掘进机具进出洞止水装置及止水方法 【技术领域】
本发明涉及建筑施工领域，尤其涉及一种掘进机具进出洞止水装置及止水方法。
背景技术
现有顶管、隧道施工有两个关键工序：出始发井和进接收井。这两个关键工序都涉及到止水系统的设置。
出始发井时，顶管、盾构隧道的止水装置一般采用橡胶帘布袜套、单向铰链板加橡胶帘布等体系。橡胶帘布袜套体系不设置单向铰链板，应用于地质条件较好，口径较小的管道施工中。单向铰链板加橡胶帘布体系中，橡胶帘布由单向铰链板支承，应用于地质条件较差，口径较大的管道施工中。根据具体的地质条件情况，可设置一道或多道“单向铰链板加橡胶帘布”。顶管、盾构出始发井止水装置的原理是利用掘进机具前进方向与橡胶帘布的翻转方向相同，橡胶帘布在压力作用下密贴掘进机具，从而达到密封止水的作用。一般情况下，掘进机具外径较管道结构外径大，单向铰链板可根据此两种外径尺寸转动，让橡胶帘布始终密贴于机具外径或结构外径，保持止水效果。
进接收井时，如果采用橡胶帘布体系，因为掘进机具与橡胶帘布的翻转方向相同，接受井内没有压力使橡胶帘布密贴在掘进机具上，止水效果较差。实际施工中采用较多的辅助措施如降水，坑外地基加固，二次进洞等。
以上两工序中配置的止水装置，出始发井工序安全度较高，进接收井则存在较大风险。总体而言存在以下缺点：
1、现有止水装置在没有辅助措施如地基加固的情况不适用。
2、现有止水装置即使在采用如地基加固、降水等辅助措施后，在极端不利地质条件下，如高承压水、软弱地基时效果亦不理想。
3、出始发井与进接收井时止水装置设置不同，装置不能重复利用。
4、进接收井时，由于橡胶帘布与机具前进方向相同，安全系数较低。采用二次进洞技术时，在机具出洞门之后钢板焊接密封之前这段时间内，风险无法控制且浪费工期。
5.现有止水装置在渗漏时需要进行堵漏作业，设置是焊钢板密封，风险高而不便。
【发明内容】
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种掘进机具进出洞止水装置，冻结管可以将止水套箱与机具或结构之间的混合浆液变成冻结体，冻结体封堵了渗漏途径，并且保证机具或结构相对套箱运动时冻结体亦能及时冻结可能渗漏的地下水来达到止水的目的。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种掘进机具进出洞止水装置，包括至少一个前后开口的止水套箱，所述止水套箱设置在围护结构的门洞位置的周缘处，且所述止水套箱与围护结构密封固定连接，所述止水套箱包括：一前后开口的套筒和设置于套筒内壁的用于注入冷媒的冻结管，所述套筒上设置有与套筒内腔连通的注浆管。
进一步，所述冷媒是盐水、液氮、液氨或氟利昂。
进一步，所述盐水选自氯化钠、氯化钙、亚硝酸钠、碳酸钾硝酸钙中的任意一种或任意几种的混合物。
进一步，所述套筒外设置保温层。
进一步，所述冻结管沿套筒纵向螺旋形绕置于套筒内壁。
或者，所述冻结管为若干均布于所述套筒内壁的管道，所述管道头尾沿套筒纵向放置，相邻管道依次首尾连接。进一步，所述相邻管道之间通过软管连接。
进一步，所述套筒的横截面形状与掘进机具外形相对应。所述套筒的横截面可以呈矩形或圆形或椭圆形或双圆形。
进一步，所述套筒的纵截面呈矩形或梯形或由两个梯形连接组成的中部大两端小的组合形状。
本发明还公开了一种掘进机具出洞止水方法，采用上述止水装置，包括如下步骤：
工序一、安装止水套箱于围护结构门洞周缘处。
工序二、掘进机具就位，掘进机具的机头通过止水套箱抵达门洞外。
工序三、对止水套箱端部与掘进机具之间的空隙进行临时封堵。
工序四、通过注浆管往止水套箱与掘进机具之间的空隙填充冻结浆液。
工序五、往冻结管注入用于冷媒使冻结浆液形成冻结体。
工序六、掘进机具向前顶进。
工序七、安装于掘进机具后部的管道结构抵达止水套箱，在围护结构外局部注入堵漏材料以封堵门洞与管道结构之间的空隙。
工序八、停止注入冷媒，拆除止水套箱，施工永久封堵结构。
进一步，所述工序七中，所述堵漏材料为水泥浆或聚氨酯。
本发明还公开了一种掘进机具进洞止水方法，采用上述止水装置，包括如下步骤：
工序一、安装止水套箱于围护结构门洞周缘处，并在止水套箱的一侧安装封门；
工序二、掘进机具依次通过门洞、止水套箱抵达封门；
工序三、通过注浆管往止水套箱与掘进机具之间的空隙填充冻结浆液；
工序四、往冻结管注入用于冻结所述冻结浆液的冷媒，使冻结浆液形成冻结体；
工序五、拆除封门，掘进机具向前顶进；
工序六、掘进机具后部的管道结构抵达止水套箱，在围护结构外局部注入堵漏材料以封堵门洞与管道结构之间的空隙；
工序七、停止注入冷媒，拆除止水套箱，施工永久封堵结构。
本发明的有益效果如下：
1.保护周边环境：由于冻结过程不在工作井外土体中进行，因此，避免由此造成的冻胀及融沉。
2.节约成本：由于冻结过程只在小范围内进行，相比通常的大体积土体冻结可以节约相关的冷媒，能源，设备，人工等。由于减少了施工用地，管线搬迁，辅助措施等的费用，因此所需造价低。由于止水装置在出始发井(出洞)工况下应用完毕后，即可拆除应用到进接收井(进洞)的工况，并且，一套止水装置可以在多个工程重复应用。因此，可以节约材料。
3.简化施工工序：将原先在施工现场安装的各工序由一个套箱代替。施工时只需将止水套箱与围护结构有效连接即可应用，简化了现场施工工序。特别是简化了现进接收井时焊接钢板等工序。
4.提高安全度：不管有无辅助措施，在工作井内可见的空间内进行作业，且采用了高效的冻结止水工艺，安全度提高。
5.节约工期：现有止水装置在现场需多工序安装，特别是进接收井时二次进洞方法都延长了作业时间。止水套箱与围护有效连接后即可应用，大大节约了工期。
6.控制方便：在进出洞时，可根据渗漏情况调节冷媒输送量即可，控制简单。而现有止水装置在渗漏时需要进行堵漏作业，设置是焊钢板密封，风险高而不便。
【附图说明】
图1是实施例1的止水套箱的横剖面结构示意图；
图2a是实施例1的止水套箱的纵剖面(矩形)的结构示意图；
图2b是止水套箱的纵剖面(梯形)的结构示意图；
图2c是止水套箱的纵剖面(两梯形组合形)的结构示意图；
图3是实施例2的止水套箱的横剖面结构示意图；
图4是实施例2的止水套箱的纵剖面结构示意图；
图5是实施例2的蛇形布置地冻结管展开后的结构示意图。
图中：1-套筒，2-冻结管，21-冷媒进口，22-冷媒出口，31-横向加劲肋，32-纵向加劲肋，4-保温层，5-注浆管，6-法兰。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做详细的说明：
请参阅图1和图2a，这种掘进机具进出洞止水装置，包括至少一个前后开口的止水套箱，所述止水套箱设置在围护结构的门洞位置的周缘处，且所述止水套箱与围护结构密封固定连接。所述止水套箱包括：一前后开口的钢质套筒1和设置于套筒1内壁的用于注入冷媒的冻结管2，所述套筒1上设置有与套筒1内腔连通的注浆管5，注浆管5用于注入冻结浆液。所述止水套箱的一端面设有法兰6，止水套箱与围护结构通过法兰6固定连接。所述套筒1外设置有用于保温的保温层4。所述冻结管2的两端分别是冷媒进口21和冷媒出口22，所述冷媒进口21和冷媒出口22伸出保温层4。
所述冷媒可以是盐水、液氮、液氨或氟利昂。所述盐水可选自氯化钠、氯化钙、亚硝酸钠、碳酸钾硝酸钙中的任意一种或任意几种的混合物。所述盐水通常通过干冰冷却。本实施例中，所述冷媒选用液氮。
所述冻结管2沿套筒1纵向螺旋形绕置于套筒1内壁。具体结构如下：所述套筒1的内壁交错设置有数个横向加劲肋31和数个纵向加劲肋32，横向加劲肋31和纵向加劲肋32焊接在一起，所述纵向加劲肋32上开有数个小孔，冻结管2穿过所述小孔，由此冻结管2沿套筒1纵向螺旋形绕置于套筒1内壁。所述套筒1的横截面形状与掘进机具外形相对应。所述套筒1的横截面可以呈矩形或圆形或椭圆形。本实施例中，所述套筒1的横截面为矩形。所述套筒1的纵截面可以呈矩形(请参见图2a)或梯形(请参见图2b)或由两个梯形连接组成的中部大两端小的组合形状(请参见图2c)。本实施例中，套筒1的纵截面为矩形。
采用上述止水装置的掘进机具出洞止水方法，包括如下步骤：所述掘进机具可以为盾构或顶管，本实施例中采用盾构。
工序一、安装止水套箱于围护结构门洞周缘处。
本实施例中，围护结构采用申请日为2009年6月4日、申请号为200910052546.0、名称为“便于开门洞的围护结构及其施工方法、使用方法”的发明专利申请中的围护结构。这种便于开门洞的围护结构，所述围护结构由门洞部分和位于门洞部分四周的周边部分组成，所述门洞部分是一与掘进机具进出所需口径大小相对应的槽段，所述槽段由水泥土填充，且所述槽段内依次竖直插置若干H型钢，由此构成既能止水又满足基坑开挖所需刚度的型钢挡墙。
工序二、掘进机具就位，掘进机具的机头通过止水套箱抵达门洞外。
工序三、对止水套箱端部与掘进机具之间的空隙进行临时封堵。封堵方法如下：可以填塞棉花，麻丝，塑料。若空隙较大，可用钢板临时密封焊接。
工序四、通过注浆管5往止水套箱与掘进机具之间的空隙填充冻结浆液。所述冻结浆液优选那种在冻结时可以冻结成一整体的浆液。本实施例，所述冻结浆液质量百分比：50％粘性土、26％水和24％颗粒小于0.5微米的铁粉。
工序五、往冻结管2注入用于冻结冻结浆液的冷媒。
所述冻结浆液在冻结管内冷媒的的作用下，迅速结成冻结体。
工序六、掘进机具正常掘进；
针对本实施例所采用的围护结构，应在工序五之后，先拔除门洞内的H型钢，以便掘进机具正常掘进。当然，如果围护结构采用NOMST工法(NovelMaterial Shield-cuttable Tunnel-wall System，即盾构直接切削新型材料墙体法)中的碳纤维加强筋地墙，则掘进机具可以直接切削围护结构。而当采用普通的围护结构，则需要在工序一之前人工开凿门洞，以便掘进机具正常掘进。
当掘进机具出洞时，操作人员可根据渗漏情况调节冷媒输送量来冻结渗水，从而以达到止水目的，控制十分简单。
工序七、安装于掘进机具后部的管道结构抵达止水套箱，在围护结构外局部注入堵漏材料以封堵门洞与管道结构之间的空隙。其中，可以注入水泥浆，即水泥和水的混合物。
工序八、停止注入冷媒，拆除止水套箱，施工永久封堵结构。
采用上述止水装置的掘进机具进洞止水方法，包括如下步骤：
工序一、安装止水套箱于围护结构门洞周缘处，并在止水套箱的外侧安装一钢质封门。
工序二、掘进机具依次通过门洞、止水套箱抵达钢封门。
本实施例中，为了使掘进机具顺利穿过门洞，在工序一之间需要先要拔除H型钢。当然，如果采用是NOMST工法，则可以用掘进机具直接切削门洞。而如果采用普通围护结构需要在工序一之前开好门洞。
工序三、通过注浆管5往止水套箱与掘进机具之间的空隙填充冻结浆液。
工序四、往冻结管注入用于冻结所述冻结浆液的冷媒，所述冻结浆液在冻结管内冷媒的的作用下，迅速结成冻结体。所述冷媒同掘进机具出洞止水方法中所用冷媒相同。
工序五、拆除封门，掘进机具顶进。
掘进机具出洞时，操作人员可根据渗漏情况调节冷媒输送量来冻结渗水，从而以达到止水目的，控制十分简单。
工序六、安装于掘进机具后部的管道结构抵达止水套箱，在围护结构外局部注入堵漏材料以封堵门洞与管道结构之间的空隙。其中，可以注入水泥浆，即水泥和水的混合物。
工序七、停止注入冷媒，拆除止水套箱，施工永久封堵结构。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：
请参阅图3和图4：所述冻结管2为蛇形布置的管道，如图5所示是蛇形布置冻结管2的展开图。具体结构如下：所述冻结管为若干均布于所述套筒内壁的管道，所述管道头尾沿套筒纵向放置，相邻管道依次首尾之间通过软管连接，由此形成通常所称的蛇形管道。所述套筒1的内壁交错设置有数个横向加劲肋31和数个纵向加劲肋32，横向加劲肋31和纵向加劲肋32焊接在一起，所述横向加劲肋31上开有数个小孔，冻结管2穿过所述小孔，由此，形成蛇形管道。另外，所述套筒1的横截面为圆形。套筒1的纵截面为矩形。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。