CN104790982B - 一种暗挖隧道超深孔注浆用套壳料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种暗挖隧道超深孔注浆用套壳料，用以在暗挖隧道超深孔注浆中耐受高压，以保证高压注浆时的注浆浆液不外溢，套壳料主要由水泥、膨润土、水以及外加剂混合而成，其中：水泥、膨润土、水以及外加剂的体积比为：1：m：n：0.03，其中：m的取值范围为（1.2，1.5），n的取值范围为（1.5，2），用以使套壳料浆液在高压注浆时耐受高压；套壳料浆液的凝固时间和强度增长速率控制在2‑5天内满足灌浆条件。本发明的暗挖隧道超深孔注浆用套壳料，在高压注浆时耐受高压，能够克服注浆过程中因串浆而引起的袖阀管内进浆问题以及因袖阀管变形而导致的卡管问题。
Description
技术领域
本发明涉及工程领域，尤其涉及一种应用在填海区域软弱底层、硬塑性粘土层、全强风化地层中暗挖隧道超深孔注浆用套壳料。
背景技术
现有的暗挖隧道超深孔注浆方式存在如下技术问题：由于在填海区域存在填石、砂层、淤泥等软弱地层，从地表往下为回填土层、全、强风化混合花岗片麻岩，地下水丰富，主要为孔隙水、局部为基岩裂隙水，渗透性强、水量大，地下风化岩具有遇水易崩解的特点。此类地层暗挖隧道施工，存在很大的技术难度和风险。现有的隧道内水平深孔或地表垂直注浆无法应用在填海区域软弱底层、硬塑性粘土层、全强风化地层中。
此外，目前的隧道水平或垂直注浆结构受注浆管材料、套壳料、注浆孔布置设计等因素的限制，其注浆结果通常在25米深度以内。
现有暗挖隧道注浆中的袖阀管承受的压力有限，容易出现因串浆而引起的袖阀管内进浆问题以及因袖阀管变形而导致的卡管问题。现有使用的袖阀管结构复杂、成本较高、无法重复使用。此外，现有的套壳料耐压程度不够，容易出现在高压注浆时浆液外溢的情况。
为了顺应城市发展需求，确保隧道施工和结构安全，进行合理的隧道周围地层注浆加固是十分重要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种暗挖隧道超深孔注浆用套壳料，在高压注浆时耐受高压，能够克服注浆过程中因串浆而引起的袖阀管内进浆问题以及因袖阀管变形而导致的卡管问题。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种暗挖隧道超深孔注浆用套壳料，用以在暗挖隧道超深孔注浆中耐受高压，以保证高压注浆时的注浆浆液不外溢，其特征在于，套壳料主要由水泥、膨润土、水以及外加剂混合而成，其中：水泥、膨润土、水以及外加剂的体积比为：1：m：n：0.03，其中：m的取值范围为(1.2，1.5)，n的取值范围为(1.5，2)，用以使套壳料浆液在高压注浆时耐受高压；套壳料浆液的凝固时间和强度增长速率控制在2-5天内满足灌浆条件，套壳用量＝1.3×π*R*H。其中：R＝钻孔半径*2-袖阀管半径*2，H＝注浆段高度；套壳料浇注成孔后，将钻杆下到孔底，用泥浆泵将拌好的套壳料经钻杆注入孔内注浆段。其中：止浆固管料为混合有速凝剂的速凝水泥浆，其中：所述速凝剂为水玻璃或氯化钙，水泥浆中水和水泥的体积比为：1：1.5；
注浆浆液为混合有水玻璃溶液的超细水泥浆或硅酸盐水泥浆，超细水泥浆或硅酸盐水泥浆与水玻璃溶液的体积比为：1：a，其中：a的取值范围为(0.5，1)；超细水泥浆或硅酸盐水泥浆中水和水泥的体积比为：b：1，其中：b的取值范围为(0.6，1)；水玻璃溶液的浓度为45Be'，模数为n，其中，n的取值范围为(2.4，2.8)。
其中，套壳料是在暗挖隧道超深孔注浆的钻孔作业后的钻孔孔底自下而上灌注而成。
其中，注浆浆液的扩散半径范围在0.5m-1.5m之间，高压注浆时的压力在1Mpa-3Mpa。
其中，钻孔作业所使用的钻机包括：在地表上进行泥浆护壁垂直钻孔时使用的地质钻机或在洞内水平钻孔时使用的跟管钻机，钻孔的孔径不小于130mm。
本发明所提供的暗挖隧道超深孔注浆用套壳料，具有如下有益效果：套壳料中水泥、膨润土、水以及外加剂的体积比为：1：m：n：0.03，其中：m的取值范围为(1.2，1.5)，n的取值范围为(1.5，2)，使其具有脆性高、收缩性小、力学强度适中等优点，可以使套壳料浆液在高压注浆时耐受高压，能够克服注浆过程中因串浆而引起的袖阀管内进浆问题以及因袖阀管变形而导致的卡管问题。此外，该套壳料体积比还能够实现凝固时间和强度增长速率的平衡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例暗挖隧道超深孔注浆注浆方法的结构框图。
图2是本发明实施例暗挖隧道超深孔注浆结构的套壳料的结构示意图。
图3是本发明实施例暗挖隧道超深孔注浆结构的袖阀管的结构示意图。
图4是本发明实施例暗挖隧道超深孔注浆结构的注浆芯管的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合参见图1-图4，为本发明一种暗挖隧道超深孔注浆方法的实施例一。
如图2所示，本发明公开了一种暗挖隧道超深孔注浆用套壳料，用以在暗挖隧道超深孔注浆中耐受高压，以保证高压注浆时的注浆浆液不外溢，可以应用在下述暗挖隧道超深孔注浆方法的步骤S20中(如图2所示的标注3为灌注完成后的套壳料结构)。
本实施例中的套壳料是在暗挖隧道超深孔注浆的钻孔作业后的钻孔孔底自下而上灌注而成，其主要由水泥、膨润土、水以及外加剂混合而成，其中：水泥、膨润土、水以及外加剂的体积比为：1：m：n：0.03，其中：m的取值范围为(1.2，1.5)，n的取值范围为(1.5，2)，用以使套壳料浆液在高压注浆时耐受高压。
水泥、膨润土、水以及外加剂的体积比可以保持套壳料的脆性较高，收缩性小，力学强度适宜。能够实现防止串浆的情况下兼顾开环，使在橡胶套和止浆塞的作用下，迫使在灌浆段范围内挤破套壳料而进入地层。
其它实施方式中，套壳料水泥、膨润土、水以及外加剂的浆液的比重为1.5，漏斗粘度24-26s，其能够实现套壳料浆液的凝固时间和强度增长速率控制在2-5天内，以最优的效率满足灌浆条件。
优选的，套壳用量＝1.3×π*R*H。其中：R＝钻孔半径*2-袖阀管半径*2，H＝注浆段高度。
具体实施时，套壳料浇注成孔后，将钻杆下到孔底，用泥浆泵将拌好的套壳料经钻杆注入孔内注浆段。其中：止浆固管料为混合有速凝剂的速凝水泥浆，其中：所述速凝剂为水玻璃或氯化钙，水泥浆中水和水泥的体积比为：1：1.5。
进一步的，还包括制备注浆浆液的步骤，其中：注浆浆液为混合有水玻璃溶液的超细水泥浆或硅酸盐水泥浆，超细水泥浆或硅酸盐水泥浆与水玻璃溶液的体积比为：1：a，其中：a的取值范围为(0.5，1)；超细水泥浆或硅酸盐水泥浆中水和水泥的体积比为：b：1，其中：b的取值范围为(0.6，1)；水玻璃溶液的浓度为45Be'，模数为n，其中：n的取值范围为(2.4，2.8)。
优选的，注浆浆液的扩散半径范围在0.5m-1.5m之间，注浆孔间距为1.0-2.0m，高压注浆时的压力在1Mpa-3Mpa。
具体实施时，本实施例中的暗挖隧道超深孔注浆方法包括以下步骤：步骤S10，在洞内水平钻孔或地表上进行泥浆护壁垂直钻孔；具体实施时，在洞内水平钻孔使用跟管钻机钻进，钻孔孔径130mm。在此过程中，配合使用制浆设备、高压主双液注浆泵并设置三通管路运行，以实现单双浆液的注浆施工。在地表上进行泥浆护壁垂直钻孔时，可以使用地质钻机，套管护壁。在此过程中，配合使用制浆设备、高压主双液注浆泵并设置三通管路运行，以实现单双浆液的注浆施工。
进一步的，步骤S10之前还包括：搭设施工平台，测量钻孔的孔位及校正钻机方位和倾角的步骤。该步骤可为超深孔注浆的安全作业做好准备。同时，测量钻孔的孔位及校正钻机方位和倾角的步骤可对注浆孔进行有效且合理的布置，可有效规避局部基岩裂隙水的问题。
步骤S20，将配制好的套壳料送至钻孔的孔底，自下而上对套壳料进行灌注；其步骤可使套壳料既能在一定的压力下，压开填料进行横向注浆，又能在高压注浆时，阻止浆液沿孔壁或管壁流出地表。
步骤S30，制作底部封闭的袖阀管，并将其垂直压入钻孔内，使袖阀管的中心轴线位于钻孔的中心位置。其中：垂直压入钻孔可使在注浆过程中袖阀管周围各个部分的压力均衡，防止引发崩解等危险。
进一步的，步骤S30之后还包括：配置止浆固管料，在袖阀管上安装止浆环，并在袖阀管的射浆孔的上部区域内注入止浆固管料直至孔口的止浆固管料凝固；其中：止浆固管料的凝固时间控制在2-5天以内。
具体实施时，套壳料浇注成孔后，将钻杆下到孔底，用泥浆泵将拌好的套壳料经钻杆注入孔内注浆段。
进一步的，还包括制备注浆浆液的步骤，其中：注浆浆液为混合有水玻璃溶液的超细水泥浆或硅酸盐水泥浆，超细水泥浆或硅酸盐水泥浆与水玻璃溶液的体积比为：1：a，其中：a的取值范围为(0.5，1)；超细水泥浆或硅酸盐水泥浆中水和水泥的体积比为：b：1，其中：b的取值范围为(0.6，1)；水玻璃溶液的浓度为45Be'，模数为n，其中：n的取值范围为(2.4，2.8)。
步骤S40，在袖阀管内置入注浆芯管，通过注浆芯管对袖阀管进行第一次注浆。
具体实施时，第一次注浆为自下而上进行的分段间歇性注浆，注浆浆液为上述制备注浆浆液步骤中所制备的浆液，注浆浆液的扩散半径范围在0.5m-1.5m之间，注浆孔间距为1.0-2.0m，高压注浆时的压力在1Mpa-3Mpa。
优选的，步骤S40还包括监测地面及建筑物的沉降情况的步骤，用以控制注浆前后建筑物的上抬量不得超过2mm，其中：当发现被加固建筑物有上抬的趋势，即停止注浆，待消除安全隐患后继续作业。
步骤S50，通过注浆芯管对袖阀管进行第二次注浆。第二次注浆为自下而上进行的分段间歇性注浆，注浆浆液为上述制备注浆浆液步骤中所制备的浆液，注浆浆液的扩散半径范围在0.5m-1.5m之间，注浆孔间距为1.0-2.0m，高压注浆时的压力在1Mpa-3Mpa。
优选的，步骤S50还包括监测地面及建筑物的沉降情况的步骤，用以控制注浆前后建筑物的上抬量不得超过2mm，其中：当发现被加固建筑物有上抬的趋势，即停止注浆，待消除安全隐患后继续作业。
进一步的，步骤S50之后还包括清洗袖阀管的步骤，以备再次使用。该步骤可以延长袖阀管的使用寿命。
进一步的，步骤S50之后还包括检测注浆效果的步骤，通过打设探测孔，在注浆前后对比得出土层土体的密实度，比较注浆前后的土体承载力数值，以使注浆后的土体承载力是注浆前的4-8倍。该步骤有利于提高施工安全性。
如图3所示，本发明还公开了一种暗挖隧道超深孔注浆用袖阀管，用以在填海区域软弱底层、硬塑性粘土层或全强风化地层的暗挖隧道注浆时输送注浆浆液，袖阀管1包括：底套11、连接在底套11上管壁12，管壁12围挡底套11形成中空的圆柱管，管壁12上开设多个用以将袖阀管1的内部和外部相连通的出浆孔13，以及用以配合出浆孔13形成单向出浆通道的弹性套管14，弹性套管14套接在对应开设出浆孔13位置的管外壁12b上，其中：管壁12由耐高压硬塑材料制成。
具体实施时，底套11呈圆锥状，管壁12围挡底套11形成中空的圆柱管，管壁12的管内壁和管外壁分别为12a、12b。
优选的，袖阀管1的外径尺寸等于或大于80mm，最优为80mm，管壁的厚度等于或大于10mm，最优为10mm，其有利于合理布局注浆孔。
在管壁12上等距均匀开设多个出浆孔13，出浆孔13的作用是将袖阀管1的内部和外部相连通，在对应开设出浆孔13位置的管外壁12b上还套设有弹性套管14，例如其可以为橡胶套管等具有一定恢复作用力的弹性体。本实施例中，弹性套管14呈环状且套接在管外壁12b上。
优选的，弹性套管14的抗爆压力为4.5Mpa。
优选的，多个出浆孔13等距均匀设置，所述出浆孔的孔径尺寸为8mm，由于出浆孔13等距均匀开设，可以每隔一定的距离套设一个弹性套管14，使在无作用外力的情况下，弹性套管14能够将全部出浆孔13封闭。弹性套管14的作用是：配合出浆孔13形成单向出浆通道。
进一步的，管壁12由耐高压硬塑材料制成，具体可以通过钙塑聚丙烯注塑一体成型。本实时例中该材料的袖阀管既保留了常规袖阀管注浆的优点，又克服了注浆过程中因串浆而引起的袖阀管内进浆问题以及因袖阀管变形而导致的卡管问题，同时还能够承受所需的较大的注浆压力。此外，该袖阀管制作简单、成本低、施工方便，且可重复使用。
优选的，还包括：设置在管壁内部的能够抵压在管内壁上的多个用以控制注浆浆液流动的挡浆活塞。
优选的，相邻挡浆活塞将所述出浆孔分别区隔在袖阀管的不同注浆段。
如图4所示，本发明还公开了一种暗挖隧道超深孔注浆结构，用以在填海区域软弱底层、硬塑性粘土层或全强风化地层中进行暗挖隧道，包括：
注浆芯管2包括：注浆钢管21和紧固套接在注浆钢管21外部的多个用以控制注浆浆液流动的挡浆活塞22；设置在注浆芯管2外部的用以在暗挖隧道注浆时输送注浆浆液的袖阀管1，挡浆活塞22抵压在袖阀管1的管内壁12a上；
设置在袖阀管1外部的用以保证高压注浆时的注浆浆液不外溢的套壳料，其中：套壳料是在暗挖隧道超深孔注浆的钻孔作业后的钻孔孔底自下而上灌注而成。
具体实施时，袖阀管1设置在注浆芯管2的外部用以在暗挖隧道注浆时输送注浆浆液，挡浆活塞22抵压在袖阀管1的管内壁12a上。
进一步的，袖阀管1包括：底套11、连接在底套11上管壁12，管壁12围挡底套11形成中空的圆柱管，管壁12上开设多个用以将袖阀管1的内部和外部相连通的出浆孔13，以及用以配合出浆孔13形成单向出浆通道的弹性套管14，弹性套管14套接在对应开设出浆孔13位置的管外壁12b上，其中：管壁12由耐高压硬塑材料制成。
具体实施时，底套11呈圆锥状，管壁12围挡底套11形成中空的圆柱管，管壁12的管内壁和管外壁分别为12a、12b。
优选的，袖阀管1的外径尺寸等于或大于80mm，最优为80mm，管壁的厚度等于或大于10mm，最优为10mm，其有利于合理布局注浆孔。
在管壁12上等距均匀开设多个出浆孔13，出浆孔13的作用是将袖阀管1的内部和外部相连通，在对应开设出浆孔13位置的管外壁12b上还套设有弹性套管14，例如其可以为橡胶套管等具有一定恢复作用力的弹性体。本实施例中，弹性套管14呈环状且套接在管外壁12b上。
优选的，弹性套管14的抗爆压力为4.5Mpa。
优选的，多个出浆孔13等距均匀设置，所述出浆孔的孔径尺寸为8mm，由于出浆孔13等距均匀开设，可以每隔一定的距离套设一个弹性套管14，使在无作用外力的情况下，弹性套管14能够将全部出浆孔13封闭。弹性套管14的作用是：配合出浆孔13形成单向出浆通道。
进一步的，管壁12由耐高压硬塑材料制成，具体可以通过钙塑聚丙烯注塑一体成型。本实时例中该材料的袖阀管既保留了常规袖阀管注浆的优点，又克服了注浆过程中因串浆而引起的袖阀管内进浆问题以及因袖阀管变形而导致的卡管问题，同时还能够承受所需的较大的注浆压力。此外，该袖阀管制作简单、成本低、施工方便，且可重复使用。
优选的，相邻挡浆活塞22将出浆孔13分别区隔在袖阀管1的不同注浆段(不同的注浆深度位置)。与此同时，配置止浆固管料，在袖阀管1上安装止浆环，并在袖阀管1的射浆孔13的上部区域内注入止浆固管料直至孔口返止浓浆，且等待止浆固管料凝固。优选的，止浆固管料采用速凝水泥浆，水:水泥＝1：1.5。可采用水玻璃或氯化钙作速凝剂。要待孔口段止浆料凝固后才能灌浆。止浆固管料的凝固时间控制在2-5天以内。
本发明所提供的暗挖隧道超深孔注浆方法，具有如下有益效果：
第一、通过对泥浆护壁垂直钻孔和洞内水平钻孔时所采用钻机、注浆浆液的配比、浆液扩散半径、注浆孔间距以及注浆压力参数的限定、加之检测注浆效果的深孔注浆施工工艺，一方面能够满足隧道施工安全，降低施工风险，另一方面能够提升施工效率，节省工期。
第二、钻孔、灌注套壳料、袖阀管和注浆芯管的形成以及两次注浆的施工方式，使能够应用在填海区域软弱底层、硬塑性粘土层或全强风化地层中，能够产生较大的经济、社会和环境效益。
第三、套壳料中水泥、膨润土、水以及外加剂的体积比为：1：m：n：0.03，其中：m的取值范围为(1.2，1.5)，n的取值范围为(1.5，2)，使其具有脆性高、收缩性小、力学强度适中等优点，可以使套壳料浆液在高压注浆时耐受高压，能够克服注浆过程中因串浆而引起的袖阀管内进浆问题以及因袖阀管变形而导致的卡管问题。此外，该套壳料体积比还能够实现凝固时间和强度增长速率的平衡。
第四、袖阀管由钙塑聚丙烯注塑一体成型，其包括底套、管壁以及弹性套管，其中，管壁围挡底套形成中空的圆柱管，管壁上开设多个出浆孔，弹性套管套接在对应开设出浆孔位置的管外壁上，其材料、管径、壁厚及出浆孔的布置能够实现深度为50米的超深孔注浆结构。
Claims (4)
1.一种暗挖隧道超深孔注浆用套壳料，用以在暗挖隧道超深孔注浆中耐受高压，以保证高压注浆时的注浆浆液不外溢，其特征在于，所述套壳料主要由水泥、膨润土、水以及外加剂混合而成，其中：所述水泥、所述膨润土、所述水以及所述外加剂的体积比为：1：m：n：0.03，其中：
m的取值范围为(1.2，1.5)，n的取值范围为(1.5，2)，用以使套壳料浆液在高压注浆时耐受高压；所述套壳料浆液的凝固时间和强度增长速率控制在2-5天内满足灌浆条件，套壳用量＝1.3×π*R*H，其中：R＝钻孔半径*2-袖阀管半径*2，H＝注浆段高度；
套壳料浇注成孔后，将钻杆下到孔底，用泥浆泵将拌好的套壳料经钻杆注入孔内注浆段；其中：止浆固管料为混合有速凝剂的速凝水泥浆，其中：所述速凝剂为水玻璃或氯化钙，水泥浆中水和水泥的体积比为：1：1.5；
所述注浆浆液为混合有水玻璃溶液的超细水泥浆或硅酸盐水泥浆，超细水泥浆或硅酸盐水泥浆与水玻璃溶液的体积比为：1：a，其中：a的取值范围为(0.5，1)；
超细水泥浆或硅酸盐水泥浆中水和水泥的体积比为：b：1，其中：b的取值范围为(0.6，1)；
水玻璃溶液的浓度为45Be'，模数为n，其中，n的取值范围为(2.4，2.8)。
2.如权利要求1所述的暗挖隧道超深孔注浆用套壳料，其特征在于，所述套壳料是在暗挖隧道超深孔注浆的钻孔作业后的钻孔孔底自下而上灌注而成。
3.如权利要求1所述的暗挖隧道超深孔注浆用套壳料，其特征在于，所述注浆浆液的扩散半径范围在0.5m-1.5m之间，所述高压注浆时的压力在1Mpa-3Mpa。
4.如权利要求2所述的暗挖隧道超深孔注浆用套壳料，其特征在于，所述钻孔作业所使用的钻机包括：在地表上进行泥浆护壁垂直钻孔时使用的地质钻机或在洞内水平钻孔时使用的跟管钻机，所述钻孔的孔径不小于130mm。
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