CN100532738C - 地下工程的连续实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种任意类型地下工程的连续实现方法为，在开挖工程之前先进行加固工程(6)，其中所述加固工程通过引导冲孔(3)得以实施，所述引导冲孔置于所建隧道(1)中心的外围，所述加固工程(6)通过如下方式形成，即：用增强件或插入件填充各冲孔(3)，然后，所述增强件或插入件与通过一喷射灌浆系统注入的混凝集料相混合，从而在开挖工程之前，可在隧道的较长延伸段或整个长度上或地下工程的地表上形成加固工程，并且获得与精确的静态条件相符的抗坍工程。

Description

地下工程的连续实现方法

技术领域

本发明涉及隧道、或公路、铁路、沟渠及地下水道等的各种地下坑道的开挖及准备工程的技术。通常，该技术利用外围加固技术这一方式，在内部开挖及工程最后完工期间，为土体的强行推进形成一稳固的周围环境。

背景技术

目前，这类公知的加固插入技术的具体方案是，在全部或部分隧道外围形成多个冲孔，在冲孔内导入金属、玻纤或其他合适材料的增强件或插入件，并由在低压或高压下注入的混凝土射流或其他固结料，例如水泥混合料、凝胶体或树脂进行填充。这些固结料与存在于所建隧道外围的材料相混合。

通过这些公知系统形成了加固地带的冠状或伞状延伸段，从而使得隧道的开挖得以安全平稳地延伸。这一施工体系还出现在另一些加固工程中，该加固工程稳固岩脉离轴明显比隧道中轴短得多(长度为例如15-20m)，从而该施工体系能够在随后的加固延伸段以及相继的开挖延伸段中发挥作用。

该公知体系施工方法的不便之处主要在于以下几方面：

-在形成推进的过程中，必须通过隧道内的必要操作人员，与开挖施工交替进行多次系统化的插入施工；

-在各加固工程的插入施工开始或结束时，需交替移动完成加固施工和开挖施工所必须的装置；

-混合料的固结需要凝结时间，而该凝结时间通常被损失掉，并且极可能减至最小值，从而可能导致稳定性降低；

-在所建隧道中心的加固工程中，需对开挖的前端进行支撑；

-各加固插入施工需与前方、后方相重叠，从而保证隧道前端得到支撑；

-冲孔施工必须与隧道成一定角度进行，而不是沿其纵向进行，以便为后续施工处理创造空间；

-隧道的开挖断面是变化的，以与封堵施工及最后的施工相均衡；

-工程完工时间长。

如果必须从隧道(隧道覆盖层较薄)表面的上方进行加固施工，当前技术状态下的困难在于以下几方面：

-需在一无用空间内进行冲孔，以到达隧道内的加固区；

-地面上存在现有或待建工程(地下设施、道路、房屋等)；

-加固施工的公共用地或私人用地征用费及占用费；

-在密封底面上的多次运动，或用于实现加固所用的机械的阻力较小的许多运动，所述机械包括注浆装置、泵等，以及所有结构构件(金属或玻纤插入件)。

众所周知，引导冲孔系统还用于横断面受限的隧道或地下沟渠，例如下水道、排水管以及电缆和电话电缆所用的管道，其中所述引导冲孔通过具有旋转导管的装置产生，所述旋转导管配有专用冲孔头，例如为笛状冲孔头、或为不对称头部的钻孔底锤或备择的泥浆涡轮。即使冲孔的长度相当长，也可用所述冲孔头进行引导冲孔的施工，例如根据需横穿的地形情况冲孔长度大于800m，冲孔头的方向不断地由方向指令系统进行控制，所述方向指令例如为无线电、电磁、雷达、射线，所述系统具有GPS系统基准或光学和电学基准，从而使得冲孔头在冲孔过程的任何时间均被准确地加以定位及定向。

冲孔可按如下方式，即利用压力作用下的空气或流体，借助于破坏钻头或取心钻头，采用钻孔底锤，并利用适于校正冲孔方向的铣刀、三锥齿轮钻头、凿刀、泥浆涡轮等得到。

由冲孔产生的材料在钻孔壁与钻杆之间，或在钻杆与可能设置的套管之间排出，正如通常用钻井的冲孔装置所发生的情况一样。之后，在坑道内逐步前进的冲孔杆与冲孔头一同被收回，并且在收回过程中，如果是排水管或给水管，可能用一内部衬套进行钻孔及放置套管。

如上所述，目前这种公知的导向冲孔装置仅允许对横断面有限的孔洞或沟渠进行冲孔，而不允许对尺寸较大或很大的隧道进行开挖，这种隧道在开挖施工之前需进行加固。

发明内容

本发明的目的在于消除现有技术所存在的不便之处，所述现有技术用于尺寸及长度相当大的隧道或类似地下工程的准备工程，事实上，是为了消除所必须的连续交替的周期性插入施工(长度有限的加固施工和开挖施工)，因此，本发明的目的在于获得一施工方法，该方法允许在隧道的全长范围内进行加固，或者在相当长的延伸范围内进行加固，加固施工之后进行相应的开挖施工。

本发明的技术方案如下：

地下工程的连续实现方法，其中，所述地下工程的准备目前是通过相继的短延伸段的外围加固工程和开挖来进行的，该加固工程通过多个伞状短冲孔得以实施，以这样的方式，从而使得对于每个短延伸段而言，形成对于地下工程的外围加固，该外围加固使得可以实施下一步开挖施工，其特征在于，所述加固工程借助于足够数量的小横断面引导冲孔形成，其中所述引导冲孔通过具有可动冲孔头的装置获得，并沿被建地下工程的中心的外围进行，以沿所述地下工程的中心的外围形成冠状物，对地层进行的加固通过如下方式实施，即，在各冲孔内填充增强件或插入件，然后增强件或插入件与混凝集料相混合，所述混凝集料是在高压或低压条件下注入的，或借助于一具有水泥混合料、凝胶体、树脂的压力射流的喷射灌浆系统注入，在对所述地层进行加固之后进行的是在所述连续的冠状物内部的地下工程中心的开挖。

根据本发明，该目的通过足够数量的引导外围冲孔进行加固施工而实现，而所述冲孔可能进入所建隧道的中心或另一位置处，之后在各冲孔内导入合适的产品，如通常所公知的增强件或插入件(金属、玻纤或其他合适的材料)来进行加固，所述增强件或插入件旨在支承由高压或低压注入的加固射流，或允许使用具有水泥混合料、凝胶体或树脂这些压力射流的喷射灌浆技术来进行加固。

其中所述引导冲孔通过具有可动冲孔头的装置获得，并沿被建隧道中心的外围布置，或被置于设计者指明的位置处。

其中，所述引导冲孔可按计划准确地沿即便为曲线的路线而推进。

所述引导冲孔用于在开挖工程之前形成加固，所述引导冲孔实施于被建隧道的外围和/或中心和/或一合适位置，为单冠、多冠或任意布置形式。

所述引导冲孔利用增强系统以及喷射灌浆系统的组合进行填充。

由增强系统或喷射灌浆系统注入引导冲孔内的混凝集料扩展并压入引导冲孔周围的地层内，从而形成互相接近、互相贯穿或隔开的抗坍芯体。

在加固施工期间，也可利用一个或多个引导冲孔进行排水施工，显然，所述冲孔被覆盖住并且能够自由排水。

在冲孔到达隧道或坑道工程另一端的情况下，冲孔钻头或者可由钻孔器代替以拉动增强件，或者可由用于处治喷射灌浆类型的喷嘴代替；也可将冲孔杆用作射流杆；相反，如果冲孔在地层内终止，喷射灌浆装置将被安装于冲孔钻头之后，或如同插入件一样，随着冲孔杆取出而被重新导入孔洞内，同时利用保护层来防止孔洞本身下陷。

在所建隧道的外围上实施完加固工程后，施工人员待加固用水泥混合料和/或其他材料的凝结时间结束，即开挖隧道全长范围内或其相对长的延伸段的中心。

开挖工程之后，根据公知的隧道修整技术进行底面和壁面的封堵施工。

本发明的这种方法具有相当多的施工和经济优点，其中，施工的优点主要在于：

-可能了解较长的连续延伸范围内、或路线全长范围内在开挖介入之前的真实区域地层情况；

-如果存在即便是压力作用下的含水层，也可能在开挖施工开始之前，沿隧道周围实现一系列的排水点；

-由于已在加固施工和开挖施工之间隔出必要的介入时间，所以确实可能使水泥或其他聚集物质凝结期满；

-即便对于数百米的长度而言，施工过程中的加固工程也可降低变形和塌陷的风险；

-施工环境开放，并且为可能在工程全长范围内所实现的加固情况提供了必要的空间；

-无论是对负责加固，还是对负责开挖的工作时段不同的施工人员而言，人员组织更好；

-当隧道的长度及特殊的地理位置建议将加固工程分成更多延伸段进行时，隧道内的加固介入工程量大为减少。

通过上述方法所获得的经济优势为：

-假设对工程的全长进行处理，通常在隧道内进行的施工工序被转至隧道之外，从而降低了人工费，并且不存在大型装置在小空间内操作的问题；

-加固施工及相继的开挖施工连续进行，而不会发生现有技术中在一类与另一类工序之间变换装置和施工人员时浪费时间的现象；

-不存在现有技术中加固工程的重叠现象，亦即节省材料；

-可具有一中心总是不变的圆柱形开挖横断面，而并非现有技术那样，具有中心必须可变的锯齿状开挖横断面；

-由于具有圆柱形横断面，所以节省了开挖材料量；

-由于具有圆柱形横断面，所以节省了用于保护层的喷射混凝土量；

-实施单一加固工程的一种运动与另一种运动之间的距离受到限制。

附图简要说明

参照附图，通过一隧道的具体实施例对所述发明进行详细描述，其中：

图1示出了用本发明的方法进行施工的一被建隧道的纵向断面；

图2示出了具有公知装置的冲孔的纵断面图，所述公知装置用于引导小孔径冲孔，例如具有笛状摆动头(flute-shaped swinging head)；

图3示出了具有公知装置的冲孔的纵断面图，所述公知装置用于引导小孔径冲孔，例如具有一非对称头锤(headed hammer)；

图4示出了具有沿隧道的全长或其部分实施的第一引导冲孔的被建隧道的纵向断面图；

图5示出了在冲孔装置相继收回阶段，以及在通过一喷射灌浆系统或通过一增强系统实施同期相继加固阶段，图4中引导冲孔的纵向断面图；

图6示出了第一引导冲孔完全加固后的纵向断面图；

图7示出了沿被建隧道周围布置的加固层的透视图，所述加固层具有呈单个冠状布置的多个引导冲孔；

图8示出了沿所建隧道周围布置的加固层的透视图，所述加固层具有多个冠状布置的多个引导冲孔；

图9示出了在所述加固工程之后开挖工程开始时的透视图。

具体实施方式

参照所述附图，图1的实施例表明，其中的待建隧道显然可为任一类型，并可属于任一民用、工用或市政用隧道。该隧道1可在任何类型及形状的地层2中兴建。

图4示出了隧道1的上部区域中一引导冲孔(guided perforation)3的实施例，该冲孔由用于对较小孔径的孔进行引导冲孔的公知装置获得，所述装置例如配有如图2和3所示的一笛状摆动头4或一非对称头锤5，或配有泥浆涡轮或其他装置。

该引导冲孔装置不断地由无线电、磁力、雷达、光或电参照系统等进行监测与控制，从而确定冲孔钻头的精确位置及方向。引导冲孔3为加固施工的初期工程。

图5中示出了加固施工的二期工程，此时，施工人员在引导冲孔装置取回期间，在冲孔3内逐步建立加固工程6。该加固工程6延伸于图6所示的引导冲孔3的全长范围内，或延伸于冲孔的相继长段内。

在加固施工的三期工程中，设想多个被加固的引导外围冲孔3，特别是其轴线几乎平行，并沿所建隧道1的周围形成如图7所示的冠状布置，或如图8所示的多个冠状布置。

在加固施工的四期工程中，固化部凝结之后，便沿隧道1的全长、或沿其相继长段开始进行开挖工程7的施工。

在加固施工的最后一期工程，即五期工程中，进行的是隧道壁面及底面的修整处治工程，以及特定功能布置工程所固有的隧道的全部相继的工程。

特别值得注意的是本发明加固工程的二期工程，该期工程使用上面所描述的多个引导冲孔3，并且加固工程可由圆柱形喷射灌浆处理系统或通过增强系统完成，此外，还可由两系统组合完成。另外，一个或多个引导冲孔3可用于隧道排水。

通过圆柱形喷射灌浆处理系统进行加固施工的预期效果是，引导冲孔装置3被取回或被推进的过程中，在冲孔内注射有混凝集料(aggregating substances)，例如水泥混合物、凝胶体(gel)、树脂等，并且其上方与地层相混合，从而沿隧道的全长或其部分建立起抗坍芯体。

或者，通过增强系统进行加固施工的预期效果是，要么在冲孔施工期间，要么在引导冲孔装置3被取回期间，在冲孔内插入金属或其他材料插入料，并且在低或高压状态下相继注入混凝集料(水泥混合料、树脂等)，这种增强提高通过聚集生成物在引导冲孔的相邻地层内的扩张而形成的内部芯体6的抗力。

根据待实施的开挖类型以及待建设的隧道类型，所述喷射灌浆加固系统或增强系统也可相互结合使用。

如果将引导冲孔3用于隧道的排水，施工人员则用一钻孔铣刀替换开挖头，所述钻孔铣刀在冲孔装置的旋转管状杆取回过程中，对一金属管或其他合适的材料管进行牵引，所述管被置于坑道内部并起到排水管的套管作用。

可以设想，即使在冲孔杆从冲孔开始的同一部分取出之后，插入件和排水装置被置入，简单地将加固件或排水管推进在冲孔阶段由防止下陷的套管(后来被回收)保护的空孔内。

因此，可以理解本发明的目的在于，利用引导冲孔系统在开挖工程之前对隧道实施外部加固，由于允许在隧道的全长范围内或在隧道本身较长一点的延伸段(隧道延伸段可至800m以上)内进行加固，从而使其相对于加固延伸段极短(15-20m)的现有加固技术而言具有极大的功能优势及经济优势。即使对于覆盖层很薄的隧道备用道而言，也可通过喷射灌浆技术从上方(从地表)实现加固，本发明表明其优势显然在于，消除了到达加固区前的大多数空心冲孔。

还应指出，本发明的优点在于，通过本发明的引导冲孔所进行的加固施工可获得与精确的静态条件相符的抗坍工程，因为，所述引导冲孔是按计划准确地沿即便为曲线的路线而前进的。本发明的优点还在于，实现对处于即使为水平隔开的相邻岩层中的地下构件的加固工程，所述地下构件用于水力和水文地质应用场合，以分离浅层地下水表面或自流井压力表面，或用于密封湖泊、水槽、沟渠或用于将排水用储水池恢复至不透水状态。这些地下构件可通过引导冲孔，以单一系列或多个系列的方式实现加固工程，其中，各引导冲孔通过插入件或通过喷射灌浆系统来支承混凝集料。任务的这些加固工程可不受可能存在的开挖工程或地层重构的约束。

Claims (10)

1.地下工程的连续实现方法，其中，所述地下工程的准备目前是通过相继的短延伸段的外围加固工程和开挖来进行的，该加固工程通过多个伞状短冲孔得以实施，以这样的方式，从而使得对于每个短延伸段而言，形成对于地下工程的外围加固，该外围加固使得可以实施下一步开挖施工，其特征在于，所述加固工程借助于足够数量的小横断面引导冲孔(3)形成，其中所述引导冲孔通过具有可动冲孔头(4，5)的装置获得，并沿被建地下工程的中心的外围进行，以沿所述地下工程的中心的外围形成冠状物，对地层进行的加固通过如下方式实施，即，在各冲孔(3)内填充增强件或插入件，然后增强件或插入件与混凝集料相混合，所述混凝集料是在高压或低压条件下注入的，或借助于一具有水泥混合料、凝胶体、树脂的压力射流的喷射灌浆系统注入，在对所述地层进行加固之后进行的是在所述连续的冠状物内部的地下工程中心的开挖。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿所述地下工程的中心的外围形成的冠状物为多冠。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各引导冲孔(3)形成之后，将所述冲孔装置从其取回，并且将增强件或插入件插入引导冲孔(3)内，所述增强件或插入件用于支承要被注入的混凝集料。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各引导冲孔(3)形成之后，将由喷射灌浆系统决定的混凝集料注入。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引导冲孔(3)利用增强系统以及喷射灌浆系统的组合进行填充。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由增强系统或喷射灌浆系统注入引导冲孔(3)内的混凝集料扩展并压入引导冲孔周围的地层内，从而形成互相接近、互相贯穿或隔开的抗坍芯体。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一个或多个引导冲孔(3)可用于地下工程排水，并且由一冲孔铣刀来替代相关的冲孔头(4，5)，所述铣刀在冲孔装置的管状旋转杆取回过程中，对一置于冲孔内并具有套管或排水管的功能的管进行牵引。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在各引导冲孔施工期间，推进冲孔装置，并且通过该推进作业，将增强件或插入件导入引导冲孔(3)内，所述增强件或插入件对要注入的混凝集料进行支承。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在各引导冲孔(3)施工期间，将由喷射灌浆系统决定的混凝集料导入引导冲孔(3)。

10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于所述地下工程为隧道(1)。

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