盾构冷冻刀盘开仓技术研究

庄国清

随着中国经济飞速发展，各大城市地铁隧道、给排水隧道、电力隧道、综合管廊等越来越多采用盾构法施工，受限于城市复杂的地下空间及地质环境影响，盾构设计上采用大埋深、高水压、软弱地层、上软下硬等复杂地层段也逐渐增多，在复杂地层段盾构开仓困难、风险性极高，为克服这一难题，我司研发并采用盾构冷冻刀盘开仓技术，保障盾构开仓换刀的安全。本文主要介绍冷冻刀盘开仓技术应用研究。

盾构冷冻刀盘开仓技术的应用，扩大盾构机的适应范围，解决大埋深、高水压、软弱地层等复杂地下环境中盾构开仓换刀的瓶颈，突破了常规的气压开仓、常压开仓的极限工作压力，将成为高水压力环境下安全、高效开仓的有效技术方案。该项技术开辟了安全开仓的新途径，与常规的气压开仓、常压开仓技术相比，有更高的安全可靠性、更广泛的适应性、更高的工作效率，大大降低开仓换刀的风险，有良好的经济效益、社会效益。

一、冷冻刀盘开仓背景及工艺流程

某项目盾构隧道线路长，局部灰岩突起且岩面强度高，隧道线路拱顶主要是以软弱地层为主，隧道中下方以灰岩为主，为典型的上软上硬地层，且隧道沿线地下水丰富，与附近河涌有水力联系，根据以往的施工经验，灰岩地层对于盾构刀盘刀具的磨损具有不确定性，因此存在上软下硬或全断面软弱地层中开仓换刀的可能性，采用常规的气压开仓方式在全断面软弱地层中难以保压，预加固在富水地层中质量难以保证且地面无征地条件，无法进行开仓作业，故在本项目中创新性的使用冷冻刀盘开仓技术，对刀盘进行改造，增加冷冻管路，使其具备冷冻功能，形成冻土屏障隔绝地下水，确保开仓换刀施工安全与质量。

冷冻刀盘开仓技术工艺流程：盾构掘进至开仓位置、冷冻设备进场组装、刀盘前埋设测温点→停机保压及冷冻管路连接→冷冻开始→土仓置换介质→继续冷冻至达到效果→开仓条件验收→开仓清理冻土→开仓换刀→关闭仓门、拆除冷冻设备、恢复掘进。

二、冷冻设备

由于隧道内空间受限，冷冻刀盘开仓的冻结设备采用定制的一体化冷冻设备，该设备体积较小，可放置于隧道内盾构机配套台车后方，跟随盾构掘进前行，避免长距离的冷冻管路连接，便于快速应对冷冻期间各种情况，提高冷冻施工效率。

一体化冷冻设备包括：水冷螺杆式冷冻机组、半封闭式双螺杆压缩机、壳管满液式蒸发器、壳管式冷凝器、外置立式二次油分、管壳式油冷却器、彩色液晶显示控制系统、制冷剂、润滑油等。

三、土仓置换介质

在进行冷冻管路连接后，即可开始冷冻施工。如若直接将盾构机土仓内刀盘切削下来的渣土及泥浆等介质冷冻，在开仓时就需要花费大量时间及费用清理该部分冻土，在冷冻刀盘开仓法实施过程中，将土仓内的渣土及泥浆置换成空气，节约冷冻刀盘开仓过程中的施工工期及成本。

盾构土仓内置换介质施工是在合理控制土仓压力的上、下限值保证掌子面稳定基础上，通过二级置换程序：第一级先将膨润土浆液置换土仓内渣土和泥浆混合浆液，第二级再利用气体置换土仓内膨润土浆液。置换施工主要特点：缩短开仓过程中清理冻土的时间，提高开仓换刀效率；二级置换保证过程中的良好过渡，同时避免冻结过程中土仓内介质冻胀压力破坏主轴承密封；设定合理的土仓压力上限和下限值，保证施工过程中不出现掌子面塌陷、地面沉隆超限；在介质置换过程中根据土仓内压力的变化判断土仓内介质冻结情况，掌握冻结交圈形成时间点，合理设定介质置换的时间。

冷冻刀盘土仓内置换介质流程：设定土仓上限值及下限值后开始冷冻→膨润土浆液调配及置换土仓内渣土与泥浆混合浆液→继续冷冻形成冷冻交圈→气体置换土仓内膨润土浆液→继续冷冻至达到加固效果→泄压、进仓、凿除冷冻交圈等少量冻土→进仓作业。

四、冷冻开仓作业

1.开仓前冻结验收条件

在冷冻刀盘开仓前，需满足以下冷冻验收条件，方可进仓作业：

（1）冷冻壁的厚度满足要求，一般需达到0.5~1m；

（2）冷冻体平均温度低于-10℃；

（3）冷冻单点温度低于-2℃；

（4）冷冻设备运转正常且留有备用。

（5）冷冻土仓中部放水不出现连续出水；

（6）冷冻开仓施工所需人、料、机、工具等准备就绪，已完成相关安全、技术交底。

2.冷冻开仓清理及换刀

为保证冷冻刀盘开仓安全，要求开仓换刀尽可能在最短时间内完成，减少作业风险。根据盾构机刀盘结构及刀具分布，将土仓分上中下三个区域进行清理，开仓清理和换刀原则：由上自下逐层清理冻土，清一层换一层。刀盘开口在满足换刀空间的情况下尽可能少清理，主要以清理刀盘辐条和面板背后的冻土为主。因冷冻过程已置换介质，土仓内冻土较少，主要是附着在刀盘或者牛腿上的少量冻土，清理工作量小。

五、冷冻监测

为保障冷冻刀盘开仓施工安全，必须进行全过程的冷冻监测，冻土帷幕重要状态参数：冻结壁厚度、冻土强度、冻土温度、冻土发展速度等均需通过实测获取，开仓前及开仓过程中的安全状态都依靠实测数据决定，因此需对冻土帷幕形成过程进行实时监测，监测系统每小时自动测量并存档一次数据。

冷冻刀盘监测内容如下：

（1）冻结温度场监测：通过盾构机中隔板及地面分别植入测温器起进行监测。在盾构机刀盘前方1m及左右1m范围内布设测温点，通过监测冷冻过程温度的变化，从而掌握冻土的发展情况，确认冻结效果达到常压开仓条件。距离刀盘前方0.5m、1m处各埋设一排测温孔，在刀盘左右0.5m、1m处各埋设一个测温孔，用以监测冻土在刀盘纵横断面方向上的发展情况；

（2）盐水箱温度监测：了解盐水干管冷量损失的重要指数，并及时调整冷冻机供冷量，保证冻结效果。设计最低盐水温度为-28~-30°C，通过在盐水箱内放置单点探头，监测盐水箱内盐水温度；

（3）冻结器头部（去路、回路）温度的监测：冻结管去回路温差不大于2℃；

（4）冻结管壁温度监测：测试管壁温度了解冷冻情况；

（5）水位监测：在冷冻期间加强刀盘附近的水位孔监测，把控周边环境水位情况以分析冷冻情况；

（6）地表监测：盾构刀盘前方20m和后方20m共40m的范围内进行地面监测，及时掌握地面的沉降情况，并设立沉降为10mm的警戒值，当达到警戒值时需立即启动应急预案，并分析沉降值过大的原因，采取措施，及时的控制沉降，保证盾构机及地面的安全。同时对周边建筑物进行实时监测，并密切跟进停机期间的盾构姿态变化情况。

六、相关风险及措施

（1）冷冻刀盘开仓技术需考虑的风险之一是冻胀融沉的问题。冻胀形成，一般先是土层中孔隙水结冰产生基本冻胀，水变成冰其体积约增加9%，而土体冻胀量约为 3%。冻土中未冻水由于颗粒表面能的作用，使未冻水与冰间保持动态平衡，温度再降低时未冻水以冰的形式出现。理论上一般认为冻胀主要由于冻结过程中土层冻结峰面水分的迁移，并结晶形成冰夹层，使体积增大很多。黏土中由于冻胀中产生的孔隙水压力逐渐消失时，引起冻土融沉，从而导致地表沉降或隆起、盾构刀盘及土仓变形、破坏主轴承密封等。

解决措施：采用二级置换土仓内介质，第二级置换采用气体置换土仓内膨润土浆液，气体冻胀融沉量小于渣土及泥浆，且气体能提供冻胀融沉的凌空面空间，可以释放应力，将很大程度减少冻胀融沉引起的沉降 。

（2）冷冻刀盘开仓技术需考虑的风险之二是维持冻结期间停水、停电、设备故障等导致无法维持冻结，易造成胶结面融化而漏水，加固失效、人员进入土仓淹没等问题。

解决措施：必须配备一套备用电源及冻结设备，储存满足循环水水量备用。

（3）冷冻刀盘开仓技术需考虑的风险之三是土仓内人员身体出现不适、冻伤，低温环境下工作可能出现作业人员身体不适或不小心触碰金属冷冻体冻伤皮肤等问题。

解决措施：进仓人员必须持有体检证明合格及穿戴合格的防冻服方能进仓，穿戴防冻服避免皮肤直接与低温物体表面接触产生的伤害，低温防冻服配套的液氮鞋采用靴子的高样式，使保暖效果更好。

七、结语

盾构开仓换刀是盾构工程施工风险最大的工序之一，如何控制开仓风险是目前业界盾构施工最关注的难题之一。本文针对这一关键问题提出盾构冷冻刀盘开仓施工技术，从冷冻设备、土仓置换介质、冷冻开仓作业、冷冻监测、相关风险及措施等方面介绍该技术。盾构机冷冻刀盘开仓施工技术的成功运用，丰富了高水压、软弱地层及复杂地层中盾构开仓换刀技术，有效弥补预处理常压开仓换刀与气压开仓换刀的不足，填补了市场的空白，大大地提高盾构开仓换刀安全性。