一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法，特别适用于曲线管幕精准控制冻土帷幕的施工方法。
【背景技术】
[0002]随着中国经济的飞速发展和城市化进程的加速，各种形式隧道不断地在建设，修建超大断面、浅埋暗挖的隧道是不可避免的，也是现代施工技术面临的巨大挑战。浅埋暗挖大断面隧道超前预支护体系备受各方关注，它能有效的维持掌子面稳定、控制地层变形、预防坍塌等事故，它直接关系到隧道安全和经济效益。管幕超前预支护体系以其空间利用率高、施工安全和对周围环境影响小等优点得到广泛应用。管幕法是采用小设备施工大断面的工法，它断面灵活，几乎可以形成任何隧道断面形状，地质适应能力强，管幕间止水依靠齿槽锁扣密封或采用冻结、水平MJS等工艺形成连续的止水帷幕。齿槽锁扣一般用于含水量小，水位低，直线短距离的管幕；水平MJS是全方位高压喷射技术，该方法有适应性强，对周边土体扰动小，自动化程度高等特点，水平MJS —般用于含水量小，水位低，埋深较大直线短距离的管幕。冻结技术有对周围结构形状适应性强，只要冻结孔的布置位置准确，并保持足够的冻结时间，就可以形成不同形状的冻结壁；其隔水性能好，交圈以后冻结壁连续性好，有一定的强度；另外对地层污染小，由于冻结法只是通过降低温度来提高原位土体的强度，并不改变地层成份，因而对地层污染很小，冻结法可适用于水量大，水位高富水复杂地层，曲线长距离的管幕。冻结法施工中的冻胀融沉对地表的变形有一定的影响，人工冻土过程中地温下降至0零度以下，土体(孔隙中自由水)温度达到结晶点时，形成冻结，温度进一步下降，结合水冻结，冰晶结体、透镜体及冰夹层等形成冰侵入体，引起土体积增大，从而地表不匀上升，即为冻胀。当土体温度上升时，冻结的土体发生变化，土体中的冰侵入体消融，引起地表下陷，即为冻胀。冻胀融沉均与冻土的体积成正比，冻土的体积越大冻胀融沉均影响越大，冻土的体积越小冻胀融沉均影响越小，那么有效的控制冻土的体积是控制冻胀融沉的关键，精准控制冻土帷幕的施工方法至关重要。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就在于更好的实现管幕间冻土帷幕止水又能达到精准控制冻土帷幕的厚度，从而控制冻胀融沉减小对地层变形的影响，减小对周边结构物变形的影响。
[0004]管幕冻结帷幕施工区域一般地层条件差，地理位置特殊，工程风险较大。管幕间冻结帷幕是起着封水作用，其性能必须满足隧道施工安全和质量要求，必须采用适当的措施，严格控制冻结帷幕的厚度，减少冻胀与融沉的危害。控制性冻结需要适时监测冻结帷幕的厚度，依据监测数据调整指导进行冻结施工参数。隧道顶部及其它地表变形控制严格敏感区域应先进行土体改良再进行冻结帷幕止水，这样可提高地层力学性能、降低渗透性、有效控制冻胀和融沉，以保证周围建筑物及隧道的施工安全，施工工期，减小对环境的影响。
[0005]精准控制冻土帷幕的管幕分为实管和空管，实管和空管间隔布置，实管内安装主冻结管和加热限位管并填充微膨胀水泥浆或微膨胀混凝土，空管内安装辅助冻结管，起着加强冻结的作用，抵抗隧道开挖时的帷幕冻体的弱化，并安装全方位冻土帷幕温度监测系统，适时监测冻土的发展，冻结工程结束进行融沉注浆。精准控制冻土帷幕的管幕施工原则为主冻结管全长整环冻结，辅助冻结管分段分区维护冻结，全方位冻土帷幕温度监测系统适时监测冻土的发展，采用加热限位管严格控制冻土层的厚度，达到精准控制冻土帷幕厚度的目的。
[0006]管幕有直线型和曲线型，断面形式也多种多样，有“一”字形、“门”字形、圆形、椭圆形、扇形、半圆形、圆弧形等组合形式，这些组合方式均可采用本精准控制冻土帷幕的施工方法，【附图说明】中以断面形式为圆弧形管幕为例标示施工示意图。
[0007]土体改良:土体改良即用水泥浆改良需要冻结的地层。对土层进行水泥注浆改良，不但改善原状土和扰动土的力学性能，而且提高冻土力学性能。对于管幕冻结而言，土体改良能够提高冻土力学性能，改善冻土的破坏性能，减小进水通道形成的可能性，并且能够有效提高砂性土冻土抵御水流冲刷融化的能力，从而有效预防管间冻土帷幕止水性的失效，并且可以有效阻止进水通道的扩大，使得用水险情得到有效控制。此外，土体改良还可以有效抑制冻胀融沉效应。土体注浆改良是隧道风险控制的重要手段。土体改良通过原有的管幕内向冻结区域内进行注浆改良，管幕段断面布置七根土体改良注浆管，纵向间距建议1?3m布置一道，改良的浆液视地质情况而定，采用普通水泥水玻璃双液浆，即经济土体改良效果又好，注浆孔位的间距布置和注浆钢花管长度视地质条件及注浆压力而定，宜多布置些注浆管，控制每个注浆管的注浆量，要保持注浆体的均匀性，这样才能保证冻结体的厚度均匀。土体改良注浆布置详见图1。
[0008]管幕实管冻结管布置:管幕实管管内布置两根主冻结管和一根加热限位管，实管管幕中心线两腰部位布置两根圆形冻结管为主要的冷源，即主冻结管；在靠近冻土帷幕外边缘的管幕内侧布置加热限位管，通过常温盐水带走多余冷量的方法来控制冻土帷幕的厚度。主冻结管和加热限位管均采用圆形钢管，采用法兰螺栓连接，单节长度视管幕线型和钢管自身重量以方便运输为原则而定，圆形钢管采用固定支座和钢套箍固定在管幕内壁上，使圆形钢管尽量靠近管幕内壁。管幕冻结超前支护体系的隧道长度较短，在100m以内，隧道从工作井两侧相向开挖支护施工，施工时间则较短，主冻结管和加热限位管为单回路，即主冻结管和加热限位管两端都直接连接冻结栗站。管幕冻结超前支护体系的隧道长度较长，在100m以上，隧道从工作井两侧相向开挖支护施工，施工时间则较长，若主冻结管和加热限位管设置为单回路，那么冻结时间长，电力能源消耗高，施工费用大。根据隧道开挖支护施工特点，两端因要形成流水作业工作面，施工速度慢，而隧道中部开挖支护工作已经形成工作面，施工速度快，因此可以将主冻结管和加热限位管分为三段，两端段落较短，中间段落较长，根据隧道开挖支护进度计划设计主冻结管和加热限位管段落的长度，中间段开挖支护时间是端部开挖支护时间的2倍。各段落设计单独的回路，隧道一端形成独立的回路，另一端形成两个独立的回路。隧道一端独立形成冻结管回路由两根主冻结管组成，在段落端头将两根主冻结管连接形成回路；一端独立加热限位管回路由两根钢管组成，一根直径大，一根直径小，小管安装在大管内，一定间距焊接固定，大管端头封堵，小管比大管略短，小管为进水管，大管为出水管形成加热限位管的回路。小管内的截面面积与大管和小管之间形成的圆环截面面积大小大致相等，保证常温水流动顺畅，流量满足设计要求。隧道另一端形成两个独立的回路，冻结管回路由四根主冻结管组成，两根大管，两根小管，小管安装在大管内，一定间距焊接固定，大管和小管之间形成的区域在端部冻结段落端头连接形成端部冻结回路，小管继续向前延伸在中间冻结段落端头连接形成中间段冻结回路。当中间段冻结回路独自运行时，端部冻结段管路中的盐水全部排空，因端部冻结段小管在大管内且之间有空气相隔导热性能差，不会减少中间段主冻结管的冷量。小管内的截面面积、大管和小管之间形成的圆环截面面积大小和流量满足设计要求。加热限位管回路由五根钢管组成，一根大管，一根中管，三根小管，小管安装在大管内，一定间距焊接固定。大管在端部冻结段端头进行封堵，一小管比大管略短一点，小管为进水管，大管为出水管形成端部冻结段端加热限位管的回路，小管内的截面面积与大管和三个小管之间形成区域截面面积大小大致相等，保证常温水流动顺畅，流量满足设计要求。大管端头与中管连接，中间采用钢板隔开，中管长度延伸到中间冻结段落端头，另一个小管从大管向中管内继续向前延伸，小管比中管略短一点，该小管为进水管，最后一个小管从大管向中管内伸入一小段，为出水管，小管进水管进水，中管和最后一个小管为出水管从形成加热限位管的回路。小管内的截面面积与中管和小管之间形成的圆环截面面积大小大致相等，保证常温水流动顺畅，流量满足设计要求。管道安装完成后采用注水加压试验，验证冻结管路的密封性，试验压力应为设计压力的1.15倍，渗漏水处进行标记，及时补焊封堵处理，直至冻结管路全部合格，达到不渗不漏。管幕实管填充微膨胀水泥浆或微膨胀混凝土，微膨胀水泥浆流动性好，施工方便，可一次性回填完成；微膨胀混凝土宜选择自密实、微膨胀、低徐变、低气泡、高流动性的混泥土，采用栗送分段回填，段落的长度根据微膨胀混凝土自身流动性而定，使用钢板进行间隔分区，施工期间应对栗送混凝土的压力进行控制，要求回填密实，否则可能造成管幕变形，从而造成冻结土体开裂，形成漏水通道。管幕实管形成