一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及的是一種高水壓超長距離越江(海)大斷面隧道液氮凍結系統，屬于盾構隧道加固技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著盾構施工方法在地鐵、過江跨海隧道中的廣泛應用，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，如果盾尾漏漿嚴重，將導致切口水壓下降，刀盤前方土體失穩，并且隧道內將大量淤積泥漿，若抽排不及時，將造成盾構機被淹沒，因此，盾構在長距離連續掘進過程中，需要一個密閉的工作環境，盾尾鋼絲刷和盾尾止漿板的存在，有效的隔斷了盾構機與地層之間的流水通道，阻斷了含水地層向盾構機內的滲漏，從而保證了盾構機的安全掘進。
[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。在實際盾構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:密封油脂注入量不足；盾構機調整姿態過猛；環片背部破損水泥塊或其他硬質異物進入密封刷間空隙；隧道距離太長；泥水盾構停止掘進時，管片組裝導致盾尾后退，造成盾尾刷與管片間發生刷毛方向相反的運動，使刷毛反卷，盾尾刷變形。
[0004]根據以往的工程實踐，所采用的凍結系統通常采用以下幾種:
[0005](I)注漿法
[0006]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盾尾密封止水效果，注漿法存在許多不利因素，如地層不適應性、注漿帷幕的連續性差、均勻性差、注漿土體與盾構及管片的膠結缺乏柔性和韌性等，注漿封水可靠性差。
[0007](2)鹽水凍結
[0008]鹽水凍結系統是利用鹽水凍結系統使得地層凍結。鹽水凍結系統是在地面安裝冷凍設備，采用氨(NH3)或氟利昂為制冷劑，將冷媒劑氯化鈣(CaCl2)溶液(習稱鹽水)冷卻到-20?_30°C，用循環泵和插至凍結管深處的聚氯乙烯供液管將鹽水送入凍結管，經低溫鹽水長時間連續地吸取管外的熱量，使周圍地層凍結，鹽水吸取地層的熱量后溫度上升，在循環泵的作用下，經回路管回到冷凍設備和制冷劑接觸而重新冷卻，原為液態的氨或氟利昂，在減壓的條件下蒸發時攝取鹽水的熱量后，經壓縮和冷凝又使其液化，在管道內循環流動，重復使用。
[0009]但鹽水凍結有以下缺點:
[0010]①鹽水凍結需要建立凍結和維護制冷工序的循環系統，而該系統需建立于盾構始發端地表之上或盾構隧道內，長距離輸送鹽水所達到的低溫不足以對土體進行凍結；
[0011]②即便將凍結站置于隧道內部，鹽水凍結的周期也較長，嚴重影響工期(大型盾構機停機一天經濟損失巨大，迫切需要節約時間)；
[0012]③很難適應過江隧道高水壓超長距離等大型高風險盾構工程的應急需求。
[0013](3)地面建站長距離液氮凍結
[0014]地面建站長距離液氮凍結系統是將液氮儲罐及槽車停在隧道始發井外，利用管路將液氮輸送至隧道凍結工作面的凍結管中，經循環吸收地熱量，通過集氣管收集汽化氮氣，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制管片進行凍結，此種方法較鹽水凍結具有凍結系統簡單、溫度低、凍結速度快、穩定性好、凍土強度高等優點，且凍結加固土體形式靈活，凍結規模可以根據工程實際情況而定。
[0015]地面建站長距離液氮凍結系統適合隧道凍結工作面與隧道工作井距離不超過800m、液氮凍結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格，無法適應高水壓、超長距離、土層條件復雜的工程，特別是大型高風險搶險工程。
【實用新型內容】
[0016]本實用新型的目的在于提供一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統。
[0017]與地面建站長距離液氮凍結系統相比，因隧道直徑較大，液氮儲罐車可直接開進工作面附近，液氮達到凍結工作面的溫度更低(_150°C?_160°C )，大大節約了凍結時間，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5.5km。
[0018]本實用新型的目的通過以下技術方案實現:
[0019]一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，其特征在于該系統包括液氮儲罐1、主閘閥2、供液管3、分配器4、配液管5、凍結管6、集氣管7、排氣管8、測溫孔9和冷排管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8?10個支路，每個支路通過配液管5與一組串聯凍結管6連接，每組最后一根凍結管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氣排放至空氣中，冷排管10前端與配液管5連接，末端與集氣管7連接。
[0020]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，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’，正常凍結期間保證隧道凍結工作面有兩輛液氮槽車，液氮槽車倒車至隧道凍結工作面，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的液氮出口處實現加壓，當壓力超過0.SMPa時，通過增加專用地泵裝在液氮儲罐I的液氮出口處實現加壓，壓力與排氣管8長度成正比，排氣管8長度為1.5?5.5km，壓力調節可使用液氮儲罐I上的主閘閥2。
[0021]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，其特征在于所述的供液管3為內管直徑108mm壁厚4_，外管直徑180mm壁厚4_的真空不銹鋼管，內外管夾層72_，夾層真空度小于5 X 10?,冷量損失0.5?2.0ff/m,考慮盾構機及其后配套，液氮儲罐I到凍結工作面的距離長度為40?50m，設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。
[0022]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，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8?10個支路，每個支路上安裝有閥門11和壓力表12。
[0023]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，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層密封薄膜進行包裹。
[0024]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，其特征在于所述的凍結管6沿隧道橫斷面布設，凍結管6管口間距0.4?0.9m，管底間距為0.6?L lm，每3?4個凍結管6串聯成I組，每組最后一個凍結管6與集氣管7連接，凍結管6采用直徑89_壁厚5mm的R304不銹鋼管，凍結管6進口溫度控制在-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進行流量及溫度調節。
[0025]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，其特征在于所述的集氣管7沿隧道斷面環形布置，采用直徑127mm壁厚5mm的R304不銹鋼管。
[0026]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，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層密封薄膜進行包裹。
[0027]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，其特征在于所述的測溫孔9為直徑89mm壁厚5mm的R304不銹鋼管，測溫孔9數量N由隧道斷面范圍內土層數量η確定，N = 2*η，每個土層中凍結管6兩側各布設I?2個測溫孔9，盾構推進方向測溫孔9與凍結管6的水平距離為600mm，測溫孔9的長度為管片內側至盾體15的距離，每個測溫孔9中布設兩個測溫點14，其中一個測溫點14位于隧道管片13內20cm，另一個測溫點14位于隧道管片13與盾殼間隙中靠盾殼處；盾構推進反方向測溫孔9與凍結管6的水平距離為600?900_，測溫孔9長度與相鄰凍結管6長度相同，每個測溫孔9中各布設6個測溫點14，土體中測溫點14間距為10mm?400mm，隧道管片13與土體交接部位兩側各一個測溫點14。
[0028]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，其特征在于所述的冷排管10前端與配液管5連接，末端與集氣管7連接，其直徑為32mm壁厚4mm的R304鋼管，間距400mm，分2路提供液氮，在隧道管片13內壁凍結管6兩側2m范圍內鋪設，冷排管10上方鋪設Icm厚聚乙烯保溫板防止溫度上升。
[0029]所述的一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，其特征在于所述液氮儲罐I與裝有主閘閥2的供液管3采用螺栓方式連接，供液管3與分配器4采用焊接方式連接，分配器4上各支路與配液管5采用焊接方式連接，配液管5與凍結管6采用焊接方式連接，凍結管6與集氣管7采用焊接方式連接，集氣管7與排氣管8采用焊接方式連接，冷排管10與配液管5和集氣管7采用焊接方式連接。
[0030]本實用新型的有益效果:
[0031]一種高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統，液氮槽車可直接開到隧道凍結施工工作面附近，采用真空不銹鋼管作為供液管，大大減少了液氮溫度損失，利用分配器調節各組凍結管回路溫度，確保大斷面上各組凍結管循環正常，溫度均勻，該系統形成凍結壁速度快，強度高，無毒無污染，使用安全、可靠。
【附圖說明】
[0032]圖1是高水壓超長距離大斷面隧道液氮凍結系統示意圖，圖2a為盾構前進方向測溫孔測溫點布置示意圖，圖2b是盾構前進反方向測溫孔中測溫點布置