CN104832196A - 管幕冻结法支护结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管幕冻结法支护结构及其施工方法，其包括多个管幕钢管和冻结管，且多个管幕钢管呈矩形或环形布设；冻结管设于相邻管幕钢管之间，且在相邻管幕钢管之间由冻结管形成冻土帷幕；多个管幕钢管内均填充混凝土，或在相隔的管幕钢管内填充混凝土。施工时先构筑工作井和接收井，而后进行钢管顶进、冻结管布设、钢管填充和冻结管的积极冻结，最后在支护结构内边开挖边支撑，最终构筑完整内部结构后拆除支护结构。本发明将管幕钢管支护形式与冻土帷幕支护形式进行组合，形成大刚度水密性管幕冻结法支护结构，大量减少管幕钢管的数量，由冻土帷幕代替管幕钢管的支护，有效节省工期与成本的同时，也大大提高支护结构的刚度。

Description

管幕冻结法支护结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种管幕施工工程，尤其是一种管幕冻结法支护结构及其施工方法。

背景技术

地下连接通道建设时，通常采用的方式是：将顶进的管幕钢管采用管外锁扣连接，管幕形成后在锁口处注入止水剂或者砂浆，形成密封的止水管幕；然后在管幕支护结构的保护下，对管幕内土体加固处理后，边开挖边支撑，直至管幕段开挖贯通，再浇筑结构体。这种管幕法的缺陷是：当管幕顶进距离较长时，钢管在顶进过程中不可避免发生旋转，锁扣较易发生断裂，造成止水失败；同时，管外锁扣对管间土体有一定扰动，也不利于管外保压减阻泥浆的洞门封堵。

为此，业内技术人员在改进管幕法问题上作出了很多努力，例如CN104088652A，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。该管幕冻结止水法，虽取消了锁扣结构形式带来的缺陷，但既需要对顶管侧壁钻孔放置测温管，又需要将顶管内的冻结管定位，而且通过冻结管路系统进行冻结操作时，冻结温度通过顶管扩散到顶管外形成冻土，这样不仅工期十分繁冗漫长，施工成本相当高而且支护结构的刚度较低。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种提高刚度，缩短工期且降低成本的管幕冻结法支护结构及其施工方法。

设计方案：为了实现上述设计目的。1、将冻结管设于相邻的管幕钢管之间，是本发明的第一个技术特征。这样设计的目的是，构筑工作井和接收井后，将管幕钢管顶进并呈环形或矩形布设，在相邻管幕钢管之间设置冻结管，改变了传统冻结法防护结构中将冻结管设置在管幕钢管中的结构方式，省略了冻结管在管幕钢管中的定位工序，简化了施工工程，缩短工期且降低成本。2、在相邻管幕钢管之间由冻结管形成冻土帷幕，是本发明的第二个技术特征。这样设计的目的是，利用冻结设备和冻结系统对冻结管外周的土壤进行积极冻结，使得冻结管外周土壤冻结形成冻土，这样，相邻管幕钢管之间就形成了冻土帷幕，即将管幕钢管支护形式与冻土帷幕支护形式进行组合，形成大刚度水密性管幕冻结法支护结构，可以有效控制地下水的流失，保证施工及运营安全，既大大地提高了支护结构的刚度，也减少了管幕钢管的使用数量，有效节约了成本；另一方面，由于冻结管设置在相邻管幕钢管之间进行冻结，即冻结管设置在管幕钢管外侧进行冻结，减少了管幕钢管对冻结管的传导，提高冻结效率。3、多个管幕钢管内均填充混凝土或在相隔的管幕钢管内填充混凝土，是本发明的第三个技术特征。这样设计的目的是，在进行积极冻结之间，对管幕钢管进行填充，可以根据不同工况需求选择在相隔的管幕钢管内填充混凝土，还是为了加强支护结构承重力和刚度而在所有管幕钢管内均填充混凝土，适用范围广，特别适合作为饱和富水软土地层的浅埋大断面地下结构下穿敏感建筑施工时的支护结构。

技术方案1：一种管幕冻结法支护结构，其包括多个管幕钢管和冻结管，且多个管幕钢管呈矩形或环形布设；冻结管设于相邻管幕钢管之间，且在相邻管幕钢管之间由冻结管形成冻土帷幕；多个管幕钢管内均填充混凝土，或在相隔的管幕钢管内填充混凝土。

优选的，相邻管幕钢管之间的冻结管可以布设一个或两个。

优选的，管幕钢管的直径为0.3m～2m。

技术方案2：一种技术方案1所述管幕冻结法支护结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构筑工作井和接收井；

(2)根据工程情况选择直径适当的管幕钢管，采用顶管法将钢管呈环形或矩形布设顶进，钢管的顶进顺序采用以横断面中轴线为基准由下往上对称进行；

(3)在相邻钢管间布设冻结管，冻结管的数量根据钢管间距而定；

(4)在相隔的钢管内，或者在所有钢管内填充混凝土；

(5)对冻结管进行积极冻结，在相邻钢管之间形成冻土帷幕；

(6)在管幕冻结法支护结构内进行开挖，边开挖边支撑；

(7)逐段构筑内部结构，并逐步拆除管幕冻结法支护结构内支撑，最终形成完整的地下结构。

优选的，管幕钢管顶进前先对洞口处土体按设计要求进行加固；然后采用专用工具头辅助钢管穿墙，工具头穿墙时要带一个向上的初始角，同时在穿墙钢管下部要有支托；所述初始角为5°。

优选的，钢管填充完成后用锤击和超声波检测砼密实程度及与钢管之间是否密贴。

优选的，冻结前首先要进行冻结试运转，试运转过程中，要定时检测盐水温度、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；冻结试运转正常后，再进行积极冻结。

本发明与背景技术相比，一是改变了传统冻结法防护结构中将冻结管设置在管幕钢管中的结构方式，省略了冻结管在管幕钢管中的定位工序，简化了施工工程，缩短工期的同时也降低成本；二是将管幕钢管支护形式与冻土帷幕支护形式进行组合，形成大刚度水密性管幕冻结法支护结构，可以有效控制地下水的流失，保证施工及运营安全，既大大地提高了支护结构的刚度，也减少了管幕钢管的使用数量，有效节约了成本；三是由于冻结管设置在相邻管幕钢管之间进行冻结，即冻结管设置在管幕钢管外侧进行冻结，减少了管幕钢管对冻结管的传导，提高冻结效率；四是适用范围广，特别适合作为饱和富水软土地层的浅埋大断面地下结构下穿敏感建筑施工时的支护结构。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

附图1为本发明管幕冻结法支护结构的截面结构示意图。

附图1-1为本发明管幕冻结法支护结构的第二种结构的结构示意图。

附图1-2为本发明管幕冻结法支护结构的第三种结构的结构示意图。

附图1-3为本发明管幕冻结法支护结构的第四种结构的结构示意图。

附图2为本发明管幕冻结法支护结构施工方法的工艺流程图。

附图2-1为管幕钢管顶进工艺施工流程图。

附图2-2为冻结工艺施工流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：参照附图1。一种管幕冻结法支护结构，其包括多个管幕钢管2(又称顶管)和冻结管3；管幕钢管2的直径为0.3m～2m，且多个管幕钢管2呈矩形或环形布设；冻结管3设于相邻管幕钢管2之间，且在相邻管幕钢管2之间由冻结管3形成冻土帷幕4，即冻结管3实施积极冻结后，在冻结管3外围的管幕钢管2之间的原土壤1形成冻土4；在相隔的管幕钢管2内填充混凝土5，即管幕钢管2间隔填充混凝土5；所述管幕钢管2内也可注浆来代替混凝土。本发明的管幕冻结法支护结构主要由多个管幕钢管2、钢管2之间冻结管3形成的多个冻土帷幕4这两个部分组成；管幕钢管2与冻结管3交替布置，钢管2与冻土帷幕4一起组合形成大刚度的共同支护受力体系；本发明将管幕钢管支护形式与冻土帷幕支护形式进行组合，形成大刚度水密性管幕冻结法支护结构，可以有效控制地下水的流失，保证施工及运营安全，特别适合作为饱和富水软土地层的浅埋大断面地下结构下穿敏感建筑施工时的支护结构。

上述管幕钢管2的直径也可以采用2m以上，这样大直径钢管形成了大刚度临时支护结构，可以减少开挖时引起的地表变形，避免对周边建筑物产生影响，对于浅埋大断面软土、建筑物密集、环境保护要求高的工程，具有无可比拟的优点。

参照附图1-1。上述多个管幕钢管2内，也可均填充混凝土5，进一步提高支护结构的承受力。

参照附图1-2、1-3。上述管幕冻结法支护结构中，也可在相邻管幕钢管2之间设置两个冻结管3(也可设置两个以上冻结管)，扩大冻土帷幕4的冻土范围，降低管幕钢管使用量的同时，增强支护结构的承受力和刚度。

实施例2：参照附图2。一种技术方案1所述管幕冻结法支护结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在前期准备就绪后，根据工况环境，构筑顶管工作井和接收井；

(2)根据工程情况选择直径适当的管幕钢管，采用顶管法将钢管呈环形或矩形布设顶进，钢管的顶进顺序采用以横断面中轴线为基准由下往上对称进行；

(3)在相邻钢管间布设冻结管，冻结管的数量根据钢管间距而定；

(4)根据工况要求，在相隔的钢管内，或者在所有钢管内填充混凝土；

(5)对冻结管进行积极冻结，在相邻钢管之间形成冻土帷幕，至此管幕钢管和冻土帷幕一起组合形成大刚度的共同支护受力体；

(6)在管幕冻结法支护结构内进行开挖，边开挖边支撑，开挖和支撑施工为现有技术，在此不做赘述；

(7)逐段构筑内部结构，并逐步拆除管幕冻结法支护结构内支撑，最终形成完整的地下结构。

该支护结构的管幕冻结施工方法，将管幕钢管支护形式与冻土帷幕支护形式进行组合，形成大刚度水密性管幕冻结法支护结构，与现有的管幕法相比，管幕钢管的数量可以大量减少，减少管幕钢管的支护作用由冻结管形成的冻土帷幕代替，可节省工期与成本；与单一的冻土帷幕支护形式相比，大大提高支护结构的刚度，可有效控制地表变形，安全性好；特别适合作为饱和富水软土地层的浅埋大断面地下结构下穿敏感建筑施工时的支护结构。

参照附图2-1。上述步骤(2)的钢管顶进，采用以下顺序方式进行：

①土体加固。顶进前可以先对洞口处土体按设计要求加固，土体加固可在工作井施工时进行；

②钢管穿墙出洞。在出洞前先割掉预埋钢盒外侧钢板，并将止水钢环焊接到预埋钢盒的外侧，再将止水橡胶圈安装在止水钢环上；在准备出洞时，将钢盒内侧挡土钢板割掉，清理预留孔内的杂物后立即将工具头推进预埋孔，缩短停顿时间，使止水橡胶圈紧抱工具头外壳发挥止水作用；顶管穿墙时要防止工具头下跌，在穿墙的初期，因入土较小，工具头的自重仅由两点支撑，其中一点是导轨，另一点是入土较浅的土体，因此，工具头穿墙时，一方面要带一个向上的初始角(约5’)，另一方面穿墙管下部要有支托，并且加强管段与工具管、管段与管段之间的连接，工具管的推进一定要迅速，防止穿墙管内的土体暴露时间太长；

③正常顶进。管道出洞成功后，开始正常顶进。在管节推进的同时，顶管机大刀盘切削前方土体排出，通过管节一节节向前推进，顶管机不断推进最后到达接收井，形成整段通道；

④管幕钢管纵向接头。接头通过焊接环形和竖向加劲板加固管道端部，增加其刚度，在其加固的环形劲板上，连接螺栓，进行施工过程中的限位和固定，在插口上设置两道氯丁橡胶密封圈进行防水，接头要有一定转角适应能力；

⑤进入接收井。顶管机接近接收井前到达土体加固范围后，应放慢顶进速度，使顶管机慢慢切削土体，形成一个较完整的止水孔，通过测量定出顶管机出口的具体位置，将接收井工具头位置的混凝土护壁凿除，当顶管机进入接收井边时，顶管机要快速顶进，直到顶管机完全顶出接收井；

⑥管幕泥浆置换。在管幕顶进结束后，为防止管幕出现滞后沉降，按设计要求的材料将顶进过程中的触变泥浆置换掉，置换时利用压注触变泥浆的系统及管路进行，压注时应从第一节管依次向后进行；

⑦管幕混凝土灌注及填充。管幕顶进完成之后，采用微膨胀混凝土进行填充，施工完后要用锤击和超声波检测砼密实程度及与钢管之间是否密贴；

⑧管幕润滑减阻。采用膨润土触变泥浆注入管道与周围土层之间的环状空间中，实现减小顶进管道与地层之间的摩擦阻力，注浆为三部分，机尾同步注浆、沿线管道补浆及洞口处的注浆，触变泥浆的基本成分由膨润土和水组成，另外，根据不同的土体掺入不同聚合物的外掺剂来调节泥浆性能以满足使用要求。

参照附图2-2。所述冻结工程，采用以下步骤方式进行：

(1)冻结管施工及冻结站安装。冻结管布设在管幕钢管之间后，必要时可设置加热管或卸压孔，以控制冻胀现象；

(2)冻结管试漏。冻结站安装完成后按要求进行试漏和抽真空，确保安装质量符合设计要求；

(3)冻结系统安装与调试。①按1.5倍制冷系数选配制冷设备；②管路用法兰连接，在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件，盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层的外面用塑料薄膜包扎，集配液圈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；③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机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行，首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油；⑤设备安装完毕后进行调试和试运转，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；

(4)积极冻结阶段。在冻结试运转过程中，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，充分利用设备的全部能力，尽快加速冻土发展，在设计时间内把盐水温度降到设计温度；

(5)维护冻结阶段。要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后(饱和水除外)再进行正式开挖；

(6)待隧道结构完成后，在盐水箱内设盐水加热器，对低温盐水进行加热，对冻结壁进行强制解冻，并利用在先前预留的泥浆套注浆装置，进行跟踪式融沉注浆，强制解冻采用分区分批进行。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种管幕冻结法支护结构，包括多个管幕钢管(2)和冻结管(3)，且多个管幕钢管(2)呈矩形或环形布设，其特征是：冻结管(3)设于相邻管幕钢管(2)之间，且在相邻管幕钢管(2)之间由冻结管(3)形成冻土帷幕(4)；多个管幕钢管(2)内均填充混凝土(5)，或在相隔的管幕钢管(2)内填充混凝土(5)。

2.根据权利要求1所述的管幕冻结法支护结构，其特征是：相邻管幕钢管(2)之间的冻结管(3)可以布设一个或两个。

3.根据权利要求1所述的管幕冻结法支护结构，其特征是：管幕钢管(2)的直径为0.3m～2m。

4.一种权利要求1所述管幕冻结法支护结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构筑工作井和接收井；

(2)根据工程情况选择直径适当的管幕钢管，采用顶管法将钢管呈环形或矩形布设顶进，钢管的顶进顺序采用以横断面中轴线为基准由下往上对称进行；

(3)在相邻钢管间布设冻结管，冻结管的数量根据钢管间距而定；

(4)在相隔的钢管内，或者在所有钢管内填充混凝土；

(5)对冻结管进行积极冻结，在相邻钢管之间形成冻土帷幕；

(6)在管幕冻结法支护结构内进行开挖，边开挖边支撑；

(7)逐段构筑内部结构，并逐步拆除管幕冻结法支护结构内支撑，最终形成完整的地下结构。

5.根据权利要求4所述的管幕冻结法支护结构的施工方法，其特征是：管幕钢管顶进前先对洞口处土体按设计要求进行加固；然后采用专用工具头辅助钢管穿墙，工具头穿墙时要带一个向上的初始角，同时在穿墙钢管下部要有支托；所述初始角为5°。

6.根据权利要求4所述的管幕冻结法支护结构的施工方法，其特征是：钢管填充完成后用锤击和超声波检测砼密实程度及与钢管之间是否密贴。

7.根据权利要求4所述的管幕冻结法支护结构的施工方法，其特征是：冻结前首先要进行冻结试运转，试运转过程中，要定时检测盐水温度、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；冻结试运转正常后，再进行积极冻结。