CN110700844A - 一种盾构机联合冻结加固地层方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构机联合冻结加固地层方法，包括以下步骤：一、低温冷冻水的制备；二、设定盾构机刀盘冷冻区域；三、冷冻管的安装；四、冻结加固地层内布设监测点及安装传感器；五、铺设防火保温层；六、泥水仓隔板设置为冷板；七、冻结加固地层形成冻结体。本发明方法步骤简单，可操作性强，能克服海域水压力大，实现刀盘周边土体有效可靠冷冻加固，减少了竖直冷冻管内冷量的外散及外部热量的侵入，提升冻结效率，另外避免因仓内动火作业而出现冻结体消融、降低强度等情况，从而保证盾构机刀盘冻结体的稳定、安全，对冻结体温度的控制效果显著。
Description
技术领域
本发明属于盾构机联合冻结技术领域，尤其是涉及一种盾构机联合冻结加固地层方法。
背景技术
盾构机在施工过程中，可能发生刀盘刀箱损坏等情况需进行动火作业修复，带压动火作业修复施工风险大，成本高，修复质量难以控制，宜采用常压动火作业修复。一般采用加固地层后实现常压动火作业修复，或者在刀盘前方施工竖井然后再进行修复。采用竖井方式，首先需要施工围堰，然后开挖并支护，最后再进行修复作业。施工工期长，需采用挖机、抓泥船等大型设备，场地要求高。
在水域环境中，为满足环保要求，加固地层一般采用注浆加固与冷冻加固，地层加固体需抵抗水土压力，封堵各个方向渗水线路，但是注浆加固地层方式不能有效保证加固浆液渗透到地层每处，难以保证加固体形成完整的抵抗水土压力的安全防护屏障，而且现在也无法准确全面检测加固体质量。
再有，用冷冻法加固地层后，在盾构机刀盘冷冻加固体内动火作业会造成冻结体的温度、强度不符合设计要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种盾构机联合冻结加固地层方法，其方法步骤简单，设计合理且实现方便，可操作性强，能克服海域水压力大，实现刀盘周边土体有效可靠冷冻加固，减少了竖直冷冻管内冷量的外散及外部热量的侵入，提升冻结效率，另外避免因仓内动火作业而出现冻结体消融、降低强度等情况，从而保证盾构机刀盘冻结体的稳定、安全，对冻结体温度的控制效果显著。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种盾构机联合冻结加固地层方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、低温冷冻水的制备：
步骤101、将氯化钙和常温的自来水按照质量比(3～3.5):7进行混合并搅拌均匀，制备成混合盐水；
步骤102、将搅拌均匀的混合盐水送入冷冻机进行降温冷却，得到低温冷冻水；
步骤二、设定盾构机刀盘冷冻区域：
步骤201、设定冷冻区域，冷冻区域包括位于盾构机前侧面的前侧有效冻结区域、位于盾构机顶部的顶部有效冻结区域和位于盾构机周侧的周侧有效冻结区域，以及位于盾构机底部的底侧有效封水区域和底侧有效冻结区域；其中，所述前侧有效冻结区域、顶部有效冻结区域和周侧有效冻结区域围成的纵截面呈腰形；
所述前侧有效冻结区域与盾构机的刀盘平行的横截面呈正方形，所述前侧有效冻结区域与盾构机的刀盘平行的侧面的中心与盾构机的刀盘的中心位于同一直线上，所述前侧有效冻结区域由靠近盾构机的刀盘向远离盾构机的刀盘方向的长度逐渐减少，所述前侧有效冻结区域沿盾构机前进方向的宽度为Lq,k，所述前侧有效冻结区域沿与盾构机前进方向垂直且指向盾构机侧面方向的最大长度为Lq,c,max，所述前侧有效冻结区域沿与盾构机前进方向垂直且指向盾构机侧面方向的最小长度为Lq,c,min，所述前侧有效冻结区域沿与盾构机前进方向垂直且指向盾构机顶部方向的高度为Lq,g，所述前侧有效冻结区域的顶部距离盾构机顶部的间距与所述前侧有效冻结区域的底部距离盾构机底部的间距相同；
所述顶部有效冻结区域沿盾构机前进反方向的宽度为Ld,k，所述顶部有效冻结区域位于盾构机顶部的高度为Ld,g，所述顶部有效冻结区域由靠近盾构机的刀盘向盾构机中部的长度逐渐减少，所述顶部有效冻结区域沿与盾构机前进反方向垂直且指向盾构机侧面方向的最大长度为Ld,c,max，所述顶部有效冻结区域沿与盾构机前进反向方向垂直且指向盾构机侧面方向的最小长度为Ld,c,min，且Lq,c,max＝Ld,c,max，Lq,c,min＝Ld,c,min，Lq,g＝Ld,g，所述顶部有效冻结区域沿长度方向的中心线的投影与盾构机的中心线重合；
所述底侧有效封水区域的横截面呈扇环形，且所述底侧有效封水区域靠近前侧有效冻结区域贴合的侧面呈平面布设，所述底侧有效封水区域由靠近前侧有效冻结区域向远离前侧有效冻结区域的高度逐渐减少，所述底侧有效封水区域沿盾构机前进反方向的宽度为Ll,k，所述底侧有效封水区域沿与盾构机前进反方向垂直且指向盾构机顶部方向的最大高度为Ll,g,max，所述底侧有效封水区域沿与盾构机前进反方向垂直且指向盾构机顶部方向的最小高度为Ll,g,min，所述底侧有效封水区域与盾构机外侧面相交点之间的长度小于盾构机的刀盘的直径；
所述底侧有效冻结区域包括两个位于底侧有效封水区域的两侧且呈对称布设的底侧冻结区域，两个所述底侧冻结区域位于周侧有效冻结区域的底部，所述底侧冻结区域沿盾构机前进反方向的宽度为L′l,k，且 L′l,k＝Ll,k＝Lq,k，所述底侧冻结区域沿与盾构机前进反方向垂直且指向盾构机顶部方向的高度为L′l,g，所述底侧冻结区域由靠近前侧有效冻结区域向远离前侧有效冻结区域的长度逐渐减少，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机外侧面之间的最大长度为L′l,c,max，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机外侧面之间的最小长度为L′l,c,min；
所述周侧有效冻结区域为围设在盾构机周侧面、所述顶部有效冻结区域和所述底侧有效冻结区域之间的区域，所述周侧有效冻结区域的顶侧面与所述顶部有效冻结区域的底面相齐平，所述周侧有效冻结区域的内周侧面与盾构机的刀盘外侧面相适应，所述周侧有效冻结区域沿盾构机前进方向的圆弧面与顶部有效冻结区域沿盾构机前进方向的圆弧面相齐平，所述周侧有效冻结区域沿盾构机前进方向的宽度、底侧冻结区域沿盾构机前进方向的宽度和顶部有效冻结区域沿盾构机前进方向的宽度均相等，所述周侧有效冻结区域的底侧面与底侧有效冻结区域的顶面相齐平；
步骤203、前侧有效冻结区域和顶部有效冻结区域的上表面设置多个冷冻管布设点；其中，相邻两个冷冻管布设点之间的间距为500mm～ 1000mm；
步骤三、冷冻管的安装：
步骤301、在盾构机的下半圆周均设的多个超前注浆孔中安装底部冷冻管；
步骤302、搭建冷冻作业平台；
步骤303、施工人员通过所述冷冻作业平台在多个冷冻管布设点上安装有竖直冷冻管；
施工人员通过所述冷冻作业平台在多个冷冻管布设点上安装竖直冷冻管的方法均相同，则在任一个冷冻管布设点上安装竖直冷冻管的方法过程如下：
步骤3031、施工人员在冷冻管布设点处安装定位管；其中，定位管的上端与冷冻作业平台焊接，定位管的长度为20mm～30mm，安装定位管的中心与冷冻管布设点重合；
然后施工人员操作打桩船在冷冻管布设点上定位管内压入套管，定位管的内圆周面与套管的外圆周面相贴合，直至套管的底端伸入海床面下部海底土体中8m～10m；其中，套管的顶端高于海面；
步骤3032、将膨润土、羧甲基纤维素钠盐、氢氧化钠和水混合，并搅拌均匀，得到泥浆；其中，所述膨润土、羧甲基纤维素钠盐、氢氧化钠和水混合的质量比为1：0.1：(0.0005～0.001)：(0～0.0030)；
步骤3033、将钻机的钻头伸入海床面下部海底土体中，通过钻头注入泥浆将套管内海水全部排出；然后通过钻头钻孔，形成冷冻管安装孔；其中，冷冻管安装孔的直径比竖直冷冻管的直径大30mm；
步骤3034、在竖直冷冻管的外圆周面上敷设保温层，待保温层粘接牢固后，在保温层外圆周面上间隔安装多个定位环，在保温层的底部安装护筒；
步骤3035、施工人员在所述冷冻作业平台上将组装好护筒、保温层和定位环的竖直冷冻管放入冷冻管安装孔，且确保定位环的外圆周面与套管的内圆周面相贴合；其中，所述竖直冷冻管、所述冷冻管安装孔、套管和定位管呈同轴布设；
步骤3036、在竖直冷冻管的外圆周的缝隙中再注入泥浆，则形成泥浆填充层；
步骤四、冻结加固地层内布设监测点及安装传感器：
步骤401、沿前侧有效冻结区域靠近盾构机的侧面上设置有六个监测点；其中，六个监测点分别为设置在前侧有效冻结区域顶部中心处的第一监测点、设置在前侧有效冻结区域沿高度方向的中心处的第二监测点、第三监测点和第四监测点，以及设置在前侧有效冻结区域下部的第五监测点和第六监测点，第二监测点、第三监测点和第四监测点沿前侧有效冻结区域高度方向的中心处长度方向均布，第五监测点和第六监测点距离前侧有效冻结区域的底部之间有间隙；
步骤402、沿盾构机的前盾盾壳圆周方向布设第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点；其中，第一壳体监测点位于盾构机的前盾盾壳顶部，第四壳体监测点位于盾构机的前盾盾壳底部，第二壳体监测点位于第一壳体监测点和第四壳体监测点之间且靠近第一壳体监测点布设，第三壳体监测点位于第一壳体监测点和第四壳体监测点之间且靠近第四壳体监测点布设；
步骤403、在第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点处分别安装第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器；
步骤404、在第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点、第五监测点和第六监测点处分别安装第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器；
步骤五、铺设防火保温层：
步骤501、在前侧有效冻结区域靠近盾构机的侧面上布设第一防火保温层，在顶部有效冻结区域、周侧有效冻结区域、底侧有效封水区域和底侧有效冻结区域靠近盾构机的侧面上铺设第二防火保温层；其中，第二防火保温层位于盾构机沿刀盘的周向布设，且第二防火保温层的一端搭接至盾构机的前盾盾壳上，第二防火保温层的一端搭接至第一防火保温层；
步骤502、在盾构机内泥水仓隔板靠近前侧有效冻结区域的表面上铺设第三防火保温层；
步骤六、泥水仓隔板设置为冷板：
步骤601、在盾构机内泥水仓隔板上沿泥水仓隔板的环向设置第一排布设点和第二排布设点；其中，第一排布设点和第二排布设点均包括6个冷冻管布设点，6个冷冻管布设点沿泥水仓隔板的周向均布；
步骤602、在第一排布设点和第二排布设点处分别安装加固冷冻管，加固冷冻管外采用防火保温层进行包裹。
步骤七、冻结加固地层形成冻结体：
将步骤102得到的低温冷冻水通过多个竖直冷冻管对前侧有效冻结区域、顶部有效冻结区域、周侧有效冻结区域和底侧有效冻结区域进行冷冻，以使前侧有效冻结区域、顶部有效冻结区域、周侧有效冻结区域和底侧有效冻结区域的温度小于冷冻温度设定值；同时，将步骤102得到的低温冷冻水通过多个底部冷冻管对底侧有效封水区域进行冷却，以使底侧有效封水区域的温度小于冷封温度设定值，形成冻结体；其中，冷冻时间为55 天～85天，冷却时间为40天～45天，冷冻温度设定值为-12℃，冷封温度设定值为-6℃。
上述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：步骤201中搭建冷冻作业平台的具体过程如下：
搭建多个呈竖直布设的钢管桩作为承重基础，在多个钢管桩的顶部安装H型钢，并沿H型钢长度布设多个槽钢组成冷冻作业平台；其中，H型钢与槽钢呈垂直布设，所述冷冻作业平台的周侧设置有安全护栏，相邻两个钢管桩之间设置桁架固定；
所述前侧有效冻结区域沿盾构机前进方向的宽度Lq,k的取值范围为 3200mm～3400mm，所述前侧有效冻结区域沿与盾构机前进方向垂直且指向盾构机侧面方向的最大长度Lq,c,max的取值范围为13020mm～13220mm，所述前侧有效冻结区域沿与盾构机前进方向垂直且指向盾构机侧面方向的最小长度Lq,c,min的取值范围为6020mm～7220mm，所述前侧有效冻结区域沿与盾构机前进方向垂直且指向盾构机顶部方向的高度Lq,g的取值范围为3000mm～3200；
顶部有效冻结区域沿盾构机前进方向的宽度Ld,k的取值范围为 3000mm～3200mm；
所述底侧有效封水区域沿盾构机前进方向的宽度Ll,k的取值范围为 3431mm～3631mm，所述底侧有效封水区域沿与盾构机前进反方向垂直且指向盾构机顶部方向的最大高度Ll,g,max的取值范围为1100mm～1300mmm，所述底侧有效封水区域沿与盾构机前进反方向垂直且指向盾构机顶部方向的最小高度Ll,g,min的取值范围为640mm～660mmm；
所述底侧冻结区域沿盾构机前进方向的宽度L′l,k的取值范围为 3000mm～3200mm，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机外侧面之间的最大长度L′l,c,max的取值范围为3000mm～3200mmm，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机外侧面之间的最小长度L′l,c,min的取值范围为0mm～200mmm，所述底侧冻结区域沿与盾构机前进反方向垂直且指向盾构机顶部方向的高度L′l,g的取值范围为4630mm～4830mmm。
上述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：所述竖直冷冻管包括管壳、安装在管壳上端部的盖板和安装在管壳下端部的底锥，以及设置在管壳内并伸出盖板外的供液管和回液管，所述盖板的下表面设置有上保温层，所述保温层的内圆周面与管壳的外圆周面相贴合，所述定位环的内圆面与保温层的外圆周面紧密贴合，所述供液管的进口通过进液软管与低温冷冻水管连接，所述回液管的出口通过出液软管与回路低温冷冻水管连接，所述进液软管上设置有进水阀，所述出液软管上设置有出水阀，所述低温冷冻水管上设置有供水温度传感器和流量传感器，所述回路低温冷冻水管上设置有回水温度传感器；
所述管壳内设置有测压管，所述测压管上设置有排气软管，所述排气软管连接有排气管，所述排气软管上设置有排气阀，所述测压管上设置有压力传感器。
上述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：供水温度传感器对低温冷冻水管的进入温度进行检测，回水温度传感器对低温冷冻水的回水温度进行检测，以使进入温度和回水温度之差满足温差设定值；
压力传感器对竖直冷冻管内的压力进行检测，当竖直冷冻管内的压力大于设定值时，操作排气阀打开，通过排气管排气泄压。
上述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：步骤101中搅拌时间为10min～20min，步骤102中低温冷冻水的温度不高于-28℃；
步骤201中所述第五监测点和第六监测点距离盾构机刀盘冷冻加固体的底部之间有间隙的取值范围为400mm～420mm；
步骤301中第一防火保温层的厚度为70mm～100mm，第二防火保温层的厚度为70mm～100mm；第三防火保温层的厚度为70mm～100mm；
步骤602中加固冷冻管为DN40不锈钢软管；
所述保温层的厚度为20mm～22mm，上保温层的厚度为10mm～15mm，所述泥浆填充层的厚度为70mm～80mm，所述保温层和上保温层为PEF保温层。
上述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：所述定位环包括围设在保温层外圆周面上的第一半圆环和围设在保温层外圆周面上的第二半圆环，所述第一半圆环上设置有第一安装孔，所述第二半圆环上设置有第二安装孔，所述第一安装孔和第二安装孔内穿设有螺钉；
所述护筒包括围设在保温层底部的第一半圆护筒和第二半圆护筒，所述第一半圆护筒和第二半圆护筒的顶部均设置有上半圆抱箍，所述第一半圆护筒和第二半圆护筒的底部均设置有下半圆抱箍，所述上半圆抱箍上设置有供上螺栓安装的上安装孔，所述下半圆抱箍上设置有供下螺栓安装的下安装孔，两个上半圆抱箍通过上螺栓可拆卸连接，两个下半圆抱箍通过下螺栓可拆卸连接。
上述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：还包括步骤八、温度预警判断，具体过程如下：
步骤A、在盾构机内动火作业过程中，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器按照预先设定的采样时间分别对第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点、第五监测点和第六监测点处的温度进行检测，获得各个监测点温度，第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器按照预先设定的采样时间分别对第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点处的温度进行检测，获得各个壳体监测点温度；盾构机内设置的内部温度传感器按照预先设定的采样时间对盾构机内温度进行检测，获得盾构机仓内温度；
步骤B、将各个监测点温度中第k个采样时间第i个监测点温度记作 Ti(k)，i为正整数，且1≤i≤6；将各个壳体监测点温度第k个采样时间第j个壳体监测点温度记作T′j(k)，j为正整数，且1≤j≤4，将第k个采样时间盾构机仓内温度记作Tn(k)；第k-1个采样时间第i个监测点温度记作Ti(k-1)，第 k+1个采样时间第i个监测点温度记作Ti(k+1)，第k+2个采样时间第i个监测点温度记作Ti(k+2)；第k-1个采样时间第j个壳体监测点温度记作T′j(k-1), 第k+1个采样时间第j个壳体监测点温度记作T′j(k+1),第k+2个采样时间第 j个壳体监测点温度记作T′j(k+2)；第k-1个采样时间盾构机仓内温度记作 Tn(k-1),第k+1个采样时间盾构机仓内温度记作Tn(k+1),第k+2个采样时间盾构机仓内温度记作Tn(k+2),k为正整数，且k≥1；
步骤C、当Ti(k)比第一温度设定值大2℃且
时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业；
当T′j(k)比第二温度设定值大2℃且
时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业；
当Tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且
时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，同时降低通风排烟流量；
当Ti(k)比第一温度设定值大2℃，且Ti(k)≤Ti(k+1)≤Ti(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；
当T′j(k)比第二温度设定值大2℃，且T′j(k)≤T′j(k+1)≤T′j(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；
当Tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且Tn(k)≤Tn(k+1)≤Tn(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；
步骤D、当Ti(k)比第一温度设定值大2℃且Ti(k)≤Ti(k+1)≤Ti(k+2)、当 T′j(k)比第二温度设定值大2℃且T′j(k)≤T′j(k+1)≤T′j(k+2)或者当Tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且Tn(k)≤Tn(k+1)≤Tn(k+2)时，检查冷冻管线，直至当 Ti(k)满足第一温度设定值、T′j(k)满足第二温度设定值和Tn(k)满足盾构机仓内温度设定值时，才能进行盾构机内切割、焊接动火作业；第一温度设定值不大于-2℃，第二温度设定值不大于-2℃，盾构机仓内温度设定值不大于30℃，预先设定的采样时间为5min～10min。
上述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：在监测点处安装温度传感器的方法均相同，具体过程如下：
步骤4021、在监测点处，采用磁力钻钻孔；
步骤4022、将温度传感器安装在钻孔处；其中，将温度传感器的测点埋入钻孔处，温度传感器的传输线路接出进行数据采集；
步骤4023、在温度传感器与钻孔的缝隙处填充原状土夯实；
在壳体监测点处安装壳体温度传感器的方法均相同，具体过程如下：在壳体监测点处贴装温度传感器；其中，第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器为贴片温度传感器。
上述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：各个冷冻管布设点处分别安装冷冻管的方法均相同，具体过程如下：
步骤6021、将加固冷冻管的中间部位点焊在冷冻管布设点处，并弯折加固冷冻管的两端呈U形；
步骤6022、在加固冷冻管外采用防火保温层进行包裹；其中，加固冷冻管外保温层的厚度为20mm～30mm；
步骤6023、将低温冷冻水送入加固冷冻管内进行持续冷冻。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、所采用的步骤简单、实现方便且操作简便，避免因仓内动火作业而出现冻结体消融、降低强度等情况，从而保证盾构机刀盘冻结体的稳定、安全，对冻结体温度的控制效果显著，冷冻法安全环保，不会对海域产生污染，保持冻结设备运转正常可实现冻结体长期有效；另外海面垂直冷冻与盾构机超前孔冻结均可主动解冻，能有效避免注浆加固导致盾体被包裹不能恢复掘进情况发生。
2、本发明设置套管和泥浆填充层，通过套管和泥浆填充层隔绝了海水与竖直冷冻管的直接接触，避免海水流动时带走大量冷量；另外通过设置保温层和上保温层，因为PEF保温层导热系数仅为0.03-0.05，保温效果良好，竖直冷冻管外的保温层有效分隔开了温度高、导热快的外部环境与竖直冷冻管的直接接触，极大幅度地减少了竖直冷冻管内冷量的外散及外部热量的侵入，提升了冷量利用效率，从而整体提高积极冻结效率，为后续维护冻结提供了良好的供冷渠道，保障冷冻加固体质量良好，另外冷量利用效率高，可显著提升积极冷冻效率，缩短整体工期，并保障维护冻结期间加固体的质量，为后续施工提供安全可靠的作业面；其次减少了制冷设备的投入量，有效节省冷冻成本，经济效益良好。
3、本发明安装定位管和定位环，使得安装过程中定位环的外圆周侧面与套管的内圆周侧面相贴合，确保定位环、套管和竖直冷冻管同轴布设，从而提高竖直冷冻管安装的垂直度，一方面避免竖直冷冻管倾斜而受应力不均匀发生故障；另一方面避免冷冻区域不准确。
4、本发明通过布设监测点，在前侧有效冻结区域和盾构机前盾盾壳布置防火保温层，将泥水仓隔板设置为冷板，控制盾构机仓内动火作业产生的热量向冻结体中传递，避免因仓内动火作业而出现冻结体消融、降低强度等情况，从而保证盾构机刀盘冻结体的稳定、安全，对冻结体温度的控制效果显著。
5、本发明盾构机仓内动火作业产生的热量主要以空气为介质传递到冻结体中，通过设置第一防火保温层和第二防火保温层，使得动火作业空间内形成一个隔温层，切断冻结体与动火作业空间内气体的直接接触，同时，设置第三防火保温层，防止动火作业时产生的热量通过泥水仓隔板传递至盾壳及冻结体中。
6、本发明因为盾构机壳及泥水仓隔板均为钢材质，导热性能好，通过在第一排布设点和第二排布设点处分别安装冷冻管，使得泥水仓隔板形成一层冷板，为盾壳外部冻结体提供冷量，阻止动火作业时热量通过盾构机壳体、泥水仓隔板传递到周围冻结体内，加强冻结效果。
7、前侧有效冻结区域靠近盾构机的侧面上和泥水仓隔板铺设防火保温层作业量小，可操作性强、保温效果显著。
8、泥水仓隔板设置为冷板，为盾构机周围的冻结体持续提供维冻结冷量，加强了冻结体底部最薄弱部位的冻结体强度，保证了作业空间安全。
综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理且实现方便，可操作性强，能克服海域水压力大，实现刀盘周边土体有效可靠冷冻加固，减少了竖直冷冻管内冷量的外散及外部热量的侵入，提升冻结效率，另外避免因仓内动火作业而出现冻结体消融、降低强度等情况，从而保证盾构机刀盘冻结体的稳定、安全，对冻结体温度的控制效果显著。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明冷冻区域的结构示意图。
图2为图1的A-A断面图。
图3为图1的B-B断面图。
图4为本发明底部冷冻管的结构示意图。
图5为本发明竖直冷冻管的结构示意图。
图6为本发明定位环、保温层和管壳的位置示意图。
图7为本发明护筒的结构示意图。
图8为图7除去上半圆抱箍后的俯视图。
图9为本发明前侧有效冻结区域处监测点布设的结构示意图。
图10为本发明壳体监测点布设的结构示意图。
图11为本发明的方法流程框图。
附图标记说明:
1—前侧有效冻结区域； 2—顶部有效冻结区域；
3—周侧有效冻结区域； 4—底侧有效封水区域；
5—底侧有效冻结区域； 6—冷冻区域； 7—盾构机；
12—超前注浆孔； 13—底部冷冻管； 20—管壳；
21—低温冷冻水管； 22—回路低温冷冻水管； 23—进水阀；
24—供液管； 25—回液管； 26—进液软管；
27—出液软管； 28—盖板； 29—底锥；
30—出水阀； 31—套管； 32—泥浆填充层；
33—保温层； 34—定位管； 35—上保温层；
36—供水温度传感器； 37—流量传感器； 38—压力传感器；
39—排气阀； 40—排气管； 41—回水温度传感器；
42—定位环； 42-1—第一半圆环； 42-2—第二半圆环；
42-3—第一安装孔； 42-4—第二安装孔； 43—护筒；
43-1—第一半圆护筒； 43-2—第二半圆护筒； 43-3—下半圆抱箍；
43-4—上半圆抱箍； 43-5—下安装孔； 43-6—上安装孔；
43-7—下螺栓。
具体实施方式
如图1至图5、图9、图10、图11所示的一种盾构机联合冻结加固地层方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、低温冷冻水的制备：
步骤101、将氯化钙和常温的自来水按照质量比(3～3.5):7进行混合并搅拌均匀，制备成混合盐水；
步骤102、将搅拌均匀的混合盐水送入冷冻机进行降温冷却，得到低温冷冻水；
步骤二、设定盾构机刀盘冷冻区域：
步骤201、设定冷冻区域6，冷冻区域6包括位于盾构机7前侧面的前侧有效冻结区域1、位于盾构机7顶部的顶部有效冻结区域2和位于盾构机7周侧的周侧有效冻结区域3，以及位于盾构机7底部的底侧有效封水区域4和底侧有效冻结区域5；其中，所述前侧有效冻结区域1、顶部有效冻结区域2和周侧有效冻结区域3围成的纵截面呈腰形；
所述前侧有效冻结区域1与盾构机7的刀盘平行的横截面呈正方形，所述前侧有效冻结区域1与盾构机7的刀盘平行的侧面的中心与盾构机7 的刀盘的中心位于同一直线上，所述前侧有效冻结区域1由靠近盾构机7 的刀盘向远离盾构机7的刀盘方向的长度逐渐减少，所述前侧有效冻结区域1沿盾构机7前进方向的宽度为Lq,k，所述前侧有效冻结区域1沿与盾构机7前进方向垂直且指向盾构机7侧面方向的最大长度为Lq,c,max，所述前侧有效冻结区域1沿与盾构机7前进方向垂直且指向盾构机7侧面方向的最小长度为Lq,c,min，所述前侧有效冻结区域1沿与盾构机7前进方向垂直且指向盾构机7顶部方向的高度为Lq,g，所述前侧有效冻结区域1的顶部距离盾构机7顶部的间距与所述前侧有效冻结区域1的底部距离盾构机7 底部的间距相同；
所述顶部有效冻结区域2沿盾构机7前进反方向的宽度为Ld,k，所述顶部有效冻结区域2位于盾构机7顶部的高度为Ld,g，所述顶部有效冻结区域2由靠近盾构机7的刀盘向盾构机7中部的长度逐渐减少，所述顶部有效冻结区域2沿与盾构机7前进反方向垂直且指向盾构机7侧面方向的最大长度为Ld,c,max，所述顶部有效冻结区域2沿与盾构机7前进反向方向垂直且指向盾构机7侧面方向的最小长度为Ld,c,min，且Lq,c,max＝Ld,c,max， Lq,c,min＝Ld,c,min，Lq,g＝Ld,g，所述顶部有效冻结区域2沿长度方向的中心线的投影与盾构机7的中心线重合；
所述底侧有效封水区域4的横截面呈扇环形，且所述底侧有效封水区域4靠近前侧有效冻结区域1贴合的侧面呈平面布设，所述底侧有效封水区域4由靠近前侧有效冻结区域1向远离前侧有效冻结区域1的高度逐渐减少，所述底侧有效封水区域4沿盾构机7前进反方向的宽度为Ll,k，所述底侧有效封水区域4沿与盾构机7前进反方向垂直且指向盾构机7顶部方向的最大高度为Ll,g,max，所述底侧有效封水区域4沿与盾构机7前进反方向垂直且指向盾构机7顶部方向的最小高度为Ll,g,min，所述底侧有效封水区域 4与盾构机7外侧面相交点之间的长度小于盾构机7的刀盘的直径；
所述底侧有效冻结区域5包括两个位于底侧有效封水区域4的两侧且呈对称布设的底侧冻结区域，两个所述底侧冻结区域位于周侧有效冻结区域3的底部，所述底侧冻结区域沿盾构机7前进反方向的宽度为L′l,k，且 L′l,k＝Ll,k＝Lq,k，所述底侧冻结区域沿与盾构机7前进反方向垂直且指向盾构机7顶部方向的高度为L′l,g，所述底侧冻结区域由靠近前侧有效冻结区域1 向远离前侧有效冻结区域1的长度逐渐减少，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机7外侧面之间的最大长度为L′l,c,max，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机7外侧面之间的最小长度为L′l,c,min；
所述周侧有效冻结区域3为围设在盾构机7周侧面、所述顶部有效冻结区域2和所述底侧有效冻结区域5之间的区域，所述周侧有效冻结区域 3的顶侧面与所述顶部有效冻结区域2的底面相齐平，所述周侧有效冻结区域3的内周侧面与盾构机7的刀盘外侧面相适应，所述周侧有效冻结区域3沿盾构机7前进方向的圆弧面与顶部有效冻结区域2沿盾构机7前进方向的圆弧面相齐平，所述周侧有效冻结区域3沿盾构机7前进方向的宽度、底侧冻结区域沿盾构机7前进方向的宽度和顶部有效冻结区域2沿盾构机7前进方向的宽度均相等，所述周侧有效冻结区域3的底侧面与底侧有效冻结区域5的顶面相齐平；
步骤203、前侧有效冻结区域1和顶部有效冻结区域2的上表面设置多个冷冻管布设点；其中，相邻两个冷冻管布设点之间的间距为500mm～ 1000mm；
步骤三、冷冻管的安装：
步骤301、在盾构机7的下半圆周均设的多个超前注浆孔12中安装底部冷冻管13；
步骤302、搭建冷冻作业平台；
步骤303、施工人员通过所述冷冻作业平台在多个冷冻管布设点上安装有竖直冷冻管；
施工人员通过所述冷冻作业平台在多个冷冻管布设点上安装竖直冷冻管的方法均相同，则在任一个冷冻管布设点上安装竖直冷冻管的方法过程如下：
步骤3031、施工人员在冷冻管布设点处安装定位管34；其中，定位管34的上端与冷冻作业平台焊接，定位管34的长度为20mm～30mm，安装定位管34的中心与冷冻管布设点重合；
然后施工人员操作打桩船在冷冻管布设点上定位管34内压入套管31，定位管34的内圆周面与套管31的外圆周面相贴合，直至套管31的底端伸入海床面下部海底土体中8m～10m；其中，套管31的顶端高于海面；
步骤3032、将膨润土、羧甲基纤维素钠盐、氢氧化钠和水混合，并搅拌均匀，得到泥浆；其中，所述膨润土、羧甲基纤维素钠盐、氢氧化钠和水混合的质量比为1：0.1：(0.0005～0.001)：(0～0.0030)；
步骤3033、将钻机的钻头伸入海床面下部海底土体中，通过钻头注入泥浆将套管31内海水全部排出；然后通过钻头钻孔，形成冷冻管安装孔；其中，冷冻管安装孔的直径比竖直冷冻管的直径大30mm；
步骤3034、在竖直冷冻管的外圆周面上敷设保温层33，待保温层33 粘接牢固后，在保温层33外圆周面上间隔安装多个定位环42，在保温层 33的底部安装护筒43；
步骤3035、施工人员在所述冷冻作业平台上将组装好护筒43、保温层33和定位环42的竖直冷冻管放入冷冻管安装孔，且确保定位环42的外圆周面与套管31的内圆周面相贴合；其中，所述竖直冷冻管、所述冷冻管安装孔、套管31和定位管34呈同轴布设；
步骤3036、在竖直冷冻管的外圆周的缝隙中再注入泥浆，则形成泥浆填充层32；
步骤四、冻结加固地层内布设监测点及安装传感器：
步骤401、沿前侧有效冻结区域1靠近盾构机7的侧面上设置有六个监测点；其中，六个监测点分别为设置在前侧有效冻结区域1顶部中心处的第一监测点、设置在前侧有效冻结区域1沿高度方向的中心处的第二监测点、第三监测点和第四监测点，以及设置在前侧有效冻结区域1下部的第五监测点和第六监测点，第二监测点、第三监测点和第四监测点沿前侧有效冻结区域1高度方向的中心处长度方向均布，第五监测点和第六监测点距离前侧有效冻结区域1的底部之间有间隙；
步骤402、沿盾构机7的前盾盾壳圆周方向布设第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点；其中，第一壳体监测点位于盾构机7的前盾盾壳顶部，第四壳体监测点位于盾构机7的前盾盾壳底部，第二壳体监测点位于第一壳体监测点和第四壳体监测点之间且靠近第一壳体监测点布设，第三壳体监测点位于第一壳体监测点和第四壳体监测点之间且靠近第四壳体监测点布设；
步骤403、在第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点处分别安装第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器；
步骤404、在第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点、第五监测点和第六监测点处分别安装第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器；
步骤五、铺设防火保温层：
步骤501、在前侧有效冻结区域1靠近盾构机7的侧面上布设第一防火保温层，在顶部有效冻结区域2、周侧有效冻结区域3、底侧有效封水区域4和底侧有效冻结区域5靠近盾构机7的侧面上铺设第二防火保温层；其中，第二防火保温层位于盾构机7沿刀盘的周向布设，且第二防火保温层的一端搭接至盾构机7的前盾盾壳上，第二防火保温层的一端搭接至第一防火保温层；
步骤502、在盾构机7内泥水仓隔板靠近前侧有效冻结区域1的表面上铺设第三防火保温层；
步骤六、泥水仓隔板设置为冷板：
步骤601、在盾构机7内泥水仓隔板上沿泥水仓隔板的环向设置第一排布设点和第二排布设点；其中，第一排布设点和第二排布设点均包括6 个冷冻管布设点，6个冷冻管布设点沿泥水仓隔板的周向均布；
步骤602、在第一排布设点和第二排布设点处分别安装加固冷冻管，加固冷冻管外采用防火保温层进行包裹。
步骤七、冻结加固地层形成冻结体：
将步骤102得到的低温冷冻水通过多个竖直冷冻管对前侧有效冻结区域1、顶部有效冻结区域2、周侧有效冻结区域3和底侧有效冻结区域5 进行冷冻，以使前侧有效冻结区域1、顶部有效冻结区域2、周侧有效冻结区域3和底侧有效冻结区域5的温度小于冷冻温度设定值；同时，将步骤102得到的低温冷冻水通过多个底部冷冻管13对底侧有效封水区域4进行冷却，以使底侧有效封水区域4的温度小于冷封温度设定值，形成冻结体；其中，冷冻时间为55天～85天，冷却时间为40天～45天，冷冻温度设定值为-12℃，冷封温度设定值为-6℃。
本实施例中，步骤201中搭建冷冻作业平台的具体过程如下：
搭建多个呈竖直布设的钢管桩作为承重基础，在多个钢管桩的顶部安装H型钢，并沿H型钢长度布设多个槽钢组成冷冻作业平台；其中，H型钢与槽钢呈垂直布设，所述冷冻作业平台的周侧设置有安全护栏，相邻两个钢管桩之间设置桁架固定；
所述前侧有效冻结区域1沿盾构机7前进方向的宽度Lq,k的取值范围为3200mm～3400mm，所述前侧有效冻结区域1沿与盾构机7前进方向垂直且指向盾构机7侧面方向的最大长度Lq,c,max的取值范围为13020mm～ 13220mm，所述前侧有效冻结区域1沿与盾构机7前进方向垂直且指向盾构机7侧面方向的最小长度Lq,c,min的取值范围为6020mm～7220mm，所述前侧有效冻结区域1沿与盾构机7前进方向垂直且指向盾构机7顶部方向的高度Lq,g的取值范围为3000mm～3200；
顶部有效冻结区域2沿盾构机7前进方向的宽度Ld,k的取值范围为3000mm～3200mm；
所述底侧有效封水区域4沿盾构机7前进方向的宽度Ll,k的取值范围为 3431mm～3631mm，所述底侧有效封水区域4沿与盾构机7前进反方向垂直且指向盾构机7顶部方向的最大高度Ll,g,max的取值范围为1100mm～ 1300mmm，所述底侧有效封水区域4沿与盾构机7前进反方向垂直且指向盾构机7顶部方向的最小高度Ll,g,min的取值范围为640mm～660mmm；
所述底侧冻结区域沿盾构机7前进方向的宽度L′l,k的取值范围为3000mm～3200mm，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机7外侧面之间的最大长度L′l,c,max的取值范围为3000mm～3200mmm，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机7外侧面之间的最小长度L′l,c,min的取值范围为0mm～200mmm，所述底侧冻结区域沿与盾构机7前进反方向垂直且指向盾构机7顶部方向的高度L′l,g的取值范围为4630mm～4830mmm。
本实施例中，所述竖直冷冻管包括管壳20、安装在管壳20上端部的盖板28和安装在管壳20下端部的底锥29，以及设置在管壳20内并伸出盖板28外的供液管24和回液管25，所述盖板28的下表面设置有上保温层35，所述保温层33的内圆周面与管壳20的外圆周面相贴合，所述定位环42的内圆面与保温层33的外圆周面紧密贴合，所述供液管24的进口通过进液软管26与低温冷冻水管21连接，所述回液管25的出口通过出液软管27与回路低温冷冻水管22连接，所述进液软管26上设置有进水阀23，所述出液软管27上设置有出水阀30，所述低温冷冻水管21上设置有供水温度传感器36和流量传感器37，所述回路低温冷冻水管22上设置有回水温度传感器36；
所述管壳20内设置有测压管，所述测压管上设置有排气软管，所述排气软管连接有排气管40，所述排气软管上设置有排气阀39，所述测压管上设置有压力传感器38。
本实施例中，供水温度传感器36对低温冷冻水管21的进入温度进行检测，回水温度传感器36对低温冷冻水的回水温度进行检测，以使进入温度和回水温度之差满足温差设定值；
压力传感器38对竖直冷冻管内的压力进行检测，当竖直冷冻管内的压力大于设定值时，操作排气阀39打开，通过排气管40排气泄压。
本实施例中，步骤101中搅拌时间为10min～20min，步骤102中低温冷冻水的温度不高于-28℃；
步骤201中所述第五监测点和第六监测点距离盾构机刀盘冷冻加固体的底部之间有间隙的取值范围为400mm～420mm；
步骤301中第一防火保温层的厚度为70mm～100mm，第二防火保温层的厚度为70mm～100mm；第三防火保温层的厚度为70mm～100mm；
步骤602中加固冷冻管为DN40不锈钢软管；
所述保温层33的厚度为20mm～22mm，上保温层35的厚度为10mm～ 15mm，所述泥浆填充层32的厚度为70mm～80mm，所述保温层33和上保温层35为PEF保温层。
如图6、图7和图8所示，本实施例中，所述定位环42包括围设在保温层33外圆周面上的第一半圆环42-1和围设在保温层33外圆周面上的第二半圆环42-2，所述第一半圆环42-1上设置有第一安装孔42-3，所述第二半圆环42-2上设置有第二安装孔42-4，所述第一安装孔42-3和第二安装孔42-4内穿设有螺钉；
所述护筒43包括围设在保温层33底部的第一半圆护筒43-1和第二半圆护筒43-2，所述第一半圆护筒43-1和第二半圆护筒43-2的顶部均设置有上半圆抱箍43-4，所述第一半圆护筒43-1和第二半圆护筒43-2的底部均设置有下半圆抱箍43-3，所述上半圆抱箍43-4上设置有供上螺栓安装的上安装孔43-6，所述下半圆抱箍43-3上设置有供下螺栓43-7安装的下安装孔43-5，两个上半圆抱箍43-4通过上螺栓可拆卸连接，两个下半圆抱箍43-3通过下螺栓43-7可拆卸连接。
本实施例中，还包括步骤八、温度预警判断，具体过程如下：
步骤A、在盾构机内动火作业过程中，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器按照预先设定的采样时间分别对第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点、第五监测点和第六监测点处的温度进行检测，获得各个监测点温度，第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器按照预先设定的采样时间分别对第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点处的温度进行检测，获得各个壳体监测点温度；盾构机内设置的内部温度传感器按照预先设定的采样时间对盾构机内温度进行检测，获得盾构机仓内温度；
步骤B、将各个监测点温度中第k个采样时间第i个监测点温度记作 Ti(k)，i为正整数，且1≤i≤6；将各个壳体监测点温度第k个采样时间第j个壳体监测点温度记作T′j(k)，j为正整数，且1≤j≤4，将第k个采样时间盾构机仓内温度记作Tn(k)；第k-1个采样时间第i个监测点温度记作Ti(k-1)，第 k+1个采样时间第i个监测点温度记作Ti(k+1)，第k+2个采样时间第i个监测点温度记作Ti(k+2)；第k-1个采样时间第j个壳体监测点温度记作T′j(k-1), 第k+1个采样时间第j个壳体监测点温度记作T′j(k+1),第k+2个采样时间第 j个壳体监测点温度记作T′j(k+2)；第k-1个采样时间盾构机仓内温度记作 Tn(k-1),第k+1个采样时间盾构机仓内温度记作Tn(k+1),第k+2个采样时间盾构机仓内温度记作Tn(k+2),k为正整数，且k≥1；
步骤C、当Ti(k)比第一温度设定值大2℃且时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业；
当T′j(k)比第二温度设定值大2℃且
时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业；
当Tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且
时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，同时降低通风排烟流量；
当Ti(k)比第一温度设定值大2℃，且Ti(k)≤Ti(k+1)≤Ti(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；
当T′j(k)比第二温度设定值大2℃，且T′j(k)≤T′j(k+1)≤T′j(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；
当Tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且Tn(k)≤Tn(k+1)≤Tn(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；
步骤D、当Ti(k)比第一温度设定值大2℃且Ti(k)≤Ti(k+1)≤Ti(k+2)、当 T′j(k)比第二温度设定值大2℃且T′j(k)≤T′j(k+1)≤T′j(k+2)或者当Tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且Tn(k)≤Tn(k+1)≤Tn(k+2)时，检查冷冻管线，直至当 Ti(k)满足第一温度设定值、T′j(k)满足第二温度设定值和Tn(k)满足盾构机仓内温度设定值时，才能进行盾构机内切割、焊接动火作业；第一温度设定值不大于-2℃，第二温度设定值不大于-2℃，盾构机仓内温度设定值不大于30℃，预先设定的采样时间为5min～10min。
本实施例中，在监测点处安装温度传感器的方法均相同，具体过程为：
步骤4021、在监测点处，采用磁力钻钻孔；
步骤4022、将温度传感器安装在钻孔处；其中，将温度传感器的测点埋入钻孔处，温度传感器的传输线路接出进行数据采集；
步骤4023、在温度传感器与钻孔的缝隙处填充原状土夯实；
在壳体监测点处安装壳体温度传感器的方法均相同，具体过程：在壳体监测点处贴装温度传感器；其中，第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器为贴片温度传感器。
本实施例中，各个冷冻管布设点处分别安装冷冻管的方法均相同，具体过程如下：步骤6021、将加固冷冻管的中间部位点焊在冷冻管布设点处，并弯折加固冷冻管的两端呈U形；
步骤6022、在加固冷冻管外采用防火保温层进行包裹；其中，加固冷冻管外保温层的厚度为20mm～30mm；
步骤6023、将低温冷冻水送入加固冷冻管内进行持续冷冻。
本实施例中，需要说明的是，通过顶部有效冻结区域2的竖直冷冻管垂直延伸至周侧有效冻结区域3和底侧有效冻结区域5内。
本实施例中，护筒43包括围设在保温层33底部的第一半圆护筒43-1 和第二半圆护筒43-2，通过设置第一半圆护筒43-1和第二半圆护筒43-2 便于安装在保温层33底部外圆周上，一方面可以有效地适应保温层33，另一方面，便于拆卸重循序利用；另外，通过设置护筒，是为了对保温层 33底部进行保护，避免安装过程中致使保温层33底部脱离竖直冷冻管而失去其本身的作用；其次，护筒43的外表面较保温层33的外表面光滑，安装或者拆拔过程减少阻力；设置套管31和泥浆填充层32，通过套管31 和泥浆填充层32隔绝了海水与竖直冷冻管的直接接触，避免海水流动时带走大量冷量；另外通过设置保温层33和上保温层35，因为保温层33 和上保温层35均为PEF保温层，PEF保温层导热系数仅为0.03～0.05，保温效果良好，竖直冷冻管外的保温层有效分隔开了温度高、导热快的外部环境与竖直冷冻管的直接接触，极大幅度地减少了竖直冷冻管内冷量的外散及外部热量的侵入，提升了冷量利用效率，从而整体提高积极冻结效率，为后续维护冻结提供了良好的供冷渠道，保障冷冻加固体质量良好。
本实施例中，设置定位管34和定位环42，使得安装过程中定位环42 的外圆周侧面与套管31的内圆周侧面相贴合，确保定位环42、套管31 和竖直冷冻管同轴布设，从而提高竖直冷冻管安装的垂直度，一方面避免竖直冷冻管倾斜而受应力不均匀发生故障；另一方面避免冷冻区域不准确。
本实施例中，实际使用过程中，所述定位环42包括圆环部和与所述圆环部一体成型的锥环部，所述圆环部的外径和套管31的内径相同，所述锥环部的外径由上至下逐渐减少，设置锥环部，是为了便于定位环42 安装在套管31内。
综上所述，本发明能克服海域水压力大，实现刀盘周边土体有效可靠冷冻加固，减少了竖直冷冻管内冷量的外散及外部热量的侵入，提升冻结效率，另外避免因仓内动火作业而出现冻结体消融、降低强度等情况，从而保证盾构机刀盘冻结体的稳定、安全，对冻结体温度的控制效果显著。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种盾构机联合冻结加固地层方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、低温冷冻水的制备：
步骤101、将氯化钙和常温的自来水按照质量比(3～3.5):7进行混合并搅拌均匀，制备成混合盐水；
步骤102、将搅拌均匀的混合盐水送入冷冻机进行降温冷却，得到低温冷冻水；
步骤二、设定盾构机刀盘冷冻区域：
步骤201、设定冷冻区域(6)，冷冻区域(6)包括位于盾构机(7)前侧面的前侧有效冻结区域(1)、位于盾构机(7)顶部的顶部有效冻结区域(2)和位于盾构机(7)周侧的周侧有效冻结区域(3)，以及位于盾构机(7)底部的底侧有效封水区域(4)和底侧有效冻结区域(5)；其中，所述前侧有效冻结区域(1)、顶部有效冻结区域(2)和周侧有效冻结区域(3)围成的纵截面呈腰形；
所述前侧有效冻结区域(1)与盾构机(7)的刀盘平行的横截面呈正方形，所述前侧有效冻结区域(1)与盾构机(7)的刀盘平行的侧面的中心与盾构机(7)的刀盘的中心位于同一直线上，所述前侧有效冻结区域(1)由靠近盾构机(7)的刀盘向远离盾构机(7)的刀盘方向的长度逐渐减少，所述前侧有效冻结区域(1)沿盾构机(7)前进方向的宽度为Lq,k，所述前侧有效冻结区域(1)沿与盾构机(7)前进方向垂直且指向盾构机(7)侧面方向的最大长度为Lq,c,max，所述前侧有效冻结区域(1)沿与盾构机(7)前进方向垂直且指向盾构机(7)侧面方向的最小长度为Lq,c,min，所述前侧有效冻结区域(1)沿与盾构机(7)前进方向垂直且指向盾构机(7)顶部方向的高度为Lq,g，所述前侧有效冻结区域(1)的顶部距离盾构机(7)顶部的间距与所述前侧有效冻结区域(1)的底部距离盾构机(7)底部的间距相同；
所述顶部有效冻结区域(2)沿盾构机(7)前进反方向的宽度为Ld,k，所述顶部有效冻结区域(2)位于盾构机(7)顶部的高度为Ld,g，所述顶部有效冻结区域(2)由靠近盾构机(7)的刀盘向盾构机(7)中部的长度逐渐减少，所述顶部有效冻结区域(2)沿与盾构机(7)前进反方向垂直且指向盾构机(7)侧面方向的最大长度为Ld,c,max，所述顶部有效冻结区域(2)沿与盾构机(7)前进反向方向垂直且指向盾构机(7)侧面方向的最小长度为Ld,c,min，且Lq,c,max＝Ld,c,max，Lq,c,min＝Ld,c,min，Lq,g＝Ld,g，所述顶部有效冻结区域(2)沿长度方向的中心线的投影与盾构机(7)的中心线重合；
所述底侧有效封水区域(4)的横截面呈扇环形，且所述底侧有效封水区域(4)靠近前侧有效冻结区域(1)贴合的侧面呈平面布设，所述底侧有效封水区域(4)由靠近前侧有效冻结区域(1)向远离前侧有效冻结区域(1)的高度逐渐减少，所述底侧有效封水区域(4)沿盾构机(7)前进反方向的宽度为Ll,k，所述底侧有效封水区域(4)沿与盾构机(7)前进反方向垂直且指向盾构机(7)顶部方向的最大高度为Ll,g,max，所述底侧有效封水区域(4)沿与盾构机(7)前进反方向垂直且指向盾构机(7)顶部方向的最小高度为Ll,g,min，所述底侧有效封水区域(4)与盾构机(7)外侧面相交点之间的长度小于盾构机(7)的刀盘的直径；
所述底侧有效冻结区域(5)包括两个位于底侧有效封水区域(4)的两侧且呈对称布设的底侧冻结区域，两个所述底侧冻结区域位于周侧有效冻结区域(3)的底部，所述底侧冻结区域沿盾构机(7)前进反方向的宽度为L′l,k，且L′l,k＝Ll,k＝Lq,k，所述底侧冻结区域沿与盾构机(7)前进反方向垂直且指向盾构机(7)顶部方向的高度为L′l,g，所述底侧冻结区域由靠近前侧有效冻结区域(1)向远离前侧有效冻结区域(1)的长度逐渐减少，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机(7)外侧面之间的最大长度为L′l,c,max，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机(7)外侧面之间的最小长度为L′l,c,min；
所述周侧有效冻结区域(3)为围设在盾构机(7)周侧面、所述顶部有效冻结区域(2)和所述底侧有效冻结区域(5)之间的区域，所述周侧有效冻结区域(3)的顶侧面与所述顶部有效冻结区域(2)的底面相齐平，所述周侧有效冻结区域(3)的内周侧面与盾构机(7)的刀盘外侧面相适应，所述周侧有效冻结区域(3)沿盾构机(7)前进方向的圆弧面与顶部有效冻结区域(2)沿盾构机(7)前进方向的圆弧面相齐平，所述周侧有效冻结区域(3)沿盾构机(7)前进方向的宽度、底侧冻结区域沿盾构机(7)前进方向的宽度和顶部有效冻结区域(2)沿盾构机(7)前进方向的宽度均相等，所述周侧有效冻结区域(3)的底侧面与底侧有效冻结区域(5)的顶面相齐平；
步骤203、前侧有效冻结区域(1)和顶部有效冻结区域(2)的上表面设置多个冷冻管布设点；其中，相邻两个冷冻管布设点之间的间距为500mm～1000mm；
步骤三、冷冻管的安装：
步骤301、在盾构机(7)的下半圆周均设的多个超前注浆孔(12)中安装底部冷冻管(13)；
步骤302、搭建冷冻作业平台；
步骤303、施工人员通过所述冷冻作业平台在多个冷冻管布设点上安装有竖直冷冻管；
施工人员通过所述冷冻作业平台在多个冷冻管布设点上安装竖直冷冻管的方法均相同，则在任一个冷冻管布设点上安装竖直冷冻管的方法过程如下：
步骤3031、施工人员在冷冻管布设点处安装定位管(34)；其中，定位管(34)的上端与冷冻作业平台焊接，定位管(34)的长度为20mm～30mm，安装定位管(34)的中心与冷冻管布设点重合；
然后施工人员操作打桩船在冷冻管布设点上定位管(34)内压入套管(31)，定位管(34)的内圆周面与套管(31)的外圆周面相贴合，直至套管(31)的底端伸入海床面下部海底土体中8m～10m；其中，套管(31)的顶端高于海面；
步骤3032、将膨润土、羧甲基纤维素钠盐、氢氧化钠和水混合，并搅拌均匀，得到泥浆；其中，所述膨润土、羧甲基纤维素钠盐、氢氧化钠和水混合的质量比为1：0.1：(0.0005～0.001)：(0～0.0030)；
步骤3033、将钻机的钻头伸入海床面下部海底土体中，通过钻头注入泥浆将套管(31)内海水全部排出；然后通过钻头钻孔，形成冷冻管安装孔；其中，冷冻管安装孔的直径比竖直冷冻管的直径大30mm；
步骤3034、在竖直冷冻管的外圆周面上敷设保温层(33)，待保温层(33)粘接牢固后，在保温层(33)外圆周面上间隔安装多个定位环(42)，在保温层(33)的底部安装护筒(43)；
步骤3035、施工人员在所述冷冻作业平台上将组装好护筒(43)、保温层(33)和定位环(42)的竖直冷冻管放入冷冻管安装孔，且确保定位环(42)的外圆周面与套管(31)的内圆周面相贴合；其中，所述竖直冷冻管、所述冷冻管安装孔、套管(31)和定位管(34)呈同轴布设；
步骤3036、在竖直冷冻管的外圆周的缝隙中再注入泥浆，则形成泥浆填充层(32)；
步骤四、冻结加固地层内布设监测点及安装传感器：
步骤401、沿前侧有效冻结区域(1)靠近盾构机(7)的侧面上设置有六个监测点；其中，六个监测点分别为设置在前侧有效冻结区域(1)顶部中心处的第一监测点、设置在前侧有效冻结区域(1)沿高度方向的中心处的第二监测点、第三监测点和第四监测点，以及设置在前侧有效冻结区域(1)下部的第五监测点和第六监测点，第二监测点、第三监测点和第四监测点沿前侧有效冻结区域(1)高度方向的中心处长度方向均布，第五监测点和第六监测点距离前侧有效冻结区域(1)的底部之间有间隙；
步骤402、沿盾构机(7)的前盾盾壳圆周方向布设第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点；其中，第一壳体监测点位于盾构机(7)的前盾盾壳顶部，第四壳体监测点位于盾构机(7)的前盾盾壳底部，第二壳体监测点位于第一壳体监测点和第四壳体监测点之间且靠近第一壳体监测点布设，第三壳体监测点位于第一壳体监测点和第四壳体监测点之间且靠近第四壳体监测点布设；
步骤403、在第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点处分别安装第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器；
步骤404、在第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点、第五监测点和第六监测点处分别安装第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器；
步骤五、铺设防火保温层：
步骤501、在前侧有效冻结区域(1)靠近盾构机(7)的侧面上布设第一防火保温层，在顶部有效冻结区域(2)、周侧有效冻结区域(3)、底侧有效封水区域(4)和底侧有效冻结区域(5)靠近盾构机(7)的侧面上铺设第二防火保温层；其中，第二防火保温层位于盾构机(7)沿刀盘的周向布设，且第二防火保温层的一端搭接至盾构机(7)的前盾盾壳上，第二防火保温层的一端搭接至第一防火保温层；
步骤502、在盾构机(7)内泥水仓隔板靠近前侧有效冻结区域(1)的表面上铺设第三防火保温层；
步骤六、泥水仓隔板设置为冷板：
步骤601、在盾构机(7)内泥水仓隔板上沿泥水仓隔板的环向设置第一排布设点和第二排布设点；其中，第一排布设点和第二排布设点均包括6个冷冻管布设点，6个冷冻管布设点沿泥水仓隔板的周向均布；
步骤602、在第一排布设点和第二排布设点处分别安装加固冷冻管，加固冷冻管外采用防火保温层进行包裹。
步骤七、冻结加固地层形成冻结体：
将步骤102得到的低温冷冻水通过多个竖直冷冻管对前侧有效冻结区域(1)、顶部有效冻结区域(2)、周侧有效冻结区域(3)和底侧有效冻结区域(5)进行冷冻，以使前侧有效冻结区域(1)、顶部有效冻结区域(2)、周侧有效冻结区域(3)和底侧有效冻结区域(5)的温度小于冷冻温度设定值；同时，将步骤102得到的低温冷冻水通过多个底部冷冻管(13)对底侧有效封水区域(4)进行冷却，以使底侧有效封水区域(4)的温度小于冷封温度设定值，形成冻结体；其中，冷冻时间为55天～85天，冷却时间为40天～45天，冷冻温度设定值为-12℃，冷封温度设定值为-6℃。
2.按照权利要求1所述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：步骤201中搭建冷冻作业平台的具体过程如下：
搭建多个呈竖直布设的钢管桩作为承重基础，在多个钢管桩的顶部安装H型钢，并沿H型钢长度布设多个槽钢组成冷冻作业平台；其中，H型钢与槽钢呈垂直布设，所述冷冻作业平台的周侧设置有安全护栏，相邻两个钢管桩之间设置桁架固定；
所述前侧有效冻结区域(1)沿盾构机(7)前进方向的宽度Lq,k的取值范围为3200mm～3400mm，所述前侧有效冻结区域(1)沿与盾构机(7)前进方向垂直且指向盾构机(7)侧面方向的最大长度Lq,c,max的取值范围为13020mm～13220mm，所述前侧有效冻结区域(1)沿与盾构机(7)前进方向垂直且指向盾构机(7)侧面方向的最小长度Lq,c,min的取值范围为6020mm～7220mm，所述前侧有效冻结区域(1)沿与盾构机(7)前进方向垂直且指向盾构机(7)顶部方向的高度Lq,g的取值范围为3000mm～3200；
顶部有效冻结区域(2)沿盾构机(7)前进方向的宽度Ld,k的取值范围为3000mm～3200mm；
所述底侧有效封水区域(4)沿盾构机(7)前进方向的宽度Ll,k的取值范围为3431mm～3631mm，所述底侧有效封水区域(4)沿与盾构机(7)前进反方向垂直且指向盾构机(7)顶部方向的最大高度Ll,g,max的取值范围为1100mm～1300mmm，所述底侧有效封水区域(4)沿与盾构机(7)前进反方向垂直且指向盾构机(7)顶部方向的最小高度Ll,g,min的取值范围为640mm～660mmm；
所述底侧冻结区域沿盾构机(7)前进方向的宽度L′l,k的取值范围为3000mm～3200mm，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机(7)外侧面之间的最大长度L′l,c,max的取值范围为3000mm～3200mmm，所述底侧冻结区域外侧面距离盾构机(7)外侧面之间的最小长度L′l,c,min的取值范围为0mm～200mmm，所述底侧冻结区域沿与盾构机(7)前进反方向垂直且指向盾构机(7)顶部方向的高度L′l,g的取值范围为4630mm～4830mmm。
3.按照权利要求1所述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：所述竖直冷冻管包括管壳(20)、安装在管壳(20)上端部的盖板(28)和安装在管壳(20)下端部的底锥(29)，以及设置在管壳(20)内并伸出盖板(28)外的供液管(24)和回液管(25)，所述盖板(28)的下表面设置有上保温层(35)，所述保温层(33)的内圆周面与管壳(20)的外圆周面相贴合，所述定位环(42)的内圆面与保温层(33)的外圆周面紧密贴合，所述供液管(24)的进口通过进液软管(26)与低温冷冻水管(21)连接，所述回液管(25)的出口通过出液软管(27)与回路低温冷冻水管(22)连接，所述进液软管(26)上设置有进水阀(23)，所述出液软管(27)上设置有出水阀(30)，所述低温冷冻水管(21)上设置有供水温度传感器(36)和流量传感器(37)，所述回路低温冷冻水管(22)上设置有回水温度传感器(36)；
所述管壳(20)内设置有测压管，所述测压管上设置有排气软管，所述排气软管连接有排气管(40)，所述排气软管上设置有排气阀(39)，所述测压管上设置有压力传感器(38)。
4.按照权利要求3所述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：供水温度传感器(36)对低温冷冻水管(21)的进入温度进行检测，回水温度传感器(36)对低温冷冻水的回水温度进行检测，以使进入温度和回水温度之差满足温差设定值；
压力传感器(38)对竖直冷冻管内的压力进行检测，当竖直冷冻管内的压力大于设定值时，操作排气阀(39)打开，通过排气管(40)排气泄压。
5.按照权利要求1所述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：步骤101中搅拌时间为10min～20min，步骤102中低温冷冻水的温度不高于-28℃；
步骤201中所述第五监测点和第六监测点距离盾构机刀盘冷冻加固体的底部之间有间隙的取值范围为400mm～420mm；
步骤301中第一防火保温层的厚度为70mm～100mm，第二防火保温层的厚度为70mm～100mm；第三防火保温层的厚度为70mm～100mm；
步骤602中加固冷冻管为DN40不锈钢软管；
所述保温层(33)的厚度为20mm～22mm，上保温层(35)的厚度为10mm～15mm，所述泥浆填充层(32)的厚度为70mm～80mm，所述保温层(33)和上保温层(35)为PEF保温层。
6.按照权利要求1所述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：所述定位环(42)包括围设在保温层(33)外圆周面上的第一半圆环(42-1)和围设在保温层(33)外圆周面上的第二半圆环(42-2)，所述第一半圆环(42-1)上设置有第一安装孔(42-3)，所述第二半圆环(42-2)上设置有第二安装孔(42-4)，所述第一安装孔(42-3)和第二安装孔(42-4)内穿设有螺钉；
所述护筒(43)包括围设在保温层(33)底部的第一半圆护筒(43-1)和第二半圆护筒(43-2)，所述第一半圆护筒(43-1)和第二半圆护筒(43-2)的顶部均设置有上半圆抱箍(43-4)，所述第一半圆护筒(43-1)和第二半圆护筒(43-2)的底部均设置有下半圆抱箍(43-3)，所述上半圆抱箍(43-4)上设置有供上螺栓安装的上安装孔(43-6)，所述下半圆抱箍(43-3)上设置有供下螺栓(43-7)安装的下安装孔(43-5)，两个上半圆抱箍(43-4)通过上螺栓可拆卸连接，两个下半圆抱箍(43-3)通过下螺栓(43-7)可拆卸连接。
7.按照权利要求1所述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：还包括步骤八、温度预警判断，具体过程如下：
步骤A、在盾构机内动火作业过程中，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器按照预先设定的采样时间分别对第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点、第五监测点和第六监测点处的温度进行检测，获得各个监测点温度，第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器按照预先设定的采样时间分别对第一壳体监测点、第二壳体监测点、第三壳体监测点和第四壳体监测点处的温度进行检测，获得各个壳体监测点温度；盾构机内设置的内部温度传感器按照预先设定的采样时间对盾构机内温度进行检测，获得盾构机仓内温度；
步骤B、将各个监测点温度中第k个采样时间第i个监测点温度记作Ti(k)，i为正整数，且1≤i≤6；将各个壳体监测点温度第k个采样时间第j个壳体监测点温度记作T′j(k)，j为正整数，且1≤j≤4，将第k个采样时间盾构机仓内温度记作Tn(k)；第k-1个采样时间第i个监测点温度记作Ti(k-1)，第k+1个采样时间第i个监测点温度记作Ti(k+1)，第k+2个采样时间第i个监测点温度记作Ti(k+2)；第k-1个采样时间第j个壳体监测点温度记作T′j(k-1),第k+1个采样时间第j个壳体监测点温度记作T′j(k+1),第k+2个采样时间第j个壳体监测点温度记作T′j(k+2)；第k-1个采样时间盾构机仓内温度记作Tn(k-1),第k+1个采样时间盾构机仓内温度记作Tn(k+1),第k+2个采样时间盾构机仓内温度记作Tn(k+2),k为正整数，且k≥1；
步骤C、当Ti(k)比第一温度设定值大2℃且
时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业；
当T′j(k)比第二温度设定值大2℃且
时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业；
当Tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，同时降低通风排烟流量；
当Ti(k)比第一温度设定值大2℃，且Ti(k)≤Ti(k+1)≤Ti(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；
当Tj′(k)比第二温度设定值大2℃，且T′j(k)≤T′j(k+1)≤T′j(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；
当Tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且Tn(k)≤Tn(k+1)≤Tn(k+2)时，则停止盾构机内切割、焊接动火作业，撤离人员，关闭盾构机仓门；
步骤D、当Ti(k)比第一温度设定值大2℃且Ti(k)≤Ti(k+1)≤Ti(k+2)、当T′j(k)比第二温度设定值大2℃且T′j(k)≤T′j(k+1)≤T′j(k+2)或者当Tn(k)比盾构机仓内温度设定值大5℃且Tn(k)≤Tn(k+1)≤Tn(k+2)时，检查冷冻管线，直至当Ti(k)满足第一温度设定值、T′j(k)满足第二温度设定值和Tn(k)满足盾构机仓内温度设定值时，才能进行盾构机内切割、焊接动火作业；第一温度设定值不大于-2℃，第二温度设定值不大于-2℃，盾构机仓内温度设定值不大于30℃，预先设定的采样时间为5min～10min。
8.按照权利要求1所述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：在监测点处安装温度传感器的方法均相同，具体过程如下：
步骤4021、在监测点处，采用磁力钻钻孔；
步骤4022、将温度传感器安装在钻孔处；其中，将温度传感器的测点埋入钻孔处，温度传感器的传输线路接出进行数据采集；
步骤4023、在温度传感器与钻孔的缝隙处填充原状土夯实；
在壳体监测点处安装壳体温度传感器的方法均相同，具体过程如下：在壳体监测点处贴装温度传感器；其中，第一壳体温度传感器、第二壳体温度传感器、第三壳体温度传感器和第四壳体温度传感器为贴片温度传感器。
9.按照权利要求1所述的一种盾构机联合冻结加固地层方法，其特征在于：各个冷冻管布设点处分别安装冷冻管的方法均相同，具体过程如下：
步骤6021、将加固冷冻管的中间部位点焊在冷冻管布设点处，并弯折加固冷冻管的两端呈U形；
步骤6022、在加固冷冻管外采用防火保温层进行包裹；其中，加固冷冻管外保温层的厚度为20mm～30mm；
步骤6023、将低温冷冻水送入加固冷冻管内进行持续冷冻。
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2019
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