CN110566210A - 分段错时空水平冻结器及冻结方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开分段错时空水平冻结器及冻结方法，包括冻结管、第一进液管、第二进液管；第一进液管的第一端自冻结管的第二端伸入到冻结管内，冻结管内侧管壁与第一进液管外侧管壁形成第一回液环形空间，并且第一进液管的第二端位于冻结管外；第二进液管的第一端自第一进液管的第二端伸入到第一进液管内，并且第二进液管的第二端位于第一进液管外，第一进液管的内侧壁与第二进液管的外侧壁形成第二回液环形空间。利用本发明的分段错时空水平冻结器及冻结方法，在满足冻结壁使用功能的条件下，在时间和空间上尽量减少冻土体量，严格控制冻土体量，使冻胀融沉控制在一定范围内，从而有效的减少了地层的冻胀，对周边环境干扰的问题。
Description
技术领域
本发明涉及冻结法施工技术领域。具体地说是分段错时空水平冻结器及冻结方法。
背景技术
随着城市轨道交通的快速发展，地铁线路建设已呈网络化，地铁线路立体交叉，新建地铁隧道穿越既有运营车站工况越来越多，复杂环境下地铁隧道与车站相互交叉穿越施工已成为地下工程界所面临的重要技术问题。
地铁车站交叉穿越最理想的方式是新车站行车层的顶板直接与既有车站底板接触，即零距离穿越，这样两车站的换乘距离最短。由于既有车站底板下方在深基坑施工过程中，均有围护结构(地下连续墙或钻孔灌注桩)或型钢混凝土抗浮桩等障碍物，盾构法难以实施，只能采用矿山法。在富水软土地层中采用矿山法施工地铁隧道，必须预先对地层进行加固，在加固后相对稳定的地层中开挖构筑。但富水软土地层，尤其流沙层，一般工法难以解决地下水渗流管涌问题，开挖围岩的不稳定势必引起上部既有运营车站机构变形，产生严重的环境效应。而人工地层冻结法以其加固土体强度高、均匀性好、封水效果佳、环境影响小等优势，在软土隧道加固封水方面发挥其他工法难以替代的作用。
采用冻结暗挖施工，冻结法在发挥其积极作用的同时，也会对穿越结构产生不同程度的负面影响，即土体冻胀效应。土体冻结时间越长，冻胀越大，后期融沉越大。
采用传统的冻结方式及控制冻胀的措施会对地下管线、地面及建筑物产生较大的影响，冻胀难以控制，因冻胀引起的地表隆起往往超过100mm。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种解决冻胀问题的分段错时空水平冻结器及冻结方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
分段错时空水平冻结器，包括冻结管、第一进液管、第二进液管；所述第一进液管的第一端自所述冻结管的第二端伸入到所述冻结管内，所述冻结管内侧管壁与所述第一进液管外侧管壁形成第一回液环形空间，并且所述第一进液管的第二端位于所述冻结管外；所述第二进液管的第一端自所述第一进液管的第二端伸入到第一进液管内，并且所述第二进液管的第二端位于所述第一进液管外，所述第一进液管的内侧壁与所述第二进液管的外侧壁形成第二回液环形空间。
上述分段错时空水平冻结器，所述冻结管的第二端的管壁上焊接有回液管，所述冻结管的第二端的管壁上还焊接有放液管，所述冻结管分别与所述回液管和所述放液管流体导通；位于所述冻结管外的所述第一进液管的第二端的管壁上焊接有第一送液管，所述第一进液管与所述第一送液管流体导通；位于所述第一进液管外的所述第二进液管的第二端的管壁上分别焊接有第二送液管和放气管；所述第二进液管分别与所述第二送液管和放气管流体导通。
上述分段错时空水平冻结器，所述回液管安装有第三阀门，所述放液管安装有第六阀门；所述回液管上安装有回液支管，且所述回液支管通过所述第三阀门与所述冻结管流体导通；所述第一送液管上安装有第一送液支管，所述第一送液支管与所述回液支管通过第二阀门流体导通，所述冻结管的第二端依次通过所述回液管回液入口端、所述第三阀门、所述回液管回液出口端、所述回液支管、所述第二阀门、所述第一送液支管、以及所述第一送液管与所述第一进液管的第二端流体导通；所述第一送液管上安装有第一阀门，所述第二送液管上安装有第四阀门，所述第一进液管的第二端依次通过所述第一送液管、所述第一阀门、所述第二送液管供液端、所述第四阀门、以及所述第二送液管送液端与所述第二进液管的第二端流体导通；所述放气管上设有第五阀门。
上述分段错时空水平冻结器，所述冻结管为Φ108*10的无缝钢管，所述第一进液管为Φ73*4的钢管，所述第二进液管为Φ53*4的钢管，所述回液管、所述放液管、所述第一送液管、所述第二送液管和所述放气管均为Φ48*4钢管；所述冻结管的管壁外表面包裹有聚乙烯保温管。
上述分段错时空水平冻结器，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门均为DN40闸阀。
分段错时空水平冻结方法，在地铁隧道下穿车站冻结法施工中，新建车站主体维护结构称为A墙、已建车站东侧主体维护结构称为B墙、已建车站西侧主体维护结构称为C墙以及已建车站出入口维护结构称为D墙；分成3段开挖：AB段、BC段和CD段，开挖完一段，支护完成一段，使用权利要求1-6中任一所述的分段错时空水平冻结器分别对AB段、BC段和CD段进行分段错时空冻结，控制冻土体量，具体包括如下步骤：
(1)分段错时空AB段进行冻结；
(2)分段错时空BC段进行冻结；
(3)分段错时空CD段进行冻结。
上述分段错时空水平冻结方法，在步骤(1)中，
(1-1)分段错时空水平冻结器的第一进液管作为进液管，下放至B墙；
(1-2)打开第一阀门和第三阀门，其余阀门闭合；
(1-3)盐水自第二送液管入口进入，然后依次流经第一送液管入口端、所述第一阀门和第一送液管出口端进入第一进液管，再通过第二回液环形空间流入冻结管内；
(1-4)盐水依次经第一回液环形空间、回液管回液入口端、第三阀门、以及回液管回液出口端流出，完成盐水循环。
上述分段错时空水平冻结方法，在步骤(2)中，
(2-1)分段错时空水平冻结器的第二进液管下放至C墙，第一进液管下放至B墙；第二进液管作为进液管，第一进液管作为回液管；
(2-2)打开第四阀门和第二阀门，其余阀门关闭；
(2-3)盐水自第二送液管入口进入，然后依次流经第二送液管供液端、第四阀门和第二送液管送液端，并通过所述第二进液管的第二端流入冻结管内；
(2-4)盐水依次通过第二回液环形空间、第一送液管第一送液支管、第二阀门、回液支管以及回液管回液出口端流出，完成盐水的循环。
上述分段错时空水平冻结方法，在步骤(3)中，
(3-1)第二进液管下放至D墙，第一进液管下放至C墙；第二进液管作为进液管，第一进液管作为回液管；
(3-2)打开第四阀门和第二阀门，其余阀门关闭；
(3-3)盐水自第二送液管入口进入，然后依次经过第二送液管供液端、第四阀门、第二送液管送液端、以及第二进液管的第二端流入冻结管内；
(3-4)盐水依次通过第二回液环形空间、第一送液管、第一送液支管、第二阀门、回液支管以及回液管回液出口端流出，完成盐水的循环。
上述分段错时空水平冻结方法，冻结施工完毕，打开第五阀门和第六阀门，其余阀门关闭；盐水依次经过放液管和第六阀门流出，并用盐水箱进行收集；通过第五阀门和放气管放气，冻结管内的盐水通过第六阀门完全流出并收集。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
本发明利用本发明的分段错时空水平冻结器及冻结方法，其原理在于利用冻结器和工艺的改善，在满足冻结壁使用功能的条件下，在时间和空间上尽量减少冻土体量，严格控制冻土体量，使冻胀融沉控制在一定范围内，从而有效的减少了地层的土体冻胀，进而减少了对周边环境的影响。在满足冻结壁使用功能的条件下，在时间和空间上尽量减少冻土体量，严格控制冻土体量，使冻胀融沉控制在一定范围内。
附图说明
图1新建隧道与既有车站位置关系剖面图；
图2本发明分段错时空水平冻结器的冻结AB段冻结器的径向剖视结构示意图；
图3本发明分段错时空水平冻结器的冻结BC段冻结器的径向剖视结构示意图；
图4本发明分段错时空水平冻结器的冻结CD段冻结器的径向剖视结构示意图。
图中附图标记表示为：1-冻结管；2-第一进液管；3-第二进液管；4-第一回液环形空间；5-第二回液环形空间；1-1-回液管；1-2-放液管；1-3-回液支管；2-1-第一送液管；2-2-第一送液支管；3-1-第二送液管；3-2-放气管；6-1-第一阀门；6-2-第二阀门；6-3-第三阀门；6-4-第四阀门；6-5-第五阀门；6-6-第六阀门。
具体实施方式
如图1所示，以某工程为例，新建隧道上下行线隧道自东向西需依次穿越新建车站主体维护结构(称A墙)、已建车站东侧主体维护结构(称B墙)、已建车站西侧主体维护结构(称C墙)以及已建车站出入口维护结构(称D墙)。维护结构均为地下连续墙，A墙厚度为1200mm，其余墙厚度为800mm，属钢混结构。
实施例1
如图2所示，分段错时空水平冻结器包括冻结管1、第一进液管2、第二进液管3；所述第一进液管2的第一端自所述冻结管1的第二端伸入到所述冻结管1内，所述冻结管1内侧管壁与所述第一进液管2外侧管壁形成第一回液环形空间4，并且所述第一进液管2的第二端位于所述冻结管1外；所述第二进液管3的第一端自所述第一进液管2的第二端伸入到第一进液管2内，并且所述第二进液管3的第二端位于所述第一进液管2外，所述第一进液管2的内侧壁与所述第二进液管3的外侧壁形成第二回液环形空间5。
所述冻结管1的第二端的管壁上焊接有回液管1-1，所述冻结管1的第二端的管壁上还焊接有放液管1-2，所述冻结管1分别与所述回液管1-1和所述放液管1-2流体导通；位于所述冻结管1外的所述第一进液管2的第二端的管壁上焊接有第一送液管2-1，所述第一进液管2与所述第一送液管2-1流体导通；位于所述第一进液管2外的所述第二进液管3的第二端的管壁上分别焊接有第二送液管3-1和放气管3-2；所述第二进液管3分别与所述第二送液管3-1和放气管3-2流体导通。
所述回液管1-1安装有第三阀门6-3，所述放液管1-2安装有第六阀门6-6；所述回液管1-1上安装有回液支管1-3，且所述回液支管1-3通过所述第三阀门6-3与所述冻结管1流体导通；所述第一送液管2-1上安装有第一送液支管2-2，所述第一送液支管2-2与所述回液支管1-3通过第二阀门6-2流体导通，所述冻结管1的第二端依次通过所述回液管1-1回液入口端、所述第三阀门6-3、所述回液管1-1回液出口端、所述回液支管1-3、所述第二阀门6-2、所述第一送液支管2-2、以及所述第一送液管2-1与所述第一进液管2的第二端流体导通；所述第一送液管2-1上安装有第一阀门6-1，所述第二送液管3-1上安装有第四阀门6-4，所述第一进液管2的第二端依次通过所述第一送液管2-1、所述第一阀门6-1、所述第二送液管3-1供液端、所述第四阀门6-4、以及所述第二送液管3-1送液端与所述第二进液管3的第二端流体导通；所述放气管3-2上设有第五阀门6-5。
在本实施例中，所述冻结管1为Φ108*10的无缝钢管，所述第一进液管2为Φ73*4的钢管，所述第二进液管3为Φ53*4的钢管，所述回液管1-1、所述放液管1-2、所述第一送液管2-1、所述第二送液管3-1和所述放气管3-2均为Φ48*4钢管；所述冻结管1的管壁外表面包裹有聚乙烯保温管。所述第一阀门6-1、第二阀门6-2、第三阀门6-3、第四阀门6-4、第五阀门6-5和第六阀门6-6均为DN40闸阀。
实施例2
分段错时空水平冻结方法，在地铁隧道下穿车站冻结法施工中，新建车站主体维护结构称为A墙、已建车站东侧主体维护结构称为B墙、已建车站西侧主体维护结构称为C墙以及已建车站出入口维护结构称为D墙；分成3段开挖：AB段、BC段和CD段，开挖完一段，支护完成一段，使用实施例1中所述的分段错时空水平冻结器分别对AB段、BC段和CD段进行分段错时空冻结，控制冻土体量，具体包括如下步骤：
(1)分段错时空对AB段进行冻结(如图2所示)
(1-1)分段错时空水平冻结器的第一进液管2作为进液管，下放至B墙；
(1-2)打开第一阀门6-1和第三阀门6-3，其余阀门闭合；
(1-3)盐水自第二送液管3-1入口进入，然后依次流经第一送液管2-1入口端、所述第一阀门6-1和第一送液管2-1出口端进入第一进液管2，再通过第二回液环形空间5流入冻结管1内；
(1-4)盐水依次经第一回液环形空间4、回液管1-1回液入口端、第三阀门6-3、以及回液管1-1回液出口端流出，完成盐水循环。
在AB段，第一进液管2作为进液管，只下放至B墙，所以B墙以后的盐水不进行循环，BD段不进行热交换，BD段土体不进行冻结，只对AB段进行冻结。
(2)分段错时空对BC段进行冻结(如图3所示)
(2-1)分段错时空水平冻结器的第二进液管3下放至C墙，第一进液管2下放至B墙；第二进液管3作为进液管，第一进液管2作为回液管；
(2-2)打开第四阀门6-4和第二阀门6-2，其余阀门关闭；
(2-3)盐水自第二送液管3-1入口进入，然后依次流经第二送液管3-1供液端、第四阀门6-4和第二送液管3-1送液端，并通过所述第二进液管3的第二端流入冻结管1内；
(2-4)盐水依次通过第二回液环形空间5、第一送液管2-1第一送液支管2-2、第二阀门6-2、回液支管1-3以及回液管1-1回液出口端流出，完成盐水的循环。
第二进液管3作为进液管，只下放至C墙，CD段不进行热交换，CD段土体不进行冻结；盐水通过第一进液管2和第二进液管3之间的第二回液环形空间5流出，实现BC段的冻结；并且只和冻结管1和第一进液管2之间的第一回液环形空间4的盐水进行少量的热交换，完成AB段的维护冻结，使得AB段的土体冻胀得到控制。
(3)分段错时空对CD段进行冻结(如图4所示)
(3-1)第二进液管3下放至D墙，第一进液管2下放至C墙；第二进液管3作为进液管，第一进液管2作为回液管；
(3-2)打开第四阀门6-4和第二阀门6-2，其余阀门关闭；
(3-3)盐水自第二送液管3-1入口进入，然后依次经过第二送液管3-1供液端、第四阀门6-4、第二送液管3-1送液端、以及第二进液管3的第二端流入冻结管1内；
(3-4)盐水依次通过第二回液环形空间5、第一送液管2-1、第一送液支管2-2、第二阀门6-2、回液支管1-3以及回液管1-1回液出口端流出，完成盐水的循环。
盐水通过第一进液管2和第二进液管3之间的第二回液环形空间5流出，实现对CD段的冻结；并且只和冻结管1和第一进液管2之间的第一回液环形空间4的盐水进行少量的热交换，完成AC段的维护冻结，使得AC段的土体冻胀得到控制。
冻结施工完毕，打开第五阀门6-5和第六阀门6-6，其余阀门关闭；盐水依次经过放液管1-2和第六阀门6-6流出，并用盐水箱进行收集；通过第五阀门6-5和放气管3-2放气，冻结管1内的盐水通过第六阀门6-6完全流出并收集。
采用分段错时空水平冻结器和具体施工方法，达到了分段错时空冻结效果，在保证分段进行人工暗挖的需求基础上，控制了冻土的体量，减小了土体冻胀对上部运营车站的影响。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (10)
1.分段错时空水平冻结器，其特征在于，包括冻结管(1)、第一进液管(2)、第二进液管(3)；所述第一进液管(2)的第一端自所述冻结管(1)的第二端伸入到所述冻结管(1)内，所述冻结管(1)内侧管壁与所述第一进液管(2)外侧管壁形成第一回液环形空间(4)，并且所述第一进液管(2)的第二端位于所述冻结管(1)外；所述第二进液管(3)的第一端自所述第一进液管(2)的第二端伸入到第一进液管(2)内，并且所述第二进液管(3)的第二端位于所述第一进液管(2)外，所述第一进液管(2)的内侧壁与所述第二进液管(3)的外侧壁形成第二回液环形空间(5)。
2.根据权利要求1所述的分段错时空水平冻结器，其特征在于，所述冻结管(1)的第二端的管壁上焊接有回液管(1-1)，所述冻结管(1)的第二端的管壁上还焊接有放液管(1-2)，所述冻结管(1)分别与所述回液管(1-1)和所述放液管(1-2)流体导通；位于所述冻结管(1)外的所述第一进液管(2)的第二端的管壁上焊接有第一送液管(2-1)，所述第一进液管(2)与所述第一送液管(2-1)流体导通；位于所述第一进液管(2)外的所述第二进液管(3)的第二端的管壁上分别焊接有第二送液管(3-1)和放气管(3-2)；所述第二进液管(3)分别与所述第二送液管(3-1)和放气管(3-2)流体导通。
3.根据权利要求2所述的分段错时空水平冻结器，其特征在于，所述回液管(1-1)安装有第三阀门(6-3)，所述放液管(1-2)安装有第六阀门(6-6)；所述回液管(1-1)上安装有回液支管(1-3)，且所述回液支管(1-3)通过所述第三阀门(6-3)与所述冻结管(1)流体导通；所述第一送液管(2-1)上安装有第一送液支管(2-2)，所述第一送液支管(2-2)与所述回液支管(1-3)通过第二阀门(6-2)流体导通，所述冻结管(1)的第二端依次通过所述回液管(1-1)回液入口端、所述第三阀门(6-3)、所述回液管(1-1)回液出口端、所述回液支管(1-3)、所述第二阀门(6-2)、所述第一送液支管(2-2)、以及所述第一送液管(2-1)与所述第一进液管(2)的第二端流体导通；所述第一送液管(2-1)上安装有第一阀门(6-1)，所述第二送液管(3-1)上安装有第四阀门(6-4)，所述第一进液管(2)的第二端依次通过所述第一送液管(2-1)、所述第一阀门(6-1)、所述第二送液管(3-1)供液端、所述第四阀门(6-4)、以及所述第二送液管(3-1)送液端与所述第二进液管(3)的第二端流体导通；所述放气管(3-2)上设有第五阀门(6-5)。
4.根据权利要求3所述的分段错时空水平冻结器，其特征在于，所述冻结管(1)为Φ108*10的无缝钢管，所述第一进液管(2)为Φ73*4的钢管，所述第二进液管(3)为Φ53*4的钢管，所述回液管(1-1)、所述放液管(1-2)、所述第一送液管(2-1)、所述第二送液管(3-1)和所述放气管(3-2)均为Φ48*4钢管；所述冻结管(1)的管壁外表面包裹有聚乙烯保温管。
5.根据权利要求3所述的分段错时空水平冻结器，其特征在于，所述第一阀门(6-1)、第二阀门(6-2)、第三阀门(6-3)、第四阀门(6-4)、第五阀门(6-5)和第六阀门(6-6)均为DN40闸阀。
6.分段错时空水平冻结方法，其特征在于，在地铁隧道下穿车站冻结法施工中，新建车站主体维护结构称为A墙、已建车站东侧主体维护结构称为B墙、已建车站西侧主体维护结构称为C墙以及已建车站出入口维护结构称为D墙；分成3段开挖：AB段、BC段和CD段，开挖完一段，支护完成一段，使用权利要求1-6中任一所述的分段错时空水平冻结器分别对AB段、BC段和CD段进行分段错时空冻结，控制冻土体量，具体包括如下步骤：
(1)分段错时空AB段进行冻结；
(2)分段错时空BC段进行冻结；
(3)分段错时空CD段进行冻结。
7.根据权利要求6所述的分段错时空水平冻结方法，其特征在于，在步骤(1)中，
(1-1)分段错时空水平冻结器的第一进液管(2)作为进液管，下放至B墙；
(1-2)打开第一阀门(6-1)和第三阀门(6-3)，其余阀门闭合；
(1-3)盐水自第二送液管(3-1)入口进入，然后依次流经第一送液管(2-1)入口端、所述第一阀门(6-1)和第一送液管(2-1)出口端进入第一进液管(2)，再通过第二回液环形空间(5)流入冻结管(1)内；
(1-4)盐水依次经第一回液环形空间(4)、回液管(1-1)回液入口端、第三阀门(6-3)、以及回液管(1-1)回液出口端流出，完成盐水循环。
8.根据权利要求6所述的分段错时空水平冻结方法，其特征在于，在步骤(2)中，
(2-1)分段错时空水平冻结器的第二进液管(3)下放至C墙，第一进液管(2)下放至B墙；第二进液管(3)作为进液管，第一进液管(2)作为回液管；
(2-2)打开第四阀门(6-4)和第二阀门(6-2)，其余阀门关闭；
(2-3)盐水自第二送液管(3-1)入口进入，然后依次流经第二送液管(3-1)供液端、第四阀门(6-4)和第二送液管(3-1)送液端，并通过所述第二进液管(3)的第二端流入冻结管(1)内；
(2-4)盐水依次通过第二回液环形空间(5)、第一送液管(2-1)第一送液支管(2-2)、第二阀门(6-2)、回液支管(1-3)以及回液管(1-1)回液出口端流出，完成盐水的循环。
9.根据权利要求6所述的分段错时空水平冻结方法，其特征在于，在步骤(3)中，
(3-1)第二进液管(3)下放至D墙，第一进液管(2)下放至C墙；第二进液管(3)作为进液管，第一进液管(2)作为回液管；
(3-2)打开第四阀门(6-4)和第二阀门(6-2)，其余阀门关闭；
(3-3)盐水自第二送液管(3-1)入口进入，然后依次经过第二送液管(3-1)供液端、第四阀门(6-4)、第二送液管(3-1)送液端、以及第二进液管(3)的第二端流入冻结管(1)内；
(3-4)盐水依次通过第二回液环形空间(5)、第一送液管(2-1)、第一送液支管(2-2)、第二阀门(6-2)、回液支管(1-3)以及回液管(1-1)回液出口端流出，完成盐水的循环。
10.根据权利要求7-9任一所述的分段错时空水平冻结方法，其特征在于，冻结施工完毕，打开第五阀门(6-5)和第六阀门(6-6)，其余阀门关闭；盐水依次经过放液管(1-2)和第六阀门(6-6)流出，并用盐水箱进行收集；通过第五阀门(6-5)和放气管(3-2)放气，冻结管(1)内的盐水通过第六阀门(6-6)完全流出并收集。
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