帷幕厚度都要求達到厚度1.6 m 時，模型一（即單獨采用盾構對接環形凍結板結構）需采用降溫計劃6，最低溫度-150 ℃；模型二（即盾構對接環形凍結板＋環形刀盤凍結結構）僅需采用降溫計劃5，最低溫度-120 ℃，且所得凍土帷幕覆蓋面更廣，經濟且安全性較高，更具有推廣實用價值.

5 結論

本文結合盾構對接土體凍結加固新技術，運用有限元軟件Adina 模擬了新型凍結加固結構的溫度場發展規律，分析了不同降溫計劃下的溫度場演變規律，在滿足施工條件的前提下，選擇最優的降溫計劃，為以后相似工程提供參考依據.主要得出以下結論：

（1）運用該盾構對接土體凍結加固新技術，凍結帷幕以凍結板冷源呈放射型向土體發散，使用常規的降溫計劃（最低溫度-28 ℃）未能形成目標帷幕，不能滿足加固要求；

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

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

（4）盾構對接環形凍結板＋環形刀盤凍結結構中刀盤凍結區域取1 m，采用最低溫度-120 ℃的降溫計劃，此方案較為經濟，滿足加固要求，凍結效果較單獨采用盾構對接環形凍結板結構使用最低溫度-150 ℃降溫計劃更好，凍土帷幕范圍更廣，安全性更高.