一种盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业的温度控制方法与流程

本发明属于盾构机内动火作业温度控制技术领域，尤其是涉及一种盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业的温度控制方法。

背景技术：

盾构机在施工过程中，可能发生刀盘刀箱损坏等情况需进行动火作业修复，带压动火作业修复施工风险大，成本高，修复质量难以控制，宜采用常压动火作业修复。目前一般在刀盘前方施工竖井然后再进行修复，采用竖井方式，首先需要施工围堰，然后开挖并支护，最后再进行修复作业。施工工期长，需采用挖机、抓泥船等大型设备，场地要求高。随着盾构技术的发展，目前采用冷冻加固地层后实现常压动火作业修复，但是，用冷冻法加固地层后，如何在盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业过程中有效地控制冷冻加固体温度控制以避免冷冻法施工不满足冷冻加固体的温度、强度符合设计要求就是需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业的温度控制方法，其方法步骤简单，设计合理且实现方便，通过布设监测点，在掌子面冷冻加固体和盾构机前盾盾壳布置防火保温层，将泥水仓隔板设置为冷板，配合盾构机仓内空气置换装置控制盾构机仓内动火作业产生的热量向冷冻加固体中传递，避免因盾构机仓内动火作业而出现冷冻加固体消融、降低强度等情况，从而保证盾构机刀盘冷冻加固体的稳定、安全，对冷冻加固体温度的控制效果显著。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业的温度控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、低温冷冻水的制备及盾构机刀盘冷冻加固体的形成：

步骤101、将氯化钙和常温的自来水按照质量比(3～3.5):7进行混合并搅拌均匀，制备成混合盐水；

步骤102、将搅拌均匀的混合盐水送入冷冻机进行降温冷却，得到低温冷冻水；

步骤103、通入低温冷冻水，在盾构机刀盘所在的掌子面和周侧形成冷冻加固体；其中，冷冻加固体包括掌子面冷冻加固体和周侧冷冻体；

步骤二、冷冻加固体内布设监测点及安装传感器：

步骤201、在掌子面冷冻加固体靠近盾构机的侧面上设置六个监测点；其中，六个监测点分别为设置在掌子面冷冻加固体顶部中心处的第一监测点、设置在掌子面冷冻加固体高度方向的中心处的第二监测点、第三监测点和第四监测点，以及设置在掌子面冷冻加固体下部的第五监测点和第六监测点，第二监测点、第三监测点和第四监测点沿掌子面冷冻加固体高度方向的中心处长度方向均布，第五监测点和第六监测点距离掌子面冷冻加固体的底部之间有间隙；

步骤202、沿盾构机的前盾盾壳圆周方向布设第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点；其中，第一壳体监测点位于盾构机的前盾盾壳顶部，第四壳体监测点位于盾构机的前盾盾壳底部，第二壳体监测点位于第一壳体监测点和第四壳体监测点之间且靠近第一壳体监测点布设，第三壳体监测点位于第一壳体监测点和第四壳体监测点之间且靠近第四壳体监测点布设；

步骤203、在第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点处分别安装第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器；

步骤204、在第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点、第五监测点和第六监测点处分别安装第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器；

步骤三、铺设防火保温层：

步骤301、在掌子面冷冻加固体靠近盾构机的侧面上布设第一防火保温层，在周侧冷冻体靠近盾构机的侧面上铺设第二防火保温层；其中，第二防火保温层的一端搭接至盾构机的前盾盾壳上，第二防火保温层的一端搭接至第一防火保温层；

步骤302、在盾构机内泥水仓隔板靠近掌子面冷冻加固体的表面上铺设第三防火保温层；

步骤四、泥水仓隔板设置为冷板：

步骤401、在盾构机内泥水仓隔板上沿泥水仓隔板的环向设置第一排布设点和第二排布设点；其中，第一排布设点和第二排布设点均包括6个冷冻管布设点，6个冷冻管布设点沿泥水仓隔板的周向均布；

步骤402、在第一排布设点和第二排布设点处分别安装冷冻管，冷冻管外采用防火保温层进行包裹；

步骤五、安装空气置换装置：

步骤501、在盾构机的中盾物料仓口设置进风机和列管式冷凝器，在盾构机的泥水仓顶部安装喇叭口集烟器，在盾构机的人仓口处设置抽风机；

步骤502、进风机引入的空气通过列管式冷凝器冷却后，并经中盾构机的盾物料仓送至盾构机的泥水仓底部；同时盾构机内动火作业过程中产生的烟尘、热空气通过喇叭口集烟器收集并经盾构机的人仓口和抽风机将烟尘、热空气排出，确保盾构机内动火作业空间温度满足施工要求。

上述的一种盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业的温度控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：

步骤a、在盾构机内动火作业过程中，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器按照预先设定的采样时间分别对第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点、第五监测点和第六监测点处的温度进行检测，获得各个监测点温度，第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器按照预先设定的采样时间分别对第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点处的温度进行检测，获得各个壳体监测点温度；盾构机内设置的内部温度传感器按照预先设定的采样时间对盾构机内温度进行检测，获得盾构机仓内温度；

步骤b、将各个监测点温度中第k个采样时间第i个监测点温度记作ti(k)，i为正整数，且1≤i≤6；将各个壳体监测点温度第k个采样时间第j个壳体监测点温度记作t′j(k)，j为正整数，且1≤j≤4，将第k个采样时间盾构机仓内温度记作tn(k)；第k-1个采样时间第i个监测点温度记作ti(k-1)，第k+1个采样时间第i个监测点温度记作ti(k+1)，第k+2个采样时间第i个监测点温度记作ti(k+2)；第k-1个采样时间第j个壳体监测点温度记作t′j(k-1),第k+1个采样时间第j个壳体监测点温度记作t′j(k+1),第k+2个采样时间第j个壳体监测点温度记作t′j(k+2)；第k-1个采样时间盾构机仓内温度记作tn(k-1),第k+1个采样时间盾构机仓内温度记作tn(k+1),第k+2个采样时间盾构机仓内温度记作tn(k+2),k为正整数，且k≥1；

步骤c、当ti(k)比第一温度设定值大2℃且时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业；

当t′j(k)比第二温度设定值大2℃且时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业；

当tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，同时降低通风排烟流量；

当ti(k)比第一温度设定值大2℃，且ti(k)≤ti(k+1)≤ti(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；

当t′j(k)比第二温度设定值大2℃，且t′j(k)≤t′j(k+1)≤t′j(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；

当tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且tn(k)≤tn(k+1)≤tn(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；

步骤d、当ti(k)比第一温度设定值大2℃且ti(k)≤ti(k+1)≤ti(k+2)、当t′j(k)比第二温度设定值大2℃且t′j(k)≤t′j(k+1)≤t′j(k+2)或者当tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且tn(k)≤tn(k+1)≤tn(k+2)时，检查冷冻管线，直至当ti(k)满足第一温度设定值、t′j(k)满足第二温度设定值和tn(k)满足盾构机仓内温度设定值时，才能进行盾构机内切割、焊接动火作业。

上述的一种盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业的温度控制方法，其特征在于：第一温度设定值不大于-2℃，第二温度设定值不大于-2℃，盾构机仓内温度设定值不大于30℃；

所述预先设定的采样时间为5min～10min。

上述的一种盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业的温度控制方法，其特征在于：步骤101中搅拌时间为10min～20min，步骤102中低温冷冻水的温度不高于-28℃；

步骤201中所述第五监测点和第六监测点距离盾构机刀盘冷冻加固体的底部之间有间隙的取值范围为400mm～420mm；

步骤301中第一防火保温层的厚度为70mm～100mm，第二防火保温层的厚度为70mm～100mm；第三防火保温层的厚度为70mm～100mm；

步骤402中冷冻管为dn40不锈钢软管。

上述的一种盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业的温度控制方法，其特征在于：在监测点处安装温度传感器的方法均相同，具体过程如下：

步骤a1、在监测点处，采用磁力钻钻孔；

步骤a2、将温度传感器安装在钻孔处；其中，将温度传感器的测点埋入钻孔处，温度传感器的传输线路接出进行数据采集；

步骤a3、在温度传感器与钻孔的缝隙处填充原状土夯实；

在壳体监测点处安装壳体温度传感器的方法均相同，具体过程如下：在壳体监测点处贴装温度传感器；其中，第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器为贴片温度传感器。

上述的一种盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业的温度控制方法，其特征在于：各个冷冻管布设点处分别安装冷冻管的方法均相同，具体过程如下：

步骤4021、将冷冻管的中间部位点焊在冷冻管布设点处，并弯折冷冻管的两端呈u形；

步骤4022、在冷冻管外采用防火保温层进行包裹；其中，冷冻管外保温层的厚度为20mm～30mm；

步骤4023、将低温冷冻水送入冷冻管内进行持续冷冻。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的步骤简单、实现方便且操作简便，通过布设监测点，在掌子面冷冻加固体和盾构机前盾盾壳布置防火保温层，将泥水仓隔板设置为冷板，配合盾构机仓内空气置换装置控制盾构机仓内动火作业产生的热量向冷冻加固体中传递，避免因仓内动火作业而出现冷冻加固体消融、降低强度等情况，从而保证盾构机刀盘冷冻加固体的稳定、安全，对冷冻加固体温度的控制效果显著。

2、本发明盾构机仓内动火作业产生的热量主要以空气为介质传递到冷冻加固体中，通过设置第一防火保温层和第二防火保温层，使得动火作业空间内形成一个隔温层，切断冷冻加固体与动火作业空间内气体的直接接触，同时，设置第三防火保温层，防止动火作业时产生的热量通过泥水仓隔板传递至盾壳及冷冻加固体中。

3、本发明因为盾构机壳及泥水仓隔板均为钢材质，导热性能好，通过在第一排布设点和第二排布设点处分别安装冷冻管，使得泥水仓隔板形成一层冷板，为盾壳外部冷冻加固体提供冷量，阻止动火作业时热量通过盾构机壳体、泥水仓隔板传递到周围冷冻加固体内，加强冻结效果。

4、本发明通过进风机引入的空气通过列管式冷凝器冷却后，并经中盾构机的盾物料仓送至盾构机泥水仓的底部；同时盾构机内动火作业过程中产生的烟尘、热空气通过喇叭口集烟器收集并经盾构机的人仓口和抽风机将烟尘、热空气排出，确保盾构机内动火作业空间温度满足施工要求。

5、掌子面冷冻加固体靠近盾构机的侧面上和泥水仓隔板铺设防火保温层作业量小，可操作性强、保温效果显著。

6、泥水仓隔板设置为冷板，为盾构机周围的冷冻加固体持续提供维冻结冷量，加强了冷冻加固体底部最薄弱部位的冷冻加固体强度，保证了作业空间安全。

7、空气置换装置安装简易，效果显著，通过该装置及时将动火作业产生的烟尘、热空气排出，改善作业环境，提高施工工效。

综上所述，本发明方法简单、设计合理且实现方便，通过埋设温度监测点、铺设防火保温层、泥水仓隔板设置为冷板，配合空气置换装置在盾构机刀盘冷冻加固体内进行动火作业时有效控制周边冷冻加固体温度，保证冷冻加固体的稳定，降低了安全风险，为修复施工提供良好的作业环境，提高了施工工效。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明掌子面冷冻加固体处监测点布设的结构示意图。

图2为本发明壳体监测点布设的结构示意图。

图3为本发明的方法流程框图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示的一种盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业的温度控制方法，包括以下步骤：

步骤一、低温冷冻水的制备及盾构机刀盘冷冻加固体的形成：

步骤101、将氯化钙和常温的自来水按照质量比(3～3.5):7进行混合并搅拌均匀，制备成混合盐水；

步骤102、将搅拌均匀的混合盐水送入冷冻机进行降温冷却，得到低温冷冻水；

步骤103、通入低温冷冻水，在盾构机刀盘所在的掌子面和周侧形成冷冻加固体；其中，冷冻加固体包括掌子面冷冻加固体和周侧冷冻体；

步骤二、冷冻加固体内布设监测点及安装传感器：

步骤201、在掌子面冷冻加固体靠近盾构机的侧面上设置六个监测点；其中，六个监测点分别为设置在掌子面冷冻加固体顶部中心处的第一监测点、设置在掌子面冷冻加固体高度方向的中心处的第二监测点、第三监测点和第四监测点，以及设置在掌子面冷冻加固体下部的第五监测点和第六监测点，第二监测点、第三监测点和第四监测点沿掌子面冷冻加固体高度方向的中心处长度方向均布，第五监测点和第六监测点距离掌子面冷冻加固体的底部之间有间隙；

步骤202、沿盾构机的前盾盾壳圆周方向布设第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点；其中，第一壳体监测点位于盾构机的前盾盾壳顶部，第四壳体监测点位于盾构机的前盾盾壳底部，第二壳体监测点位于第一壳体监测点和第四壳体监测点之间且靠近第一壳体监测点布设，第三壳体监测点位于第一壳体监测点和第四壳体监测点之间且靠近第四壳体监测点布设；

步骤203、在第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点处分别安装第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器；

步骤204、在第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点、第五监测点和第六监测点处分别安装第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器；

步骤三、铺设防火保温层：

步骤301、在掌子面冷冻加固体靠近盾构机的侧面上布设第一防火保温层，在周侧冷冻体靠近盾构机的侧面上铺设第二防火保温层；其中，第二防火保温层的一端搭接至盾构机的前盾盾壳上，第二防火保温层的一端搭接至第一防火保温层；

步骤302、在盾构机内泥水仓隔板靠近掌子面冷冻加固体的表面上铺设第三防火保温层；

步骤四、泥水仓隔板设置为冷板：

步骤401、在盾构机内泥水仓隔板上沿泥水仓隔板的环向设置第一排布设点和第二排布设点；其中，第一排布设点和第二排布设点均包括6个冷冻管布设点，6个冷冻管布设点沿泥水仓隔板的周向均布；

步骤402、在第一排布设点和第二排布设点处分别安装冷冻管，冷冻管外采用防火保温层进行包裹；

步骤五、安装空气置换装置：

步骤501、在盾构机的中盾物料仓口设置进风机和列管式冷凝器，在盾构机的泥水仓顶部安装喇叭口集烟器，在盾构机的人仓口处设置抽风机；

步骤502、进风机引入的空气通过列管式冷凝器冷却后，并经中盾构机的盾物料仓送至盾构机的泥水仓底部；同时盾构机内动火作业过程中产生的烟尘、热空气通过喇叭口集烟器收集并经盾构机的人仓口和抽风机将烟尘、热空气排出，确保盾构机内动火作业空间温度满足施工要求。

本实施例中，还包括以下步骤：

步骤a、在盾构机内动火作业过程中，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器按照预先设定的采样时间分别对第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点、第五监测点和第六监测点处的温度进行检测，获得各个监测点温度，第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器按照预先设定的采样时间分别对第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点处的温度进行检测，获得各个壳体监测点温度；盾构机内设置的内部温度传感器按照预先设定的采样时间对盾构机内温度进行检测，获得盾构机仓内温度；

步骤b、将各个监测点温度中第k个采样时间第i个监测点温度记作ti(k)，i为正整数，且1≤i≤6；将各个壳体监测点温度第k个采样时间第j个壳体监测点温度记作t′j(k)，j为正整数，且1≤j≤4，将第k个采样时间盾构机仓内温度记作tn(k)；第k-1个采样时间第i个监测点温度记作ti(k-1)，第k+1个采样时间第i个监测点温度记作ti(k+1)，第k+2个采样时间第i个监测点温度记作ti(k+2)；第k-1个采样时间第j个壳体监测点温度记作t′j(k-1),第k+1个采样时间第j个壳体监测点温度记作t′j(k+1),第k+2个采样时间第j个壳体监测点温度记作t′j(k+2)；第k-1个采样时间盾构机仓内温度记作tn(k-1),第k+1个采样时间盾构机仓内温度记作tn(k+1),第k+2个采样时间盾构机仓内温度记作tn(k+2),k为正整数，且k≥1；

步骤c、当ti(k)比第一温度设定值大2℃且时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业；

当t′j(k)比第二温度设定值大2℃且时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业；

当tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，同时降低通风排烟流量；

当ti(k)比第一温度设定值大2℃，且ti(k)≤ti(k+1)≤ti(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；

当t′j(k)比第二温度设定值大2℃，且t′j(k)≤t′j(k+1)≤t′j(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；

当tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且tn(k)≤tn(k+1)≤tn(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；

步骤d、当ti(k)比第一温度设定值大2℃且ti(k)≤ti(k+1)≤ti(k+2)、当t′j(k)比第二温度设定值大2℃且t′j(k)≤t′j(k+1)≤t′j(k+2)或者当tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且tn(k)≤tn(k+1)≤tn(k+2)时，检查冷冻管线，直至当ti(k)满足第一温度设定值、t′j(k)满足第二温度设定值和tn(k)满足盾构机仓内温度设定值时，才能进行盾构机内切割、焊接动火作业。

本实施例中，第一温度设定值不大于-2℃，第二温度设定值不大于-2℃，盾构机仓内温度设定值不大于30℃；

所述预先设定的采样时间为5min～10min。

本实施例中，步骤101中搅拌时间为10min～20min，步骤102中低温冷冻水的温度不高于-28℃；

步骤201中所述第五监测点和第六监测点距离盾构机刀盘冷冻加固体的底部之间有间隙的取值范围为400mm～420mm；

步骤301中第一防火保温层的厚度为70mm～100mm，第二防火保温层的厚度为70mm～100mm；第三防火保温层的厚度为70mm～100mm；

步骤402中冷冻管为dn40不锈钢软管。

本实施例中，在监测点处安装温度传感器的方法均相同，具体过程如下：

步骤a1、在监测点处，采用磁力钻钻孔；

步骤a2、将温度传感器安装在钻孔处；其中，将温度传感器的测点埋入钻孔处，温度传感器的传输线路接出进行数据采集；

步骤a3、在温度传感器与钻孔的缝隙处填充原状土夯实；

在壳体监测点处安装壳体温度传感器的方法均相同，具体过程如下：在壳体监测点处贴装温度传感器；其中，第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器为贴片温度传感器。

本实施例中，各个冷冻管布设点处分别安装冷冻管的方法均相同，具体过程如下：

步骤4021、将冷冻管的中间部位点焊在冷冻管布设点处，并弯折冷冻管的两端呈u形；

步骤4022、在冷冻管外采用防火保温层进行包裹；其中，冷冻管外保温层的厚度为20mm～30mm；

步骤4023、将低温冷冻水送入冷冻管内进行持续冷冻。

综上所述，本发明通过布设监测点，在掌子面冷冻加固体和盾构机前盾盾壳布置防火保温层，将泥水仓隔板设置为冷板，配合盾构机仓内空气置换装置控制盾构机仓内动火作业产生的热量向冷冻加固体中传递，避免因盾构机仓内动火作业而出现冷冻加固体消融、降低强度等情况，从而保证盾构机刀盘冷冻加固体的稳定、安全，对冷冻加固体温度的控制效果显著。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。