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(jìn)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(huì)存在大小不一、形狀各異的孤石[1]，孤石的強(qiáng)度同周圍地層存在較大差異，掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)主軸無法固定，容易滾動(dòng)，造成盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)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(duì)孤石對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)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(jī)直接掘進(jìn)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(huì)對(duì)土方開挖破除，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)，作業(yè)工序繁瑣、人工費(fèi)高且存在安全風(fēng)險(xiǎn)，施工噪聲大、地層影響大且盾構(gòu)機(jī)方向不易控制；4、采用新型機(jī)械裝備對(duì)孤石進(jìn)行處理[15-19]：對(duì)孤石進(jìn)行處理，施工快捷有效，但工程機(jī)械費(fèi)用較高；5、采用盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)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(gè)條件：一是盾構(gòu)機(jī)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(jī)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng).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(fèi)用較大，且地表需要圍擋，不但阻礙交通，而且施工期長(zhǎng).

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

1 新工法簡(jiǎn)介

圖1 一種盾構(gòu)機(jī)直接推進(jìn)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(jī)直接推進(jìn)并通過孤石的方法”，運(yùn)用凍結(jié)法對(duì)孤石進(jìn)行固定，保證了施工的進(jìn)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(jī)到達(dá)孤石位置，將盾構(gòu)機(jī)的刀盤頂住孤石；步驟二、利用盾構(gòu)機(jī)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(jī)刀盤和盾構(gòu)機(jī)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(jī)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(jī)的刀盤，至盾構(gòu)機(jī)的刀盤能夠轉(zhuǎn)動(dòng)為止；步驟四、盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)來破除孤石.

凍結(jié)裝置裝配在刀盤上，布置在盾構(gòu)機(jī)的刀盤和機(jī)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(jī)的刀盤分割成的四個(gè)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(gè)區(qū)間布置獨(dú)立的凍結(jié)冷媒介質(zhì)進(jìn)出回路，凍結(jié)冷媒介質(zhì)進(jìn)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(jī)結(jié)合凍結(jié)法直接推進(jìn)并進(jìn)行通過孤石的施工，這使得工藝操作簡(jiǎn)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(shí)間和成本，又對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小，因此具有較大的推廣價(jià)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(chǎng)的變化規(guī)律，總結(jié)出最佳熱水解凍溫度和解凍時(shí)間，有利于縮短工期，高效施工；通過對(duì)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(shí)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(jī)正常掘進(jìn)→盾構(gòu)機(jī)到達(dá)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(dòng)→盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)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(chǎng)數(shù)值模擬的基本假定(1)為研究盾構(gòu)機(jī)通過孤石時(shí)工層溫度場(chǎng)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(gè)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(duì)模型溫度場(chǎng)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(shí)土體開始趨于穩(wěn)定，其等溫線包絡(luò)區(qū)域?yàn)樽畲髢鼋Y(jié)區(qū)域；-10℃時(shí)形成凍土帷幕，其等溫線包絡(luò)區(qū)域?yàn)樽钚鼋Y(jié)區(qū)域.

2.2 數(shù)值計(jì)算幾何模型該溫度場(chǎng)三維計(jì)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(zhǎng)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，該土體采用九節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分格式，每個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.5 m，網(wǎng)格劃分后的計(jì)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(duì)模型模擬影響忽略不計(jì).

2.3 計(jì)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(shí)，通過Boolean運(yùn)算將盾構(gòu)機(jī)實(shí)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(jì)劃見表2，根據(jù)此降溫過程，規(guī)定凍結(jié)時(shí)間步為40 d，每步時(shí)間長(zhǎng)為24 h.

表2 凍結(jié)管鹽水降溫計(jì)劃

圖5 路徑及測(cè)溫點(diǎn)選取的示意圖

2.4 觀察路徑的選取及觀測(cè)點(diǎn)的確定為了解盾構(gòu)機(jī)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(jī)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(jìn)行觀測(cè)：盾構(gòu)機(jī)在破除孤石的過程中，沿著前進(jìn)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(gè)測(cè)溫點(diǎn)，設(shè)置有8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)；在盾構(gòu)機(jī)刀盤掘進(jìn)過程中所切削的土體范圍內(nèi)，平行中心點(diǎn)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(jìn)方向和平行中心點(diǎn)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(gè)測(cè)溫點(diǎn)，設(shè)置有9個(gè)測(cè)溫點(diǎn).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(shí)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(shí)的溫度場(chǎng)發(fā)展與分布規(guī)律，并選取最佳的解凍時(shí)間，使凍結(jié)刀盤及其周圍的土體解凍，至刀盤可以轉(zhuǎn)動(dòng)，其鹽水解凍實(shí)驗(yàn)計(jì)劃見表3.

表3 解凍溫度計(jì)劃

3 溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)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(hù)凍結(jié)的情況為了研究盾構(gòu)機(jī)刀盤凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，我們按照凍結(jié)管鹽水降溫計(jì)劃，對(duì)溫度場(chǎng)數(shù)值模型進(jìn)行了分析計(jì)算，得到凍結(jié)過程中不同時(shí)間的相同剖面(時(shí)間分別選取1天、10天、20天、30天、40天、41天)的溫度場(chǎng)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(shí)，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(shí)間的增加逐漸變大；凍土帷幕在20天時(shí)已經(jīng)形成較大的凍土帷幕，然而此時(shí)凍土帷幕的強(qiáng)度和厚度還沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的要求；積極凍結(jié)30天時(shí)，基本形成了較為完整的凍土帷幕；到積極凍結(jié)40天時(shí)，凍土帷幕繼續(xù)擴(kuò)大，此時(shí)已經(jīng)形成一個(gè)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(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖 (b)凍結(jié)10天時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖(c)凍結(jié)20天時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖(d)凍結(jié)30天時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖(e)凍結(jié)40天時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖 (f)凍結(jié)41天時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖圖6 凍結(jié)管鹽水降溫計(jì)劃的溫度場(chǎng)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(jī)刀盤解凍溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，本研究選取了實(shí)驗(yàn)1的解凍計(jì)劃，對(duì)上述模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算及分析，得到解凍過程中不同時(shí)刻的相同剖面(時(shí)間分別選取4 h，8 h，12 h，16 h，20 h，24 h)的溫度場(chǎng)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(jì)劃，盾構(gòu)刀盤處的凍土解凍完成.

(a)解凍4 h時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖 (b)解凍8 h時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖(c)解凍12 h時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖(d)解凍16 h時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖(e)解凍20 h時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖 (f)解凍24 h時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展云圖圖7 實(shí)驗(yàn)1的溫度場(chǎng)發(fā)展云圖和等值線圖

3.2 盾構(gòu)刀盤溫度場(chǎng)發(fā)展與分布規(guī)律在各個(gè)試驗(yàn)中，路徑1上1～8號(hào)分析點(diǎn)代表了刀盤凍結(jié)裝置前方土體的溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律，其溫度隨時(shí)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(chǎng)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(gè)臨界點(diǎn)，凍結(jié)速度由快變慢；該施工在960 h時(shí)，點(diǎn)1～5的溫度均處于0 ℃以下，因?yàn)槊扛?.3 m設(shè)置一個(gè)觀察點(diǎn)，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(hào)分析點(diǎn)處，在960 h時(shí)開始解凍，984 h時(shí)完成解凍，刀盤開始運(yùn)行，盾構(gòu)機(jī)即可掘進(jìn)；在984 h時(shí)，此時(shí)2～6號(hào)分析點(diǎn)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(jì)劃為-10 ℃，經(jīng)歷984 h時(shí)，此時(shí)3～6號(hào)分析點(diǎn)為有效凍結(jié)范圍(0.9～1.5 m)的區(qū)域.

圖8 1號(hào)路徑1～8號(hào)分析點(diǎn)溫度隨時(shí)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(hào)點(diǎn)為代表)，如此使得刀盤能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)，而刀盤前方的土體尚未解凍，此時(shí)孤石處于固定狀態(tài)(以2點(diǎn)為代表)，因此，本文選取1、2路徑上1點(diǎn)和2點(diǎn)進(jìn)行研究.

如圖8所示，在1～6號(hào)分析點(diǎn)中，最終只有1號(hào)分析點(diǎn)的溫度達(dá)到0 ℃以上，該點(diǎn)土體解凍，為了研究不同溫度熱水解凍盾構(gòu)機(jī)刀盤的溫度場(chǎng)發(fā)展與分布規(guī)律，選擇1號(hào)分析點(diǎn)和2號(hào)分析點(diǎn)作為研究對(duì)象，對(duì)不同溫度熱水的解凍情況進(jìn)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(jī)刀盤附近土體的解凍規(guī)律.

如圖9所示，2條路徑的1號(hào)分析點(diǎn)的溫度變化趨于一致，且均在970 h之前溫度達(dá)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(gè)臨界點(diǎn)，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(hào)分析點(diǎn)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(shí)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(diǎn)溫度達(dá)到0 ℃以上，完成解凍.

(a)路徑1上1號(hào)分析點(diǎn)的溫度空間分布曲線 (b)路徑2上1號(hào)分析點(diǎn)的溫度空間分布曲線圖9 不同降溫計(jì)劃下2條路徑上1號(hào)分析點(diǎn)的溫度空間分布曲線

為觀察路徑上不同觀測(cè)點(diǎn)的溫度發(fā)展變化規(guī)律，我們對(duì)路徑1上2號(hào)分析點(diǎn)的溫度發(fā)展進(jìn)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(jī)刀盤解凍的規(guī)律.

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

路徑1上的2號(hào)分析點(diǎn)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(diǎn)溫度逐漸增加；在984 h前，該路徑的2號(hào)分析點(diǎn)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(diǎn)最終的溫度較高；在984 h時(shí)，5組不同溫度的熱水循環(huán)后都沒有在2號(hào)分析點(diǎn)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(hào)分析點(diǎn)與路徑1的該點(diǎn)相比，初始溫度較低；該路徑2的2號(hào)分析點(diǎn)比1號(hào)路徑的相同分析點(diǎn)在相同解凍溫度下解凍的速度較快；2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位于距離盾構(gòu)刀盤0.3 m處，5個(gè)實(shí)驗(yàn)在980 h前，距離盾構(gòu)刀盤原點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)的相同熱水解凍溫度場(chǎng)發(fā)展的對(duì)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(hào)分析點(diǎn)完成解凍，完成解凍時(shí)差最多相差兩小時(shí)，20 ℃熱水完成解凍的時(shí)間為4 h，滿足施工的時(shí)間需求；考慮土體中具有原始溫度，其現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行解凍，解凍時(shí)間為4小時(shí)，此可滿足現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)施工相關(guān)準(zhǔn)備工作的時(shí)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(jià)比最高，因此在該實(shí)驗(yàn)中最終選擇20 ℃的熱水作為解凍盾構(gòu)機(jī)刀盤的溫度.由圖12所示，20 ℃熱水在964 h時(shí)溫度達(dá)到1.67 ℃，高于0 ℃，故最終確定20 ℃熱水的解凍時(shí)間為4 h.

3.2.2 最佳鹽水解凍計(jì)劃的確定最終確定熱水解凍計(jì)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(dāng)鹽水降溫計(jì)劃在960 h完成時(shí)，1～5號(hào)分析點(diǎn)的溫度在0 ℃以下，此時(shí)水平凍結(jié)范圍為1.5 m，在984 h時(shí)，距離盾構(gòu)刀盤0.3～1.5 m處為凍土；在984 h時(shí)，只有1號(hào)分析點(diǎn)的解凍溫度達(dá)到0 ℃以上，該點(diǎn)土體解凍；規(guī)定最終鹽水降溫計(jì)劃為-10 ℃，經(jīng)歷984 h時(shí)，此時(shí)2～3號(hào)分析點(diǎn)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(hào)分析點(diǎn)的溫度空間分布曲線 (b)路徑2上1～9號(hào)分析點(diǎn)的溫度空間分布曲線圖11 20℃熱水解凍計(jì)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(diǎn)最終達(dá)到0 ℃以下，因此從盾構(gòu)刀盤原點(diǎn)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(shí)，1～7號(hào)分析點(diǎn)的溫度達(dá)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(hào)分析點(diǎn)部分解凍溫度的空間分布曲線

4 結(jié) 論

運(yùn)用有限元軟件建立盾構(gòu)刀盤凍結(jié)法的數(shù)值模型，對(duì)2條路徑的溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比與分析，并通過分析5個(gè)不同解凍溫度對(duì)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(duì)孤石凍結(jié)時(shí)，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(shí)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(duì)溫度場(chǎng)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(hào)分析點(diǎn)位于盾構(gòu)刀盤中心，因此該點(diǎn)最終溫度與熱水解凍計(jì)劃的溫度幾乎一致.

(3)970 h前，在1號(hào)分析點(diǎn)處，使用不同熱水解凍盾構(gòu)刀盤的溫度均達(dá)到0 ℃以上，即該分析點(diǎn)土體解凍；984 h時(shí)，在路徑2上的2號(hào)分析點(diǎn)，只有50 ℃熱水解凍盾構(gòu)刀盤并使其溫度達(dá)到0 ℃以上，此溫度下土體解凍；因此在該實(shí)驗(yàn)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(shí)間為4 h.

(4)本文介紹了一種新型的盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)固定孤石的方法，可節(jié)約時(shí)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(shí)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.