一種管間精準(zhǔn)控制凍土帷幕的施工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種管間精準(zhǔn)控制凍土帷幕的施工方法，特別適用于曲線管幕精準(zhǔn)控制凍土帷幕的施工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，各種形式隧道不斷地在建設(shè)，修建超大斷面、淺埋暗挖的隧道是不可避免的，也是現(xiàn)代施工技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)。淺埋暗挖大斷面隧道超前預(yù)支護(hù)體系備受各方關(guān)注，它能有效的維持掌子面穩(wěn)定、控制地層變形、預(yù)防坍塌等事故，它直接關(guān)系到隧道安全和經(jīng)濟(jì)效益。管幕超前預(yù)支護(hù)體系以其空間利用率高、施工安全和對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。管幕法是采用小設(shè)備施工大斷面的工法，它斷面靈活，幾乎可以形成任何隧道斷面形狀，地質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)，管幕間止水依靠齒槽鎖扣密封或采用凍結(jié)、水平MJS等工藝形成連續(xù)的止水帷幕。齒槽鎖扣一般用于含水量小，水位低，直線短距離的管幕；水平MJS是全方位高壓噴射技術(shù)，該方法有適應(yīng)性強(qiáng)，對周邊土體擾動小，自動化程度高等特點(diǎn)，水平MJS —般用于含水量小，水位低，埋深較大直線短距離的管幕。凍結(jié)技術(shù)有對周圍結(jié)構(gòu)形狀適應(yīng)性強(qiáng)，只要凍結(jié)孔的布置位置準(zhǔn)確，并保持足夠的凍結(jié)時(shí)間，就可以形成不同形狀的凍結(jié)壁；其隔水性能好，交圈以后凍結(jié)壁連續(xù)性好，有一定的強(qiáng)度；另外對地層污染小，由于凍結(jié)法只是通過降低溫度來提高原位土體的強(qiáng)度，并不改變地層成份，因而對地層污染很小，凍結(jié)法可適用于水量大，水位高富水復(fù)雜地層，曲線長距離的管幕。凍結(jié)法施工中的凍脹融沉對地表的變形有一定的影響，人工凍土過程中地溫下降至0零度以下，土體(孔隙中自由水)溫度達(dá)到結(jié)晶點(diǎn)時(shí)，形成凍結(jié)，溫度進(jìn)一步下降，結(jié)合水凍結(jié)，冰晶結(jié)體、透鏡體及冰夾層等形成冰侵入體，引起土體積增大，從而地表不勻上升，即為凍脹。當(dāng)土體溫度上升時(shí)，凍結(jié)的土體發(fā)生變化，土體中的冰侵入體消融，引起地表下陷，即為凍脹。凍脹融沉均與凍土的體積成正比，凍土的體積越大凍脹融沉均影響越大，凍土的體積越小凍脹融沉均影響越小，那么有效的控制凍土的體積是控制凍脹融沉的關(guān)鍵，精準(zhǔn)控制凍土帷幕的施工方法至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就在于更好的實(shí)現(xiàn)管幕間凍土帷幕止水又能達(dá)到精準(zhǔn)控制凍土帷幕的厚度，從而控制凍脹融沉減小對地層變形的影響，減小對周邊結(jié)構(gòu)物變形的影響。
[0004]管幕凍結(jié)帷幕施工區(qū)域一般地層條件差，地理位置特殊，工程風(fēng)險(xiǎn)較大。管幕間凍結(jié)帷幕是起著封水作用，其性能必須滿足隧道施工安全和質(zhì)量要求，必須采用適當(dāng)?shù)拇胧瑖?yán)格控制凍結(jié)帷幕的厚度，減少凍脹與融沉的危害?？刂菩詢鼋Y(jié)需要適時(shí)監(jiān)測凍結(jié)帷幕的厚度，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整指導(dǎo)進(jìn)行凍結(jié)施工參數(shù)。隧道頂部及其它地表變形控制嚴(yán)格敏感區(qū)域應(yīng)先進(jìn)行土體改良再進(jìn)行凍結(jié)帷幕止水，這樣可提高地層力學(xué)性能、降低滲透性、有效控制凍脹和融沉，以保證周圍建筑物及隧道的施工安全，施工工期，減小對環(huán)境的影響。
[0005]精準(zhǔn)控制凍土帷幕的管幕分為實(shí)管和空管，實(shí)管和空管間隔布置，實(shí)管內(nèi)安裝主凍結(jié)管和加熱限位管并填充微膨脹水泥漿或微膨脹混凝土，空管內(nèi)安裝輔助凍結(jié)管，起著加強(qiáng)凍結(jié)的作用，抵抗隧道開挖時(shí)的帷幕凍體的弱化，并安裝全方位凍土帷幕溫度監(jiān)測系統(tǒng)，適時(shí)監(jiān)測凍土的發(fā)展，凍結(jié)工程結(jié)束進(jìn)行融沉注漿。精準(zhǔn)控制凍土帷幕的管幕施工原則為主凍結(jié)管全長整環(huán)凍結(jié)，輔助凍結(jié)管分段分區(qū)維護(hù)凍結(jié)，全方位凍土帷幕溫度監(jiān)測系統(tǒng)適時(shí)監(jiān)測凍土的發(fā)展，采用加熱限位管嚴(yán)格控制凍土層的厚度，達(dá)到精準(zhǔn)控制凍土帷幕厚度的目的。
[0006]管幕有直線型和曲線型，斷面形式也多種多樣，有“一”字形、“門”字形、圓形、橢圓形、扇形、半圓形、圓弧形等組合形式，這些組合方式均可采用本精準(zhǔn)控制凍土帷幕的施工方法，【附圖說明】中以斷面形式為圓弧形管幕為例標(biāo)示施工示意圖。
[0007]土體改良:土體改良即用水泥漿改良需要凍結(jié)的地層。對土層進(jìn)行水泥注漿改良，不但改善原狀土和擾動土的力學(xué)性能，而且提高凍土力學(xué)性能。對于管幕凍結(jié)而言，土體改良能夠提高凍土力學(xué)性能，改善凍土的破壞性能，減小進(jìn)水通道形成的可能性，并且能夠有效提高砂性土凍土抵御水流沖刷融化的能力，從而有效預(yù)防管間凍土帷幕止水性的失效，并且可以有效阻止進(jìn)水通道的擴(kuò)大，使得用水險(xiǎn)情得到有效控制。此外，土體改良還可以有效抑制凍脹融沉效應(yīng)。土體注漿改良是隧道風(fēng)險(xiǎn)控制的重要手段。土體改良通過原有的管幕內(nèi)向凍結(jié)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行注漿改良，管幕段斷面布置七根土體改良注漿管，縱向間距建議1?3m布置一道，改良的漿液視地質(zhì)情況而定，采用普通水泥水玻璃雙液漿，即經(jīng)濟(jì)土體改良效果又好，注漿孔位的間距布置和注漿鋼花管長度視地質(zhì)條件及注漿壓力而定，宜多布置些注漿管，控制每個(gè)注漿管的注漿量，要保持注漿體的均勻性，這樣才能保證凍結(jié)體的厚度均勻。土體改良注漿布置詳見圖1。
[0008]管幕實(shí)管凍結(jié)管布置:管幕實(shí)管管內(nèi)布置兩根主凍結(jié)管和一根加熱限位管，實(shí)管管幕中心線兩腰部位布置兩根圓形凍結(jié)管為主要的冷源，即主凍結(jié)管；在靠近凍土帷幕外邊緣的管幕內(nèi)側(cè)布置加熱限位管，通過常溫鹽水帶走多余冷量的方法來控制凍土帷幕的厚度。主凍結(jié)管和加熱限位管均采用圓形鋼管，采用法蘭螺栓連接，單節(jié)長度視管幕線型和鋼管自身重量以方便運(yùn)輸為原則而定，圓形鋼管采用固定支座和鋼套箍固定在管幕內(nèi)壁上，使圓形鋼管盡量靠近管幕內(nèi)壁。管幕凍結(jié)超前支護(hù)體系的隧道長度較短，在100m以內(nèi)，隧道從工作井兩側(cè)相向開挖支護(hù)施工，施工時(shí)間則較短，主凍結(jié)管和加熱限位管為單回路，即主凍結(jié)管和加熱限位管兩端都直接連接凍結(jié)栗站。管幕凍結(jié)超前支護(hù)體系的隧道長度較長，在100m以上，隧道從工作井兩側(cè)相向開挖支護(hù)施工，施工時(shí)間則較長，若主凍結(jié)管和加熱限位管設(shè)置為單回路，那么凍結(jié)時(shí)間長，電力能源消耗高，施工費(fèi)用大。根據(jù)隧道開挖支護(hù)施工特點(diǎn)，兩端因要形成流水作業(yè)工作面，施工速度慢，而隧道中部開挖支護(hù)工作已經(jīng)形成工作面，施工速度快，因此可以將主凍結(jié)管和加熱限位管分為三段，兩端段落較短，中間段落較長，根據(jù)隧道開挖支護(hù)進(jìn)度計(jì)劃設(shè)計(jì)主凍結(jié)管和加熱限位管段落的長度，中間段開挖支護(hù)時(shí)間是端部開挖支護(hù)時(shí)間的2倍。各段落設(shè)計(jì)單獨(dú)的回路，隧道一端形成獨(dú)立的回路，另一端形成兩個(gè)獨(dú)立的回路。隧道一端獨(dú)立形成凍結(jié)管回路由兩根主凍結(jié)管組成，在段落端頭將兩根主凍結(jié)管連接形成回路；一端獨(dú)立加熱限位管回路由兩根鋼管組成，一根直徑大，一根直徑小，小管安裝在大管內(nèi)，一定間距焊接固定，大管端頭封堵，小管比大管略短，小管為進(jìn)水管，大管為出水管形成加熱限位管的回路。小管內(nèi)的截面面積與大管和小管之間形成的圓環(huán)截面面積大小大致相等，保證常溫水流動順暢，流量滿足設(shè)計(jì)要求。隧道另一端形成兩個(gè)獨(dú)立的回路，凍結(jié)管回路由四根主凍結(jié)管組成，兩根大管，兩根小管，小管安裝在大管內(nèi)，一定間距焊接固定，大管和小管之間形成的區(qū)域在端部凍結(jié)段落端頭連接形成端部凍結(jié)回路，小管繼續(xù)向前延伸在中間凍結(jié)段落端頭連接形成中間段凍結(jié)回路。當(dāng)中間段凍結(jié)回路獨(dú)自運(yùn)行時(shí)，端部凍結(jié)段管路中的鹽水全部排空，因端部凍結(jié)段小管在大管內(nèi)且之間有空氣相隔導(dǎo)熱性能差，不會減少中間段主凍結(jié)管的冷量。小管內(nèi)的截面面積、大管和小管之間形成的圓環(huán)截面面積大小和流量滿足設(shè)計(jì)要求。加熱限位管回路由五根鋼管組成，一根大管，一根中管，三根小管，小管安裝在大管內(nèi)，一定間距焊接固定。大管在端部凍結(jié)段端頭進(jìn)行封堵，一小管比大管略短一點(diǎn)，小管為進(jìn)水管，大管為出水管形成端部凍結(jié)段端加熱限位管的回路，小管內(nèi)的截面面積與大管和三個(gè)小管之間形成區(qū)域截面面積大小大致相等，保證常溫水流動順暢，流量滿足設(shè)計(jì)要求。大管端頭與中管連接，中間采用鋼板隔開，中管長度延伸到中間凍結(jié)段落端頭，另一個(gè)小管從大管向中管內(nèi)繼續(xù)向前延伸，小管比中管略短一點(diǎn)，該小管為進(jìn)水管，最后一個(gè)小管從大管向中管內(nèi)伸入一小段，為出水管，小管進(jìn)水管進(jìn)水，中管和最后一個(gè)小管為出水管從形成加熱限位管的回路。小管內(nèi)的截面面積與中管和小管之間形成的圓環(huán)截面面積大小大致相等，保證常溫水流動順暢，流量滿足設(shè)計(jì)要求。管道安裝完成后采用注水加壓試驗(yàn)，驗(yàn)證凍結(jié)管路的密封性，試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)壓力的1.15倍，滲漏水處進(jìn)行標(biāo)記，及時(shí)補(bǔ)焊封堵處理，直至凍結(jié)管路全部合格，達(dá)到不滲不漏。管幕實(shí)管填充微膨脹水泥漿或微膨脹混凝土，微膨脹水泥漿流動性好，施工方便，可一次性回填完成；微膨脹混凝土宜選擇自密實(shí)、微膨脹、低徐變、低氣泡、高流動性的混泥土，采用栗送分段回填，段落的長度根據(jù)微膨脹混凝土自身流動性而定，使用鋼板進(jìn)行間隔分區(qū)，施工期間應(yīng)對栗送混凝土的壓力進(jìn)行控制，要求回填密實(shí)，否則可能造成管幕變形，從而造成凍結(jié)土體開裂，形成漏水通道。管幕實(shí)管形成