双层夹腔内纤维网增强注浆全长加固冻结管及施工方法与流程

本发明涉及一种双层夹腔内纤维网增强注浆的全长加固冻结管及施工方法，属于地层冻结工程领域。

背景技术：

冻结管断裂始终是威胁人工地层冻结法施工安全的关键，冻结管一旦断裂将造成盐水泄漏，冻结壁融化，在冻结凿井、冻结盾构等地下工程中屡有事故发生。

实践证明冻结管断裂大部分发生在接头处，但在其他位置受地应力较大和水理腐蚀严重部位也会出现断裂，并在盐水泄漏涌出时才会发现灾害，这时已经造成巨大的安全隐患和经济损失，长期以来研究从各种手段增加冻结管的强度，但是依然屡有事故发生。主要原因在于，类似新型接头等虽然能减少断裂事故，但是仍无法彻底杜绝，特别是在冲积层和松散层深度越大，高地应力环境，水理作用越严重的工程上，冻结管的抗拉、抗折和耐腐蚀性越不能满足要求。

技术实现要素：

发明目的：针对上述现有技术，提出一种双层夹腔内纤维网增强注浆全长加固冻结管及施工方法，提高冻结管的抗拉抗折强度、刚度及耐腐蚀性，有效的避免断裂带来的重大安全隐患。

技术方案：一种双层夹腔内纤维网增强注浆全长加固冻结管，包括由内壁层6和外壁层7构成的带夹腔双层冻结管体、连接所述双层冻结管体顶端的端口密封装置2、连接所述双层冻结管体底端的底部锥角装置10；所述底部锥角装置10同样为双层夹腔结构，并连通所述双层冻结管体的夹腔4，所述底部锥角装置10的内层中央位置设有连通从双层冻结管体内到夹腔4的第一单向逆止压力阀11，所述底部锥角装置10的外层中央位置设有连通从底部锥角装置10夹腔到外部的第二单向逆止压力阀13，所述第二单向逆止压力阀13的开启压力大于第一单向逆止压力阀11；所述端口密封装置上设有连通冻结管内和外部的冻结管内排液口2-2，以及连通所述双层冻结管体的夹腔4与外部的夹腔排液口2-1，还设有连通外部和所述冻结管内的进液口1-1；所述冻结管体内设有一端连接所述进液口1-1，另一端伸入所述冻结管体底部并与所述第一单向逆止压力阀11留有一定距离的进液管1，所述进液管1和单向逆止压力阀11用于向所述夹腔4注入清水或水泥浆。

进一步，所述双层冻结管体的夹腔4内沿管体长度方向间隔设有搭接所述内壁层6和外壁层7的带孔法兰盘12。

进一步，在所述双层冻结管体的夹腔4内布设纤维织网。

进一步，所述端口密封装置2为双层结构，所述端口密封装置2的内层侧壁通过加压密封的橡胶囊与所述内壁层6顶端密封连接，所述端口密封装置的外层侧壁通过加压密封的橡胶囊与所述外壁层7顶端密封连接，所述冻结管内排液口2-2设置在所述端口密封装置2的内层侧壁上，所述夹腔排液口2-1设置在所述端口密封装置2的外层侧壁上。

进一步，所述双层冻结管体采用多段延接，所述内壁层6采用焊接连接，所述外壁层7采用公母式插接并用钢材粘合胶粘结，所述内壁层6和外壁层7的接茬沿管体长度方向错开一定间距。

进一步，所述水泥浆为纤维增强水泥浆。

一种双层夹腔内纤维网增强注浆全长加固冻结管的施工方法，包括如下步骤：

步骤1：当冻结孔施工完毕后，将底部锥角装置10固定在冻结孔护壁套管孔口上；

步骤2：将作为内壁层6的第一段无缝钢管焊接在所述底部锥角装置10的内檐口上，将作为外壁层7的第一段无缝钢管焊接在所述底部锥角装置10的外檐口上，第一段内壁层6比第一段外壁层7高l米，然后在由内壁层6和外壁层7构成的夹腔4内添加一圈纤维织网并下放双层冻结管至合适深度，在第一段外壁层7檐口内侧位置焊接一个搭接内外层的带孔法兰盘12；

步骤3：所述内壁层6与外壁层7交替延接，并依次设置所述纤维织网和带孔法兰盘12后下放入冻结孔内，下放过程中在管内注入清水增加自重；其中，所述外壁层7的无缝钢管延接时，接茬采用上端口径大于下端口径的公母式插接结构，并使用钢材粘合胶处理接茬面，交替延接期间外壁层7与内壁层6延接的每一段无缝钢管长度一致；循环完成由外壁层7和内壁层6构成的带夹腔双层冻结管体的施工工序，在施工最后一段外壁层7时，选择无缝钢管长度满足外壁层7和内壁层6的檐口位于同一高度；

步骤4：双层冻结管体下放至冻结孔底后，缓慢放入一根聚乙烯塑料长管作为进液管1；

步骤5：将端口密封装置2与双层冻结管体的顶端连接，所述端口密封装置2为双层结构，所述端口密封装置2的内层侧壁通过加压密封的橡胶囊与所述内壁层6顶端密封连接，所述端口密封装置的外层侧壁通过加压密封的橡胶囊与所述外壁层7顶端密封连接，冻结管内排液口2-2设置在所述端口密封装置2的内层侧壁上，夹腔排液口2-1设置在所述端口密封装置2的外层侧壁上；将所述进液管1的顶端与所述端口密封装置2上的冻结管内的进液口1-1连接，所述进液管1的底端与第一单向逆止压力阀11留有一定距离；

步骤6：通过双层冻结管体内注水并观察水压下降情况来对冻结管的密封性进行检测；

步骤7：打开所述夹腔排液口2-1，关闭所述冻结管内排液口2-2，通过进液管1注入清水升压，当水压超过底部锥角装置10的第一单向逆止压力阀11的开启压力值，清水通过第一单向逆止压力阀11进入夹腔，通过夹腔排液口2-1排出作业过程落入夹腔和冻结管内的杂物，待排水干净时通过进液管1向双层冻结管体内注入缓凝水泥浆，缓凝水泥浆顶开第一单向逆止压力阀11进入夹腔，直到夹腔排液口2-1有水泥浆流出时停止注浆；

步骤8：向进液管1内注入隔离液，然后再压入清水，直到清水将进液管1内的水泥浆全部压出，且保证进液管1底端截面高出双层冻结管体内底部的水泥浆液面；

步骤9：待水泥浆初凝后打开冻结管内排液口2-2，通过进液管1压入清水冲洗冻结管内，直到冻结管排液阀2-2流出清水时，进行盐水注入。

进一步，所述步骤2中：预先将所述带孔法兰盘12焊接在所述第一段内壁层6上对应所述第一段外壁层7檐口高度位置，然后等所述第一段外壁层7焊接在所述底部锥角装置10的外檐口上并下放所述冻结管至合适深度时，再将所述带孔法兰盘12焊接到所述第一段外壁层7上。

有益效果：本发明采用双层夹腔管体结构，夹腔内通过纤维织物增强注浆加固冻结管装置，能够很好地提高其抗拉抗折强度、刚度及耐腐蚀性，有效的避免断裂带来的重大安全隐患，适合高地应力，水理腐蚀等特殊地质环境。施工方法易于实现冻结管全长固管，工艺较简单，较单层增加工作量有限，内层无缝钢管厚度可略薄于采用单壁设计的钢管厚度，外层钢管没有严格要求，所以材料上也不会有较大的费用增加，但能够有效增加冻结管的抗拉、抗弯强度及刚度，增加冻结管的耐腐蚀性。

附图说明

图1为双层夹腔内纤维增强注浆全长加固冻结管结构示意图；

图2为端口密封装置与双层管体顶端的连接示意图；

图3为图2中沿a-a方向的截面图；

图4为底部锥角装置结构示意图；

图5为图4中沿b-b方向的截面图；

图6为图5中沿c-c方向的截面图；

图7为双层管体延接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种双层夹腔内纤维增强注浆全长加固冻结管，包括由内壁层6和外壁层7构成的带夹腔4的双层冻结管体、连接双层冻结管体底端的底部锥角装置10、连接双层冻结管体顶端的端口密封装置2。底部锥角装置10同样为双层夹腔结构，并连通双层冻结管体的夹腔4，底部锥角装置10的内层中央位置设有连通从双层冻结管体内到夹腔4的第一单向逆止压力阀11，底部锥角装置10的外层中央位置设有连通从底部锥角装置10夹腔到外部的第二单向逆止压力阀13，如图4所示，第二单向逆止压力阀13的开启压力大于第一单向逆止压力阀11。单向逆止压力阀11禁止液体逆流，且正向时也是需要达到设计压力时才会顶开。

端口密封装置上设有连通冻结管内和外部的冻结管内排液口2-2，以及连通双层冻结管体的夹腔4与外部的夹腔排液口2-1，还设有连通外部和冻结管内的进液口1-1。冻结管体内设有一端连接进液口1-1，另一端伸入冻结管体底部并与第一单向逆止压力阀11留有一定高度距离的进液管1，进液管1和单向逆止压力阀11用于向夹腔4注入清水或水泥浆，进液管1优选聚乙烯塑料长管。夹腔4内布置导热纤维织网，这样能在不降低导热性能的前提下大大增加其抗拉强度和刚度。

其中，夹腔4内沿管体长度方向间隔焊接若干搭接外壁层7和内壁层6的带孔法兰盘12，如图5、图6所示，以保持夹腔4腔体四周大致等间距，且保证内壁层6依托于外壁层7，此处带孔法兰盘12的焊接采用8个方向的点焊即可。底部锥角装置10的夹层中也设置带孔法兰盘12。在夹腔4内布设纤维织网，如图7所示。双层管体采用多段延接，外壁层7采用公母式插接并用钢材粘合胶粘结，内壁层6采用焊接连接，内壁层6的接茬8和外壁层7的接茬9，沿管体长度方向错开间距l。

端口密封装置2为双层结构，端口密封装置2的内层侧壁通过加压密封的橡胶囊3与内壁层6顶端密封连接，端口密封装置2的外层侧壁也通过一个加压密封的橡胶囊3与外壁层7顶端密封连接，橡胶囊经过注塑成型，具有韧性好，抗冲击，耐腐蚀耐老化等优点。冻结管内排液口2-2设置在端口密封装置2的内层侧壁上，夹腔排液口2-1设置在端口密封装置2的外层侧壁上，如图2、图3所示。橡胶囊3为钢丝膨胀橡胶囊，为便于安装密封装置，橡胶囊3的外径均比钢管壁的内径小2.5mm左右。

端口密封装置2的长度与橡胶囊3有效膨胀端长度、径向膨胀压力、冻结管上端最高注浆压力、橡胶与管壁之间的摩擦系数等相关。双层冻结管体上端最高注浆压力按下式计算：

pmax＝(γc-γw)h+pt

pmax为冻结管孔口最高注浆压力(mpa)，发生在压水至冻结孔底时，此时冻结管内为水，夹腔为水泥浆；γc为水泥浆的重度(mn/m^-3)，对于常用水灰比为1:1～0.6:1的水泥浆来说，一般取0.014～0.017；γw为冻结管内水的重度(mn/m^-3)；h为冻结孔的深度(m)；pt为浆液的流动阻力(mpa)，一般取0.5～1.0。

为保证密封效果，橡胶囊3与冻结管壁间的摩擦力应满足下式：

2πrnlyfpx≥πrn²pmax

rn为钢管内半径；f为橡胶与钢之间的摩擦系数，无润滑，静摩擦系数取0.8，动摩擦系数取0.36；px为橡胶囊内施加的液压；ly为橡胶囊有效密封长度。

橡胶囊3的膨胀性较好，但是普通橡胶的耐压性能差，注液过程压力较大，推荐选择耐压性较好的钢丝膨胀橡胶囊。端口密封装置2的进液口1-1采用无缝钢管，下端与高压注液胶管相连，外端口设置阀门控制。另外，冻结管内排液口(2-2)与外部的夹腔排液口2-1均采用钢质，冻结管内排液口(2-2)通过一段钢丝橡胶管穿过外层侧壁的钢板，并处理好穿孔的密封性。

通过密封实验可得到双层冻结管体内压力与加压密封的橡胶囊3内压力的关系，在注液时调整液压压力保证密封的效果。一般管内压力在3～10mpa时，囊内压力较其提高0.5mpa，管内压力大于10mpa时，相应提高0.8mpa甚至更大，具体以实际密封效果为宜。

单向逆止压力阀13用于注浆固管，双层管体端部密封装置全部密封，且排液口关闭时，注液管1注液达到单向逆止压力阀13的开启压力阀值时，注浆至管体与孔壁间固管。

上述双层夹腔内纤维增强注浆全长加固冻结管的施工方法，包括如下步骤：

步骤1：当冻结孔施工完毕后，将带第一单向逆止压力阀11和第二单向逆止压力阀13的底部锥角装置10固定在冻结孔护壁套管孔口上。

步骤2：将作为内壁层6的第一段无缝钢管焊接在底部锥角装置10的内檐口上，将作为外壁层7的第一段无缝钢管焊接在底部锥角装置10的外檐口上，第一段内壁层8比第一段外壁层7高1.5m米，然后在由外壁层7和内壁层6构成的夹腔内添加一圈纤维织网并下放双层冻结管至合适深度，在第一段外壁层7檐口内侧位置焊接一个搭接内外层的带孔法兰盘12。其中，合适高度即方便进行带孔法兰盘12焊接以及延接下一段无缝钢管的位置。预先将带孔法兰盘12焊接在第一段内壁层6上对应第一段外壁层7檐口高度位置，然后等第一段外壁层7焊接在底部锥角装置10的外檐口上并下放冻结管至合适深度时，再将带孔法兰盘12焊接到第一段外壁层7上，焊接只需要8个方向的点焊固定即可。

步骤3：内壁层6与外壁层7交替延接，并依次设置纤维织网和带孔法兰盘12后下放入冻结孔内，为减小泥浆的浮力使得下放顺利，下放过程中在管内注入清水增加自重。其中，内壁层6的无缝钢管延接时，接茬采用上端口径大于下端口径的公母式插接结构，并使用钢材粘合胶处理接茬面，交替延接期间外壁层7与内壁层6延接的每一段无缝钢管长度一致。循环完成由外壁层7和内壁层6构成的带夹腔双层管体的施工工序，在施工最后一段外壁层7时，选择无缝钢管长度满足外壁层7和内壁层6的檐口位于同一高度。

步骤4：冻结管下放至冻结孔底后，缓慢放入一根聚乙烯塑料长管作为进液管，用于注浆和清水，进液管的口径及长度设计根据冻结孔的深度和口径合理选择。

步骤5：将端口密封装置2与带夹腔双层冻结管体的顶端连接，端口密封装置为双层结构，端口密封装置的内层侧壁通过加压密封的橡胶囊3与内壁层6顶端密封连接，端口密封装置2的外层侧壁通过加压密封的橡胶囊3与外壁层7顶端密封连接，冻结管内排液口2-2设置在端口密封装置2的内层侧壁上，夹腔排液口2-1设置在端口密封装置的外层侧壁上。将进液管1的顶端与端口密封装置的进液口连接，进液管1的底端与第一单向逆止压力阀11留有一定距离，该距离长度根据进液管1腔体体积设定，满足冻结管管底到进液管1底端的空间容积大于进液管1腔体体积。

步骤6：通过注水并观察水压下降情况来对冻结管的密封性进行检测。具体的，待冻结管上端密封装置安装完成后，夹腔4以及冻结管管体内都注满清水，然后关闭端口密封装置上的冻结管内排液口2-2和夹腔排液口2-1，按相关规范规定，通过端口密封装置的进液口注入水压，水压升至一定值关闭进液口阀门，观察水压下降情况。如果在规定时间内，水压下降量不超过规定值，即认为其符合密封性要求，由于后期夹腔注浆后也起到密封作用，所以此处相比规范值也可稍有放宽。

步骤7：打开夹腔排液口2-1，关闭冻结管内排液口2-2，通过进液管1注入清水升压，当水压超过底部锥角装置10的第一单向逆止压力阀11开启压力值，清水通过第一单向逆止压力阀11进入夹腔，由于腔体空间较小，具有一定的杂质携带力，通过夹腔排液口2-1排出作业过程落入夹腔和冻结管内的泥浆等杂物，待排水干净时通过进液管1向冻结管内注入缓凝水泥浆，缓凝水泥浆顶开第一单向逆止压力阀11进入夹腔4，带孔法兰盘12上的通孔121能让水泥浆通过，直到夹腔排液口2-1有水泥浆流出时停止注浆，代表夹腔4内已注满水泥浆液。单向逆止压力阀11的设计要考虑到缓凝水泥浆的缓凝时间长短，压浆时间长短，冻结孔的孔径、深度，夹腔空间的大小，综合计算单向逆止阀的设计流量。第一单向逆止压力阀11设计压力一般取1.5倍工作压力，即1.5倍的最大注浆压力。

步骤8：向进液管1内注入一定量的隔离液，然后再压入清水，直到清水将进液管1内的水泥浆全部压出到冻结管底部。隔离液是水、重晶石粉、黄原胶和磺化褐煤树脂按一定比例配置，注入量和配比通过实验确定。通过进液管1内的空间体积来大约估计压入清水水量，且略多于进液管1内的水泥浆体积，使得水泥浆液面在进液管1下端口以下。压入的水泥浆在夹腔内与纤维网胶接成钢混结构，且由于钢管壁面的预制凸起纹理，增加了其间的咬合力，大大提高其强度、刚度和耐腐蚀性。

步骤9：待水泥浆初凝后打开冻结管内排液口2-2，此时通过进液管1压入清水冲洗冻结管内，直到冻结管内排液口2-2流出清水时代表冻结管已清洗干净，进行盐水注入。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。