盾构对接半圆环形冻结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对接半圆环形冻结加固结构，包括对接的两台盾构机，在单侧对接盾构机内沿着盾构外壳圆周均匀布置多根半圆环形冻结管，半圆环形冻结管布置原则为保证半圆环形冻结管的开孔弧形长度为0.8?1.2m，在半圆环形冻结管中通入液氮冻结，在对接地层中形成半球形冻土帷幕。本实用新型与传统的盾构对接直线型冻结管布设方式形成的加固结构相比，加固结构受力更为合理，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，冻结周期短、见效快，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】
盾构对接半圆环形冻结加固结构
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种盾构对接半圆环形冻结加固结构。
【背景技术】
[0002]盾构法修建隧道技术在我国地下工程建设中应用越来越多，绝大多数越江跨海隧道和轨道交通地下建设都采用该方法。目前，盾构隧道有着向超大直径、超长距离发展的趋势，而盾构一次推进距离过长，必然带来盾尾密封、刀具磨损、长距离运输等诸多问题。为了解决这些问题，一般在中途增加中继工作井。这样做将增大成本，并且对于越江跨海隧道来说，若在中途海面上增加工作井，必然对环境造成一定的影响。盾构对接技术具有不受地面建构物限制、自由选择对接地点、对周边环境影响小等优点，可较好地解决盾构超长距离施工问题，具有广泛的应用前景。
[0003]盾构对接即两台盾构机从两侧相向掘进至结合地点，在地中进行对接以完成整条隧道的盾构施工，具有安全性、经济性、省时高效等优点。盾构对接方式主要有土木式对接和机械式对接两种。土木式对接法是通过将对接地点地层作加固处理，达到止水和预防地层失稳的效果后，完成盾构拆卸并进行隧道衬砌;机械式对接法是通过对盾构进行特殊设计，而使两台盾构直接进行对接的方法。相比机械式对接法，土木式对接法以其经济性更为常用。
[0004]土木式对接法的地层加固处理可在盾构到达对接地点前从地面进行，若地面无实施条件或隧道埋深太深从地面实施加固不经济、无法保证加固效果时，则可采取从盾构隧道内部采用注浆辅助法进行加固处理。从地面进行地层加固类似于常规地基处理技术，关键是根据工程地质条件和盾构尺寸设计适当的加固范围和选择适当的加固方法;加固方法有高压旋喷、水泥土搅拌、化学注浆等方法。而从隧道内部加固的方法有化学注浆法和冻结法。
[0005]盾构对接中的冻结法是在一侧或双侧盾构中安装冻结器进行冻结，使得盾构对接处地层冻结形成封闭、高强的冻土帷幕，阻止地下水进入对接工作面、抵抗外部水土压力，给盾构对接工作提供既有强度又有封水性的临时支护结构。
[0006]冻结管的布设方式有三种:
[0007]一是从单侧盾构打设放射状直线型冻结管结合另外一侧盾构内表面贴附冻结管。贴附冻结管用于克服放射状冻结管距离盾构较远的不足，两种冻结管结合可保证形成连续封闭的冻土帷幕。
[0008]二是从两侧盾构分别打设单排放射状直线型冻结管冻结地层进行盾构对接。
[0009]三是从两侧盾构分别打设双排放射状直线型冻结管冻结地层进行盾构对接。
[0010]上述三种冻结管布设方式都存在着打入土体冻结管过多、冻结施工繁琐、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对接冻结加固方式是目前亟待解决的关键问题。
[0011]中国专利申请201110321819.4公开了一种盾构对接地层弯管单侧冻结法及其冻结管打设装置，该冻结法采用弯曲冻结管实现仅需在单侧隧道安置冻结系统，其原理是从对接的单侧盾构打出弯曲冻结管，使其端部接近对侧盾构壳体，从单侧隧道制冷冻结后形成环绕盾构对接部位四周的、具有绝对封水性和良好强度的冻土帷幕，在其保护下完成盾构对接作业。其冻结管打设装置是:在盾构机壳体上装设孔口管，并通过球阀连接直线形或曲线形密封管，具有封水防喷功能。钻杆开孔作业时选用直线形密封管，打设弯曲冻结管时选用曲线形密封管。但是该专利申请存在着如下技术不足:
[0012]1、冻结管打设装置过于繁琐，导致施工质量不易控制；并且很难进行半圆环形冻结管的打设；
[0013]2、采用盐水降温系统，冻结系统安置耗时、占地;并且形成最终冻土帷幕的时间较长，影响工期；
[0014]3、由于冻结管打设装置的限制，所形成的环绕盾构对接部位四周的冻土帷幕抵抗四周水土压力的强度不易保证，容易发生强度不足导致产生渗水通道，进而危及盾构对接施工的安全；
[0015]4、由于采用盐水降温系统，容易导致弯曲冻结管和对接部位盾壳之间的土体没有完全冻实，最终形成弯曲的壳体冻土帷幕，该冻土帷幕与冻实的半球形冻土帷幕相比，安全性大大降低。
【实用新型内容】
[0016]本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种盾构对接半圆环形冻结加固结构，该结构受力合理，冻结周期短、见效快，仅需在单侧隧道内施工。
[0017]为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案:
[0018]—种盾构对接半圆环形冻结加固结构，包括对接的两台盾构机，在单侧对接盾构机内沿着盾构外壳圆周均匀布置多根半圆环形冻结管，半圆环形冻结管布置原则为保证半圆环形冻结管的开孔弧形长度为0.8-1.2m，在半圆环形冻结管中通入液氮冻结，在对接地层中形成半球形冻土帷幕。
[0019]所述半圆环形冻结管直径为32mm或60mm。
[0020]所述半圆环形冻结管开孔位置距离对接盾构机外壳端部2m，在土体中形成半径大于2m的半球形冻土帷幕。
[0021]所述半圆环形冻结管材质为无缝低碳钢管或PVC、PPR、ABS、PE塑料管。
[0022]所述盾构机包括盾壳和位于其中刀盘和主轴承，主轴承通过高强度螺栓分别与盾壳和刀盘相连接。
[0023]所述盾壳包括通过高强螺栓连接的前体、中体和盾尾，其中，前体与中体均采用内外双层盾壳。
[0024]对接的两台盾构机的外层盾壳直接焊接防水钢板环作为洞内拆机的支护。
[0025]对接的两台盾构机包括先行盾构机与后行盾构机。
[0026]对接的两台盾构机的对接段采用钢筋混凝土管片或钢管片衬砌。
[0027]在半球形冻土帷幕中设置有若干测温管，测温管中设置有测温计，测温计与外部显示装置连接，测温管直径为45mm。
[0028]半圆环形冻结管通过管路与停在隧道始发井外的槽车中的液氮储罐连通，半圆环形冻结管中还设置有收集汽化氮气的集气管，集气管经与其连通的排气管延伸至隧道外空旷处。
[0029]本实用新型与传统的盾构对接直线型冻结管布设方式形成的加固结构相比，加固结构受力更为合理，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，冻结系统安装方便、占地少，冻结周期短、见效快，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】
[0030]图1是本实用新型结构不意图；
[0031 ]图2是本实用新型施工步骤图；
[0032]其中，1.半圆环形冻结管，2.半球形冻土帷幕，3.对接盾构机，4.衬砌管片，5.盾尾注浆固结体。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0034]本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
[0035]如图1所示，盾构对接时地层加固结构，在单侧对接盾构机3内沿着盾构外壳圆周均匀布置多根半圆环形冻结管I，半圆环形冻结管I布置原则为保证半圆环形冻结管I开孔间距为0.8-1.2m(弧长)，通过在半圆环形冻结管I中实施液氮冻结，最终快速地在对接地层中形成半球形冻结帷幕2，在半球形冻结帷幕2的保护下，顺利完成盾构对接施工。如图1所示。半圆环形冻结管I直径一般为32或60mm;半圆环形冻结管I开孔位置距离对接盾构机外壳端部2m，应保证在土体中形成半径大于2m的半球形冻土帷幕2;冻结管材质通常为无缝低碳钢管，也可以采用PVC、PPR、ABS、PE等塑料管。
[0036]盾构对接时半圆环形冻结加固结构与传统的盾构对接直线型冻结管布设方式形成的加固结构相比，加固结构受力更为合理，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，冻结周期短、见效快，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。
[0037]盾构对接施工步骤如图2所示。
[0038](I)对接盾构机
[0039]I)盾壳
[0040]盾尾形成盾尾注浆固结体5，除盾尾外(一般盾尾不予拆除)，前体与中体均采用双层盾壳。拆卸时外层盾壳留在地层中，其它部件拆除后，在两台盾构留下的外层盾壳之间焊接防水钢板环作为洞内拆机的支护。在完整的钢板环保护下，可安全地进行盾构各部件拆卸。
[0041]2)刀盘、前体、中体
[0042]刀盘、前体、中体采用易于拆卸的分块设计方式，根据隧道内径大小，控制拆卸后的单件重量可适当分为3-6块，各块之间可采取高强螺栓连接，以便拆卸与重新拼装。
[0043]3)主轴承
[0044]主轴承为盾构的重要部件，通常均采用高强度螺栓与盾壳和刀盘相连接，比较易于拆除，应适当控制主轴承的结构大小，以利于拆卸。
[0045](2)盾构相对位置的探测
[0046]为提前准确掌握对接盾构的相对位置，保证最终对接精度，需采取下述方法对盾构的相对位置进行探测。
[0047]I)采用两台盾构的实测高程和坐标进行相对位置控制
[0048]在盾构制造过程中，一般均会在盾构中体钢结构上分布8-1个盾构姿态测量点，并提供各测量点与盾构中线及刀盘中心的相对坐标，通过隧道内布设的导线和水准点测量各点的坐标及高程，然后即可计算得出盾构中心坐标与高程、盾构竖直与水平倾角等数据。以先行盾构的位置与姿态为基准，对后行盾构的掘进方向与姿态进行控制。一般在后行盾构与先行盾构相距200、100、50、30m时，应分别测量、计算一次盾构的坐标与姿态，30m以前主要进行方向调整，30m以后主要进行姿态调整。
[0049]由两台盾构分别测定的坐标和高程确定的对接精度，受测量误差影响较大。在盾构对接工程中，当隧道长度计算测量误差累计值大于允许对接偏差时，不能单独采用本方法，还必须钻孔直接探测盾构相对位置。
[0050]2)钻设探测孔直接测定后行盾构位置
[0051]先行盾构到达预定位置并完成部分部件拆卸后，在后行盾构距离先行盾构约50m时，从先行盾构内向后行盾构钻设探测孔，安装测量管，利用磁性探测系统和γ线探测系统直接对后行盾构位置进行测量，后行盾构根据测量结果对掘进方向与姿态进行控制，修正掘进20m后再进行一次测量，再对掘进方向与姿态进行调整、继续修正掘进至对接里程。
[0052](3)盾构对接施工应注意事项
[0053]I)为防止盾构对接解体后管片松动，在盾构解体前应将最后20环管片进行纵向连接。先行盾构到达预计对接里程后，为防止盾构后退，必须将盾壳牢固的支撑在最后一环管片上。
[0054]2)为便于先行盾构对后行盾构的位置探测，先行盾构需拆除部分部件，这些部件一般包括管片安装机、主轴承、中体等。
[0055]3)对接段大都采用有钢筋混凝土管片或钢管片进行衬砌4，必须做好管片防水和与已拼装管片的连接。
[0056](4)半圆环形冻结管的安装
[0057]I)冻结壁厚度设计
[0058]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。半圆环形冻结管开孔位置距离对接盾构机外壳端部2m，应保证在土体中形成半径大于2m的半球形冻土帷幕。
[0059]2)冻结孔的布置
[0060]在单侧对接盾构机3内沿着盾构外壳圆周均匀布置多根半圆环形冻结管1，半圆环形管布置原则为保证冻结管开孔间距为0.8-1.2m(弧长)。半圆环形冻结管I直径一般为32或60mm。冻结管材质通常为无缝低碳钢管，也可以采用PVC、PPR、ABS、PE等塑料管。
[0061 ] 3)测温孔布置
[0062]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。测温管直径一般为45_。
[0063](5)液氮冻结
[0064]将液氮储罐及槽车停在隧道始发井外，利用管路将液氮输送至盾构对接处冻结工作面的冻结管中，经循环吸收地层热量，通过集气管收集汽化氮气，再利用排气管将其排至隧道外空旷处，此种方法较盐水冻结具有冻结系统简单、温度低、冻结速度快、稳定性好、冻土强度高等优点，且冻结加固土体形式灵活，冻结规模可以根据工程实际情况而定。
[0065]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】
1.一种盾构对接半圆环形冻结加固结构，其特征是，包括对接的两台盾构机，在单侧对接盾构机内沿着盾构外壳圆周均匀布置多根半圆环形冻结管，半圆环形冻结管布置原则为保证半圆环形冻结管的开孔弧形长度为0.8-1.2m，在半圆环形冻结管中通入液氮冻结，在对接地层中形成半球形冻土帷幕。2.如权利要求1所述的盾构对接半圆环形冻结加固结构，其特征是，所述半圆环形冻结管直径为32mm或60mm。3.如权利要求1所述的盾构对接半圆环形冻结加固结构，其特征是，所述半圆环形冻结管开孔位置距离对接盾构机外壳端部2m，在土体中形成半径大于2m的半球形冻土帷幕。4.如权利要求1所述的盾构对接半圆环形冻结加固结构，其特征是，所述半圆环形冻结管材质为无缝低碳钢管、PVC、PPR、ABS或PE塑料管。5.如权利要求1所述的盾构对接半圆环形冻结加固结构，其特征是，所述盾构机包括盾壳和位于其中刀盘和主轴承，主轴承通过高强度螺栓分别与盾壳和刀盘相连接。6.如权利要求5所述的盾构对接半圆环形冻结加固结构，其特征是，所述盾壳包括通过高强螺栓连接的前体、中体和盾尾，其中，前体与中体均采用内外双层盾壳。7.如权利要求6所述的盾构对接半圆环形冻结加固结构，其特征是，对接的两台盾构机的外层盾壳直接焊接防水钢板环作为洞内拆机的支护。8.如权利要求1所述的盾构对接半圆环形冻结加固结构，其特征是，对接的两台盾构机的对接段采用钢筋混凝土管片或钢管片衬砌。9.如权利要求1所述的盾构对接半圆环形冻结加固结构，其特征是，在半球形冻土帷幕中设置有若干测温管，测温管中设置有测温计，测温计与外部显示装置连接，测温管直径为45mm ο10.如权利要求1所述的盾构对接半圆环形冻结加固结构，其特征是，半圆环形冻结管通过管路与停在隧道始发井外的槽车中的液氮储罐连通，半圆环形冻结管中还设置有收集汽化氮气的集气管，集气管经与其连通的排气管延伸至隧道外空旷处。
【文档编号】E21D9/06GK205677624SQ201620639984
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月27日 公开号201620639984.2, CN 201620639984, CN 205677624 U, CN 205677624U, CN-U-205677624, CN201620639984, CN201620639984.2, CN205677624 U, CN205677624U
【发明人】胡俊, 卫宏, 刘勇, 赵联桢, 姚凯, 佳琳
【申请人】海南大学