越江泥水平衡盾構(gòu)倉(cāng)內(nèi)水平凍結(jié)溫度場(chǎng)研究

摘要：人工凍結(jié)技術(shù)可以短期提升地層穩(wěn)定性并隔絕地下水，是在江底構(gòu)建臨時(shí)盾構(gòu)檢修環(huán)境的有效方法，而已有研究成果尚無(wú)法對(duì)凍結(jié)施工過(guò)程的評(píng)價(jià)提供參考。依托南京市新濟(jì)洲越江供水廊道工程，研究了盾構(gòu)泥水倉(cāng)內(nèi)形成凍土過(guò)程中溫度分布特征及影響規(guī)律。結(jié)果表明：通過(guò)盾構(gòu)工作面的接力換熱裝置，可將地面低溫鹽水以較小循環(huán)壓力輸入凍結(jié)管，從而降低凍結(jié)管內(nèi)鹽水滲漏風(fēng)險(xiǎn)，在穩(wěn)定凍結(jié)階段工作面鹽水溫度較地面溫度偏高約2.5 ℃；施工過(guò)程中凍結(jié)管端頭溫度的變化過(guò)程基本一致，但受到凍結(jié)管周?chē)貙游鼰崮芰Σ顒e的影響，間距較大位置的凍結(jié)管端頭溫度偏高約1 ℃；盾構(gòu)結(jié)構(gòu)鋼材導(dǎo)熱性能和散熱系數(shù)的差別會(huì)影響冷量傳遞過(guò)程，造成盾構(gòu)刀盤(pán)周?chē)恢玫膬鐾翜囟绕? ℃左右，而盾構(gòu)面板的散熱導(dǎo)致相應(yīng)位置的凍土溫度偏高約4 ℃；在水平凍結(jié)管最大布置間距3.12 m的條件下，凍結(jié)80 d時(shí)可將盾構(gòu)泥水倉(cāng)全部?jī)鰧?shí)，從而具備打開(kāi)盾構(gòu)泥水倉(cāng)進(jìn)行盾構(gòu)應(yīng)急檢修的施工條件。

關(guān) 鍵 詞：富水地層；泥水平衡盾構(gòu)；凍結(jié)溫度場(chǎng)；越江供水廊道工程

中圖法分類(lèi)號(hào)：TU47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.021

0 引 言

作為隧道建設(shè)中高效的機(jī)械施工方法，盾構(gòu)法在城市軌道交通^［1］和水利水電^［2］等領(lǐng)域的隧道施工中發(fā)揮了重要的作用^［3］，特別是在水下不穩(wěn)定的富水地層中，盾構(gòu)更能發(fā)揮控制地層變形的優(yōu)勢(shì)^［4-5］。當(dāng)盾構(gòu)單次推進(jìn)距離長(zhǎng)，或者遭遇不良地質(zhì)條件時(shí)，常常會(huì)遇到開(kāi)倉(cāng)等不可預(yù)計(jì)的突發(fā)檢修情形，這就需要在地層中構(gòu)建常壓檢修環(huán)境，對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行應(yīng)急檢修^［6-10］。人工凍結(jié)技術(shù)可以短期提升地層穩(wěn)定性并隔絕地下水^［11］，是構(gòu)建盾構(gòu)常壓檢修環(huán)境的有效施工方法，在盾構(gòu)設(shè)備應(yīng)急檢修中發(fā)揮了重要作用^［12］。在開(kāi)倉(cāng)換刀等復(fù)雜盾構(gòu)檢修過(guò)程中，凍結(jié)加固后常壓換刀方式較帶壓換刀具有更好的安全性^［13］，特別是采用液氮垂直凍結(jié)等方式時(shí)，低溫快速的液氮凍結(jié)特點(diǎn)更能凸顯盾構(gòu)常壓開(kāi)倉(cāng)換刀的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)效益^［14］。

施工中凍結(jié)管布置方式會(huì)顯著影響凍土形成過(guò)程及凍結(jié)壁溫度分布特征，是人工凍結(jié)技術(shù)應(yīng)用中必須關(guān)注的關(guān)鍵因素^［15］。而凍結(jié)施工過(guò)程還需要考慮盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的限制^［16］，所以一般都選用地面垂直凍結(jié)的方式。采用地面施工垂直鉆孔并下放凍結(jié)管的豎直凍結(jié)方式對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)前方土體進(jìn)行加固，可以取得理想的加固效果，易于滿足盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)的施工需求^［17］，特別是在冷凍加固地層中可以打破盾構(gòu)常壓換刀受場(chǎng)地環(huán)境的限制，開(kāi)創(chuàng)了盾構(gòu)安全開(kāi)倉(cāng)換刀的新途徑^［18］。而不同凍結(jié)管布置方式^［19］、周?chē)Y(jié)構(gòu)的限制也會(huì)影響凍土形成過(guò)程^［20］，呈現(xiàn)出特有的溫度場(chǎng)演變規(guī)律，從而影響凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工效果評(píng)價(jià)結(jié)果^［21］。同時(shí)，復(fù)雜環(huán)境中盾構(gòu)周?chē)鷥鼋Y(jié)施工對(duì)盾構(gòu)及環(huán)境的影響評(píng)價(jià)也需要考慮凍結(jié)管布置方式^［22］，在凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工中采取措施來(lái)減小影響^［23-24］。

目前人工凍結(jié)施工均采用豎直凍結(jié)方式，而南京新濟(jì)洲越江供水廊道工程中盾構(gòu)停機(jī)位置處于長(zhǎng)江航道底部，不具備地面施工垂直凍結(jié)孔的條件，只能從盾構(gòu)內(nèi)部施工水平凍結(jié)孔來(lái)完成凍結(jié)施工，而盾構(gòu)結(jié)構(gòu)限制了水平凍結(jié)管的布置位置，形成了大間距的凍結(jié)管布置方式。同時(shí)，隧道內(nèi)狹小施工空間也無(wú)法布置冷凍設(shè)備，需要從地面制備低溫冷媒并長(zhǎng)距離輸送至工作面，從而造成低溫冷媒溫度升高，影響凍結(jié)施工過(guò)程。凍結(jié)管水平布置方式和冷源溫度升高，會(huì)影響凍土形成過(guò)程與溫度場(chǎng)分布特征，已有研究成果無(wú)法對(duì)凍結(jié)施工過(guò)程的評(píng)價(jià)提供參考。為此，本文依托南京市新濟(jì)洲越江供水廊道盾構(gòu)檢修凍結(jié)加固工程，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行全流程監(jiān)測(cè)，分析鹽水干管及泥水倉(cāng)內(nèi)凍土溫度的變化過(guò)程，研究?jī)鼋Y(jié)施工過(guò)程中凍脹力的變化規(guī)律，以獲得泥水倉(cāng)內(nèi)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的分布特征，從而形成在盾構(gòu)泥水倉(cāng)內(nèi)通過(guò)水平凍結(jié)構(gòu)建盾構(gòu)檢修環(huán)境的新方法，可在江底、海底等不具備地面施工環(huán)境的盾構(gòu)檢修工程中推廣應(yīng)用，施工過(guò)程中獲得的溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可為類(lèi)似凍結(jié)工程設(shè)計(jì)和施工評(píng)價(jià)提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

南京市新濟(jì)洲越江供水廊道工程采用復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工，隧道全長(zhǎng)1 945 m，線路平面呈直線狀，縱斷面成“V”字坡，最大坡度為4.58%，如圖1所示。盾構(gòu)臨時(shí)停機(jī)位置處于過(guò)江廊道最低點(diǎn)附近的軟硬不均勻段內(nèi)，停機(jī)位置盾構(gòu)中心埋深44.02 m，需要在該位置進(jìn)行盾構(gòu)常壓開(kāi)倉(cāng)檢修。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，盾構(gòu)停機(jī)位置刀盤(pán)頂部約1/4處于②-6 a含礫中粗砂地層，下部3/4范圍處于④-2 p破碎狀中風(fēng)化閃長(zhǎng)玢巖，具體如圖1所示。

1.2 凍結(jié)管和測(cè)溫孔的布置

根據(jù)復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和凍結(jié)需要，共布置20根近水平凍結(jié)管，其中利用盾構(gòu)周?chē)白{孔布置C1～C12凍結(jié)管12根，長(zhǎng)度為3.58 m，與盾殼開(kāi)孔角度呈13.5°向四周發(fā)散布置，凍結(jié)管間最大間距3.12 m。利用盾構(gòu)面板上超前水平地質(zhì)鉆孔布置A1～A4凍結(jié)管4根，長(zhǎng)度至刀盤(pán)位置。另外利用盾構(gòu)面板上貫通閥門(mén)，在盾構(gòu)回轉(zhuǎn)中心四周布置B1～B4凍結(jié)管4根，與水平方向呈10°向四周發(fā)散布置，長(zhǎng)度至刀盤(pán)位置。

同時(shí)，利用盾構(gòu)面板上貫通閥門(mén)布置2個(gè)測(cè)溫孔T1、T2，其中T1孔深2.5 m，T2孔深1.9 m。利用盾構(gòu)面板閥門(mén)設(shè)置X1～X3共3個(gè)泄壓孔監(jiān)測(cè)凍結(jié)過(guò)程中泥水倉(cāng)內(nèi)壓力變化情況，凍結(jié)管與測(cè)試孔的具體布置如圖2所示，其中1-1截面為凍結(jié)孔終孔斷面，2-2截面為凍結(jié)孔開(kāi)孔斷面。

1.3 凍結(jié)施工過(guò)程

受到盾構(gòu)內(nèi)部狹小檢修環(huán)境限制，凍結(jié)施工中制冷站布置在地面，通過(guò)隧道內(nèi)布置的輸送管路將低溫鹽水輸送到工作面。由于盾構(gòu)埋深達(dá)44.02 m，如果循環(huán)管路內(nèi)低溫鹽水直接輸入凍結(jié)管內(nèi)，管路內(nèi)較大的循環(huán)壓力易造成凍結(jié)管出現(xiàn)鹽水滲漏現(xiàn)象，影響凍結(jié)效果，所以在盾構(gòu)工作面設(shè)置接力換熱器，地面循環(huán)的低溫鹽水與工作面換熱器交換后，獲得低壓力的低溫鹽水經(jīng)循環(huán)泵輸入凍結(jié)管內(nèi)，而完成凍結(jié)過(guò)程。

為了平衡凍結(jié)管間的凍結(jié)效果，不同分圈凍結(jié)管串聯(lián)形成凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)，凍結(jié)管端頭之間連接方式及去、回路設(shè)置如圖3所示。凍結(jié)施工開(kāi)始10 d后鹽水溫度降低到-25 ℃以下，積極凍結(jié)75 d后盾構(gòu)泥水倉(cāng)內(nèi)全部形成凍土，滿足盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)檢修施工要求。凍結(jié)施工期間，對(duì)凍結(jié)系統(tǒng)及測(cè)溫孔內(nèi)的溫度、泄壓孔壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

2 施工過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 地面制冷系統(tǒng)的溫度變化過(guò)程

凍結(jié)施工期間地面制冷系統(tǒng)將低溫鹽水輸送到盾構(gòu)工作面，管路去、回路溫度變化過(guò)程如圖4所示。從圖4可以看出，受益于地面良好的散熱條件，制冷設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率高，凍結(jié)施工開(kāi)始后循環(huán)管路內(nèi)的鹽水溫度下降趨勢(shì)明顯，10 d后鹽水溫度即降低到-30 ℃以下，滿足凍結(jié)施工要求。凍結(jié)施工期間，除凍結(jié)18 d時(shí)因短時(shí)停電引起溫度少許回升外，去、回路鹽水溫度總體波動(dòng)較小，基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)，保證凍結(jié)施工順利進(jìn)行。

從地面制冷系統(tǒng)至盾構(gòu)工作面的鹽水輸送管路長(zhǎng)度約1 200 m，在管路進(jìn)行良好保溫條件下，凍結(jié)施工期間干管去路溫度維持在-32 ℃左右，而去、回路溫差小于1.5 ℃，這說(shuō)明隧道內(nèi)輸送管路的散熱量較小，不會(huì)影響正常凍結(jié)施工。所以，在類(lèi)似施工中，對(duì)管路進(jìn)行保溫處理后，輸送長(zhǎng)度不超過(guò)1 200 m的鹽水管路不會(huì)影響整體凍結(jié)施工效果，從而將冷凍設(shè)備設(shè)置在地面，可創(chuàng)造良好的施工條件。

2.2 工作面鹽水溫度變化過(guò)程

凍結(jié)施工期間，盾構(gòu)工作面位置鹽水溫度的變化過(guò)程如圖5所示。工作面鹽水是由地面輸送的低溫鹽水經(jīng)接力換熱器交換后獲得，所以工作面鹽水溫度變化過(guò)程與地面制冷系統(tǒng)的鹽水溫度變化過(guò)程基本一致。凍結(jié)10 d后工作面鹽水溫度降低到-25 ℃以下，除冷凍設(shè)備受短時(shí)停電檢修而停機(jī)影響外，凍結(jié)施工期間工作面鹽水溫度保持基本穩(wěn)定。

工作面設(shè)置的接力換熱裝置縮短了循環(huán)系統(tǒng)的管路長(zhǎng)度，而整體凍結(jié)管長(zhǎng)度相對(duì)較小，所以工作面干管去、回路鹽水溫度差別較小。開(kāi)始凍結(jié)時(shí)工作面去、回路干管鹽水溫度相差0.3 ℃左右，保證了良好的凍結(jié)效果，而凍結(jié)40 d后鹽水去、回路的溫差縮小到0.1 ℃，這是由于地層中形成凍土之后，縮小了凍結(jié)管與地層之間的溫差，從而降低了冷量傳遞效率，所以去、回路的溫差一直維持在較低水平。在穩(wěn)定凍結(jié)階段，與地面制冷系統(tǒng)的鹽水溫度相比，工作面干管去路溫度偏高約2.5 ℃，但溫度一直維持在-29.5 ℃，可以保證凍結(jié)施工效果，符合凍結(jié)施工規(guī)范要求。

2.3 凍結(jié)管端頭回路溫度變化過(guò)程

凍結(jié)過(guò)程中，不同凍結(jié)管循環(huán)系統(tǒng)的端頭回路溫度如圖6所示。從圖6可以看出，凍結(jié)管端頭回路溫度的變化過(guò)程受到鹽水干管溫度的影響，其變化過(guò)程與鹽水干管溫度變化趨勢(shì)基本一致，而且其波動(dòng)范圍相對(duì)較小。在凍結(jié)前4周時(shí)間內(nèi)，地面制冷系統(tǒng)的持續(xù)制冷作用使凍結(jié)鹽水溫度不斷降低，從而導(dǎo)致凍結(jié)管端頭溫度也持續(xù)降低。至凍結(jié)4周后，鹽水干管溫度降低到-29 ℃以下后，凍結(jié)管端頭回路溫度基本穩(wěn)定在-28 ℃左右，僅在第7周時(shí)干管溫度的波動(dòng)引起凍結(jié)管端頭回路溫度略有回升?？傮w來(lái)說(shuō)，凍結(jié)管端頭溫度波動(dòng)范圍不大，凍結(jié)施工期間的凍結(jié)器一直處于良好運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以保證良好的凍結(jié)效果。

對(duì)比不同凍結(jié)管循環(huán)系統(tǒng)的回路溫度可以看出，開(kāi)始凍結(jié)階段凍結(jié)系統(tǒng)的平衡性相對(duì)較差，不同凍結(jié)管端頭回路溫度差別較大。隨著鹽水溫度的降低，凍結(jié)管內(nèi)鹽水與周?chē)貙娱g的較大溫差導(dǎo)致熱交換效率提升，不同凍結(jié)管端頭的溫度差別相對(duì)較小。而進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)階段后，凍結(jié)管周?chē)纬傻膬鐾料拗屏说蜏佧}水冷量向四周地層傳遞，不同位置凍結(jié)管釋放冷量的差別導(dǎo)致溫度回升幅度不同，所以不同凍結(jié)管端頭溫度出現(xiàn)差別。

相應(yīng)地，盾構(gòu)上部?jī)鼋Y(jié)循環(huán)的端頭溫度與盾構(gòu)下部也存在差別。在快速降溫階段，與周?chē)貙觿×覠峤粨Q使凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度回升幅度大，所以盾構(gòu)上、下部的凍結(jié)管端頭溫度基本一致。而進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)階段后，盾構(gòu)上部位置含礫中粗砂地層中富含水會(huì)直接影響凍結(jié)管的傳熱過(guò)程，造成上部?jī)鼋Y(jié)管端頭溫度的差別偏大。凍結(jié)施工中，應(yīng)根據(jù)凍結(jié)管回路溫度來(lái)評(píng)估凍結(jié)效果，保證凍結(jié)管端頭溫度相差不大，從而提升形成凍結(jié)壁的均勻性。

2.4 測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)

2.4.1 T1測(cè)溫孔溫度

凍結(jié)過(guò)程中，T1測(cè)溫孔內(nèi)不同深度測(cè)點(diǎn)的溫度變化如圖7所示。從圖7可以看出，凍結(jié)開(kāi)始后T1測(cè)溫孔內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度快速下降，這是由于凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度與盾構(gòu)泥水倉(cāng)內(nèi)泥漿之間的溫差較大，較大溫度梯度提升了冷量傳遞效率，使泥漿溫度下降速度快，凍結(jié)20 d時(shí)泥漿溫度即降低到0 ℃以下。在泥漿降溫階段，深度2.0 m和2.5 m的測(cè)點(diǎn)溫度偏高，這是因?yàn)樯疃?.5 m位置測(cè)點(diǎn)靠近刀盤(pán)，鋼質(zhì)刀盤(pán)的比熱容大，刀盤(pán)降溫需要更多冷量，造成相應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)溫度偏高。

泥水倉(cāng)內(nèi)的泥漿溫度降低到0 ℃后，泥漿中的水結(jié)冰會(huì)釋放潛熱，阻止泥漿溫度進(jìn)一步降低，所以泥水倉(cāng)內(nèi)的泥漿溫度會(huì)維持在0 ℃附近一段時(shí)間。由于泥漿含水量大，泥水倉(cāng)內(nèi)溫度維持在0 ℃約30 d，直至泥水倉(cāng)內(nèi)全部?jī)鰧?shí)后，溫度才開(kāi)始進(jìn)一步降低。凍結(jié)70 d后，測(cè)點(diǎn)溫度基本穩(wěn)定，泥水倉(cāng)內(nèi)形成的凍土進(jìn)入平衡狀態(tài)，凍結(jié)管輸入地層的冷量主要用來(lái)平衡周?chē)磧鐾料蚨軜?gòu)泥水倉(cāng)內(nèi)傳遞的熱量。

受到盾構(gòu)面板散熱的影響，凍結(jié)開(kāi)始后盾構(gòu)面板位置（深度為0）的測(cè)點(diǎn)溫度一直偏高，直至凍結(jié)70 d后測(cè)點(diǎn)溫度才降低到0 ℃以下。深度2.5 m位置的測(cè)點(diǎn)與盾構(gòu)刀盤(pán)接觸，鋼材良好的導(dǎo)熱性能使刀盤(pán)位置測(cè)點(diǎn)溫度偏低，凍結(jié)80 d時(shí)該位置測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到-15.8 ℃，而此時(shí)泥水倉(cāng)內(nèi)其它深度的溫度維持在-10 ℃左右。泥水倉(cāng)內(nèi)中間位置的測(cè)點(diǎn)受盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的影響小，不同測(cè)點(diǎn)之間的溫度差別不大。

2.4.2 T2測(cè)溫孔溫度

凍結(jié)期間T2測(cè)溫孔內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的溫度變化過(guò)程如圖8所示。T2測(cè)溫孔距離鄰近A2凍結(jié)管的距離為398 mm，凍結(jié)管周?chē)鷥鐾恋目焖贁U(kuò)展使得T2位置測(cè)點(diǎn)溫度在凍結(jié)20 d時(shí)即降低到0 ℃以下，各測(cè)點(diǎn)溫度并未在0 ℃持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，這是由于凍結(jié)管距離測(cè)溫孔較近，凍土快速擴(kuò)展并通過(guò)測(cè)溫孔后，自由水結(jié)冰釋放的潛熱被凍結(jié)管傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的冷量平衡，使測(cè)點(diǎn)溫度持續(xù)降低。受到盾構(gòu)面板散熱的影響，盾構(gòu)面板表面測(cè)點(diǎn)的溫度偏高4 ℃左右，而深部測(cè)點(diǎn)距離盾構(gòu)刀盤(pán)0.6 m，未受到盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)影響，所以測(cè)點(diǎn)溫度維持在-12 ℃左右，而且泥水倉(cāng)內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)之間的溫差相對(duì)較小。

由于T2測(cè)溫孔距離凍結(jié)管更近，所以與T1測(cè)溫孔相比，各測(cè)點(diǎn)溫度在凍結(jié)62 d后即進(jìn)入基本穩(wěn)定狀態(tài)，較T1測(cè)溫孔提前一周，而且凍結(jié)80 d時(shí)T2測(cè)溫孔深部和淺部測(cè)點(diǎn)溫度分別為-14.3 ℃和-8 ℃，較T1測(cè)溫孔對(duì)應(yīng)位置的溫度偏低3 ℃左右，這也說(shuō)明泥水倉(cāng)內(nèi)形成的凍土不均勻，評(píng)價(jià)凍結(jié)壁質(zhì)量時(shí)應(yīng)考慮不同深度的溫差對(duì)凍結(jié)壁質(zhì)量的影響。

2.5 泄壓孔壓力變化

凍結(jié)施工期間，X1、X2、X3三個(gè)泄壓孔的壓力變化曲線如圖9所示。從圖9可以看出，開(kāi)始凍結(jié)后3個(gè)泄壓孔的初始?jí)毫３衷?.43MPa左右，和施工位置的水頭壓力基本相當(dāng)，而從工程地質(zhì)條件可以看出，盾構(gòu)上部地層主要為粗砂層，與江水存在水力聯(lián)系，所以在未隔斷與江水聯(lián)系前，不具備盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)檢修條件，采用凍結(jié)法來(lái)隔斷泥水倉(cāng)與外部地下水的聯(lián)系，是盾構(gòu)常壓檢修的前提。

從3個(gè)泄壓孔的壓力變化過(guò)程來(lái)看，X3泄壓孔在凍結(jié)24 d時(shí)壓力有少許增長(zhǎng)后即降低至0，說(shuō)明凍土擴(kuò)展超過(guò)了X3測(cè)溫孔位置。而X2泄壓孔凍結(jié)25 d時(shí)壓力開(kāi)始上漲，凍結(jié)30 d時(shí)上漲至0.55 MPa，泄壓后表現(xiàn)為無(wú)壓力狀態(tài)，也說(shuō)明凍土發(fā)展范圍超過(guò)X2泄壓孔位置。X1泄壓孔凍結(jié)68 d時(shí)壓力才開(kāi)始上漲，凍結(jié)70 d時(shí)壓力上漲至0.68 MPa，泄壓后壓力為0。泄壓孔壓力升高的原因是凍結(jié)壁形成后隔斷了泥水倉(cāng)與外部的水力聯(lián)系，封閉空間內(nèi)水結(jié)冰后體積膨脹引起水壓力升高。3個(gè)泄壓孔與鄰近凍結(jié)管的距離相差不大，但泄壓孔壓力開(kāi)始增長(zhǎng)的時(shí)間相差較多，這是因?yàn)槎軜?gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱影響了泥水倉(cāng)內(nèi)凍結(jié)壁形成形狀，同時(shí)不規(guī)則的凍結(jié)孔布置方式也使泥水倉(cāng)被形成的凍結(jié)壁分割成不同封閉區(qū)域，造成不同區(qū)域內(nèi)泄壓孔壓力開(kāi)始增長(zhǎng)的時(shí)間存在差異。而對(duì)于泄壓孔X3，至凍結(jié)68 d才開(kāi)始?jí)毫υ鲩L(zhǎng)的原因是因?yàn)槭艿蕉軜?gòu)面板散熱影響，泥水倉(cāng)內(nèi)部全部?jī)鰧?shí)后，盾構(gòu)面板的散熱使泥水倉(cāng)的面板后側(cè)與外部存在水力聯(lián)系。盾構(gòu)面板溫度降低到0 ℃后，才會(huì)隔斷泥水倉(cāng)與外部水力聯(lián)系，表現(xiàn)為泄壓孔壓力開(kāi)始增長(zhǎng)。所以，從圖9中可以看出，凍結(jié)68 d后盾構(gòu)面板位置測(cè)點(diǎn)溫度降低到0 ℃，隔斷與外部水力聯(lián)系后，X3泄壓孔壓力才開(kāi)始增長(zhǎng)，相應(yīng)的封閉空間內(nèi)泄壓后，泄壓孔的壓力降低到0。

3 討 論

3.1 鹽水干管溫度的變化對(duì)比分析

凍結(jié)施工期間，地面和工作面位置鹽水干管的去、回路溫度變化過(guò)程如圖10所示。

地面低溫鹽水通過(guò)布置在隧道內(nèi)的鹽水干管輸送到工作面，經(jīng)過(guò)浸沒(méi)于鹽水箱內(nèi)的換熱器進(jìn)行熱交換后，回流至地面制冷站，形成地面制冷系統(tǒng)的循環(huán)過(guò)程。而工作面干管將鹽水箱內(nèi)獲得的低溫鹽水輸送到凍結(jié)管循環(huán)內(nèi)，從而完成凍結(jié)施工過(guò)程，所以在凍結(jié)施工過(guò)程中，工作面干管去、回路鹽水溫度與地面鹽水溫度的變化趨勢(shì)基本一致，特別是凍結(jié)10 d后鹽水溫度降低到-20 ℃以后，地面干管內(nèi)的鹽水溫度波動(dòng)會(huì)立即引起工作面干管鹽水溫度變化，從而影響凍結(jié)過(guò)程，凍結(jié)施工中只需監(jiān)測(cè)地面干管或者工作面干管內(nèi)的鹽水溫度，即可評(píng)價(jià)凍結(jié)施工效果。

受到工作面鹽水箱內(nèi)換熱器工作效率的影響，地面干管去、回路的鹽水溫度均低于工作面干管內(nèi)的鹽水溫度，在凍結(jié)開(kāi)始后的快速降溫階段，地面干管和工作面干管內(nèi)的鹽水溫度相差較小，而在鹽水溫度降低到-20 ℃之后，兩者之間的溫差相對(duì)較大，維持在2.5 ℃左右。這是因?yàn)樵诳焖俳禍仉A段，工作面鹽水箱內(nèi)的溫度相對(duì)較高，較大溫差使鹽水箱內(nèi)的換熱器工作效率較高，換熱之后地面干管和工作面干管的溫度相差不大，而當(dāng)鹽水溫度降低到-20 ℃以后，換熱器工作效率的降低加大了兩者之間的溫差。所以施工中應(yīng)適當(dāng)降低地面工作站獲得的鹽水溫度，或者提高工作面鹽水箱內(nèi)換熱器的工作效率，在工作面獲得較低鹽水溫度，從而保證凍結(jié)期內(nèi)的循環(huán)鹽水溫度滿足施工規(guī)范要求。

3.2 不同深度測(cè)點(diǎn)溫度比較

為了比較不同深度測(cè)點(diǎn)溫度的差別，將凍結(jié)80 d時(shí)T1、T2測(cè)溫孔內(nèi)不同深度測(cè)點(diǎn)的溫度分布繪制在圖11中 。

從圖11可以看出，受到盾構(gòu)面板散熱的影響，凍結(jié)80 d時(shí)兩個(gè)測(cè)溫孔位置的面板表面測(cè)點(diǎn)溫度均偏高約3.6 ℃，而隨著測(cè)點(diǎn)深度增加，溫度逐漸降低。這是由于面板表面散熱僅會(huì)影響較淺深度泥水倉(cāng)內(nèi)的凍結(jié)效果，隨著深度增加，影響程度相應(yīng)降低，而深度超過(guò)0.5 m測(cè)點(diǎn)的溫度相差不大，這說(shuō)明面板散熱的影響深度不會(huì)超過(guò)0.5 m。對(duì)于深部測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)刀盤(pán)的良好導(dǎo)熱性能使其成為低溫冷源，受其傳熱影響，隨著測(cè)點(diǎn)距離刀盤(pán)越近，溫度逐漸降低，特別是T1測(cè)溫孔內(nèi)深度2.5 m位置測(cè)點(diǎn)，此處緊貼盾構(gòu)刀盤(pán)，其溫度較中間位置測(cè)點(diǎn)偏低約3.2 ℃。所以，盾構(gòu)鋼材良好的導(dǎo)熱性能及空氣中的散熱，對(duì)泥水倉(cāng)內(nèi)凍結(jié)效果影響較大，施工中應(yīng)考慮盾構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)凍結(jié)效果的影響，在盾構(gòu)結(jié)構(gòu)上設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)凍結(jié)壁的質(zhì)量。

凍結(jié)80 d時(shí)，T1、T2測(cè)溫孔內(nèi)對(duì)應(yīng)位置溫度相差3 ℃左右，這是由于測(cè)溫孔與凍結(jié)管的距離不同造成的。T2測(cè)溫孔距鄰近凍結(jié)管較近，所以溫度偏低，這也再次說(shuō)明了泥水倉(cāng)內(nèi)形成的凍結(jié)壁均勻性差，凍結(jié)效果分析中應(yīng)注意評(píng)價(jià)凍結(jié)壁不均勻性對(duì)封水及承載性能的影響。

3.3 凍結(jié)管端頭溫度對(duì)比分析

盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)前，凍結(jié)管端頭溫度分布如圖12所示。從圖12可以看出，凍結(jié)管端頭溫度隨著凍結(jié)進(jìn)行而逐漸降低，這是因?yàn)殡S著地層中凍土形成，地層與凍結(jié)管間溫差的縮小會(huì)削弱冷量交換效率，縮小凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度回升幅度，造成凍結(jié)管端頭回路鹽水溫度逐漸降低。凍結(jié)12周時(shí)凍結(jié)管循環(huán)系統(tǒng)的最低回路溫度為-29 ℃，較工作面干管溫度偏高，這是由于輸入凍結(jié)管內(nèi)的鹽水向周?chē)貙觾?nèi)傳輸冷量，引起凍結(jié)管端頭鹽水溫度的回升。

比較不同凍結(jié)管端頭溫度可以發(fā)現(xiàn)差別較大，凍結(jié)9周時(shí)C7、C4凍結(jié)管的端頭溫度偏高約1.5 ℃，這是由于這兩根凍結(jié)管間距較大，凍結(jié)管向四周傳熱量多而使凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度升高幅度大。隨著凍結(jié)施工的進(jìn)行，凍結(jié)管周?chē)纬蓛鐾梁?，減少了從凍結(jié)管吸收的冷量，造成不同凍結(jié)管端頭溫差的進(jìn)一步縮小。凍結(jié)12周時(shí)，C3～C4凍結(jié)管端頭回路溫度仍偏高1 ℃，這是由于兩根凍結(jié)管均處于含礫中粗砂地層，高含水率地層凍結(jié)需要吸收冷量更多，導(dǎo)致凍結(jié)管端頭溫度偏高，但不同凍結(jié)管循環(huán)系統(tǒng)之間的最大溫差均小于1 ℃，說(shuō)明凍結(jié)系統(tǒng)整體較平衡，凍結(jié)均勻性好。

3.4 凍結(jié)效果評(píng)價(jià)

凍結(jié)80 d后，T1、T2測(cè)溫孔內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)溫度均低于-5 ℃，而3個(gè)泄壓孔的壓力均為0，說(shuō)明凍土擴(kuò)展范圍已遍及盾構(gòu)泥水倉(cāng)。根據(jù)凍結(jié)管向外冷量傳遞的對(duì)稱(chēng)性，周圈凍土向盾構(gòu)外部擴(kuò)散，從而形成斷面遠(yuǎn)大于盾構(gòu)范圍的凍土，進(jìn)一步提升了泥水倉(cāng)內(nèi)隔絕地下水及承載能力，保證了施工的安全。盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)前形成的凍土范圍如圖13所示，其中凍結(jié)管間距較大位置的凍土擴(kuò)展范圍偏小。此時(shí)將盾構(gòu)面板上的其他閥門(mén)全部打開(kāi)，均無(wú)水流流出，也證明了盾構(gòu)泥水倉(cāng)內(nèi)處于全部?jī)鰧?shí)狀態(tài)。

通過(guò)盾構(gòu)人倉(cāng)進(jìn)入泥水倉(cāng)后，發(fā)現(xiàn)泥水倉(cāng)內(nèi)形成質(zhì)量良好的凍結(jié)壁。由于盾構(gòu)刀盤(pán)內(nèi)的凍結(jié)管布置方式與泥水倉(cāng)基本相同，盾構(gòu)刀盤(pán)內(nèi)也相應(yīng)形成了與泥水倉(cāng)內(nèi)相似的凍結(jié)壁。在盾構(gòu)刀盤(pán)內(nèi)凍結(jié)壁的維護(hù)作用下，清理盾構(gòu)泥水倉(cāng)內(nèi)空間，形成臨時(shí)盾構(gòu)檢修環(huán)境，如圖14所示。清理過(guò)程中盾構(gòu)泥水倉(cāng)內(nèi)凍結(jié)壁質(zhì)量較好，清理后盾構(gòu)周?chē)尸F(xiàn)良好結(jié)霜現(xiàn)象，驗(yàn)證了盾構(gòu)外部空間形成的凍結(jié)壁質(zhì)量滿足盾構(gòu)常壓檢修要求。

4 結(jié) 論

本文依托南京市新濟(jì)洲越江供水廊道工程，首次完成了江底盾構(gòu)泥水倉(cāng)內(nèi)的水平凍結(jié)施工及泥水倉(cāng)內(nèi)臨時(shí)檢修，通過(guò)分析凍結(jié)施工過(guò)程中的溫度和壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

（1）利用泥水平衡盾構(gòu)上的注漿孔、超前地質(zhì)探孔和貫通閥門(mén)布置水平凍結(jié)管，在凍結(jié)管最大間距3.12 m條件下，凍結(jié)80 d時(shí)可將盾構(gòu)泥水倉(cāng)全部?jī)鰧?shí)，隔斷盾構(gòu)與外部水力聯(lián)系，構(gòu)建盾構(gòu)檢修環(huán)境，解決了江底、海底等盾構(gòu)應(yīng)急檢修施工難題。

（2）地面低溫鹽水通過(guò)長(zhǎng)1 200 m的鹽水管路及工作面接力換熱裝置輸入凍結(jié)管后，溫度升高約2.5 ℃，但可以降低凍結(jié)管內(nèi)鹽水循環(huán)壓力，減小凍結(jié)管滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

（3）盾構(gòu)結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響泥水倉(cāng)內(nèi)凍結(jié)壁形成過(guò)程，而凍結(jié)管間距也會(huì)影響凍結(jié)管傳熱效率，所以盾構(gòu)泥水倉(cāng)內(nèi)形成的凍結(jié)壁均勻性較差。施工中應(yīng)通過(guò)溫度和壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析判斷，來(lái)評(píng)價(jià)不同斷面位置凍結(jié)壁的質(zhì)量。

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（編輯：胡旭東）

Study on horizontal freezing temperature field in mud tank of mud-water balance shield

in cross-river water supply corridor projectSHI Zhan¹，ZHANG Tiejun¹，LI Meixiang²，BO Yin¹，CHEN Shiguang³，SHI Rongjian⁴

（1.Changjiang Survey，Planning and Design Research Co.，Ltd.，Wuhan 430014，China； 2.Nanjing Jiangning District Embankment Reservoir Management Institute of Jiangning District，Nanjing 211103，China； 3.China Construction Eighth Engineering Bureau Co.，Ltd.，Shanghai 200122，China； 4.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

Abstract： It is an effective method to construct a temporary shield maintenance environment at the bottom of rivers by isolating connection with the external groundwater after horizontal freezing in the shield mud tank.However，the existing research results cannot provide a reference for the evaluation of the freezing construction process.Based on the cross-river water supply corridor project of Xinjizhou in Nanjing，the temperature distribution characteristics and influence law in the process of forming frozen soil in shield mud tank were studied.The results show that through the relay heat exchanger of the shield working face，the ground low-temperature brine can be pumped into the freezing pipe with a small circulating pressure，thereby reducing the risk of brine leakage in the freezing pipe.During the stable freezing stage，the brine temperature of the working face was about 2.5 ℃ higher than the ground temperature.The change process of the temperature at the end of the freezing pipe during the construction process is basically the same，but due to the difference in the heat absorption capacity of the strata around the freezing pipe，the temperature at the end of the freezing pipe with a large spacing was about 1 ℃ higher.The difference between the thermal conductivity and the heat dissipation coefficient of the shield structure steel will affect the cold transfer process，resulting in the temperature of the frozen soil around the shield cutterhead about 3 ℃ lower，while the heat dissipation of the shield panel causes the temperature of the frozen soil at the corresponding position about 4 ℃ higher.Under the condition that the maximum spacing of the horizontal freezing pipe was 3.12 m，the shield mud tank can be frozen completely after 80 days of freezing，so that the construction conditions for opening the shield mud tank in emergency maintenance can be realized.

Key words： water-rich stratum；mud-water balance shield；freezing temperature field；cross-river water supply corridor project