具有冷凍功能的盾構刀盤設計

張志國，孫 恒

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構因其施工速度快、對環境影響小、安全等優點而被廣泛地應用在隧道施工中。然而，在盾構開挖隧道過程中，由于刀具不斷切削土體導致刀具磨損、脫落，甚至是刀盤損壞，致使掘進效率降低或者是機器無法繼續推進。常規的刀盤、刀具檢查十分重要，發現刀具磨損和刀盤損壞時，需要及時進行換刀和刀盤維護。在盾構施工過程中，需要定期對刀盤、刀具檢查，必要時需要進行刀盤修復和刀具更換。盾構在富水軟弱地層等不穩定地質條件下進行刀盤、刀具維護時，掌子面可能出現坍塌或突發性的涌水、涌沙，嚴重威脅工作人員的生命健康安全。盾構在開倉換刀時，作業人員面臨掌子面可能失穩帶來的威脅。常用的提升地層穩定性的方法包括降水法、地表注漿法等，但這些方法受到多種條件的限制，并不適合所有地層，其連續性、均勻性、封閉性均不佳，仍存在一定的風險隱患。人工凍結法是一種利用人工制冷技術，在地層鉆孔中布置一系列的凍結管，通入制冷劑（氨-鹽水、液氮等）循環流動，把冷量傳入地層，使得地層凍結，形成凍結壁，增強其抗壓能力的方法[1]。凍結法凍結土體形成的凍土屏障具有連續性好、均勻性好、強度高、封閉性好、綠色無污染等優點，是一種高效、安全的方案。

具有冷凍功能的刀盤是一種在刀盤內部布置凍結管的特殊盾構刀盤，結合凍結法本身的優點，能夠在刀盤周圍形成“凍結圓盤”，充分隔絕地下水，增加土體強度和穩定性，如同創造一道凍土屏障，解決了高水壓、軟弱地層等不穩定地質中盾構安全開倉換刀作業問題。

1 冷凍刀盤的設計

1.1 刀盤冷凍工作原理

盾構刀盤有3 個主要功能，即切削土體、穩控掌子面和攪拌渣土[2～4]。刀盤在工作時直接與掌子面接觸，冷凍刀盤即是通過在刀盤背面布置一定數量的流體通道（無縫鋼管等），將冷凍機及凍結系統輔助設備的低溫鹽水傳遞至隧道掌子面上，冷凍掌子面及其周邊區域。

冷凍刀盤適用于全斷面軟弱地層、含水較豐富地層等地質條件下盾構隧道施工。實驗表明含水、松散土體凍結后抗壓強度明顯提高（圖1），凍結土體性狀類似混凝土。影響凍土強度的主要因素是凍結溫度，土的類型以及土體含水量。以飽和密實砂為例，在-15℃時抗壓強度為3.5MPa，彈性模量為150MPa；-20℃時抗壓強度5.5MPa，彈性模量為280MPa。

圖1 溫度與土體強度關系圖

1.2 冷凍刀盤材質以及部件選型

冷凍刀盤選用材質需要滿足在低溫與常溫之間的交變下，刀盤能夠整體保持足夠的結構剛度、強度等特性。刀盤結構常用材質為低碳合金鋼Q345，其焊接性能較優。Q345 低碳合金鋼分 為Q345A 級、Q345B 級、Q345C 級、Q345D級、Q345E 級。不同等級所代表的主要是沖擊溫度有所不同。Q345A 級：不做沖擊試驗；Q345B級：滿足+20℃常溫沖擊試驗；Q345C 級：滿足0℃沖擊試驗；Q345D 級：滿足-20℃沖擊試驗；Q345E 級：滿足-40℃沖擊試驗。鑒于Q345E 級型號的沖擊試驗的溫度最低，滿足冷凍刀盤的使用溫度，因此刀盤材質選用Q345E，既滿足溫度的要求，又滿足材質的焊接要求。

冷凍刀盤中，滾刀、主驅動、回轉中心等部件均會在低溫與常溫之間的交變下施工，因此在此類存在密封裝置的部件選用密封時需選用耐低溫型密封。

1.3 冷凍管路的布置設計

1.3.1 內外布置式設計

對于小直徑刀盤，冷凍管路可分內外區域進行布置，如圖2 所示，刀盤開挖直徑?4 350mm，冷凍管路共設置3 路通道，刀盤主要分為2 個區域，內部區域布置2 路冷凍管路，外圈區域布置1 路冷凍管路。

圖2 內外布置式冷凍刀盤

該種冷凍管路布置具有預防冷凍刀盤失效的作用，若內外區域存在1 路失效，整體冷凍刀盤依舊能夠保留冷凍功能。

1.3.2 “米”字型布置

對于常規直徑或大直徑盾構而言，由于掌子面區域面積大，同時刀盤冷凍管路布置空間相對充足，可采用米字型設計。冷凍管路布置整體呈“米”字型，分上下層布置，每層各布置2 路，布置圖見圖3。

圖3 米字型冷凍管雙層布置

采用米字型布置，冷凍管路回路較長，熱交換更加充分；冷凍管路分層布置，刀盤冷凍管路分布更加均勻，基本實現了盤面全覆蓋。

2 凍結溫度場模擬分析

以直徑為9 090mm 刀盤為例，考慮到刀盤本身的對稱性，計算模型中簡化刀盤上凍結管的布置為“米”字型，后部為“圓環+米”型，忽略刀盤的細節部分，建立1/4 的刀盤及前盾實體模型見圖4，刀盤的半徑4 545mm，盤面厚度取0.48m，外圈圓筒壁厚取0.5m；凍結管計算模型見圖5，刀盤、凍結管（其中凍結管在刀盤內部）和土體的計算模型見圖6，土體的半徑10m，厚度約為5.5m，高6m，三者相接觸，在土體間3m 處放置刀盤；圖7 為模型的單元劃分圖。

圖4 刀盤及前盾實體模型

圖5 凍結管計算模型

圖6 刀盤及土體計算模型

圖7 模型單元劃分

計算模型的邊界條件設定如下：①地層的初始溫度為20℃；②凍結管的凍結溫度-25℃、-30℃、-40℃三種溫度，不考慮凍結管的自身降溫過程和沿著管長的冷量損失，即直接施加凍結鹽水的溫度；③盾構內部及地層的邊界溫度設定為20℃；④隧道內表面和刀盤內表面設為對流交換界面，空氣對流熱交換系數為500kJm-2d-1℃-1，空氣溫度恒18℃。

計算模型的熱物理參數如表1 所示。

表1 熱物理參數

3 凍結過程溫度場演化及實驗

3.1 溫度場模擬

使用ANSYS 工具，根據對應模型和邊界條件，分別對凍結10 天、20 天、30 天的溫度場進行了模擬。凍深隨時間的增加而變化，數據如表2 所示。

表2 盾構前進方向凍深隨時間變化

3.2 冷量的計算及冷凍換刀

以-30℃下凍結30 天結果為例，設盾構前進方向土體凍結模型為圓臺，底面直徑為10m，高5m，對溫度隨距離變化曲線進行分段擬合，分段積分得凍結土體所需冷量為1.11×107kJ，水所需冷量為4.7×106kJ，刀盤所需冷量為4.3×106kJ，總需冷量為2.01×107kJ（不考慮與空氣的對流損耗）。

使用盾構在富水軟弱地層中進行冷凍試驗，利用螺桿式制冷機組和鹽水循環泵對冷凍管路進行熱交換。鹽水箱使用CaCl2溶液，鹽水泵的冷卻能力為-30℃。制冷機組和鹽水泵持續工作10天進行凍結，泵出水口溫度為-26.7℃，回水溫度為-24.1℃。刀盤掌子面前方0.5m 和0.8m 處布置9 個測溫點，10 天后測得溫度分別為-10℃和-7℃。檢查滿足開倉換刀條件后，如圖8所示，對盾構成功地進行了開倉換刀作業。

圖8 冷凍環境下刀具更換

4 結語

對于富水軟弱地層隧道盾構施工，在刀盤后部布置的凍結管可以在較短時間周期內有效增加凍結的深度，穩定掌子面周邊環境；為了使冷凍效果最大化，小直徑盾構刀盤冷凍管可以采用內外布置式設計，常規直徑和大直徑刀盤可以采用“米字型”凍結管布置方式。作業人員在冷凍環境下進行開倉換刀作業，不僅人身安全得到了保障，同時穩定的掌子面還允許氣閘打開，解除帶壓工作狀態，工作效率得到大幅提升。