CN104088652A - 一种管幕间水平动态控制性冻结止水法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管幕间水平动态控制性冻结止水法，其步骤是：在顶管内设置测温管；在顶管内铺设控制性冻结管路系统；连接控制性冻结管路与冻结设备；对顶管间土体进行控制性冻结操作，在顶管间形成止水的冻结帷幕；顶管间无止水要求后，土体解冻并进行融沉跟踪注浆处理。本发明具有止水效果好，对地表影响小，安全可靠，操作简便的优点，且在软土，高压水等恶劣复杂的特殊地质条件下均能实现，环境适应力很强，尤其适用于复杂地质条件下，上部有建筑物或地表要求严格地段中，管幕间的封水施工。

Description

一种管幕间水平动态控制性冻结止水法

技术领域

本发明涉及管幕间封水领域，更具体涉及一种管幕间水平动态控制性冻结止水法，适用于市政管幕施工过程中，管幕间封水施工。

背景技术

自1971 年管幕法首先应用于日本Kawase-Inae穿越铁路的通道工程起，作为非开挖技术其广泛运用于穿越道路，铁路，结构物，机场等连接通道的建设中。管幕法施工中，各单管间依靠锁口在钢管侧面相接形成管排，并在锁口空隙注入止水剂，以达到止水要求，形成超前支护。

现有的管幕间封水施工技术，依靠各钢管间锁口连接，并在锁口处注入止水剂，形成密封的止水惟幕。经对现有技术的公开文献检索发现，李伟强撰写的《管幕法在环境保护中的研究与应用》，收录于《建筑施工》2011第33卷第5期第229～231页，该文介绍：在上海外滩源33项目建设中，上海二建成功运用“管幕法”施工技术对一棵百年古银杏树实施有效保护。管幕为46根直径为786mm、壁厚为12mm 的钢管组成的矩形。内部采用多管法水平旋喷工夫进行注浆加固，并在高压喷水枪端头设置排泥装置，以便严格控制地面沉降。这种施工方法不能在地质条件复杂，含水丰富的地层进行使用。从止水效果上来看，如果顶进偏差过大，则会导致锁口开裂或变形，或是注浆效果不好都会使管幕无法形成密闭的空间，且由于锁扣的存在，其始发井和接受井的锁扣位置封水也无法保证，其止水效果差，很难适用于软土，高压水等地层条件；同时从钢管顶进来看，由于锁扣的约束，顶进时精度要求高，纠偏困难，很难适用于长距离地下结构的施工。 

发明内容

本发明的目的在于提供了一种管幕间水平动态控制性冻结止水法，方法易行，操作简便，其封水效果好，安全可靠，环境适应性强，适用于各种复杂含水量高的地层，尤其适用于地表有建筑物或对地表变形要求严格的地段。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种管幕间水平动态控制性冻结止水法，包括以下步骤：

步骤1、在成环形或矩形布置的顶管中，在相隔的顶管的非开挖侧管壁钻孔，在钻孔中设置测温管，沿测温管设置有多个测温传感器，同时在设置有测温管的顶管设置加强冻结管，

步骤2、在未设置测温管的顶管内均铺设两根冻结管和一根限位管，两根冻结管分别设置在离相邻顶管最近的两侧，限位管设置在顶管非开挖侧的最外侧，在未设置测温管的顶管内填充混凝土，

步骤3、在开挖工况前45～60天，采用低温盐水作为循环液通过冻结管对顶管间的土体进行冻结，通过测温管测出非开挖侧冻土的厚度的平均值，通过向限位管内循环负温盐水控制非开挖侧冻土的厚度的平均值在设定的厚度范围，

步骤4、在顶管内侧开挖时，冻结管内保持循环步骤3中的低温盐水，并在加强冻结管内循环低温盐水，限位管6内保持循环步骤3中的负温盐水，当非开挖侧冻土的平均厚度低于设定的厚度范围的最小值时，降低冻结管和加强冻结管的温度，并提高冻结管和加强冻结管内流速，并停止限位管内的盐水流动；当冻土的非开挖侧平均厚度高于设定的厚度范围的最大值时，升高冻结管和加强冻结管内盐水的温度，并降低冻结管和加强冻结管内流速，升高限位管内的盐水温度，提高限位管内流动速度，

步骤5、顶管间土体无封水要求后，让冻土解冻，并进行融沉注浆处理。

如上所述的顶管为环形或者矩形布置，顶管直径为1-3m，顶管间距为0.2-0.8m，钻孔的延伸方向穿过顶管横截面的圆心，若为圆环形布置的顶管，则钻孔方向与顶管横截面圆心在由各个顶管横截面圆心构成的圆上对应的切线方向之间的角度为30～60°，若为矩形布置，则钻孔方向与顶管横切面圆心所在的由各个顶管横截面圆心构成的矩形边之间的角度为30～60°。

如上所述的冻结管、限位管、加强冻结管为直径为89-127mm的无缝低碳钢管材。

如上所述的步骤3和步骤4中的低温盐水的温度为-22～-28℃，流速为0.1～0.3m/s，负温盐水的温度为-5～30℃，流速为0.1～0.3m/s，非开挖侧冻土的厚度的平均值的设定范围为0.2m~0.6m。

与现有管幕技术采用锁扣注浆来密封管间空隙的方式不同，本发明所述的管幕间动态控制性冻结止水法顶管间密封止水方式采用了冻结法，其通过在顶管内设置的控制性冻结管路对顶管间的土体进行控制性冻结，在预定范围内产生冻土帷幕，形成止水的工作环境。这种管幕间动态控制性冻结止水法无论在密封止水效果还是在安全性能上都比依靠锁扣后进行注浆的止水效果更为有效，且采用控制性冻结，冻土体积控制在合理范围内，因而对地表变形影响小。由于本发明所述的管幕间动态控制性冻结止水的施工方法具有止水效果好，对地表影响小，安全可靠，操作简便的优点，且在软土，高压水等恶劣复杂的特殊地质条件下均能实现，环境适应力很强，尤其适用于复杂地质条件下，上部有建筑物或地表要求严格地段中，管幕间的封水施工。

附图说明：

图1为测温管设置示意图；

图2为一种顶管内动态控制性冻结管路系统布置示意图；

图3为积极冻结工况示意图；

图4为控制冻结工况示意图；

图5为加强冻结工况示意图。

其中：1-顶管；2-原状土；3-冻土；4-监测管；5-冻结管；6-限位管；7-加强冻结管；8-混凝土。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种管幕间水平动态控制性冻结止水法，其步骤是： 

步骤1、如图1所示，在成环形或矩形布置的顶管1(顶管1直径为1～3m，管间距0.2～0.8m)中，采用隔管钻孔的方式，在顶管1非开挖侧管壁上钻孔，钻孔延伸方向穿过顶管1的圆心，若为圆环形布置的顶管1，则钻孔方向与顶管1横截面圆心在由各个顶管1横截面圆心构成的圆上对应的切线方向之间的角度为30～60°，若为矩形布置，则钻孔方向与顶管1横切面圆心所在的由各个顶管1横截面圆心构成的矩形边之间的角度为30～60°。将测温管4 插入到钻孔中，在测温管4内沿测温管4设置多个测温传感器，一般3～5个，顶管1管壁上设置多个测温传感器，呈环向布置，一般4～6个，在测温管4内设置的多个测温传感器可以测量顶管1外侧（即非开挖侧）的冻土厚度，以便掌握在冻结施工过程中周围土体的温度变化，同时在设置测温管4的顶管1内设置加强冻结管7，用混凝土8（也可使用其他导热材料如导热胶泥）填充加强冻结管7与顶管1间的缝隙，增加加强冻结管7与顶管1的导热性。

步骤2、如图2所示，在未设置测温管4的顶管1内均铺设两根冻结管5和一根限位管6，两根冻结管5分别设置在离相邻顶管1最近的两侧上，限位管6设置在靠近顶管1外侧（即非开挖侧），在未设置测温管4的顶管1内填充混凝土8。冻结管5，限位管6，加强冻结管7各自成独立循环管路。冻结管5，限位管6，加强冻结管7一般选用Φ 89～ Φ 127mm的低碳钢无缝管材。

步骤3、合理选择有关的冻结设备进行安装，并将冻结管路与安装好的冻结设备进行连接，然后调试至正常运行。

步骤4、对顶管1间原状土2进行控制性冻结操作，在顶管1 间形成具有止水功能的冻土3。

其详细步骤为启动冻结设备，采用盐水作为循环液通过冻结管5对顶管1间的土体进行冻结。冻结施工开始于开挖工况前45～60天，顶管1内侧未开挖时，在冻结管5内循环低温盐水，低温盐水温度为-22～-28℃，流速为0.1～0.3m/s，进行积极冻结，在顶管1间形成冻土3满足封水要求，如图3所示。通过设置在测温管4内的测温管4和顶管1内管壁设置的温度传感器并采用线性插值算出周边土体的温度场分布，由于钻孔在顶管1内均按照设定方向设置，使得钻孔内的多个温度传感器均沿设定方向设置，可以通过温度传感器实际分布的位置获得温度数据，从而求得非开挖侧冻土3的厚度，进而求得非开挖侧冻土3的厚度的平均值。为了更精确的获得非开挖侧冻土3的厚度分布，可以将钻孔内的多个温度传感器获得的数据进行线性插值运算。通过向限位管6内循环负温盐水控制非开挖侧冻土3的厚度的平均值（即非开挖侧低于0℃区域边界到顶管1的非开挖侧外壁的环形轨迹或者矩形轨迹的距离的平均值）在设定的厚度范围（0.2m~0.6m）限位管6内负温盐水温度为-5～30℃，流速为0.1～0.3m/s，带走多余冷量，控制冻土3的非开挖侧平均厚度在0.2m~0.6m，即可以满足封水要求，又不会对地表变形产生过大影响。

当顶管1内侧进行开挖时，如图5所示，冻结管5内保持循环低温盐水，冻结管5内低温盐水温度为-22～-28℃，流速为0.1～0.3m/s，并在加强冻结管7内循环低温盐水，加强冻结管7内低温盐水温度为-22～-28℃，流速为0.1～0.3m/s，进行加强冻结，抵御空气对流对冻土3的不利影响，保证冻土3的封水性安全，通过向限位管内循环负温盐水控制非开挖侧冻土3的厚度的平均值在设定的厚度范围，负温盐水温度为-5～30℃，流速为0.1～0.3m/s。整个过程中根据温度监测数据动态控制冻结管5，限位管6，加强冻结管7内的盐水运行温度，流速。当温度监测显示冻土3的非开挖侧平均厚度低于设定范围的最小值时，降低冻结管5和加强冻结管7的温度，并提高冻结管5和加强冻结管7内流速，并停止限位管6内的盐水流动。当冻土3的非开挖侧平均厚度高于设定范围的最大值时，升高冻结管5和加强冻结管7内低温盐水的温度，并降低管内低温盐水流速，升高限位管6内的盐水温度，提高限位管6内流动速度。

步骤5、顶管1间土体无封水要求后，停止冻结，让冻土3解冻并进行融沉注浆处理。冻土3解冻可采用自然解冻，也可在原有冻结管5，限位管6，加强冻结管7内循环热盐水进行强制解冻。融沉注浆可从顶管1内向外钻孔注浆，也可从地表进行钻孔注浆。

现有管幕间封水技术采用锁扣注浆来密封，本发明所述的管幕间动态控制性冻结止水法顶管间密封止水方式采用了冻结法，冻结止水法无论在密封止水效果还是在安全性能上都比依靠锁扣后进行注浆的止水效果更为有效；且与以往的冻结技术不同，本发明所述的冻结法利用冻结管5，限位管6，加强冻结管7三种管路，采用控制性冻结，可以将冻土体积控制在合理范围内，降低对地表变形影响，并可节省冻结费用。

综上所述，本发明所述的管幕间动态控制性冻结止水的施工方法，利用在顶管内铺设冻结管的方法，冻结顶管之间的土体，使冻土形成止水帷幕，并将冻土帷幕的体积控制在一定范围之内。因此本发明具有止水效果好、对地表影响小，安全可靠，操作简便、环境适应性强的优点，广泛适用于各类复杂的特殊地质条件下管幕间的封水施工。

Claims (4)

1.一种管幕间水平动态控制性冻结止水法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在成环形或矩形布置的顶管(1)中，在相隔的顶管(1)的非开挖侧管壁钻孔，在钻孔中设置测温管(4)，沿测温管(4)设置有多个测温传感器，同时在设置有测温管(4)的顶管(1)设置加强冻结管(7)，

步骤2、在未设置测温管(4)的顶管(1)内均铺设两根冻结管(5)和一根限位管(6)，两根冻结管(5)分别设置在离相邻顶管(1)最近的两侧，限位管(6)设置在顶管(1)非开挖侧的最外侧，在未设置测温管(4)的顶管(1)内填充混凝土(8)，

步骤3、在开挖工况前45～60天，采用低温盐水作为循环液通过冻结管(5)对顶管(1)间的土体进行冻结，通过测温管(4)测出非开挖侧冻土(3)的厚度的平均值，通过向限位管(6)内循环负温盐水控制非开挖侧冻土(3)的厚度的平均值在设定的厚度范围，

步骤4、在顶管(1)内侧开挖时，冻结管(5)内保持循环步骤3中的低温盐水，限位管(6)内保持循环步骤3中的负温盐水，并在加强冻结管(7)内循环低温盐水，当非开挖侧冻土(3)的平均厚度低于设定的厚度范围的最小值时，降低冻结管(5)和加强冻结管(7)的温度，并提高冻结管(5)和加强冻结管(7)内流速，并停止限位管(6)内的盐水流动；当冻土(3)的非开挖侧平均厚度高于设定的厚度范围的最大值时，升高冻结管(5)和加强冻结管(7)内盐水的温度，并降低冻结管(5)和加强冻结管(7)内流速，升高限位管(6)内的盐水温度，提高限位管(6)内流动速度，

步骤5、顶管(1)间土体无封水要求后，让冻土(3)解冻，并进行融沉注浆处理。

2.根据权利要求1所述的一种管幕间水平动态控制性冻结止水法，其特征在于，所述的顶管(1)为环形或者矩形布置，顶管(1)直径为1-3m，顶管(1)间距为0.2-0.8m，钻孔的延伸方向穿过顶管(1)横截面的圆心，若为圆环形布置的顶管(1)，则钻孔方向与顶管(1)横截面圆心在由各个顶管(1)横截面圆心构成的圆上对应的切线方向之间的角度为30～60°，若为矩形布置，则钻孔方向与顶管(1)横切面圆心所在的由各个顶管(1)横截面圆心构成的矩形边之间的角度为30～60°。

3.根据权利要求1所述的一种管幕间水平动态控制性冻结止水法，其特征在于，所述的冻结管(5)、限位管(6)、加强冻结管(7)为直径为89-127mm的无缝低碳钢管材。

4.根据权利要求1所述的一种管幕间水平动态控制性冻结止水法，其特征在于，所述的步骤3和步骤4中的低温盐水的温度为-22～-28℃，流速为0.1～0.3m/s，负温盐水的温度为-5～30℃，流速为0.1～0.3m/s，非开挖侧冻土(3)的厚度的平均值的设定范围为0.2m～0.6m。