本實用新型涉及一種土建技術，尤其是一種凍結管幕鋼管支護結構。

背景技術：

隨著中國城市化進程的加速，在城區道路或重要建筑物下興建大型地下結構越來越多。對于淺埋大斷面、短距離的城市隧道而言，采用盾構法施工不經濟，采用明挖法對城市生產生活干擾較大。當地質條件較差、埋置深度較淺、上部有敏感建筑時，如果采用淺埋暗挖法施工，地面沉降難以控制，一旦出現施工事故，將造成顯著的社會影響。因此，如何找到一種適合于飽和富水軟土地層的淺埋大斷面地下結構下穿敏感建筑的施工方法非常重要。

管幕法就是先利用頂管技術在擬建的地下建筑物四周頂入鋼管，鋼管之間采用鎖口等進行止水，形成水密性地下空間，然后在大剛度管幕的保護下，對管幕包圍范圍土體進行開挖并澆筑主體結構的一種方法。由于管幕形成大剛度臨時支護結構，可以減少開挖時引起的地表變形，避免對周邊建筑物產生影響，對于淺埋大斷面軟土、建筑物密集、環境保護要求高的工程，具有無可比擬的優點。

管幕法具有以下特點：

1、軟土地層大斷面管幕法修筑地下結構一般是在沒有條件采取明挖法情況下進行的；

2、通常管幕法修筑地下結構覆土比較淺，需要穿越敏感管線、道路和構筑物，對地表變形的要求比較高；

3、多應用于公路隧道，斷面尺寸比較大的工況；

4、管幕法可以根據不同的地層、周邊環境和斷面尺寸選擇不同的具體工法，即管幕法可以派生出許多不同的管幕工法；

5、管幕施工應該采用頂管法，因為頂管法可以滿足最小的地表變形，較高的姿態控制精度。

管幕工法適用范圍較廣,從國外己有的工程實例來看,管幕工法適用于回填土、砂土、粘土、巖層等各種地層,具有廣闊的應用前景。

近年來，國內對管幕法應用越來越多，也做了一些改進，出現了“新管幕工法”(New Tubular Roof Method,簡稱NTR工法),也有相關技術人員稱其為“管幕預筑法”。其主要的技術路線是:采用較為傳統的頂管技術或盾構技術將一簇大直徑鋼管頂推或牽引至地層中,在大直徑鋼管內體進行施工,連綴成設計預想的地下結構外輪廓,然后在成形結構的保護下開挖結構內部地層,并施工內部結構。

由于大直徑鋼管形成了大剛度臨時支護結構，可以減少開挖時引起的地表變形，避免對周邊建筑物產生影響，對于淺埋大斷面軟土、建筑物密集、環境保護要求高的工程，具有無可比擬的優點。

管幕工法以單管頂進為基礎，各單管間依靠鎖口在鋼管側面相連形成管排，并在鎖口空隙注入止水劑以達到止水要求。管排頂進完成后，形成管幕，然后對管幕內的土體視土質情況決定是否進行加固處理；隨后在內部一邊支撐一邊開挖，直至管幕段開挖貫通，再澆筑內部結構。管幕可以為多種形狀，包括半圓型、圓型、門字型、口字型等。管幕由剛性的鋼管形成臨時擋土結構，以減少開挖時對鄰近土體的擾動并相應地減小周圍土體的變形，達到開挖時不影響地面活動并維持上部建(構)筑物與管線正常使用功能的目的。

然而，當管幕鋼管不是直線形而是曲線形時，將難以保證兩頂管間的止水鎖扣成功連接，進而難以保證管幕的封水效果。同時，為保證管幕的封水效果，直線形管幕頂管間隔很近，從而使管幕頂管數量增多，造成極大的人力物力財力的浪費。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種凍結管幕鋼管支護結構，其既可以保證管幕的封水效果，又可以減少管幕鋼管的數量，特別適合用于飽和富水軟土地層的淺埋大斷面地下結構下穿敏感建筑施工時的支護結構中。

為實現上述目的，本實用新型采用下述技術方案：

一種凍結管幕鋼管支護結構，包括若干均勻設置于擬建地下建筑物周圍的管幕鋼管，所述管幕鋼管中設置有若干根與管幕鋼管平行的凍結管，所述管幕鋼管內壁與凍結管外壁之間的空隙中充滿有填充物。

所述若干管幕鋼管沿圓形擬建地下建筑物周圍布置成一圓形結構。

所述若干管幕鋼管沿矩形擬建地下建筑物周圍布置成一矩形結構

當管幕鋼管中的凍結管數量為偶數時，每兩根凍結管為一組，在管幕鋼管一端外部通過U型管將每一組的兩根凍結管端部聯通。低溫冷媒介質從其中一根凍結管流入，經U型凍結管流入第二根凍結管，再經第二根凍結管流出管幕鋼管，如此循環先使管幕鋼管中的填充物形成凍土帷幕，隨著時間的推移再使管幕鋼管外的土體形成凍土帷幕。

當管幕鋼管中的凍結管數量為奇數時，在每一根凍結管中均放入能夠獨立循環的供液管。低溫冷媒介質通過供液管在單根凍結管中形成循環，此時不再設有U型凍結管，每根凍結管都是獨立的一個循環單位。

所述填充物為混凝土、水泥土、粘土、砂土或水。

所述管幕鋼管直徑為0.8m-2m。

所述凍結管材質為無縫低碳鋼管、PVC、PPR、ABS或PE塑料管；當采用液氮凍結時，采用所述塑料管。

所述凍結管截面為圓形、工字形、X形、T形或Y形。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型將管幕鋼管和凍結管進行組合，通過在凍結管中循環低溫冷媒介質，先使管幕鋼管中的填充物形成凍土帷幕，隨著時間的推移再使管幕鋼管外的土體形成凍土帷幕。管幕鋼管和管幕間的凍土帷幕(其中凍結管積極凍結所形成)一起組合形成大剛度的共同支護受力體系，可有效控制地下水的流失，并且可增大管幕鋼管的間距，從而減少管幕鋼管數量，施工及運營安全，特別適合用于飽和富水軟土地層的淺埋大斷面地下結構下穿敏感建筑施工時的支護結構中。

附圖說明

圖1是實施例1結構示意圖；

圖2是實施例2結構示意圖；

圖3是管幕鋼管中凍結管數量為偶數的主視圖；

圖4是管幕鋼管中凍結管數量為偶數的后視圖；

圖5是管幕鋼管中凍結管數量為偶數的側視圖；

圖6是管幕鋼管中凍結管數量為奇數的主視圖；

圖7是管幕鋼管中凍結管數量為奇數的側視圖；

圖8是運用凍結管幕鋼管的支護結構施工工藝流程圖；

圖9是管幕鋼管頂進施工流程圖；

圖10是凍結工程施工流程圖；

其中，1.凍結管，2.填充物，3.管幕鋼管，4. U型管，5.供液管，6.凍土帷幕，7.擬建地下建筑物，8.凍結管幕鋼管。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

實施例1：

如圖1、圖3-圖7所示，凍結管幕鋼管支護結構，包括若干均勻設置于擬建地下建筑物7周圍的管幕鋼管3，管幕鋼管3直徑為0.8m-2m，所述管幕鋼管3中設置有若干根與管幕鋼管3平行的凍結管1，所述管幕鋼管內壁與凍結管外壁之間的空隙中充滿有填充物2。填充物2為混凝土、水泥土、粘土、砂土或水。若干管幕鋼管3沿圓形擬建地下建筑物周圍布置成一圓形結構。

如圖2-圖4所示，當管幕鋼管3中的凍結管1數量為偶數時，每兩根凍結1管為一組，在管幕鋼管3一端外部通過U型管4將每一組的兩根凍結管1端部聯通。低溫冷媒介質從其中一根凍結管1流入，經U型管4流入第二根凍結管1，再經第二根凍結管1流出管幕鋼管3，如此循環先使管幕鋼管3中的填充物2凍結形成凍結管幕鋼管8，隨著時間的推移再使管幕鋼管3外的土體形成凍土帷幕7，管幕鋼管和管幕間的凍土帷幕7(其中凍結管積極凍結所形成)一起組合形成大剛度的共同支護受力體系，可有效控制地下水的流失，并且可增大管幕鋼管的間距，從而減少管幕鋼管2數量，施工及運營安全，特別適合用于飽和富水軟土地層的淺埋大斷面地下結構下穿敏感建筑施工時的支護結構中。

如圖6-圖7所示，當管幕鋼管3中的凍結管1數量為奇數時，在每一根凍結管1中均放入能夠獨立循環的供液管5。低溫冷媒介質通過供液管在單根凍結管1中形成循環，此時不再設有U型管4，每根凍結管1都是獨立的一個循環單位。先使管幕鋼管3中的填充物2凍結形成凍結管幕鋼管8，隨著時間的推移再使管幕鋼管3外的土體形成凍土帷幕7，管幕鋼管和管幕間的凍土帷幕7(其中凍結管積極凍結所形成)一起組合形成大剛度的共同支護受力體系，可有效控制地下水的流失，并且可增大管幕鋼管的間距，從而減少管幕鋼管2數量，施工及運營安全，特別適合用于飽和富水軟土地層的淺埋大斷面地下結構下穿敏感建筑施工時的支護結構中。

凍結管1材質為無縫低碳鋼管、PVC、PPR、ABS或PE塑料管；當采用液氮凍結時，采用塑料管。凍結管1截面為圓形、工字形、X形、T形或Y形。

實施例2：

如圖2-圖7所示，凍結管幕鋼管支護結構，包括若干均勻設置于擬建地下建筑物周圍的管幕鋼管3，管幕鋼管3直徑為0.8m-2m，所述管幕鋼管3中設置有若干根與管幕鋼管3平行的凍結管1，所述管幕鋼管內壁與凍結管外壁之間的空隙中充滿有填充物2。填充物2為混凝土、水泥土、粘土、砂土或水。若干管幕鋼管3沿矩形擬建地下建筑物周圍布置成一矩形結構。

如圖2-圖4所示，當管幕鋼管3中的凍結管1數量為偶數時，每兩根凍結1管為一組，在管幕鋼管3一端外部通過U型管4將每一組的兩根凍結管1端部聯通。低溫冷媒介質從其中一根凍結管1流入，經U型管4流入第二根凍結管1，再經第二根凍結管1流出管幕鋼管3，如此循環先使管幕鋼管3中的填充物2凍結形成凍結管幕鋼管8，隨著時間的推移再使管幕鋼管3外的土體形成凍土帷幕7，管幕鋼管和管幕間的凍土帷幕7(其中凍結管積極凍結所形成)一起組合形成大剛度的共同支護受力體系，可有效控制地下水的流失，并且可增大管幕鋼管的間距，從而減少管幕鋼管2數量，施工及運營安全，特別適合用于飽和富水軟土地層的淺埋大斷面地下結構下穿敏感建筑施工時的支護結構中。

如圖6-圖7所示，當管幕鋼管3中的凍結管1數量為奇數時，在每一根凍結管1中均放入能夠獨立循環的供液管5。低溫冷媒介質通過供液管在單根凍結管1中形成循環，此時不再設有U型管4，每根凍結管1都是獨立的一個循環單位。先使管幕鋼管3中的填充物2凍結形成凍結管幕鋼管8，隨著時間的推移再使管幕鋼管3外的土體形成凍土帷幕7，管幕鋼管和管幕間的凍土帷幕7(其中凍結管積極凍結所形成)一起組合形成大剛度的共同支護受力體系，可有效控制地下水的流失，并且可增大管幕鋼管的間距，從而減少管幕鋼管2數量，施工及運營安全，特別適合用于飽和富水軟土地層的淺埋大斷面地下結構下穿敏感建筑施工時的支護結構中。

凍結管1材質為無縫低碳鋼管、PVC、PPR、ABS或PE塑料管；當采用液氮凍結時，采用塑料管。凍結管1截面為圓形、工字形、X形、T形或Y形。

上述兩個實施例的施工工藝如圖8所示。

運用凍結管幕鋼管形成支護結構修筑地下結構的施工步驟如下：

1、構筑頂管工作井和接收井；

2、鋼管頂進，頂進順序為以橫斷面中軸線為基準由下往上對稱進行；

注：鋼管鋪設方法有：定(導)向鉆進法、水平螺旋鉆進法、夯管施工法、頂管法、微型頂管法/微型隧道施工法，最常用和推薦的是頂管法。

3、管幕鋼管3中凍結管1施工，凍結管1的個數由設計而定。

4、在管幕鋼管3和其中凍結管1之間的空隙中注入填充物2(填充物2可以為混凝土、水泥土、粘土、砂土，甚至可以是水)。

5、積極凍結形成凍土帷幕。

6、在凍結管幕鋼管形成的支護結構內開挖，邊開挖邊支撐。

7、逐段構筑內部結構，最終形成完整的地下結構。

一、管幕鋼管頂管工程施工方案、工藝流程

(1)管幕鋼管情況

管幕鋼管3直徑通常可以取0.8m-2m，也可以根據具體工程情況選擇更大的直徑。

(2)土體加固

管幕鋼管頂管頂進前可以先對洞口處土體按設計要求加固，土體加固可在工作井施工時進行。

(3)穿墻出洞

在出洞前先割掉預埋鋼盒外側鋼板，并將止水鋼環焊接到預埋鋼盒的外側，再將止水橡膠圈安裝在止水鋼環上。在準備出洞時，將鋼盒內側擋土鋼板割掉，清理預留孔內的雜物后立即將工具頭推進預埋孔，縮短停頓時間，使止水橡膠圈緊抱工具頭外殼發揮止水作用。

頂管穿墻時要防止工具頭下跌，在穿墻的初期，因入土較小，工具頭的自重僅由兩點支撐，其中一點是導軌，另一點是入土較淺的土體。因此，工具頭穿墻時，一方面要帶一個向上的初始角(約5’)，另一方面穿墻管下部要有支托，并且加強管段與工具管、管段與管段之間的連接。此外，工具管的推進一定要迅速，不使穿墻管內的土體暴露時間太長。

(4)正常頂進

管道出洞成功后，開始正常頂進。在管節推進的同時，頂管機大刀盤切削前方土體排出。通過管節一節節向前推進，頂管機不斷推進最后到達接收井，形成整段通道。

(5)管幕鋼管縱向接頭

接頭通過焊接環形和豎向加勁板加固管道端部，增加其剛度，在其加固的環形勁板上，連接螺栓，進行施工過程中的限位和固定。在插口上設置兩道氯丁橡膠密封圈進行防水。接頭要有一定轉角的適應能力。

(6)進入接收井

頂管機接近接收井前到達土體加固范圍后，應放慢頂進速度，使頂管機慢慢切削土體，形成一個較完整的止水孔。通過測量定出頂管機出口的具體位置，將接收井工具頭位置的混凝土護壁鑿除。當頂管機進入接收井邊時，頂管機要快速頂進，直到頂管機完全頂出接收井。

(7)管幕泥漿置換

在管幕頂進結束后，為防止管幕出現滯后沉降，按設計要求的材料將頂進過程中的觸變泥漿置換掉。置換時利用壓注觸變泥漿的系統及管路進行。壓注順序：從第一節管依次向后進行。

(8)管幕混凝土灌注及填充

管幕頂進完畢進而在其中安裝完凍結管之后，可采用微膨脹混凝土進行填充，施工完后要用錘擊和超聲波檢測砼密實程度及與鋼管之間是否密貼。

(9)管幕潤滑減阻

采用膨潤土觸變泥漿注入管道與周圍土層之間的環狀空間中，實現減小頂進管道與地層之間的摩擦阻力。注漿為三部分，機尾同步注漿、沿線管道補漿及洞口處的注漿。觸變泥漿的基本成分由膨潤土和水組成，另外，根據不同的土體摻入不同聚合物的外摻劑來調節泥漿性能以滿足使用要求。

(10)管幕鋼管頂管施工流程

頂管頂進施工流程如圖9所示。

二、凍結工程施工方案、工藝流程

凍結工程施工流程如圖10所示：

(1)凍結管施工

凍結管按設計要求在管幕鋼管中進行布設，必要時可設置加熱管或卸壓孔，以控制凍脹現象。

(2)凍結管試漏

凍結站安裝完成后按要求進行試漏和抽真空，確保安裝質量符合設計要求。

(3)凍結系統安裝與調試

①按1.5倍制冷系數選配制冷設備。制冷設備準備2套，一套生產，一套應急。

②管路用法蘭連接，在鹽水管路和冷卻水循環管路上要設置伸縮接頭、閥門和測溫儀、壓力表、流量計等測試元件。鹽水管路經試漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保溫，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈與凍結管的連接用高壓膠管，每根凍結管的進出口各裝閥門一個，以便控制流量。

③冷凍機組的蒸發器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱和鹽水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保溫。

④機組充氟和冷凍機加油按照設備使用說明書的要求進行。首先進行制冷系統的檢漏和氮氣沖洗，在確保系統無滲漏后，再充氟加油。

⑤設備安裝完畢后進行調試和試運轉。在試運轉時，要隨時調節壓力、溫度等各狀態參數，使機組在有關工藝規程和設備要求的技術參數條件下運行。

(4)積極凍結階段。在凍結試運轉過程中，定時檢測鹽水溫度、鹽水流量和凍土帷幕擴展情況，必要時調整凍結系統運行參數。凍結系統運轉正常后進入積極凍結。積極凍結，就是充分利用設備的全部能力，盡快加速凍土發展，在設計時間內把鹽水溫度降到設計溫度。

(5)維護凍結階段要根據實測溫度數據判斷凍土帷幕是否交圈和達到設計厚度，測溫判斷凍土帷幕交圈并達到設計厚度后再進行探孔試挖，確認凍土帷幕內土層無流動水后(飽和水除外)再進行正式開挖。

(6)待內部封水結構完成后，在鹽水箱內設鹽水加熱器，對低溫鹽水進行加熱，對凍結壁進行強制解凍，并利用在先前預留的泥漿套注漿裝置，進行跟蹤式融沉注漿。強制解凍采用分區分批進行。

上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。