CN101418567A - 一种对隧道管片进行保护性切割的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种对隧道管片进行保护性切割的施工方法，属于建筑工程领域，本发明所解决的技术问题是克服常规的施工方法切割隧道管片时对相临近隧道管片破坏的缺点，该技术方案为：首先在拟冻结的区域隧道上部打设充填孔对冻结区域隧道进行充填，然后在冻结区域打设一定数量的钻孔，孔内安装冻结管，通过冻结管输送进低温盐水进行热交换，使温度降低，形成冻结圆柱；随着冻结效果的延续，冻结圆柱不断扩大而形成冻结壁；冻结壁旁侧施工热盐水循环孔，控制冻结范围向切割区域发展，再采用专用设备对切割区域隧道管片进行切割。本发明切割隧道管片时对相邻管片影响小，可广泛用于深层地下障碍物清理、既有隧道特殊工况下的改造、修筑等工程施工。

Description

一种对隧道管片进行保护性切割的施工方法

技术领域

本发明涉及的是一种对地下障碍物清理的施工方法，特别是在不破坏相邻隧道管片的前提下，使用相应技术手段处理临近隧道管片和切割区域隧道管片，然后对隧道进行保护性切割的施工方法，属于建筑工程领域。

背景技术

随着中国城市化进程的加速发展，迎来了规模空前的城市基本建设，难以避免地牵涉到对包括隧道管片在内的地下深层障碍物切割清理问题。国内外目前采用的清理此类深层障碍物的方法有摇滚机法和全回转钻机法。两种清障方法原理基本相同，即在下压力和扭矩的共同作用下驱动套管转动，利用管口的高强刀头对土体、岩层及钢筋混凝土等障碍物的切削作用，将套管钻入地下；在钻进过程中，可以利用重锤破碎障碍物，并用冲抓斗将套管内的杂物取出。上述两种方法无法对切割区域以外结构进行保护，容易在切割时对周边一定产生影响，容易导致周边结构产生破坏。

发明内容

本发明提供了一种对隧道管片进行保护性切割的施工方法，克服了常规施工方法切割隧道管片时对相临近隧道管片扯动破坏的缺点，避免了隧道与外界水力联系在切割时产生破坏的情况。该方法为一种先施工垂直冰冻墙以隔绝切割区域隧道和保护区域隧道，而后采用全回转钻机对隧道切割的方法，是冻结法的一种延伸应用，具有一定的应用价值。

冻结法是利用人工制冷技术临时改变岩土性质以固结地层的施工工艺。其原理是利用人工制冷的方法，将低温冷媒送入地层，由冷媒通过进回管路与地层相连，利用冻结管与地层进行热交换，将地层中的热量带走由此使冻结管周围地层由近向远不断降温，逐渐使地层中的水变成冰，把原来松散或有孔隙的地层通过冰胶结在一起，形成不透水的冻土柱。若干个这样的冻结管排列起来，通过冻结管内冷媒不断循环，冻土柱半径不断扩展，相邻冻土柱相连，彼此通过冰紧密结合在一起形成冻土墙以便进行开挖或者支护的一种特殊地层加固方法。

上述施工工艺首先由德国用于煤矿凿井施工，从而形成一种新的地层加固技术。该技术最初于1883年由德国工程师波茨舒(F.H.Poetech)发明并用于阿尔巴里煤矿凿井施工当中，之后该项技术传播到世界上许多国家。苏联从1928年开始使用冻结法，至今采用冻结法凿井数目超过400个。成为当今世界采用冻结法凿井规模最大的国家之一。冻结深度是冻结法凿井施工技术高低的标志。

冻结法于上世界50年代中期被引入到国内，于1955年首次在开滦林西风井工程中开始使用冻结法凿井，后得到逐步推广，但使用领域局限于凿井工程中。对现有文献资料检索表明：刘艳滨撰写的论文《地铁盾构隧道旁通道冻结法施工技术》收录于期刊《铁道隧道技术》2004年第3期，主要介绍了冻结法应用于地铁盾构隧道旁通道施工中的基本原理、概念、设计及施工工艺。通过检索，使用冻结法在隧道切割清理方面的应用还没有相关介绍。

本发明解决其问题所采取的技术方案如下：

一种对隧道管片进行保护性切割的施工方法，首先在拟冻结的区域隧道上部打设充填孔对冻结区域隧道进行充填，然后在冻结区域打设一定数量的钻孔，孔内安装带有底锥及隔板的冻结管，通过冻结管输送进低温盐水进行热交换，吸收冻结管周围土体的热量，使温度降低以至冻结形成冻结圆柱。随着冻结效果的延续，各冻结孔周围的冻结圆柱不断扩大而形成不透水的且能抵抗外界水土压力的冻结壁，对保护区域隧道管片进行隔离。冻结壁近切割区域旁侧施工热盐水循环孔，必要时进行热盐水循环，控制冻结范围向切割区域发展，再采用专用设备对切割区域隧道管片进行切割。

该施工方法中的冻结设备体系包括有冷冻机组，冷却塔，盐水箱，盐水泵，冻结管等；去、回路盐水干管将冻机组、冷却塔，盐水箱、盐水泵、冻结管连接成一个循环体系；安转在盐水干管上的干管阀门，压力表、去路盐水测温仪、回路盐水测温仪用于监测和控制盐水干管中盐水温度、压力及流量，高压胶管将干管和冻结管连接，高压胶管上安转支路阀门；冻结管通过隔板的位置确定冻结区域，盐水通过供液管进入冻结管底部，再通过回液管流出冻结管，盐水水位观测器安转于盐水箱上，用于监测整个盐水循环有无盐水泄漏，清水去路管、清水回路管使得清水带走冷冻机组中的热量，再通过冷却塔散发至空气中。

其具体工艺操作步骤为：

1)隧道充填：构筑构筑若干由地面通入隧道内部的充填孔，利用充填孔进行隧道内部灌沙，然后对隧道内进行先外围后内部的注浆。

2)冻结孔(包括热盐水循环孔)施工：钻孔机垂直成孔后，冻结管经准确配管后下放至预定深度，经压力测试冻结管满足密封性要求。钻孔过程中实时观测钻杆偏斜情况及时纠偏，偏斜率不大于0.7％，偏斜值不大于300mm，钻进过程中采用膨润土造浆循环钻进，泥浆比重≥1.2，粘度≥20s，含砂量<2％，土层中钻进时采用三翼刮刀钻头，钻孔至管片时，应提管更换金刚石取芯钻头；冻结管下放过程中管段连接采用外管箍焊接；冻结管试压压力为0.8Mpa，30分钟内压力下降不大于0.05Mpa，再延续15分钟后压力不变者为合格。热盐水循环孔采用同上施工方法施工。

3)冻结设备安装：冻结站设备主要包括冷冻机、盐水箱、盐水泵及冷却塔等。冻结管路用法兰连接，在盐水管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表等测试元件。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。盐水干管与冻结管的连接用高压胶管，每根冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。

4)冻结运转：设备安装完毕后应进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结，冻土达到交圈后进入维护冻结。热盐水循环：热盐水循环孔采取全深加热方式加热运转，实时监测去、回路热盐水温度，必要时热盐水循环孔运转，控制冻土向切割区域发展。

5)隧道切割：使用全回转全套管钻机进行隧道管片保护性切割，整套设备包括全回转驱动装置、钢套管、冲抓斗。为了实现对切割后的大体积混凝土进行破碎，有些情况下还配有重锤。在钻进过程中，利用重锤将障碍物破碎，并用冲抓斗将套管内的杂物取出。全套管跟进钻进，可以起到支护土体、防止土体坍塌的作用。一个钻孔完成后上拔套管，同时通过在管内回填水泥土来维护孔壁的稳定性。制定合理钻孔顺序和相邻孔位部分重叠的钻进顺序，尽量使刀头每次切割受力均匀，形成一个可以包容隧道的切削断面，保证隧道断面切割顺利进行。

6)冻结管起拔：首先停止盐水循环，使用空压机将管内低温盐水排出，通入热盐水循环，拔起0.5m左右时，便可停止循环热盐水，用空压机将管内盐水排出。然后用吊车快速拔出冻结管，拔除冻结管后应及时对冻结孔进行充填，充填材料为黄砂，以填实为宜，必要时利用冻结孔注浆加固。

7)融沉注浆：为消除冻土融沉对完好隧道的影响，停冻后利用隧道管片底部注浆孔进行跟踪注浆控制融沉；注浆材料选用等量配比的水泥和粉煤灰浆液，同时加强隧道的监测。

本发明具有突出的实质性特点与显著的进步，与现有技术相比，该施工方法具有切割清理效率高、切割深度深、对周边结构影响小的优点，解决了在不破坏周边结构的前提下对隧道管片的切割清理问题，可广泛用于深层地下障碍物清理、既有隧道特殊工况下的改造、修筑等工程施工。

附图说明

图1为本发明施工设备体系图

图2为本发明施工原理图

图3为垂直冻结壁结构示意图

图中，1为冷冻机组，2为冷却塔，3为盐水箱，4为盐水泵，5为干管阀门，6为压力表，7为去路盐水测温仪，8为去路盐水干管，9为支路阀门，10为供液管，11为回液管，12为隔板，13回路盐水干管，14为盐水水位观测器，15为回路盐水测温仪，16为冻结管，17为清水去路管，18为清水回路管，19为高压胶管，20为隧道，21为隧道切割孔位，22为冻结孔，23为热盐水循环孔，24为垂直冻结壁，25为地平面，26为充填孔。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明作进一步说明：

上海某工程主体隧道结构施工完成后，在进行旁通道施工时发生了施工险情，导致附近区域隧道塌陷，隧道附近的土体流失。事后经反复的方案论证，采取了对整个塌陷地区隧道明挖修复的方案。隧道坍塌后，破坏段隧道均已被土层和人工注浆材料充填，完好隧道内也已充填泥水。在基坑进行地下连续墙施工前需先行对隧道管片进行切割清理。为了防止完好隧道发生进一步的塌陷和破坏，采用垂直冻结法对江中段切割区域附近隧道进行冻结，形成包围整个隧道管片的垂直冻结壁，然后再使用全套管全回转钻机进行隧道切割清理。

该工程运用了本发明所述的冻结法进行隧道管片切割.???其施工设备体系包括有冷冻机组1，冷却塔2，盐水箱3，盐水泵4，冻结管16等。去、回路盐水干管将冻机组1、冷却塔2，盐水箱3、盐水泵4、冻结管16连接成一个循环体系；安转在盐水干管上的干管阀门5，压力表6、去路盐水测温仪7、回路盐水测温仪15用于监测和控制盐水干管中盐水温度、压力及流量，高压胶管19将干管和冻结管16连接，高压胶管19上安转支路阀门9；冻结管16通过隔板12的位置确定冻结区域，盐水通过供液管10进入冻结管底部，再通过回液管11流出冻结管，盐水水位观测器14安转于盐水箱3上，用于监测整个盐水循环有无盐水泄漏，清水去路管17、清水回路管18使得清水带走冷冻机组中的热量，再通过冷却塔2散发至空气中，

本发明所述的使用冻结法进行隧道保护性切割的施工方法在该工程实例中的具体操作步骤和施工工艺参数说明如下：

1)隧道充填

由于坍塌时管片与管片之间、管片与地层之间的接触没有规律，很可能在管片与管片之间或管片与地层之间存在空隙，为保证冻结的质量及避免切割隧道时产生连锁破坏，在冻结孔22施工前必须进行充填注浆(中粗沙、水泥浆)，将空隙填实。

在地面25上先利用外围两个充填孔对冻结区隧道空隙进行充分注浆充填，然后利用中部充填孔26进行补充注浆充填。充填注浆开始时先将两端充填注浆管下放到隧道20底部，然后边充填注浆边向上提起直至隧道20顶板；中部的充填注浆管端口尽可能向隧道20内部伸入，然后边充填注浆边向上提起直至隧20顶板。注浆压力控制在0.4Mpa以内。如果充填不密实，可选用水泥，中粗砂，添加剂聚合物砂浆混合物进行二次注浆。注浆施工时遵循以下施工规范：

①、注浆前必须做好充分注浆准备，一经开始注浆应连续进行，力求避免中断；

②、为提高浆液可注性，防止固体颗粒离析和沉淀可适当掺加添加剂；

③、浆液必须经过搅拌机充分搅拌均匀后才开始压注，并且在注浆过程中不停顿的缓慢搅拌，浆体在泵送前要经过筛网过滤；

④、注浆顺序：采用先外围后内部的注浆方法，可防止浆液流失；

⑤、在施工中必须对注浆质量进行有效的跟踪监控，根据隧道20区域冻结孔22施工情况可以反复注浆，必要时可利用冻结孔22进行补注浆。

2)冻结孔(包括热盐水循环孔)施工

根据工程需要采用垂直局部冻结方案，以减少冻胀与融沉及合理利用冷量。即只对从隧道20顶部3.5m到隧道20底部3.5m区域进行冻结，冻结长度为14m。

冻结孔22布置4排，冻结孔22排距为1.5米，每排孔孔间距0.4～1.3米，冻结孔数100个，孔深为40.2米；测温孔若干。

隧道20外围冻结孔一次成孔，直接用φ150mm刮刀钻头钻进至设计深度后起钻下冻结管16；穿过隧道20管片的冻结孔22分五次成孔：第一次用φ150mm三翼刮刀钻头钻进至隧道20上层管片后起钻；第二次用φ150mm金刚石取芯钻头钻穿管片后起钻取出岩芯；贯穿隧道20的冻结管16必须在套管保护下钻穿管片。第三次用φ150mm刮刀钻头钻进至下层隧道20管片后起钻；第四次用φ150mm金刚石取芯钻头开始对下层管片取芯钻进，钻穿管片后起钻取出岩芯；第五次用φ150mm刮刀钻头钻进至设计深度后起钻下冻结管。在不稳定地层施工钻孔，必要时下套管护壁。钻孔过程中实时观测钻杆偏斜情况及时纠偏，保证偏斜率不大于0.7％，偏斜值不大于300mm，冻结孔深度不小于设计深度，不大于设计深度0.5米。钻进过程中采用膨润土造浆循环钻进，泥浆比重≥1.2，粘度≥20s，含砂量<2％。冻结管16下放过程中管段连接采用外管箍焊接；冻结管试压压力为0.8Mpa，30分钟内压力下降不大于0.05Mpa，再延续15分钟后压力不变者为合格。热盐水循环孔采用同上施工方法施工。

3)冻结设备安装

冻结站内设备主要包括冷冻机组1、盐水箱3、盐水泵4及冷却塔2等。设备连接按照标准冻结法实施：管路用法兰连接，在盐水管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表等测试元件。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。盐水干管8、13与冻结管16的连接用高压胶管19，每根冻结管16的进出口各装阀门一个，以便控制流量。冷冻机组1的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱3和盐水干管16、19用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。

4)冻结运转

设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。冻结系统运转正常后进入积极冻结，冻土达到交圈后进入维护冻结。

在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结站从正式冻结稳定运行至开挖时，一次停机时间不得超过30小时。各冻结孔16的去、回盐水温差为1.0℃以内，个别冻结孔(总数在20％以内)温差可以大于1℃但要小于2.0℃。达到设计时间后，根据测温孔内测温点实测温度推算的冻结壁厚度必须达到设计要求，冻结壁24的平均温度等于或小于-10℃～-12℃，否则应继续加强冻结，直至达到设计要求。

5)热盐水循环

两侧破坏隧道与完好隧道连接段垂直封水挡土冻结壁24在积极冻结过程中，应密切观测靠近连续墙一侧的测温孔温度变化情况，当与热盐水孔23并排布置的测温孔内测点温度低于-4℃时，应启动热盐水循环孔23，当该段测点温度高于2℃时，停止热盐水循环系统。热盐水温度设置为55～65℃，热盐水开启后应加强冻结壁内侧温度监测。热盐水循环孔采取全深加热方式加热运转，在热盐水干管去回路、每个热盐水循环管16去回路上安装温度传感器，监测热盐水的去、回路温度差，控制冻土向切割区域发展。

6)隧道切割

使用全回转全套管钻机进行隧道管片保护性切割，整套设备包括全回转驱动装置、钢套管、冲抓斗，为了实现对切割后的大体积混凝土进行破碎，有些情况下还配有重锤。在钻进过程中，利用重锤将障碍物破碎，并用冲抓斗将套管内的杂物取出。全套管跟进钻进，可以起到支护土体、防止土体坍塌的作用。一个钻孔完成后上拔套管，同时通过在管内回填水泥土来维护孔壁的稳定性。本工程结合现场情况，隧道外径r为3100mm，采用了d为2m的切割孔径，每条隧道共对称布置7个切割孔位21，孔间距分别为600mm和1100mm，切割时采用跳孔切割的顺序，切割顺序依次为④→③→⑤→②→⑥→①→⑦，保证隧道断面切割顺利进行。

7)冻结管起拔

采用人工局部解冻的方案，进行拔管，具体方法如下：利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的冻土融化达到100mm～200mm时，开始拔管。首先停止盐水循环，使用空压机将管内低温盐水排出，通入热盐水循环，拔起0.5m左右时，便可停止循环热盐水，用空压机将管内盐水排出。然后用吊车快速拔出冻结管16，拔除冻结管16后应及时对冻结孔22进行充填，充填材料为黄砂，以填实为宜，必要时利用冻结孔22注浆加固。

8)融沉注浆

为消除融沉对完好隧道的影响，停冻后利用冻结塞附近隧道管片底部注浆孔进行跟踪注浆控制融沉；注浆材料选用等量配比的水泥和粉煤灰浆液，开启冻结塞旁侧热盐水循环孔23，控制冻土体积的发展，同时加强隧道20的监测。

在该修复工程中，通过采用上述方法成功地对两个断面隧道进行了切割清理，清理效果良好，后续的地下连续墙施工成槽施工中无明显障碍物。在隧道清理施工中，发现近切割区域隧道结构完好，没有受到全回转钻机的切割破坏，该区域的隧道管片保护完好。实际效果表明该方法具有良好的适用性。

Claims (6)

1、一种对隧道管片进行保护性切割的施工方法，其特征在于施工步骤如下：首先在拟冻结的区域隧道(20)上部打设充填孔(26)对冻结区域隧道(20)进行充填，然后在冻结区域打设一定数量的钻孔，孔内安装带有底锥及隔板的冻结管(16)，通过冻结管(16)输送进低温盐水进行热交换，吸收冻结管(16)周围的热量，使温度降低，以至冻结；随着冻结效果的延续，各冻结孔周围的冻结圆柱不断扩大而形成不透水的且能抵抗外界水土压力的冻结壁，对保护区域隧道管片进行隔离；冻结壁(24)近切割区域旁侧施工热盐水循环孔(23)，必要时进行热盐水循环，控制冻结范围向切割区域发展，再采用专用设备对切割区域隧道管片进行切割。

2、根据权利要求1所述的对隧道管片进行保护性切割的施工方法，其特征在于：该施工方法中的设备体系包括有冷冻机组(1)，冷却塔(2)，盐水箱(3)，盐水泵(4)，冻结管(16)等；去、回路盐水干管将冻机组(1)、冷却塔(2)，盐水箱(3)、盐水泵(4)、冻结管(16)连接成一个循环体系；安转在盐水干管上的干管阀门(5)，压力表(6)、去路盐水测温仪(7)、回路盐水测温仪(15)用于监测和控制盐水干管中盐水温度、压力及流量，高压胶管(19)将干管和冻结管(16)连接，高压胶管(19)上安转支路阀门(9)；冻结管(16)通过隔板(12)的位置确定冻结区域，盐水通过供液管(10)进入冻结管底部，再通过回液管(11)流出冻结管，盐水水位观测器(14)安转于盐水箱(3)上，用于监测整个盐水循环有无盐水泄漏，清水去路管(17)、清水回路管(18)使得清水带走冷冻机组中的热量，再通过冷却塔(2)散发至空气中。

3、根据权利要求1所述的对隧道管片进行保护性切割的施工方法，其特征在于：构筑若干隧道充填孔(26)对隧道(20)进行充填；钻机成孔后冻结管(16)下放至预定深度，需经压力测试满足密封性要求；在设备安装完毕后进行调试和试运转，冻结系统运转正常后进入积极冻结状态，冻土达到交圈后进入维护冻结状态；在隧道(20)切割前热盐水循环孔运转，控制冻土向切割区域发展；隧道(20)切割时使用全回转全套管钻机进行隧道管片保护性切割；切割完毕停止盐水循环后，将管内低温盐水排出，起拔冻结管(16)，再对冻结孔(22)进行充填；为消除融沉对完好隧道的影响，停冻后利用隧道(20)管片底部注浆孔进行跟踪注浆控制融沉。

4、根据权利要求1所述的对隧道管片进行保护性切割的施工方法，其特征在于：冻结孔(22)施工中相关工艺参数满足如下要求：钻孔过程中实时观测钻杆偏斜情况及时纠偏，偏斜率不大于0.7％，偏斜值不大于300mm，钻进过程中采用膨润土造浆循环钻进，泥浆比重≥1.2，粘度≥20s，含砂量<2％，土层中钻进时采用三翼刮刀钻头，钻孔至管片时，应提管更换金刚石取芯钻头；冻结管(16)下放过程中管段连接采用外管箍焊接；冻结管(16)试压压力为0.8Mpa，30分钟内压力下降不大于0.05Mpa，再延续15分钟后压力不变者为合格。

5、根据权利要求1所述的对隧道管片进行保护性切割的施工方法，其特征在于：冻结工艺设备安装按照标准冻结法施工标准进行：管路用法兰连接，在盐水管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表等测试元件。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎，盐水干管(8)、(13)与冻结管(16)的连接用高压胶管(19)，每根冻结管(16)的进出口各装阀门一个，以便控制流量，冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱(3)和盐水干管(8、13)用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。

6、根据权利要求1所述的对隧道管片进行保护性切割的施工方法，其特征在于：在隧道管片切割时使用全回转全套管钻机进行隧道管片保护性切割，通过制定合理的钻孔顺序和相邻孔位部分重叠的钻进，形成一个可以包容隧道的切削断面，从而保证隧道断面切割顺利进行。

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