地表超深孔定向控域注浆施工方法与流程

1.本发明属于地表超前预加固领域，尤其涉及一种针对中深埋隧道不 良地质的注浆预加固施工方法。


背景技术：

2.在隧道工程经常使用的地表注浆技术，其注浆深度大都在60米以 内，对于中深埋复杂地质隧道的超前预加固的措施，多采用台阶法、中 隔壁导洞法、或crd法等工法开挖施工，但是上述工法的施工工序复 杂、且无法避免掌子面溜塌和结构变形的问题，施工风险极高，进度缓 慢且施工成本较高。
3.为保证施工安全和结构稳定，目前针对中深埋隧道不良地质超前预 加固措施多采用洞内帷幕注浆工艺，但是洞内帷幕注浆施工时，需注浆 一段、开挖一段、预留一段，掌子面都是单工序作业，循环加固20～30 米，开挖15～25米，注浆加固和隧道开挖施工不能同时施工，每月隧道 进尺仅有15～20米，施工耗时较长，隐形成本高。
4.如中国专利申请号201611180026.4公开的一种用于地表超深孔双液 浆注浆的注浆结构及其注浆方法，其技术方案要点是包括开设于地表的 钻孔，钻孔中置有袖阀管，袖阀管内设置有阻塞器，阻塞器与袖阀管底 部之间形成密闭的混合腔，钻孔内设有连通混合腔的第一注浆管和第二 注浆管，混合腔内壁上设有注浆孔，袖阀管对应注浆孔处箍有堵住注浆 孔的皮套，借助阻塞器来封堵形成密闭的混合腔，从而可以将水泥浆和 水玻璃浆分别通过第一注浆管、第二注浆管注入到混合腔内混合。但是， 该用于地表超深孔双液浆注浆的注浆方法存在以下缺点或不足：(1)、 注浆管结构复杂，注浆难度高、注浆工序时间长；(2)、注浆加固和隧 道开挖施工不能同时施工。
5.因此，提供一种适用于超前预加固中深埋隧道不良地质，并满足隧 道安全施工、控制结构变形、显著提高隧道施工进度的地表超深孔定向 控域注浆施工方法成为业内急需解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种地表超深孔定向控域注浆施工方法(简称 ddk技术)，其通过改变注浆设备、注浆材料、注浆方法及注浆工艺，实 现在隧道中深埋条件下对掌子面前方不良地质进行地表超前精准靶向 注浆预加固施工，实现了隧道安全施工、控制结构变形、提高了隧道施 工进度，为业内出现的较深隧道软弱地层注浆加固提供了新的选择。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种地表超深孔定向控域注浆施 工方法，包括：(1)、按照设定的尺寸要求制作靶向注浆阀管；(2)、平 整施工场地，测量并标定出若干个注浆孔的位置，在标定出的位置处依 次钻至设定孔深，完成全部的注浆孔的钻孔；(3)、将靶向注浆阀管与 pe管一起吊装至其中一个注浆孔内，通过pe管向注浆孔内注入套壳 料，以封闭靶向注浆阀管与注浆孔的孔壁之间的空隙；(4)、将内混合 注浆塞通过打压管与压力泵相连接，并通过提升钢绳与卷扬系统相连 接，将注浆芯管与内混合注浆塞连接并置
入靶向注浆阀管内，并下降至 预注浆的深度，使用压力泵通过打压管将内混合注浆塞起涨，将注浆芯 管连接好注浆管路，通过内混合注浆塞实施后退式分段注浆；以及(5)、 待一段注浆完成后，起拔内混合注浆塞至下一注浆段落，重复步骤(4)， 直至完成注浆孔的全部注浆段落。
8.其中，本发明的地表超深孔定向控域注浆施工方法可满足孔深在 60～300米范围内的靶向注浆施工。
9.可选择地，在步骤(1)中，靶向注浆阀管的管壁上环设有若干排 溢浆孔，对应于每排溢浆孔上套设有止浆阀套及止浆阀套保护器；靶向 注浆阀管包括第一型靶向注浆阀管及若干个第二型靶向注浆阀管，第一 型靶向注浆阀管与第二型靶向注浆阀管的直径及壁厚均相同，第一型靶 向注浆阀管的一端设有导向尖头，另一端设有外/内丝丝扣，第二型靶向 注浆阀管的两端分别设有内丝丝扣和外丝丝扣。
10.可选择地，两个第二型靶向注浆阀管的连接处焊接有外套管接头， 即两个第二型靶向注浆阀管的连接采用外套管满焊或丝扣连接，外套管 接头的长度不小于60厘米，外套管接头的内径不大于靶向阀管的外径3 毫米。
11.可选择地，在步骤(1)中，靶向注浆阀管采用直径为60毫米、76 毫米、或89毫米等型号的的无缝钢管加工制作。靶向注浆阀管的壁厚 可设为2～10毫米，比如3～8毫米。
12.可选择地，在步骤(2)中，钻孔方式设定为高压风成孔、水钻成 孔或泥浆护壁成孔。
13.优选地，在步骤(2)中，使用的钻机稳定性良好，钻孔角度满足 设计要求。
14.可选择地，在步骤(3)中，套壳料由如下重量份的原料组成：水 100份、水泥100～200份、以及膨润土100～300份。
15.可选择地，在步骤(4)中，若注浆时采用单液浆，则设置一根注 浆芯管，若注浆时采用双液浆，则设置两根注浆芯管，注浆芯管的直径 设定为15毫米或20毫米。
16.可选择地，当注浆时采用双液浆，注浆芯管通过高压注浆软管与双 液注浆泵连接。
17.可选择地，在步骤(4)中，注浆液为硫铝酸盐水泥单液浆、改性 普通水泥单液浆或水泥
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水玻璃双液浆。
18.优选地，在步骤(4)中，注浆液具有速凝、早强的特性，单液浆 的初凝时间为25～45min，终凝时间为30～60min，双液浆的初凝时间为 30～300s。
19.可选择地，在步骤(4)中，注浆段落的分段长度设定为0.75～2米， 注浆压力设定为1～30兆帕。
20.可选择地，在步骤(5)中，，压力泵泄压，内混合注浆塞收缩，然 后使用卷扬系统通过提升钢绳提升内混合注浆塞至下一注浆段落。
21.本发明还提供了一种地表超深孔定向控域注浆施工方法，其施工步 骤如下：(1)、在相应规格的无缝钢管的设计位置上钻设溢浆孔，安装 止浆阀套，安装止浆阀套保护器，加工连接头，加工成靶向注浆阀管， 其中，注浆孔内第一根靶向注浆阀管安装时应设置导向尖头；(2)、平 整施工场地、精准测量孔位放样，钻机就位后调整至设计角度，钻孔至 设计深度；(3)、将加工好的靶向注浆阀管连同pe管一并吊装至已钻好 的孔内，将每根靶向注浆阀管连接牢固，直至相应设计深度，设计的靶 向注浆段落安装带止浆阀套的管材，非注
浆段落安装光管；(4)、通过 pe管注入一定强度的套壳料，封闭靶向注浆阀管和钻孔孔壁之间的空 隙，以防止浆液竖向串流；(5)、将打压泵用打压管与内混合注浆塞连 接，将提升钢丝绳与卷扬系统连接；(6)、将注浆芯管、内混合注浆塞 打压管及提升钢丝绳连接；(7)、在靶向注浆阀管内安装双芯管、带有 内混合注浆塞的打压管以及提升钢丝绳后，将安装至预注浆的深度； (8)、待套壳料凝固后，连接好注浆管路，通过内混合注浆塞实施后退 式分段注浆；(9)、根据不同地质情况可在不同段落注入不同种类的浆 液，可选用速凝、早强、可控凝胶时间的浆液，并实现同一段落重复注 浆；(10)、一段注浆完成后，起拔内混合注浆塞至下一注浆段落，直至 完成本孔全部注浆段落。
22.本发明的有益效果是：(1)、不需要等待不良地质段开挖、支护出 现问题后再采取处理措施，避免了不良地质带来的施工安全风险和停工 风险；(2)、地表超深孔定向控域注浆超前预加固工序与洞内开挖、支 护施工工序无交叉，可实现平行作业；(3)、实现规模化施工，快速通 过不良地质段落，可以有效缩短施工工期；(4)、加固效果有保证，能 够保证施工安全和结构安全。
附图说明
23.图1a和图1b示出了本发明的地表超深孔定向控域注浆施工方法的 步骤(1)的工艺示意图。
24.图2a和图2b示出了本发明的地表超深孔定向控域注浆施工方法的 步骤(2)的工艺示意图。
25.图3a和图3b示出了本发明的地表超深孔定向控域注浆施工方法的 步骤(3)的工艺示意图。
26.图4示出了本发明的地表超深孔定向控域注浆施工方法的步骤(4) 的工艺示意图。
具体实施方式
27.接下来参照附图具体描述本发明的地表超深孔定向控域注浆施工 方法。
28.首先，在步骤1中制作靶向注浆阀管。根据设计切割钢管长度，在 钢管1a或1b上钻设溢浆孔2，然后安装止浆阀套3，并加工连接套件， 即外套管接头(图未示)。靶向注浆阀管包括如图1a所示的第一型靶向 注浆阀管及如图1b所示的第二型靶向注浆阀管，第一型靶向注浆阀管 与第二型靶向注浆阀管的直径及壁厚均相同，第一型靶向注浆阀管的一 端设有导向尖头，另一端设有外丝丝扣4，第二型靶向注浆阀管的两端 分别设有外丝丝扣4和内丝丝扣5。
29.在该非限制性实施方式中，第一型靶向注浆阀管的端头不受内外丝 限制，其与第二型靶向注浆阀管的丝扣型号统一即可，而且在该步骤中， 丝扣加工、溢浆孔钻设和止浆阀套的加工顺序可自行选择，从而可提高 靶向注浆阀管的制作效率。
30.在该非限制性实施方式中，两个第二型靶向注浆阀管的连接处焊接 有外套管接头，即两个第二型靶向注浆阀管的连接采用外套管满焊或丝 扣连接，外套管接头的长度不小于60厘米，外套管接头的内径不大于 靶向阀管的外径3毫米。靶向注浆阀管采用直径为60毫米、76毫米、 或89毫米等型号的无缝钢管加工制作。
31.接着，在步骤2中，如图2a所示，平整施工场地，标定加固范围 边界，根据设计的靶向注浆阀管的钻孔孔位6的位置进行测量放点，并 用油漆标记孔位中心和十字线并按照设计标记桩号。然后，如图2b所 示，采用位于地表f上的履带式钻机7，在测量标记的孔位调整孔位参 数，按照设计要求的角度调整钻杆8，使用对应靶向注浆阀管直径的钻 头9进行钻孔，钻孔施工开始阶段应按照要求进行测斜，保证钻孔角度 偏差满足设计要求，然后接长钻杆8钻至设计深度，随后进行洗孔或清 孔，保证靶向注浆阀管的安装深度满足设计要求，洗孔或清孔完成后拆 卸钻杆8，完成注浆孔10的钻孔。
32.然后，在步骤3中，如图3a所示，首先，用钻机7使用吊索11在 动力头12的辅助下，将靶向注浆阀管1连同pe管13一并吊装至孔内， 逐根连接至孔底。接着，如图3b所示，通过pe管13向注浆孔10内 注入套壳料14，从而封闭靶向注浆阀管1与注浆孔10的孔壁之间的空 隙。在灌注套壳料的过程中，pe管13的顶端安装有球阀15。
33.接着，在步骤4中，将内混合注浆塞16通过打压管17与压力泵18 相连接，从而利用压力泵18起涨内混合注浆塞16，同时将内混合注浆 塞16通过提升钢绳19与卷扬系统20相连接，从而利用卷扬系统21提 升内混合注浆塞16。在该非限制性实施方式中，将两根注浆芯管21与 内混合注浆塞16连接，置入靶向注浆阀管1内，下放过程中逐段接长 注浆芯管21，直至孔底。
34.待套壳料14凝固后，将注浆芯管21依次与高压注浆软管22、双液 注浆泵23、送浆管24、a液搅拌桶25a及b液搅拌桶25b相连，使用 压力泵18通过打压管17将内混合注浆塞16起涨，完成该段的靶向注 浆z，然后开始逐段后退式分段注浆。
35.在该非限制性实施方式中，在该步骤中，需根据不同地质情况，在 不同地质段落注入相应适合的浆液，也可以在同一段落注入不同浆液。
36.最后，在步骤5中，一段注浆完成后，压力泵18泄压，内混合注 浆塞16收缩，然后使用卷扬系统20通过提升钢绳19提升内混合注浆 塞16至下一注浆段落，依次进行，直至完成本孔全部注浆段。
37.由此可见，本发明的地表超深孔定向控域注浆施工方法适用于在中 埋深埋条件下，在隧道掌子面未开挖到预注浆里程段落前，对隧道掌子 面前方不良地质进行加固改良，确保隧道内施工安全和结构稳定，实现 了地表超前预注浆加固与洞内开挖支护施工平行作业，互不干扰，大大 提高开挖进尺效率，缩短了施工工期。
38.以下结合示例介绍本发明的施工方法在工程上的应用。
39.银西高铁由南向北穿越世界最大黄土塬
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董志塬，这片渭北陇东旱塬 之上，丘陵、高塬沟壑纵横，黄褐皱褶，是我国湿陷性黄土分布的主要 地区之一，地下水潜水径流，并以孔隙潜水广泛分布于中更新黏质黄土 地层中，隧道工程在浅埋穿越黄土塬时长段落穿越地下水水位线、软塑 黄土夹层，极易引起围岩渗出水软化变形，突发坍塌，地表沉陷及地下 水流失等问题，给工程建设带来的困难和挑战世界罕见。
40.银西铁路上阁村隧道进口工区和斜井工区隧道埋深60～97m，隧道 围岩为第三系古黄土，隧道洞身穿越软塑黄土段落，地层最高含水率高 达33％，围岩稳定性极差，并出现多次塌方、变形，施工风险极高，被 业界称为“雨里开挖、泥里支护”、“淤泥里打隧道”。
41.采用本发明的地表超深孔定向控域注浆施工方法后，围岩含水率从 31％降低到20％，掌子面浆脉明显，地层稳定，开挖效果良好；隧道围 岩沉降和水平收敛变形最大值分
别减小约60％和32％，加固后取芯进 行无侧限抗压强度高达>0.7mpa，土体抗渗性、承载力均得到显著提高， 有效改善了土体塑性状态，因此地表超深孔定向控域注浆施工方法的发 明获得成功，有效控制了结构变形，保证了施工安全，使隧道开挖进度 超过70米/月，是未采取措施前的两倍。
42.尽管在此已详细描述本发明的优选实施方式，但要理解的是本发明 并不局限于这里详细描述和示出的具体结构和步骤，在不偏离本发明的 实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。