CN101846604A - 隧道内注浆加固效果检验方法及其检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道内注浆加固效果检验方法及其检测装置，属于隧道工程领域。隧道内注浆加固效果检验方法为分别用钻机将检测装置水平钻进注浆前后的隧道掌子面，在土体内形成椭圆导洞，对装置的测量气室充气加压检测各级压力下椭圆导洞的短轴和长轴的位移量，按弹性理论公式计算注浆前后的土体力学参数静止侧压力系数K₀、泊松比μ、弹性模量E，对比注浆前后上体的力学参数，从注浆前后土体的力学参数变化给出注浆加固的效果的结论。检测装置的核心部件是管状的膨胀内腔和橡胶的膨胀膜构成的测量气室，在装置钻进土体后，由测量气室的位移传感器和压力传感器检测现场数据。本发明操作简单，能够快速、定量、科学的评价注浆加固效果。

Description

隧道内注浆加固效果检验方法及其检测装置

技术领域

本发明属于隧道工程领域，涉及一种隧道内注浆加固效果检验方法及其检测装置。

背景技术

目前，在大规模的城市地铁和山岭隧道的施工中，注浆已成为加固地层、防水堵水的有效常用方法。其好坏将直接影响到隧道出现漏水塌方、发生事故的概率。而注浆又属隐蔽工程，其好坏不易探知，目前还未形成一个有效的、定量的、科学的评价体系。现有的注浆效果检验方法有：P-Q-t曲线法、原位触探法、取样室内试验法等，其中P-Q-t曲线法较为常用，它是通过注浆压力、注浆量、注浆时间的相互关系来定性判断注浆效果的好坏，它可以满足工程中快速、定性评价的作用，但无法取得科研中最重要的力学参数。而原位触探试验测得的参数往往需要靠经验公式来取得和其他力学参数的关系，若无经验公式很难说明注浆前后土体的力学变化。室内试验测得的力学参数往往无法真正反映现场的实际参数的变化。而注浆前后土体的力学参数变化对科学研究来说是至关重要的，尤其在数值模拟中，力学参数的准确性对模拟结果影响很大，必须取得现场土体原位测量的力学参数，而现有的原位测量方法都是从地面垂直钻探至地下进行测量，因为注浆土体的具体位置又不能从地面准确测量，所以从地面钻探的方法费时、费力、破坏环境，且不可避免的做了很多无用功，另外，加之现有的原位测量装置体积庞大、自动化低、操作不便、测得参数难以直接用于数值计算，所以原有的方法和装置都不适合对隧道内注浆土体的检验。因此提出从隧道内掌子面直接水平钻探测量的方法，而此时测量原理发生了变化，故原有的测量仪器的也无法使用。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于解决涉及暗挖法施工的隧道工程中注浆效果的检验以及土体力学参数的原位测量的方法和装置，可在施工现场根据装置测量数据直接计算出注浆前后土体的力学参数，能够定量、科学评价隧道内注浆工程的好坏，提供数值计算中注浆土体力学参数选取的依据，通过力学参数的变化来说明注浆工程的好坏，预测隧道漏水塌方、发生事故的概率，提出一种隧道内注浆加固效果检验方法及其检测装置。

隧道内注浆加固效果检验方法的技术方案是，根据用隧道内注浆加固效果检测装置测得的现场数据，用理论推导出的公式计算出土体的常见计算用力学参数，如静止侧压力系数K₀、弹性模量E、泊松比μ、粘聚力c、内摩擦角

等，评价隧道内注浆工程的好坏，提供数值计算中注浆土体力学参数选取的依据，其步骤为：

步骤1循环暗挖隧道注浆前，在其掌子面中上部选定第一水平线，在第一水平线上任选一个第一检测点，根据第一水平线和隧道轮廓线的相对距离以及该掌子面所在里程，推算出该第一水平线距地面的距离h，并计算出其上土体的加权平均重度γ，该值变化范围不大，可直接利用隧道勘察资料提供的数据进行计算，并由此计算出该水平线处自重应力σ_Z＝γh；

步骤2将隧道内注浆加固效果检测装置固接在注浆用的钻机的钻臂上，隧道内注浆加固效果检测装置的加气管和加压充气装置相接，隧道内注浆加固效果检测装置的数据传输线与记录仪连接，保持钻臂沿隧道纵向水平，隧道内注浆加固效果检测装置对准掌子面的第一水平线上选定的第一检测点；

步骤3调节隧道内注浆加固效果检测装置的平衡杆，使平衡杆气泡室内气泡位于正中央，即平衡杆平行于选定的第一水平线，隧道内注浆加固效果检测装置处于水平状态；

步骤4利用钻机的推力和工作人员对平衡杆的推力以及隧道内注浆加固效果检测装置上锋利的刃脚，将隧道内注浆加固效果检测装置推入掌子面上已选定的第一检测点一段距离；

步骤5开动钻机，带动隧道内注浆加固效果检测装置上的耙式螺旋钻头的旋转，切削掌子面土体，并将切削后的土体经由螺旋钻杆的旋转带到隧道内注浆加固效果检测装置的出渣口排出，隧道内注浆加固效果检测装置也随即插进掌子面中，并在掌子面内形成一个圆形导洞；

步骤6待隧道内注浆加固效果检测装置的出渣口开始进入掌子面时，关闭钻机，停止钻进，掌子面内的圆形导洞在土体初始应力作用下开始发生变形，在隧道内注浆加固效果检测装置的膨胀膜处的圆形导洞变形成椭圆形的导洞，利用装置的膨胀膜内的椭圆形的导洞的长轴和短轴上的位移传感器测出掌子面上该椭圆导洞变形的长轴和短轴的位移量u|_{P＝0，θ＝0}和

步骤7启动加压充气装置，对隧道内注浆加固效果检测装置的膨胀膜内加压充气，利用膨胀膜内的压力传感器给出的压力数据记录每一级压力P，同时利用两个不同方位的位移传感器给出的位移数据记录该级压力下的位移值u|_P，θ＝0和

步骤8充气加压至导洞出现大位移或其它明显的破坏症状，将隧道内注浆加固效果检测装置从导洞中取出，整理所记录的数据，分别画出P-u|_P，θ＝0曲线和

曲线，在两条曲线上挑选出一段最接近直线的一部分，将这部分曲线上的压力差ΔP及位移差Δu分别记下；

步骤9计算注浆前土体的力学参数，其中静止侧压力系数K₀、泊松比μ、弹性模量E按弹性理论用以下公式计算：

$K_0=-\frac{({u|}_{P=0,\mathrm{\θ}=0}+{u|}_{P=0,\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}})\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\Δu}{\mathrm{\σ}}_Z}-1$

$\mathrm{\μ}=\frac{1-2K_0}{2-2K_0}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Pu}|}_{P=0,\mathrm{\θ}=0}}{2\mathrm{\Δu}(1-K_0){\mathrm{\σ}}_Z}$

$E=\frac{\mathrm{\ΔP}(1+\mathrm{\μ})r_0}{\mathrm{\Δu}}$

步骤10在掌子面上进行注浆，等注浆结束后，再在掌子面上第一水平线的上面或下面选定第二水平线，在第二水平线上任选一个第二检测点，重复步骤1至步骤9，在第二检测点测定和计算注浆后土体的力学参数；

步骤11对比注浆前后土体的力学参数，从注浆前后土体的力学参数变化给出注浆加固的效果的结论。

一种隧道内注浆加固效果检测装置，其特征在于，检测装置为筒形结构，从前端至尾端依次为钻进段、膨胀测量段、出渣段和、推力器和持力器同轴连接构成，钻进段包括刃脚9、耙式螺旋钻头21和螺旋钻杆22，刃脚9为管状，前端为锋利的圆形刃，刃脚9的后端与膨胀内腔14的前端固接，膨胀测量段的膨胀内腔14后端与出渣段的出渣管20前端固接，出渣管20的后端与推力器固定外壳23的前端固接，推力器固定外壳23的后端与持力器固定外壳29前端固接，耙式螺旋钻头9固接在螺旋钻杆22前端同轴置于刃脚9内部，螺旋钻杆22在膨胀内腔14和出渣管20内部同轴穿过，螺旋钻杆22的后端与推力器转动内杆24固接，推力器转动内杆24的后端固接于持力器转动内杆30前端，检测装置使用时持力器转动内杆30后端固接于钻机8的钻臂33，持力器转动内杆30、推力器转动内杆24、螺旋钻杆22和耙式螺旋钻头21可随钻臂33同轴转动；

膨胀测量段中，膨胀内腔14为管状，管壁中部外径小于两端的外径，管状的膨胀膜12套在膨胀内腔14外，两端用密封装置将膨胀膜12和膨胀内腔14密封，膨胀膜12和膨胀内腔14中部的间隙构成密封的测量气室；在测量气室中心位置，膨胀膜12内膨胀内腔14的正中间横断面上布置长轴位移传感器15、短轴位移传感器16和压力传感器17，短轴位移传感器16在膨胀内腔14外壁顶部位置垂直固接于膨胀内腔14的与膨胀膜12的内壁之间，长轴位移传感器15在与短轴位移传感器16在膜内膨胀内腔14的正中间横断面上顺时针或逆时针相差90度的水平位置径向固接于膨胀内腔14的外壁与膨胀膜12的内壁之间，压力传感器17固接在膨胀内腔14的外壁底部，长轴位移传感器15和短轴位移传感器16分别对应检测通气加压前后土层内椭圆导洞的长轴和短轴，顶部垂直安装的短轴位移传感器16用于测量短轴径向位移，中间水平安装的长轴位移传感器15用于测量长轴径向位移，底部的压力传感器17用于测量气压，长轴位移传感器15、短轴位移传感器16和压力传感器17分别通过数据传输线19引出测量气室与记录仪6电气连接；

出渣段的出渣管20中部为半圆形，向下的开口为出渣口，出渣管20中加气管18的前端固接在膨胀内腔14的内壁与测量气室连通，后端固接在出渣管20并穿过出渣管20的管壁连接到加压充气装置7；

一对平衡杆27在同一条持力器固定外壳29的直径上垂直于持力器固定外壳29的轴线水平固接在持力器固定外壳29的后部两侧，每个平衡杆27中部有一个向上的气泡室28，气泡室28内含有带气泡的透明液体，气泡室28内底部标有刻度，当气泡位于气泡室28的正中间时，表明装置处于完全水平状态。

所述密封装置的结构为，膨胀内腔14的两端各有一个密封槽，膨胀膜12套在膨胀内腔14上，两端用密封圈13将膨胀膜12压紧在密封槽内，膨胀膜12两端外翻，压紧帽11通过螺纹连接拧在膨胀内腔14上压紧膨胀膜12的外翻段，锁紧螺母10拧在膨胀内腔14上锁紧压紧帽11。

所述推力器由推力器固定外壳23、推力器转动内杆24、推力器滚柱25和推力器转芯26构成，推力器滚柱25置于推力器转芯26上，推力器滚柱25可以绕其中心轴在推力器转芯26上自转，推力器转芯26固接套在推力器转动内杆24上置于推力器固定外壳23内，推力器转动内杆24通过推力器转芯26上的推力器滚柱25和推力器固定外壳23内的推力面34构成滚动连接，推力器转芯26可在推力器固定外壳23内的推力面34上随推力器转动内杆24转动，既传递了钻机8的推力，又不使推力器固定外壳23转动。

所述持力器由持力器固定外壳29、持力器转动内杆30、持力器滚柱31和持力器转芯32构成，持力器滚柱31位于持力器转芯32上，持力器滚柱31可绕其自身的中心对称轴在持力器转芯32上自转，两个持力器转芯32套在持力器转动内杆30置于持力器固定外壳29内，持力器转动内杆30通过持力器转芯32上的持力器滚柱31和持力器固定外壳29构成滚动连接。

所述膨胀膜12的材料为厚度2～3mm的橡胶管。

刃脚、膨胀内腔、出渣管、推力器固定外壳和持力器固定外壳的依次同轴固接构成隧道内注浆加固效果检测装置的外壳。耙式螺旋钻头、螺旋钻杆、膨胀内腔、出渣管、推力器转动内杆和持力器转动内杆依次同轴固接，在检测装置外壳内部构成钻进装置。隧道内注浆加固效果检测装置在隧道掌子面上钻进时，钻机的钻臂只带动持力器转动内杆、推力器转动内杆、螺旋钻杆和耙式螺旋钻头转动，使耙式螺旋钻头切削土体钻进土层，螺旋钻杆将钻头切削后的土体带至出渣管的出渣口排出。检测装置的推力器将将钻机提供的推力传递给检测装置的外壳，外壳不随内部的钻进装置旋转，而与其同步推进，减少了对土体的扰动，保证土体尽量处于原位状态，可获得精确的土体力学数据。

本发明的有益效果为，本发明的隧道内注浆加固效果检验方法操作简单，能够快速、定量、科学的评价注浆加固效果，可以直接将注浆加固效果从土体的力学参数的变化上说明，这些参数在数值计算、科学研究中至关重要，便于科研人员的理解。本检验方法有效地将工程应用和科学研究拉近距离，实现了工程和科研的统一。本发明的隧道内注浆加固效果检测装置能够用于注浆土体水平原位测试方法，达到隧道内注浆加固效果检验的要求。本装置自动化程度高，操作简单，附属设备少，适用于隧道建设或科研数据的采集。

附图说明

图1为本发明方法实施时掌子面上选检测点的示意图。

图2为本发明方法实施时隧道内注浆加固效果检测装置使用示意图。

图3为隧道内注浆加固效果检测装置立体结构示意图。

图4是图3的A-A剖面图，即检测装置的内部结构示意图。

图5是图4的B-B断面图，即耙式螺旋钻头结构断面图。

图6是图4的G处放大剖面图，即测量气室密封装置示意图。

图7是图4的C-C断面图，即三个传感器的分布示意图。

图8是图4的D-D断面图，即出渣管的出渣口示意图。

图9是图4的H处放大剖面图，即推力器轴向示意图。

图10是图4的E-E断面图，即推力器径向示意图。

图11是图4的I处放大剖面图，即持力器轴向示意图。

图12是图4的F-F断面图，即持力器径向示意图。

图中，1--第一水平线，2--第一检测点，3--第二检测点，4--第二水平线，5--隧道内注浆加固效果检测装置，6--记录仪，7--加压充气装置，8--钻机，9--刃脚，10--锁紧螺母，11--压紧帽，12--膨胀膜，13--密封圈，14--膨胀内腔，15--长轴位移传感器，16--短轴位移传感器，17--压力传感器，18--加气管，19--数据连接线，20--出渣管，21--耙式螺旋钻头，22--螺旋钻杆，23--推力器固定外壳，24--推力器转动内杆，25--推力器滚柱，26--推力器转芯，27--平衡杆，28--气泡室，29-持力器固定外壳，30--持力器转动内杆，31--持力器滚柱，32--持力器转芯，33--钻机钻臂，34--推力面。

具体实施方式

以下以实施例进一步阐述本发明的原理及其应用。要在图1所示的隧道掌子面检验注浆加固效果，需要如图2所示的装置，即隧道内注浆加固效果检测装置5、记录仪6、加压充气装置7和钻机8。记录仪6使用SI系列东崎Toky数字显示传感器表头，加压充气装置7用高压气瓶，钻机8为RPD-150C型超前地质钻机。

图3为隧道内注浆加固效果检测装置立体结构示意图，图4是图3的A-A剖面图，即检测装置的内部结构示意图。检测装置为筒形结构，从前端至尾端依次为钻进段、膨胀测量段、出渣段和、推力器和持力器同轴连接构成，钻进段包括刃脚9、耙式螺旋钻头9和螺旋钻杆22，刃脚9为管状，前端为锋利的圆形刃，刃脚9的后端与膨胀内腔14的前端固接，膨胀测量段的膨胀内腔14后端与出渣段的出渣管20前端固接，出渣管20的后端与推力器固定外壳23的前端固接，推力器固定外壳23的后端与持力器固定外壳29前端固接，耙式螺旋钻头9固接在螺旋钻杆22前端同轴置于刃脚9内部，如图5所示。此种钻头不仅可以切削普通粘性土体(注浆前土体)，而且此种钻头上的切削刀齿能适用于含有大量砾石、卵石以及注浆胶结体(注浆后土体)的土层钻进。螺旋钻杆22在膨胀内腔14和出渣管20内部同轴穿过，螺旋钻杆22可将钻头切削后的土体带至出渣管20的出渣口，将其排出装置外。螺旋钻杆22的后端与推力器转动内杆24固接，推力器转动内杆24的后端固接于持力器转动内杆30前端，检测装置使用时持力器转动内杆30后端固接于钻机8的钻臂33，持力器转动内杆30、推力器转动内杆24、螺旋钻杆22和耙式螺旋钻头21可随钻臂33同轴转动。

膨胀测量段中，膨胀内腔14为管状，管壁中部外径小于两端的外径，管状的膨胀膜12套在膨胀内腔14外，两端用密封装置将膨胀膜12和膨胀内腔14密封，膨胀膜12为厚度2～3mm的橡胶管，膨胀膜12和膨胀内腔14中部的间隙构成密封的测量气室，如图6所示。在测量气室中心位置，膨胀膜12内膨胀内腔14的正中间横断面上布置长轴位移传感器15、短轴位移传感器16和压力传感器17，短轴位移传感器16在膨胀内腔14外壁顶部位置垂直固接于膨胀内腔14的与膨胀膜12的内壁之间，长轴位移传感器15在与短轴位移传感器16在膨胀膜12内膨胀内腔14的正中间横断面上顺时针或逆时针相差90度的水平位置径向固接于膨胀内腔14的外壁与膨胀膜12的内壁之间，压力传感器17固接在膨胀内腔14的外壁底部，如图7所示。长轴位移传感器15和短轴位移传感器16分别对应检测通气加压前后土层内椭圆导洞的长轴和短轴，顶部垂直安装的短轴位移传感器16用于测量短轴径向位移，中间水平安装的长轴位移传感器15用于测量长轴径向位移，底部的压力传感器17用于测量气压，长轴位移传感器15、短轴位移传感器16和压力传感器17分别通过数据传输线19引出测量气室与记录仪6电气连接。

图8是图4的D-D断面图，即出渣管的出渣口示意图。出渣段的出渣管20中部为半圆形，向下的开口为出渣口，出渣管20中加气管18的前端固接在膨胀内腔14的内壁与测量气室连通，后端固接在出渣管20并穿过出渣管20的管壁连接到加压充气装置7。

一对平衡杆27在同一条持力器固定外壳29的直径上垂直于持力器固定外壳29的轴线水平固接在持力器固定外壳29的后部两侧，每个平衡杆27中部有一个向上的气泡室28，气泡室28内含有带气泡的透明液体，气泡室28内底部标有刻度，当气泡位于气泡室28的正中间时，表明装置处于完全水平状态。

图6给出了测量气室密封装置示意图，密封装置的结构为，膨胀内腔14的两端各有一个密封槽，膨胀膜12套在膨胀内腔14上，两端用密封圈13将膨胀膜12压紧在密封槽内，膨胀膜12两端外翻，压紧帽11通过螺纹连接拧在膨胀内腔14上压紧膨胀膜12的外翻段，锁紧螺母10拧在膨胀内腔14上锁紧压紧帽11。

如图8和图9所示，推力器由推力器固定外壳23、推力器转动内杆24、推力器滚柱25和推力器转芯26构成，推力器滚柱25置于推力器转芯26上，推力器滚柱25可以绕其中心轴在推力器转芯26上自转，推力器转芯26固接套在推力器转动内杆24上置于推力器固定外壳23内，推力器转动内杆24通过推力器转芯26上的推力器滚柱25和推力器固定外壳23内的推力面34构成滚动连接，推力器转芯26可在推力器固定外壳23内的推力面34上随推力器转动内杆24转动，既传递了钻机8的推力，又不使推力器固定外壳23转动。推力器的作用是将钻机提供的推力传递给检测装置的外壳，而外壳不随钻机的钻臂旋转而旋转，只向前推进，这样可以减少对土体的扰动，保证土体尽量处于原位状态。

如图11和图12所示，所述持力器由持力器固定外壳29、持力器转动内杆30、持力器滚柱31和持力器转芯32构成，持力器滚柱31位于持力器转芯32上，持力器滚柱31可绕其自身的中心对称轴在持力器转芯32上自转，两个持力器转芯32套在持力器转动内杆30置于持力器固定外壳29内，持力器转动内杆30通过持力器转芯32上的持力器滚柱31和持力器固定外壳29构成滚动连接。持力器的作用是将钻机的钻臂转动传递到检测装置上，使耙式螺旋钻头水平稳定地钻进。

如图1所示，要在检测隧道掌子面上检测注浆前和注浆后的现场数据，再用理论推导出的公式计算出土体的常见计算用力学参数，如静止侧压力系数K₀、弹性模量E、泊松比μ，评价隧道内注浆工程的好坏，提供数值计算中注浆土体力学参数选取的依据，其步骤为：

步骤1循环暗挖隧道注浆前，在其掌子面中上部选定第一水平线12，在第一水平线1上任选一个第一检测点2，根据第一水平线1和隧道轮廓线的相对距离以及该掌子面所在里程，推算出该第一水平线1距地面的距离h，并计算出其上土体的加权平均重度γ，该值变化范围不大，可直接利用隧道勘察资料提供的数据进行计算，并由此计算出第一水平线1处自重应力σ_Z＝γh；

步骤2将隧道内注浆加固效果检测装置5固接在注浆用的钻机的钻臂33上，隧道内注浆加固效果检测装置5的加气管18和加压充气装置7相接，隧道内注浆加固效果检测装置5的数据传输线19与记录仪6连接，保持钻臂33沿隧道纵向水平，隧道内注浆加固效果检测装置对准掌子面的第一水平线上选定的第一检测点；

步骤3调节隧道内注浆加固效果检测装置5的平衡杆27，使平衡杆27上气泡室28内气泡位于气泡室28的正中间，即平衡杆平行于选定的第一水平线1，隧道内注浆加固效果检测装置5处于水平状态；

步骤4利用钻机的推力和工作人员对平衡杆的推力以及隧道内注浆加固效果检测装置5上锋利的刃脚9，将隧道内注浆加固效果检测装置5推入掌子面上已选定的第一检测点2一段距离；

步骤5开动钻机8，带动隧道内注浆加固效果检测装置5上的耙式螺旋钻头21的旋转，切削掌子面土体，并将切削后的土体经由螺旋钻杆22的旋转带到出渣管20的出渣口排出，隧道内注浆加固效果检测装置5也随即插进掌子面中，在掌子面内形成一个圆形导洞；

步骤6待隧道内注浆加固效果检测装置5的出渣口开始进入掌子面时，关闭钻机8，停止钻进，此时，掌子面内的圆形导洞在土体初始应力作用下开始发生变形，在隧道内注浆加固效果检测装置5的膨胀膜处的圆形导洞变形成椭圆形的导洞，利用膨胀膜内的两个不同方位的长轴位移传感器15和短轴位移传感器16测出掌子面上该椭圆导洞变形的长轴和短轴的位移量u|_{P＝0，θ＝0}和

步骤7启动加压充气装置7，对隧道内注浆加固效果检测装置5的测量气室加压充气，利用测量气室内的压力传感器17给出的压力数据在记录仪6记录每一级压力P，同时利用两个不同方位的长轴位移传感器15和短轴位移传感器16给出的位移数据在记录仪6记录该级压力下的位移值u|_P，θ＝0和

步骤8充气加压至导洞出现大位移或其他明显的破坏症状，将隧道内注浆加固效果检测装置5从导洞中取出，整理所记录的数据，分别画出P-u|_P，θ＝0曲线和

曲线，在两条曲线上挑选出一段最接近直线的一部分，将这部分曲线上的压力差ΔP及位移差Δu分别记下；

步骤9计算注浆前土体的力学参数，其中静止侧压力系数K₀、泊松比μ、弹性模量E已经由弹性理论求得，可按照下式计算：

$K_0=-\frac{({u|}_{P=0,\mathrm{\θ}=0}+{u|}_{P=0,\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}})\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\Δu}{\mathrm{\σ}}_Z}-1$

$\mathrm{\μ}=\frac{1-2K_0}{2-2K_0}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{Pu}|}_{P=0,\mathrm{\θ}=0}}{2\mathrm{\Δu}(1-K_0){\mathrm{\σ}}_Z}$

$E=\frac{\mathrm{\ΔP}(1+\mathrm{\μ})r_0}{\mathrm{\Δu}}$

步骤10在掌子面上进行注浆，等注浆结束后，再在掌子面上第一水平线1的上面或下面选定第二水平线3，在第二水平线上任选一个第二检测点4，重复步骤1～步骤9，在第二检测点4测定和计算注浆后土体的力学参数；

步骤11对比注浆前后土体的力学参数，从注浆前后土体的力学参数变化给出注浆加固的效果的结论。

本发明能够在隧道掌子面上直接测得注浆前后土体的力学参数，提供隧道数值计算中注浆土体力学参数选取的依据，然后通过力学参数的变化来说明注浆工程的好坏，预测隧道漏水塌方、发生事故的概率，本发明既给出了检验测量方法，又提出了其相应的检测装置，并有严密的力学理论推导做支持，通过本发明的检验方法及其检测装置测得的数据，可根据理论推导出的公式计算出土体的常见计算用力学参数。

Claims (6)

1.一种隧道内注浆加固效果检验方法，其特征在于，根据用隧道内注浆加固效果检测装置测得的现场数据，用理论推导出的公式计算出土体的常见计算用力学参数：静止侧压力系数K₀、弹性模量E、泊松比μ，评价隧道内注浆工程的好坏，提供数值计算中注浆土体力学参数选取的依据，其步骤为：

步骤1循环暗挖隧道注浆前，在其掌子面中上部选定第一水平线，在第一水平线上任选一个第一检测点，根据第一水平线和隧道轮廓线的相对距离以及该掌子面所在里程，推算出该第一水平线距地面的距离h，并计算出其上土体的加权平均重度γ，该值变化范围不大，可直接利用隧道勘察资料提供的数据进行计算，并由此计算出该水平线处自重应力σ_Z＝γh；

步骤2将隧道内注浆加固效果检测装置固接在注浆用的钻机的钻臂上，隧道内注浆加固效果检测装置的加气软管和加压充气装置相接，隧道内注浆加固效果检测装置的数据传输线与记录仪连接，保持钻臂沿隧道纵向水平，隧道内注浆加固效果检测装置对准掌子面的第一水平线上选定的第一检测点；

步骤3调节隧道内注浆加固效果检测装置的平衡杆，使平衡杆气泡室内气泡位于正中央，即平衡杆平行于选定的第一水平线，隧道内注浆加固效果检测装置处于水平状态；

步骤4利用钻机的推力和工作人员对平衡杆的推力以及隧道内注浆加固效果检测装置上锋利的刃脚，将隧道内注浆加固效果检测装置推入掌子面上已选定的第一检测点一段距离；

步骤5开动钻机，带动隧道内注浆加固效果检测装置上的耙式螺旋钻头的旋转，切削掌子面土体，并将切削后的土体经由螺旋钻杆的旋转带到隧道内注浆加固效果检测装置的出渣口排出，隧道内注浆加固效果检测装置也随即插进掌子面中，并在掌子面内形成一个圆形导洞；

步骤6待隧道内注浆加固效果检测装置的出渣口开始进入掌子面时，关闭钻机，停止钻进，掌子面内的圆形导洞在土体初始应力作用下开始发生变形，在隧道内注浆加固效果检测装置的膨胀膜处的圆形导洞变形成椭圆形的导洞，利用装置的膨胀膜内的椭圆形的导洞的长轴和短轴上的位移传感器测出掌子面上该椭圆导洞的长轴和短轴的位移量u|_{P＝0，θ＝0}和

步骤7启动加压充气装置，对隧道内注浆加固效果检测装置的膨胀膜内加压充气，利利用膨胀膜内的压力传感器给出的压力数据记录每一级压力P，同时利用两个不同方位的位移传感器给出的位移数据记录该级压力下的位移值u|_P，θ＝0和

步骤8充气加压至导洞出现大位移或其他明显的破坏症状，将隧道内注浆加固效果检测装置从导洞中取出，整理所记录的数据，分别画出P-u|_P，θ＝0曲线和

曲线，在两条曲线上挑选出一段最接近直线的一部分，将这部分曲线上的压力差ΔP及位移差Δu分别记下；

步骤9计算注浆前土体的力学参数，其中静止侧压力系数K₀、泊松比μ、弹性模量E按弹性理论用以下公式计算：

$K_0=-\frac{(u{|}_{P=0,\mathrm{\θ}=0}+{u|}_{P=0,\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}})\mathrm{\ΔP}}{{\mathrm{\Δu\σ}}_Z}-1$

$\mathrm{\μ}=\frac{1-2K_0}{2-2K_0}-\frac{{\mathrm{\ΔPu}|}_{P=0,\mathrm{\θ}=0}}{2\mathrm{\Δu}(1-K_0){\mathrm{\σ}}_Z}$

$E=\frac{\mathrm{\ΔP}(1+\mathrm{\μ})r_0}{\mathrm{\Δu}}$

步骤10在掌子面上进行注浆，等注浆结束后，再在掌子面上第一水平线的上面或下面选定第二水平线，在第二水平线上任选一个第二检测点，重复步骤1至步骤9，在第二检测点测定和计算注浆后土体的力学参数；

步骤11对比注浆前后土体的力学参数，从注浆前后土体的力学参数变化给出注浆加固的效果的结论。

2.一种隧道内注浆加固效果检测装置，其特征在于，检测装置为筒形结构，从前端至尾端依次为钻进段、膨胀测量段、出渣段和、推力器和持力器同轴连接构成，钻进段包括刃脚(9)、耙式螺旋钻头(21)和螺旋钻杆(22)，刃脚(9)为管状，前端为锋利的圆形刃，刃脚(9)的后端与膨胀内腔(14)的前端固接，膨胀测量段的膨胀内腔(14)后端与出渣段的出渣管(20)前端固接，出渣管(20)的后端与推力器固定外壳(23)的前端固接，推力器固定外壳(23)的后端与持力器固定外壳(29)前端固接，耙式螺旋钻头(21)固接在螺旋钻杆(22)前端同轴置于刃脚(9)内部，螺旋钻杆(22)在膨胀内腔(14)和出渣管(20)内部同轴穿过，螺旋钻杆(22)的后端与推力器转动内杆(24)固接，推力器转动内杆(24)的后端固接于持力器转动内杆(30)前端，检测装置使用时持力器转动内杆(30)后端固接于钻机8的钻臂(33)，持力器转动内杆(30)、推力器转动内杆(24)、螺旋钻杆(22)和耙式螺旋钻头(21)可随钻臂(33)同轴转动；

膨胀测量段中，膨胀内腔(14)为管状，管壁中部外径小于两端的外径，管状的膨胀膜(12)套在膨胀内腔(14)外，两端用密封装置将膨胀膜(12)和膨胀内腔(14)密封，膨胀膜(12)和膨胀内腔(14)中部的间隙构成密封的测量气室；在测量气室中心位置，膨胀膜(12)内膨胀内腔(14)的正中间横断面上布置长轴位移传感器(15)、短轴位移传感器(16)和压力传感器(17)，短轴位移传感器(16)在膨胀内腔(14)外壁顶部位置垂直固接于膨胀内腔(14)的与膨胀膜(12)的内壁之间，长轴位移传感器(15)在与短轴位移传感器(16)在膜内膨胀内腔(14)的正中间横断面上顺时针或逆时针相差90度的水平位置径向固接于膨胀内腔(14)的外壁与膨胀膜(12)的内壁之间，压力传感器(17)固接在膨胀内腔(14)的外壁底部，长轴位移传感器(15)、短轴位移传感器(16)和压力传感器(17)分别通过数据传输线(19)引出测量气室与记录仪(6)电气连接；

出渣段的出渣管(20)中部为半圆形，向下的开口为出渣口，出渣管(20)中加气管(18)的前端固接在膨胀内腔(14)的内壁与测量气室连通，后端固接在出渣管(20)并穿过出渣管(20)的管壁通过加气管(18)连接到加压充气装置7；

一对平衡杆(27)在同一条持力器固定外壳(29)的直径上垂直于持力器固定外壳(29)的轴线水平固接在持力器固定外壳(29)的后部两侧，每个平衡杆(27)中部有一个向上的气泡室(28)，气泡室(28)内含有带气泡的透明液体，气泡室(28)内底部标有刻度；

3.根据权利要求1所述的一种隧道内注浆加固效果检测装置，其特征在于，所述密封装置的结构为，膨胀内腔(14)的两端各有一个密封槽，膨胀膜(12)套在膨胀内腔(14)上，两端用密封圈(13)将膨胀膜(12)压紧在密封槽内，膨胀膜(12)两端外翻，压紧帽(11)通过螺纹连接拧在膨胀内腔(14)上压紧膨胀膜(12)的外翻段，锁紧螺母(10)拧在膨胀内腔(14)上锁紧压紧帽(11)。

4.根据权利要求1所述的一种隧道内注浆加固效果检测装置，其特征在于，所述推力器由推力器固定外壳(23)、推力器转动内杆(24)、推力器滚柱(25)和推力器转芯(26)构成，推力器滚柱(25)置于推力器转芯(26)上，推力器滚柱(25)可以绕其中心轴在推力器转芯(26)上自转，推力器转芯(26)固接套在推力器转动内杆(24)上置于推力器固定外壳(23)内，推力器转动内杆(24)通过推力器转芯(26)上的推力器滚柱(25)和推力器固定外壳(23)内的推力面(34)构成滚动连接，推力器转芯(26)可在推力器固定外壳(23)内的推力面(34)上随推力器转动内杆(24)转动，既传递了钻机(8)的推力，又不使推力器固定外壳(23)转动。

5.根据权利要求1所述的一种隧道内注浆加固效果检测装置，其特征在于，所述持力器由持力器固定外壳(29)、持力器转动内杆(30)、持力器滚柱(31)和持力器转芯(32)构成，持力器滚柱(31)位于持力器转芯(32)上，持力器滚柱(31)可绕其自身的中心对称轴在持力器转芯(32)上自转，两个持力器转芯(32)套在持力器转动内杆(30)置于持力器固定外壳(29)内，持力器转动内杆(30)通过持力器转芯(32)上的持力器滚柱(31)和持力器固定外壳(29)构成滚动连接。

6.根据权利要求1所述的一种隧道内注浆加固效果检测装置，其特征在于，所述膨胀膜(12)的材料为厚度2～3mm的橡胶管。

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