CN112065403A - 用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，包括：多块弧形钢管片，其依次连接形成环形钢管片；冷冻管路，在每块弧形钢管片的内表面上沿弧线设置有多排冷冻管路，相邻弧形钢管片上的同排冷冻管路通过第一管进行连接，形成多个环形冷冻管路，环形冷冻管路中的载冷剂使环形钢管片的温度降低，从而对其周围土体进行冻结；肋板，其设置在弧形钢管片的内表面上，并形成肋板腔，在肋板腔中填满凝固点低的油脂，并在肋板的端头设置一环形薄板用以封堵肋板腔以免油脂掉落。该装置能够高效地将盾构机尾部的周围土体进行冻结，使盾构机尾部形成一圈均匀的冻结帷幕，从而封堵盾尾间隙外部水土。该发明还公开了一种更换盾构机尾刷的施工方法。

Description

用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置及其施工方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道施工尾刷更换。更具体地说，本发明涉及一种用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置及其施工方法。

背景技术

随着城市化进程的加快，地铁隧道区间段越来越长，复杂地质下的盾构穿越也愈加频繁。盾构长距离、复杂地层掘进施工也成为一种必然趋势。在盾构的长距离掘进过程中，作为盾构机主要密封部件之一的盾尾密封钢丝刷(以下简称“盾尾刷”)，是非常容易损坏且难以修复的。盾构管片外壁与盾尾内侧之间存在一定的间隙，更换的最大难点在于管片拆卸后盾尾的密封止水。在盾尾刷更换中注浆封水技术虽然得到广泛应用，但是注浆法地层的不适应性、注浆帷幕的连续性差、均匀性差、注浆土体与盾构及管片的胶接缺乏柔性和韧性等不利因素是客观存在的，可导致风水性差的风险隐患。尤其当出现需要更换两道尾刷，且停机位置为富水不利地层时，对于盾尾封水要求更加严格。

相较于注浆止水，冻结法形成的冻土帷幕具有连续性好、均匀性好、封水性及柔韧性好，冻结体强度高等优点。在更换尾刷的冻结方案中，常规的冻结法难以实现，需要在盾构钢材和管片混凝土的低温适应性范围内，设计特殊形式和构造的冻结管。在隧道内相应位置的混凝土管片上打孔进行冻结的常规做法存在穿透性损坏管片，能够导致永久性渗漏隐患、冻土帷幕环向均匀性差等缺陷。此外国内已有少数工程采用在混凝土管片内置冷冻管，由于冷冻管的密封性，一旦出现渗漏则无法弥补。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，其能够高效地将盾构机尾部的周围土体进行冻结，使盾构机尾部形成一圈均匀的冻结帷幕，从而封堵盾尾间隙外部水土。

本发明还有一个目的是通过更换盾构机尾刷的施工方法，既提高了更换盾构机尾刷的效率，又提高了更换尾刷的可靠性和安全性，同时也减化了施工步骤。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，包括：

多块弧形钢管片，其依次进行连接形成一环形钢管片；

冷冻管路，在每块弧形钢管片的内表面上沿弧线设置有多排冷冻管路，相邻弧形钢管片上的同排冷冻管路通过一第一管进行连接，形成多个环形冷冻管路，环形冷冻管路中的载冷剂使环形钢管片的温度降低，从而使环形钢管片的周围土体温度也降低，以对环形钢管片的周围土体进行冻结，形成冻结帷幕；

肋板，其以垂直于弧形钢管片内表面的方式设置在弧形钢管片的内表面上，并形成肋板腔，当多块弧形钢管片连接成环形钢管片后，在所述肋板腔中填满凝固点低的油脂，并在所述肋板的端头设置一环形薄板用以封堵肋板腔以免油脂掉落。

优选的是，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，每块弧形钢管片上每根冷冻管路的两端分别设置有垂直于冷冻管路端头的进水导管和出水导管，出水导管通过所述第一管与相邻弧形钢管片上冷冻管路的进水导管相连通，且将其中一个进水导管作为载冷剂回路，一个出水导管作为载冷剂去路，并与冷冻机组连接。

优选的是，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，还包括盲管，其为每块弧形钢管片上每根冷冻管路的两端头设置进水导管或者出水导管后继续向前延伸直至弧形钢管片端头的部分，以增加每根冷冻管路环向的长度。

优选的是，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，还包括一外部冷冻管路，在所述弧形钢管片的外表面上向里设置一与所述外部冷冻管路相适配的凹槽，在所述凹槽内设置所述外部冷冻管路，所述外部冷冻管路与周围土体直接接触，以提高对周围土体的冻结速度。

优选的是，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，所述冷冻管路为U型钢或者圆形钢管，当所述冷冻管路为U型钢时，U型钢与所述弧形钢管片的内表面共同构成封闭容腔；所述弧形钢管片的外表面上涂有耐腐蚀油漆。

优选的是，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，在每块弧形钢管片上均设置有测温孔，一端开口一端闭合的钢管通过所述测温孔沿径向插入土体中，在所述测温孔中还设置一温度传感器，以测量不同深度土体的温度。

优选的是，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，沿着隧道掘进方向，在环形钢管片的前端和后端内表面上均环向设置一测温电缆，以判断隧道轴线方向上的冻结范围。

优选的是，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，在每块弧形钢管片上设置有取芯孔，在所述取芯孔上安装球阀，在冻结验收时通过所述取芯孔取芯。

优选的是，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，在每块弧形钢管片上还设置有盾尾油脂泄压孔，以避免盾尾油脂腔内的油脂发生膨胀。

本发明的目的还可以进一步由更换盾构机尾刷的施工方法来实现，所述方法包括：

步骤一、将多块弧形钢管片依次进行连接形成环形钢管片；

步骤二、相邻的两块弧形钢管片上的冷冻管路的出水导管与进水导管通过第一管进行连接，且将其中一个出水导管作为载冷剂去路和其中一个进水导管作为载冷剂回路与冷冻机组相连；沿着隧道掘进方向，在环形钢管片的前端和后端内表面上均环向设置一测温电缆，以判断隧道轴线方向上的冻结范围；

步骤三、将一端开口一端闭合的钢管通过测温孔沿径向插入土体中，在测温孔中还设置一温度传感器，以测量不同深度土体的温度；

步骤四、在肋板腔中填满凝固点低的油脂，并在肋板的端头设置一环形薄板用以封堵肋板腔以免油脂掉落；

步骤五、在冻结验收时，通过取芯孔取芯，对冻结效果进行判断；

步骤六、当盾构尾部的周围土体达到冻结的要求时，更换盾构机尾刷，施工完成后，在肋板腔中回填水泥，作为隧道的永久结构。

本发明至少包括以下有益效果：由于在每块弧形钢管片的内表面上沿弧线设置有多排冷冻管路，相邻弧形钢管片上的同排冷冻管路通过一第一管进行连接，形成多个环形冷冻管路，环形冷冻管路中的载冷剂使环形钢管片的温度降低，从而使环形钢管片的周围土体温度也降低，以对环形钢管片的周围土体进行冻结，形成整体环形冻结帷幕。由环形钢管片形成的冻结体保障了盾构机更换盾尾刷时的安全，同时也增加了更换多道尾刷或在不利地层中更换尾刷的安全性。此外，环形钢管片的冻结理念无需对大范围土体进行冻结，其对于土体的冻胀融沉影响可以忽略不计。在弧形钢管片的内表面上设置有肋板，并形成肋板腔，当多块弧形钢管片连接成环形钢管片后，在肋板腔中填满凝固点低的油脂，油脂的填充增大了冷冻管路与环形钢管片的接触面积，因而可以提高制冷效率。为了避免肋板腔中的油脂掉落，在肋板的端头设置一环形薄板进行临时封堵。由于隧道内温度较高，环形薄板的设置也可以减少环形钢管片与空气的热对流。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置的结构示意图；

图2为本发明的另一个实施例中用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置的A-A剖视图；

图3为本发明的另一个实施例中用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置的A-A剖视图；

图4为本发明的另一个实施例中沿隧道掘进方向的弧形钢管片的展开示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1～4所示，本发明实施例提供的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，包括：多块弧形钢管片4，其依次进行连接形成一环形钢管片1；冷冻管路2，在每块弧形钢管片4的内表面上沿弧线设置有多排冷冻管路2，相邻弧形钢管片4上的同排冷冻管路2通过一第一管8进行连接，形成多个环形冷冻管路，环形冷冻管路中的载冷剂使环形钢管片1的温度降低，从而使环形钢管片1的周围土体温度也降低，以对环形钢管片1的周围土体进行冻结，形成冻结帷幕14；肋板11，其以垂直于弧形钢管片4内表面的方式设置在弧形钢管片4的内表面上，并形成肋板腔12，当多块弧形钢管片4连接成环形钢管片1后，在所述肋板腔12中填满凝固点低的油脂，并在所述肋板11的端头设置一环形薄板17用以封堵肋板腔以免油脂掉落。

在这种实施方式中，形成的多个环形冷冻管路中的载冷剂能够使环形钢管片1的温度降低，从而使环形钢管片1的周围土体温度也降低，以对环形钢管片1的周围土体进行冻结，形成整体环形冻结帷幕14，不透水、高强度的冻结帷幕14能够创造出良好的盾尾刷检修环境。因此，由环形钢管片1形成的冻结体保障了盾构机更换盾尾刷28时的安全，同时也增加了更换多道尾刷或在不利地层中更换尾刷的安全性。此外，环形钢管片1的冻结理念无需对大范围土体进行冻结，其对于土体的冻胀融沉影响可以忽略不计。在弧形钢管片4的内表面上设置有肋板11，并形成肋板腔12，当多块弧形钢管片4连接成环形钢管片1后，在肋板腔12中填满凝固点低的油脂，油脂的填充增大了冷冻管路2与环形钢管片1的接触面积，因而可以提高制冷效率。为了避免肋板腔12中的油脂掉落，在肋板11的端头设置一环形薄板17进行临时封堵。由于隧道内温度较高，环形薄板的设置也可以减少环形钢管片1与空气的热对流。

需要说明的是，设置的钢管片装置首先要能满足普通混凝土管片的功能，能够抵抗地下水土压力。钢管片的尺寸根据具体项目所采用的混凝土管片形式设计。通过强度验算，设计出弧形钢管片4、冷冻管路2、肋板11等形成的钢管片装置。此外，钢管片装置的传热效率高，能够减少冻结的时间。在最终冻结施工完成后，在肋板腔中回填双快水泥，作为隧道的永久结构。

还需要说明的是，沿着环向铺设更多的冷冻管路2，则环形钢管片1的冷冻效果越好。在环形钢管片1的前半部分(隧道掘进方向)，有必要设置前三路环向冻结管路15。在更换尾刷时，环形钢管片1前侧的热交换比较剧烈，这三路环向冻结管路15能够有效的隔绝维护冻结期间的热传递，有效的保护后面的冻结效果。由于各管路独立设置，在实际操作中可以根据需要适当增加这三路环向冻结管路的载冷剂流量，保证其隔热效果。此外，由于施工环境复杂，为了避免冻结期间冷冻管路渗漏破损，且由于盾尾位置的冻结质量将决定冻土帷幕是否能与盾尾形成胶圈，安全意义重大。因此，在具体实施时，本实施例在露出盾尾位置增设一路环向备用冷冻管路18，提高整个钢管片装置冻结法更换尾刷的可靠性。

在另一种实施方式中，如图1所示，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，每块弧形钢管片4上每根冷冻管路2的两端分别设置有垂直于冷冻管路端头的进水导管7和出水导管6，出水导管6通过所述第一管8与相邻弧形钢管片4上冷冻管路2的进水导管7相连通，且将其中一个进水导管作为载冷剂回路10，一个出水导管作为载冷剂去路9，并与冷冻机组连接。进水导管7和出水导管6的设置便于将相邻两块弧形钢管片4上的冷冻管路2进行连接。第一管8优选为软管。

在另一种实施方式中，如1所示，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，还包括盲管16，其为每块弧形钢管片4上每根冷冻管路2的两端头设置进水导管7或者出水导管6后继续向前延伸直至弧形钢管片4端头的部分，以增加每根冷冻管路2环向的长度。盲管的设置能够保证每根环形冷冻管路在环形钢管片上是连续的，杜绝了冷冻管路2环向不连续导致的冻土帷幕14的薄弱点，进而保证了在整个环形钢管片外围形成冻结帷幕在环形钢管片环向是连续的。

在另一种实施方式中，如图2～3所示，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，还包括一外部冷冻管路19，在所述弧形钢管片4的外表面上向里设置一与所述外部冷冻管路19相适配的凹槽20，在所述凹槽20内设置所述外部冷冻管路19，所述外部冷冻管路19与周围土体直接接触，以提高对周围土体的冻结速度。外部冷冻管路19尽量设置在靠近露出盾尾的位置，具体设置位置可以根据各工程项目实际更换尾刷时的环形钢管片与盾尾的相对位置来设定。外部冷冻管路19直接与土体接触，将极大地提高冻结效果。

在另一种实施方式中，如图2～3所示，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，所述冷冻管路为U型钢3(参考图3)或者圆形钢管5(参考图2)，当所述冷冻管路为U型钢3时，如图3所示，U型钢3与所述弧形钢管片4的内表面共同构成封闭容腔；所述弧形钢管片4的外表面上涂有耐腐蚀油漆13，以避免由于外表面长时间直接接触土体而被腐蚀。冷冻管路2采用U型钢3时，U型钢3与弧形钢管片4的内表面直接焊接，载冷剂可以与弧形钢管片4直接接触，可以提高传冷效率。冷冻管路2也可以采用圆形无缝钢管5，由于与弧形钢管片4的内表面接触点比U型钢少，传冷效率会稍微有些降低。

在另一种实施方式中，如图2～4所示，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，在每块弧形钢管片4上均设置有测温孔21，一端开口一端闭合的钢管22通过所述测温孔21沿径向插入土体中，在所述测温孔21中还设置一温度传感器23，以测量不同深度土体的温度。由于更换尾刷的整个施工期间，从积极冻结到维护冻结，对于冻土帷幕的形成以及维持对现场施工调整有直接的指导意义。因此，一端开口一端闭合的无缝细钢管22可以根据冻结帷幕14的厚度来决定插入土体的深度，设置的温度传感器23能够监测沿径向不同深度土体的温度，以便于对现场施工进行指导。

在另一种实施方式中，图2～3所示，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，沿着隧道掘进方向，在环形钢管片1的前端和后端内表面上均环向设置一测温电缆24，以判断冻土帷幕14在隧道轴线方向上的冻结范围。测温电缆24的设置可以方便施工人员观察冻土帷幕厚度和冻结壁与盾尾的塔接情况。

在另一种实施方式中，如图4所示，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，在每块弧形钢管片4上设置有取芯孔25，在所述取芯孔25上安装球阀，在冻结验收时通过所述取芯孔25取芯，以对冻结效果有一个更直观的评价，保证施工的可靠性。

在另一种实施方式中，如图2所示，所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，在每块弧形钢管片上4还设置有盾尾油脂泄压孔26，以避免盾尾油脂腔27内的油脂发生膨胀。由于在冻结期间会发生冻胀融沉效应，进而导致盾尾油脂腔内的油脂发生膨胀，在密闭空间内还可能导致相应位置处的尾刷损坏，因此，设置盾尾油脂泄压孔，能够避免此种情况发生。

本发明实施例由更换盾构机尾刷的施工方法来实现，所述方法包括：

步骤一、将多块弧形钢管片依次进行连接形成环形钢管片；

步骤二、相邻的两块弧形钢管片上的冷冻管路的出水导管与进水导管通过第一管进行连接，且将其中一个出水导管作为载冷剂去路和其中一个进水导管作为载冷剂回路与冷冻机组相连；沿着隧道掘进方向，在环形钢管片的前端和后端内表面上均环向设置一测温电缆，以判断隧道轴线方向上的冻结范围；

步骤三、将一端开口一端闭合的钢管通过测温孔沿径向插入土体中，在测温孔中还设置一温度传感器，以测量不同深度土体的温度；

步骤四、在肋板腔中填满凝固点低的油脂，并在肋板的端头设置一环形薄板用以封堵肋板腔以免油脂掉落；

步骤五、在冻结验收时，通过取芯孔取芯，对冻结效果进行判断；

步骤六、当盾构尾部的周围土体达到冻结的要求时，更换盾构机尾刷，施工完成后，在肋板腔中回填水泥，作为隧道的永久结构。

如上所述，根据本发明，该用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置能够高效地将盾构机尾部的周围土体进行冻结，使盾构机尾部形成一圈均匀的冻结帷幕，从而封堵盾尾间隙外部水土。通过更换盾构机尾刷的施工方法，既提高了更换盾构机尾刷的效率，又提高了更换尾刷的可靠性和安全性，同时也减化了施工步骤。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，其特征在于，包括：

多块弧形钢管片，其依次进行连接形成一环形钢管片；

冷冻管路，在每块弧形钢管片的内表面上沿弧线设置有多排冷冻管路，相邻弧形钢管片上的同排冷冻管路通过一第一管进行连接，形成多个环形冷冻管路，环形冷冻管路中的载冷剂使环形钢管片的温度降低，从而使环形钢管片的周围土体温度也降低，以对环形钢管片的周围土体进行冻结，形成冻结帷幕；

肋板，其以垂直于弧形钢管片内表面的方式设置在弧形钢管片的内表面上，并形成肋板腔，当多块弧形钢管片连接成环形钢管片后，在所述肋板腔中填满凝固点低的油脂，并在所述肋板的端头设置一环形薄板用以封堵肋板腔以免油脂掉落。

2.如权利要求1所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，其特征在于，每块弧形钢管片上每根冷冻管路的两端分别设置有垂直于冷冻管路端头的进水导管和出水导管，出水导管通过所述第一管与相邻弧形钢管片上冷冻管路的进水导管相连通，且将其中一个进水导管作为载冷剂回路，一个出水导管作为载冷剂去路，并与冷冻机组连接。

3.如权利要求2所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，其特征在于，还包括盲管，其为每块弧形钢管片上每根冷冻管路的两端头设置进水导管或者出水导管后继续向前延伸直至弧形钢管片端头的部分，以增加每根冷冻管路环向的长度。

4.如权利要求1所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，其特征在于，还包括一外部冷冻管路，在所述弧形钢管片的外表面上向里设置一与所述外部冷冻管路相适配的凹槽，在所述凹槽内设置所述外部冷冻管路，所述外部冷冻管路与周围土体直接接触，以提高对周围土体的冻结速度。

5.如权利要求1所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，其特征在于，所述冷冻管路为U型钢或者圆形钢管，当所述冷冻管路为U型钢时，U型钢与所述弧形钢管片的内表面共同构成封闭容腔；所述弧形钢管片的外表面上涂有耐腐蚀油漆。

6.如权利要求1所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，其特征在于，在每块弧形钢管片上均设置有测温孔，一端开口一端闭合的钢管通过所述测温孔沿径向插入土体中，在所述测温孔中还设置一温度传感器，以测量不同深度土体的温度。

7.如权利要求1所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，其特征在于，沿着隧道掘进方向，在环形钢管片的前端和后端内表面上均环向设置一测温电缆，以判断隧道轴线方向上的冻结范围。

8.如权利要求1所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，其特征在于，在每块弧形钢管片上设置有取芯孔，在所述取芯孔上安装球阀，在冻结验收时通过所述取芯孔取芯。

9.如权利要求1所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，其特征在于，在每块弧形钢管片上还设置有盾尾油脂泄压孔，以避免盾尾油脂腔内的油脂发生膨胀。

10.更换盾构机尾刷的施工方法，使用权利要求1～9任一所述的用于冻结盾构机尾部周围土体的钢管片装置，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、将多块弧形钢管片依次进行连接形成环形钢管片；

步骤二、相邻的两块弧形钢管片上的冷冻管路的出水导管与进水导管通过第一管进行连接，且将其中一个出水导管作为载冷剂去路和其中一个进水导管作为载冷剂回路与冷冻机组相连；沿着隧道掘进方向，在环形钢管片的前端和后端内表面上均环向设置一测温电缆，以判断隧道轴线方向上的冻结范围；

步骤三、将一端开口一端闭合的钢管通过测温孔沿径向插入土体中，在测温孔中还设置一温度传感器，以测量不同深度土体的温度；

步骤四、在肋板腔中填满凝固点低的油脂，并在肋板的端头设置一环形薄板用以封堵肋板腔以免油脂掉落；

步骤五、在冻结验收时，通过取芯孔取芯，对冻结效果进行判断；

步骤六、当盾构尾部的周围土体达到冻结的要求时，更换盾构机尾刷，施工完成后，在肋板腔中回填水泥，作为隧道的永久结构。

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