凍結法冷凍鋼管片更換盾尾刷技術及溫度場研究

◎李忠虎 蔡超君 馬超 唐天龍 中交第二航務工程局有限公司

盾構法施工由于其自身的安全性高、對周邊環境影響小等優勢在城市地鐵、市政管網等城市隧道建設中應用廣泛[1]。隨著城市的發展，長距離、復雜地質下的盾構施工愈加普遍。較長的掘進距離，將不可避免地增加盾尾刷與盾構管片之間的磨損[2]，導致尾刷的疲勞破壞。因此有必要營造一個良好的尾刷檢修環境。

凍結法相對于傳統的注漿止水工藝具有均勻、封水、柔韌以及高強度等優點，適用于無動水富水地層。凍結法在盾構施工中已有較為廣泛的應用，如用于盾構始發接收時的止水、盾構掘進涌水處理等。在應用于盾尾常規利用冷凍鋼管沿管片徑向打入土體的做法一方面破壞管片的整體性，也導致沿尾刷周圍凍土帷幕的不均勻。此種工藝通過沿混凝土管環徑向鉆孔插入冷凍鋼管，該工藝存在穿透性損壞混凝土管片導致永久性的滲漏隱患、且凍土帷幕環向均勻性差等缺陷。

鋼管片由其自身較高的強度及傳熱效率，可以作為永久管片結構對周圍土體傳熱。本文結合佛山地鐵項目，針對在富水地層中更換兩道盾尾刷的特殊工況，對冷凍鋼管片進行了特殊設計，并通過對凍結帷幕實測溫度的分析，驗證了該工藝的高效性以及可行性。對于后續該凍結工藝的應用具有指導意義。

1.冷凍鋼管片法更換尾刷設計方案

1.1 工程概況

佛山地鐵二號線為單向雙線隧道，采用泥水氣壓平衡復合式盾構機施工。盾尾外徑為6.96m，成型隧道管片外徑6.70m、內徑為6.00m,襯砌厚度為0.35m，環寬1.5m。考慮到施工實際工況，盾體及其內部總重約650t,盾構有四道盾尾刷及一道止漿板。停機位置盾體全斷面位于淤泥質土及淤泥質粉土地層。

盾體停機時已拼裝完成880環，由于磨損較大，尾刷兩腰部漏漿嚴重。為保證止漿效果，進行兩道盾尾刷的更換。由于地層多為富水軟弱地層，滲透系數大，更換盾尾刷施工風險高，因此考慮采用冷凍法加固止水對第一、第二道尾刷進行更換，以在盾尾后方土體形成封閉、均質的凍結帷幕。

1.2 盾尾刷冷凍法更換方案

更換尾刷拆除第880環臨時環，第879環為帶有冷凍功能的鋼管片。在盾尾刷更換前對874～877環進行二次注漿止水。由于聚氨酯的導熱性能較差，為避免影響后續的凍結效果，對878環管片注入厚漿。此外，在沿盾體的8個徑向預留孔注入聚氨酯，使其與盾體四周的地下水反應，包裹在盾體的周圍，起到阻擋泥水艙泥水后竄的作用。同時對冷凍鋼管片進行凍結，直至凍結效果達到設計要求后進行2道尾刷更換。更換尾刷時保持冷凍系統的正常運轉，拆除每環臨時管片，進行尾刷拆裝，配合使用電焊切割，對凍結帷幕具有一定影響。

1.3 冷凍鋼管片設計

冷凍鋼管片作為永久結構，除具有凍結功能，還需要承受圍巖壓力。主要由鋼肋板和圓弧鋼背板組成鋼管片整環由5片鋼管片拼裝成環，其鋼背板的厚度為20mm，沿著環向設置7道用于循環鹽水的凍結鋼管，該7路凍結管路采用“并聯”的方式接入凍結系統。片與片之間通過軟管相連，形成環向回路。主要的設計思路即利用凍結鋼管將冷媒溫度傳遞給鋼管片、進而傳遞給周圍土體以達到凍結目的。在每片管片連接處設置了“盲管”，保證了冷媒凍結管沿環向布置的連續性，進而保證凍結帷幕在整個環向的連續性。

在進行第二道盾尾刷更換時，需要涉及焊接作業，對于維護凍結期間的凍土溫度維持有較高的要求。基于此在沿著盾構掘進方向上、盾尾內部設置了3道凍結管（如圖1），利用其加強冷凍降溫作用，確保鋼管片外土體不因焊接高溫而融化。凍結壁的發展是該工藝的重點。為實時監測凍結帷幕的實際發展情況，在管片圓周設置了五處溫度測點，在各測點處分別沿徑向將1個溫度傳感器插入土體，該溫度計沿土體深度方向設有4個測點。此外為避免熱交換對凍結效率的影響，在肋板腔塞填滿橡塑保溫材料，同時用塑料布將整個鋼管片包裹，減小冷量損失。

圖1 第879環冷凍鋼管片縱斷面圖

為防止最后一道油脂腔里的盾尾油脂、滲漏的水土在凍結期間發生膨脹，而進一步損壞第三、第四道盾刷，在鋼管片背板處對應的位置設置泄壓孔。

1.4 溫度實測

工程上的溫度數據采用沿鋼管片徑向向土體安設測溫孔的方法進行采集，沿環向均勻布設了5 個測溫孔，每根溫度計的測點埋深分別為20cm，40cm，60cm，80cm，100cm。通過對溫度計傳感器的數據監測了解凍結帷幕沿徑向的溫度發展情況。

2.凍結帷幕溫度場分析

2.1 實測溫度場分析

在整個積極凍結及維護凍結期間，對土體的溫度進行了實施監測,沿冷凍鋼管片圓周均勻分布的5處溫度傳感器各深度的測點發展情況相似，該冷凍鋼管片周圍形成了較為均勻的凍結帷幕。整體來看，在積極凍結期間，土體的溫度下降較快，而進入維護凍結后，冷凍土體的溫度平穩地保持在一個相對低位。

其中C5溫度傳感器的60cm深處的傳感測點損壞，且在第積極凍結的第11天～12拆除了該處的隔熱材料試圖修復傳感器。積極凍結開始前六天作業面的風機一直開啟，且對著C4區域；其溫度變化如圖2所示。

圖2 C4處土體溫度隨時間變化曲線

C2 處凍結期間受外界干擾較小，其溫度變化如圖3 所示。對比C4、C2的溫度變化發現，當關閉風機之后，土體的溫度下降明顯。可見此凍結法更換尾刷工藝對于空氣對流較為敏感。

圖3 C2處土體溫度隨時間變化曲線

由圖3可見，隨著凍結時間的增加，土體降溫速度逐漸降低。第19天的深度為600mm處的土體溫度降為0℃左右，凍結體的冷鋒面向外擴展的平均速度約為31.5mm/d。從第12天開始進入維護凍結期間，除淺層土體的溫度略有回升，較深層土體的溫度即使在有動火作業的工況下依舊較為穩定。

2.2 FLAC3D數值模擬模型建立

在凍結工程中，土體的導熱系數及比熱隨著溫度的降低會有一定程度的折減。江帆[3]等研究了淤泥質土層對應不同含水率及在凍融狀態下的導熱系數；李順群[4]《基于凍土比熱的未凍水含量反演算法》研究了土體比熱隨溫度的變化。FLAC3D支持進行熱力模擬，本文主要采用其中的熱傳導模型。通過內置FISH語言，實現對土體單元的遍歷并實時監測各單元溫度，進而實時更新土體單元的導熱系數及比熱，以達到精確模擬的目的。為了便于監測鋼管片周圍土體溫度，對該區域的網格進行了加密。

建立的模型尺寸長×寬×高為20m×25m×39m。由于項目所在地為佛山夏季，地表體感溫度超過30℃、且隧道內環境溫度常年維持在30℃左右，因此整個模型土體的初始溫度設為30℃，模型的邊界面的溫度及隧道管片內壁（除鋼管片）在整個熱模擬期間設置為固定值30℃。在緊貼鋼管片內壁設置了7道并行的環形冷凍管，根據現場實際設計值，其溫度設為恒溫-29℃，作為本次工藝模擬的冷源。凍結冷鋒面的發展速度一般隨導熱系數的增大而減小，隨比熱的增加而增加,且與土體含水率密切相關[5]。

2.3 數值模擬溫度場計算結果

C2處實測溫度與數值模擬溫度的對比，可見數值模擬結果與實測溫度呈現出相近的模式。注意到數值模擬的結果前期溫度下降較快而后期溫度下降較慢，分析其主要原因是土體在凍結的過程中其導熱系數是隨溫度降低而連續遞增的函數、比熱隨溫度降低而遞減。而本次模擬對于此兩種參數的賦值取凍土的中位數值。因此在凍結前期，土體導熱系數比實際大而比熱比實際值小，因此前期溫度下降較快。同理，在凍結后期，土體溫度下降較慢。

積極凍結初期，距離凍結源較近的土體降溫速率較大。當積極凍結進入第六天后，深度200mm處的土體的降溫速率趨于穩定。此時該深度處的土體的溫度為-7℃左右。當土體溫度達到-7℃時其未凍水含量趨于穩定,可見當土體在熱源充足的情況下降溫速率與其中的未凍結水含量密切相關：由于水凍結相變的過程釋放大量潛熱，因此未凍結水含量越多，土體釋放的潛熱越多，其降溫速率較大。而對于其他深度的土體降溫速率同樣較小，分析主要是因為其距離熱源較遠，熱傳遞較慢。

3.設計分析

本次采用等冷凍鋼管片凍結法更換尾刷的工藝，其設計考量的重點主要有三點，即維護凍結效果、凍結帷幕與盾尾的交結量、對流影響。

3.1 維護凍結

整個維護凍結期間更換兩道尾刷，其中第二道尾刷的拆除安裝需采用焊接作業。對整個尾刷更換耗時6天，對維護凍結期間的鋼管片的溫度條件假設，整個維護凍結期間其他時段，鋼管片的前端面溫度假設為30℃，動火時鋼管片前端面溫度150℃，動火作業時間4小時。通過數值模擬及實測，在整個維護凍結期間，凍結帷幕能夠維持較好的低溫狀態。在鋼管片上設置的前三環加強冷卻凍結管能夠高效的阻隔動火作業所產生的熱量。

3.2 凍結厚度選擇

通過FLAC數值模擬發現，當設計凍結帷幕的厚度為300mm時，凍結體的凍結鋒面與盾體的搭接長度為500mm，能夠有效保證凍結帷幕對盾尾的密封性，可以保證整個凍結帷幕對盾尾形成良好的包裹。

3.3 空氣對流分析

為分析空氣對流對冷凍鋼管片的降溫影響，即鋼管片不采取保溫措施與采取保溫措施進行對比分析，發現當不對鋼管片采取保溫措施時，其降溫效率相較于采取隔熱措施時較低。可見本工法凍結效果受空氣對流影響明顯。在現場實際施工時建議用保溫材料塞填鋼管片肋板腔，并對整個鋼管片采用密封布材覆蓋。

4.結語

本文通過對冷東鋼管片法更換盾尾刷的工藝、以及鋼管片的設計進行了介紹。并實測了整個積極凍結及維護凍結期間的凍結帷幕的溫度發展情況，重點對影響凍結效果進行了模擬分析，得到的結果如下：

（1）該工藝下鋼管片周圍土體溫度場與單根冷凍鋼管周圍土體溫度場類似；土體溫度沿深度呈對數曲線分布。

（2）鋼管片前端3根環向加強凍結鋼管的設置對動火作業所產生的熱量具有較好的隔絕效果，保證了該工藝在積極維護期間的可靠性。

（3）該工藝對受空氣熱對流影響明顯，施工過程應加強鋼管片的隔熱密封處理。

（4）凍結壁厚度設計為300mm時，凍結體與盾體尾部的包裹量為500mm，整個凍結帷幕能夠可靠地對盾尾進行包裹，保證施工安全。