CN108756910B - 一种智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置和施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置和施工方法，注浆装置包括盾构机刀盘、注浆系统、密封装置、监测系统和盾构机计算机；注浆系统包括钻注双用管、注浆软管、双管钻机和注浆泵。本发明采取的钻注一体和同时注膨润土的技术措施，有效防止地层泥沙堵塞注浆孔和减少地层扰动，无需先钻孔作业再注浆作业，从而大幅度提高施工效率和减少对周围环境破坏；在盾构机读取土压力值和水位值后，给出注浆压力和注浆压力值，并给出水位异常值时及时应急方案的技术方案工作原理清晰、智能化高、可靠性高。本发明采用短钻管和智能化技术，很大程度上解决了隧道的空间狭小性和地下工程的隐蔽性问题，保证了盾构施工的高效性和安全性。

Description

一种智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置和施工方法

技术领域

本发明涉及地下建筑工程技术领域中的施工装置，具体地，一种智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置和施工方法。

背景技术

盾构法具有施工安全性高、地面交通干扰少、周围环境影响小等特点，是隧道工程主要施工方式。在淤泥质土层等软弱地层中进行盾构法施工时，由于土体强度低、流动性强、触变性大等原因，会对盾构掘进的轴线控制等施工过程产生不利影响，易引发地层变形、破坏周围环境等。针对上述不良影响，传统方法一般采用地面注浆加固技术。但当遇到隧道埋深较深、地下施工条件较为复杂或地面不具备施工条件等情况时，需采用地下注浆加固技术。因此，对盾构前方的软弱地层进行有效的地下加固是确保盾构安全施工的重要工作之一。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利号为201520021521.5，专利公开号为：CN204492746U，专利名称为：一种多功能信息化注浆装置，该专利自述为：“一种多功能信息化注浆装置，包括至少两条注浆管和一条与各注浆管并联的进料管，通过控制各个注浆管和进料管的通断及进料管的进料材料，实现单液注浆、双液注浆、压注骨料、单液-骨料混合注浆或双液-骨料混合注浆”。该专利自述的单液注浆使用方法为“采用两台单液注浆泵，注浆泵和四通管之间由注浆管和球形截止阀连接，且料桶中不添加骨料”，其双液注浆使用方法为“采用一台双液注浆泵或两台单液注浆泵，两条运移不同浆液的注浆管通过球形截止阀连接到四通管上，且料桶中不添加骨料”，其单液- 骨料混合注浆使用方法为“通过进料管和进料球阀向料桶中添加细骨料或粗骨料，两条注浆管分别连接一台注浆泵，或拆撤一条注浆管而其相应的球形截止阀作为备用泄压阀”，其双液-骨料混合注浆使用方法为“通过进料管和进料球阀向料桶中添加细骨料或粗骨料，注浆泵选用一台双液泵或两台单液泵，两条运移不同浆液的注浆管通过球形截止阀连接到四通管上”，在“注浆过程中时刻记录注浆压力和单位注浆量，结合工注浆法评价标准判断注浆效果”。该专利中所述注浆装置虽然实现了多种浆液混合注浆工艺，但是无法根据现场情况自动转换注浆工艺；且该专利所述注浆装置须在钻孔作业完成后才可进行注浆作业，施工效率相对较低。该专利所述注浆装置根据经验确定注浆压力，故该专利所述注浆装置需要提前设定注浆方式和注浆压力，注浆施工经验化，可靠性较低、存在隐患，并且作业繁琐。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，提供一种智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，该装置改变了以往注浆作业须在钻孔作业之后进行的传统作业方式，采用新型钻注双用管实现钻孔注浆同步作业，并通过在管内设置单向阀，确保地层注浆压力满足要求，且防止出现浆液回流等情况。此外，该装置设置注浆压力、转换注浆工艺等流程均利用智能控制系统实现自动化操作，有效保证注浆加固作业安全高效地进行。

为实现以上目的，本发明提供一种智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，包括：盾构机刀盘、注浆系统、密封装置、监测系统和盾构机计算机；

所述注浆系统包括钻注双用管、注浆软管、双管钻机和注浆泵，其中：

所述钻注双用管架设在盾构机刀盘上，包括钻头、第一注浆管、第一单向阀、第二注浆管和第二单向阀，其中钻头设置在第一注浆管的顶端，第二注浆管套设在第一注浆管内，且第一单向阀设置在第一注浆管内，第二单向阀设置在第二注浆管内；所述第一注浆管由多根首尾连接的钻管组成，所述第一注浆管用于向地层注射第一浆液；所述第二注浆管也由多根首尾连接的钻管组成，所述第二注浆管用于向地层注射第二浆液；

所述双管钻机与所述钻注双用管的尾端连接；

所述注浆泵通过所述注浆软管与所述双管钻机连接，用于泵送所述第一浆液和第二浆液；

所述密封装置设置于所述钻注双用管、所述盾构机刀盘连接处，用于密封所述钻注双用管在所述盾构机刀盘上的间隙；

所述盾构机计算机用于收集所述钻注双用管周围地层的水压、土压及浆液的压力、流量信息，对信息分析判断后，确定注浆压力、注浆量和注浆工艺并下达指令给所述注浆泵。

优选地，所述第一注浆管，靠近所述钻头的一端为第一注浆管前端，靠近所述双管钻机的一端为第一注浆管末端，所述第一注浆管前端的第一根钻管上均匀的布置有第一注浆孔，所述第一注浆管前端的第二根钻管中点位置上布置多个凹槽，多个凹槽位于所述第一注浆管同一径向上；

所述第二注浆管，靠近所述钻头的一端为第二注浆管前端，靠近所述双管钻机的一端为第二注浆管末端，所述第二注浆管前端的第一根钻管上均匀布置有第二注浆孔，所述第二注浆孔的轴线平行于所述第一注浆管的轴线；

所述第二注浆管前端与所述第一注浆管前端留有间隙。

更优选地，所述第一注浆孔为一圆形孔，其直径为所述第一注浆管外径的1/8～1/5，呈梅花形均匀分布于所述第一注浆管前端的第一根钻管上。

更优选地，所述第二注浆管前端第一根钻管的端头是封闭的，且所述第二注浆孔为一圆柱孔，其外径为所述第二注浆管内径的1/8～1/5，壁厚2～3mm，高度3～6mm，呈梅花形均匀分布于所述第二注浆管前端第一根钻管上，其轴线平行于所述第一注浆孔的轴线。

优选地，所述监测系统包括水位计、土压力计、第一压力表、第一流量表、第二压力表、第二流量表，其中：

所述水位计用于测量所述第一注浆孔周围地层的水压，位于所述第一注浆管的一个凹槽里，同时通过导线与所述盾构计算机连接；

所述土压力计用于测量所述第一注浆孔周围地层的土压，位于所述第一注浆管的另外一个凹槽里，同时通过导线与所述盾构计算机连接；

所述第一压力表用于测量所述注浆泵泵送的第一浆液压力，连接在所述第一注浆软管上，同时通过导线与所述盾构计算机连接；

所述第一流量表用于测量所述注浆泵泵送的第一浆液流量，连接在所述第一注浆软管上，同时通过导线与所述盾构计算机连接；

所述第二压力表用于测量所述注浆泵泵送的第二浆液压力，连接在所述第二注浆软管上，同时通过导线与所述盾构计算机连接；

所述第二流量表用于测量所述注浆泵泵送的第二浆液流量，连接在所述第二注浆软管上，同时通过导线与所述盾构计算机连接。

优选地，所述钻头为一圆锥硬质合金钻头，用于钻孔作业，其基部焊接于所述第一注浆管前端第一根钻管端口上，基部直径比所述第一注浆管外径大5～8mm，其轴线平行于所述第一注浆管的轴线。

优选地，所述第一注浆管前端的第一根钻管焊接于所述钻头的基部，所述第一注浆管后端的最后一根钻管与所述双管钻机固定连接，所述第一注浆管的每根钻管长度为 1～1.5m，壁厚为2～3mm。

优选地，所述第二注浆管后端的钻管与所述双管钻机固定连接；所述第二注浆管前端与所述第一注浆管前端间隔0.1～0.2m，所述第二注浆管后端的最后一根钻管与所述双管钻机固定连接，所述第二注浆管的每根钻管长度为1～1.5m，壁厚为2～3mm。

优选地，所述注浆软管包括第一注浆软管和第二注浆软管，所述第一注浆软管一端连接所述第一注浆管的末端钻管，另一端连接于所述注浆泵；所述第二注浆软管一端连接所述第二注浆管的末端钻管，另一端连接于所述注浆泵。

优选地，所述双管钻机用于钻孔和注浆退管作业，固定连接所述第一注浆管和所述第二注浆管的末端钻管。

本发明还提供一种智能预警式土压平衡盾构超前施工方法，包括以下步骤：

第一步，地层条件调查、钻孔取样和室内试验确定加固注浆位置，具体的：

根据隧道设计阶段地质勘查报告确定软弱地层分布范围，针对软弱地层分布区，采用加密钻孔取样和室内试验确定软弱地层分布的详细情况，由此确定加固的位置；

第二步，配制浆液，安装注浆装置，进行钻孔作业，具体的：

1)配制第一浆液和第二浆液，第一浆液为聚丙烯酰胺溶液，第二浆液为膨润土泥浆或水泥砂浆，其中水泥砂浆水灰比为0.8:1～1.2:1；

2)安装调试注浆装置；

3)进行钻孔作业：

第一、调整第一注浆管与水平面夹角，具体的：

将第一注浆管和第二注浆管组装，连接到双管钻机，第一注浆管和第二注浆管成为一个整体，同时动作，调整双管钻机和盾构机刀盘的距离，使得组装的第一注浆管长度比双管钻机和盾构机刀盘的距离长50～80cm，调整第一注浆管与水平面的夹角，使其夹角在3～8°；

第二、启动双管钻机，开始钻孔作业，同时启动注浆泵，向第二注浆管泵送膨润土泥浆，匀速缓慢钻至所需深度；

第三步，进行注浆作业，具体的：

1)钻至所需深度时，以土压力计提供的土压力值的120％～150％的注浆压力向第二注浆管泵送水泥砂浆；

2)注浆量达到公式(1)的要求，同时注浆压力3～5min基本不变，保证本段注浆作业完成；

注浆量按下式进行计算：

Q＝α·(1+β+γ+η)·π·λ·R²·H·n (1)

式中：Q为注浆量m³；R为浆液扩散半径；H为每次退管的长度；n为地层孔隙率；α为地层填充率；β为浆液漏失损失率；γ为劈裂地层的浆液损失率；η为被地下水稀释的浆液损失率；λ为考虑浆液扩散重叠影响因子；

本发明采用上述公式，能够根据测量的土压力值和土质参数确定注浆劈裂效果，进而确定劈裂地层的浆液损失率γ，根据测量的注浆孔周围水压和浆液参数确定被地下水稀释的浆液损失率η，注浆参数更加精细化和准确化，克服传统注浆参数经验性缺点，保证注浆安全及效果良好。

3)第一注浆管开始退管作业，同时重复第三步1)～2)步骤进行注浆作业，直到距离盾构刀盘前端1.2～1.5m处停止泵送水泥砂浆；

第四步，监测注浆过程中注浆参数、地层参数变化情况；及时清洗注浆装置，检测更换损坏的监测装置；根据注浆参数绘制P-V-t曲线和P-Q-t曲线，结合地层参数变化情况进行注浆效果评价，检查合格后，即完成本钻孔注浆作业，具体的：

1)记录注浆过程中注浆压力、注浆流量，地层土压力、水位和地层隆起值，当水位超过阈值时，盾构计算机下达指令给注浆泵，向第一注浆管泵送聚丙烯酰胺溶液，向第二注浆管泵送水泥砂浆；

2)根据注浆压力、注浆流量绘制P-V-t曲线和P-Q-t曲线，离散系数大于0.7，即注浆效果良好；否则，重复第二步中的3)、第三步和第四步，结合地层土压力和地层隆起值稳定，即本钻孔注浆作业完成；

3)第一注浆管继续退回，同时向第二注浆管泵送膨润土泥浆，直至完全退出第一注浆管，关闭常闭阀、注浆泵，最后关闭双管钻机；

第五步，钻孔位置按照先周边再拱顶，隔孔钻进的原则，进行更换盾构机刀盘预留的注浆孔位置，重复第二步到第四步，直到完成盾构机刀盘预留的所有注浆孔的注浆作业。

本发明的工作原理为：首先，使用所述钻注双用管进行钻孔作业，在所述第二注浆管中注入一定压力的膨润土泥浆和所述第一注浆管的支护下，避免地层中泥沙进入所述第一注浆管和所述第二注浆管中进而堵塞所述第一注浆孔和所述第二注浆孔；其次，所述盾构计算机根据安装在所述第一注浆管的所述土压力计的测量值，下达注浆工艺和注浆压力指令，同时当所述水位计的测量值异常时，所述盾构计算机即时下达指令给所述注浆泵，进行双液注浆作业，及时止水；最后，由于所述第一单向阀和所述第二单向阀的浆液单向流动特性，保证了边注浆边退管同时作业时，地层浆液压力不变和浆液不会回流。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采取的钻注一体和同时注膨润土的技术措施，有效防止地层泥沙堵塞注浆孔和减少地层扰动，无需先钻孔作业再注浆作业，从而大幅度提高施工效率和减少对周围环境破坏。

本发明上述装置采用的单向阀，保证注浆作业时，后退所述新型智能钻注双用管作业可以同时进行，进而减小操作难度和加快施工进度。

本发明所述方法采取的在盾构机读取土压力值和水位值后，给出注浆压力和注浆压力值，并给出水位异常值时及时应急方案的技术方案工作原理清晰、智能化高、可靠性高。此外，注浆压力、转换注浆工艺等设置流程均利用智能控制系统实现自动化操作，有效保证注浆加固作业安全高效地进行。

本发明采用短钻管和智能化技术，很大程度上解决了隧道的空间狭小性和地下工程的隐蔽性问题，保证了盾构施工的高效性和安全性。

当然，实施本发明的任一产品/方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较优实施例中钻注双用管剖面图；

图2为图1所示的钻注双用管的C-C剖面图；

图3为图1所示的钻注双用管的D-D剖面图；

图4为本发明一较优实施例中整体结构示意图；

图中：

1为钻头、2为第一注浆管、201为第一注浆孔、202为第一单向阀、203为第一压力表、204为第一流量表、205为第一注浆软管、3为第二注浆管、301为第二注浆孔、 302为第二单向阀、303为第二压力表、304为第二流量表、305为第二注浆软管、4为水位计、5为土压力计、6为盾构机刀盘、7为密封装置、701为密封法兰盘、702为螺栓、703为常闭阀、704为固定套管、8为双管钻机、9为注浆泵、10为盾构计算机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图4所示，为一种智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置的较优实施例示意图。

参照图4所示，一种智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，包括：盾构机刀盘6、注浆系统、密封装置7、监测系统和盾构机计算机；

所述注浆系统包括钻注双用管、注浆软管、双管钻机8和注浆泵9，其中：

钻注双用管，架设在盾构机刀盘6上，包括钻头1、第一注浆管2、第一单向阀202、第二注浆管3、第二单向阀302，其中钻头1设置在第一注浆管2的顶端，第二注浆管3 套设在第一注浆管2内，且第一单向阀202设置在第一注浆管2内，第二单向阀302设置在第二注浆管3内，所述第一注浆管2由多根首尾连接的钻管组成，所述第一注浆管 2用于向地层注射第一浆液；所述第二注浆管3也由多根首尾连接的钻管组成，所述第二注浆管3用于向地层注射第二浆液；具体参照图1-3所示；

双管钻机8，与所述钻注双用管的尾端连接；

注浆泵9，通过所述注浆软管与所述双管钻机8连接，用于泵送所述第一浆液和第二浆液；

所述密封装置7设置于所述钻注双用管、所述盾构机刀盘6连接处，用于密封所述钻注双用管7在所述盾构机刀盘6上的间隙；

所述监测系统输入端用于监控注浆装置各部位的水位、压力和流量，输出端连接到所述盾构机计算机。

所述钻头1用于钻孔作业，参照图1-4所示，在本发明部分优选实施例中，所述钻头1基部焊接于所述第一注浆管2的前端第一根钻管端口上，钻头1为一圆锥硬质合金钻头，其基部直径比所述第一注浆管2外径大5～8mm，其轴线平行于所述第一注浆管 2的轴线。在一具体实施例中，所述钻头1为一圆锥硬质合金钻头，其基部直径为55mm，钻头高度200mm。

参照图1-4所示，在本发明部分优选实施例中，所述第一注浆管2用于向地层注射第一浆液，由多根首尾连接的钻管组成，第一注浆管2前端第一根钻管上布置有第一注浆孔201，第一注浆管2前端第二根钻管中点位置上布置2个凹槽，2个凹槽位于所述第一注浆管2同一径向上。所述第一注浆管2前端的钻管焊接于所述钻头1的基部，所述第一注浆管2后端的钻管与所述双管钻机8固定连接，所述第一注浆管2的每根钻管长度为1～1.5m，壁厚为2～3mm。在一具体实施例中，所述第一注浆管2为多根材质为采用Q235钢、外径为50mm、壁厚为2.5mm、长度为1m的直钢管组成；

参照图1-4所示，在本发明部分优选实施例中，所述第一注浆孔201均匀分布在所述第一注浆管2的前端第一根钻管上；所述第一注浆孔201为一圆形孔，其直径为所述第一注浆管2外径1/8～1/5，呈梅花形均匀分布于所述第一注浆管2的前端第一根钻管。在一具体实施例中，所述第一注浆孔201为一直径为6mm的圆形孔。

参照图1-4所示，在本发明部分优选实施例中，所述第一单向阀202是指浆液只能沿进口流入，从出口流出，无法从出口回流。所述第一单向阀202为一直通式单向阀，其公称通径和所述第一注浆管2内径相同，连接所述第一注浆管2的前端第一根钻管和第二根钻管之间。在一具体实施例中，所述第一单向阀202为螺纹连接、公称直径为 50mm的直通式单向阀，最大工作压力30MPa。

所述第二注浆管3用于向地层注第二射浆液，由多根首尾连接的钻管组成，其前端第一根钻管上布置有第二注浆孔301。所述第二注浆管3位于所述第一注浆管2内部，其轴线平行于所述第一注浆管2的轴线，所述第二注浆管3前端与所述第一注浆管2前端间隔0.1～0.2m，所述第二注浆管3后端的钻管与所述双管钻机8固定连接，所述第二注浆管3的每根钻管长度为1～1.5m，壁厚为2～3mm。在一具体实施例中，所述第二注浆管3为多段材质为采用Q235钢、外径为34mm、壁厚为2.5mm、长度为1m的直钢管组成。

参照图1-4所示，在本发明部分优选实施例中，所述第二注浆孔301均匀分布在所述第二注浆管3的前端第一根钻管上；第二注浆管3的前端第一根钻管的端头是封闭的，第二注浆孔301为一圆柱孔，其外径为所述第二注浆管3内径1/8～1/5，壁厚2～3mm，高度3～6mm，呈梅花形均匀分布于所述第二注浆管3的前端第一根钻管，其轴线平行于所述第一注浆孔201的轴线。在一具体实施例中，第二注浆孔301为一内径为5mm、壁厚2.5mm、高度4mm的圆柱孔。

参照图1-4所示，在本发明部分优选实施例中，所述第二单向阀302是指浆液只能沿进口流入，从出口流出，无法从出口回流。所述第二单向阀302为一直通式单向阀，其公称通径和所述第二注浆管3内径相同，连接所述第二注浆管3的前端第一根钻管和第二根钻管之间。在一具体实施例中，第二单向阀302为螺纹连接、公称直径为50mm 的直通式单向阀，最大工作压力30MPa

参照图1-4所示，在本发明部分优选实施例中，注浆软管包括第一注浆软管205和第二注浆软管305，所述第一注浆软管205用于输送第一浆液，一端连接所述第一注浆管2的末端钻管，另一端连接于所述注浆泵9；所述第二注浆软管305用于输送第二浆液，一端连接所述第二注浆管3的末端钻管，另一端连接于所述注浆泵9。所述第一注浆软管205长度为5～10m，其内径和所述第一注浆管2外径相同；所述第二注浆软管 305长度为5～10m，其内径和所述第二注浆管3外径相同。在一具体实施例中，第一注浆软管205材质为橡胶软管，长度为5m，内径为50mm。所述第二注浆软管305材质为橡胶软管，长度为5m，内径为40mm。

参照图1-4所示，在本发明部分优选实施例中，双管钻机8用于钻孔和注浆退管作业，固定连接所述第一注浆管2和所述第二注浆管3的末端钻管。所述双管钻机为双管单动钻机，其最大钻深50m。具体的：所述双管钻机8型号为XPL-35；

参照图1-4所示，在本发明部分优选实施例中，注浆泵9用于泵送第一浆液或第二浆液，通过所述注浆软管与所述双管钻机8连接，在一具体实施例中，注浆泵9为无级调节排浆量及排浆压力的液压往复注浆泵，最大注浆压力6MPa，注浆泵9型号为 GHYZ140/6-7.5，额定工作压力6MPa。

所述密封装置用于密封钻注双用管在刀盘上的间隙。参照图4所示，在本发明部分优选实施例中，所述密封装置7包括密封法兰盘701、螺栓702、常闭阀703和固定套管704组成。

所述密封法兰盘701用于连接刀盘、密封盾构机前面的土体和浆液，由密封垫和法兰盘组成，密封垫为聚四氟乙烯包衬橡胶垫，尺寸和所述法兰盘相匹配；法兰盘为螺纹法兰，其公称通径比所述第一注浆管2外径大5～12mm，其螺纹孔尺寸和所述刀盘预留的注浆孔公称通径相同，其最大厚度为18～26mm。在一具体实施例中：所述密封法兰盘701公称通径为60mm。

螺栓702将所述密封法兰盘固定在盾构机的刀盘6外表面上，螺栓规格和所述刀盘预留的注浆孔公称通径相同相匹配，长度为所述法兰盘最大厚度的2倍。在一具体实施例中：所述螺栓采用低碳合金钢、公称直径为12mm、螺距为1.75mm、螺杆长度为80mm的粗牙螺栓。

常闭阀703用于封闭所述固定套管和所述第一注浆管的间隙，连接在所述固定套管的后端。所述常闭阀为一电磁阀，正常工作状态下是闭合状态。在一具体实施例中：常闭阀703为一电磁常闭阀。

固定套管704固定所述第一注浆管2，所述固定套管704的前端用所述密封法兰盘701和所述螺栓702固定在盾构机的所述刀盘6外表面上。所述固定套管704为一直钢管，其内径比所述第一注浆管2外径大5～8mm，长度为0.8m～1m，壁厚2～3mm。在一具体实施例中：所述固定套管704为一采用Q235钢、外径为65mm、壁厚为2.5 mm、长度为0.8m的直钢管。

所述监测系统用于监控注浆装置各部位的水位、压力和流量，参照图1-4所示，在本发明部分优选实施例中，包括水位计4、土压力计5、第一压力表203、第一流量表 204、第二压力表303、第二流量表304，其中：

水位计4为一以固态压阻器件作传感器的压力式水位计，用于测量所述第一注浆孔 201周围地层的水压，位于所述第一注浆管2的一个凹槽里，同时通过导线与所述盾构计算机10连接。在一具体实施例中，所述水位计4型号为DATA-5101，最高水头50 m。

土压力计5为一振弦式土压力计，用于测量所述第一注浆孔201周围地层的土压，位于所述第一注浆管2的另外一个凹槽里，同时通过导线与所述盾构计算机10连接。在一具体实施例中，土压力计5型号为VWE-1，量程为0～1MPa。

第一压力表203为一数字显示压力表，用于测量所述注浆泵9泵送的第一浆液压力，连接在所述第一注浆软管205上，同时通过导线与所述盾构计算机10连接。在一具体实施例中，第一压力表203为普斯特的精密压力表，量程为0～2MPa。

第一流量表204为一数字显示压力表，用于测量所述注浆泵9泵送的第一浆液流量，连接在所述第一注浆软管205上，同时通过导线与所述盾构计算机10连接。在一具体实施例中，第一流量表204为普斯特的电磁流量表，最大量程为400m³/min。

第二压力表303为一数字显示压力表，用于测量所述注浆泵9泵送的第二浆液压力，连接在所述第二注浆软管305上，同时通过导线与所述盾构计算机10连接。在一具体实施例中，第二压力表303为普斯特的精密压力表，量程为0～2MPa。

第二流量表304为一数字显示压力表，用于测量所述注浆泵9泵送的第二浆液流量，连接在所述第二注浆软管305上，同时通过导线与所述盾构计算机10连接。在一具体实施例中，第二流量表304为普斯特的电磁流量表，最大量程为400m³/min。

所述盾构机计算机10用于收集所述第一注浆孔201周围地层的水压、土压及浆液的压力、流量等信息，对信息分析判断后，确定注浆压力、注浆量和注浆工艺并下达指令给所述注浆泵9。盾构计算机10为土压平衡盾构机自带的PLC。在一具体实施例中，盾构计算机10为海瑞克土压平衡盾构机自带的S7-PLC自动控制系统。

采用上述实施例所述装置，在一种智能预警式土压平衡盾构超前施工方法的实施例中，可以包括以下步骤：

第一步，地层条件调查、钻孔取样和室内试验确定加固注浆位置，具体的：

根据隧道设计阶段地质勘查报告确定软弱地层分布范围，针对软弱地层分布区，采用加密钻孔取样和室内试验确定软弱地层分布的详细情况，由此确定加固的位置；

第二步，配制浆液，安装注浆装置，进行钻孔作业，具体的：

1)配制所述第一浆液和所述第二浆液，所述第一浆液为聚丙烯酰胺溶液，所述第二浆液为膨润土泥浆或水泥砂浆，其中水泥砂浆水灰比为0.8:1～1.2:1；

2)安装调试所述注浆装置；

3)进行钻孔作业：

第一调整所述第一注浆管与水平面夹角，具体的：

将所述第一注浆管和所述第二注浆管组装，连接到所述双管钻机，所述第一注浆管和所述第二注浆管成为一个整体，同时动作，调整所述双管钻机和所述盾构机刀盘的距离，使得组装的所述第一注浆管长度比所述双管钻机和所述盾构机刀盘的距离长50～80cm，调整所述第一注浆管与水平面的夹角，使其夹角在3～8°；

第二启动所述双管钻机，开始钻孔作业，同时启动所述注浆泵，向所述第二注浆管泵送膨润土泥浆，匀速缓慢钻至所需深度；

第三步，进行注浆作业，具体的：

1)钻至所需深度时，以所述土压力计提供的土压力值的120％～150％的注浆压力向所述第二注浆管泵送水泥砂浆；

2)注浆量达到公式(1)的要求，同时注浆压力3～5min基本不变，保证本段注浆作业完成；

注浆量按下式进行计算：

Q＝α·(1+β+γ+η)·π·λ·R²·H·n (1)

式中：Q为注浆量m³；R为浆液扩散半径，取1.2m；H为每次退管的长度，取0.5m； n为地层孔隙率，黏土孔隙率取35％；α为地层填充率，依据经验取黏土40％；β为浆液漏失损失率，取20％；γ为劈裂地层的浆液损失率，取15％；η为被地下水稀释的浆液损失率，取20％；λ为考虑浆液扩散重叠影响因子，取0.6；

3)所述第一注浆管开始退管作业，同时重复第三步1)～2)步骤进行注浆作业，直到距离所述盾构刀盘前端1.2～1.5m处停止泵送水泥砂浆；

第四步，监测注浆过程中注浆参数、地层参数变化情况；及时清洗注浆装置，检测更换损坏的监测装置；根据注浆参数绘制P-V-t曲线和P-Q-t曲线，结合地层参数变化情况进行注浆效果评价，检查合格后，即完成本钻孔注浆作业，具体的：

1)记录注浆过程中注浆压力、注浆流量，地层土压力、水位和地层隆起值，当水位超过阈值时，所述盾构计算机下达指令给所述注浆泵，向所述第一注浆管泵送聚丙烯酰胺溶液，向所述第二注浆管泵送水泥砂浆；

2)根据注浆压力、注浆流量绘制P-V-t曲线和P-Q-t曲线，离散系数大于0.7，即注浆效果良好；否则，重复第二步3)、第三步和第四步。结合地层土压力和地层隆起值稳定，即本钻孔注浆作业完成；

3)所述第一注浆管继续退回，同时向所述第二注浆管泵送膨润土泥浆，直至完全退出所述第一注浆管，关闭所述常闭阀、所述注浆泵，最后关闭所述双管钻机；

4)及时清洗所述第一注浆管、所述第一注浆软管、所述第二注浆管和所述第二注浆软管等注浆装置；此步骤也可以省略。

5)检测所述第一压力表、所述第一流量表、所述第二压力表、所述第二流量表、所述水位计和所述土压力计等监测装置是否损坏，若损坏，及时更换；此步骤也可以省略。

第五步，钻孔位置按照先周边再拱顶，隔孔钻进的原则，进行更换所述盾构机刀盘预留的注浆孔位置，重复第二步到第四步，直到完成所述盾构机刀盘预留的所有注浆孔的注浆作业。

本发明采取的钻注一体及钻孔作业同时注膨润土的技术措施，有效防止地层泥沙堵塞注浆孔和减少地层扰动，无需先钻孔作业再注浆作业，从而大幅度提高施工效率和减少对周围环境破坏；本发明采取的所述盾构计算机10读取土压力值和水位值后，下达注浆工艺和注浆压力指令，并给出水位异常值时及时应急方案的技术方案工作原理清晰、智能化高、可靠性高。本发明采用的单向阀，保证注浆时地层浆液压力不变，退换所述新型钻注双用管作业可以同时进行，进而减小操作难度和加快施工进度。

本发明所述智能预警式土压盾构隧道洞内超前注浆装置和施工方法，其工作原理清晰、操作方便、可靠性高、施工智能科学化，无需先钻孔作业再注浆作业步骤，科学提供注浆压力和注浆流量值，智能避免高压水危险，边注浆边退管作业，很大程度上解决了隧道的空间狭小性和地下工程的隐蔽性问题，从而大幅度提高施工效率和施工安全性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，其特征在于，包括盾构机刀盘、注浆系统、密封装置、监测系统和盾构机计算机；

所述注浆系统包括钻注双用管、注浆软管、双管钻机和注浆泵，其中：

所述钻注双用管架设在盾构机刀盘上，包括钻头、第一注浆管、第一单向阀、第二注浆管和第二单向阀，其中钻头设置在第一注浆管的顶端，第二注浆管套设在第一注浆管内，且第一单向阀设置在第一注浆管内，第二单向阀设置在第二注浆管内；所述第一注浆管由多根首尾连接的钻管组成，所述第一注浆管用于向地层注射第一浆液；所述第二注浆管也由多根首尾连接的钻管组成，所述第二注浆管用于向地层注射第二浆液；

所述双管钻机与所述钻注双用管的尾端连接；

所述注浆泵通过所述注浆软管与所述双管钻机连接，用于泵送所述第一浆液和第二浆液；

所述密封装置设置于所述钻注双用管、所述盾构机刀盘连接处，用于密封所述钻注双用管在所述盾构机刀盘上的间隙；

所述盾构机计算机用于收集所述钻注双用管周围地层的水压、土压、浆液的压力、流量信息，对信息分析判断后，确定注浆压力、注浆量和注浆工艺并下达指令给所述注浆泵。

2.根据权利要求1所述的智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，其特征在于，所述第一注浆管，靠近所述钻头的一端为第一注浆管前端，靠近所述双管钻机的一端为第一注浆管末端，所述第一注浆管前端的第一根钻管上均匀的布置有第一注浆孔，所述第一注浆管前端的第二根钻管中点位置上布置多个凹槽，多个凹槽位于所述第一注浆管同一径向上；

所述第二注浆管，靠近所述钻头的一端为第二注浆管前端，靠近所述双管钻机的一端为第二注浆管末端，所述第二注浆管前端的第一根钻管上均匀布置有第二注浆孔，所述第二注浆孔的轴线平行于所述第一注浆管的轴线；

所述第二注浆管前端与所述第一注浆管前端留有间隙。

3.根据权利要求2所述的智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，其特征在于，所述第一注浆孔为一圆形孔，其直径为所述第一注浆管外径的1/8～1/5，呈梅花形均匀分布于所述第一注浆管前端的第一根钻管上。

4.根据权利要求2所述的智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，其特征在于，所述第二注浆管前端第一根钻管的端头是封闭的，且所述第二注浆孔为一圆柱孔，其外径为所述第二注浆管内径的1/8～1/5，呈梅花形均匀分布于所述第二注浆管前端第一根钻管上，其轴线平行于所述第一注浆孔的轴线。

5.根据权利要求2所述的智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，其特征在于，所述监测系统包括水位计、土压力计、第一压力表、第一流量表、第二压力表、第二流量表，其中：

所述水位计用于测量所述第一注浆孔周围地层的水压，位于所述第一注浆管的一个凹槽里，同时通过导线与所述盾构计算机连接；

所述土压力计用于测量所述第一注浆孔周围地层的土压，位于所述第一注浆管的另外一个凹槽里，同时通过导线与所述盾构计算机连接；

所述第一压力表用于测量所述注浆泵泵送的第一浆液压力，连接在所述第一注浆软管上，同时通过导线与所述盾构计算机连接；

所述第一流量表用于测量所述注浆泵泵送的第一浆液流量，连接在所述第一注浆软管上，同时通过导线与所述盾构计算机连接；

所述第二压力表用于测量所述注浆泵泵送的第二浆液压力，连接在所述第二注浆软管上，同时通过导线与所述盾构计算机连接；

所述第二流量表用于测量所述注浆泵泵送的第二浆液流量，连接在所述第二注浆软管上，同时通过导线与所述盾构计算机连接。

6.根据权利要求2所述的智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，其特征在于，所述钻头为一圆锥硬质合金钻头，其基部焊接于所述第一注浆管前端第一根钻管端口上，基部直径比所述第一注浆管外径大5～8mm，其轴线平行于所述第一注浆管的轴线。

7.根据权利要求2-6任一项所述的智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，其特征在于，所述第一注浆管前端的第一根钻管焊接于所述钻头的基部，所述第一注浆管后端的最后一根钻管与所述双管钻机固定连接。

8.根据权利要求2-6任一项所述的智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，其特征在于，所述第二注浆管后端的最后一根钻管与所述双管钻机固定连接；

所述第二注浆管前端与所述第一注浆管前端间隔0.1～0.2m。

9.根据权利要求1-6任一项所述的智能预警式土压平衡盾构超前注浆装置，其特征在于，所述注浆软管包括第一注浆软管和第二注浆软管，所述第一注浆软管一端连接所述第一注浆管的末端钻管，另一端连接于所述注浆泵；所述第二注浆软管一端连接所述第二注浆管的末端钻管，另一端连接于所述注浆泵。

10.一种采用权利要求1-9中任意一项所述注浆装置的智能预警式土压平衡盾构超前注浆施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，地层条件调查、钻孔取样和室内试验确定加固注浆位置：根据隧道设计阶段地质勘查报告确定软弱地层分布范围，针对软弱地层分布区，采用加密钻孔取样和室内试验确定软弱地层分布的详细情况，由此确定加固的位置；

第二步，配制浆液，安装注浆装置，进行钻孔作业：

1)配制第一浆液和第二浆液，所述第一浆液为聚丙烯酰胺溶液，所述第二浆液为膨润土泥浆或水泥砂浆，其中水泥砂浆水灰比为0.8:1～1.2:1；

2)安装调试所述注浆装置；

3)进行钻孔作业：

调整第一注浆管与水平面夹角：将第一注浆管和第二注浆管组装，连接到双管钻机，所述第一注浆管和所述第二注浆管成为一个整体，同时动作，调整双管钻机和盾构机刀盘的距离，使得组装的所述第一注浆管长度比所述双管钻机和所述盾构机刀盘的距离长50～80cm，调整所述第一注浆管与水平面的夹角，使其夹角在3～8°；

启动所述双管钻机，开始钻孔作业，同时启动注浆泵，向第二注浆管泵送膨润土泥浆，匀速缓慢钻至所需深度；

第三步，进行注浆作业：

1)钻至所需深度时，以所述土压力计提供的土压力值的120％～150％的注浆压力向第二注浆管泵送水泥砂浆；

2)注浆量达到公式(1)的要求，同时注浆压力3～5min基本不变，保证本段注浆作业完成；

注浆量按下式进行计算：

Q＝α·(1+β+γ+η)·π·λ·R²·H·n (1)

式中：Q为注浆量m³；R为浆液扩散半径；H为每次退管的长度；n为地层孔隙率；α为地层填充率；β为浆液漏失损失率；γ为劈裂地层的浆液损失率；η为被地下水稀释的浆液损失率；λ为考虑浆液扩散重叠影响因子；

3)第一注浆管开始退管作业，同时重复第三步1)～2)步骤进行注浆作业，直到距离所述盾构刀盘前端1.2～1.5m处停止泵送水泥砂浆；

第四步，监测注浆过程中注浆参数、地层参数变化情况；及时清洗注浆装置，检测更换损坏的监测装置；根据注浆参数绘制P-V-t曲线和P-Q-t曲线，结合地层参数变化情况进行注浆效果评价，检查合格后，即完成本钻孔注浆作业：

1)记录注浆过程中注浆压力、注浆流量，地层土压力、水位和地层隆起值，当水位超过阈值时，所述盾构计算机下达指令给所述注浆泵，向所述第一注浆管泵送聚丙烯酰胺溶液，向所述第二注浆管泵送水泥砂浆；

2)根据注浆压力、注浆流量绘制P-V-t曲线和P-Q-t曲线，离散系数大于0.7，即注浆效果良好；

否则，重复第二步的3)、第三步和第四步中1)-2)，结合地层土压力和地层隆起值稳定，即本钻孔注浆作业完成；

3)所述第一注浆管继续退回，同时向所述第二注浆管泵送膨润土泥浆，直至完全退出所述第一注浆管，关闭常闭阀、所述注浆泵，最后关闭所述双管钻机；

第五步，钻孔位置按照先周边再拱顶，隔孔钻进的原则，进行更换所述盾构机刀盘预留的注浆孔位置，重复第二步到第四步，直到完成所述盾构机刀盘预留的所有注浆孔的注浆作业。