本實用新型涉及地下工程技術，具體而言，涉及用于保護地下水環境的明挖隧道止水結構。

背景技術：

對于富水地區的地鐵建設，當地鐵隧道采用明挖法施工時，采用止水或者排水處理隧道開挖范圍內的地下水是隧道開挖前的基礎工作。目前，我國地鐵隧道止水一般采用注漿止水或者旋噴樁止水，這兩種止水方式都需要向土層中注入水泥漿液，污染地下水水質，同時水泥漿液流向不易控制，容易堵塞地下水的滲流通道，改變地下水的滲流路徑。而采用排水方案，將浪費寶貴的地下水資源，同時排水引起的地下水位降低易引起周邊鄰近建、構筑物的沉降變形。

隨著城市化進展及經濟發展，地鐵將成為解決城市交通問題的主要手段之一。但是由于地質條件差異較大，地鐵建設過程中常會引發地面沉降、巖溶塌陷、圍巖失穩等各類環境地質問題，也會引發巷道突水、水位下降、水質污染等各類水環境問題。

為避免地鐵工程建設中引發的各類工程問題或減小地鐵工程對周邊環境的影響，國內外學者對相關防護治理手段及方法開展了大量的研究。Albert Weiler(1983)基于德意志杜伊斯堡第四系地層條件，總結出地鐵建設方法-空隙固結法。孫亞哲(2003)針對南京玄武湖下交通隧道建設可能產生水污染、地面沉降、地面塌陷、巷道突水等環境地質問題，為減少對地下水環境的影響，建議限制開挖深度和保護天然淤泥層，采用透水性好的填土材料、污染小的建筑材料、化學漿液，采用冷凍止水施工方案避免大面積人工降水。方燎原(2004)針對巖溶對廣州地鐵建設的影響，提出采用冷凍法和高壓注漿法進行巖溶水隔離，對溶洞采用灌漿和結構處理。邢崴崴(2004)分析了地鐵工程建設可能對水質的影響，建議在工程建設中采用污染小的建筑材料及化學漿液，分析了地下水徑流條件的改變也會使得工程穩定性變差引發不均勻沉降，建議優化盾構各施工參數，并采用相應的工程方法如隔斷、土體加固、建筑物本體加固及基礎托換等以減小對周圍環境的影響。C.O.Aksoy(2008)分析了土耳其伊茲密爾地鐵站工程降水引發的地面沉降問題，通過化學注漿手段維持圍巖穩定性，有效地阻止了地面沉降并使地下水位恢復至原有水平。李廣濤(2009)針對廣州地鐵三號線工程建設中存在的溶、土洞不良地質條件進行處理，明確提出了盾構及明挖的巖溶處理措施。R.Galler(2009)提出了一套經濟安全的新奧地利隧道施工方法(NATM)，該方法在澳大利亞近幾年得到了迅速發展。傅志峰(2010)針對武漢地鐵2號線工程施工中可能出現的第四系土層、巖溶地質、地下水等巖土工程問題，提出了工程降水設計、地下連續墻、注漿封堵防水工程等預防措施。龍艷魁(2012)分析了巖溶對地鐵工程的影響，著重對巖溶洞穴穩定性的影響因素進行了探索，并提出了開挖回填、壓力注漿、結構物跨越的巖溶溶洞處理措施。由此看出以往多注重對某些環境地質問題的處理研究，而對于既要進行工程防護處理又要兼顧泉水水量和水質保護的研究目前還比較少見。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種用于保護地下水環境的明挖隧道止水結構，以解隧道施工過程中對地下水水質污染，保護地下水資源的問題。

本實用新型實施例提供一種用于保護地下水環境的明挖隧道止水結構，其包括：設置于隧道明挖基坑兩側的豎向凍土止水層，及設置于所述隧道明挖基坑底部的水平向凍土止水層，所述豎向凍土止水層和所述水平向凍土止水層相交，所述豎向凍土止水層的底部低于所述水平向凍土止水層的底部。

在一些實施例中，優選為，所述隧道明挖基坑兩側地面鋪設保溫層；所述保溫層包括：EPS泡沫板、聚苯乙烯、擠塑板、或聚氨酯板。

在一些實施例中，優選為，所述豎向凍土止水層的內側面和所述水平向凍土止水層的內側面噴射有保溫混凝土。

在一些實施例中，優選為，所述保溫混凝土包括：加氣混凝土、0.5％～2％的高效速凝劑、0.5％～2％的乳膠粉和3％～7％的纖維。

在一些實施例中，優選為，所述豎向凍土止水層的厚度為1～3米；和/或，所述水平向凍土止水層的厚度為1～3米；和/或，相鄰兩個所述隧道明挖基坑之間的距離為20～80米；和/或，所述水平向凍土止水層和所述豎向凍土止水層的平均溫度不高于-10℃。

在一些實施例中，優選為，所述豎向凍土止水層內含豎向凍結孔，所述豎向凍結孔的直徑為50～200毫米，所述水平向凍結孔之間的間距為500～1000毫米。

在一些實施例中，優選為，所述水平向凍土止水層內含水平向凍結孔，所述水平向凍結孔的直徑為50～200毫米，所述水平向凍結孔之間的間距為500～1000毫米；所述水平向凍結孔與隧道地板結構外輪廓的凈間距為200～800毫米。

本實用新型實施例提供的用于保護地下水環境的明挖隧道止水結構，與現有技術相比，采用豎向凍土止水層、水平向凍土止水層構建U形的凍土止水層，防止明挖基坑外部的地下水進入U形槽，同時保護地下水環境，避免隧道施工過程中污染地下水水質。。通過采用凍結止水結構，避免了大范圍排水施工，節約了寶貴的地下水資源，同時避免了排水施工引起的周邊鄰近建、構筑物的沉降變形。

通過在隧道襯砌與凍土止水層之間設置保溫混凝土，提高了凍土止水層的保溫性能，減緩了凍土止水層與隧道內的熱量傳遞，大幅度降低了凍結費用。

附圖說明

圖1為本實用新型一個實施例中用于保護地下水環境的明挖隧道止水結構的橫剖示意圖；

圖2為本實用新型一個實施例中明挖隧道止水結構中凍結制冷系統的示意圖。

注：1水平向凍土止水層；2豎向凍土止水層；3豎向凍結管；4水平向凍結管；5保溫混凝土；6地面保溫層；7隧道結構；8清水泵；9冷凍機組；10起動柜；11鹽水箱；12鹽水泵；13凍結管；14冷卻塔。

具體實施方式

下面通過具體的實施例結合附圖對本實用新型做進一步的詳細描述。

考慮到水是生命之源，也是城市賴以生存和發展的寶貴資源，我國有半數以上的城市存在缺少問題，因此，在城市地鐵建設過程中如何保護寶貴的地下水資源是工程技術人員擬解決的關鍵技術問題，比如濟南這種以泉水而聞名的城市，保護泉水的水質和水量，更是地鐵建設中的首要問題。本實用新型擬解決的技術問題是富水地區地鐵隧道建設過程中如何保護地下水，在不降水的情況下實現地鐵隧道的安全快速高效開挖。因此明確需要解決的技術問題為:

(1)解決地鐵隧道施工過程中對地下水水質的污染問題；

(2)解決地鐵隧道施工過程中對地下水水資源的保護,避免降低地下水水位，避免改變地下水滲流路徑,保護泉水。

為此提供了用于保護地下水環境的明挖隧道止水結構，其包括：設置于隧道明挖基坑兩側的豎向凍土止水層，及設置于所述隧道明挖基坑底部的水平向凍土止水層，所述豎向凍土止水層和所述水平向凍土止水層相交，所述豎向凍土止水層的底部低于所述水平向凍土止水層的底部。

采用豎向凍土止水層、水平向凍土止水層構建U形的凍土止水層，防止明挖基坑外部的地下水進入U形槽，同時保護地下水環境，避免隧道施工過程中污染地下水水質。通過采用凍結止水結構，避免了大范圍排水施工，節約了寶貴的地下水資源，同時避免了排水施工引起的周邊鄰近建、構筑物的沉降變形。

接下來，對該技術進行詳細描述：

一種用于保護地下水環境的明挖隧道止水結構，如圖1所示，包括：設置于隧道明挖基坑(內設隧道結構7)兩側的豎向凍土止水層2，及設置于所述隧道明挖基坑底部的水平向凍土止水層1，所述豎向凍土止水層2和所述水平向凍土止水層1相交，構成U形槽結構，所述豎向凍土止水層2的底部低于所述水平向凍土止水層1的底部。在隧道開挖起點處設置施工豎井，一般可利用地鐵車站基坑作為施工豎井，沿隧道線路走向將隧道劃分為若干凍結段，每個凍結段長度約為20～80米。在U形槽凍土止水層結構的內部開挖基坑，放置明挖基坑外部的地下水進入U形槽。有效凍土止水層的平均溫度不高于-10℃，開挖時凍土止水層表面溫度低于-3℃。

豎向凍土止水層2的厚度根據基坑開挖深度、基坑兩側水土壓力、地面荷載等參數確定，需滿足兩側土體穩定性的要求，其厚度擬為1.0m～3.0m范圍，豎向凍土止水層2的深度應大于隧道底板處水平凍土止水層的深度。

水平向凍土止水層1設置于隧道底板以下，形成封閉的環向凍土止水圈，水平向凍土止水層1的厚度擬為1.0m～3.0m范圍。水平向凍土止水層1的長度根據凍結段長度確定，擬為20～80m。

豎向凍土止水層2的施工：在基坑兩側對應位置，自地面向下直接打設豎向凍結孔，豎向凍結孔中設置豎向凍結管3，凍結孔直徑在50mm～200mm，凍結孔間距500～1000mm。

水平向凍土止水層13的施工：在隧道起點的施工豎井或在每個凍結段連接處的工作坑打設水平向凍結孔，水平向凍結孔中設置水平向凍結管4，水平向凍結孔設置在基坑底部，凍結孔直徑擬選擇50mm～200mm，凍結孔間距500～1000mm，凍結孔與隧道底板結構外輪廓的凈間距擬為200～800mm。凍結孔中下凍結管，凍結管中下輸液管。

為了降低能源消耗，提高冷凍系統的保溫效果，在基坑兩側地面鋪設保溫層，在U形槽止水結構內側噴射保溫混凝土5，共同構成保溫系統。地面保溫層6可選用EPS泡沫板、聚苯乙烯、擠塑板、聚氨酯板等保溫板材。U形槽止水結構內側的噴射保溫混凝土5隨基坑開挖逐層噴射，噴射厚度擬為10～30cm。保溫混凝土5又稱為加氣混凝土、泡沫混凝土、發泡混凝土，屬于保溫隔熱材料的范疇，能阻止或減少與外界發生熱交換，減少熱量耗散的具有一定物理、力學性能的特種混凝土。

保溫混凝土采用濕噴法施工，為了降低泡沫混凝土的流動性，提高粘稠度和附著力，在泡沫混凝土中增加0.5％～2％的(BASF)高效速凝劑、0.5％～2％的(三元)乳膠粉和3％～7％的纖維。

下面提供上述明挖隧道止水結構的施工方法，具體包括：

步驟101，將隧道施工分為多個施工段；

步驟102，在每個施工段的的開挖起點處設置施工豎井；

步驟103，凍結管鉆進工作；

第一部分：凍結管、測溫管、卸壓管和供液管規格

凍結管可選用ф108×8mm低碳無縫鋼管，單根管材長度為1.5～2m，采用螺紋連接并手工補焊，測溫管和水文管管材同凍結管。供液管ф62×6mm可選用增強聚乙烯塑料管或15^#鋼管。

第二部分：打鉆設備選型

可選用MKG-5S型鉆機2臺。可選用BW-250/50泥漿泵2臺，流量為250l/min。鉆機和泥漿泵總功率為41kw。

可采用凍結孔鉆進專用組合鉆具跟管鉆進。鉆孔測斜可采用特制的TY-1型高精度水平鉆孔陀螺測斜儀，鉆孔淺部用經緯儀燈光測斜校準。

第三部分：凍結孔質量要求

根據施工基準點，按凍結孔施工圖布置凍結孔。孔位偏差不應大于100mm。凍結孔孔徑可選用110mm。凍結孔鉆進深度誤差為-0.2～+0.3m。鉆孔偏斜率控制在0.8‰以內。

第四部分：鉆機平臺搭建

鉆機平臺采用滿堂腳手架管搭建，腳手架管平面間距為0.6m×0.6m。平臺滿鋪60mm厚松木板，鉆機底盤下墊200mm×200mm方木。根據凍結孔位置，分層加高鉆機平臺。

步驟104：在預設隧道明挖基坑位的兩側自地面向下鉆進豎向凍結孔，在隧道底板下方鉆進凍結孔，在凍結孔中下入凍結管，在所述凍結管中下入供液管；

該步驟具體包括：

步驟104-1，凍結孔開孔

凍結孔可用Φ160mm金剛石取芯鉆開孔。每個鉆孔安裝孔口管，孔口管可用ф159×8mm無縫鋼管加工。鉆進時，孔口管安裝孔口密封裝置。

步驟104-2，凍結孔鉆進與凍結器安裝

①按凍結孔設計方位要求固定鉆機。隨鉆進放入凍結管。凍結管下到設計深度后密封頭部。

②為了保證鉆孔精度，開孔段鉆進是關鍵。鉆進前10～20m時，要反復校核鉆桿方向，調整鉆機位置，并用經緯儀或陀螺儀檢測偏斜無問題后方可繼續鉆進。

③凍結管下入孔內前要先配管，保證凍結管同心度。下好凍結管后，用測斜儀進行測斜，然后復測凍結孔深度。凍結管長度和偏斜合格后密封凍結管頭部，并進行打壓試漏。凍結孔試漏壓力控制在0.7～1.0MPa之間，穩定30分鐘壓力無變化者為試壓合格。

④凍結管安裝完畢后，用堵漏材料密封凍結管與孔口管的間隙。

⑤在凍結管內下入供液管。供液管用管箍連接，供液管底端焊接0.2m高的支架。然后安裝去、回路羊角和凍結管端蓋。

測溫孔施工方法與凍結管相同。

步驟105，安裝凍結制冷系統，將凍結制冷系統分別與凍結管13、測溫孔、供液管相連；

凍結制冷系統的安裝圖可以參考附圖2。安裝步驟具體包括：

步驟105-1，凍結制冷設備選型與管路設計

①可選用YSKF600型冷凍機組1套,YSKF300型冷凍機組各2套(其中1套備用)。當鹽水溫度在-30℃，冷卻水溫度為28℃時，凍結站的制冷量約為240000kcal/h，冷凍機組9電機總功率為305kw。

②可選用8Sh-13(A)鹽水循環泵2臺(其中1臺備用)，流量270m3/h，揚程36m，電機功率45kw；選用IS200-150-250冷卻水循環泵1臺，流量400m3/h，揚程20m，電機總功率37kw；。

③可選用DBN3-200型冷卻塔14，2臺，電機總功率11kw。

④設鹽水箱11，一個，容積6m3。

⑤鹽水干管和集配液管均選用ф219×8mm無縫鋼管，鹽水干管長度為380m。集、配液管與羊角連接選用1.5"高壓膠管。

⑥冷卻水管用5"焊管,在冷凍機進出水管上安裝溫度計。

⑦在去、回路鹽水管路上安裝壓力表、溫度傳感器和控制閥門。在鹽水管出口安裝流量計。

⑧在配液圈與凍結器之間安裝閥門二個，以便控制凍結器鹽水流量。

⑨在鹽水管路的高處安裝放氣閥。

⑩鹽水和清水管路耐壓分別為0.7MPa和0.3MPa。

⑾每個凍結站的冷卻水用量為30m3/h，最大總用電量約398kw。

⑿其它：冷凍機油選用N40冷凍機油。制冷劑選用R22制冷劑。冷媒劑采用氯化鈣溶液作為冷凍循環鹽水。鹽水比重為1.265。

步驟105-2，凍結站布置與設備安裝

站內設備主要包括配電柜(即啟動柜10)、冷凍機組9、鹽水箱11、鹽水泵12、清水泵8、冷卻塔14及清水池等。設備安裝按設備使用說明書的要求進行。

在水泵進出口、鹽水干管兩端、集配液圈與凍結器之間安裝控制閥門。在冷凝器進出口安裝測溫點；在去回路鹽水干管兩端安裝溫度和壓力測點；在回路鹽水干管出口安裝電磁流量計；在每個凍結器與集配液圈之間安裝流量測量回路；在鹽水箱安裝液面指示報警器。

在一些實施例中，凍結站裝配式活動房，凈高3.5米，墻和房頂鋪設隔音板，清水池用磚砌筑，水泥抹面，池高0.7米。

步驟105-3，管路連接、保溫與測試儀表安裝

鹽水和冷卻水管路用管架直接鋪在地面上，法蘭連接。去、回路鹽水干管用管架固定在工作井井壁上。溫度計、壓力表和流量計安裝按設計進行。鹽水管路經試漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保溫，保溫層厚度為50mm，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。

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

步驟105-4，溶解氯化鈣和機組充氟加油

先在鹽水箱內注入約1/4的清水，然后開泵循環并逐步加入固體氯化鈣，直至鹽水濃度達到設計要求。溶解氯化鈣時要除去雜質。鹽水箱內的鹽水不能灌得太滿，以免高于鹽水箱口的凍結管鹽水回流時溢出鹽水箱。

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。

步驟106，進行凍結操作，構建豎向凍土止水層、水平向凍土止水層；

該步驟包括：

步驟106-1，凍結系統試運轉與積極凍結

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計要求的技術參數條件下運行。在凍結過程中，定時檢測鹽水溫度、鹽水流量和凍土止水層擴展情況，

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。要求一周內鹽水溫度降至-20℃以下。

步驟106-2，試挖與維護凍結

根據水文孔觀測確定凍土止水層已經交圈，并根據實測溫度判斷凍土止水層達到設計厚度后，再用取芯鉆打入凍土止水層內部未凍土中2m以上，確認凍土止水層內無動水。然后，可以分區打開工作井井壁。開挖至土層內后，實測凍土止水層的厚度、表面溫度和變形，如已達到設計要求，則可進入正常施工，否則應停止掘進，加強凍結，并分析原因，采取相應措施。

基坑開挖后進入維護凍結期。原則上，開挖期間的維護凍結鹽水溫度與鹽水流量與積極凍結相同，如施工中根據實測分析，確實證明凍土止水層擴展速度比預計的要快，凍土止水層有足夠的承載力與穩定性，已滿足設計要求，可以適當提高鹽水溫度，但最高不能高于-20℃。開始做內襯后，在確保外襯安全的情況下，可以提高鹽水溫度，甚至提前停止凍結。

步驟107，當豎向凍土止水層、水平向凍土止水層的的厚度及強度達到預設要求后，凍結施工進入維護凍結期后，逐層開挖基坑；

當凍土層有效厚度及強度達到要求，凍結施工進入維護凍結期后逐層開挖基坑，開挖時，首先選用人工開挖未凍結的土層，再利用風鎬掘進凍土。注意：凍結帷幕暴露面溫度不得高于-5℃，且暴露時間控制在24h內。

步驟108，構建隧道襯砌結構。

該步驟具體包括：

步驟108-1，噴射保溫混凝土

基坑開挖后及時噴射一層保溫混凝土，噴射厚度擬為10～30cm。保溫混凝土采用濕噴法施工，為了降低泡沫混凝土的流動性，提高粘稠度和附著力，在泡沫混凝土中增加0.5％～2％的BASF高效速凝劑、0.5％～2％的的三元乳膠粉和3％～7％的纖維。

基坑開挖到設計深度時，在基坑底部噴射一層保溫混凝土，厚度擬為10～30cm。

步驟108-2，澆筑隧道二次襯砌

隧道襯砌應保證襯砌厚度及鋼筋搭接長度。嚴格控制測量，防止隧道欠挖，鋼筋綁扎時，專人負責，環向、縱向鋼筋搭接長度分別為鋼筋直徑的35～25倍。

為保證襯砌強度不低于C30的要求，施工前應作混凝土配合比試驗，通過試驗確定最佳配合比，并嚴格加以控制，使之達到設計要求。

襯砌采用自制的簡易鋼模板臺車施工，立模時嚴格控制模板外形尺寸不能侵入襯砌內輪廓線，并向外不超過50mm，由跟班測量人員負責，并堵好堵頭板，以保證模板接縫外不漏漿液。

為加快混凝土硬化和防止局部凍壞，混凝土內加入水泥重量2.5％～4％的J851早強防凍減水劑和水泥重量3％～4％的MRT早強防凍劑，這兩種材料具有改善混凝土的和易性和密實性，增強混凝土的抗滲性能及耐凍性，并在施工時加強混凝土振搗，杜絕蜂窩麻面。

隧道襯砌應加強混凝土施工的連續性，加強對混凝土養護，以防止凍土對混凝土有凍害。

本實用新型具有以下優點：

(1)保護地下水環境，避免隧道施工過程中污染地下水水質。

(2)通過采用凍結止水結構，避免了大范圍排水施工，節約了寶貴的地下水資源，同時避免了排水施工引起的周邊鄰近建、構筑物的沉降變形。

(3)通過在隧道襯砌與凍土止水層之間設置保溫混凝土，提高了凍土止水層的保溫性能，減緩了凍土止水層的與隧道內的熱量傳遞，大幅度降低了凍結費用。

以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。