CN108756809A - 一种盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法，包括如下步骤：S1：勘探钻孔下部回填；S2：在勘探钻孔中部内施工与勘探钻孔螺旋配合的螺旋桩体；S3：对勘探钻孔上部进行回填。本发明首次采用采用螺旋桩体结构实现勘探钻孔的封堵，螺旋桩体与勘探钻孔螺旋配合，增加了桩体与地层间的相互作用，桩体承载力，整个封孔方法具有工序简单、节能环保的优点，具有较高的可行性、经济及推广价值。

Description

一种盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法

技术领域

本发明属于盾构施工技术领域，尤其涉及一种盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法。

背景技术

盾构机作为地铁施工中常用的机械，它的基本原理是通过对开挖面施加一定的压力来维持其稳定，根据其施加压力的方式不同，可分为泥水式盾构、土压平衡式盾构等，而一般所设置的压力在2bar以上。在盾构开挖前，需要对其沿线的地质进行详细勘探，而地质勘探后，钻孔的封孔处理往往是薄弱环节。目前多采用粘土球加水泥浆回填的方法，但由于孔口收缩的原因，实际效果往往不好。

当盾构开挖至钻孔处，在高压的顶升作用下，封孔材料很容易被挤出，随即盾构泥水仓内的泥浆或土仓内的改良剂(泡沫剂、膨润土泥浆等)从钻孔处喷涌而出。特别的，对于穿越江河、湖海的水下盾构施工，喷涌出的泥浆不仅会对生态环境造成影响，而且增加了盾构施工的风险。此外，失效的钻孔也会导致盾构壁后注浆压力的下降及浆液的流失，严重的情况下会危及盾构安全施工。

专利201210563813.2“可溶岩溶洞上方勘探孔封堵方法”提出了采用柔性杯型栓塞，对可溶岩地区遇溶洞情况下勘探孔的封堵方法。另外，专利201410391580.1“水下勘探孔封孔工艺”提出一种顶部设有挂钩，底部为圆锥头，外壁设有凸环的桩塞，通过速凝水泥浆和桩塞配合封堵水下勘探孔。上述两者主要针对水下勘探孔的封堵，所消耗的水泥浆较多，封堵结构较为单一，没有充分发挥侧摩阻力及地层的承载力，且封堵的计算模型不够明确。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种封堵效果好、成本低、适应性强的盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法，包括如下步骤：

S1：勘探钻孔下部回填；

S2：在勘探钻孔中部内施工与勘探钻孔螺旋配合的螺旋桩体；

S3：对勘探钻孔上部进行回填。

进一步的，螺旋桩体的长度采用如下方法进行确定：

步骤一：确定所需单桩极限承载力

泥水盾构或土压平衡式盾构非满仓推进时，对封孔材料最大的顶升力P_s与其泥水仓或土仓压力相近，因此取最大顶升压力为泥水仓或土仓压力值，再根据钻孔直径d₀，计算出所需的单桩承载力P_a，其计算公式如下所示：

步骤二：确定螺旋桩体长度

由于桩身带有螺纹，改变了桩与土之间的相互作用关系，其侧阻力主要为螺旋桩的螺牙与土的机械咬合作用力；其破坏以螺纹外的土体剪切强度达到了土的抗剪强度为特征；单桩竖向极限承载力按下式计算：

式中:

Q_uk－－单桩竖向极限承载力标准值；

Q_sk－－单桩竖向总极限侧阻力标准值；

u－－桩身周长；

l_i－－桩穿越第i层土的厚度；

γ_c－－水泥浆重度；

q_sik－－桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，可按地区经验确定或按钻孔灌注桩的有关规定确定；

β_si－－单桩第i层土的极限侧阻力标准值增强系数，β_si＝1/α，参数α为粘着力系数，α＝0.2～1.0，取决于土的不排水剪切强度C_ui和桩进入粘土层的深度与桩径之比h_c/d；

由公式(1)中的P_a＝Q_uk，求得螺旋桩体长度l。

进一步的，步骤S1的具体过程如下：将袋装盾构废弃渣土作为下部封孔材料进行封孔，袋装盾构废弃渣土填充高度在盾构机上部1m处。

进一步的，螺旋桩体由顺次连接的上桩体和下桩体组成，所述下桩体为旋装在勘探钻孔中以使勘探钻孔内壁形成螺纹的螺纹钻杆，所述上桩体为填充在勘探钻孔螺纹段内的水泥浆填充体。

进一步的，螺旋桩体的具体施工过程为：

步骤一、将导浆管放入钻孔内，通过导浆管将配制好的水泥浆注入钻孔内，边注浆边提升导浆管，水泥砂浆灌注高度达设定高度时先停止注浆，拔出导浆管；

步骤二、放置螺纹钻杆

将螺纹钻杆旋入至袋装盾构渣土上方设定位置处，并在勘探钻孔内壁上形成螺纹；

步骤三、二次注浆

再次将导浆管放入勘探钻孔内，继续灌注水泥浆至所需高度为止，注浆完成后，提升出导浆管，并使水泥浆凝固。

进一步的，所述螺纹钻杆由一个或多个顺次连接的钻杆组件组成，所述钻杆组件包括外周壁形成有螺旋叶片的杆体，所述杆体中设有导泥孔，相邻钻杆组件上的导泥孔相互连通。

进一步的，所述导泥孔由预埋在杆体内的PVC导泥管构成，所述杆体由混凝土或橡胶制成，所述杆体外壁与PVC导泥管之间预埋有环形布置的配筋。

进一步的，相邻两钻杆组件在对接处形成有插槽和与所述插槽相配合的插头，相邻两钻杆组件通过横向贯穿所述插头和插槽的销轴实现连接。

进一步的，钻孔上部回填的覆土层按“以土还土,以砂还砂”的原则进行回填。

进一步的，在钻孔上部回填前还需要根据相应规范对封孔质量进行检查。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明首次采用螺旋桩体结构实现勘探钻孔的封堵，螺旋桩体与勘探钻孔螺旋配合，增加了桩体与地层间的相互作用，桩体承载力，具有施工工艺简单，消耗的水泥浆量较少，成本低，节能环保的优点，具有较高的可行性、经济及推广价值。

附图说明

图1为封孔结构的示意图；

图2为螺纹钻杆的结构示意图；

图3为螺纹钻杆尺寸标注示意图；

图4为螺纹钻杆的拼装示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

参见图1-图4，一种盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法，包括如下步骤：

S1：勘探钻孔下部回填；

步骤S1的具体过程如下：将袋装盾构废弃渣土作为下部封孔材料进行封孔，袋装盾构废弃渣土2填充高度在盾构机上部1m处。

S2：在勘探钻孔中部内施工与勘探钻孔螺旋配合的螺旋桩体1；

螺旋桩体1由顺次连接的上桩体4和下桩体5组成，下桩体5为旋装在勘探钻孔中以使勘探钻孔内壁形成螺纹的螺纹钻杆，上桩体4为填充在勘探钻孔螺纹段内的水泥浆填充体。螺旋桩体1与勘探钻孔螺旋配合，增加了桩体与地层间的相互作用，桩体承载力，当盾构开挖至钻孔处，封孔材料不容易被挤出，封堵效果好。

螺旋桩体的具体施工过程为：

步骤一、将导浆管放入钻孔内，通过导浆管将配制好的水泥浆(优选的，水灰比为0.8:1)注入钻孔内，边注浆边提升导浆管，水泥砂浆灌注高度达设定高度(本实施为1m)时先停止注浆，拔出导浆管；

步骤二、放置螺纹钻杆

将螺纹钻杆旋入至袋装盾构渣土上方设定位置(本实施例为0.5m)处，并在勘探钻孔内壁上形成螺纹；

步骤三、二次注浆

再次将导浆管放入勘探钻孔内，继续灌注水泥浆至所需高度为止，注浆完成后，提升出导浆管，并使水泥浆凝固(本实施例凝固时间为30min)。

优选的，螺纹钻杆由一个或多个顺次连接的钻杆组件6组成，钻杆组件6包括外周壁形成有螺旋叶片7的杆体6-1，杆体6-1中设有导泥孔6-2，相邻钻杆组件6上的导泥孔6-2相互连通。

优选的，导泥孔6-2由预埋在杆体内的PVC导泥管构成，杆体由混凝土或橡胶制成，杆体外壁与PVC导泥管之间预埋有环形布置的配筋。相邻两钻杆组件6在对接处形成有插槽8和与插槽8相配合的插头9，相邻两钻杆组件6通过横向贯穿插头9和插槽8的销轴10实现连接。

钻杆组件6的具体尺寸为：顶部直径D1等于1.2倍勘探钻孔直径，中间导泥管直径D2等于3cm，下部插头直径D3等于顶部直径D1的1/2，下部插头高度h等于5cm，顶部杯口深度d等于3cm，总高度H等于顶部直径D1的3倍，外周壁螺纹的尺寸满足n:m:k＝4:3:1。

钻杆可进行拼接组合使用，通过上部插槽和下部的插头配合插销结构实现；中心设置有导泥管，向下旋进过程中，将泥水从管中排出，以减小贯入阻力，提高贯入效率；当杆体由混凝土制作时，可适应于土层钻孔的封堵，当采用橡胶制作时，可适应于岩层钻孔的封堵，为钻杆的强度，在杆体内还预埋有环形布置的配筋。

S3：对勘探钻孔上部进行回填。

根据相应规范对封孔质量进行检查；封孔检测合格后，上覆土

层3按“以土还土,以砂还砂”的原则进行回填。

优选的，螺旋桩体的长度的确定过程如下：

步骤一：确定所需单桩极限承载力

泥水盾构或土压平衡式盾构非满仓推进时，对封孔材料最大的顶升力P_s与其泥水仓或土仓压力相近，因此取最大顶升压力为泥水仓或土仓压力值，再根据钻孔直径d₀，计算出所需的单桩承载力P_a，其计算公式如下所示：

步骤二：确定螺旋桩体长度

由于桩身带有螺纹，改变了桩与土之间的相互作用关系，其侧阻力主要为螺旋桩的螺牙与土的机械咬合作用力；其破坏以螺纹外的土体剪切强度达到了土的抗剪强度为特征；单桩竖向极限承载力按下式计算：

式中:

Q_uk－－单桩竖向极限承载力标准值；

Q_sk－－单桩竖向总极限侧阻力标准值；

u－－桩身周长；

l_i－－桩穿越第i层土的厚度；

q_sik－－桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，可按地区经验确定或按钻孔灌注桩的有关规定确定；

β_si－－单桩第i层土的极限侧阻力标准值增强系数，β_si＝1/α，参数α为粘着力系数，α＝0.2～1.0，取决于土的不排水剪切强度C_ui和桩进入粘土层的深度与桩径之比h_c/d；

由公式(1)中的P_a＝Q_uk，求得螺旋桩体长度l。

验证加固效果：对中部封孔材料进行抗拔试验来确定其承载力，将此承载力与设计值作比较，来验证加固效果，最终承载力以实测值为准。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：勘探钻孔下部回填；

S2：在勘探钻孔中部内施工与勘探钻孔螺旋配合的螺旋桩体；

S3：对勘探钻孔上部进行回填。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法，其特征在于，螺旋桩体的长度采用如下方法进行确定：

步骤一：确定所需单桩极限承载力

泥水盾构或土压平衡式盾构非满仓推进时，对封孔材料最大的顶升力P_s与其泥水仓或土仓压力相近，因此取最大顶升压力为泥水仓或土仓压力值，再根据钻孔直径d₀，计算出所需的单桩承载力P_a，其计算公式如下所示：

步骤二：确定螺旋桩体长度

由于桩身带有螺纹，改变了桩与土之间的相互作用关系，其侧阻力主要为螺旋桩的螺牙与土的机械咬合作用力；其破坏以螺纹外的土体剪切强度达到了土的抗剪强度为特征；单桩竖向极限承载力按下式计算：

式中:

Q_uk－－单桩竖向极限承载力标准值；

Q_sk－－单桩竖向总极限侧阻力标准值；

u－－桩身周长；

l_i－－桩穿越第i层土的厚度；

q_sik－－桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，可按地区经验确定或按钻孔灌注桩的有关规定确定；

γ_c－－水泥浆重度；

β_si－－单桩第i层土的极限侧阻力标准值增强系数，β_si＝1/α，参数α为粘着力系数，α＝0.2～1.0，取决于土的不排水剪切强度C_ui和桩进入粘土层的深度与桩径之比h_c/d；

由公式(1)中的P_a＝Q_uk，求得螺旋桩体长度l。

3.根据权利要求1或2所述的盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法，其特征在于，步骤S1的具体过程如下：将袋装盾构废弃渣土作为下部封孔材料进行封孔，袋装盾构废弃渣土填充高度在盾构机上部1m处。

4.根据权利要求1或2所述的盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法，其特征在于：螺旋桩体由顺次连接的上桩体和下桩体组成，所述下桩体为旋装在勘探钻孔中以使勘探钻孔内壁形成螺纹的螺纹钻杆，所述上桩体为填充在勘探钻孔螺纹段内的水泥浆填充体。

5.根据权利要求4所述的盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法，其特征在于，螺旋桩体的具体施工过程为：

步骤一、将导浆管放入钻孔内，通过导浆管将配制好的水泥浆注入钻孔内，边注浆边提升导浆管，水泥砂浆灌注高度达设定高度时先停止注浆，拔出导浆管；

步骤二、放置螺纹钻杆

将螺纹钻杆旋入至袋装盾构渣土上方设定位置处，并在勘探钻孔内壁上形成螺纹；

步骤三、二次注浆

再次将导浆管放入勘探钻孔内，继续灌注水泥浆至所需高度为止，注浆完成后，提升出导浆管，并使水泥浆凝固。

6.根据权利要求4所述的盾构隧道地质勘探钻孔封孔结构，其特征在于：所述螺纹钻杆由一个或多个顺次连接的钻杆组件组成，所述钻杆组件包括外周壁形成有螺旋叶片的杆体，所述杆体中设有导泥孔，相邻钻杆组件上的导泥孔相互连通。

7.根据权利要求6所述的盾构隧道地质勘探钻孔封孔结构，其特征在于：所述导泥孔由预埋在杆体内的PVC导泥管构成，所述杆体由混凝土或橡胶制成，所述杆体外壁与PVC导泥管之间预埋有环形布置的配筋。

8.根据权利要求4所述的盾构隧道地质勘探钻孔封孔结构，其特征在于：相邻两钻杆组件在对接处形成有插槽和与所述插槽相配合的插头，相邻两钻杆组件通过横向贯穿所述插头和插槽的销轴实现连接。

9.根据权利要求1或2所述的盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法，其特征在于：钻孔上部回填的覆土层按“以土还土,以砂还砂”的原则进行回填。

10.根据权利要求1或2所述的盾构隧道地质勘探钻孔的封孔方法，其特征在于：在钻孔上部回填前还需要根据相应规范对封孔质量进行检查。