凍結(jié)法盾構(gòu)直接破除孤石過程中土層溫度場變化的規(guī)律

陳 璐，劉文博，高 林，王志鑫，胡 俊

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2.海南華昌旅游開發(fā)有限公司，海南 ?？?571533；3.海南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，海南 ?？?570206)

近年來，我國正在廣泛地進行地鐵建設(shè)，極大地緩解了城市交通擁擠的壓力，為人們出行提供了便利，從而大幅度提高了居民的生活質(zhì)量.但是在我國東南部沿海城市的黃崗巖地層中會存在大小不一、形狀各異的孤石[1]，孤石的強度同周圍地層存在較大差異，掘進時盾構(gòu)主軸無法固定，容易滾動，造成盾構(gòu)機在掘進過程中發(fā)生轉(zhuǎn)向和偏離隧道軸線，給盾構(gòu)隧道的開挖帶來了極大的困難，也給周邊建筑的安全造成威脅.

針對孤石對盾構(gòu)掘進危害的類型，目前國內(nèi)外常用的孤石處理方法如下：1、盾構(gòu)機直接掘進以破除孤石[2]；2、豎井開挖來排除孤石[3-6]：在開挖過程中直接將孤石從豎井內(nèi)取出，但是此方法操作空間大，會對土方開挖破除，造成嚴重經(jīng)濟損失；3、地面預(yù)處理以破除孤石：一般使用地面鉆孔爆破[7-8]、人工挖孔樁[9-11]、沖孔樁[12-14]等方法，但是這些方法工期長，作業(yè)工序繁瑣、人工費高且存在安全風險，施工噪聲大、地層影響大且盾構(gòu)機方向不易控制；4、采用新型機械裝備對孤石進行處理[15-19]：對孤石進行處理，施工快捷有效，但工程機械費用較高；5、采用盾構(gòu)機直接掘進來破除孤石：提前采用注漿或凍結(jié)[20]等措施固定孤石，然后破除，該方法需要滿足兩個條件：一是盾構(gòu)機刀具必須具備足夠的破巖能力；二是在切削過程中，孤石必須處于固定狀態(tài)，使其在盾構(gòu)機刀盤轉(zhuǎn)動時不隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動.目前常規(guī)的做法是從地面打孔注漿[21]或垂直凍結(jié)[22-23]，但這兩種方法費用較大，且地表需要圍擋，不但阻礙交通，而且施工期長.

為了克服上述缺點，胡俊[24]提出了一種盾構(gòu)機直接推進并通過孤石的凍結(jié)裝置及其施工方法，無需從地面對孤石進行注漿或凍結(jié)固定，而是直接在洞內(nèi)盾構(gòu)機前方對地層進行凍結(jié)加固，形成凍土帷幕，從而對孤石進行固定，之后盾構(gòu)機直接掘進施工來破除孤石.本文以這種新工法為工程背景，對其中關(guān)鍵的人工凍結(jié)技術(shù)展開了研究，同時運用有限元軟件ADINA建立了數(shù)值模型，并對盾構(gòu)刀盤凍結(jié)裝置在積極凍結(jié)、維護凍結(jié)和解凍過程中溫度場的發(fā)展與分布規(guī)律進行了分析，所得結(jié)果可為今后實際工程的設(shè)計和施工提供參考依據(jù).

1 新工法簡介

圖1 一種盾構(gòu)機直接推進通過孤石的施工方法示意圖

1.1 概述本文基于胡俊提出的“一種盾構(gòu)機直接推進并通過孤石的方法”，運用凍結(jié)法對孤石進行固定，保證了施工的進度、質(zhì)量和安全，如圖1所示.新工法的施工步驟為：步驟一、盾構(gòu)機到達孤石位置，將盾構(gòu)機的刀盤頂住孤石；步驟二、利用盾構(gòu)機刀盤上裝配的凍結(jié)裝置開始凍結(jié)，積極凍結(jié)后使盾構(gòu)機刀盤和盾構(gòu)機前方土體形成凍土帷幕并固定住孤石；步驟三、利用盾構(gòu)機刀盤上裝配的凍結(jié)裝置，以5種不同溫度的熱水解凍盾構(gòu)機的刀盤，至盾構(gòu)機的刀盤能夠轉(zhuǎn)動為止；步驟四、盾構(gòu)機直接掘進來破除孤石.

凍結(jié)裝置裝配在刀盤上，布置在盾構(gòu)機的刀盤和機體中，凍結(jié)裝置包括了刀盤凍結(jié)管路和盾體凍結(jié)管路，其中刀盤凍結(jié)管路分布在被盾構(gòu)機的刀盤分割成的四個區(qū)間內(nèi)，凍結(jié)裝置利用鹽水作為凍結(jié)法的冷媒介質(zhì)，每個區(qū)間布置獨立的凍結(jié)冷媒介質(zhì)進出回路，凍結(jié)冷媒介質(zhì)進出回路與盾體凍結(jié)管路相連通；刀盤凍結(jié)管路由異型鋼管組成，是由φ89 mm×8 mm的鋼管制作而成，從鋼管2/3截面處剖開，即將2/3斷面鋼管與刀盤體焊接，形成刀盤凍結(jié)管路，凍結(jié)裝置如圖2所示.

a) 剖面1 b)剖面2圖2 凍結(jié)裝置示意圖

圖3 施工工藝流程圖

1.2 有益效果該盾構(gòu)機結(jié)合凍結(jié)法直接推進并進行通過孤石的施工，這使得工藝操作簡單，而且原地固定孤石，不需要占用地面空間，既節(jié)約了工程的時間和成本，又對環(huán)境擾動小，因此具有較大的推廣價值.

通過研究基于凍結(jié)法的盾構(gòu)在直接破除孤石過程中土層溫度場的變化規(guī)律，總結(jié)出最佳熱水解凍溫度和解凍時間，有利于縮短工期，高效施工；通過對數(shù)值結(jié)果的分析與總結(jié)，可觀察出有效凍結(jié)區(qū)域，這可為今后相關(guān)的實際工程提供參考依據(jù).

1.3 施工工藝流程新工法施工工藝流程為：盾構(gòu)機正常掘進→盾構(gòu)機到達孤石，刀盤頂住孤石→凍結(jié)裝置積極凍結(jié)→凍土帷幕形成并固定住孤石→凍結(jié)裝置熱水解凍→刀盤轉(zhuǎn)動→盾構(gòu)機直接掘進并破除孤石，如圖3所示.

2 數(shù)值模型的建立

圖4 模型幾何尺寸及網(wǎng)格劃分示意圖(單位：mm)

2.1 溫度場數(shù)值模擬的基本假定(1)為研究盾構(gòu)機通過孤石時工層溫度場的發(fā)展規(guī)律，本研究假定模擬范圍內(nèi)的地層變化具有連續(xù)性、均勻性、各向同性和小變形性；(2)假定土層原始地溫為18℃(地層溫度隨著深度的增加而增加)；(3)各個熱物理參數(shù)分層穩(wěn)定，忽略了傳熱過程中水分遷移的影響；(4)忽略孤石的熱力學(xué)參數(shù)與周圍土體的差別對模型溫度場的影響；(5)孤石的穩(wěn)定程度和土體的凍結(jié)溫度有關(guān)，其中，-1℃時土體開始趨于穩(wěn)定，其等溫線包絡(luò)區(qū)域為最大凍結(jié)區(qū)域；-10℃時形成凍土帷幕，其等溫線包絡(luò)區(qū)域為最小凍結(jié)區(qū)域.

2.2 數(shù)值計算幾何模型該溫度場三維計算模型采用帶相變的瞬態(tài)導(dǎo)熱模型，其幾何尺寸為：縱向長度(X軸方向)×橫向方向(Y軸方向)×垂直高度(Z軸方向)=12 m×8 m×12 m.并將土體進行網(wǎng)格劃分，該土體采用九節(jié)點網(wǎng)格劃分格式，每個網(wǎng)格邊長為0.5 m，網(wǎng)格劃分后的計算模型如圖4所示.假定模型周圍土體溫度為18 ℃，邊界條件為一般絕熱，土體溫度差對模型模擬影響忽略不計.

2.3 計算模型參數(shù)選取本模型的材料參數(shù)見表1.幾何建模時，通過Boolean運算將盾構(gòu)機實體從整體模型中減掉，剩下盾構(gòu)刀盤凍結(jié)表面，以刀盤凍結(jié)表面為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載.

表1 土體材料參數(shù)

積極凍結(jié)期間鹽水降溫計劃見表2，根據(jù)此降溫過程，規(guī)定凍結(jié)時間步為40 d，每步時間長為24 h.

表2 凍結(jié)管鹽水降溫計劃

圖5 路徑及測溫點選取的示意圖

2.4 觀察路徑的選取及觀測點的確定為了解盾構(gòu)機凍結(jié)刀盤及其周圍土體在凍結(jié)過程中其溫度發(fā)展的變化規(guī)律和盾構(gòu)機刀盤在解凍結(jié)過程中其溫度發(fā)展的變化規(guī)律，在凍結(jié)裝置中于刀盤處安裝了異形凍結(jié)管，并在X=6 m的剖面上選取了2條具有代表性的路徑來進行觀測：盾構(gòu)機在破除孤石的過程中，沿著前進方向的土體，其溫度變化至關(guān)重要，選取路徑1在Z=0 m的軸線上，路徑上每隔0.3 m設(shè)置一個測溫點，設(shè)置有8個測溫點；在盾構(gòu)機刀盤掘進過程中所切削的土體范圍內(nèi)，平行中心點線方向的土體溫度變化也是本工藝能否成功破除孤石的重要因素，為了觀察研究在前進方向和平行中心點線方向土體溫度的變化規(guī)律，選取了路徑2，并使其與Y軸形成60°角，路徑上每隔0.3 m設(shè)置一個測溫點，設(shè)置有9個測溫點.路徑圖選取如圖5所示.

2.5 解凍規(guī)律研究方案為節(jié)約工程的時間和成本，本文研究了刀盤凍結(jié)裝置在不同溫度熱水解凍時的溫度場發(fā)展與分布規(guī)律，并選取最佳的解凍時間，使凍結(jié)刀盤及其周圍的土體解凍，至刀盤可以轉(zhuǎn)動，其鹽水解凍實驗計劃見表3.

表3 解凍溫度計劃

3 溫度場數(shù)值計算的結(jié)果分析

3.1 溫度發(fā)展規(guī)律

3.1.1 積極凍結(jié)和維護凍結(jié)的情況為了研究盾構(gòu)機刀盤凍結(jié)溫度場的發(fā)展規(guī)律，我們按照凍結(jié)管鹽水降溫計劃，對溫度場數(shù)值模型進行了分析計算，得到凍結(jié)過程中不同時間的相同剖面(時間分別選取1天、10天、20天、30天、40天、41天)的溫度場發(fā)展云圖以及-1℃和-10℃的等溫線圖，如圖6所示.從圖6可以看出，凍結(jié)10天時，在盾構(gòu)刀盤處已經(jīng)形成封閉的凍土帷幕；凍土帷幕以盾構(gòu)刀盤為中心，深度隨著凍結(jié)時間的增加逐漸變大；凍土帷幕在20天時已經(jīng)形成較大的凍土帷幕，然而此時凍土帷幕的強度和厚度還沒有達到設(shè)計的要求；積極凍結(jié)30天時，基本形成了較為完整的凍土帷幕；到積極凍結(jié)40天時，凍土帷幕繼續(xù)擴大，此時已經(jīng)形成一個完整的性能穩(wěn)定的凍土帷幕；在積極凍結(jié)的前30天，凍土帷幕變化速率較大，之后速率變化較小.

(a)凍結(jié)1天時溫度場發(fā)展云圖 (b)凍結(jié)10天時溫度場發(fā)展云圖(c)凍結(jié)20天時溫度場發(fā)展云圖(d)凍結(jié)30天時溫度場發(fā)展云圖(e)凍結(jié)40天時溫度場發(fā)展云圖 (f)凍結(jié)41天時溫度場發(fā)展云圖圖6 凍結(jié)管鹽水降溫計劃的溫度場發(fā)展云圖和等值線圖

3.1.2 解凍方案1的情況為了研究盾構(gòu)機刀盤解凍溫度場的發(fā)展規(guī)律，本研究選取了實驗1的解凍計劃，對上述模型進行了數(shù)值計算及分析，得到解凍過程中不同時刻的相同剖面(時間分別選取4 h，8 h，12 h，16 h，20 h，24 h)的溫度場發(fā)展云圖以及0 ℃和-1 ℃的等溫線圖，如圖7所示.從圖7可以觀察出，在鹽水解凍4 h時，凍土帷幕解凍速度較快，帷幕解凍面積較大，盾構(gòu)刀盤處基本解凍；鹽水解凍8 h時，凍土帷幕解凍面積變化不大，基本沒有改變；凍土帷幕以盾構(gòu)刀盤為中心，解凍深度隨著凍結(jié)時間的增加逐漸變大，8 h后解凍深度基本沒有變化；經(jīng)過維持10 ℃ 8 h的鹽水解凍計劃，盾構(gòu)刀盤處的凍土解凍完成.

(a)解凍4 h時溫度場發(fā)展云圖 (b)解凍8 h時溫度場發(fā)展云圖(c)解凍12 h時溫度場發(fā)展云圖(d)解凍16 h時溫度場發(fā)展云圖(e)解凍20 h時溫度場發(fā)展云圖 (f)解凍24 h時溫度場發(fā)展云圖圖7 實驗1的溫度場發(fā)展云圖和等值線圖

3.2 盾構(gòu)刀盤溫度場發(fā)展與分布規(guī)律在各個試驗中，路徑1上1～8號分析點代表了刀盤凍結(jié)裝置前方土體的溫度場發(fā)展規(guī)律，其溫度隨時間變化的曲線如圖8所示，由圖8可知，刀盤凍結(jié)裝置的凍結(jié)和解凍溫度場隨鹽水溫度的改變而改變.

又由圖8可知，鹽水凍結(jié)存在一個臨界點，凍結(jié)速度由快變慢；該施工在960 h時，點1～5的溫度均處于0 ℃以下，因為每隔0.3 m設(shè)置一個觀察點，所以其凍結(jié)范圍為1.5 m的區(qū)域；由路徑圖可知，刀盤凍結(jié)的位置在1號分析點處，在960 h時開始解凍，984 h時完成解凍，刀盤開始運行，盾構(gòu)機即可掘進；在984 h時，此時2～6號分析點為距離刀盤凍結(jié)裝置0.3～1.5 m的區(qū)域，溫度為0 ℃以下，此區(qū)域土體為凍土；規(guī)定最終鹽水降溫計劃為-10 ℃，經(jīng)歷984 h時，此時3～6號分析點為有效凍結(jié)范圍(0.9～1.5 m)的區(qū)域.

圖8 1號路徑1～8號分析點溫度隨時間變化的曲線

3.2.1 解凍過程不同方案的比較與分析本工法在破除孤石過程中，最佳狀態(tài)是緊貼刀盤附近的土體解凍(以1號點為代表)，如此使得刀盤能夠正常轉(zhuǎn)動，而刀盤前方的土體尚未解凍，此時孤石處于固定狀態(tài)(以2點為代表)，因此，本文選取1、2路徑上1點和2點進行研究.

如圖8所示，在1～6號分析點中，最終只有1號分析點的溫度達到0 ℃以上，該點土體解凍，為了研究不同溫度熱水解凍盾構(gòu)機刀盤的溫度場發(fā)展與分布規(guī)律，選擇1號分析點和2號分析點作為研究對象，對不同溫度熱水的解凍情況進行了分析，如圖9所示，分別設(shè)置了10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃和50 ℃的熱水溫度，以便更好地觀察盾構(gòu)機刀盤附近土體的解凍規(guī)律.

如圖9所示，2條路徑的1號分析點的溫度變化趨于一致，且均在970 h之前溫度達到0 ℃以上，完成解凍.從圖9中容易觀察到，從960 h開始循環(huán)不同溫度熱水，熱水解凍存在一個臨界點，盾構(gòu)刀盤從960 h開始解凍， 970 h后溫度幾乎不再發(fā)生改變；1號分析點隨著解凍溫度的逐漸增加，盾構(gòu)刀盤的解凍速度逐漸增加，所需解凍時間較短；循環(huán)20 ℃～50 ℃熱水解凍盾構(gòu)刀盤，在964 h前，該分析點溫度達到0 ℃以上，完成解凍.

(a)路徑1上1號分析點的溫度空間分布曲線 (b)路徑2上1號分析點的溫度空間分布曲線圖9 不同降溫計劃下2條路徑上1號分析點的溫度空間分布曲線

為觀察路徑上不同觀測點的溫度發(fā)展變化規(guī)律，我們對路徑1上2號分析點的溫度發(fā)展進行了分析，如圖10所示，分別為10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃和50 ℃的熱水溫度變化情況，從而觀察盾構(gòu)機刀盤解凍的規(guī)律.

(a)路徑1上2號分析點的溫度空間分布曲線 (b)路徑2上2號分析點的溫度空間分布曲線圖10 不同路徑上2號分析點的溫度空間分布曲線

路徑1上的2號分析點從960 h開始循環(huán)不同溫度熱水，盾構(gòu)刀盤從960 h開始解凍，分析點溫度逐漸增加；在984 h前，該路徑的2號分析點隨著熱水解凍溫度的增加，盾構(gòu)刀盤的解凍速度增加，該分析點最終的溫度較高；在984 h時，5組不同溫度的熱水循環(huán)后都沒有在2號分析點處有效破解凍土，即在距離盾構(gòu)刀盤0.3 m范圍內(nèi)的土體皆為凍土.

路徑2上的2號分析點與路徑1的該點相比，初始溫度較低；該路徑2的2號分析點比1號路徑的相同分析點在相同解凍溫度下解凍的速度較快；2號觀測點位于距離盾構(gòu)刀盤0.3 m處，5個實驗在980 h前，距離盾構(gòu)刀盤原點向Z軸傾斜0.9 m范圍內(nèi)的土體是凍土，即水平距離為0.45 m范圍內(nèi)的土體皆為凍土；在984 h時，只有50 ℃的熱水循環(huán)可有效破解凍土.

通過路徑1和路徑2不同分析點的相同熱水解凍溫度場發(fā)展的對比，在20～50 ℃范圍內(nèi)熱水解凍盾構(gòu)刀盤都在964 h前于1號分析點完成解凍，完成解凍時差最多相差兩小時，20 ℃熱水完成解凍的時間為4 h，滿足施工的時間需求；考慮土體中具有原始溫度，其現(xiàn)場施工環(huán)境接近18 ℃，故選用20 ℃，鹽水介質(zhì)無需經(jīng)過加熱或冷卻處理，可直接進行解凍，解凍時間為4小時，此可滿足現(xiàn)場掘進施工相關(guān)準備工作的時間需求.20 ℃熱水可高速有效地解凍盾構(gòu)刀盤，綜合考慮施工成本和工期，其性價比最高，因此在該實驗中最終選擇20 ℃的熱水作為解凍盾構(gòu)機刀盤的溫度.由圖12所示，20 ℃熱水在964 h時溫度達到1.67 ℃，高于0 ℃，故最終確定20 ℃熱水的解凍時間為4 h.

3.2.2 最佳鹽水解凍計劃的確定最終確定熱水解凍計劃的溫度為20 ℃，其溫度空間分布曲線如圖11所示.由圖(a)可知，當鹽水降溫計劃在960 h完成時，1～5號分析點的溫度在0 ℃以下，此時水平凍結(jié)范圍為1.5 m，在984 h時，距離盾構(gòu)刀盤0.3～1.5 m處為凍土；在984 h時，只有1號分析點的解凍溫度達到0 ℃以上，該點土體解凍；規(guī)定最終鹽水降溫計劃為-10 ℃，經(jīng)歷984 h時，此時2～3號分析點的水平有效凍結(jié)范圍為0.6～0.9 m的區(qū)域.

(a) 路徑1上1～8號分析點的溫度空間分布曲線 (b)路徑2上1～9號分析點的溫度空間分布曲線圖11 20℃熱水解凍計劃

由圖(b)可知，從凍結(jié)10天到40天，凍結(jié)帷幕的厚度逐漸變小，期間所有分析點最終達到0 ℃以下，因此從盾構(gòu)刀盤原點向Z軸傾斜2.4 m范圍內(nèi)的凍土帷幕，其土體是凍土；984 h時，1～7號分析點的溫度達到0 ℃以下，因此在豎直方向距離盾構(gòu)刀盤的最上方形成了0.6 m的凍結(jié)帷幕.

圖12 1號分析點部分解凍溫度的空間分布曲線

4 結(jié) 論

運用有限元軟件建立盾構(gòu)刀盤凍結(jié)法的數(shù)值模型，對2條路徑的溫度場發(fā)展規(guī)律進行了對比與分析，并通過分析5個不同解凍溫度對盾構(gòu)刀盤解凍的影響，形成了如下結(jié)論.

(1)盾構(gòu)刀盤對孤石凍結(jié)時，在240 h之前的凍結(jié)速度較快，之后凍結(jié)速度變慢，并在960 h時于水平方向形成1.5 m的凍結(jié)帷幕，而在豎直方向于距離盾構(gòu)刀盤的最上方形成了0.6 m的凍結(jié)帷幕.

(2)解凍盾構(gòu)刀盤的熱水溫度對溫度場變化的影響較大，隨著解凍熱水的溫度升高，解凍的速度越來越快，最終于盾構(gòu)刀盤附近的溫度也升高，且由于1號分析點位于盾構(gòu)刀盤中心，因此該點最終溫度與熱水解凍計劃的溫度幾乎一致.

(3)970 h前，在1號分析點處，使用不同熱水解凍盾構(gòu)刀盤的溫度均達到0 ℃以上，即該分析點土體解凍；984 h時，在路徑2上的2號分析點，只有50 ℃熱水解凍盾構(gòu)刀盤并使其溫度達到0 ℃以上，此溫度下土體解凍；因此在該實驗中，最終選擇20 ℃熱水作為解凍盾構(gòu)刀盤的溫度，并確定解凍時間為4 h.

(4)本文介紹了一種新型的盾構(gòu)掘進時固定孤石的方法，可節(jié)約時間成本和工期，然而本文是以理想條件下的孤石大小、形狀、位置以及周邊環(huán)境為基礎(chǔ)的，因此只能為具體實際工程提供參考.此外，在往后的發(fā)展過程中，還可以考慮通過改變盾構(gòu)刀盤的面積來控制凍結(jié)的深度.