一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构及其施工方法技术

本发明专利技术公开了一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构及其施工方法，包括多对环形冻结管；所述多对环形冻结管分别间隔设置在盾构隧道端头工作井内的洞门处土体内；在所述多对环形冻结管分别通入循环冷媒介质在盾构隧道端头地层中形成半径大于洞门半径的半球形冻结壁加固体，为软土地区富含水砂层端头的地层加固方式，可有效解决该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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种盾构隧道端头加固结构，具体涉及一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构及其施工方法。
技术介绍
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。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、素混凝土灌注桩法和降水法等。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。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。如附图1所示为常规的人工冻结技术有在端头地面打入垂直冻结管1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2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。
技术实现思路
针对上述存在的技术问题，本专利技术的目的是：为软土地区富含水砂层端头的地层加固方式，可有效解决该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提出了一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构及其施工方法。本专利技术的技术解决方案是这样实现的：一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构，包括多对环形冻结管；所述多对环形冻结管分别间隔设置在盾构隧道端头工作井内的洞门处土体内；在所述多对环形冻结管分别通入循环冷媒介质在盾构隧道端头地层中形成半径大于洞门半径的半球形冻结壁加固体。优选的，所述环形冻结管为无缝低碳钢管或PVC、PPR、ABS、PE塑料管。优选的，所述环形冻结管具有3对，所述环形冻结管离洞门约300～400mm。优选的，环形冻结管选用或无缝低碳钢管。优选的，所述循环冷媒介质采用盐水冷媒介质，冻结期去路盐水温度为-28～-30℃，回路盐水温度为-25～-28℃。优选的，所述盐水冷媒介质的盐水比重1.26；所述环形冻结管内盐水流量5m3/h。本专利技术提供的一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构施工方法包括以下工艺步骤：冻结设计、制冷系统设计、钻孔施工、冻结施工、破除槽壁和冻结管拔除，所述冻结设计包括以下工艺步骤：(1)冻结壁厚度设计结合工程特点、土层条件及施工现场情况对冻结帷幕厚度进行设计；半球形冻结壁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半球形冻土帷幕；冻土平均温度取-10℃，冻土强度指标需进行室内试验测定。(2)冻结孔的布置环形冻结管布置3对，冻结管离洞门约300～400mm；(3)测温孔布置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；所述钻孔施工包括以下工艺步骤：钻孔准备→冻结孔测量定位→钻机安装找正→正常钻进→复测、检漏→单孔完成→钻孔结束；在正常钻进的过程中实时进行纠偏；所述冻结施工包括各设备安装调试及施工工艺流程：各设备安装调试：(1)冻结站安装；(2)冷冻机组的安装；(3) 清、盐水泵的安装；(4)冷却塔的安装；(5)冷冻机组调试；(6)清、盐水泵的调试；所述施工工艺流程为：生产准备→基础施工→上述设备安装调试→试压、包扎保温→充氟、试运转→正常运转→盾构进洞；在充氟、试运转过程之前还需要进行冻结孔验收，在充氟、试运转过程中需要冷却水供给；盾构进洞后，如采用无缝低碳钢管则需拆除后撤场；优选的，所述清、盐水泵的调试工艺包括如下步骤：检查泵及管路及结合处有无松动现象；用手转动泵，试看泵轴转动是否灵活；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；点动电机，试看电机转向是否正确；开动电机，当泵正常运转后，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；观察泵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；尽量控制泵的流量和扬程在标牌上注明的范围内，以保证泵在最高效率点运转，才能获得最大的节能效果；泵在运行过程中，轴承温度不能超过环境温度35℃，最高温度不得超过80℃；如发现泵有异常声音应立即停车检查原因。由于上述技术方案的运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：本专利技术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。此外本专利技术为软土地区富含水砂层端头的地层加固方式，可有效解决该地区常规加固方式 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。附图说明下面结合附图对本专利技术技术方案作进一步说明：附图1为现有技术中所采用的冻结壁加固结构示意图；附图2为本专利技术的半球形冻结壁加固结构示意图；附图3为本专利技术中半球形冻结壁加固结构施工工艺流程图；附图4为本专利技术中钻孔施工流程图；附图5为各设备安装调试及施工工艺流程；其中：1、垂直冻结管；2、水平冻结管；11、环形冻结管；12、半球形冻结壁；13、盾构机。具体实施方式下面结合附图来说明本专利技术。附图1为现有技术中所采用的冻结壁加固结构示意图。如附图2所示的本专利技术所述的本专利技术是一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构，是一种新型的盾构隧道端头加固结构；该专利技术是在盾构隧道端头工作井内的洞门处向土体中打入3对环形冻结管，通过在环形冻结管11中循环冷媒介质，最终在盾构隧道端头地层中形成半球形冻结壁12，在半球形冻结壁12的保护下，盾构机13顺利始发或到达；环形冻结管11直径一般为108或127mm；环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半球形冻土帷幕。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；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。本专利技术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。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。首先进行环形冻结孔的钻孔施工，同时进行冻结站的安装施工，环形冻结孔施工完毕后，进行冻结孔串联管路及保温工作。然后进行积极冻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构，其特征在于：包括多对环形冻结管；所述多对环形冻结管分别间隔设置在盾构隧道端头工作井内的洞门处土体内；在所述多对环形冻结管分别通入循环冷媒介质在盾构隧道端头地层中形成半径大于洞门半径的半球形冻结壁加固体。

【技术特征摘要】
1.一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构，其特征在于：包括多对环形冻结管；所述多对环形冻结管分别间隔设置在盾构隧道端头工作井内的洞门处土体内；在所述多对环形冻结管分别通入循环冷媒介质在盾构隧道端头地层中形成半径大于洞门半径的半球形冻结壁加固体。2.根据权利要求1所述的盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构，其特征在于：所述环形冻结管为无缝低碳钢管或PVC、PPR、ABS、PE塑料管。3.根据权利要求1所述的盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构，其特征在于：所述环形冻结管具有3对，所述环形冻结管离洞门约300～400mm。4.根据权利要求2所述的盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构，其特征在于：环形冻结管选用或无缝低碳钢管。5.根据权利要求1所述的盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构，其特征在于：所述循环冷媒介质采用盐水冷媒介质，冻结期去路盐水温度为-28～-30℃，回路盐水温度为-25～-28℃。6.根据权利要求5所述的盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构，其特征在于：所述盐水冷媒介质的盐水比重1.26；所述环形冻结管内盐水流量5m3/h。7.一种盾构隧道端头半球形冻结壁加固结构施工方法，包括以下工艺步骤：冻结设计、制冷系统设计、钻孔施工、冻结施工、破除槽壁和冻结管拔除，其特征在于，所述冻结设计包括以下工艺步骤：(1)冻结壁厚度设计结合工程特点、土层条件及施工现场情况对冻结帷幕厚度进行设计；半球形冻结壁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半球形冻土帷幕；冻土平均温度取-10℃，冻土强度指标需进行室内试验测定。(2)冻结孔的布置环形冻结管布置3对...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡俊，张皖湘，汪磊，吴顺，陈孟春，
申请(专利权)人：中铁时代建筑设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34