一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法，以開洞口圓心為中心，在直徑為12.3m的圓周上，以間距0.76m布置凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管，作為外圈管；以開洞口圓心為中心，在直徑分別為9.9m、7.5m、5.1m的圓周上，分別以間距1.11m、1.12m、1.14m布置凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管，作為中圈管；以開洞口圓心為中心，在直徑為2.7m的圓周上，以間距1.21m布置凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管，作為內(nèi)圈管；在開洞口圓心布置一個(gè)凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管作為中心管。本發(fā)明的有益效果是能夠?qū)χ睆綖?1.64m的大直徑盾構(gòu)隧道端頭加固采用水平凍結(jié)工法。
【專利說明】一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于隧道挖掘【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]城市地鐵施工最大的特點(diǎn)就是受周邊建筑物、管線影響較大。在很多工程中經(jīng)常發(fā)生受地面環(huán)境限制無法保證從地面進(jìn)行土體加固的情況。在這種常規(guī)施工工藝無法展開的特殊情況下，需要采用特殊施工工藝解決盾構(gòu)進(jìn)出洞的土體加固問題。通常采用人工凍結(jié)技術(shù)進(jìn)行土體凍結(jié)加固。
[0003]凍結(jié)法是采用人工制冷術(shù)，將低溫冷媒劑送入地層(巖土體)，將地層中的水凍結(jié)成冰，形成粘聚力大、強(qiáng)度高、壓縮性低和隔水性好的凍土體。
[0004]凍結(jié)法在盾構(gòu)進(jìn)出洞加固應(yīng)用有以下特點(diǎn):①可有效隔絕地下水，其抗?jié)B透性能是其它加固方法不能相比的凍土帷幕的形狀和強(qiáng)度可視施工現(xiàn)場條件、地質(zhì)條件靈活布置，可采用地面垂直布置凍結(jié)孔封凍的方法，也可采用工作井內(nèi)水平布置凍結(jié)孔封凍的方法；③凍結(jié)施工對其它工序施工影響小，能有效縮短施工工期凍結(jié)法施工工程造價(jià)相對較高。
[0005]凍結(jié)法在盾構(gòu)進(jìn)出洞加固中的應(yīng)用過程為:在盾構(gòu)進(jìn)出洞方向沿工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)或工作井內(nèi)布置凍結(jié)孔，并在凍結(jié)孔中循環(huán)低溫冷媒劑，使凍結(jié)孔附近的含水地層結(jié)冰形成凍土墻，并在凍土墻的保護(hù)下打開工作井洞門結(jié)構(gòu)并通過盾構(gòu)機(jī)。
[0006]凍結(jié)法在盾構(gòu)進(jìn)出洞加固應(yīng)用主要有水平凍結(jié)法、垂直凍結(jié)法等。根據(jù)現(xiàn)場條件不同選擇使用。
[0007]①水平凍結(jié)法:水平凍結(jié)法是采用水平圓筒體凍結(jié)加固方式，即在盾構(gòu)進(jìn)洞的工作井內(nèi)，在洞口的周圍布置一定數(shù)量的水平凍結(jié)孔，經(jīng)凍結(jié)后，在洞內(nèi)形成封閉的凍土帷幕，起到盾構(gòu)破壁時(shí)抵御水土壓力、防止土層塌落、地表沉降和泥水涌入工作井內(nèi)的作用。洞口凍結(jié)孔一般布置成圓形，采用水平鉆孔機(jī)施工。
[0008]②垂直凍結(jié)法:垂直凍結(jié)法是應(yīng)用板狀凍結(jié)加固理論設(shè)計(jì)的，即對盾構(gòu)進(jìn)洞口上部的土體布置一定數(shù)量的垂直凍結(jié)孔，經(jīng)凍結(jié)后，在洞門處形成板狀凍土帷幕來抵御盾構(gòu)進(jìn)洞破壁時(shí)的水土壓力，防止土層塌落和泥水涌入工作井內(nèi)。
[0009]凍結(jié)法使用的冷媒劑有鹽水、液氮兩種。鹽水凍結(jié)適合一般凍結(jié)施工，鹽水溫度相對較高(-10?-20°c )，完全封凍時(shí)間較長，從打孔、凍結(jié)、洞門鑿除拔管總工期約需60?70天；液氮凍結(jié)適合快速封凍，液氮凍結(jié)溫度極低，完全凍結(jié)時(shí)間短，從打孔、凍結(jié)、洞門鑿除、拔管總工期時(shí)間15?20天。
[0010]當(dāng)受地面環(huán)境限制無法進(jìn)行攪拌樁和旋噴樁施工，或在化學(xué)加固后探孔時(shí)發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重漏水漏砂現(xiàn)象，或者是端頭地層為富含水承壓層(特別是含水砂層)時(shí)，為提高盾構(gòu)隧道端頭土體強(qiáng)度和充分止水，保證盾構(gòu)進(jìn)出洞安全，可采用在“工作井內(nèi)鉆孔，水平凍結(jié)”的加固方案，通常采用杯型水平凍結(jié)工法進(jìn)行盾構(gòu)隧道端頭土體加固。當(dāng)采用杯型水平凍結(jié)工法作為端頭地層加固方式時(shí)，確定杯型水平凍結(jié)孔的布設(shè)方法是需要解決的技術(shù)問題。
[0011]絕大多數(shù)的杯型水平凍結(jié)工法是基于盾構(gòu)直徑為6.34m而展開的，已經(jīng)有許多與之對應(yīng)的杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方案。但是，在大直徑和超大直徑盾構(gòu)隧道端頭加固工法方面，一般采用多種加固工法，凍結(jié)法加固主要起止水作用，常采用垂直凍結(jié)的形式，而采用水平凍結(jié)工法不能很好的解決水平凍結(jié)孔的布設(shè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法，解決了目前大直徑和超大直徑盾構(gòu)隧道端頭加固采用水平凍結(jié)工法不能很好的解決水平凍結(jié)孔的布設(shè)問題。
[0013]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法，其特征在于:以開洞口圓心為中心，在直徑為12.3m的圓周上，以間距0.76m布置凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管，作為外圈管；
[0014]以開洞口圓心為中心，在直徑分別為9.9m、7.5m、5.1m的圓周上，分別以間距
1.1lmU.12m、l.14m布置凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管，作為中圈管；
[0015]以開洞口圓心為中心，在直徑為2.7m的圓周上，以間距1.21m布置凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管，作為內(nèi)圈管；
[0016]在開洞口圓心布置一個(gè)凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管作為中心管。
[0017]進(jìn)一步,所述洞口直徑為11.64m，為大直徑盾構(gòu)主機(jī)截面。
[0018]進(jìn)一步，所述外圈管，其長度(杯身長度)宜為盾構(gòu)主機(jī)長度加2至3倍管片寬度。
[0019]進(jìn)一步，所述中圈管、內(nèi)圈管和中心管的長度均為2m。
[0020]進(jìn)一步,所述凍結(jié)管直徑為48mm,厚度3.5mm。
[0021]本發(fā)明的有益效果是能夠?qū)χ睆綖?1.64m的大直徑盾構(gòu)隧道端頭加固采用水平凍結(jié)工法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法隧道凍結(jié)孔布置不意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明凍結(jié)孔布置截面示意圖；
[0024]圖3是本發(fā)明凍結(jié)施工流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026]本發(fā)明是一種開挖直徑為11.64m的大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔的布設(shè)方法。本布設(shè)方法設(shè)計(jì)凍結(jié)孔按水平角度布置，凍結(jié)孔數(shù)可達(dá)122個(gè)。如圖1和圖2所示，杯身凍結(jié)孔沿開洞口 Φ 12.3m圓形布置，開孔間距為0.76m(弧長)，凍結(jié)孔數(shù)可達(dá)51個(gè)，稱這圈凍結(jié)管為外圈管，其長度(杯身長度)宜為盾構(gòu)主機(jī)長度+(2-3)倍管片寬度。杯底凍結(jié)孔沿開洞口 Φ9.9m、Φ7.5m、Φ5.1ι?、Φ2.7m圓形布置，開孔間距分別為1.1lmU.12m、
1.14m和1.21m(弧長)。其中沿開洞口 Φ9.9m、Φ7.5m和Φ5.1m圓形布置的凍結(jié)管稱之為中圈管(共63個(gè))，沿開洞口 Φ2.7m圓形布置的凍結(jié)管稱之為內(nèi)圈管(共7個(gè))。開洞口中心布設(shè)I個(gè)凍結(jié)孔，稱之為中心管。杯底凍結(jié)管由中圈管、內(nèi)圈管和中心管組成，其長度為保證杯底厚度達(dá)到2m?？蛇x用Φ 127 X 5mm20#低碳鋼無縫鋼管作為凍結(jié)管,采用外管箍焊接連接，供液管采用Φ48ι?πιΧ3.5mm鋼管。凍結(jié)孔布置如圖1所示。
[0027]如圖3所示，開挖直徑為11.64m的大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔的布設(shè)方法，其施工方案如下:
[0028](I)凍結(jié)施工主要技術(shù)參數(shù):
[0029]①凍土帷幕:杯身厚度為1.5m，杯底厚度為2m，杯身長度為盾構(gòu)主機(jī)長度+ (2_3)
倍管片寬度。
[0030]②孔數(shù):水平凍結(jié)孔122個(gè)。
[0031]③凍結(jié)孔深度:杯身凍結(jié)孔深度為盾構(gòu)主機(jī)長度+(2-3)倍管片寬度；杯底凍結(jié)孔深度為保證杯底厚度達(dá)到2m。
[0032]④鹽水溫度:-28?-30°C ;蒸發(fā)溫度:-33?-35 °C ;凍結(jié)區(qū)原始地層溫度:彡 +22。。。
[0033]⑤冷卻水溫度:+23°C ;冷凝溫度:+35°C。
[0034]⑥冷量損失系數(shù):1.2。
[0035]⑦總需冷量:Q= k..d.H.η.q。
[0036]式中:k------凍結(jié)站冷量損失系數(shù)，取1.2 ;
[0037]d------凍結(jié)管外直徑,米；
[0038]H------凍結(jié)深度,米；
[0039]η------凍結(jié)孔數(shù)量,個(gè)；
[0040]q------凍結(jié)管散熱系數(shù)或單位熱度量，取300千卡/米2.時(shí)；
[0041]根據(jù)全站工況制冷量選擇制冷設(shè)備，在冷卻水進(jìn)水溫度+24 °C，鹽水出水溫度_30°C，冷凝溫度+35°C，蒸發(fā)溫度_35°C工況條件下的單機(jī)工況制冷量為203KW(17.4萬大卡/小時(shí))。
[0042](2)凍結(jié)施工的施工工藝及流程:
[0043]凍結(jié)施工是在盾構(gòu)掘進(jìn)前，用人工制冷的方法，將盾構(gòu)隧道端頭區(qū)域內(nèi)的含水地層凍結(jié)成一個(gè)封閉不透水帷幕，用于抵抗地壓、水壓，隔絕地下水，保證始發(fā)的安全。
[0044]首先進(jìn)行凍結(jié)孔的鉆孔施工，同時(shí)進(jìn)行凍結(jié)站的安裝施工。凍結(jié)孔施工完畢后，進(jìn)行凍結(jié)孔串聯(lián)管路及保溫工作。然后進(jìn)行積極凍結(jié)，最后通過檢測，具備進(jìn)出洞條件后盾構(gòu)開始掘進(jìn)，整個(gè)施工流程如圖3所示。
[0045](3)凍結(jié)施工控制要點(diǎn)
[0046]凍結(jié)施工控制要點(diǎn)如下:
[0047]I)破壁時(shí)凍土墻與槽壁要膠結(jié)，保證其可靠的封水性，破壁后杯型凍土壁的強(qiáng)度及厚度應(yīng)滿足盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)的安全性；
[0048]2)為避免凍脹使地面產(chǎn)生隆起，要適當(dāng)調(diào)整凍結(jié)孔的供冷方式及凍結(jié)速度，減少凍脹危害；
[0049]3)盡量縮短盾構(gòu)進(jìn)出洞前的凍結(jié)時(shí)間，在選擇大直徑凍結(jié)管的同時(shí)，應(yīng)保證凍結(jié)孔的水平度；
[0050]4)選擇能力較大的水平鉆機(jī)，進(jìn)行凍結(jié)孔施工，以保證鉆孔施工進(jìn)度和質(zhì)量；
[0051]5)凍結(jié)管是否安全順利拔除，是影響盾構(gòu)順利推進(jìn)的關(guān)鍵，應(yīng)制定出切實(shí)可行的措施，保證隧道區(qū)域內(nèi)的凍結(jié)管完全拔除；
[0052]6)加強(qiáng)和密切配合各項(xiàng)檢測工作，及時(shí)掌握和分析檢測資料，以便指導(dǎo)施工。
[0053]本發(fā)明是一種開挖直徑為11.64m的大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔的布設(shè)方法。本布設(shè)方法設(shè)計(jì)凍結(jié)孔按水平角度布置，凍結(jié)孔數(shù)122個(gè)。設(shè)置I圈外圈管，3圈中圈管，I圈內(nèi)圈管，一個(gè)中心管。杯身凍結(jié)管由外圈管組成，其凍結(jié)孔長度為盾構(gòu)主機(jī)長度+ (2-3)倍管片寬度；杯底凍結(jié)管由中圈管、內(nèi)圈管和中心管組成，其凍結(jié)孔長度為保證杯底厚度達(dá)到2m。可選用Φ 127 X 5_20#低碳鋼無縫鋼管作為凍結(jié)管，采用外管箍焊接連接，供液管采用Φ48ι?πιΧ3.5mm鋼管。本工法的優(yōu)點(diǎn)在于保證開挖直徑為11.64m的大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型凍土壁的形成，使其滿足強(qiáng)度、防滲的要求，使大直徑盾構(gòu)機(jī)能夠順利進(jìn)出洞。
[0054]以上所述僅是對本發(fā)明的較佳實(shí)施方式而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法，其特征在于:以開洞口圓心為中心，在直徑為12.3m的圓周上，以間距0.76m布置凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管，作為外圈管; 以開洞口圓心為中心，在直徑分別為9.9m,7.5m,5.1m的圓周上，分別以間距1.11m、1.12m、l.14m布置凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管，作為中圈管； 以開洞口圓心為中心，在直徑為2.7m的圓周上，以間距1.21m布置凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管，作為內(nèi)圈管； 在開洞口圓心布置一個(gè)凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔中插凍結(jié)管作為中心管。
2.按照權(quán)利要求1所述一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法，其特征在于:所述洞口直徑為11.64m，為大直徑盾構(gòu)主機(jī)截面。
3.按照權(quán)利要求2所述一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法，其特征在于:所述外圈管，其長度(杯身長度)宜為盾構(gòu)主機(jī)長度加上2至3倍管片寬度。
4.按照權(quán)利要求1所述一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法，其特征在于:所述中圈管、內(nèi)圈管和中心管的長度均為2m。
5.按照權(quán)利要求1所述一種大直徑盾構(gòu)隧道端頭杯型水平凍結(jié)孔布設(shè)方法，其特征在于:所述凍結(jié)管直徑為48mm,厚度3.5mm的20#低碳鋼無縫鋼管。
【文檔編號】E21D9/00GK104405400SQ201410524856
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月8日
【發(fā)明者】胡俊, 曾暉, 佳琳 申請人:海南大學(xué)