CN105257297B - 一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法 - Google Patents

Abstract

一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法，管节加工制作施工时，管幕空管内部的辅助冻结管根据管幕自身所在的位置及角度直接焊接在管幕空管管节上；采用顶管机将管节逐次顶入，最终形成管幕；安装土体改良注浆管；回填微膨胀水泥浆；建立全自动温度监测系统。调试冻结系统；冻结开始后进行全方位冻土帷幕温度监测；隧道整体开挖支护完成形成了自身的防水体系后，关闭所有的冷冻管，安装融沉注浆管。融沉注浆结束后回填微膨胀水泥浆，工程结束。本精准控制冻土帷幕的工方法采用循环常温水进行人工加热解冻，同时进行跟踪式融沉注浆，可有效的减少解冻融沉对地表变形的影响。施工方法安全、可靠、实用。

Description

一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法

技术领域

本发明涉及一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法,特别适用于曲线管幕精准控制冻土帷幕的施工方法。

背景技术

随着中国经济的飞速发展和城市化进程的加速,各种形式隧道不断地在建设，修建超大断面、浅埋暗挖的隧道是不可避免的,也是现代施工技术面临的巨大挑战。浅埋暗挖大断面隧道超前预支护体系备受各方关注，它能有效的维持掌子面稳定、控制地层变形、预防坍塌等事故，它直接关系到隧道安全和经济效益。管幕超前预支护体系以其空间利用率高、施工安全和对周围环境影响小等优点得到广泛应用。管幕法是采用小设备施工大断面的工法，它断面灵活，几乎可以形成任何隧道断面形状，地质适应能力强，管幕间止水依靠齿槽锁扣密封或采用冻结、水平MJS等工艺形成连续的止水帷幕。齿槽锁扣一般用于含水量小，水位低，直线短距离的管幕；水平MJS是全方位高压喷射技术，该方法有适应性强，对周边土体扰动小，自动化程度高等特点，水平MJS一般用于含水量小，水位低，埋深较大直线短距离的管幕。冻结技术有对周围结构形状适应性强，只要冻结孔的布置位置准确，并保持足够的冻结时间，就可以形成不同形状的冻结壁；其隔水性能好，交圈以后冻结壁连续性好，有一定的强度；另外对地层污染小，由于冻结法只是通过降低温度来提高原位土体的强度，并不改变地层成份，因而对地层污染很小，冻结法可适用于水量大，水位高富水复杂地层，曲线长距离的管幕。冻结法施工中的冻胀融沉对地表的变形有一定的影响，人工冻土过程中地温下降至0零度以下，土体(孔隙中自由水)温度达到结晶点时，形成冻结，温度进一步下降，结合水冻结，冰晶结体、透镜体及冰夹层等形成冰侵入体，引起土体积增大，从而地表不匀上升，即为冻胀。当土体温度上升时，冻结的土体发生变化，土体中的冰侵入体消融，引起地表下陷，即为冻胀。冻胀融沉均与冻土的体积成正比，冻土的体积越大冻胀融沉均影响越大，冻土的体积越小冻胀融沉均影响越小，那么有效的控制冻土的体积是控制冻胀融沉的关键,精准控制冻土帷幕的施工方法至关重要。

发明内容

本发明的目的就在于更好的实现管幕间冻土帷幕止水又能达到精准控制冻土帷幕的厚度，从而控制冻胀融沉减小对地层变形的影响，减小对周边结构物变形的影响。

管幕冻结帷幕施工区域一般地层条件差，地理位置特殊，工程风险较大。管幕间冻结帷幕是起着封水作用，其性能必须满足隧道施工安全和质量要求，必须采用适当的措施，严格控制冻结帷幕的厚度，减少冻胀与融沉的危害。控制性冻结需要适时监测冻结帷幕的厚度，依据监测数据调整指导进行冻结施工参数。隧道顶部及其它地表变形控制严格敏感区域应先进行土体改良再进行冻结帷幕止水，这样可提高地层力学性能、降低渗透性、有效控制冻胀和融沉，以保证周围建筑物及隧道的施工安全，施工工期，减小对环境的影响。

精准控制冻土帷幕的管幕分为实管和空管，实管和空管间隔布置，实管内安装主冻结管和加热限位管并填充微膨胀水泥浆或微膨胀混凝土，空管内安装辅助冻结管，起着加强冻结的作用，抵抗隧道开挖时的帷幕冻体的弱化，并安装全方位冻土帷幕温度监测系统，适时监测冻土的发展，冻结工程结束进行融沉注浆。精准控制冻土帷幕的管幕施工原则为主冻结管全长整环冻结，辅助冻结管分段分区维护冻结，全方位冻土帷幕温度监测系统适时监测冻土的发展，采用加热限位管严格控制冻土层的厚度，达到精准控制冻土帷幕厚度的目的。

管幕有直线型和曲线型，断面形式也多种多样，有“一”字形、“门”字形、圆形、椭圆形、扇形、半圆形、圆弧形等组合形式，这些组合方式均可采用本精准控制冻土帷幕的施工方法，附图说明中以断面形式为圆弧形管幕为例标示施工示意图。

土体改良：土体改良即用水泥浆改良需要冻结的地层。对土层进行水泥注浆改良，不但改善原状土和扰动土的力学性能，而且提高冻土力学性能。对于管幕冻结而言，土体改良能够提高冻土力学性能，改善冻土的破坏性能，减小进水通道形成的可能性，并且能够有效提高砂性土冻土抵御水流冲刷融化的能力，从而有效预防管间冻土帷幕止水性的失效，并且可以有效阻止进水通道的扩大，使得用水险情得到有效控制。此外，土体改良还可以有效抑制冻胀融沉效应。土体注浆改良是隧道风险控制的重要手段。土体改良通过原有的管幕内向冻结区域内进行注浆改良，管幕段断面布置七根土体改良注浆管，纵向间距建议1～3m布置一道，改良的浆液视地质情况而定，采用普通水泥水玻璃双液浆，即经济土体改良效果又好，注浆孔位的间距布置和注浆钢花管长度视地质条件及注浆压力而定，宜多布置些注浆管，控制每个注浆管的注浆量，要保持注浆体的均匀性，这样才能保证冻结体的厚度均匀。土体改良注浆布置详见图1。

管幕实管冻结管布置：管幕实管管内布置两根主冻结管和一根加热限位管，实管管幕中心线两腰部位布置两根圆形冻结管为主要的冷源，即主冻结管；在靠近冻土帷幕外边缘的管幕内侧布置加热限位管，通过常温盐水带走多余冷量的方法来控制冻土帷幕的厚度。主冻结管和加热限位管均采用圆形钢管，采用法兰螺栓连接，单节长度视管幕线型和钢管自身重量以方便运输为原则而定，圆形钢管采用固定支座和钢套箍固定在管幕内壁上，使圆形钢管尽量靠近管幕内壁。管幕冻结超前支护体系的隧道长度较短，在100m以内，隧道从工作井两侧相向开挖支护施工，施工时间则较短，主冻结管和加热限位管为单回路，即主冻结管和加热限位管两端都直接连接冻结泵站。管幕冻结超前支护体系的隧道长度较长，在100m以上，隧道从工作井两侧相向开挖支护施工，施工时间则较长，若主冻结管和加热限位管设置为单回路，那么冻结时间长，电力能源消耗高，施工费用大。根据隧道开挖支护施工特点，两端因要形成流水作业工作面，施工速度慢，而隧道中部开挖支护工作已经形成工作面，施工速度快，因此可以将主冻结管和加热限位管分为三段，两端段落较短，中间段落较长，根据隧道开挖支护进度计划设计主冻结管和加热限位管段落的长度，中间段开挖支护时间是端部开挖支护时间的2倍。各段落设计单独的回路，隧道一端形成独立的回路，另一端形成两个独立的回路。隧道一端独立形成冻结管回路由两根主冻结管组成，在段落端头将两根主冻结管连接形成回路；一端独立加热限位管回路由两根钢管组成，一根直径大，一根直径小，小管安装在大管内，一定间距焊接固定，大管端头封堵，小管比大管略短，小管为进水管，大管为出水管形成加热限位管的回路。小管内的截面面积与大管和小管之间形成的圆环截面面积大小大致相等，保证常温水流动顺畅，流量满足设计要求。隧道另一端形成两个独立的回路，冻结管回路由四根主冻结管组成，两根大管，两根小管，小管安装在大管内，一定间距焊接固定，大管和小管之间形成的区域在端部冻结段落端头连接形成端部冻结回路，小管继续向前延伸在中间冻结段落端头连接形成中间段冻结回路。当中间段冻结回路独自运行时，端部冻结段管路中的盐水全部排空，因端部冻结段小管在大管内且之间有空气相隔导热性能差，不会减少中间段主冻结管的冷量。小管内的截面面积、大管和小管之间形成的圆环截面面积大小和流量满足设计要求。加热限位管回路由五根钢管组成，一根大管，一根中管，三根小管，小管安装在大管内，一定间距焊接固定。大管在端部冻结段端头进行封堵，一小管比大管略短一点，小管为进水管，大管为出水管形成端部冻结段加热限位管的回路，小管内的截面面积与大管和三个小管之间形成区域截面面积大小大致相等，保证常温水流动顺畅，流量满足设计要求。大管端头与中管连接，中间采用钢板隔开，中管长度延伸到中间冻结段落端头，另一个小管从大管向中管内继续向前延伸，小管比中管略短一点，该小管为进水管，最后一个小管从大管向中管内伸入一小段，为出水管，小管进水管进水，中管和最后一个小管为出水管从而形成加热限位管的回路。小管内的截面面积与中管和小管之间形成的圆环截面面积大小大致相等，保证常温水流动顺畅，流量满足设计要求。管道安装完成后采用注水加压试验，验证冻结管路的密封性，试验压力应为设计压力的1.15倍，渗漏水处进行标记，及时补焊封堵处理，直至冻结管路全部合格，达到不渗不漏。管幕实管填充微膨胀水泥浆或微膨胀混凝土，微膨胀水泥浆流动性好，施工方便，可一次性回填完成；微膨胀混凝土宜选择自密实、微膨胀、低徐变、低气泡、高流动性的混泥土，采用泵送分段回填，段落的长度根据微膨胀混凝土自身流动性而定，使用钢板进行间隔分区，施工期间应对泵送混凝土的压力进行控制，要求回填密实，否则可能造成管幕变形，从而造成冻结土体开裂，形成漏水通道。管幕实管形成管幕混凝土支撑体系，可增大支撑刚度。管幕实管填充微膨胀水泥浆(微膨胀混凝土)后，主冻结管和加热限位管通过水泥浆凝固体将冷量传递到冻结土体上，最终将管幕间形成冻结止水帷幕。管幕中回填微膨胀水泥浆(微膨胀混凝土)水化热消除后，即温度监控系统显示监测温度同室外温度大致相同时，开启所有的主冻结管进行冻结，满足开挖条件后进行开挖支护，此时两端部冻结段冻结循环盐水温度略低于中间冻结段，当端部冻结段开挖支护全部完成且进入中间冻结段一定长度后(形成冻结土体的搭接)，停止端部冻结段的冻结，当隧道开挖支护全面完成，形成隧道自身的防水体系，停止中间段冻结段的冻结，冻结结束。管幕实管冻结管布置详见图2，圆形钢管固定装置详见图3，隧道冻结端部一个回路侧管幕实管冻结管布置示意图详见图4，隧道冻结端部两个回路侧管幕实管冻结管布置示意图详见图5，隧道冻结中间段管幕实管冻结管布置示意图详见图6，隧道冻结端部一个回路与冻结中间段交接处管幕实管冻结管布置示意图详见图7，隧道冻结端部两个回路与冻结中间段交接处管幕实管冻结管布置示意图详见图8，隧道两端开挖支护时管幕实管冻结管进行示意图详见图9，隧道两端开挖支护完成管幕实管冻结管进行示意图详见图10。

管幕空管冻结管布置：安装两条辅助冻结管和一条主干管，起着加强冻结的作用，抵抗隧道开挖时的帷幕冻体的弱化。两条辅助冻结管布置在管幕中心线两腰部位布置，每节管节为独立的辅助冻结管，两端设法兰盘预留与主干管连接。若管幕为钢制结构，可将由半圆形钢或等边角钢直接焊接在管幕内壁上，让管幕成为辅助冻结管的一部分，冷冻盐水直接接触管幕，让冷量损失更少。辅助冻结管也可以采用预制钢管，采用半圆形钢(等边角钢)与管幕同圆的弧形钢板焊接组成为管，再采用导热胶泥将预制钢管粘合在管壁内侧，焊接固定。这种辅助冻结管可在工厂中集中焊接预制，这样大大增加了工厂化施工程度，较少了人工焊接量，保证了管道的密封质量。若管幕为其它材质结构可采用预制的辅助冻结管，采用导热胶泥将预制钢管粘合在管壁内侧,使用膨胀螺栓和扣件固定。主干管为圆形的钢管，为辅助冻结管提供冷源，布置在管幕空管底部，固定在管幕空管内壁上，固定方式同圆形主冻结管。根据隧道长度合理布置辅助冻结管每组的冻结长度，该长度为每节管节的整数陪，即辅助冻结管每组的冻结长度为几根管节，辅助冻结管每组的冻结长度宜为隧道开挖支护30天施工所能完成的长度，因为辅助冻结管是分段分区开启冻结，抵抗帷幕冻体的弱化需要提前开启30天才可以满足要求，从合理的节约能源角度来看最好将辅助冻结管每组的冻结长度确定为管节的整数陪且略大于隧道开挖支护30天施工所能完成的长度。隧道开挖时工应有两个辅助冻结组在开启状态，即第N个和第N+1个辅助冻结组在开启状态，当开挖支护完成第N个辅助冻结组后及时开启第N+2个辅助冻结组，关闭第N个辅助冻结组，适时保证有两个辅助冻结组处于开启状态，形成辅助冻结搭接。每组的起始和终止端主干管处均安装电动三通球阀，电动三通球阀两端分别安装在两条辅助冻结管，辅助冻结管组中间的辅助冻结管采用防冻橡胶软管连接。防冻橡胶软管直径大小应跟辅助冻结管断面面积大小大致相当，保证冻结盐水循环畅通。电动三通球阀具有关闭严密，结构紧凑，重量轻，维修方便等优点，可远程控制冻结区域段落，可实现介质流向的切换，也可使三个通道相互连通，现时也可关闭任一通道，使另外两个通道连通，辅助冻结管组启用时起始和终止端电动三通球阀主干管处于关闭状态，连接辅助冻结管处于开启状态；辅助冻结管组关闭时起始和终止端电动三通球阀主干管处于开启状态，连接辅助冻结管处于关闭状态，这样就形成可控制的回路。管道安装完成后采用注水加压试验，验证冻结管路的密封性，电动三通球阀全部开启，试验压力应为设计压力的1.15倍，渗漏水处进行标记，及时补焊封堵处理，直至冻结管路全部合格，达到不渗不漏。管幕空管连接工作井两端安装隔热帘幕，减弱空气纵向的流动，减少能量损失。附图说明以半圆形辅助冻结管为例标示施工示意图，管幕空管冻结管布置详见图11、图12，管幕空管辅助冻结管与主干管连接示意图详见图13、图14，管幕空管辅助冻结管与辅助冻结管连接示意图详见图15、图16，管幕空管辅助冻结管组开启冻结状态冷盐水流向控制示意图详见图17，管幕空管辅助冻结管组关闭冻结状态冷盐水流向控制示意图详见图18。

全方位冻土帷幕温度监测：在冻土范围内布置有效的测温孔，采用全自动温度监测系统实现可视化，能及时反应冻土范围，依据监测数据进行调整指导冻结施工参数。冷冻系统安装盐水测温传感器、流量计和压力计，可有效的掌握冻结去、回路盐水温差变化、流量控制和盐水压力控制情况。冻土范围内监测通过空管布置测温电缆，测温电缆顾名思义就是可以对温度的变化进行实时监控的电缆，并且可以测定温度随时变化的幅度，而且监测到的温度是整个被测区域最高的温度。测温电缆布置在管幕空管内，纵向间距建议6～10m布置一道，采用打管设备将温度监测管打入监测区域内，一次打入长度不够采用焊接接管工艺，一段一段打入，直至打到温度监测管设计长度，温度监测管内安装测温电缆。测温电缆一定间距布置测温点，安装温度传感器。测温电缆监测可有效掌握试验管幕间冻土帷幕的发展情况，控制冻土发展范围，监测空顶管管节接头处冻土温度，同时也监测顶管内温度变化。监测系统试运行合格后再进行冻结施工，施工中注意监测系统管线的保护，若有损坏及时在未填充水泥浆空管补设监测点。全方位冻土帷幕温度监测点布置示意图详见图19。

间精准控制冻土帷幕管幕组成：精准控制冻土帷幕的实管和空管，间隔布置，实管内安装主冻结管和限位加热管并填充微膨胀水泥浆，空管内安装辅助冻结管，起着加强冻结的作用，抵抗隧道开挖时的帷幕冻体的弱化，安装测温管，进行全方位冻土帷幕温度监测，适时效掌握试验管幕间冻土帷幕的发展情况。若冻土厚度不足，应降低冻结盐水的温度或延长冻结时间；若冻土厚度过大，应开启加热限位管或略升高冻结盐水的温度减小冻土层的厚度，严格控制冻土发展范围。施工中要及时统计分析数据，得出冻土厚度发展速率，可以简单预测冻土厚度发展情况，冻土厚度达到要求后，若冻土厚度发展过快可略升高冻结盐水的温度，若冻土厚度发展过慢，开挖时冷量损失较多，可略降低冻结盐水的温度，时时控制冻土层的厚度。降低或升高冻结盐水的温度可有效的控制冻土层的厚度，但控制速度较慢不能快速调整冻土的厚度，当冻土厚度发展过快，冻胀影响较大则必须开启加热限位管快速的控制冻土的厚度。施工尽量采用降低或升高冻结盐水的温度来控制冻土层的厚度，这样可以充分的利用能源，减少不必要的能源浪费。管间精准控制冻土帷幕管幕布置示意图详见图20。

融沉注浆：隧道开挖完成，管幕冻结施工结束，需要对冻结土层进行解冻，解冻冻土融化时的就会下沉现象，为了减少融沉对地表沉降的影响，采用注水泥浆液方法进行填充。冻结土层在自然状态下解冻时间较长，靠近地表的冻土融化速度较快，水位昼夜变化较大的区域冻土融化速度较快，从而使土中的孔隙压力增加，常造成斜坡和各种建造物的不稳定。本方法采用人工加热解冻，同时进行跟踪式融沉注浆，以减少融沉对地表沉降的影响。即采用原有的管幕实管管中的两根主冻结管、一根加热限位管和管幕空管中全部的辅助冻结管进行循环常温水，以达到人工强制解冻的目的；融沉注浆管布置在管幕空管内，每个断面布置两个融沉注浆管，纵向间距建议2～5m布置一道，长度要穿透冻土图层厚度。注浆管路分总管和支管，总管采用普通镀锌钢管，支管采用橡胶管，每根支管和总管连接处安装一个阀门，在每个注浆孔处也安装个注浆单向阀门，以便对泥浆的质量进行控制。帷幕管幕融沉注浆管布置示意图详见图21，管幕空管内融沉注浆管路布置示意图详见图22。

一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法依照下列步骤进行：

S1 管节加工制作施工时，管节要预留土体改良注浆孔、温度测温孔、融沉注浆孔，管幕空管内部的辅助冻结管根据管幕自身所在的位置及角度直接焊接在管幕空管管节上；

S2 施工管幕，采用顶管机将管节逐次顶入，最终形成管幕；

S3 安装土体改良注浆管，并区域性的一次性注浆；安装温度测温管；

S4 管幕实管内安装主冻结管和加热限位管，管路检查合格后回填微膨胀水泥浆；管幕空管内根据辅助冻结管组长度分别安装冻结盐水主干管和电动三通球阀，并采用防冻橡胶软管连接冻结盐水主干管与辅助冻结管，并检查管路是否合格。

S5 安装盐水测温传感器、流量计和压力计、测温管和测温点等仪器，建立全自动温度监测系统，并实现冻土监测可视化，并试运行温度监测系统是否合格。管幕空管两端安装隔热帘幕。

S6 调试冻结系统，冻结系统运转正常后开启主冻结管进行帷幕冻结，隧道开挖前30天开启辅助冻结管进行辅助冻结，温度监测系统监测冻土厚度达到设计厚度时可以进行隧道开挖。

S7 冻结开始后进行全方位冻土帷幕温度监测，隧道开挖施工中适时效掌握试验管幕间冻土帷幕的发展情况，若冻土厚度不足，应降低冻结盐水的温度或延长冻结时间；若冻土厚度过大，应开启加热限位管或略升高冻结盐水的温度减小冻土层的厚度，严格控制冻土发展范围。

S8 当隧道两端开挖支护完成后，可以关闭两端的主冻结管，中间段的主冻结管继续开启。空管中辅助冻结管组段，当隧道开挖前进行开启，当隧道支护完成后进行关闭该段辅助冻结管。

S9 隧道整体开挖支护完成形成了自身的防水体系后，关闭所有的冷冻管，安装融沉注浆管。

S10 管幕主冻结管、加热限位管、辅助冻结管进行循环常温水进行人工加热解冻，同时进行跟踪式融沉注浆。融沉注浆结束后回填微膨胀水泥浆，工程结束。

整个施工方法的实施特征如下，土体改良；管幕实管冻结管布置；管幕空管冻结管布置；全方位冻土帷幕温度监测；间精准控制冻土帷幕管幕组成；融沉注浆。

本发明具有如下的优点和积极效果：

1、本精准控制冻土帷幕的工方法采用土体改良技术能够提高冻土力学性能，改善冻土的破坏性能，可有效预防管间冻土帷幕止水性的失效，还可以有效抑制冻胀融沉效应。

2、本精准控制冻土帷幕的工方法设置实管和空管两种，实管为冻结帷幕的主要冷源，可独自形成冻结帷幕，空管为辅助冻结，起着加强冻结的作用，抵抗隧道开挖时的帷幕冻体的弱化。

3、本精准控制冻土帷幕的工方法在实管内管幕冻土隧道开挖的外侧设计了一个加热限位管，当管幕冻土厚度过大时，通入常温水带走多余的冷量可有效的减少管幕冻土厚度。

4、本精准控制冻土帷幕的工方法建立全自动温度监测系统，并实现冻土监测可视化，能及时放映冻土范围，依据监测数据调整指导进行冻结施工参数，形成动态施工，达到精准控制冻土帷幕目的。

5、本精准控制冻土帷幕的工方法实管主冻结管可分为三段，当隧道两端开挖支护完成后，可以关闭两端的主冻结管。空管设置了几个辅助冻结管组段，当隧道开挖前进行开启，当隧道支护完成后进行关闭，这均可减少不不要的能源消耗，有助于节能环保。

6、本精准控制冻土帷幕的工方法采用循环常温水进行人工加热解冻，同时进行跟踪式融沉注浆，可有效的减少解冻融沉对地表变形的影响。

7、本精准控制冻土帷幕的施工方法安全、可靠、实用。

附图说明

图1是一种管间精准控制冻土帷幕土体改良注浆布置示意图。

图2是一种管间精准控制冻土帷幕管幕实管冻结管布置示意图。

图3是一种管间精准控制冻土帷幕圆形钢管固定装置示意图。

图4是一种管间精准控制冻土帷幕隧道冻结端部一个回路侧管幕实管冻结管布置示意图。

图5是一种管间精准控制冻土帷幕隧道冻结端部两个回路侧管幕实管冻结管布置示意图。

图6是一种管间精准控制冻土帷幕隧道冻结中间段管幕实管冻结管布置示意图。

图7是一种管间精准控制冻土帷幕隧道冻结端部一个回路与冻结中间段交接处管幕实管冻结管布置示意图。

图8是一种管间精准控制冻土帷幕隧道冻结端部两个回路与冻结中间段交接处管幕实管冻结管布置示意图。

图9是一种管间精准控制冻土帷幕隧道两端开挖支护时管幕实管冻结管进行示意图。

图10是一种管间精准控制冻土帷幕隧道两端开挖支护完成管幕实管冻结管进行示意图。

图11是一种管间精准控制冻土帷幕管幕空管冻结管布置断面示意图。

图12是一种管间精准控制冻土帷幕管幕空管冻结管布置平面示意图。

图13是一种管间精准控制冻土帷幕管幕空管辅助冻结管与主干管连接断面示意图。

图14是一种管间精准控制冻土帷幕管幕空管辅助冻结管与主干管连接剖面示意图。

图15是一种管间精准控制冻土帷幕管幕空管辅助冻结管与辅助冻结管连接断面示意图。

图16是一种管间精准控制冻土帷幕管幕空管辅助冻结管与辅助冻结管连接剖面示意图。

图17是一种管间精准控制冻土帷幕管幕空管辅助冻结管组开启冻结状态冷盐水流向控制示意图。

图18是一种管间精准控制冻土帷幕管幕空管辅助冻结管组关闭冻结状态冷盐水流向控制示意图。

图19是一种管间精准控制冻土帷幕管幕全方位冻土帷幕温度监测点布置示意图。

图20是一种管间精准控制冻土帷幕管幕布置示意图。

图21是一种管间精准控制冻土帷幕管幕融沉注浆管布置示意图。

图22是一种管间精准控制冻土帷幕管幕空管内融沉注浆管路布置示意图。

图中：1-管幕实管，2-管幕空管，3-实管填充微膨胀水泥浆，4-冻结体厚度边界，5-土体改良注浆管，6-主冻结管，7-加热限位管，8-隧道开挖侧，9-冻土，10-固定支座，11-钢套箍，12-连接法兰，13-隧道冻结端部一个回路侧加热限位管大管，14-隧道冻结端部一个回路侧加热限位管小管，15-隧道冻结端部一个回路侧冻结回路连接管，16-隧道冻结端部两个回路侧加热限位管大管，17-隧道冻结端部两个回路侧端部加热限位管进水小管，18-隧道冻结端部两个回路侧中间段加热限位管进水小管，19-隧道冻结端部两个回路侧中间段加热限位管出水小管，20-隧道冻结端部两个回路侧主冻结管大管，21-隧道冻结端部两个回路侧主冻结管小管，22-隧道冻结端部两个回路侧端部冻结回路连接管，23-隧道中间段加热限位管中管(出水)，24-隧道中间段冻结回路连接管，25-端头封堵钢板26-变径法兰，27-变径法兰内设隔板，28冷冻站，29-隧道开挖支护完成区域，30-隧道未开挖区域，31-辅助冻结管，32-冻结盐水主干管，33-管节连接段，34-电动三通球阀，35-防冻橡胶软管，36-测温管，37-测温点，38-融沉注浆管，39-注浆总管，40-注浆支管，41-阀门。

具体实施方式

一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法依照下列步骤进行：

S1 管节加工制作施工时，管节要预留土体改良注浆孔、温度测温孔、融沉注浆孔，管幕空管内部的辅助冻结管31根据管幕自身所在的位置及角度直接焊接在管幕空管管节上；

S2 施工管幕，采用顶管机将管节逐次顶入，最终形成管幕；

S3 安装土体改良注浆管5，并区域性的一次性注浆；安装温度测温管；

S4 管幕实管1内安装主冻结管6和加热限位管7，管路检查合格后回填微膨胀水泥浆3；管幕空管2内根据辅助冻结管组长度分别安装冻结盐水主干管32和电动三通球阀34，并采用防冻橡胶软管35连接冻结盐水主干管32与辅助冻结管31，并检查管路是否合格。

S5 安装盐水测温传感器、流量计和压力计、测温管36和测温点37等仪器，建立全自动温度监测系统，并实现冻土监测可视化，并试运行温度监测系统是否合格。管幕空管2两端安装隔热帘幕。

S6 调试冻结系统，冻结系统运转正常后开启主冻结管6进行帷幕冻结，隧道开挖前30天开启辅助冻结管31进行辅助冻结，温度监测系统监测冻土厚度达到设计厚度时可以进行隧道开挖。

S7 冻结开始后进行全方位冻土帷幕温度监测，隧道开挖施工中适时效掌握试验管幕间冻土帷幕的发展情况，若冻土厚度不足，应降低冻结盐水的温度或延长冻结时间；若冻土厚度过大，应开启加热限位管7或略升高冻结盐水的温度减小冻土层的厚度，严格控制冻土发展范围。

S8 当隧道两端开挖支护完成后，可以关闭两端的主冻结管，中间段的主冻结管继续开启。空管中辅助冻结管组段，当隧道开挖前进行开启，当隧道支护完成后进行关闭该段辅助冻结管31。

S9 隧道整体开挖支护完成形成了自身的防水体系后，关闭所有的冷冻管，安装融沉注浆管。

S10 管幕主冻结管6、加热限位管7、辅助冻结管31进行循环常温水进行人工加热解冻，同时进行跟踪式融沉注浆。融沉注浆结束后回填微膨胀水泥浆，工程结束。

Claims (5)

1.一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法，其特征在于：该方法依照下列步骤进行，

S1管节加工制作施工时，管节要预留土体改良注浆孔、温度测温孔、融沉注浆孔，管幕空管内部的辅助冻结管根据管幕自身所在的位置及角度直接焊接在管幕空管管节上；

S2施工管幕，采用顶管机将管节逐次顶入，最终形成管幕；

S3安装土体改良注浆管，并区域性的一次性注浆；安装温度测温管；

S4管幕实管内安装主冻结管和加热限位管，管路检查合格后回填微膨胀水泥浆；管幕空管内根据辅助冻结管组长度分别安装冻结盐水主干管和电动三通球阀，并采用防冻橡胶软管连接冻结盐水主干管与辅助冻结管，并检查管路是否合格；

S5安装盐水测温传感器、流量计和压力计、测温管和测温点等仪器，建立全自动温度监测系统，并实现冻土监测可视化，并试运行温度监测系统是否合格；管幕空管两端安装隔热帘幕；

S6调试冻结系统，冻结系统运转正常后开启主冻结管进行帷幕冻结，隧道开挖前开启辅助冻结管进行辅助冻结，温度监测系统监测冻土厚度达到设计厚度时进行隧道开挖；

S7冻结开始后进行全方位冻土帷幕温度监测，隧道开挖施工中适时效掌握试验管幕间冻土帷幕的发展情况，若冻土厚度不足，应降低冻结盐水的温度或延长冻结时间；若冻土厚度过大，应开启加热限位管或略升高冻结盐水的温度减小冻土层的厚度，严格控制冻土发展范围；

S8当隧道两端开挖支护完成后，关闭两端的主冻结管，中间段的主冻结管继续开启；空管中辅助冻结管组段，当隧道开挖前进行开启，当隧道支护完成后进行关闭该段辅助冻结管；

S9隧道整体开挖支护完成形成了自身的防水体系后，关闭所有的冷冻管，安装融沉注浆管；

S10管幕主冻结管、加热限位管、辅助冻结管进行循环常温水进行人工加热解冻，同时进行跟踪式融沉注浆；融沉注浆结束后回填微膨胀水泥浆，工程结束；

整个施工方法的实施特征如下，土体改良；管幕实管冻结管布置；管幕空管冻结管布置；全方位冻土帷幕温度监测；间精准控制冻土帷幕管幕组成；融沉注浆；

土体改良：土体改良即用水泥浆改良需要冻结的地层；对土层进行水泥注浆改良，不但改善原状土和扰动土的力学性能，而且提高冻土力学性能；对于管幕冻结而言，土体改良能够提高冻土力学性能，改善冻土的破坏性能，减小进水通道形成的可能性，并且能够有效提高砂性土冻土抵御水流冲刷融化的能力，从而有效预防管间冻土帷幕止水性的失效，并且有效阻止进水通道的扩大，使得用水险情得到有效控制；此外，土体改良还有效抑制冻胀融沉效应；土体注浆改良是隧道风险控制的重要手段；土体改良通过原有的管幕内向冻结区域内进行注浆改良，管幕段断面布置七根土体改良注浆管，纵向间距1～3m布置一道，改良的浆液视地质情况而定，采用普通水泥水玻璃双液浆，即经济土体改良效果又好，注浆孔位的间距布置和注浆钢花管长度视地质条件及注浆压力而定，多布置注浆管并控制每个注浆管的注浆量，要保持注浆体的均匀性，这样才能保证冻结体的厚度均匀；

管幕实管冻结管布置：管幕实管管内布置两根主冻结管和一根加热限位管，实管管幕中心线两腰部位布置两根圆形冻结管为主要的冷源，即主冻结管；在靠近冻土帷幕外边缘的管幕内侧布置加热限位管，通过常温盐水带走多余冷量的方法来控制冻土帷幕的厚度；主冻结管和加热限位管均采用圆形钢管，采用法兰螺栓连接，单节长度视管幕线型和钢管自身重量以方便运输为原则而定，圆形钢管采用固定支座和钢套箍固定在管幕内壁上，使圆形钢管尽量靠近管幕内壁；管幕冻结超前支护体系的隧道长度较短，在100m以内，隧道从工作井两侧相向开挖支护施工，施工时间则较短，主冻结管和加热限位管为单回路，即主冻结管和加热限位管两端都直接连接冻结泵站；管幕冻结超前支护体系的隧道长度较长，在100m以上，隧道从工作井两侧相向开挖支护施工，施工时间则较长，若主冻结管和加热限位管设置为单回路，那么冻结时间长，电力能源消耗高，施工费用大；根据隧道开挖支护施工特点，两端因要形成流水作业工作面，施工速度慢，而隧道中部开挖支护工作已经形成工作面，施工速度快，因此将主冻结管和加热限位管分为三段，两端段落较短，中间段落较长，根据隧道开挖支护进度计划设计主冻结管和加热限位管段落的长度，中间段开挖支护时间是端部开挖支护时间的2倍；各段落设计单独的回路，隧道一端形成独立的回路，另一端形成两个独立的回路；隧道一端独立形成冻结管回路由两根主冻结管组成，在段落端头将两根主冻结管连接形成回路；一端独立加热限位管回路由两根钢管组成，一根直径大，一根直径小，小管安装在大管内，一定间距焊接固定，大管端头封堵，小管比大管略短，小管为进水管，大管为出水管形成加热限位管的回路；小管内的截面面积与大管和小管之间形成的圆环截面面积大小大致相等，保证常温水流动顺畅，流量满足设计要求；隧道另一端形成两个独立的回路，冻结管回路由四根主冻结管组成，两根大管，两根小管，小管安装在大管内，一定间距焊接固定，大管和小管之间形成的区域在端部冻结段落端头连接形成端部冻结回路，小管继续向前延伸在中间冻结段落端头连接形成中间段冻结回路；当中间段冻结回路独自运行时，端部冻结段管路中的盐水全部排空，因端部冻结段小管在大管内且之间有空气相隔导热性能差，不会减少中间段主冻结管的冷量；小管内的截面面积、大管和小管之间形成的圆环截面面积大小和流量满足设计要求；加热限位管回路由五根钢管组成，一根大管，一根中管，三根小管，小管安装在大管内，一定间距焊接固定；大管在端部冻结段端头进行封堵，一小管比大管略短一点，小管为进水管，大管为出水管形成端部冻结段加热限位管的回路，小管内的截面面积与大管和三个小管之间形成区域截面面积大小大致相等，保证常温水流动顺畅，流量满足设计要求；大管端头与中管连接，中间采用钢板隔开，中管长度延伸到中间冻结段落端头，另一个小管从大管向中管内继续向前延伸，小管比中管略短一点，该小管为进水管，最后一个小管从大管向中管内伸入一小段，为出水管，小管进水管进水，中管和最后一个小管为出水管从而形成加热限位管的回路；小管内的截面面积与中管和小管之间形成的圆环截面面积大小大致相等，保证常温水流动顺畅，流量满足设计要求；管道安装完成后采用注水加压试验，验证冻结管路的密封性，试验压力应为设计压力的1.15倍，渗漏水处进行标记，及时补焊封堵处理，直至冻结管路全部合格，达到不渗不漏；管幕实管填充微膨胀水泥浆或微膨胀混凝土，微膨胀水泥浆流动性好，施工方便，可一次性回填完成；微膨胀混凝土选择自密实、微膨胀、低徐变、低气泡、高流动性的混泥土，采用泵送分段回填，段落的长度根据微膨胀混凝土自身流动性而定，使用钢板进行间隔分区，施工期间应对泵送混凝土的压力进行控制，要求回填密实，否则可能造成管幕变形，从而造成冻结土体开裂，形成漏水通道；管幕实管形成管幕混凝土支撑体系，可增大支撑刚度；管幕实管填充微膨胀水泥浆或微膨胀混凝土后，主冻结管和加热限位管通过水泥浆凝固体将冷量传递到冻结土体上，最终将管幕间形成冻结止水帷幕；管幕中回填微膨胀水泥浆或微膨胀混凝土水化热消除后，即温度监控系统显示监测温度同室外温度大致相同时，开启所有的主冻结管进行冻结，满足开挖条件后进行开挖支护，此时两端部冻结段冻结循环盐水温度略低于中间冻结段，当端部冻结段开挖支护全部完成且进入中间冻结段一定长度后即形成冻结土体的搭接，停止端部冻结段的冻结，当隧道开挖支护全面完成，形成隧道自身的防水体系，停止中间段冻结段的冻结，冻结结束。

2.根据权利要求1所述的一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法，其特征在于：管幕空管冻结管布置：安装两条辅助冻结管和一条主干管，起着加强冻结的作用，抵抗隧道开挖时的帷幕冻体的弱化；两条辅助冻结管布置在管幕中心线两腰部位布置，每节管节为独立的辅助冻结管，两端设法兰盘预留与主干管连接；若管幕为钢制结构，可将由半圆形钢或等边角钢直接焊接在管幕内壁上，让管幕成为辅助冻结管的一部分，冷冻盐水直接接触管幕，让冷量损失更少；辅助冻结管也采用预制钢管，采用半圆形钢或等边角钢与管幕同圆的弧形钢板焊接组成为管，再采用导热胶泥将预制钢管粘合在管壁内侧，焊接固定；这种辅助冻结管可在工厂中集中焊接预制，这样大大增加了工厂化施工程度，较少了人工焊接量，保证了管道的密封质量；若管幕为其它材质结构可采用预制的辅助冻结管，采用导热胶泥将预制钢管粘合在管壁内侧,使用膨胀螺栓和扣件固定；主干管为圆形的钢管，为辅助冻结管提供冷源，布置在管幕空管底部，固定在管幕空管内壁上，固定方式同圆形主冻结管；根据隧道长度合理布置辅助冻结管每组的冻结长度，该长度为每节管节的整数陪，即辅助冻结管每组的冻结长度为几根管节，辅助冻结管每组的冻结长度为隧道开挖支护30天施工所能完成的长度，因为辅助冻结管是分段分区开启冻结，抵抗帷幕冻体的弱化需要提前开启30天才满足要求，从合理的节约能源角度来看将辅助冻结管每组的冻结长度确定为管节的整数陪且略大于隧道开挖支护30天施工所能完成的长度；隧道开挖时应有两个辅助冻结组在开启状态，即第N个和第N+1个辅助冻结组在开启状态，当开挖支护完成第N个辅助冻结组后及时开启第N+2个辅助冻结组，关闭第N个辅助冻结组，适时保证有两个辅助冻结组处于开启状态，形成辅助冻结搭接；每组的起始和终止端主干管处均安装电动三通球阀，电动三通球阀两端分别安装在两条辅助冻结管，辅助冻结管组中间的辅助冻结管采用防冻橡胶软管连接；防冻橡胶软管直径大小应跟辅助冻结管断面面积大小大致相当，保证冻结盐水循环畅通；电动三通球阀具有关闭严密，结构紧凑，重量轻，维修方便优点，可远程控制冻结区域段落，可实现介质流向的切换，也可使三个通道相互连通，现时也可关闭任一通道，使另外两个通道连通，辅助冻结管组启用时起始和终止端电动三通球阀主干管处于关闭状态，连接辅助冻结管处于开启状态；辅助冻结管组关闭时起始和终止端电动三通球阀主干管处于开启状态，连接辅助冻结管处于关闭状态，这样就形成可控制的回路；管道安装完成后采用注水加压试验，验证冻结管路的密封性，电动三通球阀全部开启，试验压力应为设计压力的1.15倍，渗漏水处进行标记，及时补焊封堵处理，直至冻结管路全部合格，达到不渗不漏；管幕空管连接工作井两端安装隔热帘幕，减弱空气纵向的流动，减少能量损失。

3.根据权利要求1所述的一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法，其特征在于：全方位冻土帷幕温度监测：在冻土范围内布置有效的测温孔，采用全自动温度监测系统实现可视化，能及时反应冻土范围，依据监测数据进行调整指导冻结施工参数；冷冻系统安装盐水测温传感器、流量计和压力计，可有效的掌握冻结去、回路盐水温差变化、流量控制和盐水压力控制情况；冻土范围内监测通过空管布置测温电缆，测温电缆顾名思义就是对温度的变化进行实时监控的电缆，并且测定温度随时变化的幅度，而且监测到的温度是整个被测区域最高的温度；测温电缆布置在管幕空管内，纵向间距6～10m布置一道，采用打管设备将温度监测管打入监测区域内，一次打入长度不够采用焊接接管工艺，一段一段打入，直至打到温度监测管设计长度，温度监测管内安装测温电缆；测温电缆一定间距布置测温点，安装温度传感器；测温电缆监测可有效掌握试验管幕间冻土帷幕的发展情况，控制冻土发展范围，监测空顶管管节接头处冻土温度，同时也监测顶管内温度变化；监测系统试运行合格后再进行冻结施工，施工中注意监测系统管线的保护，若有损坏及时在未填充水泥浆空管补设监测点。

4.根据权利要求1所述的一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法，其特征在于：间精准控制冻土帷幕管幕组成：精准控制冻土帷幕的实管和空管，间隔布置，实管内安装主冻结管和限位加热管并填充微膨胀水泥浆，空管内安装辅助冻结管，起着加强冻结的作用，抵抗隧道开挖时的帷幕冻体的弱化，安装测温管，进行全方位冻土帷幕温度监测，适时效掌握试验管幕间冻土帷幕的发展情况；若冻土厚度不足，应降低冻结盐水的温度或延长冻结时间；若冻土厚度过大，应开启加热限位管或略升高冻结盐水的温度减小冻土层的厚度，严格控制冻土发展范围；施工中要及时统计分析数据，得出冻土厚度发展速率，简单预测冻土厚度发展情况，冻土厚度达到要求后，若冻土厚度发展过快可略升高冻结盐水的温度，若冻土厚度发展过慢，开挖时冷量损失较多，可略降低冻结盐水的温度，时时控制冻土层的厚度；降低或升高冻结盐水的温度可有效的控制冻土层的厚度，但控制速度较慢不能快速调整冻土的厚度，当冻土厚度发展过快，冻胀影响较大则必须开启加热限位管快速的控制冻土的厚度；施工尽量采用降低或升高冻结盐水的温度来控制冻土层的厚度，这样充分的利用能源，减少不必要的能源浪费。

5.根据权利要求1所述的一种管间精准控制冻土帷幕的施工方法，其特征在于：融沉注浆：隧道开挖完成，管幕冻结施工结束，需要对冻结土层进行解冻，解冻冻土融化时就会出现下沉现象，为了减少融沉对地表沉降的影响，采用注水泥浆液方法进行填充；冻结土层在自然状态下解冻时间较长，靠近地表的冻土融化速度较快，水位昼夜变化较大的区域冻土融化速度较快，从而使土中的孔隙压力增加，常造成斜坡和各种建造物的不稳定；本方法采用人工加热解冻，同时进行跟踪式融沉注浆，以减少融沉对地表沉降的影响；即采用原有的管幕实管管中的两根主冻结管、一根加热限位管和管幕空管中全部的辅助冻结管进行循环常温水，以达到人工强制解冻的目的；融沉注浆管布置在管幕空管内，每个断面布置两个融沉注浆管，纵向间距2～5m布置一道，长度要穿透冻土层厚度；注浆管路分总管和支管，总管采用普通镀锌钢管，支管采用橡胶管，每根支管和总管连接处安装一个阀门，在每个注浆孔处也安装个注浆单向阀门，以便对泥浆的质量进行控制。