高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結(jié)系統(tǒng)及盾構(gòu)盾尾刷快速更換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種高水壓超長距離越江(海)大斷面液氮凍結(jié)系統(tǒng)及盾構(gòu)隧道盾尾刷快速更換方法，屬于盾構(gòu)隧道加固技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著盾構(gòu)施工方法在地鐵、過江跨海隧道中的廣泛應(yīng)用，在軟弱地層和水壓力為
0.4MPa~0.7MPa的高承壓含水層條件下，超過100m的超長距離，直徑為14~16m大斷面盾構(gòu)施工中遇到的工程問題越來越突出，其中盾尾滲漏防治與控制及盾尾刷更換是越江跨海交通隧道工程中一個施工難點(diǎn)，如果盾尾漏漿嚴(yán)重，將導(dǎo)致切口水壓下降，刀盤前方土體失穩(wěn)，并且隧道內(nèi)將大量淤積泥漿，若抽排不及時，將造成盾構(gòu)機(jī)被淹沒，因此，盾構(gòu)在長距離連續(xù)掘進(jìn)過程中，需要一個密閉的工作環(huán)境，盾尾鋼絲刷和盾尾止?jié){板的存在，有效的隔斷了盾構(gòu)機(jī)與地層之間的流水通道，阻斷了含水地層向盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的滲漏，從而保證了盾構(gòu)機(jī)的安全掘進(jìn)。
[0003]盾尾密封刷一般采用多層鋼絲刷，在鋼絲刷間的空隙處加壓注入密封油脂作為填充以增加密封效果。在實(shí)際盾構(gòu)施工中密封刷的密封效果會逐漸減弱，其原因主要有以下幾點(diǎn):密封油脂注入量不足；盾構(gòu)機(jī)調(diào)整姿態(tài)過猛；環(huán)片背部破損水泥塊或其他硬質(zhì)異物進(jìn)入密封刷間空隙；隧道距離太長；泥水盾構(gòu)停止掘進(jìn)時，管片組裝導(dǎo)致盾尾后退，造成盾尾刷與管片間發(fā)生刷毛方向相反的運(yùn)動，使刷毛反卷，盾尾刷變形。
[0004]盾尾鋼絲刷更換的難點(diǎn)在于管片拆卸后盾構(gòu)尾部的密封止水，根據(jù)以往的工程實(shí)踐，所采用的凍結(jié)系統(tǒng)及盾尾刷更換方法通常采用以下幾種:
(I)注漿法
此方法通過加大盾尾同步注漿量以及改變注漿配比以加快漿液凝固等措施來加強(qiáng)盾尾密封止水效果，在原地層進(jìn)行盾尾刷更換，注漿法存在許多不利因素，如地層不適應(yīng)性、注漿帷幕的連續(xù)性差、均勻性差、注漿土體與盾構(gòu)及管片的膠結(jié)缺乏柔性和韌性等，注漿封水可靠性差，在盾尾刷更換時較少使用。
[0005](2)鹽水凍結(jié)
鹽水凍結(jié)系統(tǒng)是利用鹽水凍結(jié)系統(tǒng)使得地層凍結(jié)，然后進(jìn)行盾尾刷更換。鹽水凍結(jié)系統(tǒng)是在地面安裝冷凍設(shè)備，采用氨(NH3)或氟利昂為制冷劑，將冷媒劑氯化鈣(CaC12)溶液(習(xí)稱鹽水)冷卻到-20?-30° C，用循環(huán)泵和插至凍結(jié)管深處的聚氯乙烯供液管將鹽水送入凍結(jié)管，經(jīng)低溫鹽水長時間連續(xù)地吸取管外的熱量，使周圍地層凍結(jié)，鹽水吸取地層的熱量后溫度上升，在循環(huán)泵的作用下，經(jīng)回路管回到冷凍設(shè)備和制冷劑接觸而重新冷卻，原為液態(tài)的氨或氟利昂，在減壓的條件下蒸發(fā)時攝取鹽水的熱量后，經(jīng)壓縮和冷凝又使其液化，在管道內(nèi)循環(huán)流動，重復(fù)使用。
[0006]但鹽水凍結(jié)有以下缺點(diǎn):
①鹽水凍結(jié)需要建立凍結(jié)和維護(hù)制冷工序的循環(huán)系統(tǒng)，而該系統(tǒng)需建立于盾構(gòu)始發(fā)端地表之上或盾構(gòu)隧道內(nèi)，長距離輸送鹽水所達(dá)到的低溫不足以對土體進(jìn)行凍結(jié)；
②即便將凍結(jié)站置于隧道內(nèi)部，鹽水凍結(jié)的周期也較長，嚴(yán)重影響工期(大型盾構(gòu)機(jī)停機(jī)一天經(jīng)濟(jì)損失巨大，迫切需要節(jié)約時間)；
③很難適應(yīng)過江隧道高水壓超長距離等大型高風(fēng)險盾構(gòu)工程的應(yīng)急需求。
[0007]( 3)地面建站長距離液氮凍結(jié)
地面建站長距離液氮凍結(jié)系統(tǒng)是將液氮儲罐及槽車停在隧道始發(fā)井外，利用管路將液氮輸送至隧道凍結(jié)工作面的凍結(jié)管中，經(jīng)循環(huán)吸收地?zé)崃浚ㄟ^集氣管收集汽化氮?dú)?，再利用排氣管將其排至隧道外空曠處，通常利用隧道管片直接打孔或預(yù)制管片進(jìn)行凍結(jié)，此種方法較鹽水凍結(jié)具有凍結(jié)系統(tǒng)簡單、溫度低、凍結(jié)速度快、穩(wěn)定性好、凍土強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，且凍結(jié)加固土體形式靈活，凍結(jié)規(guī)模可以根據(jù)工程實(shí)際情況而定。
[0008]地面建站長距離液氮凍結(jié)系統(tǒng)適合隧道凍結(jié)工作面與隧道工作井距離不超過800m、液氮凍結(jié)工作面土層條件相對較好、隧道直徑較小的工程，供液管保溫措施要求嚴(yán)格，無法適應(yīng)高水壓、超長距離、土層條件復(fù)雜的工程，特別是大型高風(fēng)險搶險工程。
[0009]通常盾尾刷更換采取焊接更換方法，時間較長，凍結(jié)工作面回溫較快，容易引起凍結(jié)工作面滲漏，因此，如何選擇一種可靠的施工方法，更好的解決高水壓超長距離大斷面盾構(gòu)隧道盾尾刷快速更換，是亟待解決的關(guān)鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提出的是一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結(jié)系統(tǒng)及盾構(gòu)盾尾刷快速更換方法，其目的旨在滿足高水壓、超長距離越江(海)大斷面盾構(gòu)隧道中盾尾刷滲漏快速更換，其技術(shù)為在需要更換的盾尾刷工作面建立液氮凍結(jié)系統(tǒng)，由液氮儲罐提供液氮，在罐內(nèi)壓力作用下，利用經(jīng)過保溫處理措施的供液管，液氮被強(qiáng)制送到串聯(lián)排列的各分配器，再進(jìn)入每組凍結(jié)管內(nèi)吸收地層熱量，再通過排氣管以氣態(tài)形式排放于大氣中。
[0011]與地面建站長距離液氮凍結(jié)系統(tǒng)相比，因隧道直徑較大，液氮儲罐車可直接開進(jìn)工作面附近，液氮達(dá)到凍結(jié)工作面的溫度更低(-150°C?-160°c)，大大節(jié)約了凍結(jié)時間，通過在液氮儲罐的液氮出口處增加地泵加壓，工作面與隧道工作井的距離可達(dá)5.5km。
[0012]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結(jié)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括液氮儲罐1、主閘閥2、供液管3、分配器4、配液管5、凍結(jié)管6、集氣管7、排氣管8、測溫孔9冷排管10，其中所述液氮儲罐I與裝有主閘閥2的供液管3連接，供液管3分兩路分別與分配器4連接，每個分配器4設(shè)8~10個支路，每個支路通過配液管5與一組串聯(lián)凍結(jié)管6連接，每組最后一根凍結(jié)管6與集氣管7連接，通過集氣管7與排氣管8連接，通過排氣管將汽化氮?dú)馀欧胖量諝庵?，冷排?0前端與配液管5連接，末端與集氣管7連接。
[0013]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的液氮儲罐I放置在液氮槽車上，液氮儲罐I體積為30m3’，正常凍結(jié)期間保證隧道凍結(jié)工作面有兩輛液氮槽車，液氮槽車倒車至隧道凍結(jié)工作面，液氮儲罐I的出口溫度控制在-160°C?_170°C，壓力控制在0.5MPa?1.6MPa，通過自帶車載加壓泵裝在液氮儲罐I的液氮出口處實(shí)現(xiàn)加壓，當(dāng)壓力超過0.8 MPa時，通過增加專用地泵裝在液氮儲罐I的液氮出口處實(shí)現(xiàn)加壓，壓力與排氣管8長度成正比，排氣管8長度為1.5-5.5km，壓力調(diào)節(jié)可使用液氮儲罐I上的主閘閥2。
[0014]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的供液管3為內(nèi)管直徑108mm壁厚4_，外管直徑180mm壁厚4_的真空不銹鋼管，內(nèi)外管夾層72_，夾層真空度小于5 \10-午&，冷量損失0.5~2.01/111，考慮盾構(gòu)機(jī)及其后配套，液氮儲罐1到凍結(jié)工作面的距離長度為40~50m，設(shè)2路供液管3，其前端分別與2個液氮儲罐I連接，其末端分2路分別于各分配器4連接。
[0015]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的兩路供液管3上分別各裝I個分配器4，每個分配器4設(shè)8~10個支路，每個支路上安裝有閥門11和壓力表12。
[0016]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的配液管5 一端與分配器4上一個支路連接，另一端與一組凍結(jié)管6連接，配液管5為直徑40mm壁厚4_低溫不銹鋼軟管，采用2層Icm厚的聚乙烯保溫材料外加I層密封薄膜進(jìn)行包裹。
[0017]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的凍結(jié)管6沿隧道橫斷面布設(shè)，凍結(jié)管6管口間距0.4-0.9m，管底間距為0.6-1.1m,管長為隧道管片13厚度W+0.4-1.2m，其中在軟土地層或粉細(xì)砂土層為隧道管片13厚度W+1.0-1.2m，在卵石等難成孔地層為隧道管片13厚度W+0.6~1.0m，在裂隙巖層中為隧道管片13厚度W+0.4-0.6m，孔口間距與孔深呈反比，每3~4個凍結(jié)管6串聯(lián)成I組，每組最后一個凍結(jié)管6與集氣管7連接，凍結(jié)管6采用直徑89mm壁厚5mm的R304不銹鋼管，凍結(jié)管6進(jìn)口溫度控制在-150°C?-160°C，出口溫度控制在_120°C?_130°C，使用分配器4上的閥門10進(jìn)行流量及溫度調(diào)節(jié)。
[0018]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的集氣管7沿隧道斷面環(huán)形布置，采用直徑127mm壁厚5mm的R304不銹鋼管。
[0019]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述的排氣管8為直徑127_壁厚5_的R304不銹鋼管，其長度為1.5-5.5km，具體長度視隧道凍結(jié)工作面到隧道出口空曠位置的距離而定，排氣管8前端10m采用2層Icm厚的聚乙烯保溫材料外加I層密封薄膜進(jìn)行包裹。<