一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置及其冻结方法

本发明涉及土木工程，尤其涉及一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置及其冻结方法。

背景技术：

1、因城市空间受限，越来越多的地铁隧道需要上下重叠布线，必然会出现大量上下隧道叠交始发的工程，上下叠交隧道的端头始发或接收工程中，端头加固的方案选择和加固质量直接影响着始发或接收进度和安全，若处理不当，容易在洞门开凿和盾构始发或接收过程中发生涌砂冒水等工程事故。

2、因此，本发明基于叠交隧道结构特性，洞门端头采用分次垂直局部冻结的方式进行端头加固，通过局部冻结器对洞门加固范围内的土体进行针对性的局部冻结，同时避免冻结器与非加固范围内的土体进行热交换。在上下叠交隧道盾构始发或接收过程中适时调整各个冻结区的启停，进而达到分次垂直局部冻结的效果，使得盾构能够在上下叠交隧道中安全、快速地始发或接收，保证施工过程安全。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置及其冻结方法，采用分次垂直局部冻结的方式进行端头加固，通过适时地调整各个冻结区的启停，保证上下叠交隧道盾构始发或接收过程的安全。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置，包括局部冻结器和四路控制阀门，其特征在于，所述局部冻结器和四路控制阀门之间通过接长管相连，局部冻结器内设有若干冻结区和非冻结区，冻结区和非冻结区间隔设置，局部冻结器的端部安装有钻头。

4、优选地，所述局部冻结器包括耐低温钢管，耐低温钢管内部分别设有上冻结区进水管、上冻结区回水管、下冻结区进水管和下冻结区回水管，耐低温钢管的内壁由上至下依次连接有上开孔隔板、中开孔隔板和下开孔隔板，上开孔隔板以上区域、中开孔隔板和下开孔隔板之间区域为非冻结区，下开孔隔板以下区域为冻结器下冻结区，上开孔隔板和中开孔隔板之间区域为冻结器上冻结区，上冻结区进水管和上冻结区回水管贯穿上开孔隔板与冻结器上冻结区连通并形成回路，下冻结区进水管和下冻结区回水管依次贯穿上开孔隔板、中开孔隔板和下开孔隔板与冻结器下冻结区连通并形成回路，非冻结区外部设有隔热结构。

5、优选地，所述隔热结构包括套接在耐低温钢管上的上部非冻结区真空套管和下部非冻结区真空套管，上部非冻结区真空套管的上端和下部非冻结区真空套管的下端均通过冻结器螺纹和真空管螺纹进行螺纹连接，且上部非冻结区真空套管和下部非冻结区真空套管的端部均通过密封钢环与耐低温钢管通过切口满焊密封连接，上部非冻结区真空套管和下部非冻结区真空套管与耐低温钢管之间形成真空隔热区。

6、优选地，所述上开孔隔板、中开孔隔板和下开孔隔板远离非冻结区的一侧均连接有绝热垫圈。

7、优选地，所述上冻结区进水管、上冻结区回水管、下冻结区进水管和下冻结区回水管与上开孔隔板、中开孔隔板和下开孔隔板的连接处均连接有密封垫圈。

8、优选地，所述绝热垫圈为为气凝胶毡，密封垫圈材质为耐低温的橡胶材料。

9、优选地，所述上冻结区进水管、上冻结区回水管、下冻结区进水管、下冻结区回水管和耐低温钢管均采用fe-mn-al系奥氏体低温钢管。

10、优选地，所述冻结器下冻结区和冻结器上冻结区的制冷系统的控制回路相互独立。

11、优选地，所述上部非冻结区真空套管和下部非冻结区真空套管外径为200mm，外壁厚为5mm，内径为170mm，真空隔热区的真空空腔厚度为10mm。

12、一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结方法，该方法包括如下步骤：

13、该冻结方法涉及如下结构下线隧道洞门、下线隧道洞门冻结区、上线隧道洞门、上线隧道洞门冻结区、盾构机和支撑架，盐水为质量浓度29.9％的氯化钙溶液凝固点为-55℃，上冻结区进水管、上冻结区回水管、下冻结区进水管、下冻结区回水管的低温盐水温度在-36℃～-40℃之间，单孔盐水流量10m3/h，盐水在冻结管环形空间的为流速0.4-0.5m/s；

14、下线隧道洞门冻结区、上线隧道洞门的冻结帷幕厚度为1.6m，土体平均温度为-15℃，积极冻结的时间为21天；下线隧道洞门积极冻结10天后，控制四路控制阀门进行上线隧道洞门的积极冻结，待下线隧道洞门冻结区积极冻结时间至21天，冻结帷幕发展和土体平均温度均达到设计要求后，始发或接收下线隧道洞门盾构12天内完成始发或接收，待下线隧道洞门下线隧道洞门盾构始发或接收完成；

15、上线隧道洞门冻结区的积极冻结时间也满21天，冻结帷幕发展和土体平均温度均达到设计要求后，始发或接收下线隧道洞门盾构；下线隧道洞门盾构始发或接收过程中，冻结器下冻结区保持维护冻结状态，直至下线隧道洞门盾构始发或接收结束；

16、上线隧道洞门盾构始或接收发过程中，冻结器上冻结区保持维护冻结状态，直至上线隧道盾构始发或接收结束后，停止冻结。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、(1)局部冻结器的冻结区与非冻结区可根据工程需要进行灵活调整，以满足不同上下叠交隧道盾构端头冻结加固的需要；

19、(2)使用分次垂直局部冻结对上下线隧道洞门范围内的土体分别进行局部加固，可形成强度高，封闭性好的加固体，保证盾构始发或接收过程开凿洞门安全可靠；

20、(3)采用分次垂直局部冻结技术，可显著减少冷冻量、拔管量，降低能耗和施工成本缩短工期，还可以减少冻土量的产生，降低土体因冻胀融沉对隧道及周边环境带来的扰动；

21、(4)此局部冻结器采用比常规冻结器更大的管径，更低的盐水温度和更大的盐水流速提高了热交换效率，缩短积极冻结时间，实现快速冻结，缩短工期。

技术特征：

1.一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置，包括局部冻结器(1)和四路控制阀门(8)，其特征在于，所述局部冻结器(1)和四路控制阀门(8)之间通过接长管相连，局部冻结器(1)内设有若干冻结区和非冻结区，冻结区和非冻结区间隔设置，局部冻结器(1)的端部安装有钻头。

2.根据权利要求1所述的一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置，其特征在于，所述局部冻结器(1)包括耐低温钢管(1010)，耐低温钢管(1010)内部分别设有上冻结区进水管(101)、上冻结区回水管(102)、下冻结区进水管(103)和下冻结区回水管(104)，耐低温钢管(1010)的内壁由上至下依次连接有上开孔隔板(105)、中开孔隔板(106)和下开孔隔板(107)，上开孔隔板(105)以上区域、中开孔隔板(106)和下开孔隔板(107)之间区域为非冻结区，下开孔隔板(107)以下区域为冻结器下冻结区(108)，上开孔隔板(105)和中开孔隔板(106)之间区域为冻结器上冻结区(109)，上冻结区进水管(101)和上冻结区回水管(102)贯穿上开孔隔板(105)与冻结器上冻结区(109)连通并形成回路，下冻结区进水管(103)和下冻结区回水管(104)依次贯穿上开孔隔板(105)、中开孔隔板(106)和下开孔隔板(107)与冻结器下冻结区(108)连通并形成回路，非冻结区外部设有隔热结构。

3.根据权利要求2所述的一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置，其特征在于，所述隔热结构包括套接在耐低温钢管(1010)上的上部非冻结区真空套管(5)和下部非冻结区真空套管(9)，上部非冻结区真空套管(5)的上端和下部非冻结区真空套管(9)的下端均通过冻结器螺纹(4)和真空管螺纹(6)进行螺纹连接，且上部非冻结区真空套管(5)和下部非冻结区真空套管(9)的端部均通过密封钢环(502)与耐低温钢管(1010)通过切口满焊(7)密封连接，上部非冻结区真空套管(5)和下部非冻结区真空套管(9)与耐低温钢管(1010)之间形成真空隔热区(501)。

4.根据权利要求3所述的一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置，其特征在于，所述上开孔隔板(105)、中开孔隔板(106)和下开孔隔板(107)远离非冻结区的一侧均连接有绝热垫圈(2)。

5.根据权利要求4所述的一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置，其特征在于，所述上冻结区进水管(101)、上冻结区回水管(102)、下冻结区进水管(103)和下冻结区回水管(104)与上开孔隔板(105)、中开孔隔板(106)和下开孔隔板(107)的连接处均连接有密封垫圈(3)。

6.根据权利要求5所述的一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置，其特征在于，所述绝热垫圈(2)为为气凝胶毡，密封垫圈(3)材质为耐低温的橡胶材料。

7.根据权利要求6所述的一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置，其特征在于，所述上冻结区进水管(101)、上冻结区回水管(102)、下冻结区进水管(103)、下冻结区回水管(104)和耐低温钢管(1010)均采用fe-mn-al系奥氏体低温钢管。

8.根据权利要求7所述的一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置，其特征在于，所述冻结器下冻结区(108)和冻结器上冻结区(109)的制冷系统的控制回路相互独立。

9.根据权利要求8所述的一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置，其特征在于，所述上部非冻结区真空套管(5)和下部非冻结区真空套管(9)外径为200mm，外壁厚为5mm，内径为170mm，真空隔热区(501)的真空空腔厚度为10mm。

10.根据权利要求9所述的一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

技术总结
本发明提供了一种用于上下叠交隧道端头分次垂直局部冻结装置及其冻结方法，所述局部冻结器主要由进水管，回水管，冻结管，预制真空套管组成。冻结管内有开孔隔板，将整个冻结管分为冻结区和非冻结区，外套的真空套管可以减少非冻结区的冷量损耗。所述局部冻结器可根据不同叠交隧道工程来设计冻结区和非冻结区，灵活地调整开孔隔板和真空套管的位置，通过分区冻结来减少非冻结段的冷量损耗，同时避免了冻结管的二次上拔。因比现有技术的盐水温度更低，盐水流速更大，可实现快速冻结，满足上下叠交隧道端头分次垂直局部快速冻结的工程需要，确保上下叠交隧道盾构始发或接收时端头安全可靠。

技术研发人员：杨平,陈佳,朱俊,张珅,高波,朱红华,马俊,龚楠富,王加辉,张栋,张婷,姚剑峰,何云
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13