【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于建筑，尤其涉及强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法及系统。
技术介绍
1、强蚀变岩是我国西北地区重要的一种岩石构成，强蚀变岩一般承载力薄弱，稳定性极差，岩体较为破碎，无论是超前小导管还是锚杆等常规支护方法均无法达到良好支护效果，且成孔率低、塌孔率高。另外，由于蚀变带含水率较高，在普通导管注浆支护过程中，浆液中的水会增加蚀变带的含水率，导致整个蚀变带承载力下降，从而引起塌方。此外，强蚀变岩形成过程复杂，其周围大多有地下径流，地下水地带，开挖过程中容易造成地下涌水现象，对工程施工带来影响，因此在隧洞施工过程中，强蚀变岩等不良地质会大大降低施工效率，给施工工期的实现带来较大的困难，所以，针对蚀变岩这类不良地质，需要选择合适的开挖方式和支护方式来保证施工的质量和工期。
2、强蚀变岩存在的环境大多为高地应力、高地温的深埋岩层，由于此类岩层地应力高，所以施工作业过程中地应力带来的大变形作用十分明显，且地应力释放往往瞬时发生，如果支护质量不足或支护时机不对，会对施工安全造成极大隐患，初期支护强度质量达不到围岩地应力释放要求，会造成支护大变形乃至初期支护完全失效，如果支护时机过早，地应力得不到充分释放，会对后期衬砌造成永久性损伤。
3、人工地层冻结技术在隧道中的作用是利用低温冷媒，把隧道周围冻结加固成冻结壁的形式，形成类冻土环境，使隧道周围富水环境冻结加固，提高隧道周围岩体或者土体的承载力和稳定性，同时，形成的冻结帷幕还能隔绝地下径流和地下水，将极大减少地下涌水对施工的困扰。
4、
5、现有技术：传统地下冻结法
6、1)应用场景：通常用于地下建设工程，如隧道、矿井和地铁施工，尤其在水文地质条件复杂或不稳定的区域。
7、2)技术原理：通过在地下注入制冷剂(如液氮或盐水溶液)，冻结周围的土壤和水分，从而临时增强围岩的稳定性。
8、3)主要优势：提供了一种在不稳定或水富含环境中进行施工的可行方法，能有效防止水和泥沙的渗入。
9、现有技术存在的技术问题：
10、1)环境影响：地下冻结法会对周围环境产生负面影响，特别是对地下水流的改变和生态系统的干扰。
11、2)能耗高：这种方法通常需要大量的能源来维持土壤冻结状态，尤其是在大规模施工项目中。
12、3)施工复杂性：正确地实施冻结法需要精确的计算和监控，包括冻结区域的大小和温度的控制，这增加了施工的复杂性。
13、4)冻融循环问题：在冻结和随后的融化过程中，土壤的物理性质发生变化，这导致围岩结构稳定性的长期问题。
14、5)成本问题：与其他传统的隧道支护方法相比，地下冻结法通常成本较高，特别是在长期项目中。
15、6)施工时间延长：为了建立和维持冻结环境，需要额外的时间，这导致整体施工时间的延长。
16、虽然传统地下冻结法提供了一种在特殊地质条件下进行隧道施工的有效手段，但它也带来了环境影响、高能耗、施工复杂性、冻融循环问题和成本等技术挑战。相比之下，本申请的使用人工冻结法的隧道组合支护方法在某些方面进行了改进，以解决现有技术中存在的一些问题。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法及系统。
2、本专利技术是这样实现的，一种强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护系统，包括：
3、冻结系统，包括多个布置于隧道周围围岩中的冻结管，以及连接至冻结管且用于循环冷媒的冻结循环设备，用于形成围岩中的止水冻结帷幕；
4、注浆系统，设有注浆管道，用于在冻结帷幕外侧的围岩中注入加固材料，形成加固层；
5、钢拱架结构，包括在隧道内侧设置的钢拱架以及用于固定钢拱架的锚固装置，钢拱架外侧铺设有用于喷浆作业的钢筋网；
6、超前小导管系统，包括设置在钢拱架前方的小导管，用于地质、未开挖岩体预处理操作；
7、中空注浆锚杆，设置于围岩中，用于进一步加固围岩并提供外部围岩注浆与锚固作用；
8、防水减震装置，包括在隧道顶部弧形导坑及侧面围岩二次衬砌外侧铺设的高密度闭孔橡胶海绵板；
9、冻结-注浆孔，布置于围岩和隧道底部，用于围岩和底部台阶的冻结与注浆处理。
10、进一步，钢拱架上具有用于安装其他设施或进行检测的开孔；
11、冻结管具有管头、内壁和内管头导水板，用于有效地进行冷媒循环，以保持围岩的冻结状态；
12、冻结循环设备，用于控制冷媒的循环，以便维持围岩的冻结状态；
13、土体管理模块，用于控制隧道开挖过程中待开挖土体、弧形导坑核心土和台阶核心土的移除；
14、以确保施工过程的安全性和最终形成的隧道结构符合设计要求，其中，所述系统的各个部分协同作业，提高施工过程的效率并确保最终结构的稳定性和安全性。
15、本专利技术还提供了一种隧道组合支护方法，包括以下步骤：
16、在隧道开挖区域的围岩(5)中实施冻结操作，通过设置冻结管(16)并通过冻结管内部循环冷媒以形成近层围岩止水冻结帷幕(6)；
17、在所述冻结帷幕外侧进一步对围岩实施注浆加固，形成外围围岩注浆层(7)；
18、在开挖区域上部和下部台阶位置分别保留核心土(上部弧形导坑核心土8-1；下部台阶核心土,8-2)，并在上部弧形导坑顶部安装弧形导坑二次衬砌(2)；
19、在所述弧形导坑二次衬砌(2)外侧铺设高密度闭孔橡胶海绵板(3)以实现防水和减震功能；
20、在隧道开挖区域内侧设置钢拱架(17)并与钢筋网结合，在其外侧喷浆以形成钢拱架钢筋网喷浆面(4)；
21、在钢拱架(17)前方使用超前小导管(14)进行地质、未开挖岩体预处理，并通过超前小导管开孔(15)实施注浆或其他目的的预处理；
22、在围岩(5)中安装中空注浆锚杆(11)，并在锚杆末端安装锚杆端头保护罩(12)以保护锚杆端头(13)；
23、通过围岩冻结-注浆孔(10-1)和下部台阶冻结-注浆孔(10-2)实施两侧围岩和下部台阶的冻结与注浆处理。
24、其中，所述步骤形成的支护结构能够在隧道开挖过程中提供稳定性，并在隧道运行期间提供长期稳定的支护。
25、其中所述隧道组合支护方法进一步包括：
26、在钢拱架(17)上设置开孔(17-1)，以便安装其他设施或进行检测；
27、利用冻结管管头(16-1)、冻结管内壁(16-2)和冻结管内管头导水板(16-3)的配置进行有效的冻结循环，以确保冻结帷幕(6)在所需区域内形成有效的止水屏障；
28、使用冻结冷媒循环设备(1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的隧道支护系统，其特征在于，
3.一种基于权利要求1所述的隧道支护系统的强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，在隧道开挖区域的围岩中实施冻结操作，通过设置冻结管并通过冻结管内部循环冷媒以形成近层围岩止水冻结帷幕；
4.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，所述隧道组合支护方法进一步包括：
5.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，具体步骤还包括：
6.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，待冻结工作完成并验收合格后，抽出冻结管以便下次循环使用；超前导管开始注浆施工，注浆时需注意顺序由下到上依次进行，合理控制注浆压力，根据设计要求，因为提前使用人工冻结法的缘故，注浆环境为较低温环境，需提前对浆液进行相关低温固结实验，低温承载力实验，合理调整水灰比，以此保证注浆衬砌效果以及注
7.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，在超前导管注浆完毕并相关验收工作完成合格后，对钢拱架-纵向连接筋-超前导管组合支护系统进行复喷工作，喷射混凝土采用湿喷工艺，混凝土应充分搅拌，喷射作业也应自下而上进行，合理控制作业区段，不应太长；喷射混凝土时采用分层喷射，后一层喷射应该在前一层混凝土终凝后进行；复喷工作完成后，待混凝土终凝后，需用喷雾养护，时间不小于七天，喷射完成后需人工检查混凝土外观情况，外观均匀密实，表面平顺光亮，没有塌落出现，可以用锤子敲击检查；自此，隧道顶部弧形导坑开挖组合支护初步完工。
8.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，底部冻结-注浆组合支护工序与所述隧道顶部弧形导坑开挖基本一致，下台阶马口落底长度不得大于两榀上部钢拱架的长度，上部钢拱架拱脚长度应低于上部台阶断面底线，初喷混凝土待混凝土终凝后及时钻孔，按照上台阶初期支护方式安装注浆锚杆，依次钻孔-安装冻结管进行冻结-安装注浆锚杆-注浆-撤出冻结管解冻-观察围岩变形进行针对性支护加固-冻结孔填浆；需注意，这时由于中部核心土还未开挖，施工岩体空间呈现“山”字形特点，因此进行围岩人工冻结时，可分左右，先后冻结核心土两边的侧面围岩，但是根据工况不同，如果周围强蚀变岩极不稳定，或者围岩两侧地下水分布极不平均，利用人工冻结法冻结一侧围岩时，会因为低温导致一侧富水多的围岩地下水冻结膨胀，导致整个隧道周围围岩扰动过大，产生大量不良应力，影响整个隧道围岩稳定性进而影响正整个隧道的安全；因此如果隧道围岩周围地下水分布不平均或是围岩力学性质差异很大，尽量在隧道两侧同时冻结，保证围岩稳定性；注浆完成后待浆体终凝并验收合格后，布设钢架，钢筋网及喷射混凝土，钢拱架，钢筋网支护应一次落底并尽快封闭成环；待喷射的混凝土终凝之后进行质量验收；此时，该掌子面的围岩初期支护部分已经全部结束，进入下一个掌子面支护施工并循环重复以上步骤。
9.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，围岩防水施工进行前应初步检查围岩第一次衬砌混凝土基面的平整度，混凝土应密实，曲线光滑并圆顺；检查合格后，初期支护上吊挂无纺布，再利用无纺布上设置的粘结点把防水板固定到无纺布上；无纺布由拱顶向两侧布设，可用直径80mm的塑料垫圈压在无纺布上，射钉锚固，锚固点用梅花形，垫圈间距：上部弧形导坑0.5m，边墙为1m，土工布搭接需5cm，无纺布上要有垫圈，具体垫圈数量由设计要求规定铺设，防水板的厚度，层数根据设计要求铺设，需注意三层以上防水板的搭接形式必须是T形接头，防水板-无纺布铺设完成后，要用充气法检查防水板铺设质量。
10.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，待所有防水板铺设完成后，在防水板上层可以再铺装3-6cm高密度闭孔橡塑海绵板，目的是：巩固防水板的防水效能，二是在高地应力围岩工况下，初期支护后围岩变形还在继续，海绵板能有效缓冲二次衬砌完成后，围岩变形对二衬的破坏；
...【技术特征摘要】
1.一种强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的隧道支护系统，其特征在于，
3.一种基于权利要求1所述的隧道支护系统的强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，在隧道开挖区域的围岩中实施冻结操作，通过设置冻结管并通过冻结管内部循环冷媒以形成近层围岩止水冻结帷幕；
4.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，所述隧道组合支护方法进一步包括：
5.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，具体步骤还包括：
6.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，待冻结工作完成并验收合格后，抽出冻结管以便下次循环使用；超前导管开始注浆施工，注浆时需注意顺序由下到上依次进行，合理控制注浆压力，根据设计要求，因为提前使用人工冻结法的缘故，注浆环境为较低温环境，需提前对浆液进行相关低温固结实验，低温承载力实验，合理调整水灰比，以此保证注浆衬砌效果以及注浆过程安全，避免出现浆液不凝固就继续开挖的情况；深层围岩注浆完成后，待冻结区解冻时就可进行适当浅层围岩注浆，直至冻结区完全解冻，浅层围岩注浆工作也即完成。
7.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，在超前导管注浆完毕并相关验收工作完成合格后，对钢拱架-纵向连接筋-超前导管组合支护系统进行复喷工作，喷射混凝土采用湿喷工艺，混凝土应充分搅拌，喷射作业也应自下而上进行，合理控制作业区段，不应太长；喷射混凝土时采用分层喷射，后一层喷射应该在前一层混凝土终凝后进行；复喷工作完成后，待混凝土终凝后，需用喷雾养护，时间不小于七天，喷射完成后需人工检查混凝土外观情况，外观均匀密实，表面平顺光亮，没有塌落出现，可以用锤子敲击检查；自此，隧道顶部弧形导坑开挖组合支护初步完工。
8.如权利要求3所述强蚀变富水岩工况下利用人工冻结法的隧道组合支护方法，其特征在于，底部冻结-注浆组合支护工序与所述隧道顶部弧形导坑开挖基本一致，下台阶马口落底长度不得大...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘星炎，王宁，刘恩龙，田健秋，郑青松，李清林，程建军，潘乾通，何亚坤，汪伟，段涛，白渝祥，
申请(专利权)人：石河子大学，
类型：发明
国别省市：
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