0 引言

　　盾构始发与到达是地铁区间施工风险最大的环节，土体不稳定和地下水渗漏，易发生严重的工程事故^[1,2,3]。为提升盾构在接收过程中的安全性，抢险应急救援方法研究至关重要。区间隧道结构外敷冷板冻结工法是一种有益尝试，在广佛线某区间地铁隧道管片破损抢险中使用了矩形截面的冻结冷板进行冻结封水，仇培云等^[4]采用物理模拟试验方法研究了该冻结方法下不同冷板形式如单排冷板、双排冷板及冻结盘管的温度场变化规律，研究显示双排冷板具有最大冻结深度。

　　上海轨道交通某区间工程盾构机头刀盘在进入洞门圈后发生(7)_1-2砂质粉土层中的承压水从地下连续墙与加固体交界面穿透(6)层土后流出的紧急状况，经采取洞门处堆土、注聚氨酯及接收井内灌水等应急措施后，工作井内水头压力基本稳定。由于盾构机外围已全部被水淹没，研究在盾壳内地下连续墙与地层界面处采取冷板冻结方式，利用盐水制冷系统对盾壳外侧地层进行冻结，形成环形冻结壁封堵出水通道，为后续抽水及洞门封孔施工做准备，并确保隧道结构安全。

　　1 冷板环形冻结设计

　　1.1 冻结设计

　　洞门圈直径7.10m，盾构外壳直径6.76m，在盾构机内壳钢板上布置9圈环形不锈钢冻结管，冻结管采用40不锈钢波纹管，设计冻结管间距0.15m，形成冷板向外冻结，如图1所示。冷板环形冻结管保温采用双层保温措施，设计冻结壁平均温度-10℃，设计环形冻结壁厚0.7m、宽2.2m，设计最低盐水温度-28～-30℃。

　　图1 环形冻结壁设计 

　　1.2 测温系统布设

　　测温孔内测点布设须满足可监测冻结壁与盾壳交界面情况、判断冻结壁厚度及平均温度的要求。因受盾构机内空间限制，若直接采用开孔器打设垂直孔用于测温的安全风险较大，因此在冻结运转一段时间待环形冻结壁形成并有一定厚度后再施工垂直孔。冻结管安装前，预先在盾壳内壁上焊接阀门，在阀门内取芯开孔。冻结5d后打开阀门继续钻进0.5m，焊接安装测温管及温度传感器。每个测温孔分别在0.05,0.35,0.50m处安装3个温度传感器。在盾构内壳上布置8个测温孔，其中C1～C5测温孔钻穿壳体钢板进入地层最深0.5m，用于监测冻结体沿径向温度变化情况为直接测点;C6～C8测温孔布置在盾壳钢板面上，前后距离冻结冷板各400mm，用于监测冻结体沿隧道轴向温度变化情况，为间接测点。测温孔位如图2所示。

　　2 冻土温度场数值模拟

　　2.1 材料参数

　　盾构进洞位置处于(5)_1-1灰色黏土层、(5)_1-2灰色粉质黏土层，盾构底部距离(7)地层6.5m，进洞影响范围内土体进行过水泥系加固处理。对计算模型进行简化，假设冻结加固范围内地层均匀，且热工参数相同，按均质同性体考虑。此外，还需考虑盾壳及冻结管保温层内侧空气对流传热、盾构机壳散热迅速、外侧水流动导致热能散失对间接冻结的不利影响。根据上海地层热力学参数及查阅相关材料热工参数，空气的对流系数取3.000W·m^-2·K^-1，冻结前地温初始温度和灌水水温设定为18.0℃，其他模型材料参数选取如表1所示。

　　图2 测温孔位分布连续墙  

　　表1 模型材料参数 

　　表1 模型材料参数

　　2.2 温度场计算

　　2.2.1 有限元模型建立

　　按“建立仿真模型、模型划分网格、设定边界条件、求解计算和结果分析”等步骤进行仿真分析^[5,6]。对冻结体进行有限元建模，冻结区域内的地层情况复杂，包含内衬墙、加固土体、水及对流空气等。由于对流边界和外形结构复杂，故采用边界适应性较强的三角形单元进行网格划分。在模拟过程中，盾壳表面温度传递快而土体导热慢，造成冻结区域内部存在较大温度梯度，因此在有限元分析中采用了较细的单元划分及较小的时间增量步长。

　　截取一平面作为计算模型(见图3)。冻结外边界取3～5倍设计冻结壁厚度，ANSYS分析模型考虑空气热对流和热辐射边界，采用二维plane 55单元进行热传导分析。

　　图3 有限元模型局部放大  

　　2.2.2 温度场分布云图

　　由于条件限制，现场对冻结温度的监测只在有限点位的测温点进行。为了解冻结过程中冻结体内部温度变化及冰层推进速度，对这一过程进行仿真模拟，得到温度场发展结果，图4所示为冷板冻结实施第15,20,30,40天温度云图。

　　图4 冷板冻结温度云图(单位:℃)  

　　2.2.3 有效冻结壁

　　参照类似工程，土的起始冻结温度按-1.0℃设定并绘制有效冻结壁，冻结第5,15,20,30天的有效冻结帷幕如图5所示。冻结第5天，冻结壁开始向外侧发展，冻结第15d已经完成盾壳与土体间隙的填充。

　　图5 有效冻结帷幕(单位:℃) 

　　3 仿真结果分析

　　3.1 仿真温度分布曲线

　　为分析冷板壁面温度的分布规律，判断冻结区不利位置温度场分布情况，计算冷板竖直和水平方向2个路径下的温度分布曲线，如图6所示。

　　冻结第30天时路径1和路径2上各点的温度分布情况分别如图7,8所示。图7所示横坐标为冻结区测点与盾构外壁的垂直距离，纵坐标为该点的温度。冻结第30天时，盾壳外侧冻结壁的厚度达到0.855m，平均温度-12.0℃，平均冻结速度28.5 mm/d。图8所示横坐标为冻结区测点与冷板中心点的水平距离，冻结温度曲线在水平方向大致呈对称分布，水平方向冻结壁的宽度达3.041m，平均温度-17.2℃。两分布曲线在浅部和近处温度均随距离的增加呈线性分布，在较远距离呈对数曲线形式分布，这是由于冷板冻结温度场叠加及冷源温度低等原因，冻结发展速度快，冻结范围广。

　　图6 冷板温度分布曲线  

　　图7 冻结30d时路径1的温度分布曲线 

　　图8 冻结30d时路径2的温度分布曲线 

　　3.2 实测与模拟结果

　　3.2.1 垂直方向

　　采集测温数据，得到C1～C5各测点温度曲线，呈对数曲线形式分布。各测点温度变化曲线与C1测点温度曲线接近，以C1测点为例(见图9)，积极冻结前期温度下降速度快，达降温0.7℃/d，温度曲线总是凸向坐标轴，但随时间的增加温度曲线凸向坐标轴的程度逐渐减弱，冻结20d即达到设计冻结温度。

　　3.2.2 水平方向温度分布曲线

　　盾壳内表面布置的测点温度变化曲线如图10所示，冻结20d左右，除“C8后”测点，其余各测点均达到0℃以下，如表2所示。对3月15日的实测温度采用作图法计算得到环形冻结壁最小宽度为2.24m，满足≥2.2m的设计要求。因而冻结第20天实测值基本达到设计要求，与仿真模拟值2.86m的宽度接近。

　　图9 C1测点冻结期间温度曲线 

　　图1 0 间接测点温度变化曲线  

　　4 结语

　　通过仿真模拟试验研究“冻结管布设于盾壳内表面”这一冷板冻结形式下的冻结温度场规律，该冻结形式下主、界面温度曲线在浅部呈线性分布，随深度的增加逐渐过渡成对数曲线形式。

　　1)使用ANSYS通用有限元软件，可以很好地模拟盾壳在冷冻作用下温度场的分布，计算结果与实测值接近，冻土发展速度达28.5mm/d，在此情形下冻结30d左右可满足设计指标。

　　2)根据现场及冷冻机组实际情况，盐水温度-28～-30℃即可满足冻结壁要求。在设计冻结壁厚度0.7m、宽度2.864m范围内，测点降温幅度明显，实际工程中可参照这一尺寸做好保温工作，提高冻结效率，同时完善细化测温系统布置的相关技术措施，确保温度监测能真实反映环形冻结壁的实际状况。

　　3)在冻结施工前期，根据测温孔发现上部冻结壁发展缓慢，经分析，冻结体可能存在导水通道，接收井内外水体存在压差，流动水将冻结冷量带走。经过注浆封堵、加强冻结等措施后，冻结壁开始逐渐加速发展。至冻结30d，通过测温孔数据分析及接收井内抽水试验等验证，冻结壁的发展达到设计冻结要求。