盾构机尾部的冻结系统及盾尾刷更换方法技术方案

本发明专利技术公开了盾构机尾部的冻结系统，所述系统包括液氮管路和冻结管，液氮管路分为供氮干管和回路干管，分别与冻结管的液氮进口和液氮出口连通；液氮管路设于盾构壳体内，冻结管设于盾构壳体内侧或外侧，盾构壳体下侧设有盾尾刷。本发明专利技术所述盾构机尾部的冻结系统能够快速、高效地实现盾构机尾部土层的冻结，无需在管片上另外打孔、封堵钻孔，延长管片的耐久性；本发明专利技术所述盾尾刷更换方法操作便捷，工期短，对盾构隧道稳定性无不利影响。

The freezing system of shield machine tail and the replacement method of shield tail brush

The invention discloses the freezing system at the end of the shield machine. The system includes the liquid nitrogen pipe and the freezing pipe. The liquid nitrogen pipeline is divided into the nitrogen supply pipe and the loop dry pipe. The liquid nitrogen pipe is connected with the liquid nitrogen import and the liquid nitrogen outlet, respectively. The liquid nitrogen pipeline is located in the shield shell, the freezing pipe is located on the inside or outside of the shield shell, and under the shield shell shell. There is a tail brush on the side. The freezing system in the tail of the shield machine can quickly and efficiently realize the freezing of the rear earth layer of the shield machine, without perforating and plugging the hole on the piece, and prolonging the durability of the pipe. The method of replacing the shield tail brush is convenient and short time, and has no adverse effect on the stability of the shield tunnel.

【技术实现步骤摘要】
盾构机尾部的冻结系统及盾尾刷更换方法
本专利技术属于盾构隧道加固
，涉及盾尾刷更换技术，具体为盾构机尾部的冻结系统及盾尾刷更换方法。
技术介绍
盾构隧道在我国正处飞速发展阶段，大规模盾构隧道建设面临很多问题，其中盾构机在长距离穿越富含水砂性土或卵石地层时，盾尾刷容易磨损，甚至破坏导致渗漏，因此需更换失去密封作用的盾尾刷。土层内进行盾尾刷更换最关键的技术问题之一就是对盾尾土层的止水密封处理，当施工地层条件复杂时，此工程难度更大。目前常用的方法有化学注浆加固，盐水人工冻结加固以及液氮人工冻结加固，其中液氮冻结工期较短，冻结效果可靠，液氮循环系统也相对简单。在采用冻结止水时，按冻结管排布方式的不同可分为预制冻结管片冻结止水和管片上直接打孔冻结止水，前者的问题在于带有冻结管的特殊管片需要另外制作，在面对突发的更换盾尾刷情况时，不能立即开展尾刷更换工作，需要提前做好盾尾刷更换的预案，对于抢险及工期要求较高的工程不具实用性。而管片上直接打孔冻结止水可应对突发性事故，打孔形式灵活多样，可根据现场实际情况进行调整，主要问题为冻结孔可能对管片造成永久性损伤，且冻结帷幕的连续性和均匀性不能得到有效保证。
技术实现思路
解决的技术问题：为了克服现有技术的缺陷，获得一种能够快速高效地更换盾尾刷，无须另外打孔、封堵钻孔，且不影响管片耐久性，对盾构隧道结构稳定性无不利影响，本专利技术提供了盾构机尾部的冻结系统。技术方案：盾构机尾部的冻结系统，所述系统包括液氮管路和冻结管，液氮管路分为供氮干管和回路干管，分别与冻结管的液氮进口和液氮出口连通；液氮管路设于盾构壳体内，冻结管设于盾构壳体内侧或外侧，盾构壳体下侧设有盾尾刷。所述盾构壳体内埋设的液氮管路采用弧形中空绝热管。优选的，冻结管设于盾构壳体内侧或外侧，包括冻结作用面和绝热面，与盾构壳体之间通过绝热面相连。优选的，所述冻结管的截面为弧形、圆形或矩形。冻结管截面底边长度为50mm，高度为30mm。优选的，所述冻结管的截面为弧形，冻结管按环状分段分布，长度与分段间距根据盾构机直径大小选定。所述冻结管材质为Q345钢。以上所述盾构机的盾尾刷更换方法，包括以下步骤：a、停止盾构推进，确定更换盾尾刷；b、供氮设备进场，连接液氮进口和液氮出口，通过液氮分配器使液氮管路中液氮进行循环，使盾尾土体冻结，在盾尾刷后侧形成止水的冻结帷幕；c、全部盾尾刷更换完成后，利用冻结管作为解冻管路，进行强制解冻；d、当冻土帷幕失去对盾构壳体的围抱力，且根据测温孔测得温度推算得土体与盾构壳体接触处的温度处于0℃以上时，盾构继续推进。有益效果：(1)本专利技术所述盾构机尾部的冻结系统能够快速、高效地实现盾构机尾部土层的冻结，无需在管片上另外打孔、封堵钻孔，延长管片的耐久性；(2)本专利技术所述盾尾刷更换方法操作便捷，工期短，对盾构隧道稳定性无不利影响。附图说明图1是冻结管设于盾构壳体外侧结构示意图，其中a为液氮进口一侧示意图，b为液氮出口一侧示意图；图2是冻结管设于盾构壳体内侧结构示意图；图3是冻结管截面图，其中，a为弧形截面冻结管，b为圆形截面冻结管，c为矩形截面冻结管；图4是液氮管路截面示意图；图5是液氮管路与冻结管连接面示意图；图6是冻结管环状分段分布图；图7是盾尾内侧测温孔布置图；图8是盾尾外侧测温孔布置图；其中，1-盾构壳体，2-供氮干管，3-冻结管，4-盾尾刷，5-回路干管，6-液氮进口，7-液氮出口，8-绝热面，9-冻结作用面，10-管片，E1～E14-测温孔。具体实施方式以下实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。在不背离本专利技术精神和实质的情况下，对本专利技术方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本专利技术的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。实施例1如图1所示，盾构机尾部的冻结系统，所述系统包括液氮管路和冻结管3，液氮管路分为供氮干管2和回路干管5，分别与冻结管3的液氮进口6和液氮出口7连接。液氮管路设于盾构壳体1内，冻结管3设于盾构壳体1外侧，盾构壳体1下侧设有盾尾刷4。所述盾尾壳体1内埋设的液氮管路2采用弧形中空绝热管。如图1所示，冻结管3设于盾构壳体1外侧，包括冻结作用面9和绝热面8，与盾构壳体1之间通过绝热面8连接。如图3所示，所述冻结管3的截面为弧形，冻结管3截面底边长度为50mm，高度为30mm。如图4所示，所述液氮管路的截面为弧形。如图5所示，所述液氮进口6和液氮出口7分布于冻结管3的两侧。如图6所示，冻结管3按环状分段分布，长度与分段间距根据盾构机直径大小选定。所述冻结管材质为Q345钢。盾构机的盾尾刷更换方法，包括以下步骤：a、停止盾构推进，确定更换盾尾刷4；b、供氮设备进场，连接液氮进口6和液氮出口7，通过液氮分配器使液氮管路中液氮进行循环，使盾尾土体冻结，在盾尾刷4后侧形成止水的冻结帷幕；c、全部盾尾刷4更换完成后，利用冻结管3作为解冻管路，进行强制解冻；d、当冻土帷幕失去对盾构壳体1的围抱力，且根据测温孔测得温度推算得土体与盾构壳体1接触处的温度处于0℃以上时，盾构继续推进。实施例2采用实施例1所述的盾构机尾部的冻结系统及盾尾刷更换方法对以下工程进行盾尾刷更换：南京市某公路隧道工程主要穿越的地层为淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹粉砂、粉细砂层、粉细砂、砾砂、卵砾石、粉砂岩等，区间隧道沿线地质条件极其复杂，隧道底部土体为砾砂和卵石两个高承压含水层，在更换盾尾刷过程中风险较大，因此通过盾构尾部预埋冻结管装置进行冻结施工，其施工步骤如下：(1)停止盾构推进，确定更换盾尾刷4，供氮设备进场，连接液氮进口6和液氮出口7，通过液氮分配器使液氮管路中液氮进行循环。液氮储罐出口的温度控制在-190℃～-170℃，压力控制在0.05MPa～0.10MPa为宜，到达冻结管3进口温度控制在-170℃～-150℃，冻结管3出口温度控制在-60℃，压力控制在0.05MPa～0.1MPa为宜，可使用液氮储罐上的截止阀进行压力调节，用每组回路中散热板进行温度调节。由于液氮温度极低，管内外温度差较大，容易产生冷量的散失，因此须对管路内壁作隔热处理。回路干管不设保温，液氮气化后直接排放至隧道外大气中。(2)由于隧道底部土体为砾砂和卵石两个高承压含水层，为确保不同含水层冻结壁发展速度与厚度，共设4组8个测温孔，即E1～E8，监测冻结温度场，判断盾尾刷更换时机。其中E1、E2对应土体为粉质粘土层；E3、E4对应土体为粉细砂层；E5、E6对应土体为砾砂层；E7、E8对应土体为卵石层。盾尾外侧测温孔中布设6个测温点，即E9～E14，测点间距为300mm，孔深1.8m，盾尾内侧测温孔监测壳体温度，孔深0.64m；管片中两测温孔与冻结管3水平间距为500mm和800mm；具体孔位见图7和图8。测温孔采用底端密封的φ76×5无缝不锈钢管直接打入。(3)盾尾刷4更换冻结验收条件为：液氮冻结时间≥10天，液氮冻结效果达到设计要求；根据测温孔测温推测承压含水层范围冻结壁有效厚度达到设计要求1.8米，冻结壁有效冻土平均温度要达到-20℃及以下；测温孔温度达到0℃以下；施工应急预案完善，并具有可操作性；盾尾刷4更换之前，在盾构穿越的四个含水层内均打探测观察孔，无水流出。(4)确认三道盾尾本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.盾构机尾部的冻结系统，其特征在于，所述系统包括液氮管路和冻结管(3)，液氮管路分为供氮干管(2)和回路干管(5)，分别与冻结管(3)的液氮进口(6)和液氮出口(7)连通；液氮管路设于盾构壳体(1)内，冻结管(3)设于盾构壳体(1)内侧或外侧，盾构壳体(1)下侧设有盾尾刷(4)。

【技术特征摘要】
1.盾构机尾部的冻结系统，其特征在于，所述系统包括液氮管路和冻结管(3)，液氮管路分为供氮干管(2)和回路干管(5)，分别与冻结管(3)的液氮进口(6)和液氮出口(7)连通；液氮管路设于盾构壳体(1)内，冻结管(3)设于盾构壳体(1)内侧或外侧，盾构壳体(1)下侧设有盾尾刷(4)。2.根据权利要求1所述的盾构机尾部的冻结系统，其特征在于，冻结管(3)设于盾构壳体(1)外侧，包括冻结作用面(9)和绝热面(8)，与盾构壳体(1)之间通过绝热面(8)相连。3.根据权利要求1所述的盾构机尾部的冻结系统，其特征在于，所述冻结管(3)的截面为弧形、圆形或矩形。4.根据权利要求3所述的盾构机尾部的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨平，潘荣凯，张婷，何文龙，王帆，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32