冻结管幕钢管的制作方法

本实用新型涉及一种土建技术，尤其是一种冻结管幕钢管。

背景技术：

随着中国城市化进程的加速，在城区道路或重要建筑物下兴建大型地下结构越来越多。对于浅埋大断面、短距离的城市隧道而言，采用盾构法施工不经济，采用明挖法对城市生产生活干扰较大。当地质条件较差、埋置深度较浅、上部有敏感建筑时，如果采用浅埋暗挖法施工，地面沉降难以控制，一旦出现施工事故，将造成显著的社会影响。因此，如何找到一种适合于饱和富水软土地层的浅埋大断面地下结构下穿敏感建筑的施工方法非常重要。

管幕法就是先利用顶管技术在拟建的地下建筑物四周顶入钢管，钢管之间采用锁口等进行止水，形成水密性地下空间，然后在大刚度管幕的保护下，对管幕包围范围土体进行开挖并浇筑主体结构的一种方法。由于管幕形成大刚度临时支护结构，可以减少开挖时引起的地表变形，避免对周边建筑物产生影响，对于浅埋大断面软土、建筑物密集、环境保护要求高的工程，具有无可比拟的优点。

管幕法具有以下特点：

1、软土地层大断面管幕法修筑地下结构一般是在没有条件采取明挖法情况下进行的；

2、通常管幕法修筑地下结构覆土比较浅，需要穿越敏感管线、道路和构筑物，对地表变形的要求比较高；

3、多应用于公路隧道，断面尺寸比较大的工况；

4、管幕法可以根据不同的地层、周边环境和断面尺寸选择不同的具体工法，即管幕法可以派生出许多不同的管幕工法；

5、管幕施工应该采用顶管法，因为顶管法可以满足最小的地表变形，较高的姿态控制精度。

管幕工法适用范围较广,从国外己有的工程实例来看,管幕工法适用于回填土、砂土、粘土、岩层等各种地层,具有广阔的应用前景。

近年来，国内对管幕法应用越来越多，也做了一些改进，出现了“新管幕工法”(New Tubular Roof Method,简称NTR工法),也有相关技术人员称其为“管幕预筑法”。其主要的技术路线是:采用较为传统的顶管技术或盾构技术将一簇大直径钢管顶推或牵引至地层中,在大直径钢管内体进行施工,连缀成设计预想的地下结构外轮廓,然后在成形结构的保护下开挖结构内部地层,并施工内部结构。

由于大直径钢管形成了大刚度临时支护结构，可以减少开挖时引起的地表变形，避免对周边建筑物产生影响，对于浅埋大断面软土、建筑物密集、环境保护要求高的工程，具有无可比拟的优点。

管幕工法以单管顶进为基础，各单管间依靠锁口在钢管侧面相连形成管排，并在锁口空隙注入止水剂以达到止水要求。管排顶进完成后，形成管幕，然后对管幕内的土体视土质情况决定是否进行加固处理；随后在内部一边支撑一边开挖，直至管幕段开挖贯通，再浇筑内部结构。管幕可以为多种形状，包括半圆型、圆型、门字型、口字型等。管幕由刚性的钢管形成临时挡土结构，以减少开挖时对邻近土体的扰动并相应地减小周围土体的变形，达到开挖时不影响地面活动并维持上部建(构)筑物与管线正常使用功能的目的。

然而，当管幕钢管不是直线形而是曲线形时，将难以保证两顶管间的止水锁扣成功连接，进而难以保证管幕的封水效果。同时，为保证管幕的封水效果，直线形管幕顶管间隔很近，从而使管幕顶管数量增多，造成极大的人力物力财力的浪费。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种冻结管幕钢管，其既可以保证管幕的封水效果，又可以减少管幕钢管的数量，特别适合用于饱和富水软土地层的浅埋大断面地下结构下穿敏感建筑施工时的支护结构中。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种冻结管幕钢管，包括管幕钢管，所述管幕钢管中设置有若干根与管幕钢管平行的冻结管，所述管幕钢管内壁与冻结管外壁之间的空隙中充满有填充物。

当管幕钢管中的冻结管数量为偶数时，每两根冻结管为一组，在管幕钢管一端外部通过U型管将每一组的两根冻结管端部联通。低温冷媒介质从其中一根冻结管流入，经U型冻结管流入第二根冻结管，再经第二根冻结管流出管幕钢管，如此循环先使管幕钢管中的填充物形成冻土帷幕，随着时间的推移再使管幕钢管外的土体形成冻土帷幕。

当管幕钢管中的冻结管数量为奇数时，在每一根冻结管中均放入能够独立循环的供液管。低温冷媒介质通过供液管在单根冻结管中形成循环，此时不再设有U型冻结管，每根冻结管都是独立的一个循环单位。

所述填充物为混凝土、水泥土、粘土、砂土或水。

所述管幕钢管直径为0.8m-2m。

所述冻结管材质为无缝低碳钢管、PVC、PPR、ABS或PE塑料管；当采用液氮冻结时，采用所述塑料管。

所述冻结管截面为圆形、工字形、X形、T形或Y形。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型将管幕钢管和冻结管进行组合，管幕钢管和管幕间的冻土帷幕(其中冻结管积极冻结所形成)一起组合形成大刚度的共同支护受力体系，可有效控制地下水的流失，并且可增大管幕钢管的间距，从而减少管幕钢管数量，施工及运营安全，特别适合用于饱和富水软土地层的浅埋大断面地下结构下穿敏感建筑施工时的支护结构中。

附图说明

图1是实施例1主视图；

图2是实施例1后视图；

图3是实施例1侧视图；

图4是实施例2主视图；

图5是实施例2侧视图；

图6是运用冻结管幕钢管的支护结构施工工艺流程图；

图7是管幕钢管顶进施工流程图；

图8是冻结工程施工流程图；

其中，1.冻结管，2.填充物，3.管幕钢管，4.U型管，5.供液管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

实施例1：

如图1-图3所示，冻结管幕钢管，包括直径为0.8m-2m的管幕钢管3，所述管幕钢管3中设置有若干根与管幕钢管3平行的冻结管1，所述管幕钢管内壁与冻结管外壁之间的空隙中充满有填充物2。填充物2为混凝土、水泥土、粘土、砂土或水。

当管幕钢管3中的冻结管1数量为偶数时，每两根冻结管1为一组，在管幕钢管3一端外部通过U型管4将每一组的两根冻结管1端部联通。低温冷媒介质从其中一根冻结管1流入，经U型管4流入第二根冻结管1，再经第二根冻结管1流出管幕钢管3，如此循环先使管幕钢管3中的填充物2形成冻土帷幕，随着时间的推移再使管幕钢管3外的土体形成冻土帷幕。

冻结管1材质为无缝低碳钢管、PVC、PPR、ABS或PE塑料管；当采用液氮冻结时，采用塑料管。冻结管1截面为圆形、工字形、X形、T形或Y形。

实施例2：

如图4、图5所示，冻结管幕钢管，包括直径为0.8m-2m的管幕钢管3，所述管幕钢管3中设置有若干根与管幕钢管3平行的冻结管1，所述管幕钢管内壁与冻结管外壁之间的空隙中充满有填充物2。填充物2为混凝土、水泥土、粘土、砂土或水。

当管幕钢管3中的冻结管1数量为奇数时，在每一根冻结管1中均放入能够独立循环的供液管5。低温冷媒介质通过供液管在单根冻结管1中形成循环，此时不再设有U型管4，每根冻结管1都是独立的一个循环单位。

冻结管1材质为无缝低碳钢管、PVC、PPR、ABS或PE塑料管；当采用液氮冻结时，采用塑料管。冻结管1截面为圆形、工字形、X形、T形或Y形。

上述两个实施例的施工工艺如图6所示。

运用冻结管幕钢管形成支护结构修筑地下结构的施工步骤如下：

1、构筑顶管工作井和接收井；

2、钢管顶进，顶进顺序为以横断面中轴线为基准由下往上对称进行；

注：钢管铺设方法有：定(导)向钻进法、水平螺旋钻进法、夯管施工法、顶管法、微型顶管法/微型隧道施工法，最常用和推荐的是顶管法。

3、管幕钢管3中冻结管1施工，冻结管1的个数由设计而定。

4、在管幕钢管3和其中冻结管1之间的空隙中注入填充物2(填充物2可以为混凝土、水泥土、粘土、砂土，甚至可以是水)。

5、积极冻结形成冻土帷幕。

6、在冻结管幕钢管形成的支护结构内开挖，边开挖边支撑。

7、逐段构筑内部结构，最终形成完整的地下结构。

一、管幕钢管顶管工程施工方案、工艺流程

(1)管幕钢管情况

管幕钢管3直径通常可以取0.8m-2m，也可以根据具体工程情况选择更大的直径。

(2)土体加固

管幕钢管顶管顶进前可以先对洞口处土体按设计要求加固，土体加固可在工作井施工时进行。

(3)穿墙出洞

在出洞前先割掉预埋钢盒外侧钢板，并将止水钢环焊接到预埋钢盒的外侧，再将止水橡胶圈安装在止水钢环上。在准备出洞时，将钢盒内侧挡土钢板割掉，清理预留孔内的杂物后立即将工具头推进预埋孔，缩短停顿时间，使止水橡胶圈紧抱工具头外壳发挥止水作用。

顶管穿墙时要防止工具头下跌，在穿墙的初期，因入土较小，工具头的自重仅由两点支撑，其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体。因此，工具头穿墙时，一方面要带一个向上的初始角(约5’)，另一方面穿墙管下部要有支托，并且加强管段与工具管、管段与管段之间的连接。此外，工具管的推进一定要迅速，不使穿墙管内的土体暴露时间太长。

(4)正常顶进

管道出洞成功后，开始正常顶进。在管节推进的同时，顶管机大刀盘切削前方土体排出。通过管节一节节向前推进，顶管机不断推进最后到达接收井，形成整段通道。

(5)管幕钢管纵向接头

接头通过焊接环形和竖向加劲板加固管道端部，增加其刚度，在其加固的环形劲板上，连接螺栓，进行施工过程中的限位和固定。在插口上设置两道氯丁橡胶密封圈进行防水。接头要有一定转角的适应能力。

(6)进入接收井

顶管机接近接收井前到达土体加固范围后，应放慢顶进速度，使顶管机慢慢切削土体，形成一个较完整的止水孔。通过测量定出顶管机出口的具体位置，将接收井工具头位置的混凝土护壁凿除。当顶管机进入接收井边时，顶管机要快速顶进，直到顶管机完全顶出接收井。

(7)管幕泥浆置换

在管幕顶进结束后，为防止管幕出现滞后沉降，按设计要求的材料将顶进过程中的触变泥浆置换掉。置换时利用压注触变泥浆的系统及管路进行。压注顺序：从第一节管依次向后进行。

(8)管幕混凝土灌注及填充

管幕顶进完毕进而在其中安装完冻结管之后，可采用微膨胀混凝土进行填充，施工完后要用锤击和超声波检测砼密实程度及与钢管之间是否密贴。

(9)管幕润滑减阻

采用膨润土触变泥浆注入管道与周围土层之间的环状空间中，实现减小顶进管道与地层之间的摩擦阻力。注浆为三部分，机尾同步注浆、沿线管道补浆及洞口处的注浆。触变泥浆的基本成分由膨润土和水组成，另外，根据不同的土体掺入不同聚合物的外掺剂来调节泥浆性能以满足使用要求。

(10)管幕钢管顶管施工流程

顶管顶进施工流程如图7所示。

二、冻结工程施工方案、工艺流程

冻结工程施工流程如图8所示：

(1)冻结管施工

冻结管按设计要求在管幕钢管中进行布设，必要时可设置加热管或卸压孔，以控制冻胀现象。

(2)冻结管试漏

冻结站安装完成后按要求进行试漏和抽真空，确保安装质量符合设计要求。

(3)冻结系统安装与调试

①按1.5倍制冷系数选配制冷设备。制冷设备准备2套，一套生产，一套应急。

②管路用法兰连接，在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈与冻结管的连接用高压胶管，每根冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。

③冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。

④机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。

⑤设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。

(4)积极冻结阶段。在冻结试运转过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。积极冻结，就是充分利用设备的全部能力，尽快加速冻土发展，在设计时间内把盐水温度降到设计温度。

(5)维护冻结阶段要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后(饱和水除外)再进行正式开挖。

(6)待内部封水结构完成后，在盐水箱内设盐水加热器，对低温盐水进行加热，对冻结壁进行强制解冻，并利用在先前预留的泥浆套注浆装置，进行跟踪式融沉注浆。强制解冻采用分区分批进行。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。