盾構刀盤和盾體的凍結壁設計與分析

徐灃， 孫紹哲， 劉賀江， 張睿智

（遼寧三三工業有限公司，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

盾構法施工以其在復雜地質環境、安全質量、環境保護等方面的優越性，廣泛應用于地下隧道建設中［1］。隨著地下空間的開發，構建筑物密度也在逐漸提升，利用刀盤直接穿越既有結構樁基的情況越來越多［2］。為保證安全，需進行開艙檢查、更換刀具。穿越前往往能夠選擇合適位置從地面進行隧道加固，滿足開艙檢修、換刀條件。但穿越過程中因受限于地面構建筑物情況往往較難實施。盾構冷凍是采用在刀盤、盾體內部布置冷凍管并通入制冷劑循環流動，把冷量傳入地層，使得地層凍結形成凍結壁［3］，進而增強地層抗壓能力的方法。能夠有效解決穿越過程中的隧道加固問題，為安全換刀提供保障，解決了截樁過程中存在的加固難，換刀難問題。

凍結法作為地下空間的一種加固方法，已經十分成熟［4］。在凍結壁設計方面，趙捷等［5］通過ANSYS軟件建立數值模型，研究了凍結帷幕在設計凍結溫度和厚度下的受力性能。胡俊等［6］運用ADINA數值模擬軟件，對采用杯型水平凍結法的凍結帷幕溫度場進行研究，結果表明采用該工法凍土帷幕厚度能夠滿足規范要求。

從上述學者的研究中看出，凍結壁設計研究主要集中在聯絡通道領域，對刀盤、盾體直接凍結形成的凍結壁研究較為薄弱，文中通過凍結壁受到水土壓力和刀盤、盾體支撐時的受力確定出合理的凍結壁厚度，并結合數值分析找出換刀危險點，為開艙換刀提供理論依據。

1 工程概況

沈陽地鐵4號線沈陽北站-皇寺廣場站區間采用盾構法施工，盾構在到達四號線沈陽北站站前需下穿既有二號線沈陽北站站，區間結構與既有車站圍護樁位置相沖突，需截斷共計約39根樁基，因車站影響，截樁區不具備地面直接加固條件。

盾構直接穿越樁基時極易因混凝土的沖擊和鋼筋的拖拽產生崩刃和異常磨損現象［7］，造成在穿越樁基過程中存在換刀情況。但因站臺主體結構和客流影響，不具備地面加固條件。為順利穿越截樁區，保證開艙時土體的穩定，采用盾構冷凍作為截樁時開艙換刀的加固措施。

2 刀盤、盾體結構設計

刀盤設計為面板+輻條復合式直角刀盤，保證砂礫地層開挖穩定同時，可在面板上合理增加切樁刀具。在礫砂地層掘進時，減小面板尺寸寬度有利于渣土流動及建立土壓，刀盤設計時盡量采用大開口率［8］，適合沈陽地區礫砂地層掘進，渣土流動性好。刀盤結構見圖1。

圖1 刀盤結構

刀盤為4主4副輻條結構，利用本身結構特點，將刀盤分為4個冷凍區，循環鹽水進出管路接口集中布置于刀盤背部中心位置。刀盤結構各板材間夾層作為冷凍腔體，各冷凍腔體采用鋼管連接，冷凍腔面積4.4m2。

輻條刀盤因開口較大，需在不易形成凍結交圈的開口位置針對性加焊凍結管，形成額外凍結腔，位置見圖2，提高形成的凍結交圈質量。

圖2 補充凍結腔位置

盾體結構采用常規環形結構，凍結管布置在盾殼內壁上，成環形布置，盾體凍結腔總長度32.4m，冷凍面積4.8m2土艙具備土艙隔板。

3 刀盤、盾體凍結壁設計

通過在凍結腔中循環-28～-30℃低溫鹽水，刀盤、盾體外表面溫度與鹽水溫度有大致相同的降溫趨勢，使外表面形成溫度較低的圓盤形凍結壁［9］見圖3，凍結壁可預防刀盤周圈、掌子面土體坍塌，并隔絕水流，為開倉換刀提供條件。

圖3 凍結壁輪廓

研究凍結法設計的許多學者都采用基于強度條件設計的Lame公式與Domke公式進行計算凍結壁厚度［10］，但因區間使用刀盤與盾體凍結部分長度僅為3.3m，所以不太適合，而其他的計算厚度方法因公式參數較多求解困難也不適合在工程實際應用中應用。故結合凍結壁實際受水土壓力情況，采用建立數值模型計算強度的方式來確定合理的凍結壁厚度。

3.1 水土壓力情況

根據地質勘察資料，沈陽北站盾構開挖直徑6.28m，截樁段隧道覆土厚度約27m，盾構穿越地層為為⑤4礫砂地層，該段地下水位位于隧頂上約14m。地質情況見圖4，地層信息情況見表1。

圖4 盾構截樁段地質縱剖面

表1 地層信息

淺埋盾構隧道按照松散荷載理論來確定土荷載可以滿足設計需要［11］，凍結壁所受載荷主要為外部土壓力和水壓力，采用水土分算方法進行計算，圍巖壓力一般呈梯度均分布在凍結壁外。

考慮區間隧道斷面洞身范圍主要為⑤4礫砂地層，故采用太沙基松弛土壓力計算公式進行計算。

（1） 確定覆土等效埋深。計算隧道上方塌落拱高度h0：

塌落拱高度高度h0=6.94m≤2D

式中，D為刀盤開挖直徑，D=6.28m。故隧道拱頂土壓力按照12.5m覆土進行計算。

（2） 水土壓力計算。

凍結壁受力情況如圖5所示，盾構受力以水土合力為主。

圖5 凍結壁受力截面

凍結壁在水、土壓力作用下發生變形，使凍結壁向地基位移，產生地基反力q3，在凍結壁水平直徑上下各45°范圍內分布。由于凍結壁內部有盾構機盾殼作為支撐，水平位移量較小。此處簡化計算不予考慮。

3.2 數值模型

建立刀盤、盾體數值模型，刀盤與盾體距離較近，將刀盤、盾體整合為一個模型。刀盤直徑6.28m，整體長度3.3m，刀盤、盾體采用碳鋼Q355E材質。

建立凍結壁、土體模型，凍結壁和土體均采用采用理想彈塑性本構關系和Drucker-Prager屈服準則進行數值模擬［12］。

凍結壁材料選取凍結礫砂，根據相關試驗資料［13］，選取-10℃凍結礫砂地層物理學參數如表2所示。

表2 凍結地層物理參數

對數值模型采用四面體網格進行劃分，網格采用4面體劃分如圖6所示。

圖6 數值模型網格劃分

進行凍結時，盾構機驅動及主推系統需停機，刀盤、盾體相對于土體處于靜止狀態，凍結壁主要位于刀盤和盾體前部位置，刀盤、盾體因自身強度、剛度較高，在土體擠壓條件下變形量相對較小。因此在數值分析時，可將刀盤、前盾作為凍結壁的支撐體，其凍結壁厚度可相較于聯絡通道凍結壁的1.6～2m［14］范圍適當減小，預設刀盤前方凍結壁厚度為1m，盾體周邊凍結壁厚度為1m，并進行數值分析驗證。

3.3 數值分析

數值分析時對土體模型底部、刀盤和盾體模型外表面施加固定約束，土體四個立面施加輥輪約束。凍結壁主要受頂部水土壓力、底部支撐力、側向以深度為自變量線性增加的水土壓力以及掌子面以深度為自變量線性增加的水土壓力。

刀盤、盾體形成的凍結壁的應力云圖見圖7。對應力云圖的分析顯示，位于刀盤掌子面的凍結壁與刀盤結構開口接觸的位置、與刀盤外圍板接觸位置存在不同程度的應力集中現象。開口位置應力集中范圍主要在刀盤上半部分，最大應力出現在輻條近外圓環的翼板位置，最大應力為1.2MPa，開口位置應力較大主要原因在于刀盤開口位置無面板支撐，凍結壁在水平水、土合力的加載下具有內陷趨勢，主要受到刀盤框架帶來的剪切應力影響；與外圍板應力集中則在凍結壁內側角部位置，最大應力出現在頂部尖角位置，最大應力為3.5MPa。內側角部應力較大主要原因在于凍結壁環形部分在刀盤、盾體支撐下基本受外力影響較小，但掌子面前方凍結壁由于無相應支撐而呈懸臂狀態，受到垂直、水平水土壓力的壓力和彎矩影響整體呈向下栽頭趨勢，所以在容易發生應力集中的尖角位置顯得相對薄弱。

圖7 凍結壁應力云圖

刀盤、盾體形成的凍結壁的位移云圖見圖8。對位移云圖的分析顯示，凍結壁位移主要出現在凍結壁外側兩肩部位置，垂直方向約呈45°，影響厚度約0.5m。隨著凍結壁與刀盤距離越遠，位移量越大，最大位移量為1.27mm。外側兩肩部位移量較大原因在于土體的垂直方向水土壓力在凍結壁和盾構支撐下沿環面向兩側分散，受此剪切力的影響土體沿環面向下塌落趨勢逐漸明顯，在凍結壁肩部位置達到最大，后續由于受到凍結壁底部土壓力的影響而逐漸減小，最終在腰部位置達到平衡，位移量降至最低。

圖8 凍結壁位移云圖

4 換刀分析

從應力方面分析，雖然凍結壁在刀盤開口以及外圍板前端位置產生應力集中但最大應力僅為3.5MPa，凍結壁強度為8.34MPa，安全系數為2.4。且在刀盤外圍板位置，為增加刀盤耐磨性，需補充焊接耐磨材料，耐磨材料與外圍板呈圓滑過渡致使此位置凍結壁應力集中現象會相應減弱。

從位移方面分析，最大位移量僅為1.27mm，相對于凍結壁整體厚度較小，且位移主要發生在凍結壁外側范圍內，受影響凍結壁厚度約為0.5m，對于凍結壁內側的換刀工作影響較小。

所以刀盤、盾體凍結壁采用水平方向1m、垂直方向1m厚度能夠滿足換刀要求。結合凍結壁受力情況及數值分析結果建議換刀順序如下：

（1） 優先更換刀盤頂部靠近外側刀具：刀盤外側刀具相對內側而言受扭矩大、運動線速度高，因而更容易發生磨損，同時，此位置為凍結壁強度最薄弱點，長時間開艙情況下，容易因凍結壁融化發生涌水、土體塌落現象，所以此位置刀具需優先更換。

（2） 刀盤開口位置刀具更換優先級高：刀盤面板能夠提升刀盤整體強度、為刀箱提供安裝空間同時能夠支撐掌子面，但由于面板會阻礙渣土流動，導致面板位置易堆渣進而加劇此位置的刀具磨損，尤在刀盤開口、面板較寬位置，磨損更為劇烈。同時因凍結壁受到刀盤體剪切應力作用，所以此位置刀具更換優先級高。

（3） 刀盤底部刀具更換可適當延后：軟弱地層掘進時，刀盤底部通常會存有不低于土艙高度1/3的渣土，能夠起到支撐掌子面的作用。同時進行底部換刀時需預先開艙對底部渣土進行清理，開艙時由于隧道內空氣對流不利于凍結交圈形成，影響凍結壁質量，所以底部刀具更換時機相較其他風險更高位置應適當延后。

（4） 注意換刀過程安全措施：從理論分析來看，在凍結壁內進行換刀是安全的，但從實際施工角度出發，換刀過程中仍應在凍結壁外圍尖角、刀盤開口位置進行支撐。

5 結語

（1） 文中首先介紹了沈陽地鐵4號線沈陽北站-皇寺廣場站截樁工況，在不具備地面加固條件，穿越風險源過程中需更換刀具的情況下，可采用盾構凍結法作為地層緊急加固措施。

（2） 結合區間地層信息，設計適合區間礫砂地層掘進并能夠實現凍結功能的刀盤、盾體，在此基礎上進行凍結壁設計、分析。

（3） 通過對比已有的凍結壁厚度計算方法，結合沈陽北站截樁區實際工況、地勘報告及凍土物理性能指標，采用凍結壁受力計算加數值分析驗證的方法確定合理的凍結壁設計厚度，刀盤、盾體凍結壁采用水平方向1m、垂直方向1m厚度是能夠滿足換刀要求。

（4） 根據分析結果，進一步給出在凍結壁內部開艙換刀的優先級，為工程實際應用提供指導意見。

在后續的研究工作中，可進一步分析凍結壁形成過程中的溫度場以及開艙對于刀盤掌子面凍結壁的影響，為盾構本體實施凍結提供更多設計依據。