[发明专利]一种盾构隧道端头垂直杯型冻结加固结构及方法

权利要求书

1.一种盾构隧道端头垂直杯型冻结加固结构，其特征在于：是在盾构隧道端头工作井外侧的土体内布设“口”字形数列垂直冻结管，同时通过端头工作井内在布设垂直冻结管的土体下部设置水平冻结管，通过在垂直冻结管和水平冻结管内循环冷媒介质，能够在盾构隧道端头工作井外侧的土体中形成垂直杯型冻结壁加固体。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道端头垂直杯型冻结加固结构，其特征在于：所述的垂直冻结管布设为一个“口”字型或两个“口”字型的布设形式。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道端头垂直杯型冻结加固结构，其特征在于：所述的水平冻结管插入土体的长度与垂直冻结管平面布设宽度相等，实施全长冻结。

4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道端头垂直杯型冻结加固结构，其特征在于：所述的垂直冻结管和水平冻结管的材质为无缝低碳钢管或PVC、PPR、ABS、PE塑料管，垂直冻结管和水平冻结管的截面为圆形或工字形或X形或T形或Y形截面。

5.一种盾构隧道端头垂直杯型冻结加固方法，其特征在于：其方法如下所述：

第一步、冻结设计：

(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，靠近工作井围护结构的垂直冻土墙厚度大于1.6m；

1)冻结帷幕物理参数：

冻土平均温度取-10℃，冻土强度指标进行室内试验测定；

2)加固体尺寸：

纵向长度：盾构主机长度+(2-3)B的止水厚度，其中B为管片宽度；

横向宽度：盾构隧道两侧3m；

深度：盾构隧道拱顶3m至拱底3m的深度方向长度内实施局部冻结，或者在地面至拱底3m的深度方向长度内实施全长冻结；

(2)冻结孔的布置：

冻结孔布置为1-3排，插花布置，孔间距为800mm，排间距为800mm，靠近工作井围护结构的垂直冻结孔距离槽壁边300-400mm；

(3)测温孔布置：

根据钻孔的偏斜情况对测温孔的位置进行调整，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；

第二步、制冷系统设计：

(1)参数选取：

1)垂直冻结管选用φ127×4.5mm无缝低碳钢管，水平冻结管选用φ108×8mm无缝低碳钢管；

2)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℃；

3)盐水比重1.26；

4)冻结管内盐水流量5m³/h；

5)冻结管散热能力：260Kcal/m².h；

6)冷量损失系数：1.2；

(2)需冷量计算：

冻结需冷量计算：Q＝1.2·π·d·H·K

式中:H—冻结总长度；

d—冻结管直径；

K—冻结管散热系数；

(3)冻结站设置、机组选型及数量：

冻结站选用W-YSLGF600Ⅱ型螺杆冷冻机两台，每台机组制冷量28×104Kcal/h，电机功率220kw；

(4)盐水系统：

1)盐水干管、集配液圈选型：φ159×5mm焊管加工制作；

2)氯化钙(80％晶体)总用量：15吨；

3)盐水泵选型：选用三台IS150-125-315型离心式水泵，流量200m³/h,电机30kw；

(5)清水系统：

1)清水管选型：φ133×4.5mm焊管加工制作；

2)选用8m³清水箱三个；

3)新鲜水补充量：30m³/h；

4)选用三台IS150-125-315型离心式水泵，流量200m3/h,电机30kw；

5)选用KST－80型冷却塔四台；

(6)冻结壁形成预测：

取冻结帷幕发展速度25mm/天，冻结管最大孔间距取800mm，则交圈时间为t1＝800/2/25＝16天，冻结壁交圈时间取20天，整个积极冻结时间宜取30天以上；

第三步、钻孔施工：

(1)钻孔设备选型：

选用XP-30B工程钻机两台，配特拉斯空压机GR200－20空压机一台，采用冲击钻进工艺，在钻好孔内采用下套管测斜，使用灯光测斜，必要时采用JDT-5型陀螺测斜仪测斜以保证钻孔垂直精度；

(2)钻孔技术要求：

钻进时，按深度及地层情况的需要，及时增减钻铤，要求作到均匀、匀速钻进，严禁忽快忽慢，压力忽大忽小，合理掌握转速、压力及冲洗量，加尺或更换钻头时，钻具应下到距孔底0.3～0.5m处扫孔，不准将钻具停在一个深度长期冲洗，停电时，将钻具提至安全深度，停电超过两小时，将钻具全部提出，对所有钻具应经常详细检查，弯钻杆和磨损过大的钻杆禁止使用，终孔时应复核钻具全长，并冲孔将岩粉排净，再下管；

冻结管进行地面配组，丈量全长，做好记录，下管时清除管内异物，保持清洁，试压封口后，及时将冻结管周围的空隙用土填实，防止泥浆串孔；

偏斜：冻结孔平均偏斜率不得大于5‰，冻结孔终孔间距不大于设计值，否则予以补孔，冻结深度满足设计要求，下管长度不小于设计冻结孔深度；

测斜：冻结孔施工过程中使用灯光经纬仪进行终孔和成孔测斜并及时绘制冻结孔偏斜平面图；

第四步、冻结施工：

(1)冻结施工主要设备：

冻结期间总用电负荷666kw，在考虑线路电压损失较大的情况下，整个冷冻站选用YC3×120+2×25低压橡套电缆三根，分别供两台冻结机组及相应配套设备；

(3)冻结站安装：

冻结站布置在一侧，两台机组并联安装，可相互备用；

(4)冷冻机组的安装：

1)就位与固定：

按照冻结站布置图，将冷冻机组就位后，用螺栓与基础进行固定，固定时用水平尺对机组进行找平，通过不断调整垫铁将机组调平，根据现场的管路布置，灵活调整冷凝器两头盖板，已达到优化管路布置的目的，将机组启动柜可靠布置在机组旁边，利于操作方便的位置，机组之间留下一定的空间，要对平时的操作维护带来方便；

2)管路连接：

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；

3)机组密封检测：

冷冻机组要保证机组的密封性能可靠，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；

4)机组加油：

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；

(5)清、盐水泵的安装：

检查水泵和电机，确保在运输和装卸过程中没有损伤，检查工具和起重机械，并检查机器的基础，安装泵的基础平面要水平，放置好后再检查一下整台机组的水平度，泵的吸入管路和吐出管路要有各自的支架，不允许管路重量直接由泵承受，泵轴与电机旋转方向应一致，泵的吸入口在距离盐水箱底20cm的位置，在清水泵的吸入口安装一道滤网，在盐水箱中间设置一道滤网；

(6)冷却塔的安装：

冷却塔安装过程中要注意防火，严禁在塔体及其邻近使用电焊或气割明火，也不允许在场人员吸烟，动用明火时，采取相应的安全措施，冷却塔基础要保持水平，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，塔体拼装时，螺栓对称紧固，不允许强行扭曲安装，拼装后不得漏水，冷却塔塔脚与基础固定牢固，冷却塔进、出水管及补充水管单独设置管道支架，避免将管道重量传递塔体，风机叶片妥善保管，防止变形，冷却塔安装完毕后，应清理管道、填料表面、集水盘的污垢及塔内遗物，并进行系统冲洗；

(7)冷冻机组调试：

在制冷系统调试前，做好系统内部的清洁和干燥工作；

1)制冷剂的充注：

现场安装后，如果发现制冷剂已经漏完或者不足，要找出泄漏点并排除泄漏现象，然后加入制冷剂，充注时，可直接从专用充液阀门充入；

2)调试：

在调试过程中，应特别注意以下几点：

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，要打开，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要符合机组技术要求；

3)运行

按照冷冻机操作规程要求，启动机组，正确使用制冷系统中安装的安全保护装置，如有损坏要及时更换；

4)异常监测

螺杆式制冷压缩机正常运行的标志为：

压缩机排气压力为0.8～1.5MPa(表压)；

压缩机排气温度为45～90℃；

压缩机的油温为40～55℃；

压缩机的油压为0.2～0.3MPa(表压)；

压缩机运行过程中声音应均匀、平稳，无异常声音；

机组的冷凝温度比冷却水温度高3～5℃；冷凝温度控制在40℃，冷凝器进水温度应在32℃以下；

机组的蒸发温度要比冷媒水的出水温度低3～4℃，冷媒水出水温度一般为5～7℃；

(8)相关制剂标准：

冻机油选用N46冷冻机油；

制冷剂选用氟立昂R-22；

冷媒剂选用氯化钙溶液；

第五步、破除槽壁：

破除槽壁必须具备如下条件：

冻土墙厚度≥1.6m；

冻土的平均温度≤-10℃；

盐水温度-28℃～-30℃；

盐水去回路温度差≤2℃；

探孔温度≤-2℃；

通过探孔观测，判断冻土墙的冻结效果，冻结30天后，槽壁破除前先在洞门上有分布的打数个探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况，探孔深度进入连续墙内10～15cm，然后采用测温仪进行量测，各探孔实测温度必须低于-2℃，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后再全部破壁；

第六步、冻结管的拔除：

(1)强制解冻：

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；

(2)盐水加热：

用一只3m³左右的盐水箱储存盐水，用六组20kw的电热丝进行加热盐水，温度控制在75±10℃；

(3)盐水循环：

利用盐水泵循环盐水，水泵型号为IS150-125-315，每个冻结孔的盐水循环流量控制在5－7m3/h；

(4)解冻测量：

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；

(5)冻结管起拔：

冻结管解冻后，用压缩空气将管内盐水排出，采用吊车进行试拔，拔起0.5m时，确保无异常后，快速拔出冻结管，拔管注意冻结管与挂钩要成一线，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；

第七步、冻胀与融沉控制：

冻胀是因土体冻结时水结冰而引起的土体膨胀，施工过程中采取如下措施控制冻胀和融沉：

(1)在冻结管拔出后，要及时地将冻结孔洞用黄砂充填密实；

(2)在冻土体的融化阶段，可利用隧道管片的注浆孔向冻结加固区进行注浆压密加固冻融土体，因冻土体的自然融化过程缓慢，采取小压力、多注次的方式进行注浆，注浆压力为0.2～0.5MPa，浆液选用单液水泥浆；

(3)为了预防冻胀和融沉,设计选用标准制冷量较大的冷冻机组,在短时间内把盐水温度降到设计值,以加快冻土发展,提高冻土强度,减少冻胀和融沉量；

(4)掌握和调整盐水温度和盐水流量,必要时可采取间歇式冻结,控制冻土发展量，以减少冻胀和融沉。