盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构，在盾构隧道端头工作井内的洞门外沿处倾斜地向土体中打入一圈倾斜冻结管，倾斜冻结管在洞门外沿处圆形布置，倾斜冻结管的另一端相交于一点，该点在洞门中心轴线上。采用该结构，可有效解决软土地区常规加固方式加固效果不佳的问题，并大大提高了人工冻结技术加固盾构隧道端头地层的经济性和实用性，可保证盾构机顺利进出洞。本实用新型与传统的盾构隧道端头垂直冻结或水平冻结加固结构相比，冻结管用料大大减少，冻结需冷量也大大减少，冻胀融沉量也很小，在保证加固效果特别是止水效果的同时，大大节约了能源，从而有较好的经济效益，具有较大的推广应用价值。
【专利说明】
盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种土建技术，尤其是一种盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结 构。
【背景技术】
[0002] 盾构隧道端头加固是盾构法施工中的关键环节，具有很大的工程施工风险。在盾 构进出洞时，要先进行洞门区域的地下连续墙破除，并割除所有钢筋。洞门破除要求的时间 非常紧，施工难度大。洞门破除后对加固体强度及密封性要求很高，加固效果不佳时，在洞 门破除时极易出现盾构与洞门间隙涌泥涌砂及地表沉降现象，进而危及附近地下管线和建 筑物的安全。为防止此类现象发生，必须选择合理的盾构隧道端头地层加固处理方案，以满 足强度和抗渗性的要求。
[0003] 盾构隧道端头常用的加固方式有深层搅拌法、高压旋喷法、SMW工法、人工冻结法、 注浆法、素混凝土灌注粧法和降水法等。土体加固可以采用一种工法或多种工法相结合的 加固手段。加固方式应根据工程地质条件、地下水位、结构埋深、盾构机型与直径、作业环境 等条件来进行选择，同时考虑安全性、施工方便性、经济性、工期等因素。
[0004] 在沿海软土地区，特别是盾构隧道端头地层为富含水砂层时，采用常规的化学加 固手段很难达到工程要求，在化学加固后探孔时常常会发现有严重漏水漏砂现象。此时，为 提高盾构隧道端头土体强度和充分止水，保证盾构进出洞安全，在富含水砂层端头常采用 人工冻结法来进行端头土体加固。
[0005] 常规的人工冻结技术有在端头地面打入垂直冻结管实施垂直冻结加固，或在工作 井内开挖洞门处打入水平冻结管实施水平冻结加固，这两种常规的冻结加固方式都存在着 打入土体冻结管过多、冻结需冷量大、整个冻结过程耗电量大、冻胀融沉量大的缺点，如何 找到一种高效节能的盾构隧道端头冻结加固方式是目前亟待解决的关键问题。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种盾构隧道端头圆锥形 冻结壁加固结构，采用该结构，可有效解决软土地区常规加固方式加固效果不佳的问题，并 大大提高了人工冻结技术加固盾构隧道端头地层的经济性和实用性，可保证盾构机顺利进 出洞。
[0007] 为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
[0008] -种盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构，在盾构隧道端头工作井内的洞门外沿 处倾斜地向土体中打入一圈倾斜冻结管，倾斜冻结管在洞门外沿处圆形布置，倾斜冻结管 的另一端相交于一点，该点在洞门中心轴线上。
[0009] 所述倾斜冻结管外边沿与洞门边缘最短距离为300-400mm。
[0010] 所述倾斜冻结管相交点距离洞门口为6m。
[0011] 相邻两个倾斜冻结管的开孔的弧长间距控制在0.8m。
[0012] 所述倾斜冻结管中循环冷媒介质，最终在盾构隧道端头地层中形成圆锥形冻结壁 加固结构，在圆锥形冻结壁的保护下，盾构机顺利始发或到达。
[0013] 所述倾斜冻结管直径为l〇8mm或127mm〇
[0014] 所形成的圆形尺寸由洞门大小决定，应保证在土体中形成半径大于洞门半径的圆 锥形冻土帷幕。
[0015] 所述冻结管材质为无缝低碳钢管，或者采用PVC、PPR、ABS或PE塑料管。
[0016] 当采用塑料管时，盾构始发或到达无需拔除冻结管，可直接切削推进。本实用新型 与传统的盾构隧道端头垂直冻结或水平冻结加固结构相比，冻结管用料大大减少，冻结需 冷量也大大减少，冻胀融沉量也很小，在保证加固效果特别是止水效果的同时，大大节约了 能源，从而有较好的经济效益，具有较大的推广应用价值。
【附图说明】
[0017] 图1是一个实施例的纵向剖面图；
[0018] 图2是一个实施例的横向剖面图；
[0019] 图3是一个实施例的平面图；
[0020] 其中，1.围护结构，2.内衬，3.盾构机，4.倾斜冻结管，5.圆锥形冻结壁，6.洞门。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0022] 如图1-图3所示，盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构，在盾构隧道端头工作井 (包括围护结构1和内衬2)内的洞门6外沿处倾斜地向土体中打入一圈倾斜冻结管4，倾斜冻 结管4在洞门6外沿处圆形布置，倾斜冻结管4的另一端相交于一点，该点在洞门6中心轴线 上。
[0023]倾斜冻结管4外边沿与洞门6边缘最短距离为300-400mm。倾斜冻结管4相交点距离 洞门口为6m。
[0024] 相邻两个倾斜冻结4管的开孔的弧长间距控制在0.8m。
[0025] 倾斜冻结管中循环冷媒介质，最终在盾构隧道端头地层中形成圆锥形冻结壁5加 固结构，在圆锥形冻结壁5的保护下，盾构机3顺利始发或到达。
[0026] 倾斜冻结管4直径为108mm或127mm。
[0027] 所形成的圆形尺寸由洞门6大小决定，应保证在土体中形成半径大于洞门半径的 圆锥形冻土帷幕。
[0028]倾斜冻结管4材质为无缝低碳钢管，或者采用PVC、PPR、ABS或PE塑料管。当采用塑 料管时，盾构始发或到达无需拔除冻结管，可直接切削推进。
[0029] 本实用新型与传统的盾构隧道端头垂直冻结或水平冻结加固结构相比，冻结管用 料大大减少，冻结需冷量也大大减少，冻胀融沉量也很小，在保证加固效果特别是止水效果 的同时，大大节约了能源，从而有较好的经济效益，具有较大的推广应用价值。
[0030] 下面是本实用新型具体施工方技术方案：
[0031]冻结施工是在盾构掘进前，用人工制冷的方法，将工作井端头区域内的含水地层 冻结成一个封闭不透水的帷幕，用于抵抗地压、水压，隔绝地下水，保证盾构进出洞的安全。
[0032]首先进行倾斜冻结孔的钻孔施工，同时进行冻结站的安装施工。倾斜冻结孔施工 完毕后，进行冻结孔串联管路及保温工作。然后进行积极冻结，通过测温孔观测计算，确定 冻结满足洞门凿除条件后，开始破除洞口槽壁，如果冻结管是塑料材质，则无需拔除倾斜冻 结管，如果冻结管是低碳无缝钢管，则需先拔除冻结管，之后进行盾构始发或到达推进。 [0033] 一、冻结设计
[0034] (1)冻结壁厚度设计
[0035]结合工程特点、土层条件及施工现场情况对冻结帷幕厚度进行设计。圆锥形冻结 壁5尺寸由洞门6大小决定，应保证在土体中形成半径大于洞门半径的圆锥形冻土帷幕。冻 土平均温度取-l〇°C，冻土强度指标需进行室内试验测定。
[0036] (2)冻结孔的布置
[0037] 倾斜冻结管4在洞门处圆形布置，冻结管离洞门约300-400mm。倾斜冻结管开孔间 距控制在0.8m(弧长）。
[0038] (3)测温孔布置
[0039] 目的主要是测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便采取相应控制措 施，确保施工的安全。
[0040] 二、制冷系统设计
[0041] (1)参数选取
[0042] 1)倾斜冻结管宜选用φ 127X4. 无缝低碳钢管，也可选用φ 108X8ram无缝低 碳钢管；
[0043] 2)采用盐水冷媒介质时，冻结期去路盐水温度为-28~-30°C，回路盐水温度为-25 ~-28。。；
[0044] 3)盐水比重 1.26。
[0045] 4)冻结管内盐水流量5m3/h;
[0046] 5)冻结管散热能力：260Kcal/m2.h;
[0047] 6)冷量损失系数：1.2。
[0048] (2)需冷量计算
[0049] 冻结需冷量计算:Q=l.2.Ji.d.H.K
[0050] 式中：Η-冻结总长度；
[0051 ] d-冻结管直径；
[0052] K 一冻结管散热系数。
[0053] (3)冻结站设置、机组选型及数量
[0054] 冻结站选用W-YSLGF600 Π 型螺杆冷冻机2台。每台机组制冷量28 X 104Kcal/h，电 机功率220kw。
[0055] (4)盐水系统
[0056] 1)盐水干管、集配液圈选型：φ 159X5mm焊管加工制作。
[0057] 2)氯化钙(80%晶体)总用量:15吨。
[0058] 3)盐水栗选型：选用3台IS150-125-315型离心式水栗（其中一台备用），流量 200m3/h,电机30kw。
[0059] (5)清水系统
[0060] 1)清水管选型：φ 133X4. 5mm焊管加工制作。
[0061 ] 2)选用8m3清水箱3个。
[0062] 3)新鲜水补充量:30m3/h。
[0063] 4)选用3台IS150-125-315型离心式水栗，流量200m3/h，电机30kw。
[0064] 5)选用KST - 80型冷却塔4台。
[0065] (6)冻结管设计
[0066] 倾斜冻结管宜选用φ 127 X 4. 5皿)无缝低碳钢管，也可选用φ 108 X Sim无缝低碳钢 管;供液管选用Φ 45X4ram无缝钢管。
[0067] (7)冻结壁形成预测
[0068] 根据经验，冻结壁交圈时间取15天，整个积极冻结时间宜取20天以上。
[0069] 三、钻孔施工工艺 [0070] (1)钻孔设备选型 [0071]采用专门的倾斜冻结管施工设备。
[0072] (2)钻孔施工 [0073] 四、冻结施工工艺 [0074] (1)冻结施工主要设备 [0075]
[0076]冻结期间总用电负荷约666kw，在考虑线路电压损失较大的情况下，整个冷冻站选 用YC3 X 120+2 X 25低压橡套电缆3根，分别供2台冻结机组及相应配套设备。
[0077] (2)冻结施工
[0078] (3)冻结站安装
[0079]冻结站布置在一侧，2台机组并联安装，可相互备用，冷冻站占地约200平方米。 [0080] (4)冷冻机组的安装
[0081] 1)就位与固定
[0082] 按照冻结站布置图，将冷冻机组就位后，用螺栓与基础进行可靠固定。固定时注意 要用水平尺对机组进行找平，通过不断调整垫铁将机组调平。
[0083] 根据现场的管路布置，可以灵活调整冷凝器两头盖板，已达到优化管路布置的目 的。
[0084] 将机组启动柜可靠布置在机组旁边，利于操作方便的位置，同时注意与机组之间 留下一定的空间，要对平时的操作维护带来方便。
[0085] 2)管路连接
[0086]盐水管路与清水管路与机组之间采用法兰连接，要合理地布置安装阀门，利于平 时开启与关闭操作，又要对维护时的拧螺栓等提供方便。
[0087] 3)机组密封检测
[0088]冷冻机组一定要保证机组的密封性能可靠，否则造成机组漏氟，制冷效率下降，达 不到理想的制冷效果。
[0089] 首先进行制冷系统的检漏，在确保系统无泻漏后，再充氟加油。
[0090] 4)机组加油
[0091 ] 检查机组里冷冻机油的量，如果过少，要向机组加油，冷冻机组选用46#冷冻机油。 [0092] (5)清、盐水栗的安装
[0093] 检查水栗和电机，确保在运输和装卸过程中没有损伤。
[0094] 检查工具和起重机械，并检查机器的基础。
[0095] 安装装栗的基础平面应水平找平，放置好后再检查一下整台机组的水平度。
[0096] 栗的吸入管路和吐出管路应有各自的支架，不允许管路重量直接由栗承受。
[0097]栗轴与电机旋转方向应一致。
[0098] 栗的吸入口不宜过高，要高于清、盐水箱底20cm左右。
[0099] 在清水栗的吸入口安装一道滤网，在盐水箱中间设置一道滤网，以防止有杂物被 吸入管路内。
[0100] 检查栗及管路及结合处有无松动现象。用手转动栗轴，检查栗轴转动是否灵活。
[0101] 向轴承体内加入轴承润滑机油，观察油位应在油标的中心线处，润滑油应及时更 换或补充。
[0102] (6)冷却塔的安装
[0103] 冷却塔安装过程中应注意防火，严禁在塔体及其邻近使用电焊(或气割)等明火， 也不允许在场人员吸烟等。如动用明火，应采取相应的安全措施。
[0104] 冷却塔基础应保持水平，要求支柱与基面垂直，各基面高差不超过± 1mm。中心距 允许差为± 2mm。
[0105] 塔体拼装时，螺栓应对称紧固，不允许强行扭曲安装，拼装后不得漏水。
[0106] 冷却塔塔脚与基础固定牢固。
[0107] 冷却塔零部件在运输、存放过程中，其上不允许压重物，不得暴晒，且注意明火。
[0108] 冷却塔进、出水管及补充水管应单独设置管道支架，避免将管道重量传递塔体。
[0109] 风机叶片应妥善保管，防止变形。电机及传动件应上油，在室内存放。
[0110] 为避免杂物进入喷嘴、孔口，组装前应仔细清理。
[0111] 冷却塔安装完毕后，应清理管道、填料表面、集水盘等污垢及塔内遗物，并进行系 统冲洗。
[0112] (7)冷冻机组调试
[0113] 在制冷系统调试前，一定要做好系统内部的清洁和干燥工作。
[0114] 1)制冷剂的充注
[0115]现场安装后，外观检查如果未发现意外损伤，如果发现制冷剂已经漏完或者不足， 应首先找出泄漏点并排除泄漏现象，然后加入制冷剂。
[0116]充注时，可直接从专用充液阀门充入。制冷剂充注量不足.会导致冷量不足。制冷 剂充注量过多，不但会增加费用，而且对运行能耗等可能带来不利影响。
[0117] 2)调试
[0118] 正式开机前可以对主要电控系统做模拟动作检侧，即机组主机不通电，控制系统 通电，然后通过机组内部设定，对机组的电控系统进行检测，组件是否运行正常。如果电控 系统出现什么问题，可以及时解决。最后再通上主机电源，进行调试。
[0119] 在调试过程中，应特别注意以下几点：
[0120] 检查制冷系统中的各处阀门是否处在正常的开启状态，特别是排气截止阀，切勿 关闭。
[0121] 打开冷凝器的冷却水阀门和蒸发器的冷水阀门，冷水和冷却水的流量应符合机组 技术要求。
[0122] 启动前应注意观察机组的供电电压是否正常。
[0123] 3)运行
[0124] 按照冷冻机操作规程要求，启动机组。
[0125] 当机组启动后，根据机组说明书要求，查看机组的各项参数是否正常。
[0126] 对机组的各项数据进行记录，特别是一些主要参数一定要记录清楚。
[0127] 在机组运行过程中，应注意压缩机的增、减载机构是否正常工作。
[0128] 应正确使用制冷系统中安装的安全保护装置，如高低压保护装置、冷水和冷却水 断水流量开关、安全阀等设备，如有损坏应及时更换。
[0129] 4)异常监测
[0130] 螺杆式冷水机组如出现异常情况，应立即停机检查。
[0131]螺杆式制冷压缩机正常运行的标志为：
[0132] 压缩机排气压力为0.8~1.5MPa(表压）；
[0133] 压缩机排气温度为45~90°C;
[0134] 压缩机的油温为40~55 °C左右；
[0135] 压缩机的油压为0.2~0.3MPa(表压）；
[0136] 压缩机运行过程中声音应均匀、平稳，无异常声音；
[0137] 机组的冷凝温度应比冷却水温度高3~5°C;冷凝温度一般应控制在40 °C左右，冷 凝器进水温度应在32 °C以下；
[0138] 机组的蒸发温度应比冷媒水的出水温度低3~4°C，冷媒水出水温度一般为5~7°C 左右。
[0139] (8)清、盐水栗的调试
[0140] 检查栗及管路及结合处有无松动现象。用手转动栗，试看栗轴转动是否灵活。
[0141] 向轴承体内加入轴承润滑机油，观察油位应在油标的中心线处，润滑油应及时更 换或补充。
[0142] 点动电机，试看电机转向是否正确。
[0143] 开动电机，当栗正常运转后，打开出口压力表和，视其显示出适当压力后，逐渐打 开闸阀，同时检查电机负荷情况。
[0144] 观察栗体及管路是否振动过大，过大时要停车检查原因并进行处理。
[0145] 尽量控制栗的流量和扬程在标牌上注明的范围内，以保证栗在最高效率点运转， 才能获得最大的节能效果。
[0146] 栗在运行过程中，轴承温度不能超过环境温度35°C，最高温度不得超过80°C。
[0147] 如发现栗有异常声音应立即停车检查原因。
[0148] (9)其它
[0149] 冻机油选用N46冷冻机油；
[0150] 制冷剂选用氟立昂R-22;
[0151 ]冷媒剂选用氯化钙溶液。
[0152] 五、破除槽壁条件
[0153] 破除槽壁必须具备如下条件：
[0154] _
[0155]~通过探孔观测，判断冻土墙的冻结效果。冻结20^后，槽壁破除前先在洞门上有分, 布的打若干探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况。探孔深度应进入连续墙内10~15cm。然 后，采用测温仪进行量测，要求各探孔实测温度必须低于-2°C。当通过探孔实测温度与水 平测温孔实测温度判断冻土墙与槽壁完全可靠胶结方可全部破壁。
[0156] 六、冻结管拔除工艺
[0157] (1)强制解冻
[0158] 采用人工局部解冻的方案，利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的冻土融 化。
[0159] (2)盐水加热
[0160] 用一只3m3左右的盐水箱储存盐水，用6组20kw的电热丝进行加热盐水，温度控制 在 75±10°C。
[0161] (3)盐水循环
[0162] 利用盐水栗循环盐水，水栗型号为IS150-125-315,每个冻结孔的盐水循环流量控 制在 5 - 7m3/h。
[0163] (4)解冻测量
[0164] 利用冻结帷幕内的测温孔，每天定时测量帷幕温度的变化，直至冻结帷幕上升至 正温为止，则停止解冻作业。
[0165] (5)冻结管起拔
[0166] 冻结管解冻后，用压缩空气将管内盐水排出。确保无异常后，快速拔出冻结管。冻 结管不能蹩劲，拔管时要常微转动冻结管，冻结管不能硬拔，如拔不动时，要继续循环热盐 水解冻，直至能拔起冻结管为止。
[0167] 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。
【主权项】
1. 一种盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构，其特征是，在盾构隧道端头工作井内的 洞门外沿处倾斜地向土体中打入一圈倾斜冻结管，倾斜冻结管在洞门外沿处圆形布置，倾 斜冻结管的另一端相交于一点，该点在洞门中心轴线上。2. 如权利要求1所述的盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构，其特征是，所述倾斜冻结 管外边沿与洞门边缘最短距离为300-400mm。3. 如权利要求1所述的盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构，其特征是，所述倾斜冻结 管相交点距离洞门口为6m。4. 如权利要求1所述的盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构，其特征是，相邻两个倾斜 冻结管的开孔的弧长间距控制在〇.8m。5. 如权利要求1所述的盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构，其特征是，所述倾斜冻结 管中循环冷媒介质，最终在盾构隧道端头地层中形成圆锥形冻结壁加固结构，在圆锥形冻 结壁的保护下，盾构机顺利始发或到达。6. 如权利要求1所述的盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构，其特征是，所述倾斜冻结 管直径为108mm或127mm。7. 如权利要求1所述的盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构，其特征是，所形成的圆形 尺寸由洞门大小决定，应保证在土体中形成半径大于洞门半径的圆锥形冻土帷幕。8. 如权利要求1所述的盾构隧道端头圆锥形冻结壁加固结构，其特征是，所述冻结管材 质为无缝低碳钢管，或者采用PVC、PPR、ABS或PE塑料管。
【文档编号】E21D1/12GK205577995SQ201620365753
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】胡俊, 卫宏, 刘勇, 姚凯, 赵联桢, 佳琳
【申请人】海南大学