冻结法盾构直接破除孤石过程中土层温度场变化的规律

陈 璐，刘文博，高 林，王志鑫，胡 俊

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.海南华昌旅游开发有限公司，海南 海口 571533；3.海南省水文地质工程地质勘察院，海南 海口 570206)

近年来，我国正在广泛地进行地铁建设，极大地缓解了城市交通拥挤的压力，为人们出行提供了便利，从而大幅度提高了居民的生活质量.但是在我国东南部沿海城市的黄岗岩地层中会存在大小不一、形状各异的孤石[1]，孤石的强度同周围地层存在较大差异，掘进时盾构主轴无法固定，容易滚动，造成盾构机在掘进过程中发生转向和偏离隧道轴线，给盾构隧道的开挖带来了极大的困难，也给周边建筑的安全造成威胁.

针对孤石对盾构掘进危害的类型，目前国内外常用的孤石处理方法如下：1、盾构机直接掘进以破除孤石[2]；2、竖井开挖来排除孤石[3-6]：在开挖过程中直接将孤石从竖井内取出，但是此方法操作空间大，会对土方开挖破除，造成严重经济损失；3、地面预处理以破除孤石：一般使用地面钻孔爆破[7-8]、人工挖孔桩[9-11]、冲孔桩[12-14]等方法，但是这些方法工期长，作业工序繁琐、人工费高且存在安全风险，施工噪声大、地层影响大且盾构机方向不易控制；4、采用新型机械装备对孤石进行处理[15-19]：对孤石进行处理，施工快捷有效，但工程机械费用较高；5、采用盾构机直接掘进来破除孤石：提前采用注浆或冻结[20]等措施固定孤石，然后破除，该方法需要满足两个条件：一是盾构机刀具必须具备足够的破岩能力；二是在切削过程中，孤石必须处于固定状态，使其在盾构机刀盘转动时不随之发生转动.目前常规的做法是从地面打孔注浆[21]或垂直冻结[22-23]，但这两种方法费用较大，且地表需要围挡，不但阻碍交通，而且施工期长.

为了克服上述缺点，胡俊[24]提出了一种盾构机直接推进并通过孤石的冻结装置及其施工方法，无需从地面对孤石进行注浆或冻结固定，而是直接在洞内盾构机前方对地层进行冻结加固，形成冻土帷幕，从而对孤石进行固定，之后盾构机直接掘进施工来破除孤石.本文以这种新工法为工程背景，对其中关键的人工冻结技术展开了研究，同时运用有限元软件ADINA建立了数值模型，并对盾构刀盘冻结装置在积极冻结、维护冻结和解冻过程中温度场的发展与分布规律进行了分析，所得结果可为今后实际工程的设计和施工提供参考依据.

1 新工法简介

图1 一种盾构机直接推进通过孤石的施工方法示意图

1.1 概述本文基于胡俊提出的“一种盾构机直接推进并通过孤石的方法”，运用冻结法对孤石进行固定，保证了施工的进度、质量和安全，如图1所示.新工法的施工步骤为：步骤一、盾构机到达孤石位置，将盾构机的刀盘顶住孤石；步骤二、利用盾构机刀盘上装配的冻结装置开始冻结，积极冻结后使盾构机刀盘和盾构机前方土体形成冻土帷幕并固定住孤石；步骤三、利用盾构机刀盘上装配的冻结装置，以5种不同温度的热水解冻盾构机的刀盘，至盾构机的刀盘能够转动为止；步骤四、盾构机直接掘进来破除孤石.

冻结装置装配在刀盘上，布置在盾构机的刀盘和机体中，冻结装置包括了刀盘冻结管路和盾体冻结管路，其中刀盘冻结管路分布在被盾构机的刀盘分割成的四个区间内，冻结装置利用盐水作为冻结法的冷媒介质，每个区间布置独立的冻结冷媒介质进出回路，冻结冷媒介质进出回路与盾体冻结管路相连通；刀盘冻结管路由异型钢管组成，是由φ89 mm×8 mm的钢管制作而成，从钢管2/3截面处剖开，即将2/3断面钢管与刀盘体焊接，形成刀盘冻结管路，冻结装置如图2所示.

a) 剖面1 b)剖面2图2 冻结装置示意图

图3 施工工艺流程图

1.2 有益效果该盾构机结合冻结法直接推进并进行通过孤石的施工，这使得工艺操作简单，而且原地固定孤石，不需要占用地面空间，既节约了工程的时间和成本，又对环境扰动小，因此具有较大的推广价值.

通过研究基于冻结法的盾构在直接破除孤石过程中土层温度场的变化规律，总结出最佳热水解冻温度和解冻时间，有利于缩短工期，高效施工；通过对数值结果的分析与总结，可观察出有效冻结区域，这可为今后相关的实际工程提供参考依据.

1.3 施工工艺流程新工法施工工艺流程为：盾构机正常掘进→盾构机到达孤石，刀盘顶住孤石→冻结装置积极冻结→冻土帷幕形成并固定住孤石→冻结装置热水解冻→刀盘转动→盾构机直接掘进并破除孤石，如图3所示.

2 数值模型的建立

图4 模型几何尺寸及网格划分示意图(单位：mm)

2.1 温度场数值模拟的基本假定(1)为研究盾构机通过孤石时工层温度场的发展规律，本研究假定模拟范围内的地层变化具有连续性、均匀性、各向同性和小变形性；(2)假定土层原始地温为18℃(地层温度随着深度的增加而增加)；(3)各个热物理参数分层稳定，忽略了传热过程中水分迁移的影响；(4)忽略孤石的热力学参数与周围土体的差别对模型温度场的影响；(5)孤石的稳定程度和土体的冻结温度有关，其中，-1℃时土体开始趋于稳定，其等温线包络区域为最大冻结区域；-10℃时形成冻土帷幕，其等温线包络区域为最小冻结区域.

2.2 数值计算几何模型该温度场三维计算模型采用带相变的瞬态导热模型，其几何尺寸为：纵向长度(X轴方向)×横向方向(Y轴方向)×垂直高度(Z轴方向)=12 m×8 m×12 m.并将土体进行网格划分，该土体采用九节点网格划分格式，每个网格边长为0.5 m，网格划分后的计算模型如图4所示.假定模型周围土体温度为18 ℃，边界条件为一般绝热，土体温度差对模型模拟影响忽略不计.

2.3 计算模型参数选取本模型的材料参数见表1.几何建模时，通过Boolean运算将盾构机实体从整体模型中减掉，剩下盾构刀盘冻结表面，以刀盘冻结表面为热荷载边界，以盐水温度作为边界荷载.

表1 土体材料参数

积极冻结期间盐水降温计划见表2，根据此降温过程，规定冻结时间步为40 d，每步时间长为24 h.

表2 冻结管盐水降温计划

图5 路径及测温点选取的示意图

2.4 观察路径的选取及观测点的确定为了解盾构机冻结刀盘及其周围土体在冻结过程中其温度发展的变化规律和盾构机刀盘在解冻结过程中其温度发展的变化规律，在冻结装置中于刀盘处安装了异形冻结管，并在X=6 m的剖面上选取了2条具有代表性的路径来进行观测：盾构机在破除孤石的过程中，沿着前进方向的土体，其温度变化至关重要，选取路径1在Z=0 m的轴线上，路径上每隔0.3 m设置一个测温点，设置有8个测温点；在盾构机刀盘掘进过程中所切削的土体范围内，平行中心点线方向的土体温度变化也是本工艺能否成功破除孤石的重要因素，为了观察研究在前进方向和平行中心点线方向土体温度的变化规律，选取了路径2，并使其与Y轴形成60°角，路径上每隔0.3 m设置一个测温点，设置有9个测温点.路径图选取如图5所示.

2.5 解冻规律研究方案为节约工程的时间和成本，本文研究了刀盘冻结装置在不同温度热水解冻时的温度场发展与分布规律，并选取最佳的解冻时间，使冻结刀盘及其周围的土体解冻，至刀盘可以转动，其盐水解冻实验计划见表3.

表3 解冻温度计划

3 温度场数值计算的结果分析

3.1 温度发展规律

3.1.1 积极冻结和维护冻结的情况为了研究盾构机刀盘冻结温度场的发展规律，我们按照冻结管盐水降温计划，对温度场数值模型进行了分析计算，得到冻结过程中不同时间的相同剖面(时间分别选取1天、10天、20天、30天、40天、41天)的温度场发展云图以及-1℃和-10℃的等温线图，如图6所示.从图6可以看出，冻结10天时，在盾构刀盘处已经形成封闭的冻土帷幕；冻土帷幕以盾构刀盘为中心，深度随着冻结时间的增加逐渐变大；冻土帷幕在20天时已经形成较大的冻土帷幕，然而此时冻土帷幕的强度和厚度还没有达到设计的要求；积极冻结30天时，基本形成了较为完整的冻土帷幕；到积极冻结40天时，冻土帷幕继续扩大，此时已经形成一个完整的性能稳定的冻土帷幕；在积极冻结的前30天，冻土帷幕变化速率较大，之后速率变化较小.

(a)冻结1天时温度场发展云图 (b)冻结10天时温度场发展云图(c)冻结20天时温度场发展云图(d)冻结30天时温度场发展云图(e)冻结40天时温度场发展云图 (f)冻结41天时温度场发展云图图6 冻结管盐水降温计划的温度场发展云图和等值线图

3.1.2 解冻方案1的情况为了研究盾构机刀盘解冻温度场的发展规律，本研究选取了实验1的解冻计划，对上述模型进行了数值计算及分析，得到解冻过程中不同时刻的相同剖面(时间分别选取4 h，8 h，12 h，16 h，20 h，24 h)的温度场发展云图以及0 ℃和-1 ℃的等温线图，如图7所示.从图7可以观察出，在盐水解冻4 h时，冻土帷幕解冻速度较快，帷幕解冻面积较大，盾构刀盘处基本解冻；盐水解冻8 h时，冻土帷幕解冻面积变化不大，基本没有改变；冻土帷幕以盾构刀盘为中心，解冻深度随着冻结时间的增加逐渐变大，8 h后解冻深度基本没有变化；经过维持10 ℃ 8 h的盐水解冻计划，盾构刀盘处的冻土解冻完成.

(a)解冻4 h时温度场发展云图 (b)解冻8 h时温度场发展云图(c)解冻12 h时温度场发展云图(d)解冻16 h时温度场发展云图(e)解冻20 h时温度场发展云图 (f)解冻24 h时温度场发展云图图7 实验1的温度场发展云图和等值线图

3.2 盾构刀盘温度场发展与分布规律在各个试验中，路径1上1～8号分析点代表了刀盘冻结装置前方土体的温度场发展规律，其温度随时间变化的曲线如图8所示，由图8可知，刀盘冻结装置的冻结和解冻温度场随盐水温度的改变而改变.

又由图8可知，盐水冻结存在一个临界点，冻结速度由快变慢；该施工在960 h时，点1～5的温度均处于0 ℃以下，因为每隔0.3 m设置一个观察点，所以其冻结范围为1.5 m的区域；由路径图可知，刀盘冻结的位置在1号分析点处，在960 h时开始解冻，984 h时完成解冻，刀盘开始运行，盾构机即可掘进；在984 h时，此时2～6号分析点为距离刀盘冻结装置0.3～1.5 m的区域，温度为0 ℃以下，此区域土体为冻土；规定最终盐水降温计划为-10 ℃，经历984 h时，此时3～6号分析点为有效冻结范围(0.9～1.5 m)的区域.

图8 1号路径1～8号分析点温度随时间变化的曲线

3.2.1 解冻过程不同方案的比较与分析本工法在破除孤石过程中，最佳状态是紧贴刀盘附近的土体解冻(以1号点为代表)，如此使得刀盘能够正常转动，而刀盘前方的土体尚未解冻，此时孤石处于固定状态(以2点为代表)，因此，本文选取1、2路径上1点和2点进行研究.

如图8所示，在1～6号分析点中，最终只有1号分析点的温度达到0 ℃以上，该点土体解冻，为了研究不同温度热水解冻盾构机刀盘的温度场发展与分布规律，选择1号分析点和2号分析点作为研究对象，对不同温度热水的解冻情况进行了分析，如图9所示，分别设置了10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃和50 ℃的热水温度，以便更好地观察盾构机刀盘附近土体的解冻规律.

如图9所示，2条路径的1号分析点的温度变化趋于一致，且均在970 h之前温度达到0 ℃以上，完成解冻.从图9中容易观察到，从960 h开始循环不同温度热水，热水解冻存在一个临界点，盾构刀盘从960 h开始解冻， 970 h后温度几乎不再发生改变；1号分析点随着解冻温度的逐渐增加，盾构刀盘的解冻速度逐渐增加，所需解冻时间较短；循环20 ℃～50 ℃热水解冻盾构刀盘，在964 h前，该分析点温度达到0 ℃以上，完成解冻.

(a)路径1上1号分析点的温度空间分布曲线 (b)路径2上1号分析点的温度空间分布曲线图9 不同降温计划下2条路径上1号分析点的温度空间分布曲线

为观察路径上不同观测点的温度发展变化规律，我们对路径1上2号分析点的温度发展进行了分析，如图10所示，分别为10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃和50 ℃的热水温度变化情况，从而观察盾构机刀盘解冻的规律.

(a)路径1上2号分析点的温度空间分布曲线 (b)路径2上2号分析点的温度空间分布曲线图10 不同路径上2号分析点的温度空间分布曲线

路径1上的2号分析点从960 h开始循环不同温度热水，盾构刀盘从960 h开始解冻，分析点温度逐渐增加；在984 h前，该路径的2号分析点随着热水解冻温度的增加，盾构刀盘的解冻速度增加，该分析点最终的温度较高；在984 h时，5组不同温度的热水循环后都没有在2号分析点处有效破解冻土，即在距离盾构刀盘0.3 m范围内的土体皆为冻土.

路径2上的2号分析点与路径1的该点相比，初始温度较低；该路径2的2号分析点比1号路径的相同分析点在相同解冻温度下解冻的速度较快；2号观测点位于距离盾构刀盘0.3 m处，5个实验在980 h前，距离盾构刀盘原点向Z轴倾斜0.9 m范围内的土体是冻土，即水平距离为0.45 m范围内的土体皆为冻土；在984 h时，只有50 ℃的热水循环可有效破解冻土.

通过路径1和路径2不同分析点的相同热水解冻温度场发展的对比，在20～50 ℃范围内热水解冻盾构刀盘都在964 h前于1号分析点完成解冻，完成解冻时差最多相差两小时，20 ℃热水完成解冻的时间为4 h，满足施工的时间需求；考虑土体中具有原始温度，其现场施工环境接近18 ℃，故选用20 ℃，盐水介质无需经过加热或冷却处理，可直接进行解冻，解冻时间为4小时，此可满足现场掘进施工相关准备工作的时间需求.20 ℃热水可高速有效地解冻盾构刀盘，综合考虑施工成本和工期，其性价比最高，因此在该实验中最终选择20 ℃的热水作为解冻盾构机刀盘的温度.由图12所示，20 ℃热水在964 h时温度达到1.67 ℃，高于0 ℃，故最终确定20 ℃热水的解冻时间为4 h.

3.2.2 最佳盐水解冻计划的确定最终确定热水解冻计划的温度为20 ℃，其温度空间分布曲线如图11所示.由图(a)可知，当盐水降温计划在960 h完成时，1～5号分析点的温度在0 ℃以下，此时水平冻结范围为1.5 m，在984 h时，距离盾构刀盘0.3～1.5 m处为冻土；在984 h时，只有1号分析点的解冻温度达到0 ℃以上，该点土体解冻；规定最终盐水降温计划为-10 ℃，经历984 h时，此时2～3号分析点的水平有效冻结范围为0.6～0.9 m的区域.

(a) 路径1上1～8号分析点的温度空间分布曲线 (b)路径2上1～9号分析点的温度空间分布曲线图11 20℃热水解冻计划

由图(b)可知，从冻结10天到40天，冻结帷幕的厚度逐渐变小，期间所有分析点最终达到0 ℃以下，因此从盾构刀盘原点向Z轴倾斜2.4 m范围内的冻土帷幕，其土体是冻土；984 h时，1～7号分析点的温度达到0 ℃以下，因此在竖直方向距离盾构刀盘的最上方形成了0.6 m的冻结帷幕.

图12 1号分析点部分解冻温度的空间分布曲线

4 结 论

运用有限元软件建立盾构刀盘冻结法的数值模型，对2条路径的温度场发展规律进行了对比与分析，并通过分析5个不同解冻温度对盾构刀盘解冻的影响，形成了如下结论.

(1)盾构刀盘对孤石冻结时，在240 h之前的冻结速度较快，之后冻结速度变慢，并在960 h时于水平方向形成1.5 m的冻结帷幕，而在竖直方向于距离盾构刀盘的最上方形成了0.6 m的冻结帷幕.

(2)解冻盾构刀盘的热水温度对温度场变化的影响较大，随着解冻热水的温度升高，解冻的速度越来越快，最终于盾构刀盘附近的温度也升高，且由于1号分析点位于盾构刀盘中心，因此该点最终温度与热水解冻计划的温度几乎一致.

(3)970 h前，在1号分析点处，使用不同热水解冻盾构刀盘的温度均达到0 ℃以上，即该分析点土体解冻；984 h时，在路径2上的2号分析点，只有50 ℃热水解冻盾构刀盘并使其温度达到0 ℃以上，此温度下土体解冻；因此在该实验中，最终选择20 ℃热水作为解冻盾构刀盘的温度，并确定解冻时间为4 h.

(4)本文介绍了一种新型的盾构掘进时固定孤石的方法，可节约时间成本和工期，然而本文是以理想条件下的孤石大小、形状、位置以及周边环境为基础的，因此只能为具体实际工程提供参考.此外，在往后的发展过程中，还可以考虑通过改变盾构刀盘的面积来控制冻结的深度.