CN114109398B

CN114109398B - 一种热电制冷人工冻结盾构刀盘

Info

Publication number: CN114109398B
Application number: CN202111439491.6A
Authority: CN
Inventors: 李东阳; 戴佰承; 付春青; 刘波
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2023-01-03
Anticipated expiration: 2041-11-29
Also published as: CN114109398A

Abstract

本发明涉及一种热电制冷人工冻结盾构刀盘，采用热电材料制冷，至少包括用于装设刀具的辐条和刀圈，辐条和刀圈上设置有制冷组件，在刀盘与土面接触的情况下，制冷组件与土面接触并吸收土面的热量在刀盘前方和周向的土层形成能够支撑换刀空间的有效冻结区域。制冷组件包括至少一个固态调温元件和一个散热装置，通过控制固态调温元件通入的电流大小和散热装置的温度以形成有效冻结区域。

Description

一种热电制冷人工冻结盾构刀盘

技术领域

本发明涉及隧道盾构机设备技术领域，尤其涉及一种热电制冷人工冻结盾构刀盘。

背景技术

在盾构机长距离掘进时，经常会由于遭遇障碍或者刀盘过量磨损而导致盾构被迫停机的问题，这是盾构施工风险的主要来源之一。据不完全统计，隧道施工过程中因刀盘产生的停机率约占总停机率的一半以上。进行开舱维修是清理障碍、排除故障的常用手段。然而，盾构被迫停机的位置往往处在高水压、浅覆土的不利环境，在地层水土压力作用下，开舱存在极高的安全风险。因此，如何安全开舱将是城市地铁盾构行业发展的关键技术课题之一。

当前，工程中采用的换刀技术主要分为两种，即带压开舱和常压开舱。带压进舱是以压缩气体的压力置换压力舱中的泥浆压力来临时支护开挖面。以其具有使用范围广，节省工期，对周边环境影响小的优点，已有很多成功的应用，但是对于超高水压(0.68MPa以上)、强透水层的情况，带压进舱仍有诸多风险，比如刀盘修复过程中作业空间内高压气体漏失而引起开挖面失稳、气压波动造成作业人员耳膜破裂、听力障碍等人身伤害事故。根据英国健康与安全执行局(UKHSE)出版的压缩空气作业规范(1996年发布，2002年重印)，推荐人工最大带压工作范围不超过0.35MPa。在超过0.35MPa压力的空气环境下工作，作业人员的听觉、反应敏捷度都会大大降低，而且带压力的气体对人体功能器官影响较大，作业安全难以得到保障。直接威胁着工作人员的生命安全。

鉴于带压进舱技术的高风险性，常压开舱技术的风险要小的多，一般都会优先考虑。但是，在高水压的情况下，常压开舱通常需要预先加固开挖面附近的土体，然后再释放压力舱压力。人员进入的安全性好，施工方便，修复精度高。可是，目前的常压开舱技术也存在诸多限制条件。首先，必须具备地层加固场地，而在隧道上方存在构筑物，或者在交通繁忙的道路以及江河湖海的底部时，难以具备从地面加固的施工条件；其次，地层加固所需的工期较长，成本很高，因此，常压开舱方案的存在很多限制条件。

为克服常压换刀中加固场地要求大，施工时间长，费用高昂的缺陷，工程界开始尝试冷冻刀盘换刀技术。它是在盾构机主体上安装循环冷冻管路和冷冻系统，利用刀盘和机身的金属结构良好的传热特性，冷冻隧道开挖面土体形成冻土墙，利用冻土墙的强度和不透水特性达到支撑开挖面，防止坍塌，隔断地下水的效果。从而为换刀提供安全稳定的常压空间。目前该技术已在广州某电力隧道工程中得到了验证。

例如，CN110080786A公开了一种具有端面冻结系统的盾构机及其保护方法，包括刀盘、前盾、中心回转体、快速接管装置和冷冻机系统。刀盘的辐板上布置有至少一条刀盘冷冻管，每条刀盘冷冻管嵌入在刀盘内侧的方钢内，刀盘后连接刀盘中心块，刀盘中心块后连接中心回转体，中心回转体中部与主驱动相连，主驱动与刀盘相连，中心回转体后方接有中心回转体冷冻管。

CN206346745U公开了一种具有冷冻功能的盾构刀盘及盾构机，包括由多个辐条梁组成的圆盘状刀盘本体以及设在刀盘本体上的冷冻管路，所述辐条梁由若干主、副辐条梁组成，若干条主、副辐条梁以刀盘本体中心为中心呈辐射状分布且交替设置，所述副辐条梁内端通过主环梁连接在与其相邻的主辐条梁上，其外端通过圆环梁与其相邻的主辐条梁外端连接；所述若干条主、副辐条梁背部均设有沿其长度方向布置的冷却液通道，分别开设在主、副辐条梁背部的冷却液通道按照主、副辐条梁的排布方式顺序连通形成冷冻管路；所述盾构机包括上述刀盘。该冻结站由冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵和冷却塔构成，所述清水泵进口与水源连接，其出口通过管路与冷却塔连通，所述盐水箱内设有盐水泵，该盐水泵将盐水箱内的盐水泵入冷冻机内进行冷却，所述冷冻机的出口通过管路与冷冻管路连接。

冷冻换刀技术的尝试取得了积极的效果，该项技术打破了常压盾构换刀的受场地环境的限制，可随时实现对开挖面的冻结加固作业，开创了盾构安全开舱的新途径。但是，现有以氯化钙盐水为冷却循环介质的传统冻结方法也暴露出一些固有的缺陷：

(1)制冷功率小，冻结时间长，工程成本过高，刀盘冻结设计理论有待深入研究，该次冻结的规模很小，刀盘直径只有4.35m，却冻结了30d才能开挖，冻结时间过程，致使工程成本过高。

(2)冻结没有方向性，冻结过程中连同内部盾构机组一起冻结了，低温影响了其他设备的正常使用。因此，目前的刀盘冻结技术还不能适应未来直径14m以上的大直径盾构施工的要求。

为推动冷冻换刀技术的发展，本发明提出了热电型冷冻刀盘常压安全开舱技术。其有益之处在于：

(1)冻结速度快：热电型冻结设备通电即制冷，不需要设置冷冻机组，完全省去了前期的准备工作时间，可极大地缩短工期，降低时间成本；

(2)可定向冻结：传统的盐水冻结是全方向冻结，也就是采用盐水对掌子面冻结的同时，也会对主驱动等部件也进行了冻结，影响了此类部件的正常工作。而热电冻结属于固态冻结方式，本身就具有单向冻结特征，则能够避免盐水冻结的这个缺陷；

(3)冻结成本低：传统的盐水冻结其能量转化过程为“电能-机械能-冷能”，转换过程多，电能消耗很大，工程成本高阻碍其推广应用，而热电冻结材料是将电能转化为热能，相比于盐水冻结，可明显的降低工程成本，在未来的盾构换刀方案选择上，具有明显的经济优势，在推广应用上也具备成本竞争优势。

(4)冻结温度可分区域控制：传统的盐水冻结通过在管路中输送低温液体以将低温沿管路输送到各部分，各部分的温度相同，而由于在管路行进过程中从周围环境中逐渐吸热，随管路的延长而温度逐渐升高，因此后置管路的周围区域会比前置管路的周围区域形成有效冻结区域更慢，并且各部分形成的有效冻结区域不均，要保证形成的有效冻结区域受力稳定需要延长冻结时间，相应的融化时间也会增加；而使用半导体制冷元件能够通过对各区域的半导体制冷元件分开控制以针对有效冻结区域的受力支撑特点，在同一时间段内向刀盘周向和前方形成均一的有效冻结区域，保证在能源使用效率最大的情况下形成稳定受力的有效冻结区域。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种热电制冷人工冻结盾构刀盘，其至少包括用于装设刀具的辐条和刀圈。所述辐条和刀圈上设置有制冷组件，在所述刀盘与土面接触的情况下，所述制冷组件与土面接触并吸收土面的热量在刀盘前方和周向的土层形成能够支撑换刀空间的有效冻结区域。所述制冷组件包括至少两个固态调温元件，所述两个固态调温元件按照彼此温度相关控制以形成稳定受力的均匀有效冻结区域的方式能够分别控制通入的电流大小以形成不同的温度。根据固态调温元件设置的位置和处于的温度环境，控制固态调温元件的温度，使得刀盘平面内辐条上和辐条之间的间隔区域的温差减小，以使得刀盘前方的有效冻结区域的冻结厚度均一，以便形成稳定的受力支撑。当单独的第一固态调温元件出现故障而无法吸收足量的热量时，周围的第二固态调温元件通过降低自身的温度以替故障的固态调温元件吸收其无法吸收的热量从而保证温度场的温度，而与第二固态调温元件共同控制一个区域的温度场的第三固态调温元件也基于第二固态调温元件的温度变化而改变自身的温度，以在第二固态调温元件的温度改变后保持共同控制的区域的温度场恒定。以此类推控制刀盘的温度场均匀。

热电制冷即为半导体制冷片利用半导体材料的帕尔贴效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，从而在一端实现制冷效果。而由于半导体制冷片工作时冷热两端具有固定的温差，故而降低热端温度可以使得冷端的温度也降低，因此可以提高制冷端的制冷能力。本发明的热电制冷元件由多个帕尔贴元件并联或串联而成，在总电路外接入380V交流电转直流，每一个帕尔贴元件的工作电压较低，使用安全系数高。散热元件工作以维持帕尔贴持续工作，散热元件位于热电制冷元件的一端，持续转移固态调温元件一端的热量，以维持固态调温元件另一端能够持续产生负温或持续产生正温。

根据一种优选的实施方式，所述制冷组件包括至少一个固态调温元件设置在辐条和刀圈上，设置于所述辐条上的至少一个固态调温元件按照能够适应所在位置的温度场的温度调整自身温度的方式分别关联不同的边缘控制模块和检测器。在刀盘的辐条和间隔区域上设置若干检测器，检测器用于检测所处位置的温度，以确定刀盘上的整体温度场。单个固态调温元件关联吸热区域内的多个检测器，以在与自身温度高度相关的温度场内的温度达不到要求时及时通过边缘控制模块及时作出反应控制温度场的温度正常。

根据一种优选的实施方式，一根所述辐条分为靠近刀盘边缘的边缘区域和靠近刀盘中心的中心区域，所述边缘区域上的固态调温元件的温度高于所述中心区域的固态调温元件的温度。刀盘的辐条在刀盘中心的区域交叉，因此在各辐条上的固态调温元件均匀分布的情况下，刀盘中心的温度场的温度高于边缘区域的温度场温度，而此时在相同吸热时长的情况下当中心的温度场朝前形成足够厚度的冻土时，边缘温度场在向周围扩散的情况下不足以产生足够厚度的冻土。降低边缘的固态调温元件的温度能够促进边缘温度场与中心温度场同时形成足够厚度的冻土。

根据一种优选的实施方式，所述辐条的中心区域平行辐条的延伸方向分为分别靠近左右辐条的第一邻近区域和第二邻近区域以及位于第一邻近区域和第二邻近区域中的恒定区域，所述第一邻近区域和所述第二邻近区域的温度按照能够在辐条间的间隔区域形成与辐条区域温度差别在第一阈值以内的方式设置为大于恒定区域的温度。第一邻近区域和第二邻近区域的固态调温元件需要保持未设置有固态调温元件的间隔区域的温度场的温度与设置有固态调温元件的辐条上的温度一致，温度需要至少大于恒定区域的温度。当分别控制单独的固态调温元件的温度成本较高或控制系统性能要求较高而无法达到条件的情况下，能够选择批量控制周围的若干固态调温元件的温度，以在降低成本的同时尽量达到更高的温度场控制精度。

根据一种优选的实施方式，所述制冷组件还包括第一导温装置和第二导温装置，所述第一导温装置和所述第二导温装置分别设置于固态调温元件沿盾构机延伸方向的两侧。

根据一种优选的实施方式，所述第一导温装置和所述第二导温装置设置为保护板，所述保护板能够防止土体入侵损坏第一导温装置和第二导温装置的内部构造元件。

根据一种优选的实施方式，所述第一导温装置远离所述固态调温元件的一侧连接有散热装置，所述散热装置设置为包括进水口和出水口的双向并列水管，所述进水口与外部总进水口连通，所述出水口与外部总出水口连通以构成散热回路。

本发明还提供一种热电制冷人工冻结盾构刀盘控制系统，所述控制系统通过如下方式控制辐条各区域固态调温元件的制冷温度以便于在刀盘平面内形成均一的温度场：

步骤1、将固态调温元件的各项控制数据初始化，边缘控制模块预设有效冻结区域成形时长，并通过计算各区域各半导体元件需要吸收的热量；

步骤2、在边缘控制模块基于计算的各半导体元件需要吸收的热量控制各固态调温元件的温度；

步骤3、在边缘控制模块控制各半导体元件制冷的过程中，检测器将检测到的该点的温度信息传递至服务器；

步骤4、服务器收到每个检测器上传来的信息，生成不同的温度数据发送至各个边缘控制模块，各个边缘控制设备在成形时长内，根据计算出的本周期的加热热量调控每个半导体制冷元件在成形时长内的制冷温度。

刀盘控制系统能够通过计算温度检测点达到目标温度值时的单个固态调温元件需要吸收的热量，并结合周围的固态调温元件能够吸收的热量，得出本制冷元件的温度，实现自动控制固态调温元件的温度，保持温度场的温度恒定。半导体制冷元件的温度能够通过控制电流大小准确控制，能量的转化过程简单，转化率高，控制方便。

根据一种优选的实施方式，在预设的成形时长内，达到预设温度，单个固态调温元件吸收的热能为Q_s，第i个边缘控制模块所控制的第j个固态调温元件在成形时长内应当吸收的热量ΔQ[i,j]，当ΔQ[i,j]为>Qs时，边缘控制模块控制计算成形时长内固态调温元件需要设置的温度，控制半导体的电流大小以调控温度升高，计算下一个固态调温元件；当ΔQ[i,j]<Qs时，计算成形时长内固态调温元件需要设置的温度，控制电流的大小，控制固态调温元件上的电流大小以调控温度降低，计算下一个固态调温元件。

根据一种优选的实施方式，在成形时长内半导体制冷元件实际需要吸收的热量的计算公式为：

ΔQ＝PID(T)-Q_env+Q_L，

式中，ΔQ为成形时长内某个半导体制冷元件实际需要吸收的热量，PID(T)为当前温度为T时，达到理想温度T_idea还需要吸收的热量，Q_env为周围的半导体制冷元件吸收的本半导体制冷元件周围的热量，Q_L为补偿吸收热量。

本发明另一方面还提供一种利用帕尔贴效应的盾构刀盘更换方法，所述更换方法包括停机冻结土体以形成有效冻结区域，随后在常压状态下，换刀技术人员进入所述有效冻结区域内进行换刀操作，在换刀结束后，对有效冻结区域进行解冻后再次启动盾构机进行工作。

所述有效冻结区域通过盾构刀盘(100)对盾构机周围土体进行冻结形成。所述盾构刀盘上设置有固态调温元件和散热装置，所述固态调温元件在通电状态下能够产生温度高于冻结温度的一侧和温度低于冻结温度的另一侧。通过控制通入所述固态制冷元件的电流方向控制所述固态调温元件温度低于冻结温度的一端向周围土体传递负温。散热装置设置于固态制冷元件远离土体的一侧，散热装置能够通过自身的温度改变与之接触的固态制冷元件的一侧的温度。在负温冻结时，散热装置带走所述固态调温元件温度高于冻结温度的一端的热量以辅助所述固态调温元件持续向土体传递负温以形成能够供常压换刀的有效冻结区域。当周围土体形成有效冻结区域后，有效冻结区域的土体形成支撑，对周围的土体的重量进行支撑，以维持一个能够供工作人员进入并进行常压换刀的空间。通过帕尔贴效应进行土体负温冻结的操作和控制简单，负温冻结前需要的准备工作简单，相对盐水冻结方法减少了冻结前布管的步骤，节省换刀时间；通过散热元件转移的热量还能够供机厢中二次利用。在换刀完成时，也能够通过更改通入固态调温元件内的电流方向而调换固态调温元件的热端和冷端，同样不需要多余的布管等操作步骤。这样的换刀方法在整体负温冻结和正温解冻的过程中都较现有技术更节省换刀时间，并且操作简单，冻土的结构稳定，常压换刀的安全性高。

本发明另一方面提供一种利用盾构刀盘冻结土体的方法，在盾构刀盘上设置固态调温元件和散热装置。在负温冻结时，固态调温组件具有能够产生低于冻结温度的一侧和能够产生高于冻结温度的一侧，固态调温组件温度低于冻结温度的一侧将低温传递给盾构刀盘的辐条和刀圈，并通过辐条和刀圈传递给设置于辐条和刀圈上的刀具，刀具与土体直接接触，刀具将低温再传递给土体，以使得土体能够由于低温而被冻结形成有效冻结区域。通过控制盾构刀盘上的所述固态调温元件的电流和所述散热装置的工作温度以使得所述固态调温元件持续产生负温并向刀具传递。盾构刀盘的刀具持续与土体接触并向土体传递负温，进行土体负温冻结。在盾构机工作时，土体和盾构刀盘本就是直接接触，因而盾构刀盘在工作状态和冻结状态之间切换时无需进行多余的操作，负温能够直接由刀盘上的刀具传递给土体，一方面能够保护固态调温组件不被土体入侵，另一方面基于刀具嵌入土体或与土体的紧密接触能够提高低温在金属刀具和土体之间的传递效率。

本发明另一方面还提供了一种用于盾构刀盘的冻结解冻装置，所述冻结解冻装置包括设置于所述盾构刀盘上的固态调温元件和散热装置。固态调温元件和散热装置用于协作以向持续向盾构刀盘传递负温和正温。固态调温元件在通电的状态下具有温度较高的热端和温度较低的冷端，固态调温元件两端的温度高低能够通过改变通入的直流电的电流方向而调换，通过控制通入不同方向的直流电能够由于固态调温元件的冷端和热端的调换而控制固态调温元件持续向刀具传递负温还是持续向刀盘传递正温，并由刀具再将负温和正温传递给土体，控制土体的负温冻结和正温解冻进程。散热装置与固态调温元件远离土体的一侧间接接触，散热装置能够通过调整自身温度而持续转移与固态调温元件连接的一端的负温或正温，以辅助固态调温元件靠近土体的一端能够持续通过刀盘向土体传递负温和正温，以控制完成土体的正温解冻和负温冻结过程。例如，当固态调温元件内通入电流方向为第一方向时，此时固态调温元件靠近辐条的一侧产生负温，为温度较低的冷端，此时能够对土体进行负温冻结；此时散热装置与固态调温元件的热端接触，并调整自身温度为低温对热端的热量进行转移，以辅助固态调温元件的冷端持续产生负温。当此时改变通入固态调温元件内的电流方向为与第一方向相反的第二方向时，固态调温元件靠近辐条的一侧产生正温，为温度较高的热端，此时能够对土体进行正温解冻；此时散热装置与固态调温元件的冷端接触，并调整自身温度为高温，以升高固态调温元件的冷端温度，辅助固态调温元件的热端持续对土体产生正温以解冻土体。这样的土体冻结方式操作简单耗时少，并且还能够通过简单改变电流方向而实现土体辅助解冻，相对现有技术的正常降温解冻能够极大地节省土体解冻时间。

附图说明

图1是本发明热电型冻结刀盘的一个优选实施例的立体图；

图2是本发明热电型冻结刀盘的一个优选实施例的俯视图；

图3是本发明的冻结结构的一个优选实施例的立体图；

图4是本发明的冻结结构的一个优选实施例的侧视图；

图5是本发明散热装置的一个优选实施例的俯视图；

图6是本发明的热电型冻结刀盘的实际应用的场景图。

附图标记列表：

100：盾构刀盘；1：散热装置；2：固态调温元件；3：第一导温装置；4：第二导温装置；5：总进水管；6：总出水管；7：辐条；8：刀圈；9：散热器分水板；10：出水口；11：进水口；12：管片；13：压力舱；14：土舱压力；15：水土压力；16：冻土墙；17：第一邻近区域；18：第二邻近区域；19：恒定区域；A：已掘进区域；B：停机区域；C：冻结区域；D：待掘进区域。

具体实施方式

下面结合附图1-6进行详细说明。

实施例1

本实施例公开一种热电制冷人工冻结盾构刀盘100，在需要更换刀盘上的刀具时，该刀盘可通过刀盘掌面对周围的土体进行负温冻结，以加固富水的土体使得土体能够具备稳定的形态和防水效果，以便构造良好的常压换刀环境。

在该相对刀盘接触土面的一侧的背侧上设置有制冷组件，制冷组件用于在需要换刀时产生负温，吸收刀盘前方的土体的热量，以冻结土体。制冷组件包括固态调温元件2、第一导温装置3和第二导温装置4。在需要负温冻结土体的情况下，固态调温元件2能够用于产生负温，以吸收周围土体的热量，降低周围土体的热量；在需要正温解冻的情况下，固态调温元件2能够用于产生正温，以向周围冻结的土体放出热量，以融化周围冻结的土体。

第一导温装置3和第二导温装置4分别设置于固态调温元件2的两侧(面向土壤的一侧和背离土壤的一侧)，以分别对固态调温元件2两端的热量进行传导，并起到保护固态调温元件2的作用。优选地，固态调温元件2和第一导温装置3和第二导温装置4紧密贴合，并且固态调温元件2和第一导温装置3和第二导温装置4之间设置有温度传感器。温度传感器用于检测第一导温装置3和第二导温装置4上的温度。优选地，第一导温装置3远离固态调温元件2一侧连接有散热装置1，以便快速对第一导温度装置3传递出的热量进行分散。优选地，第一导温装置3合并入散热装置1内。

参见图1和图4，刀盘设置为辐条式，刀具设置于辐条7的轴向一侧，固态调温元件2设置于辐条7的在轴向上与刀具相反的另一侧。在图4中，辐条7与第二导温装置4接触，位于第二导温装置4背离第一导温装置3的一侧；用于切削土体的刀具设置于辐条7背离第二导温装置4的一侧(即位于图4中的下方)。换而言之，第二导温装置4设置于所述固态调温元件2和辐条7之间，以便于传热和拆卸。优选地，第二导温装置4能够与辐条7合并设置。

参见图1，刀盘的周向侧面上设置有刀圈8(用于按照普通技术人员所公知的方式固定刀具)，制冷组件安装于刀盘远离土面的一侧，固态制冷元件2设置于辐条7和刀圈8上，散热装置1适应第一导温装置3和第二导温装置4的形状安装于辐条7和刀圈8上，以增加固态调温元件的散热面积。

根据一种优选的实施方式，第一导温装置3和第二导温装置4设置为密闭的保护板。保护板采用强度较高且具有良好导冷性能的金属材料制成。优选地，保护板构成密闭的容纳空间，固态调温元件2和相应的温度控制元件设置于保护板的容纳空间内，以防止在盾构机掘进的过程中土壤或土壤中的水分等物质侵入造成导温装置、调温元件或传感器等内部装置损坏。

根据一种优选的实施方式，固态调温元件2实施为半导体制冷片。半导体制冷片利用半导体材料的帕尔贴效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，从而立即实现制冷效果。而由于半导体制冷片工作时冷热两端具有固定的温差，故而降低冷端温度可以获得热端更低的温度，因此可以提高制冷端的制冷能力。在工作时通过负温还能够降低刀盘摩擦产生的热量。优选地，在必要的情况下，能够控制改变通入半导体制冷片的电流方向，通过设置于靠近盾构机机厢的一端产生负温对盾构机的机厢体进行降温。优选地，电流为直流电。优选地，半导体制冷片为片状结构、塔台结构或梯形结构等形状，根据实际使用需要确定，本发明采用片状结构的半导体制冷片。半导体制冷片包括第一端和第二端，第一端紧密贴合第一导温装置3，第二端紧密贴合第二导温装置4。在通电制冷对土体进行冻结时，第二端为冷端，能够产生负温，负温通过第二导温装置4传递到辐条7进而传递到设置于辐条7上的刀具，并基于刀具与土体的接触快速地吸收刀盘前方土体的热量，降低土体的温度；此时第一端为热端，能够快速地将热量传递出去，并通过散热装置1使得热量快速转移。

参见图4和图5，图4是沿辐条剖开的剖视图，图5是散热装置从远离土壤的一侧观察(即相对于图4从上向下观察)的正视图。散热装置1实施为散热水管，包括进水口11和出水口10，进水口11和出水口10均设置于辐条上各辐条汇聚的靠近刀盘中心的位置，每一片单独的辐条上并列设置两条散热水管，两条散热水管之间通过散热器分水板9隔开形成进水通道和出水通道。散热水管内的水流通过进水口11进入到进水通道中并沿刀盘周向沿图5所示顺时针方向环绕后从顺时针方向数的下一相邻辐条上的出水口10流出。若干条散热水管的进水口11与外部总进水管5相连，出水口10与外部总出水口6相连，散热水管与外部总进水管5、外部总出水管6之间对应辐条的数量形成若干条循环水路。循环水路内的低温水流从外部总进水管5流入后吸收辐条7和刀圈8上的固态调温元件2的第一端的热量后从总出水口6流出并传递到外界。图5中箭头方向为冷却水循环流动方向，外部总进水口5和外部总出水口6的功能能够互换，水流方向反转。优选地，为更好地布置固态调温元件2，散热水管1外部形状与导热装置3外部形状相适配。

在具体实施过程中，例如，如图6(a)所示，盾构机在B区停机检修，此时的压力平衡如图6(b)所示，盾构机压力舱设定的土舱压力14平衡前方的水土压力15，此时对刀盘前方的土体进行负温冻结，形成冻土墙16，此时的压力平衡如图6(c)所示，此时冻土墙内力能够抵抗前方水土压力15，操作人员可释放压力舱，进行开舱检修工作。

根据一种优选的实施方式，本发明的控制单元通过改变通入半导体制冷片2的电流方向实现冷端和热端的互换，以便对已经冷冻的冻土放热，以加快冻土的解冻过程，缩短人工冻结地层的融化时间，更合理安排后续的掘进工作，从而能够极大地缩短工期。优选地，控制单元能够控制半导体制冷片的电流的开关、方向与大小，以基于特定的场景控制冻结刀盘外部制冷或制热，以实现土层的快速结冻和快速正温解冻，适应工作过程，缩短工期，减少工程费用，降低成本，提高工作效率和施工安全性。

根据一种优选的实施方式，为冷冻盾构机周围的土层，使得土层能够足够撑起一个供工作人员常压情况下换刀的空间，冷冻的土层需要在盾构机刀盘的平面内形成以下特定形状。具体结构为：前侧有效冻结区域沿与盾构机前进方向垂直且指向盾构机侧面方向的最大长度等于顶部有效冻结区域沿与盾构机前进反方向垂直且指向盾构机侧面方向的最大长度。前侧有效冻结区域沿与盾构机前进方向垂直且指向盾构机侧面方向的最小长度等于顶部有效冻结区域沿与盾构机前进反向方向垂直且指向盾构机侧面方向的最小长度。前侧有效冻结区域沿与盾构机前进方向垂直且指向盾构机顶部方向的高度等于顶部有效冻结区域位于盾构机顶部的高度。底侧有效封水区域沿盾构机前进反方向的宽度等于底侧冻结区域沿盾构机前进反方向的宽度等于前侧有效冻结区域沿盾构机前进方向的宽度。前侧有效冻结区域与盾构机的刀盘平行的横截面呈正方形，所述前侧有效冻结区域与盾构机的刀盘平行的侧面的中心与盾构机的刀盘的中心位于同一直线上，所述前侧有效冻结区域由靠近盾构机的刀盘向远离盾构机的刀盘方向的长度逐渐减少。底侧有效封水区域的横截面呈扇环形，且所述底侧有效封水区域靠近前侧有效冻结区域贴合的侧面呈平面布设，所述底侧有效封水区域由靠近前侧有效冻结区域向远离前侧有效冻结区域的高度逐渐减少。优选地，该特定形状例如可以是圆形。

根据一种优选的实施方式，由于辐条式刀盘的辐条凸出刀盘平面，其先与土层接触，因此设置于辐条和刀圈上的半导体降温结构也首先靠近土层，吸收土体热量产生冻土。但由于各辐条中有间隔区域，间隔区域的热量来自于辐条上的半导体制冷结构的热量辐射，因此该区域的温度较辐条上的温度低，在形成有效冻结区域时，有效冻结区域的冻土厚度不均，受力结构难以确定。并且由于各地质条件下(尤其是含水量和岩石数量差别)，在冻土上产生有效冻结区域所需要吸收的热量不同，各位置区域产生有效冻结厚度所需的热量分布也不同。并且，针对不同的地质条件，每一个盾构机刀盘都是在考察后定制的，辐条的数目和分布都不同，因此需要针对不同的地质和辐条分布调整辐条上的半导体降温结构的温度分布以在使得刀盘的各部分温度均匀并足以在盾构机刀盘处形成足够有效均匀稳定的支撑冻土层。需要对每一辐条上不同区域的半导体设置不同的温度，以使得刀盘上的温度分布均匀，能够在刀盘前进方向上形成均匀的有效冻结区域。并且能够在实际的应用场景中，针对现有的特殊地质需求进行刀盘温度的局部调整，以灵活应用刀盘形成稳定的有效冻结区域。

根据一种优选的实施方式，由于刀盘辐条为发散形分布而非完全分布，因此在辐条之间存在间隙，而为不影响实际施工效果，半导体制冷片只能设置于辐条上。因此对设置于辐条上的半导体进行温度分区，沿辐条的纵轴线将辐条分为靠近相邻辐条的第一邻近区域17和第二邻近区域18，辐条位于第一邻近区域17和第二邻近区域18中间的部位为恒定区域19。第一邻近区域17和第二邻近区域18的温度设置为高于恒定区域19，以使得辐条间隔区域的温度密度。由于从刀盘的中心区域向边缘区域扩散时，辐条之间的距离逐渐增大，因此第一邻近区域17和第二邻近区域18的温度设置为从中心区域向边缘区域温度逐渐升高，升温率与辐条之间的距离增加率直接相关。最终需要在刀盘的周围形成圆形的有效冻结面积。

优选地，辐条上的半导体的温度梯度设置为沿中心区域向边缘区域逐渐增长。并且，第一邻近区域17和第二邻近区域18以及恒定区域19的温度也沿中心区域向边缘区域逐渐增长。由于不同的温度和材质下的土体含有的热量不相同，因此控制装置通过测定特定环境的温度和材质后计算出生成有效的冷冻面需要调整的温度。各半导体的排列方式形成足够的有效面积的温度能够通过根据不同的地质情况进行计算，并通过有限次的实验得出，得出的温度作为各有限区域的预设温度。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

本实施例公开一种用于控制上述装置的控制系统。至少包括服务器、边缘控制模块和检测器。优选地，检测器设置于盾构刀盘100的外周周向、间隔区域和辐条上。检测器用于检测设置位置的温度，在开始降温前，根据现场的地质条件计算需要的各温度检测点的目标温度，并在服务器中预设。优选地，各辐条上排列设置有若干半导体制冷元件，各半导体制冷元件支持分别单独控制制冷或至少分区域控制制冷。

成形时长内需要设定的各半导体制冷元件的预设理想温度T_idea能够通过牛顿冷却规律来描述：设物体的初始温度是T₀，经过一端时间t(min)后的温度是T_idea，环境温度为T_a，则T_idea-T_a＝(1/2)^t/h(T₀-T_a)，其中T_a表示环境温度(单位为摄氏度)，h为半衰期(单位为min)。在预设的成形时长内，达到预设温度单个半导体制冷元件吸收的热能Q_s。

本控制系统按照如下控制方法进行各半导体制冷元件的温度控制：

步骤1、将半导体制冷元件的各项控制数据初始化，边缘控制模块预设有效冻结区域成形时长，并通过计算各区域各半导体元件需要吸收的热量；

步骤2、在边缘控制模块基于计算的各半导体元件需要吸收的热量控制各半导体元件的温度；

根据一种优选的实施方式，步骤1进一步为：

步骤1-1、对第i个边缘控制模块管辖的所有半导体制冷元件温度进行轮询；

步骤1-2、得到第i个边缘控制模块所控制的各个半导体制冷元件周围的温度点；

步骤1-3、计算周围的热辐射；

步骤1-4、计算补偿温度；

步骤1-5、计算第i个边缘控制模块所控制的第j个半导体制冷元件在成形时长内应当吸收的热量ΔQ[i,j]；

步骤1-6、当ΔQ[i,j]为>Qs时，边缘控制模块控制计算成形时长内半导体制冷元件需要设置的温度，控制半导体的电流大小以调控半导体制冷元件的温度升高，计算下一个半导体制冷元件；

步骤1-7、当ΔQ[i,j]<Qs时，计算成形时长内半导体制冷元件需要设置的温度，控制电流的大小，控制半导体的电流大小以调控半导体制冷元件的温度降低，计算下一个半导体制冷元件，再次进入步骤1。

根据一种优选的实施方式，在成形时长内半导体制冷元件实际需要吸收的热量的计算公式为：ΔQ＝PID(T)-Q_env+Q_L，

式中，ΔQ为成形时长内某个半导体制冷元件实际需要吸收的热量，PID(T)为当前温度为T时，达到理想温度T_idea还需要吸收的热量，Q_env为周围的半导体制冷元件吸收的本半导体制冷元件周围的热量，Q_L为补偿吸收热量，即上一个半导体制冷元件如果温度没达到要求，本半导体制冷元件会补偿吸收的热量。

周围的热辐射的计算公式为：根据热辐射定律，某处接收到的热辐射的热量跟周围的温度的温差成正比，设辐条上某半导体制冷元件的温度为Ti，则周围的半导体制冷元件吸收的热量为：

式中，ω_j为周围半导体制冷元件对本半导体制冷元件的导热系数，可由实验获取。上式表明，第i个半导体制冷元件的周围元件吸收的热量与温差有关，如果温差为正，则本半导体制冷元件会吸收周围半导体制冷元件周围的热量，否则周围半导体制冷元件会吸收本半导体制冷元件的周围的热量。

根据一种优选的实施方式，半导体制冷元件周围的PID热量公式为：PID(T_i)＝-[K_PT_d+K_i(T_d1+T_d2+T_d3)+K_d(T_d-T_d1)],

K_P，K_i，K_d为PID控制器通过实验或仿真计算得到的参数，当理想温度和当前温度分别为T_idea和T_i时，设T_d＝T_idea-T_i，为理想温差，T_d1，T_d2，T_d3分别为前1，2，3时刻的理想温差；即对于第j排的半导体制冷元件来说，只需要知道第j-1排和第j+1排各元件的温度，本排的温度则存放在边缘控制模块中。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims

1.一种热电制冷人工冻结盾构刀盘(100)，其至少包括用于装设刀具的辐条(7)和刀圈(8)，其特征在于，在所述辐条(7)和刀圈(8)上设置有制冷组件，所述制冷组件为热电材料，在所述刀盘与土面接触的情况下，所述制冷组件与土面间接接触并吸收土面的热量在刀盘前方和周向的土层形成能够支撑换刀空间的有效冻结区域，

所述制冷组件包括至少一个固态调温元件(2)和至少一个散热装置(1)，所述制冷组件通过控制所述固态调温元件(2)通入的电流大小和所述散热装置(1)的温度以形成有效冻结区域；

所述辐条(7)的中心区域平行辐条的延伸方向分为分别靠近左右相邻辐条的第一邻近区域(17)和第二邻近区域(18)以及位于第一邻近区域(17)和第二邻近区域(18)中的恒定区域(19)，所述第一邻近区域(17)和所述第二邻近区域(18)的温度按照能够在辐条间的间隔区域形成与辐条区域温度差别在第一阈值内的方式设置为大于恒定区域(19)的温度；

在该相对刀盘接触土面的一侧的背侧上设置有制冷组件，制冷组件用于在需要换刀时产生负温，吸收刀盘前方的土体的热量，以冻结土体。

2.根据权利要求1所述的盾构刀盘(100)，其特征在于，设置于所述辐条(7)和所述刀圈(8)上的至少一个固态调温元件(2)按照能够适应所在位置的温度场的温度以调整自身温度的方式分别关联不同的边缘控制模块和传感器。

3.根据权利要求1所述的盾构刀盘(100)，其特征在于，一根所述辐条(7)分为靠近刀盘边缘的边缘区域和靠近刀盘中心的中心区域，所述边缘区域上的固态调温元件(2)的温度高于所述中心区域的固态调温元件(2)的温度。

4.根据权利要求1所述的盾构刀盘(100)，其特征在于，所述制冷组件还包括第一导温装置(3)和第二导温装置(4)，所述第一导温装置(3)和所述第二导温装置(4)分别设置于固态调温元件(2)沿所述辐条(7)延伸方向的两侧，其中，

所述第一导温装置(3)按照能够便于拆卸和传热的方式设置于所述散热装置(1)和所述固态调温元件(2)之间。

5.根据权利要求4所述的盾构刀盘(10O)，其特征在于，所述第二导温装置(4)按照能够便于拆卸和传热的方式设置于所述辐条(7)和所述固态调温元件(2)之间。

6.根据权利要求1所述的盾构刀盘(100)，其特征在于，所述散热装置设置为包括进水口(11)和出水口(10)的并列双向水管，所述进水口(11)与外部总进水口(6)连通，所述出水口(10)与外部总出水口(5)连通以构成散热回路。

7.一种利用帕尔贴效应的盾构刀盘(100)更换方法，其特征在于，盾构刀盘(100)至少包括用于装设刀具的辐条(7)和刀圈(8)，所述更换方法包括停机冻结土体以形成有效冻结区域，随后在常压状态下，换刀技术人员进入所述有效冻结区域内进行换刀操作，在换刀结束后，对有效冻结区域进行解冻后再次启动盾构机进行工作；

所述有效冻结区域通过盾构刀盘(100)对盾构机周围土体进行冻结形成，所述盾构刀盘(100)上设置有固态调温元件(2)和散热装置(1)，所述固态调温元件(2)在通电状态下能够产生温度高于冻结温度的一侧和温度低于冻结温度的另一侧，通过控制通入所述固态调温元件(2)的电流大小和方向控制所述调温元件(2)温度低于冻结温度的一侧向周围土体传递负温，并控制所述散热装置(1)带走所述固态调温元件(2)温度高于冻结温度的一侧的热量以辅助所述固态调温元件(2)持续向土体传递负温以形成能够供常压换刀的有效冻结区域；

在该相对刀盘接触土面的一侧的背侧上设置有制冷组件，所述制冷组件包括至少一个固态调温元件(2)和至少一个散热装置(1)，所述制冷组件通过控制所述固态调温元件(2)通入的电流大小和所述散热装置(1)的温度以形成有效冻结区域，制冷组件用于在需要换刀时产生负温，吸收刀盘前方的土体的热量，以冻结土体。

8.一种利用盾构刀盘(100)冻结土体的方法，其特征在于，在盾构刀盘(100)上设置固态调温元件(2)和散热装置(1)，并通过控制所述固态调温元件(2)和所述散热装置(1)的工作状态以使得所述固态调温元件(2)持续产生负温并向刀具传递，基于刀具与土体的接触而向土体传递负温直至土体冻结形成有效的冻结区域；盾构刀盘(100)至少包括用于装设刀具的辐条(7)和刀圈(8)，

9.一种用于盾构刀盘(100)的冻结解冻装置，其特征在于，所述盾构刀盘(100)上设置有固态调温元件(2)和散热装置(1)，通过向固态调温元件(2)内通入不同方向的直流电和控制散热装置(1)工作以使得固态调温元件(2)向土体分别传递负温和正温以实现土体的负温冻结和正温解冻；盾构刀盘(100)至少包括用于装设刀具的辐条(7)和刀圈(8)，