CN110847151B - 一种冻结法修复隧道下穿空洞方法 - Google Patents

一种冻结法修复隧道下穿空洞方法 Download PDF

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Abstract

针对传统的填埋处理采空区出现较多的环境问题以及后期会出现相关的问题,本发明的目的在于提供一种冻结法修复隧道下穿空洞方法,包括:S1.测量定位;S2.钻孔;S3.插管;S4.冻结软管埋设;S5.冻结施工,直至下放的隧道施工完成后,在进行盐水循环降温,逐渐冻结。本发明采用的软管随着冻结水一并流入地下空洞,能够有效的进入狭小的空洞区进行冻结,有更有效的冻结效率提升,并且能够有效的对空洞的围岩进行冻结,从而加固空洞围岩的稳定性。本发明有效的减小了下穿采空区的影响。

Description

一种冻结法修复隧道下穿空洞方法
技术领域
本发明涉及隧道空洞处理领域,尤其涉及一种冻结法修复隧道下穿空洞的方法。
背景技术
由于工程施工对于相关项目的施工过程中遇到相关地层的地下废弃空洞或后期需修复使用的空洞时,大部分采用的是对周边的土体进行排桩支护,或者对于空洞进行沙土回填的方法进行空洞支护,但是由于不管是排桩支护或沙土回填,均需要在原本土体中未存在的土体中注入其他材料,例如排桩需要打孔注入混凝土,我国己经在“三下”铁路、水体和建筑物下开采沉陷理论及控制方面的研究并取得了丰硕的成果,实际应用岩土体沉陷的理论已经达到了国际先进水平,积累了宝贵的实践经验。
在实际工作中遇到的主要问题是:1.在路线方案的确定过程中不能很快查清、掌握影响工程的规模、程度和范围,直接影响到路线方案的选定。
2.设计基础数据的不确定因素太多,设计因素考虑不周密,即便结构计算分步较细,隧道结构设计支护参数也难以把握,要么是过于保守要么就是支护强度不足,造成成本过高或者施工塌方等。
3.由于地层技术方案的特殊性,施工方案的设计缺乏合理性。
公路隧道穿越采空区地层在施工过程中遇到的主要问题是:①防突②防爆③保持巷道的稳定④采空区综合治理,防止塌方冒顶、结构基础落空。
高速公路隧道为线性工程,由于采空区上覆岩层的不均匀沉降变形,很容易造成隧道路面的错落起伏、衬砌结构变形、开裂等破坏现象。
目前国内在公路下伏采空区施工和防护加固方面的理论研究和工程实践较多,而公路隧道、铁路隧道方面则较少,如果因为施工或其他因素导致的停运或中断,即意味着整条线路的中断,所带来的经济损失和社会影响相当大。因此开展隧道采空区施工技术研究,以确保工期和施工安全,是非常必要的。
在往常施工中发现空洞所采用的手段为:采空区地基处理措施,预防和控制地表残余沉陷的发生。
此类方法可细分为四种:1.对采空区采取全部充填支撑覆岩,彻底消除地基沉降的隐患,主要采用水力充填、风力充填及注浆充填等,其中效果最好、应用最广泛的就是注浆充填。
2.对采空区进行局部支撑,以减小采空区的空间跨度,防止顶板垮落,常用的方法主要有大直径钻孔桩柱或直接采用桩基法、井下砌墩柱和注浆柱等;
3.对采空区范围注浆加固以改善采空区围岩的结构属性,充填断裂带及垮落带岩土体的离层及裂隙,使其成为在刚度和整体性上均良好的结构,有效的控制采空区的塌陷发展,从而保证构筑物的安全;
4.对采空区采取措施来释放采空区的沉降变形。在采空区影响区域的地表未被利用前,采取一定的强制措施来加速采空区的覆岩沉陷过程,消除安全隐患,在沉降变形基本稳定后再对地表土地进行开发利用。常用的方法主要有高能级强夯法、堆载预压法等。
然而对于传统的四种方法,有明显的缺陷就是在采空区的空洞范围内,进行隧道开挖,会明显对其对于外部进行其他物质的填充,对于采空区的加固都放在利用人工材料进行加固,其缺点有以下几点:
1.人工材料例如混凝土,对于材料的原料运输,采集,以及施工制作等,均需要人工机械的进行浇灌以及浇筑之后,会造成大量的人工的浪费以及施工的机械使用率较高,资源环境的破坏较为严重。
2.工程材料的施工过程中,对于后期的施工以及工程的建设过程中,工序较为复杂,并且在支护过程中,材料本身的特点对于环境持续产生危害。
3.工程材料在后期运营过程中,由于材料对于环境的污染有危害,而且对于相关的材料后期的不易清楚,并且对于后期采空区的沉降造成巨大影响,最终会导致采空区下沉,从而对后期的隧道运营造成影响。
发明内容
针对传统的填埋处理采空区出现较多的环境问题以及后期会出现相关的问题,对于下穿的隧道有很强的影响。因此,本发明的目的在于提供一种冻结法修复隧道下穿空洞方法,该方法环保、工艺简单以及对后期运营无影响。
所述的一种冻结法修复隧道下穿空洞方法,其技术方案在于,包括以下步骤:
S1.测量定位:根据勘探结果,钻孔将出气孔放置在空洞的最高点,注水孔在空洞的距离出气孔远端的空洞端口处,方便冻结软管随水流更均匀的分布在空洞中;
S2.采用地质钻机或潜孔钻机进行钻探至隧道顶板上5.0m处,直径为 180mm,以便发现空洞后测定空洞的位置;
S3.对探明有大于2m以上无充填空洞的地方,设置两根Ф150mm钢管至空洞顶面下0.1m处,一根插入S1步骤中所述的注水孔中作为注水管另外一根插入S1步骤中所述的出气孔作为出气管;
S4.冻结软管埋设:预埋多根冻结软管呈梅花型设置在注水管内并随水流进入空洞中,堵墙外管长度不小于0.3m并安装闸阀,以利排水和向空洞注浆;然后采用高压水通过注水管充填空洞,得到充满水的空洞;其中,该冻结软管内设置有两根管路且其中一根管路用于注水,另一根管路用于回水;
S5.冻结施工:首先由氨循环系统对S4步骤得到的空洞中的水进行快速冻结,当空洞中水完全冻结后,氨循环的液态氨不再蒸发为气体,其冻结系统转为盐水循环,维持温度,直至下放的隧道施工完成后,再进行盐水循环降温,逐渐冻结。
进一步的,S3步骤中的注水压力从25MPa逐渐升高且每升高2MPa需要暂停检查;冻结软管的下放速度随冻结水的压力逐渐增大而逐渐加快。
进一步的,S5步骤中的氨冻结阶段结束的标准是:返回氨液体已达到注入液体的80%或注浆压力达到设计终压;冻结盐水阶段的标准为:返还的液体的温度降温差距低于3摄氏度时为稳定。
进一步的,S5步骤的盐水循环:根据工程需要可采用正、反两种盐水循环系统;盐水注入速度控制:注浆速度采用60~80L/min。
本发明所带来的有益效果为:本发明采用的软管随着冻结水一并流入地下空洞,能够有效的进入狭小的空洞区进行冻结,有更有效的冻结效率提升,并且能够有效的对空洞的围岩进行冻结,从而加固空洞围岩的稳定性。相对而言在施工过程中对于围岩的地面沉降影响较小,在施工之后融化后,对于相关的地面不会造成附加应力的沉降,并减小了空洞的变形,有利于环境保护以及地层的原始应力不被影响,有效的减小了下穿采空区的影响。
附图说明
图1.为本发明施工示意图。
图2为冻结软管结构示意图。
其中,1.出气孔;2.注水孔;3.空洞;4.冻结软管;5.隧道;401.进水管;402.回水管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
所述的一种冻结法修复隧道下穿空洞方法,包括以下步骤:
1.测量定位:如图1,在业主移交场地后,由施工技术部负责组织地质钻机进行详细钻探,同时进行测量定位,先将暗挖隧道位置反映至地表,然后对原设计中存在的空洞区域,按要求放出钻孔位置:
所述的钻孔要求是:根据空洞勘察的结果,钻孔将出气孔1放置在空洞的最高点,注水孔2在空洞的距离出气孔远端的空洞端口处打孔,方便冻结软管4随水流更均匀的分布在空洞中;
2.采用地质钻机或潜孔钻机进行钻探至隧道5顶板上5.0m处,直径为 180mm,以便发现空洞后测定空洞的大体位置以及相关的信息;
3.在探钻作业过程中如没发现有空洞3存在,为避免含水层导入隧道5 内,给隧道5掘进造成安全隐患,采用最稠一级水泥砂浆进行填充;其中,水泥浆水灰比1:0.5~0.7;
对探明有大于2m以上无充填空洞3的地方,设置两根Ф150mm钢管至空洞顶面下0.1m处,一根插入S1步骤中所述的注水孔2中作为注水管另外一根插入S1步骤中所述的出气孔1作为出气管;再将冻结软管4放置在注水管中,注水的压力从低至高,间歇注水、反复注水,冻结软管4的下放速度随冻结水的压力逐渐增大而逐渐加快;等到排气管出水后,利用冻结压力机对冻结软管4的盐水进行冻结,且在冻结的盐水进行冻结该空洞。
需要明确的是:注水时的要求:注水压力应逐渐升高,每加压到2MPa 时停止升压,对整个系统进行检查,确认无问题时,继续升压到工作压力,然后再进行检查,无问题后又继续升到试验压力。
需要明确的是:间歇注水是指每加压到2MPa时停止升压,保持10分钟,然后降至工作压力进行检查,以不渗漏为合格;其中,注水管路系统试验压力应为25MPa;
需要明确的是:盐水进行冻结的过程是:用液氨进行前期快速冻结,用盐水维持冻结温度,结束后用自然解冻的方法进行冻结;
在施工中的注水步骤:以地表钻孔探明和洞内超前探管为依据基本确定洞穴范围找准水系情况;掌子面封堵:视围岩变化和水质情况,及时采用C20 砼喷射0.5m厚封堵墙。
冻结软管4埋设:根据洞穴大小预埋
Figure GDA0002955607560000061
冻结软管呈梅花型设置,堵墙外管长度不小于0.3m并安装闸阀,以利排水和注浆;然后采用高压水通过注水管充填空洞,得到充满水的空洞;如图2,其中,该冻结软管4内设置有两根管路且其中一根管路用于注水的进水管401,另一根管路用于回水的回水管 402;
冻结施工:首先由氨循环系统,对空洞中水进行快速冻结,当空洞3中水完全冻结后,氨循环的液态氨不再蒸发为气体,其冻结系统转为盐水循环,维持温度,直至下放的隧道施工完成后,再进行盐水降温,逐渐冻结;
其中,氨循环系统:氨循环在制冷过程中起主导作用,为了使地热传递给冷却水再释放给大气,必须将蒸发器中饱和蒸汽氨成为高压高温的过热蒸汽,使与冷却水产生温差,在冷凝器中将热量传递给冷却水,同时过热蒸汽氨冷凝成液态氨,实现气态到液态的转变。液态氨经节流阀降压流入蒸发器中蒸发,再吸收其周围盐水中的热量变成饱和蒸汽氨。如此,周而复始,构成氨循环。氨循环系统设备由蒸发器,氨压缩机,冷凝器和节流阀构成。
其中,上述的盐水循环:盐水循环在制冷过程中起着冷量传递作用。该循环系统由盐水流动的动力。冻结器是低温盐水与地层进行热交换的换热器,盐水流速越快,换热强度越大。根据工程需要可采用正、反两种盐水循环系统,正常情况下用正循环供液。积极冻结期间,冻结器进出口温度差一般为3至7 摄氏度,消极冻结期间,其进出口温度差为1至3摄氏度。蒸发器中氨的蒸发温度与其周围的盐水温度相差5至7摄氏度。冻结器表面的吸热率即单位时间、单位面积的吸热量为263至292W每平米。为了观察盐水在冻结软管中是否漏失应在去、回路盐水干管和冻结器进出口处安装计量计。上述盐水循环称为闭路盐水循环系统。国外还使用一种开路回液盐水循环,其主要特点是无集液圈,每根回液管单独回液,便于观察每根冻结软管盐水是否漏失。这种方式盐水循环用管量大,较闭路循环复杂。盐水管路应严格进行保温处理,一般情况下,盐水管路的热损耗大约占领冻结站总制冷量的25%左右。
盐水注入速度控制:盐水注入速度的选择应根据岩层的类别及破粹程度,钻孔出水量以及注浆泵的能力确定。本发明注浆速度采用60~80L/min。注浆前标定注浆泵上电接点压力表的最大压力指示,泵压力后观察压力变化及水泥浆和水玻璃的消耗数量。
冻结结束标准:氨冻结阶段结束的标准是:返回氨液体已达到注入液体的80%或注浆压力达到设计终压。
冻结盐水阶段的标准为:返还的液体的温度降温差距低于3摄氏度时为稳定,在冻结结束后运用自然解冻后抽回相关冻结软管4。
需要明确的是:盐水循环、冻结施工都通过冻结软管4完成。
如果空洞3小于2m的无充填石洞和少量填充物空洞3,直接采用注浆方法进行施工。
本发明经过验证具有以下优点:1.对于原先的注浆、支护的方法的改进,对于空洞的支护是一个比较复杂,一般采用注浆以及水力填充的方法,效果最好,但是对于原先地层有填充作用,但是对后期由于先加入注浆的地层会产生附加压力,对于下穿隧道而言是额外压力,对于水压力以及注浆后形成的压力增大了支护成本,但是对于空洞的漏水,造成水资源浪费,并且水的软化作用,造成水的承力中对于空洞的填充作用并不较好,容易造成成本增加,并且对于地层软化,围岩较软,造成支护难度增大,且工程造成的附加压力大,破坏了围岩的稳定性,因此针对这个问题的缺陷,针对此困难,本发明采用来源比较广泛的水(可以采用城市污水等非应用水源,采用工业水源),采用冻结方式冻结流动水增加前期的填充强度,在隧道穿越后,采用解冻,水自然流散从而减小了对围岩后期附加压力的影响。
2.针对冻结装置,由于根据城市电网存在,通过冻结软管4,利用钻孔随着冷水注入,通过冻结的盐水管循环冻结冻结相关的地层,其效果既能填充地层,又能加固相关空洞周围的地层,也能冻结后形成挡水帷幕,保证隧道的上部围岩的稳定性,尤其对于富水地层或裂隙地层的空洞冻结法的施工尤为有优势。
3.冻结的水有相关的冻结装置,由于在城市施工,因此可以依托市政管道供电供水,减少了管线铺设的麻烦,第二采用软冻结管4,随着冻结水一并流入地下空洞,能够有效的进入狭小的空洞区进行冻结,有更有效的冻结效率提升,并且能够有效的对空洞的围岩进行冻结,从而加固空洞围岩的稳定性,相对而言在施工过程中对于围岩的地面沉降影响较小,在施工之后融化后,对于相关的地面不会造成附加应力的沉降,并减小了空洞的变形,有利于环境保护以及地层的原始应力不被影响,有效的减小了下穿采空区的影响。
以上所述仅为发明的较佳实施例而己,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种冻结法修复隧道下穿空洞方法,其特征在于,包括以下步骤:S1.测量定位:根据勘探结果,钻孔将出气孔放置在空洞的最高点,注水孔在空洞的距离出气孔远端的空洞端口处,方便冻结软管随水流更均匀的分布在空洞中;
S2.采用地质钻机或潜孔钻机进行钻探至隧道顶板上5.0m处,直径为180mm,以便发现空洞后测定空洞的位置;
S3.对探明有大于2m以上无充填空洞的地方,设置两根Ф150mm钢管至空洞顶面下0.1m处,一根插入S1步骤中所述的注水孔中作为注水管另外一根插入S1步骤中所述的出气孔作为出气管;
S4.冻结软管埋设:预埋多根冻结软管呈梅花型设置在注水管内并随水流进入空洞中,堵墙外的管长度不小于0.3m并安装闸阀,以利排水和向空洞内注浆;然后采用高压水通过注水管充填空洞,得到充满水的空洞;其中,该冻结软管内设置有两根管路且其中一根管路用于注水,另一根管路用于回水;
S5.冻结施工:首先由氨循环系统对S4步骤得到的空洞中的水进行快速冻结,当空洞中水完全冻结后,当循环的液态氨不再蒸发为气体,其冻结系统转为盐水循环,维持温度,直至下放的隧道施工完成后,再进行盐水循环降温,逐渐冻结。
2.根据权利要求1所述的一种冻结法修复隧道下穿空洞方法,其特征在于,S4步骤中的注水压力从25MPa逐渐升高且每升高2MPa需要暂停检查;冻结软管的下放速度随冻结水的压力逐渐增大而逐渐加快。
3.根据权利要求1所述的一种冻结法修复隧道下穿空洞方法,其特征在于,S5步骤中的氨冻结阶段结束的标准是:返回氨液体已达到注入液体的80%或注浆压力达到设计终压;冻结盐水阶段的标准为:返还的液体的温度降温差距低于3摄氏度。
4.根据权利要求1所述的一种冻结法修复隧道下穿空洞方法,其特征在于,S5步骤的盐水循环:根据工程需要采用正、反两种盐水循环系统;盐水注入速度控制:注浆速度采用60~80L/min。
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