盾构进出洞地层冻结理论研究现状与展望
胡向东1,2，俞锦柱1，王书磊3
【摘 要】地层冻结加固法是盾构隧道进出洞工程中的重要工法。对盾构进出洞地层冻结加固法涉及到的冻结加固体设计计算方法、垂直冻结温度场和水平冻结温度场理论及其在冻土帷幕厚度和平均温度计算方面的应用研究现状进行了回顾与总结，分析了目前研究的不足之处，并对盾构进出洞地层冻结法研究提出了建议。
【期刊名称】建井技术 【年(卷),期】2016(037)003 【总页数】5
【关键词】盾构进出洞；冻结法；冻土帷幕；温度场；平均温度 ·试验研究·
随着城市轨道交通的发展，越来越多的地铁隧道采用盾构法施工。盾构进出洞施工风险高，是盾构隧道整个施工过程中的一个事故多发环节，而盾构进出洞地层加固是盾构安全出发与到达的重要保证。目前，盾构进出洞工程中常用的土体加固方法有降水法、冻结法、注浆法、深层搅拌法、高压旋喷法等。冻结法因其具有加固体均匀性好、强度高、封水效果好和安全环保等优点[1]，在盾构进出洞工程中，得到了越来越广泛的应用，并已成为其他地层加固方法难以得到满意加固效果时的首选方案。
冻结加固体(冻土帷幕)安全是盾构进出洞工程安全顺利施工的重要保证。冻土帷幕强度和稳定性是其安全性最重要的力学特性，主要取决于其自身尺寸大小和平均温度的高低。故冻结加固体的设计计算方法和冻结温度场及其在冻土帷
幕厚度和平均温度计算上的应用，是盾构进出洞地层冻结理论研究中的关键问题。
1 盾构进出洞地层冻结法加固类型
盾构进出洞前，需预先对围护结构外侧一定范围内的含水地层进行加固，使之具有一定的强度和封水性，在凿除洞门圈内围护结构之后，起到临时替代围护结构封水挡土的作用。目前常用的地层冻结加固形式有3种：垂直冻结(见图1)、垂直冻结+水平冻结(见图2)、水平冻结(见图3)。其中水平冻结有外圈孔为长孔和短孔之分，长孔长度超过盾构机长度2～3环管片厚度(主要用于盾构进洞)，短孔长度小于盾构机长度。
以上3种地层冻结加固形式，可根据其力学模型和温度场模型，归结为三大类型：垂直冻结板块、水平圆筒形冻结体和水平冻结板块。
2 盾构进出洞地层冻结加固体力学设计方法研究现状
目前针对盾构进出洞冻结加固体的力学设计计算理论研究较少，力学模型相对成熟的仅仅是垂直冻结板块模型。各种水平冻结形式，特别是应用日益广泛的杯形冻结形式，尚未形成合理的力学模型和计算方法。
垂直冻结加固体设计计算方面，目前我国工程界的做法是先采用日本JET GROUT协会(JJGA)规范中的公式计算加固体厚度： (1)
式中：h为加固体厚度；K0为安全系数，取1.5～2.0；β为计算系数，取1.2；W为封门中心处的水土压力之和；D为封门直径；σt为加固土体的极限抗拉强度。
由式(1)计算得到加固体厚度之后，用静力理论验算。如图4所示，将加固土体
视为厚度为h的周边简支的弹性圆板，在外侧土压Pa和水压Pw的共同作用下，板块中心处的最大弯曲应力、支座处的最大剪力，可按弹性力学板块理论[2]求得。
吴韬(2006)对不同厚度板的三维有限元数值解与薄板理论的解析解计算结果进行对比，得到结论[3]：用弹性力学薄板模型计算盾构进出洞加固体的厚度，偏于安全。
胡向东、陈锦(2011)[4]利用有限元软件分析发现，盾构进出洞冻结加固体的实际约束条件介于弹性圆板周边铰接和固定这2种约束条件之间；而现行设计采用日本公式计算时，认为冻土加固体板块的约束为简支，其计算结果偏于保守。建议设计时，采用他们提出的修正公式[4]来计算加固体中心最大拉应力，并由此确定加固体厚度，再验算洞门周边冻土的最大剪应力；必要时采用修正公式，对加固体最大挠度进行验算。
水平冻结板块加固体设计计算方面，目前工程界的做法是直接沿用垂直冻结板块加固体的计算方法，未充分考虑水平杯形冻土加固体的受力工况和盾构运动对工况的改变。针对盾构进洞水平冻结加固方法，应当形成准确反映水平冻结板块加固体实际工况的力学模型和设计计算方法。
对水平圆筒形冻结体(即杯形冻结的“杯壁”)，工程界一般不做力学计算。
3 盾构进出洞地层冻结温度场理论研究现状
3.1 垂直冻结温度场理论研究
盾构进出洞垂直冻结加固一般采用冻结管排形布置的冻结方案，故盾构进出洞垂直冻结温度场理论可直接采用排形布管的温度场理论研究成果。
单排管、双排管冻结方面，俄国学者特鲁巴克(1954)假设计算时刻冻结温度场
盾构进出洞地层冻结理论研究现状与展望
