一种大型地下洞室仰孔式倒置防渗帷幕结构及其施工方法与流程

本发明涉及地下工程防渗处理，具体涉及一种大型地下洞室仰孔式倒置防渗帷幕结构及其施工方法，适用于已建深埋地下厂房、洞库等工程的防渗治理。

背景技术：

1、在大型深埋地下洞室群工程中，防渗帷幕是防止外围地下水渗入洞室、保证洞室干燥与结构安全的关键工程措施。传统防渗处理常采用三种方式：

2、一是从地表向下垂直钻设灌浆孔形成接地式帷幕，对于埋深大、地形陡峭的工程，该防渗方式存在钻孔精度控制难、施工干扰大、成本高昂等问题，且难以针对已发现的深部特定涌水通道进行精准封堵；

3、二是从洞室内向外进行径向灌浆形成局部防渗圈，受洞室空间限制，其处理范围有限，主要改善洞室周边围岩条件，难以有效截断深部渗水通道，尤其对来自洞室顶部侧向上的渗流阻水效果有限；

4、三是采用地下集水井收集渗水后集中抽排的常规排水方案，但是长期大流量排水不仅运行成本高昂，还可能带走岩体中细颗粒，影响围岩长期稳定，并且无法形成积极有效的阻水屏障。

5、多年来，有文献提出了利用新建灌浆廊道或隧洞对地下洞室进行防渗处理的思路。如中国发明专利申请cn112982371a公开了一种大型地下洞室采用超前灌浆封闭的防渗方法，其通过在洞室开挖前预先施工环形灌浆廊道，在洞室四周形成竖向防渗层。又如中国实用新型专利cn203835412u公开了一种水下巷道渗漏处理的结构，其通过在巷道两侧上方设置灌浆隧洞，向下设置交叉防渗帷幕。上述方案的共同特点是：灌浆廊道或隧洞是专门为防渗施工而建设的，施工时机为在主体洞室开挖之前或与主体工程同步规划，施工空间相对充裕，灌浆方向主要为向下或斜向，浆液自重与灌浆压力方向一致或接近，深部有效灌浆压力随孔深增加而增大，不存在因浆液自重抵消灌浆压力导致灌浆效果不佳的技术问题。

6、然而，在实际工程中，大量已建或在建的大型地下洞室两侧往往已存在既有的上层辅助廊道，这些廊道原本用于勘探、排水或交通，其空间狭小，功能单一，并非为灌浆施工而设计。若能够利用这些既有辅助廊道作为施工平台为地下厂房向上钻设施作防渗帷幕，则可大幅节约成本与工期。但这一技术方法面临一个与常规灌浆完全不同的技术难题，钻孔方向为竖直向上或近竖直向上（即仰孔式），灌浆时浆液自重方向与灌浆压力方向相反。灌浆时，随着钻孔孔深增加，浆液柱静压力会逐步抵消部分灌浆压力，导致作用于深部裂隙的有效灌浆压力呈衰减趋势，因此浆液难以充分扩散至设计范围内的岩体裂隙中。若单纯提高孔口灌浆压力以弥补深部压力损失，又极易在孔口附近浅部岩体因压力过高而引发劈裂破坏、产生浆液串浆等问题。这一深部有效灌浆压力不足、浅部易劈裂破坏的问题，是仰孔式倒置帷幕灌浆所特有的技术难题，在常规向下灌浆或水平灌浆中并不存在。

7、因此，如何在既有上层廊道或隧洞这一特定受限空间内，建立一套能够兼顾深部有效灌浆压力与浅部结构安全的大型地下洞室仰孔式倒置防渗帷幕结构与施工体系，成为本领域亟待解决的技术问题。本发明正是针对这一特殊技术问题提出解决方案。

技术实现思路

1、本发明目的在于克服上述技术不足，提供一种大型地下洞室仰孔式倒置防渗帷幕结构及其施工方法。该结构利用已建主厂房两侧或外围既有的上层辅助廊道作为施工平台，在既有上层辅助廊道这一特定受限空间内，建立一套能够兼顾深部有效灌浆压力、浅部结构安全的倒置防渗帷幕施工体系。通过向上钻设灌浆孔并引入引浆孔负压辅助与分段动态调压相结合的工艺体系，形成自廊道顶拱向上延伸至设计高程的连续防渗帷幕，从机理上解决仰孔式灌浆中深部有效压力不足与浅部易劈裂的技术问题，实现深部岩体灌浆压力可控、灌浆施工高效的防渗帷幕构筑，有效阻截地下水向主厂房的渗流。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种大型地下洞室仰孔式倒置防渗帷幕结构施工方法，包括以下步骤：

4、步骤1：在大型地下洞室两侧既有辅助廊道顶拱沿廊道轴线方向均匀布设若干灌浆孔位标识；

5、步骤2：在灌浆孔位标识内侧向上钻设若干引浆孔，引浆孔孔口与相邻两个灌浆孔位标识在水平投影面内呈锐角三角形布置；

6、步骤3：在任一灌浆孔位标识处向上钻设灌浆孔孔口段，向孔口段内埋设孔口管，封堵孔口段孔口后向孔口管内灌浆；灌浆完成后，在孔口管露出于廊道顶拱以外的外露段上安装分流闸阀；

7、步骤4：穿过步骤3中的孔口管自下向上分段钻设灌浆孔，每段钻孔完成后通过相邻两个引浆孔对灌浆孔附近岩层进行预排水，灌浆前先关闭分流闸阀，灌浆时通过引浆孔同步排水，并根据灌浆孔附近岩层浆液扩散情况实时调控引浆孔排水量，直至该段灌浆结束时关闭引浆孔；

8、步骤5：重复步骤4，向上进行下段钻孔、排水与灌浆，直至达到设计灌浆高度；随钻孔深度增加、灌浆压力逐段增大；

9、步骤6：在相邻灌浆孔位标识依次重复步骤3-5的过程；直至所有灌浆孔灌浆完成，在大型地下洞室上方形成完整、连续的仰孔式倒置防渗帷幕结构。

10、基于上述技术方案，引浆孔不仅在灌浆前进行预排水，更在灌浆过程中通过动态调控排水量，在岩体裂隙网络中主动营造局部负压环境。该负压环境产生的“抽吸”效应，能够显著降低浆液在裂隙中的流动阻力，从而在深部有效灌浆压力因浆柱自重抵消部分而处在相对较低压力状态的条件下，依然能够促进浆液向深部裂隙中有效扩散。与此同时，灌浆压力实行分级动态控制，且随着孔深增加、浆柱静压增大，孔口灌浆压力逐段适当调整，确保浅部岩体始终处于安全压力范围内，杜绝劈裂风险。引浆孔负压辅助与分段动态调压二者协同作用，共同解决了仰孔灌浆中深部推不动、浅部易压坏的技术难题。

11、进一步的，灌浆孔沿既有廊道轴线方向的间距为1.5m~3.0m，钻设仰角为85°~90°。

12、进一步的，引浆孔孔口与灌浆孔位标识在水平投影面内的横向间距为1m~2m，引浆孔直径不小于50mm，钻设仰角为80°~85°，使得引浆孔与相邻灌浆孔的最小间距不低于1倍注浆扩散半径，孔顶竖向高度大于等于地下水水头高度的60%，引浆孔孔口安装排水阀。

13、进一步的，灌浆孔孔口段钻孔深度为2m-4m,优选为3m，自下向上分段钻设灌浆孔的前三段钻孔长度为4-6m,优选为5m，其余每段钻孔长度为8-12m,一般优选为10m。

14、进一步的，随钻孔深度增加，灌浆压力逐段增大；灌浆孔分段灌浆压力为：孔口段灌浆压力0.3~0.5mpa；第一段灌浆压力0.5~1.0mpa；第二段灌浆压力1.0~1.5mpa；第三段灌浆压力1.5~2.0mpa；其余每段灌浆压力2.5~3.0mpa。

15、进一步的，灌浆孔孔口管直径为φ89mm~φ108mm，孔口管外露段长度为0.3m~0.5m，以便于后续安装分流闸阀及灌浆管路。

16、进一步的，分流闸阀采用pn6.3mpa~pn10mpa等级耐高压分流闸阀，分流闸阀可作为后续向上分段钻孔与分段灌浆时的孔口管外露段开关装置。

17、进一步的，灌浆孔孔口段灌浆浆液采用普通水泥浆液或水泥-水玻璃双液浆；灌浆孔其他段灌浆浆液采用普通水泥浆、超细水泥浆、水泥基浆液或化学浆液。

18、进一步的，步骤2中，每段灌浆时，根据灌浆孔附近岩层浆液扩散情况，按下述方法实时调控引浆孔排水量：

19、灌浆初期使排水量最大化以强化其对灌浆孔附近岩层内浆液的负压抽吸效应，促进浆液向引浆孔与岩层深部扩散；

20、当发现引浆孔排水变浑浊或含有浆液颗粒时，表明浆液已扩散至引浆孔附近，此时应缓慢调小阀门开度，逐步减小引浆孔排水量，防止浆液过量流失；

21、当浆液注入率显著下降且引浆孔排水基本清澈时，暂停引浆孔排水直至该段灌浆结束；

22、通过此动态调控，使浆液扩散主要区域始终处于压力推挤与负压抽吸协同作用之下。

23、进一步的，引浆孔孔口与相邻两个灌浆孔位标识在水平投影面内呈等腰三角形布置，其中等腰是指引浆孔孔口与相邻两个灌浆孔位标识投影的距离相等。

24、第二方面，本发明提供一种大型地下洞室仰孔式倒置防渗帷幕结构，采用上述一种大型地下洞室仰孔式倒置防渗帷幕结构施工方法施工得到。

25、进一步的，保持引浆孔开启，用于排泄地下洞室上方防渗帷幕结构之间岩层内部积蓄的地下水。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

27、（1）本发明充分利用既有廊道，无需额外开挖施工支洞或搭建地表平台，大幅节约成本与工期，尤其适用于埋深大、地形复杂、传统方法施工困难的已建地下工程。所述结构通过引浆孔负压辅助与动态灌浆压力控制相结合，既补偿了深部有效压力，促进了浆液扩散，又杜绝了浅部岩体劈裂风险，从机理上解决了仰孔灌浆的核心难题。且形成的帷幕连续性好、防渗性能可靠；

28、（2）本发明在灌浆过程中，根据灌浆进度与回浆情况（即浆液扩散情况），动态调控引浆孔排水阀开度，调控引浆孔排水量，使得灌浆孔附近岩体裂隙网络中形成局部负压或低压区；此负压环境可对岩层内的浆液产生抽吸效应，引导浆液向引浆孔与灌浆孔附近岩层深部扩散，可显著降低浆液在裂隙中的流动阻力，从而在深部有效灌浆压力相对较低的条件下，依然能促进浆液向远处及微细裂隙中有效扩散，提高防渗帷幕结构的密实性。