CN109778846A - 一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，该支护结构是由水平旋喷桩或预应力锚索旋喷桩相互搭接形成或者由型钢与水平旋喷桩相互搭接组成的近水平连续墙，用于地下结构开挖对周围地层的止水、挡土和固砂，具有超前封闭地下结构围岩和超前加固地层的作用。这种连接结构是大直径旋喷桩沿地下结构衬砌的外轮廓面分布，旋喷桩的轴线与地下结构的轴平面基本一致，并相互搭接形成的连续封闭结构；这种超前支护结构断面为圆形、矩形、半圆拱形，多边形或椭圆形，具体是由地下结构的外轮廓形状确定的。实现了地下开挖的止水、挡土与保护对邻近建筑物和构筑物的影响最小之目的。

Description

一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体来说是地下空间施工过程中对软弱地层的加固和止水，形成临时掩护体，以便开挖和施工永久支护结构。

背景技术

在地下空间施工过程中，遇到密集分布管线，地铁、市政交通隧道、桥梁和建筑桩基等地下构筑物时，需要对这些已有的设施进行保护。此外，还需要开挖一些联络通道与隧道及地下空间连接或跨越地下结构，为不影响这些隧道或地下室结构的使用功能和运行的安全，需在这些联络通道开挖或既有建筑物下开挖地下空间时，须对既有的构筑物采取有效的保护措施，同时需要对所穿过的软弱地层进行加固和止水，形成临时掩护体。

当对已建建筑物和构筑物进行主动性保护时，大量的建筑物分布在开挖区域的上面，无法从地面向下进行超前加固处理，只能采用远处工作井水平施工，对保护区域地基进行导管注浆、管棚注浆加固或高压旋喷注浆加固。

目前，传统的导管注浆、管棚注浆加固或高压旋喷注浆加固施工法，主要有普通注浆方法，如充填注浆、压密注浆和劈裂注浆等方法；高压旋喷注浆，如单重管、双重管高压旋喷注浆和三重管高压旋喷注浆方法。

普通的注浆方法是通过在加固位置钻孔埋设固定的注浆管，注浆管与引孔的孔壁间设有止浆塞，注浆喷嘴不移动和转动，定点喷浆，浆液由近及远向地层中流动，压力越大，浆液流动的范围越大，浆液的扩散路径呈脉状，不均匀扩散。由于没有置换，当注浆量和压力较大时，出现浆液向地层表面流动，或向地下沟槽内流动，浆液和消耗量大，对邻近构筑物的影响和损害大，加固效果不可控，质量较差。

导管注浆或管棚法注浆，由于浆液由近及远向地层中流动，总是沿阻力最小的区域流动。浆液的扩散路径呈脉状，不均匀扩散，难以形成理论上的封闭体。

高压旋喷方法是先在加固位置钻孔埋设旋喷注浆管，喷浆嘴安装在旋喷管的头部，喷浆嘴随喷浆管旋转和提升移动，旋喷管与引孔孔壁之间留有间隙，允许旋喷注射浆液产生的置换泥浆从这个间隙中排出。旋喷嘴喷射的是浆、水和气流体，压力越大，切削地基土的能力越强，能使加固浆液扩散一个较大的直径，形成一个大直径的加固体。由于气升效果，能使置换的泥浆能从钻杆与引孔孔壁之间的间隙排出，但是，随着施工深度的增加，气升效果会越来越弱，另外，当间隙堵塞的时候，加固区域的压力会不断增加，一方面造成高压喷嘴的喷射效率会下降，另外会造成地面隆起、挤压管线、损伤隧道结构等副作用。此外，沿钻杆与引孔孔壁之间的间隙随意排出的泥浆清理十分困难，对施工结束后快速恢复是无法实现的。传统高压旋喷注浆加固施工时，引孔和注浆压力等参数监测水平较低，导致形成的加固体质量难以达到设计要求。

此外，在对软弱地层加固或地下开挖止水时，需要预先形成一个水平的或缓倾斜的旋喷加固体，常规的旋喷桩施工过程中，由于旋喷切割形成的流态固化土，在自重作用下分层，上层积聚废泥浆，固化后在旋喷桩的上层存在收缩间隙，桩体中存在空隙和蜂窝状，具有安全隐患，得不到加固和封闭止水的效果。

由于在盾构出洞口位置传统的旋喷桩加固质量问题，引起了较大的工程事故案例枚不胜举。

可以说，传统的注浆加固或高压旋喷注浆加固施工法用于地层的水平加固、或对地下构筑物的保护，无法灌足加固的质量、对邻近建筑物保护和施工过程安全规定的要求。因此，需要创新的技术来满足地基加固及对已有建筑物和构筑物保护的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有水平的或缓倾斜高压旋喷注浆加固地层及保护隧道和地下结构产生的副作用，如对相邻建(构)筑物的扰动与损伤，加固体质量差、施工过程产生的废弃物排放量大，施工周期长，本发明提供一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法。

为达到上述目的，本发明专利采用的技术方案是：

使旋喷加固体相互搭接形成水平连续墙，用于地下结构开挖时，对周围地层的止水、挡土和固砂，具有超前封闭地下结构围岩和超前加固地层的作用。

所述的超前支护与封闭结构是由成排的大直径旋喷加固体组成，沿地下结构衬砌的外轮廓面分布的，旋喷加固体的轴线与地下结构的轴平面基本一致，并相互搭接形成的连续封闭结构；

所述的超前支护与封闭结构是由成排的型钢与大直径旋喷加固体组成，沿地下结构衬砌的外轮廓面分布的，预埋的型钢和旋喷加固体的轴线与地下结构的轴平面基本一致，大直径旋喷加固体相互搭接形成的连续封闭结构；型钢主要为钢管和H型钢或工字钢。

所述的超前支护与封闭结构是由预应力锚索与大直径旋喷加固体组成，沿地下结构衬砌的外轮廓面分布的，预应力锚索的轴线与地下结构的轴平面基本一致，大直径旋喷加固体相互搭接形成的连续封闭结构；预应力锚索是由无粘结钢绞线和锚索端、张拉端组成。

所述的超前支护与封闭结构是由摆喷法形成的半圆形桩体相互搭接而成的，在地下结构的外轮廓面处形成连续平整的加固结构面；

所述的超前支护与封闭结构是由圆柱形旋喷加固体相互搭接形成的，将超前工作面全封闭；

所述的超前支护与封闭结构的中轴面与水平面夹角为0～45度；

所述的大直径旋喷加固体的直径为1～3.5m；所述的超前支护与封闭结构断面为圆形、矩形、半圆拱形，多边形或椭圆形。

所述超前支护与封闭结构的中轴线长度不大于60m,超前支护与封闭结构的高度不大于30m，宽度不大于500m,加固体的厚度不大于5m；

所述超前支护与封闭结构的旋喷加固体内插入有型钢，如H型钢、钢管、钢筋及钢绞线等。

超前支护与封闭结构的施工方法，包括以下步骤：

(1)在拟建地下结构的外轮廓面上，沿其轴线方向引水平钻孔或缓倾斜钻孔；

(2)沿钻孔插入旋喷钻杆和旋喷钻头，从近向远处前推旋喷钻杆，同时，由施工参数控制器控制进行高压旋喷注浆，与切削的岩土体混合形成旋喷加固体；

(3)沿钻孔长度完成一根旋喷加固体施工后，控制旋喷钻头向上翘起，使旋喷钻头上的吸浆口位于旋喷加固体的上层泥浆区中，吸入上浮的废泥浆排出孔外，同时用位于吸浆口下面的喷嘴再补喷加固浆液；

(4)一边吸入废浆一边补喷浆液，并提拔旋喷钻杆；

(5)达旋喷加固体的端部时，使旋喷钻头复位，让旋喷钻头与钻杆保持在同一轴线上，将钻具从钻孔中抽出。

(6)根据旋喷加固体径、搭接量及桩体的空间位置，确定相邻旋喷加固体的引孔参数，进行相邻旋喷加固体的施工，形成相互搭接的超前支护与封闭结构体。

(7)当开挖地下结构轴线长度大于60m时，应分段施工旋喷加固体超前支护与封闭结构使其分段封闭。先施工一段旋喷加固体超前支护与封闭结构，使其与地下结构的轴平面夹角3度以上，向地下结构轮廓面的外侧分布，形成连续封闭结构；在前一分段区域的超前加固结构掩护下，按与前一段相同的方法施工下一段旋喷加固体超前支护与封闭结构。

(8)为提高超前支护与封闭结构的承载力，在旋喷加固体内设置预应力锚索，预应力锚索是在一端设置锚固端头，当旋喷加固土体达到设计强度后，在开口端位置张拉施工预应力，以提高支护结构的抗弯强度。

(9)当需要的超前支护与封闭结构的承载力较高时，应先预顶进型钢，或在旋喷加固体内顶进型钢，型钢主要为钢管或H型钢、工字钢，旋喷加固土体是相互搭接的，形成封闭体。

所述的旋喷钻头上设置有喷浆、喷气的喷嘴；

所述的旋喷钻头上设置有喷浆、喷气和喷水的喷嘴；

所述的旋喷钻杆旋转方式分为全圆旋转、半圆旋转和定角度旋转三种，全圆旋转为：正转360度后，反转360度；半圆旋转为：先正转180度，再反转180度，然后正转180～360度，再反转180～360度，这二种旋转方式形成的旋喷加固体为圆桩状；定角度旋转为，先正转α度，再反转α度，这种旋转方式形成一个截面弧度为α角的扇形旋喷加固柱体；旋喷钻杆的轴线移动方式分为步进式移动或匀速移动；

所述旋喷钻头与旋喷钻杆的连接处能弯折；旋喷钻头与旋喷钻杆之间的弯折角度变化，使旋喷钻头上的吸浆口在旋喷加固体中沿高度位置随之改变；吸浆口吸入浮于旋喷加固体上层的置换泥浆并排出到孔外；调节吸浆口上的阀门能控制排浆量；旋喷钻杆是一根多孔管，分别输送浆液、水、气体到达喷嘴和液压油控制阀门以及排出泥浆至孔外；

所述施工参数控制器能根据设置的钻杆的旋喷转动速度、钻进速度、旋转方式、提拔速度、喷浆、喷水和喷气压力与流量，吸排浆的压力与流量，控制着旋喷钻头的位置和旋喷加固体的尺寸；

所述的大直径旋喷加固体横断面为圆形、半圆形和扇形。

有益效果：本发明实现了高压旋喷注浆施工过程对被加固地层或是被保护对象的微扰动和加固质量完全可控的要求。形成的缓倾斜旋喷加固体质量可靠，解决桩体上层存在的空洞、蜂窝等缺陷。本发明现场施工操作的自动化程度高，信息化监测监控技术水平高、作业效率高，能够保证加固施工质量，工程实施效果良好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为高压旋喷摆喷法形成的超前支护与封闭结构横断面示意图；

图2为由钢管与旋喷加固体搭接组成的超前支护与封闭结构横断面示意图；

图3为圆形旋喷加固体形成的超前支护与封闭结构横断面示意图；

图4为半圆形与扇形旋喷加固体搭接形成超前支护与封闭结构横断面示意图；

图5为半圆形与圆形旋喷加固体搭接形成超前支护与封闭结构横断面示意图；

图6为工字钢与旋喷加固体组成的超前支护与封闭结构横断面示意图；

图7为高压旋喷加固体在超前工程面处形成的超前支护与封闭结构示意图；

图8为分段施工高压旋喷加固体形成的超前支护与封闭结构剖面示意图；

图9为水平或缓倾斜旋喷加固体施工时旋喷钻头上翅吸排泥浆示意图；

图10为预应力锚索与旋喷加固体组成的超前支护与封闭结构横断面示意图。

图中：1—半圆旋喷加固连续体、11—半圆旋喷加固搭接区、12—圆柱形旋喷加固体、13--圆形旋喷加固连续体、14---超前工作面封闭体、15---废泥浆积聚区、16---扇形旋喷加固体连续体、2—旋喷钻杆、21—旋喷钻头、22—高压喷射浆液、23—高压气幕、24—吸排泥浆口、25—压力传感器、26—液控千斤顶、3—工字钢、31—钢管、32—固化土或素混凝土、33—预应力锚索、4—隧道衬砌外的充填体、5—隧道衬砌结构、6—旋喷钻机、7—工作井。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

按图1所示，采用高压旋喷的摆喷法形成半圆形的旋喷体1，使之相互搭接产生搭接区11组成超前支护与封闭结构，在地下结构外轮廓面上形成一个封闭的结构。

按图2所示，先预埋圆形钢管31，可采用顶管法埋入，钢管31内充填有混凝土32，然后在钢管31之间用高压旋喷的摆喷法形成半圆形的旋喷体1，并使之相互搭接组成超前支护与封闭结构，在地下结构外轮廓面上形成一个封闭的结构。

按图3所示，采用高压旋喷形成圆柱形的旋喷体13，使之相互搭接产生搭接区11组成超前支护与封闭结构，在地下结构外轮廓面上形成一个封闭的结构。

按图4所示，采用半圆形旋喷加固体1与扇形旋喷加固体16搭接形成的超前支护与封闭结构；

按图5所示，采用高压旋喷摆喷法形成半圆形的旋喷体1与全回转喷射法形成的圆柱形旋喷体12相结合，在地下结构外轮廓面上形成一个封闭的结构。

按图6所示，采用高压旋喷的摆喷法形成半圆形的旋喷体1，并在每个旋喷体中间插入型钢3，使之相互搭接产生搭接区11组成超前支护与封闭结构，在地下结构外轮廓面上形成一个封闭的结构。这种加劲的超前支护与封闭结构具有较高的抗弯能力。

按图7所示，采用高压旋喷形成的旋喷体1，使之相互搭接组成超前支护与封闭结构，在地下结构外轮廓面上形成一个封闭的结构；为了在超前工作面上形成一个封闭体，需在地下结构外轮廓面内部，采用高压旋喷加固体相互搭接，形成一个完全的连续体14，将超前工作面给预先封闭。

如图8所示，在较长的地下结构开挖前，需分段用旋喷加固体相互搭接形成的连接结构1和14，将开挖的工作面位置形成一个超前全封闭墙体；

在该段的全封闭的地下开挖的超前支护与封闭结构1掩护下，通过短段掘砌，架设隧道的衬砌结构5，并将隧道的衬砌结构5与旋喷超前支护与封闭结构1之间的空隙14充填密实，实现在含水软地层中开挖和支护近水平分布的地下结构；

按与前段相同的方法，采用置换式高压旋喷机6施工下一段的旋喷加固体超前支护与封闭结构；

在完成一根旋喷加固体施工后，旋喷钻头21与旋喷钻杆2连接处的液控千斤顶26启动，使旋喷钻头21翘起，这样吸排泥浆口24就抬高了。由于自重作用使旋喷加固体的上部积聚较多的泥浆区15，抬高后的吸排泥浆口24才能最有效地吸排掉这些泥浆15；同时，位于旋喷钻头上的喷浆嘴喷射出浆液22，喷气嘴喷出气体23，及时填补吸排泥浆后产生的空间。泥浆16的排出量是根据布置于旋喷钻头上的压力传感器25来控制的，如图9所示，从而保证旋喷加固体的上层旋喷体的质量。

所述的超前支护与封闭结构的中轴面需根据地下结构的走向倾角a，按与水平面夹角3+a的角度来施工旋喷加固体超前支护与封闭结构1；

为减少引孔的数量，形成的旋喷加固体的直径均为0.5m以上，最大达3.5m；

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (11)

1.一种地下开挖超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是：所述的超前支护与封闭结构是沿地下结构的外轮廓面分布的，形成连续封闭结构；所述的超前支护与封闭结构是由扇形加固体相互搭接而成的；所述的超前支护与封闭结构是由圆柱形旋喷加固体相互搭接而成的；所述的超前支护与封闭结构是由旋喷加固体内插入型钢或预应力锚索复合而成的；所述的超前支护与封闭结构是由先顶入的型钢与旋喷加固体咬合而成的；所述的超前支护与封闭结构能将开挖的工作面周围的岩土层全封闭和隔离；所述的超前支护与封闭结构轴平面与地下空间的轴平面夹角为0～45度；所述的水平旋喷加固体的直径为0.5～3.5m；所述的超前支护与封闭结构的断面为圆形、矩形、半圆直墙拱形，多边形或椭圆形；所述的施工方法是采用置换式高压旋喷加固方法。

2.根据权利要求1所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述的超前支护与封闭结构的一段长度为60m以内,支护高度为50m以内，支护宽度为60m以内,加固体厚度为5m以内。

3.根据权利要求1所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述的型钢主要为圆钢管、方钢管、H型钢或工字钢。

4.根据权利要求1所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述的预应力锚索使用无粘结钢绞线，在一端设置锚固端头，另一端施加预应力并锁定。

5.根据权利要求1所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，按下列步骤实施：

(1)在拟建地下空间的外轮廓面以外，沿其轴线方向预引旋喷钻孔；

(2)沿钻孔插入旋喷钻杆和旋喷钻头，从近向远处前推旋喷钻杆，同时，由施工参数控制器控制施工参数进行高压旋喷注浆，与切削的岩土体混合形成旋喷加固体；

(3)沿钻孔长度完成一根旋喷加固体施工后，控制旋喷钻头向上翘起，使旋喷钻头上的吸浆口位于旋喷加固体的上层泥浆集聚区中，吸入上浮的废泥浆排出孔外，同时从位于吸浆口下面的喷嘴喷出加固浆液，充填泥浆吸出后的空隙；

(4)一边吸入废浆一边补喷浆液，并提拔旋喷钻杆；

(5)达旋喷加固体的端部时，使旋喷钻头复位，让旋喷钻头与钻杆保持在同一轴线上，将钻具从钻孔中抽出。

(6)根据旋喷加固体径、搭接量及桩体的空间位置，确定相邻旋喷加固体的引孔位置，进行相邻旋喷加固体的施工，形成相互搭接的超前支护与封闭结构体。

(7)当开挖地下结构轴线长度大于60m时，应分段施工旋喷加固体超前支护与封闭结构使其分段封闭。先施工一段旋喷加固体超前支护与封闭结构，使其与地下结构的轴平面夹角3度以上，沿地下结构轮廓面的外侧分布，形成连续封闭结构；在分段的工作面位置按开挖工作面的形状形成一个封闭的墙体，墙体的厚度是根据地层的性能及承受侧向土水压力需要设置的，一般按0.5米至5米不等设置。在前一分段区域的超前加固和封闭结构掩护下，按与前一段相同的方法施工下一段超前支护与封闭结构。

(8)当超前支护与封闭结构需要提供较高承载力时，需沿其轴线方向先将型钢顶入，然后在型钢之间施工旋喷加固体；或在施工旋喷加固体后插入型钢。当预先顶入型钢的地层较硬或有障碍物时，应采用掘进机头预引孔。

(9)当超前支护与封闭结构需要提供一定的抗弯承载力时，需沿其轴线方向的旋喷桩内插入无粘结锚索，养护旋喷体达设计强度后，在开口端对锚索施加预应力并锁定。

6.根据权利要求5所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述的旋喷钻头上设置有喷浆、喷气的喷嘴。

7.根据权利要求5所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述的旋喷钻头上设置有喷浆、喷气和喷水的喷嘴。

8.根据权利要求5所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述的旋喷钻杆旋转方式分为全圆旋转、半圆旋转和定角度旋转三种，全圆旋转为：正转360度后，反转360度；半圆旋转为：先正转180度，再反转180度，然后正转180～360度，再反转180～360度，这二种旋转方式形成的旋喷加固体为圆桩状；定角度旋转为，先正转α度，再反转α度，这种旋转方式形成一个截面弧度为α角的扇形旋喷加固柱体；旋喷钻杆的轴线移动方式分为步进式移动或匀速移动。

9.根据权利要求5所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述旋喷钻头与旋喷钻杆的连接处能弯折；旋喷钻头与旋喷钻杆之间的弯折角度变化，使旋喷钻头上的吸浆口在旋喷加固体体中沿高度位置随之改变；吸浆口吸入浮于旋喷加固体上层的置换泥浆并排出到孔外；调节吸浆口上的阀门能控制排浆量；旋喷钻杆是一根多孔管，分别输送浆液、水、气体和液压油到达喷嘴和液压油控制阀门处，能将废弃泥浆排出孔外。

10.根据权利要求5所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述施工参数控制器能根据设置的钻杆的旋喷转动速度、钻进速度、旋转方式、提拔速度、喷浆、喷水和喷气压力与流量，吸排浆的压力与流量，控制着旋喷钻头的位置和旋喷加固体的尺寸。

11.根据权利要求5所述的一种地下开挖超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述的大直径旋喷加固体横断面为圆形、半圆形和扇形。