盾構冷凍刀盤開倉技術研究

莊國清

隨著中國經(jīng)濟飛速發(fā)展，各大城市地鐵隧道、給排水隧道、電力隧道、綜合管廊等越來越多采用盾構法施工，受限于城市復雜的地下空間及地質環(huán)境影響，盾構設計上采用大埋深、高水壓、軟弱地層、上軟下硬等復雜地層段也逐漸增多，在復雜地層段盾構開倉困難、風險性極高，為克服這一難題，我司研發(fā)并采用盾構冷凍刀盤開倉技術，保障盾構開倉換刀的安全。本文主要介紹冷凍刀盤開倉技術應用研究。

盾構冷凍刀盤開倉技術的應用，擴大盾構機的適應范圍，解決大埋深、高水壓、軟弱地層等復雜地下環(huán)境中盾構開倉換刀的瓶頸，突破了常規(guī)的氣壓開倉、常壓開倉的極限工作壓力，將成為高水壓力環(huán)境下安全、高效開倉的有效技術方案。該項技術開辟了安全開倉的新途徑，與常規(guī)的氣壓開倉、常壓開倉技術相比，有更高的安全可靠性、更廣泛的適應性、更高的工作效率，大大降低開倉換刀的風險，有良好的經(jīng)濟效益、社會效益。

一、冷凍刀盤開倉背景及工藝流程

某項目盾構隧道線路長，局部灰?guī)r突起且?guī)r面強度高，隧道線路拱頂主要是以軟弱地層為主，隧道中下方以灰?guī)r為主，為典型的上軟上硬地層，且隧道沿線地下水豐富，與附近河涌有水力聯(lián)系，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，灰?guī)r地層對于盾構刀盤刀具的磨損具有不確定性，因此存在上軟下硬或全斷面軟弱地層中開倉換刀的可能性，采用常規(guī)的氣壓開倉方式在全斷面軟弱地層中難以保壓，預加固在富水地層中質量難以保證且地面無征地條件，無法進行開倉作業(yè)，故在本項目中創(chuàng)新性的使用冷凍刀盤開倉技術，對刀盤進行改造，增加冷凍管路，使其具備冷凍功能，形成凍土屏障隔絕地下水，確保開倉換刀施工安全與質量。

冷凍刀盤開倉技術工藝流程：盾構掘進至開倉位置、冷凍設備進場組裝、刀盤前埋設測溫點→停機保壓及冷凍管路連接→冷凍開始→土倉置換介質→繼續(xù)冷凍至達到效果→開倉條件驗收→開倉清理凍土→開倉換刀→關閉倉門、拆除冷凍設備、恢復掘進。

二、冷凍設備

由于隧道內空間受限，冷凍刀盤開倉的凍結設備采用定制的一體化冷凍設備，該設備體積較小，可放置于隧道內盾構機配套臺車后方，跟隨盾構掘進前行，避免長距離的冷凍管路連接，便于快速應對冷凍期間各種情況，提高冷凍施工效率。

一體化冷凍設備包括：水冷螺桿式冷凍機組、半封閉式雙螺桿壓縮機、殼管滿液式蒸發(fā)器、殼管式冷凝器、外置立式二次油分、管殼式油冷卻器、彩色液晶顯示控制系統(tǒng)、制冷劑、潤滑油等。

三、土倉置換介質

在進行冷凍管路連接后，即可開始冷凍施工。如若直接將盾構機土倉內刀盤切削下來的渣土及泥漿等介質冷凍，在開倉時就需要花費大量時間及費用清理該部分凍土，在冷凍刀盤開倉法實施過程中，將土倉內的渣土及泥漿置換成空氣，節(jié)約冷凍刀盤開倉過程中的施工工期及成本。

盾構土倉內置換介質施工是在合理控制土倉壓力的上、下限值保證掌子面穩(wěn)定基礎上，通過二級置換程序：第一級先將膨潤土漿液置換土倉內渣土和泥漿混合漿液，第二級再利用氣體置換土倉內膨潤土漿液。置換施工主要特點：縮短開倉過程中清理凍土的時間，提高開倉換刀效率；二級置換保證過程中的良好過渡，同時避免凍結過程中土倉內介質凍脹壓力破壞主軸承密封；設定合理的土倉壓力上限和下限值，保證施工過程中不出現(xiàn)掌子面塌陷、地面沉隆超限；在介質置換過程中根據(jù)土倉內壓力的變化判斷土倉內介質凍結情況，掌握凍結交圈形成時間點，合理設定介質置換的時間。

冷凍刀盤土倉內置換介質流程：設定土倉上限值及下限值后開始冷凍→膨潤土漿液調配及置換土倉內渣土與泥漿混合漿液→繼續(xù)冷凍形成冷凍交圈→氣體置換土倉內膨潤土漿液→繼續(xù)冷凍至達到加固效果→泄壓、進倉、鑿除冷凍交圈等少量凍土→進倉作業(yè)。

四、冷凍開倉作業(yè)

1.開倉前凍結驗收條件

在冷凍刀盤開倉前，需滿足以下冷凍驗收條件，方可進倉作業(yè)：

（1）冷凍壁的厚度滿足要求，一般需達到0.5~1m；

（2）冷凍體平均溫度低于-10℃；

（3）冷凍單點溫度低于-2℃；

（4）冷凍設備運轉正常且留有備用。

（5）冷凍土倉中部放水不出現(xiàn)連續(xù)出水；

（6）冷凍開倉施工所需人、料、機、工具等準備就緒，已完成相關安全、技術交底。

2.冷凍開倉清理及換刀

為保證冷凍刀盤開倉安全，要求開倉換刀盡可能在最短時間內完成，減少作業(yè)風險。根據(jù)盾構機刀盤結構及刀具分布，將土倉分上中下三個區(qū)域進行清理，開倉清理和換刀原則：由上自下逐層清理凍土，清一層換一層。刀盤開口在滿足換刀空間的情況下盡可能少清理，主要以清理刀盤輻條和面板背后的凍土為主。因冷凍過程已置換介質，土倉內凍土較少，主要是附著在刀盤或者牛腿上的少量凍土，清理工作量小。

五、冷凍監(jiān)測

為保障冷凍刀盤開倉施工安全，必須進行全過程的冷凍監(jiān)測，凍土帷幕重要狀態(tài)參數(shù)：凍結壁厚度、凍土強度、凍土溫度、凍土發(fā)展速度等均需通過實測獲取，開倉前及開倉過程中的安全狀態(tài)都依靠實測數(shù)據(jù)決定，因此需對凍土帷幕形成過程進行實時監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)每小時自動測量并存檔一次數(shù)據(jù)。

冷凍刀盤監(jiān)測內容如下：

（1）凍結溫度場監(jiān)測：通過盾構機中隔板及地面分別植入測溫器起進行監(jiān)測。在盾構機刀盤前方1m及左右1m范圍內布設測溫點，通過監(jiān)測冷凍過程溫度的變化，從而掌握凍土的發(fā)展情況，確認凍結效果達到常壓開倉條件。距離刀盤前方0.5m、1m處各埋設一排測溫孔，在刀盤左右0.5m、1m處各埋設一個測溫孔，用以監(jiān)測凍土在刀盤縱橫斷面方向上的發(fā)展情況；

（2）鹽水箱溫度監(jiān)測：了解鹽水干管冷量損失的重要指數(shù)，并及時調整冷凍機供冷量，保證凍結效果。設計最低鹽水溫度為-28~-30°C，通過在鹽水箱內放置單點探頭，監(jiān)測鹽水箱內鹽水溫度；

（3）凍結器頭部（去路、回路）溫度的監(jiān)測：凍結管去回路溫差不大于2℃；

（4）凍結管壁溫度監(jiān)測：測試管壁溫度了解冷凍情況；

（5）水位監(jiān)測：在冷凍期間加強刀盤附近的水位孔監(jiān)測，把控周邊環(huán)境水位情況以分析冷凍情況；

（6）地表監(jiān)測：盾構刀盤前方20m和后方20m共40m的范圍內進行地面監(jiān)測，及時掌握地面的沉降情況，并設立沉降為10mm的警戒值，當達到警戒值時需立即啟動應急預案，并分析沉降值過大的原因，采取措施，及時的控制沉降，保證盾構機及地面的安全。同時對周邊建筑物進行實時監(jiān)測，并密切跟進停機期間的盾構姿態(tài)變化情況。

六、相關風險及措施

（1）冷凍刀盤開倉技術需考慮的風險之一是凍脹融沉的問題。凍脹形成，一般先是土層中孔隙水結冰產(chǎn)生基本凍脹，水變成冰其體積約增加9%，而土體凍脹量約為 3%。凍土中未凍水由于顆粒表面能的作用，使未凍水與冰間保持動態(tài)平衡，溫度再降低時未凍水以冰的形式出現(xiàn)。理論上一般認為凍脹主要由于凍結過程中土層凍結峰面水分的遷移，并結晶形成冰夾層，使體積增大很多。黏土中由于凍脹中產(chǎn)生的孔隙水壓力逐漸消失時，引起凍土融沉，從而導致地表沉降或隆起、盾構刀盤及土倉變形、破壞主軸承密封等。

解決措施：采用二級置換土倉內介質，第二級置換采用氣體置換土倉內膨潤土漿液，氣體凍脹融沉量小于渣土及泥漿，且氣體能提供凍脹融沉的凌空面空間，可以釋放應力，將很大程度減少凍脹融沉引起的沉降 。

（2）冷凍刀盤開倉技術需考慮的風險之二是維持凍結期間停水、停電、設備故障等導致無法維持凍結，易造成膠結面融化而漏水，加固失效、人員進入土倉淹沒等問題。

解決措施：必須配備一套備用電源及凍結設備，儲存滿足循環(huán)水水量備用。

（3）冷凍刀盤開倉技術需考慮的風險之三是土倉內人員身體出現(xiàn)不適、凍傷，低溫環(huán)境下工作可能出現(xiàn)作業(yè)人員身體不適或不小心觸碰金屬冷凍體凍傷皮膚等問題。

解決措施：進倉人員必須持有體檢證明合格及穿戴合格的防凍服方能進倉，穿戴防凍服避免皮膚直接與低溫物體表面接觸產(chǎn)生的傷害，低溫防凍服配套的液氮鞋采用靴子的高樣式，使保暖效果更好。

七、結語

盾構開倉換刀是盾構工程施工風險最大的工序之一，如何控制開倉風險是目前業(yè)界盾構施工最關注的難題之一。本文針對這一關鍵問題提出盾構冷凍刀盤開倉施工技術，從冷凍設備、土倉置換介質、冷凍開倉作業(yè)、冷凍監(jiān)測、相關風險及措施等方面介紹該技術。盾構機冷凍刀盤開倉施工技術的成功運用，豐富了高水壓、軟弱地層及復雜地層中盾構開倉換刀技術，有效彌補預處理常壓開倉換刀與氣壓開倉換刀的不足，填補了市場的空白，大大地提高盾構開倉換刀安全性。