大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法
【专利摘要】本发明涉及一种大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，包括如下步骤：在待挖设隧道两端的地面开设工作井，工作井的深度与隧道的深度平齐；利用顶管机在待挖设隧道轮廓周边布设多个顶管，多个顶管的截面围合构成待钻设的隧道截面轮廓，顶管的长度方向与隧道的长度方向平行；在顶管内布设冻结管，将冻结管沿着顶管的长度方向通入，冻结管的两端分别与制冷设备的冷媒出口及冷媒入口连通，在顶管内注入混凝土，待混凝土凝固后，启动制冷设备，实施对顶管的冻结操作，开挖隧道；冻结管与制冷设备连通后，能够快速实施对顶管外侧的岩土体进行冻结操作。冻结不仅能够加强顶管的支撑作用，并且能够有效地对顶管之间的岩土体进行封水，从而确保长度较长、截面较大的暗挖隧道施工的绝对安全。
【专利说明】
大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法
技术领域
[0001]本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法。
【背景技术】
[0002]暗挖隧道由于在地面以下进行，在隧道施工的过程中，为避免隧道塌陷，确保施工的安全，一般使用顶管施工法，所谓的顶管施工法为:在隧道的两端的地面上开设两工作井，利用顶管机沿着待挖设隧道轮廓周边设置顶管，所述顶管为无缝钢管具有较高的强度，顶管的长度方向与隧道的长度方向平行，多个顶管就形成了钢管幕，顶管与顶管之间间距设置，因此能够实施对待挖设隧道的周边岩土体形成有效的支撑，确保隧道的施工的安全。然而当面临断面尺寸较大且长度较长的隧道施工时，仅仅采用顶管施工，地下水很容易从顶管之间的间隙进入隧道内，无法确保隧道施工的绝对安全。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是提供一种可针对长度较长、截面较大暗挖隧道的钢管幕内冻结施工方法，确保隧道挖掘施工的绝对安全。
[0004]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，所述隧道施工方法包括如下步骤:
[0005]a)、在待挖设隧道两端的地面开设工作井，工作井的深度与隧道的深度平齐；
[0006]b)、利用顶管机在待挖设隧道轮廓周边布设多个顶管，多个顶管的截面围合构成待钻设的隧道截面轮廓，顶管的长度方向与隧道的长度方向平行；
[0007]C)、在顶管内布设冻结管，将冻结管沿着顶管的长度方向通入，冻结管的两端分别与制冷设备的冷媒出口及冷媒入口连通；
[0008]d)、在顶管内注入混凝土，待混凝土凝固后，启动制冷设备，实施对顶管的冻结操作；
[0009]e)、开挖隧道，设备由隧道一端所在的工作井放下，利用设备实施对冻结管冻结的区域进行挖掘操作，设备并由隧道另一端所在工作井钻出。
[0010]与现有技术相比，本发明具备的技术效果为:冻结管与制冷设备连通后，能够快速实施对顶管外侧的岩土层及地下水实施快速的冻结操作，进而避免地下水由顶管之间的间隙进入隧道之内，辅助顶管的支撑及对顶管之间的岩土层的冻结，从而防止大断面隧道暗挖时，顶管之间有水进入，造成事故，从而确保长度较长、截面较大的暗挖隧道施工的绝对安全。
【附图说明】
[0011]图1是隧道的长度方向的截面结构示意图；
[0012]图2是隧道的截面示意图；
[0013]图3是顶管的长度方向的截面结构示意图；
[0014]图4是顶管的截面结构示意图；
[0015]图5是三角形冻结管的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]结合图1至图5，对本发明作进一步地说明
[0017]—种大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，所述隧道10施工方法包括如下步骤:
[0018]a)、在待挖设隧道1两端的地面开设工作井11，工作井11的深度与隧道1的深度平齐；
[0019]b)、利用顶管机在待挖设隧道轮廓周边布设多个顶管12，多个顶管12的截面围合构成待钻设的隧道10截面轮廓，顶管12的长度方向与隧道10的长度方向平行；
[0020]C)、在顶管12内布设冻结管20，将冻结管20沿着顶管12的长度方向通入，冻结管
[20]的两端分别与制冷设备的冷媒出口及冷媒入口连通；
[0021]d)、在顶管12内注入混凝土，待混凝土凝固后，启动制冷设备，实施对顶管12的冻结操作；
[0022]e)、开挖隧道10，设备由隧道10—端所在的工作井11放下，利用设备实施对冻结管20冻结的区域进行挖掘操作，设备并由隧道10另一端所在工作井11钻出。
[0023]根据待挖隧道10的地质勘探情况，在待挖隧道10的两端的地面挖设工作井11，便于设备由工作井11进入地下，利用顶管机将顶管12布置在待挖设隧道的轮廓周边，在顶管12内通入冻结管20，冻结管20沿着顶管12长度方向布设，冻结管20与制冷设备连通后，能够快速实施对顶管12外侧的岩土层及地下水实施快速的冻结操作，进而避免地下水由顶管12之间的间隙进入隧道10之内，辅助顶管12的支撑及对顶管12之间的岩土层的冻结，从而防止大断面隧道暗挖时，顶管之间有水进入，造成事故，从而确保长度较长、截面较大的暗挖隧道施工的绝对安全。
[0024]作为本发明的优选方案，所述步骤c中，冻结管20沿着顶管12的长度方向布设有多段，每一段的冻结管20的两端分别与制冷设备的冷媒出口及冷媒入口连通分段布设，每一段冻结管20分别与制冷设备的冷媒出口及入口连通，从而可实施隧道土层的分段冻结，确保长度尺寸、截面积较大的隧道的冻结操作，而且在实施对隧道挖掘操作时，可分别开启待挖设区域所在的冻结管连接的制冷设备，从而可实施对待挖设区域所在的隧道冻结，形成冻结帷幕，减少制冷设备的能耗。
[0025]进一步地，所述步骤c中，在向顶管12内通入冻结管20的同时，还通入限位管30，所述限位管30的长度方向沿着顶管12的长度方向布设，限位管30与换热单元的媒介出口及媒介入口连通。由于冻结管20在实施冻结操作时，岩土体内的水牛冻结后，会使得岩土体的体积膨胀，岩土体膨胀后，会使得地表升高，而出先开裂现象，对地表上的建筑物的安全产生影响，因此，利用限位管30，通入的热水或者是热盐水，能够实施对顶管12外侧的岩土体的解冻，控制岩土体的冻结程度，进而控制岩土体的体积膨胀，确保地表建筑物的安全。
[0026]所述步骤c中，相邻的顶管12内布设的冻结管20形状各异，位于其中一个顶管12内布设的冻结管20的截面形状为圆形，另一个顶管12内布设的冻结管20的截面形状为三角形，该三角形的冻结管20的一侧面与顶管12内壁贴合固定；
[0027]所述步骤d中，在对顶管12实施注浆操作时，对所在冻结管20截面为圆形所在的顶管12进行注浆操作，对冻结管20截面为三角形所在的顶管12不进行注浆操作。由于隧道10的长度较长，为方便顶管20内的检修、维护，因此采用挨个注浆的方式，保留一部分不注浆的顶管12，因此，能够方便顶管12内的检修。
[0028]顶管12内注入混凝土后，冻结管20与制冷设备连通后，能够极为快速的实施对顶管12外侧的岩土体的冻结，因此注有混凝土的顶管12主要起到对岩土体的冻结，不注入混凝土的顶管12只是起到辅助冻结的作用，利用截面为三角形的冻结管20与顶管12的内壁贴合，从而增大与顶管12内壁的接触面积，进而确保冻结效果，可作为对冻结主管的辅助。
[0029]所述步骤d中，向隧道10开挖时，隧道10的洞口由上至下分为A区、B区、C区、D区、E区5个台阶，该5个区域由上至下分区挖设，并利用支护架对洞口进行支护，利用运输设备运出隧道10洞口。在未开挖前，开启填顶管12内的圆形冻结管20所在的回路，冻结70天后，再开启三角形冻结管20冻结20天，通过检测冻结帷幕厚度到达设计要求之后开始开挖，开挖断面分5台阶10步方式(前期采用5台阶15步，后期根据监测视情况调整为5台阶10步)，每台阶开挖循环为80cm加工字钢支护架支撑，紧跟施工初衬，二次衬砌距离初期支护面为5m，开挖导洞顺序为I至10步，每个导洞在上一个导洞完成1m后施工。待二次衬砌完成后进行施工中板及三次衬砌。待东西各开挖84m后，B、D区二衬施工完成满足封水条件后停止B区、D区冻结。在冻结过程中，当冻土帷幕厚度超过设计限值或地表冻胀监测超出允许范围时，启用限位管30限制冻土帷幕的发展。
[0030]结合图2，A区所在的冻结岩土体对外界的影响较大，因此所述的限位管30位于A区外轮廓所在的顶管12内布设，这样就能最大程度上实施对岩土体的体积膨胀的控制。
[0031]进一步地，三角形的冻结管20为折板状钢板构成，折板状钢板的长度方向沿着顶管12的长度方向布置，折板状的钢板的两侧变与顶管12内壁焊接固定，折板状钢板与顶管12内壁围合的管状区域构成冻结管20管腔。采用三角形截面的冻结管20可最大程度上增大与顶管12内壁的换热面积，而且利用角钢板直接与顶管12内壁进行焊接即可制成冻结管20结构，施工成本较低。
[0032]所述顶管12长度方向间隔设置有3段冻结管20，所述3段冻结管20两端分别与冷媒进液主管40的管口及冷媒出液主管50的管口连通，冷媒进液主管40及冷媒出液主管50与冻结管20连通的管路上均设置有阀门21。在隧道10开挖之前，利用冷媒进液主管40及冷媒出液主管50分别与冻结管20连接，当无需冻结的区域所在的冻结管20的阀门21处在关闭的状态，则该出无需冻结，只需要在开挖前20天开启冻结操作即可，该方式能够针对长度较长且截面较大的隧道的开凿工作，
[0033]当隧道10施工完成并停止冻结后，在制冷设备连接的盐水箱内设盐水加热器，对低温盐水进行加热，并利用热盐水循环对冻结管20进行强制解冻，盐水温度宜控制在50?70°C。考虑融沉主要为顶管12外冻土，根据实际情况采用三角形冻结管20管循环热盐水和顶管12内通热水或温水进行解冻。
【主权项】
1.一种大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，其特征在于:所述隧道(10)施工方法包括如下步骤: a)、在待挖设隧道(10)两端的地面开设工作井(11)，工作井(11)的深度与隧道(10)的深度平齐； b)、利用顶管机在待挖设隧道轮廓周边布设多个顶管(12)，多个顶管(12)的截面围合构成待钻设的隧道(10)截面轮廓，顶管(12)的长度方向与隧道(10)的长度方向平行； C)、在顶管(12)内布设冻结管(20)，将冻结管(20)沿着顶管(12)的长度方向通入，冻结管(20)的两端分别与制冷设备的冷媒出口及冷媒入口连通； d)、在顶管(I2)内注入混凝土，待混凝土凝固后，启动制冷设备，实施对顶管(12)的冻结操作； e)、开挖隧道(10)，设备由隧道(10)—端所在的工作井(11)放下，利用设备实施对冻结管(20)冻结的区域进行挖掘操作，设备并由隧道(10)另一端所在工作井(11)钻出。2.根据权利要求1所述的大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，其特征在于:所述步骤c中，冻结管(20)沿着顶管(12)的长度方向布设有多段，每一段的冻结管(20)的两端分别与制冷设备的冷媒出口及冷媒入口连通。3.根据权利要求1或2所述的大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，其特征在于:所述步骤c中，在向顶管(12)内通入冻结管(20)的同时，还通入限位管(30)，所述限位管(30)的长度方向沿着顶管(12)的长度方向布设，限位管(30)与换热单元的媒介出口及媒介入口连通。4.根据权利要求1或2所述的大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，其特征在于:所述步骤c中，相邻的顶管(12)内布设的冻结管(20)形状各异，位于其中一个顶管(12)内布设的冻结管(20)的截面形状为圆形，另一个顶管(12)内布设的冻结管(20)的截面形状为三角形，该三角形的冻结管(20)的一侧面与顶管(12)内壁贴合固定。5.根据权利要求4所述的大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，其特征在于:所述步骤d中，在对顶管(12)实施注浆操作时，对所在冻结管(20)截面为圆形所在的顶管(12)进行注浆操作，对冻结管(20)截面为三角形所在的顶管(12)不进行注浆操作。6.根据权利要求3所述的大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，其特征在于:所述步骤d中，向隧道(10)开挖时，隧道(10)的洞口由上至下分为A区、B区、C区、D区、E区5个台阶，该5个区域由上至下分区挖设，并利用支护架对洞口进行支护，利用运输设备运出隧道(10)洞口。7.根据权利要求6所述的大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，其特征在于:所述的限位管(30)位于A区外轮廓所在的顶管(12)内布设。8.根据权利要求4所述的大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，其特征在于:三角形的冻结管(20)为折板状钢板构成，折板状钢板的长度方向沿着顶管(12)的长度方向布置，折板状的钢板的两侧变与顶管(12)内壁焊接固定，折板状钢板与顶管(12)内壁围合的管状区域构成冻结管(20)管腔。9.根据权利要求2所述的大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，其特征在于:所述顶管(12)长度方向间隔设置有3段冻结管(20)，所述3段冻结管(20)两端分别与冷媒进液主管(40)的管口及冷媒出液主管(50)的管口连通，冷媒进液主管(40)及冷媒出液主管(50)与冻结管(20)连通的管路上均设置有阀门(21)。10.根据权利要求1所述的大断面暗挖隧道钢管幕内冻结施工方法，其特征在于:当隧道(10)施工完成并停止冻结后，在制冷设备连接的盐水箱内设盐水加热器，对低温盐水进行加热，并利用热盐水循环对冻结管(20)进行解冻，盐水温度宜控制在50?70°C。
【文档编号】E21D9/00GK105863646SQ201610195926
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】曹化春, 魏延平, 王宗金, 魏红兵, 郭圣旵, 张景钰, 荣怀宇, 郝雷, 王明思, 亓燕秋, 李公生, 高梅, 牛磊, 张绍峰, 王先锋, 辛青连
【申请人】中煤特殊凿井有限责任公司