CN105649656A - 一种适用于盾构隧道水下岩溶地层的灌浆系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于盾构隧道水下岩溶地层的灌浆系统及方法，系统包括安装于作业孔内的塑料外管以及套设于塑料外管内的灌浆管，塑料外管位于作业孔底部的一端封闭，塑料外管上设有多组沿轴向间隔布置的出浆孔组，塑料外管上对应每组出浆孔组均设有流向控制组件，灌浆管上安装有用于封闭灌浆管和塑料外管之间间隙的密封组件，灌浆管的出口端位于密封组件与塑料外管的封闭端之间，灌浆管的进口端与一灌浆设备相连，其结构简单、易于制作和安装。方法包括钻作业孔、安装塑料外管和带密封组件的灌浆管、灌入套壳料和采用分段灌注法灌入膏浆的步骤，其简单可控，不易重复劈裂，避免无效灌注，能提高施工效率，节约成本，易于达到工程设计防渗标准。
Description
技术领域
本发明涉及岩石工程地基处理灌浆技术领域，具体涉及一种适用于盾构隧道水下岩溶地层的灌浆系统及方法。
背景技术
水下岩溶地层灌浆处理是盾构隧道施工过程中常遇到的难题。现阶段，常用“袖阀管法”、“孔口封闭法”等灌浆工艺，但现有工程实践表明，袖阀管法对于处理小型岩溶效果尚好，若岩溶体积较大或岩溶有承压水存在时，袖阀管法灌注浆液易于稀释，难于达到防渗设计要求，而孔口封闭法采用一种稳定性强、抗水冲蚀性好、凝结时间可控、防渗性能优越、低价绿色环保等优点的膏浆能解决水下岩溶基础的灌浆处理，但孔口封闭法一般采用钢管灌注，存在易埋卡钢管，导致损伤盾构机切割刀具等问题。为此，若能将可控性膏浆引入到袖阀管法工艺中，将控制性灌浆工艺与控制性灌浆材料相结合则可解决地铁富水岩溶地基灌浆难题。
因此，如何改良现有袖阀管法，使其能达到灌注膏浆浆液的工艺要求，提出一种适用于盾构隧道水下岩溶处理的可控灌浆法，成为本领域相关人员急需研究解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种简单可控，不易重复劈裂，避免无效灌注，提高施工效率，节约成本，易于达到工程设计防渗标准的适用于盾构隧道水下岩溶地层的灌浆系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种适用于盾构隧道水下岩溶地层的灌浆系统，包括安装于作业孔内的塑料外管以及套设安装于所述塑料外管内并能沿塑料外管轴向调整安装位置的灌浆管，所述塑料外管位于作业孔底部的一端封闭，所述塑料外管上设有多组沿轴向间隔布置的出浆孔组，各出浆孔组包括一个以上出浆孔口，所述塑料外管上对应每组出浆孔组均设有仅使浆料向塑料外管外部单向流动的流向控制组件，所述灌浆管上安装有用于封闭灌浆管和塑料外管之间间隙的密封组件，所述灌浆管的出口端位于密封组件与塑料外管的封闭端之间，所述灌浆管的进口端与一灌浆设备相连。
上述的灌浆系统，优选的，所述塑料外管包括多根依次相连的塑料管，相邻塑料管通过塑料连接环连接，且塑料管与塑料连接环之间为丝扣连接；位于塑料外管底部的一根塑料管为端部封闭的封口管，各塑料连接环上均设有一组所述出浆孔组。
上述的灌浆系统，优选的，所述流向控制组件包括套设于塑料连接环上并包裹出浆孔口的弹性箍圈。
上述的灌浆系统，优选的，所述弹性箍圈的外部缠绕有多圈固定胶带。
上述的灌浆系统，优选的，所述密封组件为套设安装于灌浆管上的环形止浆气塞以及通过气管与环形止浆气塞相连的气压源；所述灌浆设备为高压脉动灌浆泵。
上述的灌浆系统，优选的，位于塑料外管底部的塑料管的直径为90cm~100cm，长度为5cm~10cm，可承受压力不小于3MPa；其余塑料管的长度为30cm~50cm，直径90cm~100cm，可承受压力不小于2Mpa；塑料连接环上设有3~6个直径为5cm~8cm的出浆孔口；所述弹性箍圈的直径为88cm~98cm；所述环形止浆气塞的内环直径为50cm，外环直径90cm~100cm，允许工作压力5~20Mpa。
上述的灌浆系统，优选的，所述灌浆管由多节钢管通过丝扣连接而成，各节钢管的长度为50cm~100cm，内径为50cm。
一种采用上述灌浆系统进行灌浆的方法，包括以下步骤：
（a）采用钻孔设备在地层钻出作业孔；
（b）在作业孔内安装带流向控制组件的塑料外管，再在塑料外管内安装灌浆管和密封组件，使塑料外管最下部的一组出浆孔组位于密封组件的下方，其余出浆孔组位于密封组件的上方；
（c）采用灌浆设备将套壳料灌入到塑料外管内，套壳料经出浆孔组灌入塑料外管与作业孔之间的环状间隙中，直至套壳料从作业孔孔口溢出，停止灌入套壳料；
（d）在套壳料未完全凝固之前，采用灌浆设备以分段灌注法将膏浆灌入地层，完成全孔段灌浆，具体是：先通过灌浆管将膏浆灌入塑料外管内，膏浆经出浆孔组及套壳料灌入地层，待该孔段灌注完成后，再将灌浆管和密封组件逐次向上提升，直至密封组件高出塑料外管最上部的一组出浆孔组，每一次提升均使塑料外管上有一组出浆孔组移动至密封组件的下方，且每一次提升后均采用灌浆设备灌入一次膏浆。
上述的方法，优选的，所述灌浆设备采用高压脉动灌浆泵，所述高压脉动灌浆泵的脉动灌浆压力为0MPa~15Mpa，脉动泵量大于80L/min，脉动频率为5次/min~20次/min；所述步骤（a）中钻孔设备在地层自上向下分段钻孔得到作业孔，每段钻孔深度为5m~30m。
上述的方法，优选的，所述套壳料由粘土、水泥、粉煤灰和水组成，截锥圆模测得浆液流动度为90mm~180mm，原浆比重为1.1g/cm3~1.5g/cm3，水固比为2:1~1:1，3d抗压强度小于0.3Mpa；所述膏浆由粘土、水泥、水、偏铝酸钠和木质磺酸盐组成，偏铝酸钠掺量为1%~3%，木质磺酸盐掺量为1%~5%，截锥圆模测得浆液流动度为90mm~120mm，原浆比重为1.1g/cm3~1.5g/cm3，水固比为1.3:1~1:1，胶凝时间为4min~40min，28d抗压强度为8MPa~10Mpa。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的灌浆方法将改良的袖阀管控制性灌浆工艺和适宜富水岩溶地基的可控性膏浆结合到一起，解决了盾构隧道通过水下岩溶存在的盾构栽头，刀具易破损的问题，具有简单可控，不易重复劈裂，避免无效灌注，提高施工效率，节约成本，易于达到工程设计防渗标准的优点。其巧妙结合了袖阀管法和孔口封闭法两者的优点，解决了袖阀管不易灌注膏浆，孔口封闭法埋管不易盾构的问题。本发明的灌浆系统适用于上述的灌浆方法，其结构简单、易于制作和安装。
附图说明
图1为灌浆系统的结构示意图。
图2为塑料外管的结构示意图。
图3为塑料外管中未封闭的塑料管的结构示意图。
图4为塑料外管中一端端口封闭的塑料管的结构示意图。
图5为塑料连接环、弹性箍圈和固定胶带相互连接的结构示意图。
图6为环形止浆气塞安装于灌浆管上的结构示意图。
图7为灌浆管中钢管的结构示意图。
图8为灌浆方法的流程图。
图例说明：
1、塑料外管；11、出浆孔口；101、塑料管；102、塑料连接环；103、弹性箍圈；104、固定胶带；2、灌浆管；21、钢管；3、环形止浆气塞；4、气管；5、气压源；6、高压脉动灌浆泵；7、套壳料；8、膏浆。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本实施例适用于盾构隧道水下岩溶地层的灌浆系统，塑料外管1和灌浆管2，塑料外管1安装于作业孔内，灌浆管2套设安装于塑料外管1内并能沿塑料外管1轴向调整安装位置，也即灌浆管2可在塑料外管1内向上提升或下降，塑料外管1位于作业孔底部的一端封闭，塑料外管1上设有多组沿轴向间隔布置的出浆孔组，各出浆孔组包括一个以上出浆孔口11，塑料外管1上对应每组出浆孔组均设有仅使浆料向塑料外管1外部单向流动的流向控制组件，灌浆管2上安装有用于封闭灌浆管2和塑料外管1之间间隙的密封组件，灌浆管2的出口端位于密封组件与塑料外管1的封闭端之间，灌浆管2的进口端与一灌浆设备相连。
本实施例中，如图2至图5所示，塑料外管1包括多根均长、均质的高强塑料管101，多根塑料管101依次相连形成塑料外管1，具体的，相邻塑料管101通过塑料连接环102连接，且塑料管101与塑料连接环102之间为丝扣连接。位于塑料外管1底部的一根塑料管101为端部封闭的封口管，形成塑料外管1的封闭端，封口管呈锥形。各塑料连接环102上均设有一组出浆孔组，本实施例的出浆孔组包括3~6个绕塑料连接环102均匀间隔布置的出浆孔口11，出浆孔口11的直径为5cm~8cm。上述塑料外管1由多根高强塑料管101和塑料连接环102通过丝扣连接方式连接而成，其制作容易、便于储存和运输，并能根据实际需要拼接任意长度的塑料外管1，使用灵活性高。
本实施例中，流向控制组件包括套设于塑料连接环102上并包裹出浆孔口11弹性箍圈103，弹性箍圈103使浆料仅能在压力下从塑料外管1内腔向外部流动，其可以是橡胶套等弹性套。进一步的，弹性箍圈103的外部缠绕有5~6圈固定胶带104，起到加强固定的作用。
本实施例的塑料外管1和流向控制组件相当于一改良的袖阀管。
本实施例中，密封组件为套设安装于灌浆管2上的环形止浆气塞3以及通过气管4与环形止浆气塞3相连的气压源5，其中，环形止浆气塞3采用现有的圆环状高压止浆气塞，其可通过外购得到；灌浆设备为高压脉动灌浆泵6。
本实施例中，位于塑料外管1底部的塑料管101的直径为90cm~100cm，长度为5cm~10cm，可承受压力不小于3MPa；其余塑料管101的长度为30cm~50cm，直径90cm~100cm，可承受压力不小于2Mpa；弹性箍圈103的直径为88cm~98cm；环形止浆气塞3的内环直径为50cm，外环直径90cm~100cm，允许工作压力5~20Mpa。
本实施例中，如图6和图7所示，灌浆管2由多节钢管21通过丝扣连接而成，各节钢管21的长度为50cm~100cm，内径为50cm。灌浆管2由多节钢管21通过丝扣连接而成，其制作容易、便于储存和运输，还能根据实际需要拼接任意长度的灌浆管2，使用灵活性高；并且，在进行分段灌注时，当灌浆管2向上提升后可将伸出作业孔的钢管21拆卸，避免因灌浆管2整体伸出作业孔的长度过大而对后续的灌浆操作造成影响。
一种采用上述灌浆系统进行灌浆的方法，如图8所示，包括以下步骤：
（a）采用钻孔设备在地层钻出作业孔；钻孔方式为自上向下分段钻孔，每段钻孔深度为5m~30m，至少采用两种钻具交替作业，当钻孔深度不大于15m时，采用偏心钻钻进，当钻孔深度大于15m且小于35m时，采用同心钻进，且需时刻监测孔斜变化，控制孔斜量；
（b）在作业孔内安装带流向控制组件的塑料外管1，再在塑料外管1内安装灌浆管2和环形止浆气塞3，打开气压源5使环形止浆气塞3达到设计压力值，使塑料外管1最下部的一组出浆孔口11位于环形止浆气塞3的下方，其余出浆孔口11位于环形止浆气塞3的上方；
（c）采用高压脉动灌浆泵6将套壳料7灌入到塑料外管1内，套壳料7经出浆孔口11灌入塑料外管1与作业孔之间的环状间隙中，直至达到设计浓度的套壳料7从作业孔孔口溢出，停止灌入套壳料7；
（d）在套壳料7未完全凝固之前（达到设计的凝结强度时），采用高压脉动灌浆泵6以分段灌注法将膏浆8灌入地层，完成全孔段灌浆，具体是：先保持灌浆管2和密封组件灌入套壳料7时的位置不变，通过灌浆管2将膏浆8灌入塑料外管1内，膏浆8经出浆孔口11及套壳料7横向灌入地层，直至达到预设的标准后结束灌浆，待该孔段（密封组件以下的孔段）灌注完成后，再将灌浆管2和密封组件逐次向上提升，直至密封组件高出位于塑料外管1最上部的出浆孔组，每一次提升均使塑料外管1上有一组出浆孔组移动至密封组件的下方，且每一次提升后均启动高压脉动灌浆泵6灌入一次膏浆8，每一次灌浆达到预设的标准后结束灌浆。
待全孔段灌注完成后，取出灌浆管2和密封组件，采用1:1纯水泥浆将塑料外管1顶部未灌浆的空间填满，完成封孔。
上述高压脉动灌浆泵6的脉动灌浆压力为0MPa~15Mpa，脉动泵量大于80L/min，脉动频率为5次/min~20次/min。
本实施例采用的套壳料7由粘土、水泥、粉煤灰和水组成，截锥圆模测得浆液流动度为90mm~180mm，原浆比重为1.1g/cm3~1.5g/cm3，水固比为2:1~1:1，3d抗压强度小于0.3Mpa；膏浆8由粘土、水泥、水、偏铝酸钠和木质磺酸盐组成，偏铝酸钠掺量为1%~3%，木质磺酸盐掺量为1%~5%，截锥圆模测得浆液流动度为90mm~120mm，原浆比重为1.1g/cm3~1.5g/cm3，水固比为1.3:1~1:1，胶凝时间为4min~40min，28d抗压强度为8MPa~10Mpa。
套壳料7主要起到轴向封堵止浆作用，因此稠度、塑性强度和抗压强度均宜适中。如果稠度、塑性强度和抗压强度较大，则膏浆8无法轴向劈裂套壳料7进入地层，达不到灌注效果；如果稠度、塑性强度和抗压强度太小，则导致轴向止浆达不到效果，膏浆8易从孔口冒出。本实施例所采用的套壳料7能够同时兼顾以上两点，并达到最佳折中效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种适用于盾构隧道水下岩溶地层的灌浆系统，其特征在于：包括安装于作业孔内的塑料外管（1）以及套设安装于所述塑料外管（1）内并能沿塑料外管（1）轴向调整安装位置的灌浆管（2），所述塑料外管（1）位于作业孔底部的一端封闭，所述塑料外管（1）上设有多组沿轴向间隔布置的出浆孔组，各出浆孔组包括一个以上出浆孔口（11），所述塑料外管（1）上对应每组出浆孔组均设有仅使浆料向塑料外管（1）外部单向流动的流向控制组件，所述灌浆管（2）上安装有用于封闭灌浆管（2）和塑料外管（1）之间间隙的密封组件，所述灌浆管（2）的出口端位于密封组件与塑料外管（1）的封闭端之间，所述灌浆管（2）的进口端与一灌浆设备相连。
2.根据权利要求1所述的灌浆系统，其特征在于：所述塑料外管（1）包括多根依次相连的塑料管（101），相邻塑料管（101）通过塑料连接环（102）连接，且塑料管（101）与塑料连接环（102）之间为丝扣连接；位于塑料外管（1）底部的一根塑料管（101）为端部封闭的封口管，各塑料连接环（102）上均设有一组所述出浆孔组。
3.根据权利要求2所述的灌浆系统，其特征在于：所述流向控制组件包括套设于塑料连接环（102）上并包裹出浆孔口（11）的弹性箍圈（103）。
4.根据权利要求3所述的灌浆系统，其特征在于：所述弹性箍圈（103）的外部缠绕有多圈固定胶带（104）。
5.根据权利要求2所述的灌浆系统，其特征在于：所述密封组件为套设安装于灌浆管（2）上的环形止浆气塞（3）以及通过气管（4）与环形止浆气塞（3）相连的气压源（5）；所述灌浆设备为高压脉动灌浆泵（6）。
6.根据权利要求4所述的灌浆系统，其特征在于：位于塑料外管（1）底部的塑料管（101）的直径为90cm~100cm，长度为5cm~10cm，可承受压力不小于3MPa；其余塑料管（101）的长度为30cm~50cm，直径90cm~100cm，可承受压力不小于2Mpa；塑料连接环（102）上设有3~6个直径为5cm~8cm的出浆孔口（11）；所述弹性箍圈（103）的直径为88cm~98cm；所述环形止浆气塞（3）的内环直径为50cm，外环直径90cm~100cm，允许工作压力5~20Mpa。
7.根据权利要求1所述的灌浆系统，其特征在于：所述灌浆管（2）由多节钢管（21）通过丝扣连接而成，各节钢管（21）的长度为50cm~100cm，内径为50cm。
8.一种采用权利要求1~7中任一项所述灌浆系统进行灌浆的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（a）采用钻孔设备在地层钻出作业孔；
（b）在作业孔内安装带流向控制组件的塑料外管（1），再在塑料外管（1）内安装灌浆管（2）和密封组件，使塑料外管（1）最下部的一组出浆孔组位于密封组件的下方，其余出浆孔组位于密封组件的上方；
（c）采用灌浆设备将套壳料（7）灌入到塑料外管（1）内，套壳料（7）经出浆孔组灌入塑料外管（1）与作业孔之间的环状间隙中，直至套壳料（7）从作业孔孔口溢出，停止灌入套壳料（7）；
（d）在套壳料（7）未完全凝固之前，采用灌浆设备以分段灌注法将膏浆（8）灌入地层，完成全孔段灌浆，具体是：先通过灌浆管（2）将膏浆（8）灌入塑料外管（1）内，膏浆（8）经出浆孔组及套壳料（7）灌入地层，待该孔段灌注完成后，再将灌浆管（2）和密封组件逐次向上提升，直至密封组件高出塑料外管（1）最上部的一组出浆孔组，每一次提升均使塑料外管（1）上有一组出浆孔组移动至密封组件的下方，且每一次提升后均采用灌浆设备灌入一次膏浆（8）。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述灌浆设备采用高压脉动灌浆泵（6），所述高压脉动灌浆泵（6）的脉动灌浆压力为0MPa~15Mpa，脉动泵量大于80L/min，脉动频率为5次/min~20次/min；所述步骤（a）中钻孔设备在地层自上向下分段钻孔得到作业孔，每段钻孔深度为5m~30m。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述套壳料（7）由粘土、水泥、粉煤灰和水组成，截锥圆模测得浆液流动度为90mm~180mm，原浆比重为1.1g/cm3~1.5g/cm3，水固比为2:1~1:1，3d抗压强度小于0.3Mpa；所述膏浆（8）由粘土、水泥、水、偏铝酸钠和木质磺酸盐组成，偏铝酸钠掺量为1%~3%，木质磺酸盐掺量为1%~5%，截锥圆模测得浆液流动度为90mm~120mm，原浆比重为1.1g/cm3~1.5g/cm3，水固比为1.3:1~1:1，胶凝时间为4min~40min，28d抗压强度为8MPa~10Mpa。
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2016
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