CN101270582A - 地下洞室内设置支撑柱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在地下洞室(洞穴、巷道)内设置用于防止地表塌陷变形的支撑柱的方法。本发明在其下有洞穴或采空巷道的公路、铁路、机场及水利工程建设中将有广泛应用，还可用于岩溶塌陷区和矿山采空区的环境恢复和治理等领域。本发明的方法是：用钻机从地面向地下空洞钻孔，直至伸入洞室底面以下40～60厘米止，再将其外套有袋子的钢管插入钻孔底部；然后将注浆管插入钢管底部，用注浆泵通过注浆管向管内注入水泥砂浆，袋子充盈凝固后成为支撑柱体。也可按前述方法在洞室内设置多根支撑柱，形成支撑柱群或由支撑柱形成的帷幕墙。

Description

地下洞室内设置支撑柱的方法

技术领域

本发明涉及在地下洞室(洞穴、巷道)内设置用于防止地表塌陷变形的支撑柱的方法。本发明在其下有洞穴或采空巷道的公路、铁路、机场及水利工程建设中将有广泛应用，还可用于岩溶塌陷区和矿山采空区的环境恢复和治理等领域。

背景技术

在石灰岩溶区或在采煤、采矿区，经常会遇到地下洞穴塌陷，引起地表大范围沉降变形。在这些地区修建高速公路、铁路、水利渠道、机场跑道或其它工程建设时，由于地下洞穴引起的地表沉降变形，严重威胁到其上部建筑物的安全，甚至会造成地上建筑物大面积破坏。不仅如此，地下洞穴塌陷往往伴随地表水泄漏、地下水位大幅度下降，给当地农业生产和人民群众的生活带来灾难，使生态环境严重恶化。为防止这一现象发生，目前常用的方法是：从地表向下钻若干孔，直达地下空洞区(采空区或溶洞)，自上而下灌注水泥砂浆(或泥浆)，填满空洞，恢复支撑，以此达到充填加固的目的。但这样会产生大量无效注浆，特别是当地下洞室连通有裂隙时，其无效注浆量将更大，造成工程费用增大。对地下溶洞而言，当遇到地下溶洞很大或与地下暗河相通时，甚至成为“无底洞”，即使注浆量再大，也可能永远无法注满其空间；对采空塌陷区而言，有的矿区经过几十年甚至上百年的开采，在短期内无法将采空区回填满，既使回填满了，由于水泥砂浆的收缩，使注浆面与洞穴顶板产生间隙，还可能产生再变形。尤其对公路、铁路、水渠和机场这种带状工程而言，只希望在工程范围内不产生塌陷就行了，需要控制加固范围，减少投资，目前的办法是很难做到的。现有技术解决地下洞室塌陷的措施可参见附图1和图2所示。

发明内容

本发明目的之一是提供一种能克服现有技术不足，在地下洞室内设置支撑柱的方法。其二是用前述的方法在地下空洞区内形成由支撑柱组成的帷幕墙，以便在帷幕围成的区域内进行抛石和注浆作业，以形成对局部更为坚固的支撑和加固。

本发明设置支撑柱的方法如下：用钻机从地面向地下空洞钻孔，在钻透洞顶后继续向空洞底部钻孔，直至伸入洞室底面以下40～60厘米止，同时记录洞穴的埋深和净空高度。取外径小于钻孔直径，内径大于注浆管的钢管(对于长度较长的情况可采用钢管分段接长的方法解决)；在钢管壁上均匀开设可使水泥砂浆从管内流出管外的小孔；在钢管下端套一柔性材料制成、有一定强度、其直径大于钻孔直径的袋子，这一袋子也可称之为“充浆袋”。袋子的强度应当能满足在充浆过程中充浆压力不致将袋子撑破即可，而袋子直径的实际大小可由设计要求的支撑参数确定，袋子长度大于洞穴净高。将袋子两端捆扎固定于钢管上；封堵钢管的下端头以防漏浆，再将外套有袋子的钢管插入钻孔底部；在插入钢管时应预先将袋子捏瘪排出空气，并用橡皮筋扎住，使袋子紧贴于钢管表面，以便插入钻孔中。然后将注浆管插入钢管底部，用注浆泵通过注浆管向管内注入水泥砂浆，水泥砂浆从注浆管流出后，进入钢管底部，再经钢管壁上的小孔流入袋子内，袋子进浆膨胀后自下而上撑断橡皮筋自然张开，袋内空气通过浆液面以上钢管壁上的小孔及钢管与注浆管间隙排出钻孔外。袋子充盈至满浆液后成为柱体。在此过程中，受充浆袋的限制，浆液只能充填袋子而不能随意漫流，在充浆的过程中袋子起到限制水泥砂浆外流的“模板”作用。等整个袋子被水泥砂浆充满且管口溢浆后，拔出注浆管，将钢管和袋子留在洞穴内。这时充满水泥砂浆的袋子下端支承在洞室底部，上端支顶于洞室顶部并与洞壁密切接触，待水泥砂浆凝固后，就可形成其直径基本上等于袋子直径的柱子，形成对洞室顶部的有效支撑。按前述方法并根据设计要求，可以在地面上对需要进行支撑加固的洞室内设置多根支撑柱，形成支撑柱群，这样就可以有效实现对洞室顶部的支护，避免其塌陷下沉而影响地表建筑物。

本发明的方法所采用的袋子可为编织袋，例如丙纶纺织袋，这种袋子有较好的强度。

为防止注浆后充浆袋歪斜，并保证钢管居于袋子中间。可在充浆袋范围内，沿钢管高度方向等间距设置数道“十字型”内拉绳，使袋子与钢管间距固定，拉绳的长度约为袋子的半径，以约束袋子的变位。当在钢管与袋子间设置约束拉绳后，既可起到防止注浆时袋子歪斜，又可以有效防止在注浆时因局部注浆过多造成袋子破裂。

另外在进行充浆作业时，还可以分段注浆，即在一段充浆凝固后再充填其上一段的水泥砂浆，这样可以更好地防止柱体歪斜现象的产生。

由前述的方法即可在洞室内形成一根其中心为定位钢管，主体为凝固的水泥砂浆并外套一层袋子的支撑柱。

采用上述方法还可在空洞中的相应位置，设置其外径相互接触或重叠的支撑柱群，形成由支撑柱群构成的类似模壳隔离作用的帷幕墙。在这样的帷幕墙围成的区域内再进行抛石和注浆作业，可以在局部区域形成更为坚固的加固和支撑，并可以有效防止在帷幕墙区域内进行抛石、充浆作业时产生的跑浆漏浆现象。

本发明采用钢管与袋子及水泥砂浆的有机组合，可在洞室内形成多个地下支撑柱群，起到对地表的支撑作用，有效防止因地下洞室塌陷对地面环境的影响，造成大范围地表沉陷变形，避免沉降变形对地面建筑物及其它设施的破坏，保护生态环境。本发明支撑柱的整个施工过程均在地面上进行，因此可适用于对自然形成或人工形成的各种地下洞穴的支护，特别是可用于对那些工作人员根本无法进入的地下溶洞、采空区进行支撑加固。采用本发明在必要时可根据加固建筑物的重要性，调整支撑柱的间距和平面布置，使其围成一定的几何空间，起到帷幕墙的作用，在其内抛石或注浆，可大大节省材料，避免无效注浆。

在本发明的支撑柱设置过程中，因水泥砂浆是注入袋子内的，袋子的容积是有限的，因此可以克服现有技术普遍存在的大量跑浆，即无效注浆的弊病。实施本发明的方法时，如果在袋子与钢管间设置内拉绳，可以起到防止注浆时袋子发生歪斜的现象，同时可避免注浆时因局部注浆量过多造成袋子破裂问题。

附图说明

图1为采用现有技术在桥墩下的溶洞中灌注水泥砂浆示意图。由图中可见当溶洞与裂隙相连时，将产生大量无效注浆，甚至根本无法注满。

图2为采用现有技术在公路下的采空区灌注水泥砂浆示意图。由图可见在这种情况下很难在短期内填满采空区。

图3为采用本发明的方法在桥墩下存在裂隙的溶洞中设置支撑柱的示意图。

图4为采用本发明的方法在公路下的采空区设置支撑柱的示意图。

图5为本发明的设置支撑柱的示意图。

图6为图5中1-1位置的剖面示意图。

图7为采用本发明方法在局部载荷区(如桥墩)下面的溶洞内，设置支撑柱群形成的支撑帷幕区示意图(俯视图)。

图8为采用本发明方法在在公路两侧下的采空区内，设置由多个支撑柱构成的地下封闭帷幕示意图(俯视图)。

具体实施方式

附图5为本发明的具体实施方式。其中：1-钻孔；2-绑扎袋子下口或袋子上口的绳子；3-用于充填水泥砂浆的袋子；4-钢管；5-位于钢管壁上的用于流出水泥砂浆的孔；6-内拉绳；7-砂浆；8-位于钢管下端管口内设置的用于封堵下管口的底塞；9-注浆管。

本发明实施过程如下：

在地面用钻机向地下空洞钻出孔1，孔1的直径为9～13厘米均可，也可以根据设计要求钻出更大一点直径的孔，在钻透洞顶后继续向空洞底面钻孔，直至钻孔抵达洞室底面以下40～60厘米处。取外径小于钻孔直径，内径大于注浆管的钢管4。在本发明的一个具体实施例中钢管外径为5厘米。在钢管4的管壁上均匀开设若干小孔5，使水泥砂浆能从管内流出管外，开孔段的高度应当大于地下洞室的净高度。在钢管4的下端可以塞一个底塞8，用于防止在注浆时砂浆从钢管下口流出。再在钢管4的下端套两头开口的编织袋3，套袋3采用翻套的方法，也就是将袋子的外表面先反圈起来，呈现一类似环状的袋卷，然后将钢管放入袋卷中心，再逐步沿钢管向上反向卷开袋子，直至将袋子完全套于钢管外。在翻套编织袋的过程中，可同时将袋子内的拉绳6系绑在钢管适当位置上，内拉绳6可在直径范围内约束袋子。内拉绳6可沿钢管高度方向均匀设置。在袋子套好后将编织带3两头牢牢捆扎于钢管上，因其长度比洞室净空大，故扎住的两头位于钻孔内，如此能保证柱子两端与洞室密切。将套有袋子的钢管插入钻孔中，入孔前应先将袋子捏瘪排出空气，用橡皮筋将袋子扎在钢管外，使袋子紧贴于钢管外表面，以便入孔。钢管插入钻孔内后，钢管的下端是插在钻孔的底部。然后将注浆管9插入钢管4的底部，用注浆泵向注浆管内注入水泥砂浆。水泥砂浆从注浆管流出后，经管壁上开的孔5流入袋子内。袋子进浆后由下而上膨胀并将橡皮筋挣断自然张开，袋内的空气会通过浆面以上钢管上的小孔及注浆管与钢管间隙排出钻孔外，袋子进浆后逐渐充盈至满形成柱体。由此可见，在注浆过程中，受编织袋3的限制，水泥砂浆不能随意漫流，袋子3起到类似于限制水泥砂浆外流的“模板”作用。当整个袋子3被水泥砂浆充满且孔口溢浆后，拔出注浆管9。这时其内充满水泥砂浆的袋子下端支承在洞室的底部，上端支顶于洞室的顶部并密帖，两端均与洞室上下底相接触，等水泥砂浆凝固后，即可形成其直径基本上等于袋子直径的柱子，起到对洞室顶部的有效支撑。按前述方法并根据设计要求，可在需要进行支撑加固的洞室内设置多根支撑柱，形成支撑柱群，这样就可以有效实现对洞室顶部的支护，避免其塌陷下沉而破坏地表建筑物及其它设施。关于这方面的具体情况可参见附图3、附图4，以及附图7和附图8。

由图3可见，由本发明的方法将形成能有效支撑溶洞的支撑柱，特别是可以避免因裂隙造成的大量无效注浆的问题。

由图4可见，由本发明的方法可在公路两侧形成能有效支撑溶洞(或采空区)的支撑柱，同时可以彻底克服现有技术所存在的不足。在必要时还可在公路正下方再设置支撑柱，以更有效形成对公路的支撑。

由本发明可知，在所形成的支撑柱中，钢管不仅起到使水泥浆进入充浆袋的作用，而且在注浆过程中还起到支撑定位的作用，水泥砂浆凝固后还能起到增强支撑柱的强度和刚度的作用。如果在整个管壁上均匀开设注浆孔，高于充浆袋的孔在注浆作业中可使水泥浆进入钻孔与管壁外，还可起到对钢管固定的作用，也便于在充浆过程中观察水泥浆是否已经充足。由上述内容还可知，充浆袋在充浆过程中起到临时模袋的作用，在水泥砂浆凝固后则失去作用。

在图7给出的局部荷载(如桥墩)下面的溶洞内设置由多个支撑柱形成的支撑柱群的支撑体系，将会对洞室顶部的构筑物形成更为有效的支撑。

在特殊情况下，如只需对个别构筑物进行特殊加固时，可采用本发明的技术措施，根据充浆袋的直径，合理布置间距，使所形成的各支撑柱外径相互接触或重叠，如此形成的支撑柱群可构成一个地下连续的帷幕墙，在帷幕墙所围成的范围内，再钻孔进行抛石、注浆填充空洞，这时由多个支撑柱构成的帷幕墙起到类似模壳的作用，它可以有效防止跑浆现象，大大节省工程投资。通过这些技术措施可以形成对其顶部载荷更为可靠的支撑和加固。

Claims (5)

1. 地下洞室内设置支撑柱的方法，其特征是首先从地面向地下空洞区钻孔，钻孔穿透洞室直至洞室底面以下40～60厘米止，同时记录洞穴埋深及净空高度，取外径小于钻孔直径、内径大于注浆管外径、其长度略大于钻孔深度的钢管，在管壁上均匀开设可使水泥砂浆从管内流出管外若干小孔；在钢管下端套一柔性材料制成的其直径大于钻孔直径并具有强度的袋子，袋子长度略大于洞室净高，将袋子套在钢管上，并将袋子的两头捆扎固定在钢管上；将钢管插入钻孔内，使其下端伸入到钻孔底部；将注浆管插入钢管内直至底部，用注浆泵向注浆管注入水泥砂浆，水泥砂浆从注浆管流出后先进入到钢管底部，再经管壁上的小孔流入袋子内，袋子进浆后逐渐张开并充盈至满，待钻孔口溢浆后拔出注浆管，等水泥砂浆凝固后即可在洞室形成内置有钢管、其下端支承在空洞的底部，其上端支顶于空洞顶部可起到支撑洞室防止塌陷的作用的支撑柱。

2. 根据权利要求1所述的地下洞室内设置支撑柱的方法，其特征是钢管外所套的袋子为编织袋。

3. 根据权利要求所述的地下洞室内设置支撑柱的方法，其特征是在钢管外壁与外套袋子内表面间，且沿钢管高度分段设有可约束袋子变位和变形的内拉绳。

4. 权利要求1至3所述的任一方法形成的支撑柱，其特征是中间有一根钢管支撑定位，钢管外为凝固的水泥砂浆柱体，在凝固的水泥砂浆柱体外套有成模作用的袋子。

5. 一种在地下空洞中形成帷幕的方法，其特征是采用权利要求1或2或3所述的方法在空洞中需要形成帷幕的位置，根据袋子的直径合理设置间距，使其支撑柱外径相互密切或重叠，形成一道由支撑柱群构成的，起到类似模壳隔离作用的帷幕墙。

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