《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》是中交第二公路勘察設計研究院有限公司於2014年7月22日申請的發明專利，該專利申請號為201410348926X，公布號為CN104088652A，公布日為2014年10月8日，發明人是張軍、郭小紅、程勇、劉繼國、魏龍海。
《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》的步驟是：在頂管內設定測溫管；在頂管內鋪設控制性凍結管路系統；連線控制性凍結管路與凍結設備；對頂管間土體進行控制性凍結操作，在頂管間形成止水的凍結帷幕；頂管間無止水要求後，土體解凍並進行融沉跟蹤注漿處理。該發明具有止水效果好，對地表影響小，安全可靠，操作簡便的優點，且在軟土，高壓水等惡劣複雜的特殊地質條件下均能實現，環境適應力很強，尤其適用於複雜地質條件下，上部有建築物或地表要求嚴格地段中，管幕間的封水施工。
2021年6月24日，《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種管幕間水平動態控制性凍結止水法
- 申請人：中交第二公路勘察設計研究院有限公司
- 發明人：張軍、郭小紅、程勇、劉繼國、魏龍海
- 申請號：201410348926X
- 申請日：2014年7月22日
- 公布號：CN104088652A
- 公布日：2014年10月8日
- 地址：湖北省武漢市經濟技術開發區創業路18號
- 代理機構：武漢宇晨專利事務所
- 代理人：李鵬、王敏鋒
- Int. Cl.：E21D11/38
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
自1971年管幕法首先套用於日本Kawase-Inae穿越鐵路的通道工程起，作為非開挖技術其廣泛運用於穿越道路，鐵路，結構物，機場等連線通道的建設中。管幕法施工中，各單管間依靠鎖口在鋼管側面相接形成管排，並在鎖口空隙注入止水劑，以達到止水要求，形成超前支護。
2014年7月前已有的管幕間封水施工技術，依靠各鋼管間鎖口連線，並在鎖口處注入止水劑，形成密封的止水惟幕。經對2014年7月前已有技術的公開文獻檢索發現，李偉強撰寫的《管幕法在環境保護中的研究與套用》，收錄於《建築施工》2011第33卷第5期第229~231頁，該文介紹：在上海外灘源33項目建設中，上海二建成功運用“管幕法”施工技術對一棵百年古銀杏樹實施有效保護。管幕為46根直徑為786毫米、壁厚為12毫米的鋼管組成的矩形。內部採用多管法水平旋噴工夫進行注漿加固，並在高壓噴水槍端頭設定排泥裝置，以便嚴格控制地面沉降。這種施工方法不能在地質條件複雜，含水豐富的地層進行使用。從止水效果上來看，如果頂進偏差過大，則會導致鎖口開裂或變形，或是注漿效果不好都會使管幕無法形成密閉的空間，且由於鎖扣的存在，其始發井和接受井的鎖扣位置封水也無法保證，其止水效果差，很難適用於軟土，高壓水等地層條件；同時從鋼管頂進來看，由於鎖扣的約束，頂進時精度要求高，糾偏困難，很難適用於長距離地下結構的施工。
發明內容
專利目的
《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》的目的在於提供了一種管幕間水平動態控制性凍結止水法，方法易行，操作簡便，其封水效果好，安全可靠，環境適應性強，適用於各種複雜含水量高的地層，尤其適用於地表有建築物或對地表變形要求嚴格的地段。
技術方案
《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》包括以下步驟：
步驟1、在成環形或矩形布置的頂管中，在相隔的頂管的非開挖側管壁鑽孔，在鑽孔中設定測溫管，沿測溫管設定有多個測溫感測器，同時在設定有測溫管的頂管設定加強凍結管；
步驟2、在未設定測溫管的頂管內均鋪設兩根凍結管和一根限位管，兩根凍結管分別設定在離相鄰頂管最近的兩側，限位管設定在頂管非開挖側的最外側，在未設定測溫管的頂管內填充混凝土；
步驟3、在開挖工況前45~60天，採用低溫鹽水作為循環液通過凍結管對頂管間的土體進行凍結，通過測溫管測出非開挖側凍土的厚度的平均值，通過向限位管內循環負溫鹽水控制非開挖側凍土的厚度的平均值在設定的厚度範圍；
步驟4、在頂管內側開挖時，凍結管內保持循環步驟3中的低溫鹽水，並在加強凍結管內循環低溫鹽水，限位管6內保持循環步驟3中的負溫鹽水，當非開挖側凍土的平均厚度低於設定的厚度範圍的最小值時，降低凍結管和加強凍結管的溫度，並提高凍結管和加強凍結管內流速，並停止限位管內的鹽水流動；當凍土的非開挖側平均厚度高於設定的厚度範圍的最大值時，升高凍結管和加強凍結管內鹽水的溫度，並降低凍結管和加強凍結管內流速，升高限位管內的鹽水溫度，提高限位管內流動速度；
步驟5、頂管間土體無封水要求後，讓凍土解凍，並進行融沉注漿處理。
如上所述的頂管為環形或者矩形布置，頂管直徑為1-3米，頂管間距為0.2-0.8米，鑽孔的延伸方向穿過頂管橫截面的圓心，若為圓環形布置的頂管，則鑽孔方向與頂管橫截面圓心在由各個頂管橫截面圓心構成的圓上對應的切線方向之間的角度為30~60度，若為矩形布置，則鑽孔方向與頂管橫切面圓心所在的由各個頂管橫截面圓心構成的矩形邊之間的角度為30~60度。
如上所述的凍結管、限位管、加強凍結管為直徑為89-127毫米的無縫低碳鋼管材。
如上所述的步驟3和步驟4中的低溫鹽水的溫度為-22~-28攝氏度，流速為0.1~0.3米/秒，負溫鹽水的溫度為-5~30攝氏度，流速為0.1~0.3米/秒，非開挖側凍土的厚度的平均值的設定範圍為0.2米~0.6米。
改善效果
《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》與2014年7月前已有管幕技術採用鎖扣注漿來密封管間空隙的方式不同，該發明所述的管幕間動態控制性凍結止水法頂管間密封止水方式採用了凍結法，其通過在頂管內設定的控制性凍結管路對頂管間的土體進行控制性凍結，在預定範圍內產生凍土帷幕，形成止水的工作環境。這種管幕間動態控制性凍結止水法無論在密封止水效果還是在安全性能上都比依靠鎖扣後進行注漿的止水效果更為有效，且採用控制性凍結，凍土體積控制在合理範圍內，因而對地表變形影響小。由於該發明所述的管幕間動態控制性凍結止水的施工方法具有止水效果好，對地表影響小，安全可靠，操作簡便的優點，且在軟土，高壓水等惡劣複雜的特殊地質條件下均能實現，環境適應力很強，尤其適用於複雜地質條件下，上部有建築物或地表要求嚴格地段中，管幕間的封水施工。
附圖說明
圖1為測溫管設定示意圖；
圖2為一種頂管內動態控制性凍結管路系統布置示意圖；
圖3為積極凍結工況示意圖；
圖4為控制凍結工況示意圖；
圖5為加強凍結工況示意圖。
其中：1-頂管；2-原狀土；3-凍土；4-監測管；5-凍結管；6-限位管；7-加強凍結管；8-混凝土。
技術領域
《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》涉及管幕間封水領域，更具體涉及一種管幕間水平動態控制性凍結止水法，適用於市政管幕施工過程中，管幕間封水施工。
權利要求
1.《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》特徵在於包括以下步驟：
步驟1、在成環形或矩形布置的頂管（1）中，在相隔的頂管（1）的非開挖側管壁鑽孔，在鑽孔中設定測溫管（4），沿測溫管（4）設定有多個測溫感測器，同時在設定有測溫管（4）的頂管（1）設定加強凍結管（7）；
步驟2、在未設定測溫管（4）的頂管（1）內均鋪設兩根凍結管（5）和一根限位管（6），兩根凍結管（5）分別設定在離相鄰頂管（1）最近的兩側，限位管（6）設定在頂管（1）非開挖側的最外側，在未設定測溫管（4）的頂管（1）內填充混凝土（8）；
步驟3、在開挖工況前45~60天，採用低溫鹽水作為循環液通過凍結管（5）對頂管（1）間的土體進行凍結，通過測溫管（4）測出非開挖側凍土（3）的厚度的平均值，通過向限位管（6）內循環次低溫鹽水控制非開挖側凍土（3）的厚度的平均值在設定的厚度範圍；
步驟4、在頂管（1）內側開挖時，凍結管（5）內保持循環步驟3中的低溫鹽水，限位管（6）內保持循環步驟3中的次低溫鹽水，並在加強凍結管（7）內循環低溫鹽水，當非開挖側凍土（3）的平均厚度低於設定的厚度範圍的最小值時，降低凍結管（5）和加強凍結管（7）的溫度，並提高凍結管（5）和加強凍結管（7）內流速，並停止限位管（6）內的鹽水流動；當凍土（3）的非開挖側平均厚度高於設定的厚度範圍的最大值時，升高凍結管（5）和加強凍結管（7）內鹽水的溫度，並降低凍結管（5）和加強凍結管（7）內流速，升高限位管（6）內的鹽水溫度，提高限位管（6）內流動速度；
步驟5、頂管（1）間土體無封水要求後，讓凍土（3）解凍，並進行融沉注漿處理。
2.根據權利要求1所述的一種管幕間水平動態控制性凍結止水法，其特徵在於，所述的頂管（1）為環形或者矩形布置，頂管（1）直徑為1-3米，頂管（1）間距為0.2-0.8米，鑽孔的延伸方向穿過頂管（1）橫截面的圓心，若為圓環形布置的頂管（1），則鑽孔方向與頂管（1）橫截面圓心在由各個頂管（1）橫截面圓心構成的圓上對應的切線方向之間的角度為30~60度，若為矩形布置，則鑽孔方向與頂管（1）橫切面圓心所在的由各個頂管（1）橫截面圓心構成的矩形邊之間的角度為30~60度。
3.根據權利要求1所述的一種管幕間水平動態控制性凍結止水法，其特徵在於，所述的凍結管（5）、限位管（6）、加強凍結管（7）為直徑為89-127毫米的無縫低碳鋼管材。
4.根據權利要求1所述的一種管幕間水平動態控制性凍結止水法，其特徵在於，所述的步驟3和步驟4中的低溫鹽水的溫度為-22~-28攝氏度，流速為0.1~0.3米/秒，次低溫鹽水的溫度為-5~30攝氏度，流速為0.1~0.3米/秒，非開挖側凍土（3）的厚度的平均值的設定範圍為0.2米~0.6米。
實施方式
《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》的步驟如下：
步驟1、如圖1所示，在成環形或矩形布置的頂管1（頂管1直徑為1~3米，管間距0.2~0.8米）中，採用隔管鑽孔的方式，在頂管1非開挖側管壁上鑽孔，鑽孔延伸方向穿過頂管1的圓心，若為圓環形布置的頂管1，則鑽孔方向與頂管1橫截面圓心在由各個頂管1橫截面圓心構成的圓上對應的切線方向之間的角度為30~60度，若為矩形布置，則鑽孔方向與頂管1橫切面圓心所在的由各個頂管1橫截面圓心構成的矩形邊之間的角度為30~60度。將測溫管4插入到鑽孔中，在測溫管4內沿測溫管4設定多個測溫感測器，一般3~5個，頂管1管壁上設定多個測溫感測器，呈環向布置，一般4~6個，在測溫管4內設定的多個測溫感測器可以測量頂管1外側（即非開挖側）的凍土厚度，以便掌握在凍結施工過程中周圍土體的溫度變化，同時在設定測溫管4的頂管1內設定加強凍結管7，用混凝土8（也可使用其他導熱材料如導熱膠泥）填充加強凍結管7與頂管1間的縫隙，增加加強凍結管7與頂管1的導熱性。
步驟2、如圖2所示，在未設定測溫管4的頂管1內均鋪設兩根凍結管5和一根限位管6，兩根凍結管5分別設定在離相鄰頂管1最近的兩側上，限位管6設定在靠近頂管1外側（即非開挖側），在未設定測溫管4的頂管1內填充混凝土8。凍結管5，限位管6，加強凍結管7各自成獨立循環管路。凍結管5，限位管6，加強凍結管7一般選用Φ89~Φ127毫米的低碳鋼無縫管材。
步驟3、合理選擇有關的凍結設備進行安裝，並將凍結管路與安裝好的凍結設備進行連線，然後調試至正常運行。
步驟4、對頂管1間原狀土2進行控制性凍結操作，在頂管1間形成具有止水功能的凍土3。
其詳細步驟為啟動凍結設備，採用鹽水作為循環液通過凍結管5對頂管1間的土體進行凍結。凍結施工開始於開挖工況前45~60天，頂管1內側未開挖時，在凍結管5內循環低溫鹽水，低溫鹽水溫度為-22~-28攝氏度，流速為0.1~0.3米/秒，進行積極凍結，在頂管1間形成凍土3滿足封水要求，如圖3所示。通過設定在測溫管4內的測溫管4和頂管1內管壁設定的溫度感測器並採用線性插值算出周邊土體的溫度場分布，由於鑽孔在頂管1內均按照設定方向設定，使得鑽孔內的多個溫度感測器均沿設定方向設定，可以通過溫度感測器實際分布的位置獲得溫度數據，從而求得非開挖側凍土3的厚度，進而求得非開挖側凍土3的厚度的平均值。為了更精確的獲得非開挖側凍土3的厚度分布，可以將鑽孔內的多個溫度感測器獲得的數據進行線性插值運算。通過向限位管6內循環負溫鹽水控制非開挖側凍土3的厚度的平均值（即非開挖側低於0攝氏度區域邊界到頂管1的非開挖側外壁的環形軌跡或者矩形軌跡的距離的平均值）在設定的厚度範圍（0.2米~0.6米）限位管6內負溫鹽水溫度為-5~30攝氏度，流速為0.1~0.3米/秒，帶走多餘冷量，控制凍土3的非開挖側平均厚度在0.2米~0.6米，即可以滿足封水要求，又不會對地表變形產生過大影響。
當頂管1內側進行開挖時，如圖5所示，凍結管5內保持循環低溫鹽水，凍結管5內低溫鹽水溫度為-22~-28攝氏度，流速為0.1~0.3米/秒，並在加強凍結管7內循環低溫鹽水，加強凍結管7內低溫鹽水溫度為-22~-28攝氏度，流速為0.1~0.3米/秒，進行加強凍結，抵禦空氣對流對凍土3的不利影響，保證凍土3的封水性安全，通過向限位管內循環負溫鹽水控制非開挖側凍土3的厚度的平均值在設定的厚度範圍，負溫鹽水溫度為-5~30攝氏度，流速為0.1~0.3米/秒。整個過程中根據溫度監測數據動態控制凍結管5，限位管6，加強凍結管7內的鹽水運行溫度，流速。當溫度監測顯示凍土3的非開挖側平均厚度低於設定範圍的最小值時，降低凍結管5和加強凍結管7的溫度，並提高凍結管5和加強凍結管7內流速，並停止限位管6內的鹽水流動。當凍土3的非開挖側平均厚度高於設定範圍的最大值時，升高凍結管5和加強凍結管7內低溫鹽水的溫度，並降低管內低溫鹽水流速，升高限位管6內的鹽水溫度，提高限位管6內流動速度。
步驟5、頂管1間土體無封水要求後，停止凍結，讓凍土3解凍並進行融沉注漿處理。凍土3解凍可採用自然解凍，也可在原有凍結管5，限位管6，加強凍結管7內循環熱鹽水進行強制解凍。融沉注漿可從頂管1內向外鑽孔注漿，也可從地表進行鑽孔注漿。
2014年7月前已有的管幕間封水技術採用鎖扣注漿來密封，該發明所述的管幕間動態控制性凍結止水法頂管間密封止水方式採用了凍結法，凍結止水法無論在密封止水效果還是在安全性能上都比依靠鎖扣後進行注漿的止水效果更為有效；且與以往的凍結技術不同，該發明所述的凍結法利用凍結管5，限位管6，加強凍結管7三種管路，採用控制性凍結，可以將凍土體積控制在合理範圍內，降低對地表變形影響，並可節省凍結費用。
綜上所述，《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》所述的管幕間動態控制性凍結止水的施工方法，利用在頂管內鋪設凍結管的方法，凍結頂管之間的土體，使凍土形成止水帷幕，並將凍土帷幕的體積控制在一定範圍之內。因此該發明具有止水效果好、對地表影響小，安全可靠，操作簡便、環境適應性強的優點，廣泛適用於各類複雜的特殊地質條件下管幕間的封水施工。
專利榮譽
2021年6月24日，《一種管幕間水平動態控制性凍結止水法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
