一种隧道管棚注浆装置及可调压逆向加固施工方法与流程

1.本发明涉及隧道管棚施工技术领域。更具体地说，本发明涉及一种隧道管棚注浆装置及可调压逆向加固施工方法。


背景技术：

2.随着我国经济社会的发展，隧道建设如火如荼。在隧道施工中，围岩大变形和局部冒顶是在浅埋松软地层和软弱破碎地层施工中面临的主要问题，处理上述变形和冒顶问题需要进一步耗费人力和施工时长，拖延施工进度。为保证人员、机械的安全及工期进度的要求，一般采用管棚注浆超前支护方法加固掌子面深部围岩。
3.目前，国内外采取的常见中管棚注浆方法均会在中管棚尾部(靠近孔口)处产生最大的浆液压力，容易对掌子面形成二次扰动，使得掌子面失稳；且孔口处围岩裂隙发育，浆液极易渗入临近注浆孔，造成堵管，导致注浆孔无法进行后续注浆。
4.为解决上述问题，需要提供一种新型注浆装置及注浆方法，对现有的注浆方法进行优化，避免注浆过程中加固不均匀、注浆时易堵管的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种隧道管棚注浆装置及可调压逆向加固施工方法，通过在隧道注浆孔中内置钢管与注浆管组成联合管棚注浆装置，通过控制浆液运移方向，实现对注浆区域的均匀加固，并采用逆向加固的方法，有效防止堵管，提高了注浆效果。
6.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种隧道管棚注浆装置，包括：
7.钢管，其为一端开口的内中空结构，所述钢管的中部侧壁上设有多个通孔，其沿所述钢管的长度方向间隔设置并与所述钢管的内部连通；
8.盖板，其设置在所述钢管的开口端并将其封闭，所述盖板上间隔设有第一贯穿孔和第二贯穿孔，所述第一贯穿孔和所述第二贯穿孔的轴向均与所述钢管的轴向平行；
9.第一注浆管，其设置在所述钢管内部，所述第一注浆管的一端位于所述钢管未设有开口的端部并与所述钢管的内部连通，另一端沿所述钢管的长度方向穿出所述第一贯穿孔；
10.注浆机，其出浆口通过第二注浆管与所述第一注浆管位于所述钢管外侧的一端连通。
11.优选的是，所述隧道管棚注浆装置，所述钢管未设有开口的一端为封闭的尖头结构。
12.优选的是，所述隧道管棚注浆装置，所述第一贯穿孔与所述钢管同轴设置，所述第一贯穿孔的直径等于所述第一注浆管的外直径。
13.优选的是，所述隧道管棚注浆装置，还包括第一压力表，其设置在所述盖板的外侧且接头与所述第二贯穿孔连通。
14.优选的是，所述隧道管棚注浆装置，还包括控制阀和第二压力表，其沿注浆方向依次设置在所述第二注浆管上，所述控制阀用于控制所述第二注浆管中浆液的通断，所述第二压力表用于测试所述第二注浆管内的浆液压力。
15.优选的是，所述隧道管棚注浆装置，还包括泄压阀，其设置在所述第二注浆管上并位于所述控制阀与所述第二压力表之间，所述泄压阀用于调节所述第二注浆管内的浆液压力。
16.本发明还提供了一种可调压逆向加固施工方法，包括：
17.s1、根据孔位设计，在隧道内施作注浆孔；
18.s2、先将钢管设有尖头的一端朝内送入所述注浆孔中并与其内端部抵接，送管完成后在所述钢管的外端部安装盖板，并将第一注浆管穿过第一贯穿孔安装至所述钢管的内部，即完成单个管棚的架设；
19.s3、在隧道内按照从拱顶向拱脚两侧的顺序施作多个注浆孔，任意注浆孔施工完成后重复s2的内容在所述注浆孔内部安装对应的管棚，直至完成全部管棚架设；
20.s4、在隧道掌子面上浇筑止浆墙，使所述钢管的外端部埋设在所述止浆墙内；
21.s5、安装注浆机，使用第二注浆管将所述注浆机的出浆口与所述第一注浆管伸出所述止浆墙的端部连通，并在所述第二注浆管上沿注浆方向依次设置控制阀、泄压阀和第二压力表；
22.s6、通过注浆机按照从拱脚两侧向拱顶的顺序依次对多个注浆孔进行注浆施工。
23.优选的是，所述可调压逆向加固施工方法，s6中，对任一注浆孔进行注浆施工的步骤为：先打开对应管棚及其相邻管棚的第二贯穿孔，再打开所述控制阀开始注浆；浆液通过所述第一注浆管流入所述钢管的内端部与所述第一注浆管的间隙，并从所述钢管的内端部向外端部逆向流动，同时，所述浆液穿过通孔进入所述注浆孔与所述钢管的间隙并对隧道围岩进行加固；待所述第二贯穿孔中流出浆液后，在所述第二贯穿孔处安装第一压力表，测量所述钢管的开口端的浆液压力；继续注浆至设计终压，持压一段实际后关闭所述控制阀，停止注浆。
24.优选的是，所述可调压逆向加固施工方法，s6中，在注浆过程中，通过所述第二压力表实时测量所述第二注浆管内的浆液压力，当所述第二注浆管内的浆液压力超出设定的阈值范围时，打开所述泄压阀进行泄压，使所述第二注浆管内的浆液压力始终保持在设定的阈值范围内。
25.本发明至少包括以下有益效果：
26.1、本发明通过在隧道注浆孔中内置钢管与注浆管组成联合管棚注浆装置，通过控制浆液运移方向，使浆液从远离掌子面处的深部向靠近掌子面方向移动，移动过程中浆液压力逐步减小，从而，在靠近掌子面松动圈处产生的浆液压力小，对地层的扰动小，在远离掌子面的深部围岩处产生的浆液压力大，浆液的扩散能力强、扩散距离远，在注浆孔中形成从近到远的均匀加固区域；
27.2、本发明采用逆向加固方法，降低管棚外端部(开口处)的浆液压力，降低因浆液压力过大渗入临近注浆孔造成堵管问题的概率，且即使堵管后，由于浆液从第一注浆管流出后在钢管内逆向运动，并不影响该注浆孔的实际注浆效果，避免了注浆堵管影响注浆效果的问题；
28.3、本发明通过多个压力表对注浆机的出浆压力和管棚内的注浆压力进行实时监测，并根据地层实际条件通过泄压阀和控制阀实时调整注浆压力，保证地层较好地吃浆，有效提高了注浆质量。
29.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
30.图1为本发明一个实施例的一种隧道管棚注浆装置的结构示意图；
31.图2为上述实施例中所述管棚的正面结构示意图；
32.图3为上述实施例中所述管棚的侧面结构示意图；
33.图4为上述实施例中所述盖板的侧面结构示意图。
34.附图标记说明：
35.1、第一注浆管；2、通孔；3、钢管；4、尖头；5、第一压力表；6、止浆墙；7、浆液；8、控制阀；9、泄压阀；10、连接管；11、第一贯穿孔；12、第二贯穿孔；13、盖板；14、第二压力表。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
37.需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.如图1
‑
4所示，本发明提供一种隧道管棚注浆装置，包括：
39.钢管3，其为一端开口的内中空结构，所述钢管3的中部侧壁上设有多个通孔2，其沿所述钢管3的长度方向间隔设置并与所述钢管3的内部连通；
40.盖板13，其设置在所述钢管3的开口端并将其封闭，所述盖板13上间隔设有第一贯穿孔11和第二贯穿孔12，所述第一贯穿孔11和所述第二贯穿孔12的轴向均与所述钢管3的轴向平行；
41.第一注浆管1，其设置在所述钢管3内部，所述第一注浆管1的一端位于所述钢管3未设有开口的端部并与所述钢管3的内部连通，另一端沿所述钢管3的长度方向穿出所述第一贯穿孔11；
42.注浆机，其出浆口通过第二注浆管与所述第一注浆管1位于所述钢管3外侧的一端连通。
43.上述技术方案中，钢管3为钢花管，其中部的多个通孔2在外侧壁上呈梅花形布置，盖板13为钢盖板，其满焊连接在钢管3的开口端并将其封闭，第一注浆管1选用pvc管，其穿过盖板13上预留的第一贯穿孔11后伸入钢管3内部，第一注浆管1为两端开口的管体结构，其伸入钢管3内部的一端位于钢管3不设有开口的端部；盖板13上还预留有与第一贯穿孔11
间隔设置的第二贯穿孔12，其作为排气孔使用。其中，钢管3、盖板13和第一注浆管1组合而成的整体结构即为施工中的单个管棚结构，其埋设在隧道掌子面上预设好的注浆孔中，注浆机设置在隧道内底板上，通过第二注浆管与第一注浆管1的连接向管棚及其对应的注浆孔内注浆。在靠近钢管3外端部处预留一段长度不设置通孔2作为止浆段，预留的止浆段便于在管棚设置完成后在隧道掌子面上挂网浇筑止浆墙6，所述止浆段的长度需稍大于止浆墙的厚度，在本实施例中所述止浆段的长度控制在0.5
‑
1m，使钢管3的止浆段埋设在止浆墙6内，且钢管的外端部能够伸出止浆墙与外部连通，从而，使管棚能够稳定设置在注浆孔内，同时防止注浆过程中浆液7渗出至外部施工区域。在设置止浆墙6的过程中，钢管3外端部不能完全被止浆墙6覆盖，盖板13及其相邻的部分钢管节段伸出止浆墙6，使第一注浆管1及第二贯穿孔12能够正常与外部连通。
44.在注浆过程中，注浆机通过第二注浆管将浆液7输送至第一注浆管1内，由于第一注浆管1伸入钢管3内端部，浆液7通过第一注浆管1首先被运移至钢管3的内端部(不设有开口的一端)，并进入第一注浆管1与钢管3间的间隙，然后在重力和注浆压力的作用下逆向朝钢管3的开口端流动，在流动过程中，浆液7不断通过钢管3中部的通孔2渗出至外部注浆孔内，对沿钢管3长度方向的周边岩土体进行加固。在此过程中，靠近钢管3内端部(不设开口的一端)处产生的浆液压力最大，钢管3位于注浆孔深处的浆液7最先从通孔2中流出，靠近钢管3外端部(开口端)处产生的浆液压力最小，钢管3靠近注浆孔孔口处的浆液7最后流出，从而，形成从管棚顶端向管棚尾部的逆向注浆过程，与传统管棚注浆方式存在较大差异。传统管棚注浆施工中，浆液7从管棚尾部向顶端流动，在管棚尾部产生较大的浆液压力，容易对松动圈内的岩土体造成二次扰动，影响掌子面的稳定，在管棚顶端产生的浆液压力较小，浆液扩散半径受限，导致注浆孔深处的注浆效果差，且传统管棚注浆方法中一旦管棚尾部堵管，整个注浆孔都无法继续注浆。采用本发明中的隧道管片注浆装置，一方面，通过管棚结构实现逆向注浆，能够在注浆孔内形成均匀的注浆区域，保证了注浆孔深处的注浆效果，同时减小对注浆孔孔口的压力，避免出现堵管问题；另一方面，第一注浆管1内置在钢管3内，浆液7在钢管3中逆向流动，即使钢管3与注浆孔孔口接触处出现堵管现象，也不影响浆液在第一注浆管内的输送，有效避免了管棚尾部堵管对注浆效果的影响。
45.在另一技术方案中，所述的隧道管棚注浆装置，所述钢管3未设有开口的一端为封闭的尖头结构。其中，钢管3内端部加固为封闭的尖头结构，尖头4的尖端正对注浆孔设置，方便施工中将钢管3安装至注浆孔内部，也避免了放管过程中注浆孔内碎石等杂质损伤钢管3端部，保证注浆效果。
46.在另一技术方案中，所述的隧道管棚注浆装置，所述第一贯穿孔11与所述钢管3同轴设置，所述第一贯穿孔11的直径等于所述第一注浆管1的外直径。具体的，第一贯穿孔11为第一注浆管1的安装孔，其孔径配合设置，使第一注浆孔能够通过第一贯穿孔11卡设在钢管3内部，同时防止浆液7从第一贯穿孔11与第一注浆管1的间隙中渗出。第一贯穿孔11与钢管3同轴设置，可使第一注浆管1安装在钢管3中部，不与其内壁接触，从而，使浆液7能够顺利从钢管3与第一注浆管1的间隙回流，同时保证浆液在从钢管3内端部向开口端流动时对钢管内壁产生均匀的浆液压力，使浆液7能够均匀从通孔2中渗出，提高了注浆质量。
47.在另一技术方案中，所述的隧道管棚注浆装置，还包括第一压力表5，其设置在所述盖板13的外侧且接头与所述第二贯穿孔12连通。其中，第二贯穿孔12在注浆前期作为排
气孔使用，能够在浆液7反向流动过程中向外部排出钢管3内部的气体和水分，在浆液7开始从第二贯穿孔12流出后，此时可以认为钢管内气体均已排出，在第二贯穿孔12上通过连接管10安装第一压力表5，连接管10为弯管，能够连通第二贯穿孔12与第一压力表5的接头，并将第一压力表5稳定安装在盖板13上。通过第一压力表5对盖板13处(注浆孔孔口)的浆液压力进行实时监测，根据注浆孔孔口处的浆液压力可以估算出注浆孔内任意位置处的浆液压力，由于注浆孔靠近孔口处的节段处于掌子面松动圈范围内，需要严格控制浆液压力，避免浆液对地层的进一步扰动，且松动圈内裂隙发育，浆液扩散通道畅通，较小的浆液压力也可以取得良好的注浆效果。当监测或计算得到的位于松动圈范围内的注浆孔内浆液压力超出设定范围后，可以采取停止注浆或降低注浆速度等措施，控制浆液压力回到设定范围内。同时，还能够根据第一压力表5显示的数值与设定的注浆终压进行对比，判断当前注浆孔内的注浆情况是否已达到要求，从而，将对注浆完成度的判断数值化，能够更准确的控制注浆量和注浆时间，保证注浆效果。
48.在另一技术方案中，所述的隧道管棚注浆装置，还包括控制阀8和第二压力表14，其沿注浆方向依次设置在所述第二注浆管上，所述控制阀8用于控制所述第二注浆管中浆液7的通断，所述第二压力表14用于测试所述第二注浆管内的浆液压力。上述技术方案中，控制阀8为浆液流动控制阀门，可以从外部手动控制第二注浆管内的液体流动，在注浆机启动后，打开控制阀8，浆液7从第二注浆管开始注入第一注浆管1内，关闭控制阀8，第二注浆管停止向第一注浆管1内注浆。第二压力表14可以实时监测第二注浆管内的浆液压力，当实时浆液压力显示异常时可以关闭控制阀8或调节注浆机的注浆速度，并根据采取措施后的第二压力表14数值判断浆液压力是否恢复正常，若仍未正常，可进一步检查第二注浆管分别与第一注浆管和注浆机出浆口的连接是否存在故障。从而，从注浆侧对注浆情况进行实时监控，并能够方便的排查注浆侧存在的异常点，防止注浆机或注浆管路连接等存在的问题影响注浆质量。
49.在另一技术方案中，所述的隧道管棚注浆装置，还包括泄压阀9，其设置在所述第二注浆管上并位于所述控制阀8与所述第二压力表14之间，所述泄压阀9用于调节所述第二注浆管内的浆液压力。其中，泄压阀9可选用手动控制的球阀，根据第二压力表14显示的浆液压力，手动调节球阀进行泄压操作，从而，在不断开控制阀8的条件下达到调节第二注浆管内浆液压力的目的，在控制注浆压力稳定性的同时实现连续注浆，不影响注浆施工的效率。另外，该泄压阀还便于施工后期对第二注浆管进行洗管等操作。
50.以国道g316线长乐漳港至营前段董奉山隧道的施工为例，所述隧道中管棚注浆装置的钢管3选用外径φ89mm，壁厚5mm的钢花管；钢管3侧壁上的通孔2的孔径为8mm，孔间距为150mm，呈梅花形布置。第一注浆管1为外径φ30mm的pvc管，其内置于钢花管中；盖板13为外径φ89mm的钢盖板，其中心预留φ30mm的第一贯穿孔11，第一贯穿孔11的一侧预留φ10mm的第二贯穿孔12。钢盖板满焊于钢花管的孔口处，第一压力表5通过连接管10固定在钢盖板上的第二贯穿孔12处。
51.基于上述隧道管棚注浆装置的一种可调压逆向加固施工方法如下：
52.s1、管棚制作和注浆孔布置：根据孔位设计，在隧道内施作注浆孔；
53.具体的，先对管棚进行制作和初步组装，然后进行注浆孔施工，钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。钻孔机械选用zgyx420的潜孔钻进行钻
孔，钻孔直径为119mm，从隧道拱顶向拱脚两边施作。设计管棚外插角为3
°
，为了保证预留变形量，防止后期拱架变形侵限，现场实际打设角度可略高于设计外插角，在本实施例中外插角控制在5～10
°
。采用钻杆进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合设计要求，防止堵孔，最后用高压气从孔底向孔口清理钻渣；
54.s2、管棚安装：每个注浆孔钻孔完成后立即进行送管施工：先将钢管3设有尖头4的一端朝内送入所述注浆孔中并与其内端部抵接，钢管3外露在注浆孔外的长度为120cm，送管前需将盖板13与第一注浆管1从钢管3中取下，防止损坏，送管完成后在所述钢管3的外端部满焊连接盖板13，并将第一注浆管1穿过第一贯穿孔11安装至所述钢管3的内部，即完成单个管棚的架设；
55.其中，管棚在送管安装完毕后应对盖板13上的第二贯穿孔12进行封闭操作，防止杂物进入孔内，堵塞排气、排水通道。在靠近钢管外端部处预留1m长度的钢管节段不设置通孔作为止浆段，当管棚长度较长(注浆孔较深)时，可采用两节管棚拼接的方法，并使用长度为40cm，直径为φ76mm的套管将两节管棚首尾连接在一起，形成新的单个管棚，以满足注浆孔深度的需要；
56.s3、在隧道内按照从拱顶向拱脚两侧的顺序施作多个注浆孔，任意注浆孔施工完成后重复s2的内容在所述注浆孔内部安装对应的管棚，直至完成全部管棚架设；
57.s4、止浆墙施作：在全部管棚送管完成后，对已封闭掌子面及临时仰拱端头进行整修清理虚土，挂设钢筋网并立模浇筑厚90cm现浇c25砼止浆墙6，使全部钢管3的止浆段均埋设在所述止浆墙6内；
58.s5、注浆管线连接：采用bw
‑
250型三缸分离式挂挡注浆机，将注浆机安装在管棚施工区域附近的隧道底面上，使用第二注浆管将所述注浆机的出浆口与所述第一注浆管1伸出所述止浆墙6的端部连通，并在所述第二注浆管上沿注浆方向依次设置控制阀8、泄压阀9和第二压力表14，其中控制阀8设置在第二注浆管的起始部位，压力表设置在控制阀8后方，检测第二注浆管内的浆液压力，在第二压力表14靠近控制阀8一侧设有球阀，其作为泄压阀使用，既可以根据第二压力表14的反馈及时进行泄压操作，又便于后期洗管操作；
59.s6、注浆：通过注浆机按照从拱脚两侧向拱顶的顺序依次对多个注浆孔进行注浆施工；在实际施工中，可在注浆机的出浆口处设置多个第二注浆管，其分别连接不同管棚上的第一注浆管，以实现不同注浆孔的同步施工，提高了注浆施工的效率。
60.根据地层特性选择适当的注浆压力和浆液类型，本实施例中注浆材料采用水泥浆液，其水灰比为0.5:1
‑
1:1(重量比)，开始先以1:1浓浆施工，后根据浆液压力变化进行适当调整。对任一注浆孔进行注浆施工的步骤为：先打开对应管棚及其相邻管棚的第二贯穿孔12，再打开所述控制阀8开始注浆；浆液7通过所述第一注浆管1流入所述钢管3的内端部与所述第一注浆管1的间隙，并从所述钢管3的内端部向外端部逆向流动，同时，所述浆液7穿过通孔2进入所述注浆孔与所述钢管3的间隙并对隧道围岩进行加固，即沿钢管的长度方向(从注浆孔的内端部到外端部)对隧道围岩进行逆向加固；待所述第二贯穿孔12中流出浆液后，快速在所述第二贯穿孔12处安装行程为8mpa的第一压力表5，测量所述钢管3的开口端的浆液压力；当单孔注浆正常进行且无渗漏现象时，继续注浆使注浆压力逐步升高，在达到设计终压1.5mpa后，继续注浆15min进行稳压，然后关闭控制阀8停止注浆；在注浆压力未达到设计终压的情况下，如果注浆量每孔达到设计水泥用量2吨，且注浆压力接近设计终压时
也可停止注浆。其中，对单一注浆孔注浆结束的标准采用注浆压力、注浆量进行双控，因是全孔一次性注浆，注浆孔可能出现窜孔现象导致注浆量增大，因此即使注浆量达到设计用浆量，但当注浆压力距离设计压力差值较大时，也应继续注浆直至注浆压力接近或达到要求为止。
61.同时，在上述注浆过程中，还需要通过所述第二压力表14实时测量所述第二注浆管内的浆液压力，当所述第二注浆管内的浆液压力超出设定的阈值范围时，打开所述泄压阀9进行泄压，使所述第二注浆管内的浆液压力始终保持在设定的阈值范围内。另外，在注浆过程中，当相邻的注浆孔出现溢浆时也需要关闭当前注浆孔的控制阀8或打开泄压阀9以减小注浆压力。
62.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。