盾構冷凍刀盤開倉技術研究

莊國清

隨著中國經濟飛速發展，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境中盾構開倉換刀的瓶頸，突破了常規的氣壓開倉、常壓開倉的極限工作壓力，將成為高水壓力環境下安全、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，局部灰巖突起且巖面強度高，隧道線路拱頂主要是以軟弱地層為主，隧道中下方以灰巖為主，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系，根據以往的施工經驗，灰巖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，故在本項目中創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、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掌子面塌陷、地面沉隆超限；在介質置換過程中根據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→繼續冷凍形成冷凍交圈→氣體置換土倉內膨潤土漿液→繼續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。

四、冷凍開倉作業

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：

（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連續出水；

（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，減少作業風險。根據盾構機刀盤結構及刀具分布，將土倉分上中下三個區域進行清理，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測，凍土帷幕重要狀態參數：凍結壁厚度、凍土強度、凍土溫度、凍土發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都依靠實測數據決定，因此需對凍土帷幕形成過程進行實時監測，監測系統每小時自動測量并存檔一次數據。

冷凍刀盤監測內容如下：

（1）凍結溫度場監測：通過盾構機中隔板及地面分別植入測溫器起進行監測。在盾構機刀盤前方1m及左右1m范圍內布設測溫點，通過監測冷凍過程溫度的變化，從而掌握凍土的發展情況，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，用以監測凍土在刀盤縱橫斷面方向上的發展情況；

（2）鹽水箱溫度監測：了解鹽水干管冷量損失的重要指數，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，監測鹽水箱內鹽水溫度；

（3）凍結器頭部（去路、回路）溫度的監測：凍結管去回路溫差不大于2℃；

（4）凍結管壁溫度監測：測試管壁溫度了解冷凍情況；

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

（6）地表監測：盾構刀盤前方20m和后方20m共40m的范圍內進行地面監測，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測，并密切跟進停機期間的盾構姿態變化情況。

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平衡，溫度再降低時未凍水以冰的形式出現。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不適、凍傷，低溫環境下工作可能出現作業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、冷凍監測、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。