CN101408106A - 小管棚超前注浆法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小管棚超前注浆法，包括：护坡处理；顶入双排导管；封闭边坡工作面；通过双排导管向进硐段注浆；采用短台阶法预留核心土掘进；架设拱部支架，在拱部支架上安装单排管棚管，并在拱部支架上焊挂金属网，网喷混凝土形成拱部支护；通过单排管棚管向掘进段注浆；跟进开挖下台阶，安装拱部支架的支架腿，网喷混凝土形成墙部支护；已开挖巷道采用混凝土永久砌筑，采用上述方法，继续前掘后砌，直到完成掘进段工程。本发明通过小导管超前注浆，增加了松散层的粘结力；金属网喷砼与管棚组成的外层支护确保开挖后的巷道在进行永久支护前的稳定与安全；工程造价较低、施工速度快、安全效果好，施工质量能够保证。

Description

小管棚超前注浆法

技术领域

本发明涉及一种巷道及隧道的施工方法，特别是涉及一种长距离位于上覆深厚风积砂等特别松散地层中，矿山巷道及隧道建设的小管棚超前注浆的施工方法。

背景技术

通常，在各类矿山建设中采用平硐、斜井开拓的建设项目，以及铁路、公路等隧道项目中，巷道可能处于少量的松散地层中，该松散地层上覆盖的风积砂厚度小，距离较短。在此种少量的松散地层的巷道中，一般采用明槽开挖的方法进行施工，并且施工方法较成熟，施工效果好。

但在上覆长距离的深厚风积砂等特别松散地层中，采用明槽开挖的方法施工，开挖量太大，需占用大片场地，工时常常拖延，同时还极易发生砂层流淌、冒落等工程灾害。而采用盾构法、冻结法、旋喷桩法、大管棚等其他方法施工，不仅需要专业的施工队伍，而且工艺复杂，施工成本高，并且施工效果得不到保证。

因此，对于长距离上覆深厚风积砂等特别松散地层的巷道施工，目前还缺乏较成熟的施工方法，是斜井井筒中施工的一大难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种小管棚超前注浆法，具有工程造价较低、施工速度快、安全效果好、保证施工质量等特点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种小管棚超前注浆法，包括：

步骤1、架设边坡，进行护坡处理；

步骤2、顶入双排导管；

步骤3、将双排导管露头和护坡用混凝土喷为一体，封闭边坡工作面；

步骤4、通过双排导管向进硐段注浆；

步骤5、采用短台阶法预留核心土掘进上台阶形成拱形断面；

步骤6、在拱形断面上架设拱部支架，在拱部支架上安装单排管棚管，并在拱部支架上焊挂金属网，网喷混凝土形成拱部支护；

步骤7、通过单排管棚管向掘进段注浆；

步骤8、跟进开挖下台阶，安装拱部支架的支架腿，在支架腿上焊挂金属网，网喷混凝土形成墙部支护；

步骤9、已开挖巷道采用混凝土永久砌筑，返回执行步骤5，直到完成掘进段工程。

本发明提出了一种小管棚超前注浆法，达到了如下的有益效果：

1、通过小导管超前注浆，增加了松散层的粘结力；

2、通过预留核心土，保持了对开挖工作面的有效支撑；

3、通过架设管棚进一步增强了短段开挖时的砂土层的稳定；

4、金属网喷砼与管棚共同组成的外层支护具有足够的抵抗地压的能力，能够确保开挖后的巷道在进行永久支护前的稳定与安全；

5、永久衬砌，提高支护质量；

6、工程造价较低、施工速度快、安全效果好，施工质量能够保证。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施流程图；

图2为本发明护坡处理的实施流程图；

图3为本发明架设进硐超前管棚的实施流程图；

图4为本发明架设硐内超前管棚的实施流程图；

图5为本发明护坡处理和架设进硐超前管棚的施工剖面图；

图6为本发明进硐超前管棚的导管布置示意图；

图7为本发明架设硐内超前小管棚的施工剖面图；

图8为本发明硐内超前小管棚的管棚管布置示意图。

附图标记说明：

101-第一边坡；	102-第二边坡；	103-导向支架；
			104-内圈导管布置线；	105-外圈导管布置线；	106-导管；
107-预留核心土；	108-拱部支架；	109-第一金属网；
			1010-单排管棚管；	1011-第二金属网；	1012-底部导管；
1013-支架腿。

具体实施方式

图1为本发明实施流程图。如图1所示，本发明小管棚超前注浆法，包括：

步骤1、架设边坡，进行护坡处理；

步骤2、顶入双排导管；

步骤3、将导管露头和护坡用混凝土喷为一体，封闭边坡工作面；

步骤4、通过双排导管向进硐段注浆；

步骤5、采用短台阶法预留核心土掘进上台阶形成拱形断面；

步骤6、在拱形断面上架设拱部支架，在拱部支架上安装单排管棚管，并在拱部支架上焊挂金属网，网喷混凝土，形成拱部支护；

步骤7、通过单排管棚管向掘进段注浆；

步骤8、跟进开挖下台阶，安装拱部支架的支架腿，在支架腿上焊挂金属网，网喷混凝土，形成墙部支护；

步骤9、已开挖巷道采用混凝土永久砌筑，返回执行步骤5，直到完成掘进段工程。

图2为本发明护坡处理的实施流程图。如图2所示，步骤1可具体为：

步骤11、在硐挖轮廓线外侧，将罗纹钢打入砂层中，固定金属网，作为第一边坡，第一边坡轴线与水平线夹角为45°；

步骤12、在硐挖轮廓线内侧，采用注浆锚杆吊拉金属网，作为第二边坡，第二边坡轴线与水平线夹角为75°；

步骤13、对第一边坡和第二边坡距硐挖轮廓线5m部分，网喷混凝土200mm支护加固；

步骤14、对第一边坡和第二边坡距硐挖轮廓线5m外的正面及侧面部分，网喷混凝土100mm支护加固。

图3为本发明架设进硐超前管棚的实施流程图。如图3所示，步骤2可具体为：

步骤21、架设多个工字钢支架作为导管施工导向；

步骤22、采用风动煤钻，分别在硐挖轮廓线外250mm和硐挖轮廓线外450mm的拱部上每隔250mm钻一个导管孔，底部每隔400mm钻一个导管孔，分别形成内圈导管孔和外圈导管孔；

步骤23、采用轻型液压支柱配合手持式风钻或采用大吨位千斤顶，经内圈导管孔和外圈导管孔沿导管施工导向，将具有注浆口的导管顶入砂土层，进硐超前管棚架设完成。

步骤4可具体为：用风力扫眼器吹净导管内余砂；调整注浆泵的注浆压力小于或等于1.5MPa，注浆泵依次通过内圈导管、外圈导管向进硐段注入水灰比为1∶0.5～1∶1、扩散半径为300mm的单液水泥浆。

图4为本发明架设硐内超前管棚的实施流程图。如图4所示，步骤6可具体为：

步骤61、在拱形断面上每隔500mm架设一个具有定位孔的工字钢腹板拱部支架；

步骤62、在拱部支架靠近拱形断面的一侧上焊挂第一金属网，网喷混凝土，形成第一拱部支护；

步骤63、通过拱部支架工字钢腹板中部的定位孔向砂土层钻孔，并安装单排管棚管；

步骤65、在拱部支架远离拱形断面的一侧上焊挂第二金属网，网喷混凝土，形成第二拱部支护；

步骤66、喷射混凝土进行拱形断面工作面封闭。

其中，步骤63可具体为：每隔200m经拱部支架工字钢腹板中部的定位孔，用电煤钻或风动煤钻向砂土层钻孔，采用人工大锤配合手持风钻打入2.4-3m无缝钢管，钢管轴线与巷道轴线的夹角为15°。

步骤7可具体为：通过单排管棚管向掘进段注入水灰比为1∶0.5～1∶1、扩散半径为200mm的单液水泥浆。

步骤8中安装拱部支架的支架腿可具体为：在下台阶滞后上台阶4～6m处，安装拱部支架的支架腿。

步骤9中已开挖巷道采用混凝土永久砌筑具体为：当前工作面前20m的已开挖巷道采用混凝土永久砌筑，每次砌筑4.5m。

上述技术方案中，步骤6和步骤7之间还可包括：在拱部支架每侧底部对称向砂土层打入多根导管，并与拱部支架焊接，通过该导管向掘进段墙部注浆的步骤。

此外，步骤5、步骤8和步骤9也可采用前掘后砌的平行作业方式，以进一步提高本发明施工进度。

本发明小管棚超前注浆法的工艺原理是：利用钢管与浆液固结体的相互作用，采用单排小导管超前注浆支护，短台阶法预留核心土掘进，在砂层中超前钻孔，打入小导管并压注具有胶凝性质的单液水泥浆液，当钢管穿过松散地层、软弱围岩，岩石(土)等破坏区后，伸入到原状土部位时，有力地保障了开挖面岩土体的稳定，起到骨架，格栅作用；另一方面通过注浆使浆液从钢管孔中压出，并在一定的压力作用下注入到钢管周围松散，软弱的地层中，从而形成复合稳定的固结体，使周围地层的力学性质得到改变，稳定性能得到加强，从而提高围岩的整体性，可以防止土层坍塌。使超前小管棚与固结体形成一个具有一定强度的壳体，在壳体的保护下进行开挖支护施工。

本发明通过在进硐段及硐内掘进段采用管棚超前注浆，并在硐内掘进段采用短台阶法预留核心土掘进，金属网混凝土配合管棚外层支护，前掘后砌平行作业的方式，取得了如下积极效果：

1、通过小导管超前注浆，增加了松散层的粘结力；

2、通过预留核心土，保持了对开挖工作面的有效支撑；

3、通过架设管棚进一步增强了短段开挖时的砂土层的稳定；

4、金属网喷砼与管棚共同组成的外层支护具有足够的抵抗地压的能力，能够确保开挖后的巷道在进行永久支护前的稳定与安全；

5、永久衬砌，提高支护质量；

6、工程造价较低、施工速度快、安全效果好，施工质量能够保证。

下面结合工程实例，具体说明本发明在长距离位于上覆深厚风积砂等特别松散地层中，矿山巷道建设中的应用。

某矿井副斜井井筒施工，该井口标高为1195m，井筒全长1315m，倾角5°，净宽5.6m，净高4.2m；表土段井筒设计长度1030m，掘进断面28.32m2，掘进宽度6.6m，掘进高度5.5m，永久支护形成500mm厚C30素混凝土。

由勘测资料可知，该井筒从井口至588m长度全部为粉、细砂层，间或局部有一些含土质砂层和砂礓，砂层中无含水。

该井筒采用本发明小管棚超前注浆法施工，取得了理想的效果。具体施工过程如下：

(一)进行硐口护坡处理

图5为本发明护坡处理和架设进硐超前管棚的施工剖面图。如图5所示，首先在硐挖轮廓线外侧，将φ14×1500mm罗纹钢直接打入砂层中，固定金属网，作为第一边坡101，第一边坡101轴线与水平线夹角为45°；接着在硐挖轮廓线内侧，采用注浆锚杆吊拉金属网，作为第二边坡102，第二边坡102轴线与水平线夹角为75°。

边坡架设好后，采用网喷混凝土200mm对第一边坡101和第二边坡102距硐挖轮廓线5m部分支护加固，该部分兼做硐口导管注浆的封闭层；采用网喷混凝土100mm对第一边坡101和第二边坡102距硐挖轮廓线5m外的正面及侧面部分支护加固，以保证边坡稳定。

(二)架设进硐超前管棚

进硐段采用双排长导管架设超前管棚，进行超前注浆支护。图6为本发明进硐超前管棚的导管布置示意图。参见图5和图6，在进硐段，架设4个工字钢支架作为导管施工导向支架103；采用风动煤钻，分别在硐挖轮廓线外250mm(内圈导管布置线104)和硐挖轮廓线外450mm(外圈导管布置线105)的拱部上每隔250mm钻一个导管孔，底部每隔400mm钻一个导管孔，分别形成内圈导管孔和外圈导管孔；每钻一孔就开始顶入导管，采用轻型液压支柱配合手持式风钻或采用大吨位千斤顶，经导管孔沿导管施工导向，将具有注浆孔的导管106顶入砂土层，导管中心轴线与巷道夹角为2°，超前大管棚架设完成。

其中，所用的导管由三节φ76×6mm的无缝钢管组成，每节钢管长2.5m，管头加工成斜尖头，不封口，以便于钢管打入时减少阻力。距钢管口1m后钻φ6mm～φ8mm的注浆孔，孔距15cm，呈梅花形交错布置。顶导管时，先顶入一节钢管，每一节钢管即将顶完前，用φ60mm穿心管焊接下一节导管继续顶入，直到满足设计要求。本实施例中用共顶入三节钢管，总长度7.5米。

采用双排导管注浆，有利于确保注浆帷幕的形成。注浆时，用风力扫眼器吹净导管内余砂；调整注浆泵的注浆压力小于或等于1.5MPa，注浆泵依次通过内圈导管和外圈导管向进硐段注入水灰比为1∶0.5～1∶1、扩散半径为300mm的单液水泥浆。

注浆完成后，采用C20喷射混凝土进行边坡工作面封闭，喷射厚度不低于300mm，并将导管露头和护坡等全部喷为一体，形成外层支护，确保封浆效果。

当进硐段长管棚掘进及支护4～5m后，硐内掘进段采用架设超前小管棚施工，其中，进硐段大管棚长导管与硐内小管棚的短导管重叠部分为2～3m。

(三)架设硐内超前小管棚

图7为本发明架设硐内超前小管棚的施工剖面图。图8为本发明硐内超前小管棚的管棚管布置示意图。参图7和图8所示，硐内采用短台阶法预留核心土107掘进，形成上、下两个台阶，上台阶形成一个拱形断面，长3～4m，在拱形断面上每隔500mm架设一架具有定位孔的工字钢腹板拱部支架108；在拱部支架108靠近拱形断面的一侧上焊挂第一金属网109，网喷混凝土100mm，形成第一拱部支护；通过拱部支架工字钢腹板中部的定位孔向砂土层钻孔，并安装单排管棚管1010；在拱部支架远离拱形断面的一侧上焊挂第二金属网1011，网喷混凝土100mm，形成第二拱部支护(即：第一拱部支护和第二拱部支护的总厚度为200mm)；每隔200m经拱部支架工字钢腹板中部的定位孔，用电煤钻或风动煤钻向砂土层钻孔，采用人工大锤配合手持风钻打入单排2.4～3m无缝钢管，钢管轴线与巷道轴线的夹角为15°；喷射混凝土进行工作面封闭。

此外，为增加后续下台阶开挖、安装支架腿1013时砂层的稳定性，并防止拱部支架108下沉，可在拱部支架每侧底部对称向砂土层打入4根底部导管1012，并与拱部支架108焊接，该导管与拱部支架108上的导管1010同时注浆。

注浆时，通过单排管棚管向掘进段注入水灰比为1∶0.5～1∶1、扩散半径为200mm的单液水泥浆。

拱部支护完成后，跟进开挖下台阶，下台阶滞后上台阶4～6m处，安装拱部支架的支架腿1013，在支架腿上1013焊挂金属网，网喷混凝土，形成墙部支护；在当前工作面掘进20米后，对已开挖巷道采用混凝土永久砌筑，每次砌筑长度为4.5米。

为确保上述施工稳妥可靠，关键是：在拱形断面上架设拱部支架，在拱部支架上焊挂第一金属网，并进行混凝土网喷100mm等3个步骤必须一气呵成，尽可能减少砂土暴露在空气中的时间。

在施工过程中，上台阶拱部掘进和架设管棚；下台阶支架腿安装后墙部网喷，以及已开挖巷道的永久砌筑均可平行作业，以加快施工进程，本工程施工月进度可达100m。

本工程采用本发明小管棚超前注浆法施工，取得了如下显著的经济效果：

1、单液水泥浆的价格仅为化学浆液的1/8-1/10，采用单液水泥浆进行注浆施工，在取得相同的注浆效果下，节约了材料费用85％-90％；

2、使用大管棚法施工每米造价为8.2万元；使用冻结法施工每米造价为12万元；采用本发明施工，管棚支护部分每米造价为22380元，管棚注浆部分每米造价为12213元，合计本发明施工每米造价34593元，经济效益显著。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种小管棚超前注浆法，其特征在于，包括：

步骤1、架设边坡，进行护坡处理；

步骤2、顶入双排导管；

步骤3、将双排导管露头和护坡用混凝土喷为一体，封闭边坡工作面；

步骤4、通过双排导管向进硐段注浆；

步骤5、采用短台阶法预留核心土掘进上台阶形成拱形断面；

步骤6、在拱形断面上架设拱部支架，在拱部支架上安装单排管棚管，并在拱部支架上焊挂金属网，网喷混凝土形成拱部支护；

步骤7、通过单排管棚管向掘进段注浆；

步骤8、跟进开挖下台阶，安装拱部支架的支架腿，在支架腿上焊挂金属网，网喷混凝土形成墙部支护；

步骤9、已开挖巷道采用混凝土永久砌筑，返回执行步骤5，直到完成掘进段工程。

2.根据权利要求1所述的小管棚超前注浆法，其特征在于，所述步骤1具体为：

在硐挖轮廓线外侧，将罗纹钢打入砂层中，固定金属网，作为第一边坡，第一边坡轴线与水平线夹角为45°；

在硐挖轮廓线内侧，采用注浆锚杆吊拉金属网，作为第二边坡，第二边坡轴线与水平线夹角为75°；

对第一边坡和第二边坡距硐挖轮廓线5m部分，网喷混凝土200mm支护加固；

对第一边坡和第二边坡距硐挖轮廓线5m外的正面及侧面部分，网喷混凝土100mm支护加固。

3.根据权利要求1所述的小管棚超前注浆法，其特征在于，所述步骤2包括：

架设多个工字钢支架作为导管施工导向；

采用风动煤钻，分别在硐挖轮廓线外250mm和硐挖轮廓线外450mm的拱部上每隔250mm钻一个导管孔，底部每隔400mm钻一个导管孔，分别形成内圈导管孔和外圈导管孔；

采用轻型液压支柱配合手持式风钻或采用大吨位千斤顶，分别经内圈导管孔和外圈导管孔沿导管施工导向，将具有注浆口的导管顶入砂土层。

4.根据权利要求1所述的小管棚超前注浆法，其特征在于，所述步骤4具体为：用风力扫眼器吹净导管内余砂；调整注浆泵的注浆压力小于或等于1.5MPa，注浆泵依次通过内圈导管和外圈导管向进硐段注入水灰比为1∶0.5～1∶1、扩散半径为300mm的单液水泥浆。

5.根据权利要求1所述的小管棚超前注浆法，其特征在于，所述步骤6包括：

步骤61、在拱形断面上每隔500mm架设一个具有定位孔的工字钢腹板拱部支架；

步骤62、在拱部支架靠近拱形断面的一侧上焊挂第一金属网，网喷混凝土，形成第一拱部支护；

步骤63、通过拱部支架工字钢腹板中部的定位孔向砂土层钻孔，并安装单排管棚管；

步骤64、在拱部支架远离拱形断面的一侧上焊挂第二金属网，网喷混凝土，形成第二拱部支护；

步骤65、喷射混凝土进行拱形断面工作面封闭。

6.根据权利要求5所述的小管棚超前注浆法，其特征在于，所述步骤63包括：每隔200mm经拱部支架工字钢腹板中部的定位孔，用电煤钻或风动煤钻向砂土层钻孔，采用人工大锤配合手持风钻打入单排2.4～3m无缝钢管，钢管轴线与巷道轴线的夹角为15°。

7.根据权利要求1所述的小管棚超前注浆法，其特征在于，所述步骤7具体为：通过单排管棚管向掘进段注入水灰比为1∶0.5～1∶1、扩散半径为200mm的单液水泥浆。

8.根据权利要求1所述的小管棚超前注浆法，其特征在于，所述步骤8中安装拱部支架的支架腿具体为：在下台阶滞后上台阶4～6m处，安装拱部支架的支架腿。

9.根据权利要求1所述的小管棚超前注浆法，其特征在于，所述步骤9中已开挖巷道采用混凝土永久砌筑具体为：当前拱形断面工作面前20m的已开挖巷道采用混凝土永久砌筑，每次砌筑4.5m。

10.根据权利要求1～9所述任一的小管棚超前注浆法，其特征在于，所述步骤6和步骤7之间还包括：在拱部支架每侧底部对称向砂土层打入多根导管，并与拱部支架焊接，通过该导管向掘进段墙部注浆的步骤。

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