CN104675408B - 高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统及盾构盾尾刷快速更换方法 - Google Patents
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Abstract
一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统及盾构盾尾刷快速更换方法。该系统包括液氮储罐、主闸阀、供液管、分配器、配液管、冻结管、集气管、排气管、测温孔、冷排管，液氮储罐与装有主闸阀的供液管连接，供液管分两路分别与分配器连接，每个分配器分8‑10个支路，每个支路通过配液管与一组串联冻结管连接，每组最后一根冻结管与集气管连接，通过集气管与排气管连接，排气管将汽化氮气排放至空气中，冷排管前端与配液管连接，末端与集气管连接，同时提出了盾构盾尾刷快速更换方法，本发明适合于高水压超长距离大断面盾构隧道盾尾刷快速更换工程，具有形成冻结壁速度快，强度高，无毒无污染，使用安全可靠，施工方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种高水压超长距离越江(海)大断面液氮冻结系统及盾构盾尾刷快速更换方法，属于盾构隧道加固技术领域。
背景技术
随着盾构施工方法在地铁、过江跨海隧道中的广泛应用，在软弱地层和水压力为0.4MPa～0.7MPa的高承压含水层条件下，超过1000m的超长距离，直径为14～16m大断面盾构施工中遇到的工程问题越来越突出，其中盾尾渗漏防治与控制及盾尾刷更换是越江跨海交通隧道工程中一个施工难点，如果盾尾漏浆严重，将导致切口水压下降，刀盘前方土体失稳，并且隧道内将大量淤积泥浆，若抽排不及时，将造成盾构机被淹没，因此，盾构在长距离连续掘进过程中，需要一个密闭的工作环境，盾尾钢丝刷和盾尾止浆板的存在，有效的隔断了盾构机与地层之间的流水通道，阻断了含水地层向盾构机内的渗漏，从而保证了盾构机的安全掘进。
盾尾密封刷一般采用多层钢丝刷，在钢丝刷间的空隙处加压注入密封油脂作为填充以增加密封效果。在实际盾构施工中密封刷的密封效果会逐渐减弱，其原因主要有以下几点：密封油脂注入量不足；盾构机调整姿态过猛；环片背部破损水泥块或其他硬质异物进入密封刷间空隙；隧道距离太长；泥水盾构停止掘进时，管片组装导致盾尾后退，造成盾尾刷与管片间发生刷毛方向相反的运动，使刷毛反卷，盾尾刷变形。
盾尾钢丝刷更换的难点在于管片拆卸后盾构尾部的密封止水，根据以往的工程实践，所采用的冻结系统及盾尾刷更换方法通常采用以下几种：
(1)注浆法
此方法通过加大盾尾同步注浆量以及改变注浆配比以加快浆液凝固等措施来加强盾尾密封止水效果，在原地层进行盾尾刷更换，注浆法存在许多不利因素，如地层不适应性、注浆帷幕的连续性差、均匀性差、注浆土体与盾构及管片的胶结缺乏柔性和韧性等，注浆封水可靠性差，在盾尾刷更换时较少使用。
(2)盐水冻结
盐水冻结系统是利用盐水冻结系统使得地层冻结，然后进行盾尾刷更换。盐水冻结系统是在地面安装冷冻设备，采用氨(NH3)或氟利昂为制冷剂，将冷媒剂氯化钙(CaCl2)溶液(习称盐水)冷却到-20～-30℃，用循环泵和插至冻结管深处的聚氯乙烯供液管将盐水送入冻结管，经低温盐水长时间连续地吸取管外的热量，使周围地层冻结，盐水吸取地层的热量后温度上升，在循环泵的作用下，经回路管回到冷冻设备和制冷剂接触而重新冷却，原为液态的氨或氟利昂，在减压的条件下蒸发时摄取盐水的热量后，经压缩和冷凝又使其液化，在管道内循环流动，重复使用。
但盐水冻结有以下缺点：
①盐水冻结需要建立冻结和维护制冷工序的循环系统，而该系统需建立于盾构始发端地表之上或盾构隧道内，长距离输送盐水所达到的低温不足以对土体进行冻结；
②即便将冻结站置于隧道内部，盐水冻结的周期也较长，严重影响工期(大型盾构机停机一天经济损失巨大，迫切需要节约时间)；
③很难适应过江隧道高水压超长距离等大型高风险盾构工程的应急需求。
(3)地面建站长距离液氮冻结
地面建站长距离液氮冻结系统是将液氮储罐及槽车停在隧道始发井外，利用管路将液氮输送至隧道冻结工作面的冻结管中，经循环吸收地热量，通过集气管收集汽化氮气，再利用排气管将其排至隧道外空旷处，通常利用隧道管片直接打孔或预制管片进行冻结，此种方法较盐水冻结具有冻结系统简单、温度低、冻结速度快、稳定性好、冻土强度高等优点，且冻结加固土体形式灵活，冻结规模可以根据工程实际情况而定。
地面建站长距离液氮冻结系统适合隧道冻结工作面与隧道工作井距离不超过800m、液氮冻结工作面土层条件相对较好、隧道直径较小的工程，供液管保温措施要求严格，无法适应高水压、超长距离、土层条件复杂的工程，特别是大型高风险抢险工程。
通常盾尾刷更换采取焊接更换方法，时间较长，冻结工作面回温较快，容易引起冻结工作面渗漏，因此，如何选择一种可靠的施工方法，更好的解决高水压超长距离大断面盾构隧道盾尾刷快速更换，是亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明提出的是一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统及盾构盾尾刷快速更换方法，其目的旨在满足高水压、超长距离越江(海)大断面隧道中盾构盾尾刷渗漏快速更换，其技术为在需要更换的盾尾刷工作面建立液氮冻结系统，由液氮储罐提供液氮，在罐内压力作用下，利用经过保温处理措施的供液管，液氮被强制送到串联排列的各分配器，再进入每组冻结管内吸收地层热量，再通过排气管以气态形式排放于大气中。
与地面建站长距离液氮冻结系统相比，因隧道直径较大，液氮储罐车可直接开进工作面附近，液氮达到冻结工作面的温度更低(-150℃～-160℃)，大大节约了冻结时间，通过在液氮储罐的液氮出口处增加地泵加压，工作面与隧道工作井的距离可达5.5km。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，该系统包括液氮储罐1、主闸阀2、供液管3、分配器4、配液管5、冻结管6、集气管7、排气管8、测温孔9、冷排管10，其中所述液氮储罐1与装有主闸阀2的供液管3连接，供液管3分两路分别与分配器4连接，每个分配器4设8～10个支路，每个支路通过配液管5与一组串联冻结管6连接，每组最后一根冻结管6与集气管7连接，通过集气管7与排气管8连接，通过排气管将汽化氮气排放至空气中，冷排管10前端与配液管5连接，末端与集气管7连接。液氮储罐1放置在液氮槽车上，液氮储罐1体积为30m3，正常冻结期间保证隧道冻结工作面有两辆液氮槽车，液氮槽车倒车至隧道冻结工作面，液氮储罐1的出口温度控制在-160℃～-170℃，压力控制在0.5MPa～1.6MPa，通过自带车载加压泵装在液氮储罐1的液氮出口处实现加压，当压力超过0.8MPa时，通过增加专用地泵装在液氮储罐1的液氮出口处实现加压，压力与排气管8长度成正比，排气管8长度为1.5～5.5km，压力调节可使用液氮储罐1上的主闸阀2。
所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，所述的供液管3为内管直径108mm壁厚4mm，外管直径180mm壁厚4mm的真空不锈钢管，内外管夹层72mm，夹层真空度小于5×10-3Pa，冷量损失0.5～2.0W/m，考虑盾构机及其后配套，液氮储罐1到冻结工作面的距离长度为40～50m，设2路供液管3，其前端分别与2个液氮储罐1连接，其末端分2路分别于各分配器4连接。
所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，所述的两路供液管3上分别各装1个分配器4，每个分配器4设8～10个支路，每个支路上安装有阀门11和压力表12。
所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，所述的配液管5一端与分配器4的一个支路连接，另一端与一组冻结管6连接，配液管5为直径40mm壁厚4mm低温不锈钢软管，采用2层1cm厚的聚乙烯保温材料外加1层密封薄膜进行包裹。
所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，所述的冻结管6沿隧道横断面布设，冻结管6管口间距0.4～0.9m，管底间距为0.6～1.1m，管长为隧道管片13厚度W+(0.4～1.2)m，其中在软土地层或粉细砂土层为隧道管片13厚度W+(1.0～1.2)m，在卵石等难成孔地层为隧道管片3厚度W+(0.6～1.0)m，在裂隙岩层中为隧道管片13厚度W+(0.4～0.6)m，孔口间距与孔深呈反比，每3～4个冻结管6串联成1组，每组最后一个冻结管6与集气管7连接，冻结管6采用直径89mm壁厚5mm的R304不锈钢管，冻结管6进口温度控制在-150℃～-160℃，出口温度控制在-120℃～-130℃，使用分配器4上的阀门10进行流量及温度调节。
所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，所述的集气管7沿隧道断面环形布置，采用直径127mm壁厚5mm的R304不锈钢管。
所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，所述的排气管8为直径127mm壁厚5mm的R304不锈钢管，其长度为1.5～5.5km，具体长度视隧道冻结工作面到隧道出口空旷位置的距离而定，排气管8前端100m采用2层1cm厚的聚乙烯保温材料外加1层密封薄膜进行包裹。
所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，所述的测温孔9为直径89mm壁厚5mm的R304不锈钢管，测温孔9数量N由隧道断面范围内土层数量n确定，N＝2*n，每个土层中冻结管6两侧各布设1～2个测温孔9，盾构推进方向测温孔9与冻结管6的水平距离为600mm，测温孔9的长度为管片内侧至盾体15的距离，每个测温孔9中布设两个测温点14，其中一个测温点14位于隧道管片13内20cm，另一个测温点14位于隧道管片13与盾壳间隙中靠盾壳处；盾构推进反方向测温孔9与冻结管6的水平距离为600～900mm，测温孔9长度与相邻冻结管6长度相同，每个测温孔9中各布设6个测温点14，土体中测温点14间距为100mm～400mm，隧道管片13与土体交接部位两侧各一个测温点14。
所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，所述的冷排管10前端与配液管5连接，末端与集气管7连接，其直径为32mm壁厚4mm的R304钢管，间距400mm，分2路提供液氮，在隧道管片13内壁冻结管6两侧2m范围内铺设，冷排管10上方铺设1cm厚聚乙烯保温板防止温度上升。
所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统进行盾构盾尾刷快速更换的方法，其方法步骤如下：
A.液氮冻结系统严密性检测：供液管3、配液管5、冻结管6、集气管7、排气管8焊接完成后必须进行管道渗漏及保压测试，保压0.5h，允许降压0.05MPa后稳定15分钟压力无变化者为试压合格；
B.打开主闸阀2进行冻结，并测定测温孔9中各测温点14的温度变化及压力表12读数，每天监测1次，根据监测结果反馈调节分配器4各支路上的阀门11，使得各测温孔9中温度下降速度一致，调节主闸阀2或分配器4各支路上阀门11必须配戴棉手套，防治冻伤，由于液氮排放量较大、供氮管路较长，采用轴流风机从端头井上部向隧道冻结工作面处送新鲜空气，确保隧道内氧气含量正常，液氮槽车倒车时间段内严禁其他车辆出入，每100m～200m派2人专门指挥液氮槽车，对讲机与司机保持通话，液氮冻结期间其他工作面全部停止，多余物料、机械尽可能运出隧道或摆放在冻结工作面范围以外，液氮冻结期间进入隧道人员必须经过专业培训，凭出入证并携带氧气袋进入，派专人利用测氧、氮仪对工作面50m范围内进行24小时不间断测氧、氮，0.5小时一次，并在冻结工作面附近喂养活体鸽子一只，一旦发现氧气含量低于18％报警临界值或活体出现异常反应，立即通知液氮车值班人员关闭供氮主阀门，组织人员疏散，同时采用“明灯”方法检测氮气含量，现场装上煤油灯，若明灯熄灭证明氮气含量过高；
C.冻结7-10天后，根据各测温孔9中监测所得地层温度计算冻结壁有效平均温度，冻结壁厚度，在更换盾尾刷位置开探测孔观察渗水情况，盾尾刷可更换的条件必须同时满足以下几个条件：液氮冻结时间7～10天，液氮冻结效果达到设计要求，根据测温孔9测温推测承压含水层范围冻结壁有效厚度达到设计要求，位于隧道管片13与盾壳间间隙中靠盾壳体处测点温度达-2℃以下，冻结壁有效冻土平均温度要达到-15℃及以下，测温孔9平均温度达到-8℃以下，盾尾刷更换之前，在更换管片位置开2个探测孔，无水流出，若有渗漏，渗漏处必须有探孔，施工应急预案完善，并具有可操作性；
D.达到盾尾刷更换条件后，拆除隧道管片13，更换盾尾刷；
①清理盾壳及油脂仓：隧道管片13拆除后检查其与盾体间是否存在漏水、漏浆现象，如存在轻微渗水渗浆，用海绵条封堵渗漏位置，清理盾尾刷间油脂仓内废油脂和砂浆，检查油脂注入孔是否畅通；
②拆除旧盾尾刷：用风动扳手拆除或用割枪割除旧盾尾刷，清洗螺栓孔和螺栓，由上往下，由外而内逐个拆除损坏的盾尾刷，清理杂物，对不平整位置刨光打磨；
③安装新盾尾刷：利用丝锥按照螺栓孔位置安装并紧固新盾尾刷，油脂孔位置安装专用盾尾刷，相邻盾尾刷后弹簧保护板采用搭接式；
④油脂管路检查及盾尾油脂涂抹：新盾尾刷更换完成后，检查盾尾注脂管路是否通畅，若堵塞则疏通后手涂WR90型盾尾油脂，涂抹时分层将钢丝刷拨开后填入油脂，涂抹后每层油脂填塞饱满，不掉落、不漏涂；
⑤盾尾刷更换期间，在已拆除管片的盾体位置布设测温点，每块已拆隧道管片13范围内测温点之间横向间距为1m，纵向间距为0.5m；
E.隧道管片13拼装，盾尾密封腔填充：用管片拼装机进行管片二次拼装时，一定要确认千斤顶撑靴已经顶住隧道管片13，定位销和螺杆安装完成后，方可慢慢拼装机吸盘，待二次拼装隧道管片稳定后，才可以完全脱离，然后用盾尾油脂泵手动泵送盾尾密封油脂，填充涂抹不密实的盾尾刷凹槽和盾尾刷；
F.停止液氮冻结系统，强制解冻：在冻结区附近布置容积为1m3电加热循环水箱，利用软管将其与原冷排管10连接，将水箱加热至60～70℃，利用0.5m3循环水泵将热水循环于原冷排管10中，继续监测测温孔9中各测温点14的温度，直至隧道管片13外侧土体解冻；
G.冻结孔、测温孔9封孔，隧道管片13补强：隧道管片13拼装完成，即可实施冻结管6和部分测温孔9封堵，首先割除外露部分钢管，其深度要求进入管片100mm，采用厚度10mm钢板焊接密封，采用4个的膨胀螺丝对孔口内冻结管6和测温孔9进行固定，最后用速凝水泥对孔口进行封堵，预留注浆管并填充高强度砂浆，并对隧道管片13进行补强；
H.对冻结管6和测温孔9孔口进行封堵后，重新开启盾构机进行推进。
本发明的有益效果：
1、一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，液氮槽车可直接开到隧道冻结施工工作面附近，采用真空不锈钢管作为供液管，大大减少了液氮温度损失，利用分配器调节各组冻结管回路温度，确保大断面上各组冻结管循环正常，温度均匀，该系统形成冻结壁速度快，强度高，无毒无污染，使用安全、可靠。
2、一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统进行盾构盾尾刷快速更换的方法采用螺栓连接方式更换盾尾刷，实现了盾尾刷快速更换，大大节约了更换时间，大大减少了冻结壁温度回升幅度。
3、该液氮冻结系统和盾构盾尾刷快速更换方法适合于高水压、超长距离越江(海)大断面盾构隧道盾尾刷快速更换加固工程。
附图说明
图1是高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统示意图，
图2是测温孔中测温点布置示意图，其中a)为盾构前进方向测温孔测温点布置示意图，b)是盾构前进反方向测温孔中测温点布置示意图；
附图标记
1——液氮储罐，2——主闸阀，3——供液管，4——分配器，5——配液管，6——冻结管，7——集气管，8——排气管，9——测温孔，10——冷排管，11——阀门，12——压力表，13——隧道管片，14——测温点，15——盾壳，16——槽车，一、二、三、四、五、N——土层层次。
具体实施方式
实施例1
南京纬三路过江通道位于南京长江大桥与南京长江隧道之间，设计方案为双管双层八车道X形隧道，北起南京浦口区珠江镇顶山转盘西侧，跨越规划中的沙子河路、江北滨江大道，以隧道形式穿越长江、江南滨江大道后，南管隧道与定淮门大街顺接，北管隧道与扬子江大道顺接，全长约7.2公里；
2014年10月18日南京纬三路过江通道S线盾构第780环掘进时盾尾值守人员发现盾尾有渗漏，随进行封堵，并采取说明书中所述的液氮冻结系统进行冻结及盾尾刷更换；
盾尾处盾构范围内的地层从上到下分别为④1粉细砂、④3粉细砂、⑤2砾砂、⑥1卵石，盾构下方为⑧1强风化砂岩，隧道上部水压为0.5MPa；
地层加固采用液氮冻结，液氮储罐布置在盾构机二号台架下方，液氮通过供液管和配液管输送到隧道管片和土体内的冻结管内，气化吸热使周围水土温度降低，气化后的氮气通过排气管排放至隧道外，冻结帷幕设计纵向有效厚度为2.0m，径向有效厚度为1.4m，设计位于隧道管片与盾壳间间隙中靠盾壳体处测点温度达-2℃，冻结壁平均温度设计为-15℃，盾体与管片胶合处冻结帷幕平均温度为-8℃；
冻结管为直径89mm壁厚5mm的R304不锈钢管，共61个，分为17组，在粉细砂地层内冻结管长1.8m，砾砂地层内冻结管长1.6m，卵石地层内冻结管长1.4m，砂岩地层内冻结管长1m，冻结管进口温度控制在-150℃～-160℃，冻结管出口温度控制在-120℃～-130℃，温度调节使用每组回路中阀门，测温孔为直径89mm壁厚5mm的R304不锈钢管，共15个，盾构推进方向测温孔与冻结管的水平距离为600mm，测温孔的长度为0.62m，每个测温孔中布设两个测温点，其中一个测温点位于隧道管片内20cm，另一个测温点位于隧道管片与盾壳间隙中靠盾壳处，盾构推进反方向测温孔与冻结管的水平距离为650mm，测温孔长度与相邻冻结管长度相同，每个测温孔中各布设6个测温点，土体中测温点间距为100mm～400mm，隧道管片与土体交接部位两侧各一个测温点，液氮储罐出口的温度控制在-160℃～-170℃，压力控制在0.5MPa，压力调节使用液氮储罐上的主闸阀，供液管为内管直径为108mm壁厚4mm，外管直径为180mm壁厚4mm的真空不锈钢管，内外管夹层72mm，夹层真空度小于5×10-3Pa，冷量损失0.5～2.0W/m。供液管分2路分别与分配器连接，每个分配器装有8个支路，每个支路上安装有阀门和压力表，配液管为直径40mm壁厚4mm低温不锈钢软管，采用2层1cm厚的聚乙烯保温材料外加1层密封薄膜进行包裹。集气管沿隧道断面环形布置，采用直径127mm壁厚5mm的R304不锈钢管，排气管为直径127mm壁厚5mm的R304不锈钢管，其长度为1.6km，排气管8前端100m采用2层1cm厚的聚乙烯保温材料外加1层密封薄膜进行包裹。
利用上述液氮冻结系统进行盾构盾尾刷快速更换的方法，具体方法步骤如下：
A.液氮冻结系统严密性检测：供液管、配液管、冻结管、集气管、排气管焊接完成后必须进行管道渗漏及保压测试，保压0.5h，允许降压0.05MPa后稳定15分钟压力无变化者为试压合格；
B.打开主闸阀进行冻结，并测定测温孔中各测温点的温度变化及压力2读数，每天监测1次，根据监测结果反馈调节分配器各支路上的阀门，使得各测温孔中温度下降速度一致，调节主闸阀或分配器各支路上的阀门必须配戴棉手套，防治冻伤，由于液氮排放量较大、供氮管路较长，采用轴流风机从端头井上部向隧道冻结工作面处送新鲜空气，确保隧道内氧气含量正常，液氮槽车倒车时间段内严禁其他车辆出入，每100m～200m派2人专门指挥液氮槽车，对讲机与司机保持通话，液氮冻结期间其他工作面全部停止，多余物料、机械尽可能运出隧道或摆放在冻结工作面范围以外，液氮冻结期间进入隧道人员必须经过专业培训，凭出入证并携带氧气袋进入，派专人利用测氧、氮仪对工作面50m范围内进行24小时不间断测氧、氮，0.5小时一次，并在冻结工作面附近喂养活体鸽子一只，一旦发现氧气含量低于18％报警临界值或活体出现异常反应，立即通知液氮车值班人员关闭供氮主阀门，组织人员疏散，同时采用“明灯”方法检测氮气含量，现场装上煤油灯，若明灯熄灭证明氮气含量过高；
C.冻结7-10天后，根据各测温孔中监测所得地层温度计算冻结壁有效平均温度，冻结壁厚度，在更换盾尾刷位置开探测孔观察渗水情况，盾尾刷可更换的条件必须同时满足以下几个条件：液氮冻结时间7～10天，液氮冻结效果达到设计要求，根据测温孔测温推测承压含水层范围冻结壁有效厚度达到设计要求，位于隧道管片与盾壳间间隙中靠盾壳体处测点温度达-2℃以下，冻结壁有效冻土平均温度要达到-15℃及以下，测温孔平均温度达到-8℃以下，盾尾刷更换之前，在更换管片位置开2个探测孔，无水流出，若有渗漏，渗漏处必须有探孔，施工应急预案完善，并具有可操作性；
D.达到盾尾刷更换条件后，拆除隧道管片，更换盾尾刷；
①清理盾壳及油脂仓：隧道管片拆除后检查其与盾体间是否存在漏水、漏浆现象，如存在轻微渗水渗浆，用海绵条封堵渗漏位置，清理盾尾刷间油脂仓内废油脂和砂浆，检查油脂注入孔是否畅通；
②拆除旧盾尾刷：用风动扳手拆除或用割枪割除旧盾尾刷，清洗螺栓孔和螺栓，由上往下，由外而内逐个拆除损坏的盾尾刷，清理杂物，对不平整位置刨光打磨；
③安装新盾尾刷：利用丝锥按照螺栓孔位置安装并紧固新盾尾刷，油脂孔位置安装专用盾尾刷，相邻盾尾刷后弹簧保护板采用搭接式；
④油脂管路检查及盾尾油脂涂抹：新盾尾刷更换完成后，检查盾尾注脂管路是否通畅，若堵塞则疏通后手涂WR90型盾尾油脂，涂抹时分层将钢丝刷拨开后填入油脂，涂抹后每层油脂填塞饱满，不掉落、不漏涂；
⑤盾尾刷更换期间，在已拆除管片的盾体位置布设测温点，每块已拆隧道管片范围内测温点之间横向间距为1m，纵向间距为0.5m；
E.隧道管片拼装，盾尾密封腔填充：用管片拼装机进行管片二次拼装时，一定要确认千斤顶撑靴已经顶住隧道管片，定位销和螺杆安装完成后，方可慢慢拼装机吸盘，待二次拼装隧道管片稳定后，才可以完全脱离，然后用盾尾油脂泵手动泵送盾尾密封油脂，填充涂抹不密实的盾尾刷凹槽和盾尾刷；
F.停止液氮冻结系统，强制解冻：在冻结区附近布置容积为1m3电加热循环水箱，利用软管将其与原冷排管连接，将水箱加热至60～70℃，利用0.5m3循环水泵将热水循环于原冷排管中，继续监测测温孔中各测温点的温度，直至隧道管片外侧土体解冻；
G.冻结孔、测温孔封孔，隧道管片补强：隧道管片拼装完成，即可实施冻结管和部分测温孔封堵，首先割除外露部分钢管，其深度要求进入管片100mm，采用厚度10mm钢板焊接密封，采用4个的膨胀螺丝对孔口内冻结管和测温孔进行固定，最后用速凝水泥对孔口进行封堵，预留注浆管并填充高强度砂浆，并对隧道管片进行补强；
H.对冻结管6和测温孔9孔口进行封堵后，重新开启盾构机进行推进。
本工程液氮冻结(包括盾尾刷更换)周期为21天，实际冻结壁纵向厚度4.62m，径向有效厚度满足设计厚度1.4m，盾体与管片胶合处冻结帷幕平均温度为-38.6℃，冻土壁平均温度为-56.7℃，在拆除管片更换盾尾刷期间冻结情况良好，12月2日圆满完成779环全部盾尾刷的更换任务，成功解决了江底高水压条件下盾尾刷更换的难题。
实施例2
液氮储罐的出口处安装地泵进行加压，供液管压力采用1.0MPa，排气管长度3.5km，其余与实施例1相同。
实施例3
液氮储罐的出口处安装地泵进行加压，供液管压力采用1.6MPa，排气管长度5.5km，其余与实施例1相同。
Claims (1)
1.一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统进行盾构盾尾刷快速更换的方法，其方法步骤如下：
A.液氮冻结系统严密性检测：供液管(3)、配液管(5)、冻结管(6)、集气管(7)、排气管(8)焊接完成后必须进行管道渗漏及保压测试，保压0.5h，允许降压0.05MPa后稳定15分钟压力无变化者为试压合格；
B.打开主闸阀(2)进行冻结，并测定测温孔(9)中各测温点(14)的温度变化及压力表(12)读数，每天监测1次，根据监测结果反馈调节分配器(4)各支路上的阀门(11)，使得各测温孔(9)中温度下降速度一致，调节主闸阀(2)或分配器(4)各支路上阀门(11)必须配戴棉手套，防治冻伤，由于液氮排放量较大、供氮管路较长，采用轴流风机从端头井上部向隧道冻结工作面处送新鲜空气，确保隧道内氧气含量正常，液氮槽车倒车时间段内严禁其他车辆出入，每100m～200m派2人专门指挥液氮槽车，对讲机与司机保持通话，液氮冻结期间其他工作面全部停止，多余物料、机械尽可能运出隧道或摆放在冻结工作面范围以外，液氮冻结期间进入隧道人员必须经过专业培训，凭出入证并携带氧气袋进入，派专人利用测氧、氮仪对工作面50m范围内进行24小时不间断测氧、氮，0.5小时一次，并在冻结工作面附近喂养活体鸽子一只，一旦发现氧气含量低于18％报警临界值或活体出现异常反应，立即通知液氮车值班人员关闭供氮主阀门，组织人员疏散，同时采用“明灯”方法检测氮气含量，现场装上煤油灯，若明灯熄灭证明氮气含量过高；
C.冻结7-10天后，根据各测温孔(9)中监测所得地层温度计算冻结壁有效平均温度，冻结壁厚度，在更换盾尾刷位置开探测孔观察渗水情况，盾尾刷可更换的条件必须同时满足以下几个条件：液氮冻结时间7～10天，液氮冻结效果达到设计要求，根据测温孔(9)测温推测承压含水层范围冻结壁有效厚度达到设计要求，位于隧道管片(13)与盾壳间间隙中靠盾壳体处测点温度达-2℃以下，冻结壁有效冻土平均温度要达到-15℃及以下，测温孔(9)平均温度达到-8℃以下，盾尾刷更换之前，在更换管片位置开2个探测孔，无水流出，若有渗漏，渗漏处必须有探孔，施工应急预案完善，并具有可操作性；
D.达到盾尾刷更换条件后，拆除隧道管片(13)，更换盾尾刷；
①清理盾壳及油脂仓：隧道管片(13)拆除后检查其与盾体间是否存在漏水、漏浆现象，如存在轻微渗水渗浆，用海绵条封堵渗漏位置，清理盾尾刷间油脂仓内废油脂和砂浆，检查油脂注入孔是否畅通；
②拆除旧盾尾刷：用风动扳手拆除或用割枪割除旧盾尾刷，清洗螺栓孔和螺栓，由上往下，由外而内逐个拆除损坏的盾尾刷，清理杂物，对不平整位置刨光打磨；
③安装新盾尾刷：利用丝锥按照螺栓孔位置安装并紧固新盾尾刷，油脂孔位置安装专用盾尾刷，相邻盾尾刷后弹簧保护板采用搭接式；
④油脂管路检查及盾尾油脂涂抹：新盾尾刷更换完成后，检查盾尾注脂管路是否通畅，若堵塞则疏通后手涂WR90型盾尾油脂，涂抹时分层将钢丝刷拨开后填入油脂，涂抹后每层油脂填塞饱满，不掉落、不漏涂；
⑤盾尾刷更换期间，在已拆除管片的盾体位置布设测温点，每块已拆隧道管片(13)范围内测温点之间横向间距为1m，纵向间距为0.5m；
E.隧道管片(13)拼装，盾尾密封腔填充：用管片拼装机进行管片二次拼装时，一定要确认千斤顶撑靴已经顶住隧道管片(13)，定位销和螺杆安装完成后，方可慢慢拼装机吸盘，待二次拼装隧道管片稳定后，才可以完全脱离，然后用盾尾油脂泵手动泵送盾尾密封油脂，填充涂抹不密实的盾尾刷凹槽和盾尾刷；
F.停止液氮冻结系统，强制解冻：在冻结区附近布置容积为1m3电加热循环水箱，利用软管将其与原冷排管(10)连接，将水箱加热至60～70℃，利用0.5m3循环水泵将热水循环于原冷排管(10)中，继续监测测温孔(9)中各测温点(14)的温度，直至隧道管片(13)外侧土体解冻；
G.冻结孔、测温孔(9)封孔，隧道管片(13)补强：隧道管片(13)拼装完成，即可实施冻结管(6)和部分测温孔(9)封堵，首先割除外露部分钢管，其深度要求进入管片100mm，采用厚度10mm钢板焊接密封，采用4个的膨胀螺丝对孔口内冻结管(6)和测温孔(9)进行固定，最后用速凝水泥对孔口进行封堵，预留注浆管并填充高强度砂浆，并对隧道管片(13)进行补强；
H.对冻结管(6)和测温孔(9)孔口进行封堵后，重新开启盾构机进行推进。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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Effective date of registration: 20170330 Address after: Longpan road Xuanwu District of Nanjing city of Jiangsu Province, No. 159 210037 Applicant after: NANJING FORESTRY University Applicant after: CCCC TUNNEL ENGINEERING Co.,Ltd. Address before: Longpan road Xuanwu District of Nanjing city of Jiangsu Province, No. 159 210037 Applicant before: Nanjing Forestry University |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20150603 Assignee: CUMT Geotechnical Engineering & New Technology Development Co.,Ltd. Assignor: Nanjing Forestry University Contract record no.: 2018320000246 Denomination of invention: Liquid nitrogen freezing system of high water pressure super-long-distance large-sectional tunnel and method of quickly changing shield tail brushes Granted publication date: 20171114 License type: Common License Record date: 20181026 Application publication date: 20150603 Assignee: JIANGSU JIANKE ENGINEERING CONSULTING CO.,LTD. Assignor: Nanjing Forestry University Contract record no.: 2018320000245 Denomination of invention: Liquid nitrogen freezing system of high water pressure super-long-distance large-sectional tunnel and method of quickly changing shield tail brushes Granted publication date: 20171114 License type: Common License Record date: 20181026 Application publication date: 20150603 Assignee: Jiangsu Rong Rui Construction Technology Co.,Ltd. Assignor: Nanjing Forestry University Contract record no.: 2018320000247 Denomination of invention: Liquid nitrogen freezing system of high water pressure super-long-distance large-sectional tunnel and method of quickly changing shield tail brushes Granted publication date: 20171114 License type: Common License Record date: 20181026 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |