双螺旋式注浆型冻结装置及施工方法与流程

本发明涉及人工地层冻结工程领域，特别是一种双螺旋式注浆型冻结装置及施工方法。

背景技术：

冻结法凿井是在地下工程施工之前，首先在欲开挖地下空间的周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器，低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层的热量，在松散、含水不稳定地层中形成冻结圆柱，冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的、满足设计厚度和强度的圆筒—冻结圈，以抵抗土、水压力，隔绝地下水，以便安全穿过含水地层，是一种借助人工制冷手段暂时加固地层和隔断地下水的特殊的施工方法。

早在十九世纪初，俄国人就开始在西伯利亚利用天然冻结层开凿立井采金。1862年英国首先利用人工冻结技术加固基坑。1883年德国工程师博茨舒在阿尔巴里德煤矿采用冻结法开凿深103m的井筒，并获得了冻结法凿井的专利。从此，该项技术广泛应用于许多国家的工程建设中。美国常利用冻结法进行基础的加固；前苏联在地铁隧道建设中曾多次使用冻结技术作为地层加固措施；西欧国家将冻结法应用到桥涵和隧道工程的加固施工中；日本大阪交通局在该市地铁五号线工程施工中，采用冻结法冻结土体体积达70m³，以确保盾构顺利出洞。我国至1955年在波兰专家的帮助下应用冻结法建立了开滦林西矿风井以来，冻结法凿井在我国得到广泛的推广应用。

人工冻结法加固地层广泛用于不稳定地层井筒建设工程的同时，在其它岩土工程领域特别是城市地下工程中得到迅速推广。在国外，冻结法施工技术已成为一种可行的且极具竞争力的软土、不稳定含水地层加固、封堵水的有效方法。1991年德国在eisbach河底三个平行隧道施工时出现的坍塌事故中，均使用了液氮冻结法对塌陷部位进行土层加固，收到良好的效果；1994年在德国dusseldorf市中心火车站附近地铁扩展工程中对冻土进行了室内试验，发现土的饱和度达到60％以上时其强度和抗变形性能才能满足要求。而现今随着我国岩土工程的发展，深基础和其它地下市政工程的不断涌现，冻结法围护结构以其独特的优越性而越来越受到重视，地层冻结技术已经全面进入我国城市地下工程领域。

在人工地层冻结中，若所需冻结地层存在地下水流动时，随着地下水的流动，会带走大量冻结管的冷量，从而造成水流上方冻结管所形成的冻结圆柱很难与水流下方冻结管所形成的冻结圆柱交圈，整个冻结壁的周期极大的加长。同时由于地下水的流动造成冻结壁形成存在位置差异，水流下方先冻结，水流上方后冻结，在水流上方冻结壁部分属于较薄弱部位，影响冻结法凿井过程中冻结壁的受力状态。工程中常常通过加大冻结管管径、加大冻结低温盐水使用量和降低低温盐水温度的方法来处理相关问题，极大的增加了能耗。为了响应现代社会节能减排的号召，提供一种冻结含地下水流动地层的新型冻结管及施工工艺显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双螺旋式注浆型冻结装置及施工方法，能够克服现有冻结管及冻结法施工工艺在冻结含地下水流动地层时水流流动造成大量的冷量损失、冻结壁极难交圈、冻结周期较长、无法保证冻结壁均匀冻结、冻融后外层井壁受水压力过大和无法将注浆与冻结施工相结合等问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双螺旋式注浆型冻结装置，包括双螺旋式注浆型冻结管，所述双螺旋式注浆型冻结管包括盐水供液管和套在所述盐水供液管外部的外管，在所述盐水供液管的管壁和所述外管的管壁之间设置有两条螺旋通道，两条所述螺旋通道均与所述盐水供液管和所述外管共用管壁，其中一条所述螺旋通道为盐水螺旋管道、另一条所述螺旋通道为注浆螺旋管道；所述外管的上端管壁处开有两个孔，两个所述孔分别作为盐水出液端和浆液供液端，所述外管上开有多个浆液出浆孔；所述浆液供液端连接有连接管的一端，所述连接管上设置有进浆球阀，所述连接管的另一端与三通管的一个端部相连，在所述进浆球阀和所述三通管之间的连接管上设置有注浆压力表，所述三通管的第二个端部安装有排气球阀，所述三通管的第三个端部连接有注浆泵，所述注浆泵上安装有压力表，所述注浆泵与空压机相连。

进一步地，在上述双螺旋式注浆型冻结装置中，所述注浆螺旋管道的上端安装有上端螺旋挡板，所述注浆螺旋管道的下端安装有下端螺旋挡板。

进一步地，在上述双螺旋式注浆型冻结装置中，所述盐水供液管、所述外管、所述冻结盐水螺旋管道和所述注浆螺旋管道均采用低温低碳钢制成；

优选地，所述浆液供液端与所述连接管焊接连接。

进一步地，在上述双螺旋式注浆型冻结装置中，多个所述浆液出浆孔在所述外管上呈螺旋状分布并与所述注浆螺旋管道的位置对应。

进一步地，在上述双螺旋式注浆型冻结装置中，所述外管上安装有多个注浆压力传感器；优选地，多个所述注浆压力传感器在所述外管上呈螺旋状分布并与所述注浆螺旋管道的位置对应，所述注浆压力传感器与所述浆液出浆孔间歇式分布。

进一步地，在上述双螺旋式注浆型冻结装置中，所述外管上安装有多个冻结温度传感器，多个所述冻结温度传感器在所述外管上呈螺旋状分布并与所述盐水螺旋管道的位置对应。

另一方面，提供了一种双螺旋式注浆型冻结装置的施工方法，包括如下步骤：

(1)在土体中钻垂直的冻结孔，并在所述冻结孔内安装双螺旋式注浆型冻结管；

(2)使用注浆设备，通过注浆螺旋管道注入注浆材料对土体进行冻结前预注浆；

(3)使用冻结系统，通过盐水螺旋通道注入冷冻剂对土体进行冻结。

进一步地，在上述方法中，所述方法还包括在步骤(1)中采用经纬仪灯光测斜法检测双螺旋式注浆型冻结管的垂直度，然后复测冻结孔的深度，并进行盐水螺旋通道打压试漏的步骤；

优选地，在步骤(2)中，将注浆设备以及配套设备全部连接后，检查注浆螺旋管道是否正常，检查无误后将注浆泵连接浆液和气动空压机，打开排气球阀，关闭进浆球阀，待排气球阀中有浆液流出时，观察浆液情况，关闭排气球阀，打开进浆球阀，利用注浆螺旋管道对土体进行冻结前预注浆；

优选地，所述方法还包括在步骤(2)和步骤(3)之间安装冻结站设备，进行调试、试运转，并对盐水螺旋通道进行二次打压试漏的步骤。

另一方面，提供了另一种双螺旋式注浆型冻结装置的施工方法，包括如下步骤：

(1)在土体中钻垂直的冻结孔，并在所述冻结孔内安装双螺旋式注浆型冻结管；

(2)使用冻结系统，通过盐水螺旋通道注入冷冻剂对土体进行冻结；

(3)使用注浆设备，通过注浆螺旋管道注入注浆材料对土体进行冻结后注浆。

进一步地，在上述方法中，所述方法还包括在步骤(1)中采用经纬仪灯光测斜法检测双螺旋式注浆型冻结管的垂直度，然后复测冻结孔的深度，并进行盐水螺旋通道打压试漏的步骤；

优选地，所述方法还包括在步骤(1)和步骤(2)之间安装冻结站设备，进行调试、试运转的步骤；

优选地，在步骤(3)中，将注浆设备以及配套设备全部连接后，检查注浆螺旋管道是否正常，检查无误后将注浆泵连接浆液和气动空压机，打开排气球阀，关闭进浆球阀，待排气球阀中有浆液流出时，观察浆液情况，关闭排气球阀，打开进浆球阀，利用注浆螺旋管道对土体进行冻结后注浆。

分析可知，本发明公开的双螺旋式注浆型冻结装置及施工方法，实现了如下技术效果：

(1)双螺旋式注浆型冻结管由盐水供液管和外管嵌套而成，盐水供液管和外管之间设有两条螺旋状通道，分别作为冻结盐水循环和地层注浆的通道。实现了将注浆堵水、加固地层技术与人工冻结特殊施工工艺的结合，并将两种施工工艺的地下管路设置在同一个管道里，既简化了施工方法又节约了钻孔和管路成本。

(2)在浆液供液端的三通管和注浆泵上均安装有压力表，通过观察注浆过程中注浆压力的变化，可以合理的控制注浆的进度，可以避免注浆压力过大而压坏双螺旋式注浆型冻结管，又可以避免了由于冻结压力不足而造成注浆不充分的问题。

(3)通过地质勘探可以在本发明中提供的两种不同的施工方法中选取一种，根据实际情况选择冻结前预注浆或冻结后注浆能够有效的控制冻结地层水的流动，并实时的检测注浆的压力和冻结过程的温度，有利于对注浆和冻结过程进行合理控制，确保了冻结壁形成和开挖过程中的安全性。通过地质勘探，可以得到冻结含水地层的流速情况，若地下水流速小于5m/d，仅需要进行冻结，不必在冻结后进行地层注浆加固；若地下水流速为5m/d～20m/d，可通过增加冻结管数量、降低冻结液的温度、增大冻结管的管径等方法进行冻结，冻结后需要进行地层注浆加固；若地下水流速大于20m/d，则需要先进行地层注浆加固后再进行冻结。上述地下水流速仅为参考范围，施工时应结合实际工程地质状况，进行适当调整。

(4)若地下水流速大于20m/d，则需要先进行地层注浆加固后再进行冻结即选取第一种施工方法，通过冻结前预注浆对含地下水流动地层进行预注浆堵水，减少了由于水流流动而造成的冷量损失，使得冻结管的交圈更加容易，缩短了冻结周期，并保证了冻结壁的均匀冻结，确保了冻结壁形成和开挖过程中的安全性。

(5)若地下水流速为5m/d～20m/d，可通过增加冻结管数量、降低冻结液的温度、增大冻结管的管径等方法进行冻结，冻结后需要进行地层注浆加固。即选取第二种施工方法，通过冻结壁冻融后注浆对含地下水流动地层进行堵水，防止了大量水压力作用在井壁上，减少了井壁的渗流损伤，确保了井壁的使用安全。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明一实施例的系统整体结构示意图；

图2是图1实施例中外管内的结构示意图；

图3是图1中实施例的剖面示意图；

图4是图1实施例中的外管结构示意图；

图5是本发明一实施例的第一种施工方法流程图；

图6是本发明一实施例的第二种施工方法流程图。

附图标记说明：1、盐水供液管，2、外管，3、盐水出液端，4、浆液供液端，5、空压机，6、注浆泵，7、三通管，8、排气球阀，9、注浆压力表，10、进浆球阀，11、连接管，12、盐水螺旋管道，13、注浆螺旋管道，14、上端螺旋挡板，15、下端螺旋挡板，16、浆液出浆孔，17、浆压力传感器，18、冻结温度传感器，19、冻土，20、未冻土体。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1至图4所示，根据本发明的实施例，提供了一种双螺旋式注浆型冻结装置，包括双螺旋式注浆型冻结管，双螺旋式注浆型冻结管包括盐水供液管1和套在盐水供液管1外部的外管2，在盐水供液管1的管壁和外管2的管壁之间设置有两条螺旋通道，两条螺旋通道均与盐水供液管1和外管2共用管壁，其中一条螺旋通道为盐水螺旋管道12、另一条螺旋通道为注浆螺旋管道13；盐水螺旋管道12作为冻结盐水循环的通道，注浆螺旋管道13作为地层注浆的通道。

外管2的上端管壁处开有两个孔，两个孔分别作为盐水出液端3和浆液供液端4，盐水出液端3与低温盐水循环系统相连，浆液供液端4与浆液供应系统相连，确保了低温盐水的循环制冷、循环利用。外管2上开有多个浆液出浆孔16。

浆液供液端4与连接管11的一端相连，连接管11上设置有进浆球阀10，连接管11的另一端与三通管7的一个端部相连，在进浆球阀10和三通管7之间的连接管11上(优选靠近三通管7的位置处)设置有注浆压力表9，三通管7的第二个端部安装有排气球阀8，三通管7的第三个端部连接有注浆泵6，注浆泵6上安装有压力表，注浆泵6与空压机5相连。

双螺旋式注浆型冻结管是由盐水供液管1和外管2嵌套而成的同心双层圆筒。通过同心嵌套一体化铸成，保证了均匀的绕盐水供液管1和外管2的内壁制成的盐水螺旋管道12和注浆螺旋管道13，使得盐水螺旋管道12和注浆螺旋管道13可以提供均匀螺旋流动的盐水和浆液。将用于冻结的盐水管道设置成螺旋形的盐水螺旋管道12方便了在冻结过程中，低温盐水从盐水供液管1的底端向上流出，并且呈螺旋状绕盐水供液管1流动，即加大了流速，提高了冻结效率，又充分的吸收了盐水供液管1中低温盐水的冷量。设置螺旋形的注浆螺旋管道13便于在注浆过程中，浆液从浆液供应端4向下流出，并且呈螺旋状绕盐水供液管1流动，在不影响冻结的前提下，对存在地下水流动的地层进行了注浆堵水，在外管2的周围形成冻土19，冻土19的外围为未冻土体20，提高了地层的稳定性。

进一步地，注浆螺旋管道13的上端安装有上端螺旋挡板14，注浆螺旋管道13的下端安装有下端螺旋挡板15。下端螺旋挡板15避免了由盐水供液管1流出的低温盐水流入注浆螺旋管道13，上端螺旋挡板14避免了由浆液供液端4流入的浆液流入冻结盐水螺旋管道12，确保了冻结用低温盐水和注浆浆液的相互独立流动。盐水供液管1、外管2、冻结盐水螺旋管道12和注浆螺旋管道13均可以采用低温低碳钢制成，采用低温碳钢可以避免普通碳钢在低温条件下因为韧性降低发生脆断而造成的冻结管断裂事故。

进一步地，多个浆液出浆孔16在外管2上呈螺旋状分布并与注浆螺旋管道13的位置对应。浆液出浆孔16呈螺旋状分布便于在注浆过程中，浆液可随着盐水供液管1呈螺旋状向地层进行注浆，避免了在某一方向进行注浆而带来的注浆不均匀的问题。

进一步地，外管2上安装有多个注浆压力传感器17。优选地，多个注浆压力传感器17在外管2上呈螺旋状分布并与注浆螺旋管道13的位置对应，注浆压力传感器17与浆液出浆孔16间歇式分布。如此设置注浆压力传感器17可以实时的监测在注浆过程中地层的注浆压力，进而可以有效的控制注浆的强度和进度，同时螺旋状分布可以提高监测的可靠性。

进一步地，外管2上安装有多个冻结温度传感器18，多个冻结温度传感器18在外管2上呈螺旋状分布并与盐水螺旋管道12的位置对应。如此设置冻结温度传感器18可以实时的监测在冻结过程以及冻融过程中地层的温度变化，进而可以合理的对冻结强度和时间进行有效控制，提高冻结效率，同时螺旋状分布可以提高监测的可靠性。

进一步地，浆液供液端4与连接管11焊接连接。浆液供液端4外焊连接管11，连接管11上安装进浆球阀10，并与三通管7相连。通过在进浆球阀10和三通管7之间的连接管11上(优选靠近三通管7的位置处)设置注浆压力表9来观测注浆压力的变化，避免由于压力过大而对整个冻结注浆装置造成破坏。三通管7的下端安装有排气球阀8，用以在注浆前观察浆液的流动情况，三通管7的另一端与注浆泵6相连。注浆泵6上安装有压力表，便于控制注浆泵6输浆的强度，注浆泵6与空压机5相连。

本发明还公开了一种利用上述双螺旋式注浆型冻结装置的施工方法，如图5所示，包括如下步骤：

(1)搭建施工脚架、安装钻孔装置；

(2)校验钻孔装置中钻杆的垂直度，钻冻结孔；

(3)在冻结孔中放入双螺旋式注浆型冻结管，并将双螺旋式注浆型冻结管的顶部焊接在支架上；

(4)采用经纬仪灯光测斜法检测双螺旋式注浆型冻结管的垂直度，然后复测冻结孔的深度，并进行盐水螺旋通道打压试漏；

(5)将注浆设备以及配套设备全部连接后，检查注浆螺旋管道13是否正常，检查无误后将注浆泵6连接浆液和气动空压机5，打开排气球阀8，关闭进浆球阀10，待排气球阀8中有浆液流出时，观察浆液情况，关闭排气球阀8，打开进浆球阀10对利用注浆螺旋管道13对土体进行冻结前预注浆；

(6)安装冻结站设备，进行调试、试运转，并对盐水螺旋通道进行二次打压试漏；

(7)冻结系统运转正常后进行积极冻结；

(8)待主体结构施工完毕后，停止冻结、拔出双螺旋式注浆型冻结管并将冻结孔填实。

在此施工方法中，在地层冻结施工之前对注浆螺旋管道13进行注浆，采用的浆液为耐低温注浆材料(此处的耐低温注浆材料的成分可参考申请号分别为cn201510700150.8和cn201310333588.8的发明专利申请中的耐低温注浆材料)，避免了由于注浆后冻结而造成所注浆液不能承受低温而失效。

本发明还公开了另一种利用上述双螺旋式注浆型冻结装置的施工方法，如图6所示，包括如下步骤：

(1)搭建施工脚架、安装钻孔装置；

(2)校验钻孔装置中钻杆的垂直度，钻冻结孔；

(3)在冻结孔中放入成型双螺旋式注浆型冻结管，并将双螺旋式注浆型冻结管的顶部焊接在支架上；

(4)采用经纬仪灯光测斜法检测双螺旋式注浆型冻结管的垂直度，然后复测冻结孔深度，并进行盐水螺旋通道打压试漏；

(5)安装冻结站设备，进行调试、试运转；

(6)冻结系统运转正常后进行积极冻结；

(7)待主体结构施工完毕后，停止冻结；

(8)将注浆设备以及配套设备全部连接后，检查注浆螺旋管道13是否正常，检查无误后将注浆泵6连接浆液和气动空压机5，打开排气球阀8，关闭进浆球阀10，待排气球阀8中有浆液流出时，观察浆液情况，关闭排气球阀8，打开进浆球阀10对注浆螺旋管道13进行冻结后注浆。

在此施工方法中，在冻结壁冻融之后对注浆螺旋管道13进行注浆，采用的浆液可为一般注浆材料(一般注浆材料可以在常温下进行注浆施工，以水泥基浆液为主：松散层以水泥-粉煤灰浆液为主，风氧化带以单液水泥浆为主，必要时添加三乙醇胺、食盐或水玻璃作为外添加剂，以调整浆液黏度和初终凝时间)或者耐低温注浆材料，分别适用于冻土完全解冻后和解冻期的土体注浆。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明提供的双螺旋式注浆型冻结装置及施工方法，克服了现有冻结管及冻结法施工工艺在冻结含地下水流动地层时水流流动造成大量的冷量损失、冻结壁极难交圈、冻结周期较长、无法保证冻结壁均匀冻结、冻融后外层井壁受水压力过大和无法将注浆与冻结施工相结合等问题。通过地质勘探可以选取不同的施工顺序，通过冻结前预注浆或冻结后注浆有效的控制冻结地层水的流动，并实时的检测注浆的压力和冻结过程的温度，有利于对注浆和冻结过程进行合理控制，确保冻结壁形成和开挖过程中的安全性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。