CN110397451B - 一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，该方法包括以下步骤：步骤1：找出软岩层分布情况；步骤2：初次衬砌；步骤3：钻孔；步骤4：布设压力监测器；步骤5：将活动塞体的敞开端穿过孔洞插入软岩层的软岩内及长导管；步骤6：配制膨胀剂溶液；步骤7：将膨胀剂溶液灌入软岩层的软岩内；步骤8：膨胀溶液产生膨胀力，对软岩层的围岩进行挤压预裂；步骤9：在孔洞孔口处安装自动泄压阀；步骤10：从自动泄压阀泄出小粒垫层的流动母岩碎屑；步骤11：高压注浆，即完成开挖洞室预加固。本发明提供的一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，对隧道进行有效支护；大大提高隧洞的稳定性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道山体内部软岩的扰动处理技术领域，尤其是一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法。
背景技术
巨大的高地应力是给隧洞工程造成风险的因素之一，尤其是山体内部软岩的分布不均更是给工程带来许多不稳定因素。目前主要的处理方法是通过锚杆、钢架和喷射混凝土来实现初期支护，没有很好地利用山体内部软岩的特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，利用隧道山体本身存在的软岩，经过处理形成垫层卸除山体较大的大地应力，对隧道进行有效支护；大大提高隧洞的稳定性和安全性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：探测隧道周围岩层分布情况，对隧道岩层进行分析，找出岩层的围岩中软岩层的分布情况；
步骤2：开挖隧道，在隧道沿壁钻孔，施工完成初次衬砌；
步骤3：避开锚杆对隧道顶部受力较大的部位进行钻孔形成孔洞到达软岩层中间部位并清理孔洞中的碎石；
步骤4：在所钻取的孔洞四周布设可实时监测围岩应力的压力监测器；
步骤5：将一端设有可打开的顶盖，另一端敞开的活动塞体的敞开端穿过孔洞插入软岩层的软岩内，选取长度大于孔洞深度的长导管，使长导管的一端顶开活动塞体的顶盖进入活动塞体内，将长导管的另一端与液体传输装置连通；
步骤6：配制适合浓度的膨胀剂溶液注入液体传输装置内；
步骤7：打开液体传输装置将膨胀剂溶液通过长导管灌入软岩层的软岩内，在灌入膨胀剂溶液的同时，缓慢拔出长导管，当长导管一端离开活动塞体的顶盖后停止灌入膨胀剂溶液；
步骤8：等待一段时间至膨胀溶液产生膨胀力，对软岩层的围岩进行挤压预裂，此时利用压力监测器检测确定软岩层内软岩状态，当通过压力检测器监测的膨胀压力出现陡跌时，即认为膨胀溶液产生的膨胀力使得软岩层大块破碎岩体被挤压预裂破坏成具有较高流动性的小粒垫层，停止灌入膨胀剂溶液；
步骤9：拆除活动塞体及长导管；在孔洞孔口处安装自动泄压阀并设置阀值；
步骤10：随着围岩变形，产生荷载达到卸压阈值，从自动泄压阀泄出小粒垫层的流动母岩碎屑，及时卸除上部围岩蠕变压力；
步骤11：待泄出结束，软岩层内形成抽吸空腔区，待围岩变形稳定后，将长导管一端与自动泄压阀连通，通过长导管向软岩层内形成的抽吸空腔区内高压注浆，进行封堵加固，使得软岩夹层与岩性较好的围岩形成稳定的整体，即完成开挖洞室预加固。
步骤2中，开挖隧洞并碎石清理干净，利用钻孔设备在隧道沿壁钻孔，插入锚杆挂设柔性铁丝网，浇筑完成后在锚杆上挂设柔性铁丝网，喷射混凝土养护形成初次衬砌。
步骤6中，将膨胀剂与水混合配制成膨胀剂溶液，膨胀剂的质量含量为20-40%。
活动塞体包括两端敞开的筒体，顶盖一侧与筒体铰接且通过至少一根弹簧与筒体连接，弹簧不受力时属于收缩状态。
步骤10中，在自动泄压阀处安装抽吸装置加快流动母岩碎屑的泄出。
所述方法还包括步骤12：预加固完成后长导管和自动泄压阀可拆除或通过高压注浆埋在围岩内部。
步骤8中，当通过压力检测器监测的膨胀压力出现与膨胀压力前期递增峰值压力相比70-90%的 陡跌时，即认为膨胀溶液产生的膨胀力使得软岩层大块破碎岩体被挤压预裂破坏成具有较高流动性的小粒垫层，停止灌入膨胀剂溶液。
本发明提供的一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，有益效果如下：
1、在操作上无需过多人员，操作简单，成本较低。
2、支护效果明显，时间长，有效的解决了大地应力对工程产生的荷载影响。
3、可以对工程中出现的软弱岩层夹带进行扰动处理和加固，以达到预期支护效果，有利于工程的安全与进度
4、将夹层内的物质整体性破坏，形成流动性较高的小粒径垫层，利用了岩层本身存在的母岩，节约了材料成本，且对环境的破坏程度小，符合环保的理念。
5、形成的小粒垫层，本身具有一定的流动性，能够将山体的对于局部的荷载均化到其他受力较少的部位，整体稳定性高，并且细碎的母岩本身具有一定硬度能够，较好的对山体内部进行支护，有效的对保护目标提供保护
6、形成的小粒垫层，本身具有一定流动性，当所承受荷载到达一定峰值时，可通过自动泄压阀卸除荷载，可实现自动化控制。
7、在围岩变形稳定的后期进行高压注浆，加固了隧道上部分山体，起到对隧道稳定支护作用。
通过膨胀剂等材料把山体内部软岩变成具有流动性的物质并形成空腔，给围岩留出变形空间，并可通过软岩形成的流质的特性进行卸压，待围岩变形稳定再将软岩抽出，往洞室内注混凝土浆作为支护，大大提高隧洞的稳定性和安全性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明方法步骤4布置示意图；
图2为本发明方法步骤8等待一段时间后软岩层开始破裂形成破裂软岩的示意图；
图3为本发明方法步骤9安装自动泄压阀后的示意图；
图4为本发明方法所用活动塞体的示意图；
图5为本发明方法所用自动泄压阀的示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1-图4所示，一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：利用声波探测仪探测隧道2周围岩层分布情况，对隧道2岩层进行分析，找出岩层的围岩1中软岩层4的分布情况；
步骤2：开挖隧道2，在隧道2沿壁钻孔，施工完成初次衬砌3；
步骤3：在确保隧道稳定情况下，利用钻孔设备避开锚杆对隧道2顶部受力较大的部位进行钻孔形成孔洞12到达软岩层4中间部位并清理孔洞12中的碎石；
步骤4：在所钻取的孔洞12四周布设可实时监测围岩应力的压力监测器10；
步骤5：将一端设有可打开的顶盖15，另一端敞开的活动塞体6的敞开端穿过孔洞12插入软岩层4的软岩内，选取长度大于孔洞深度12的长导管7，使长导管7的一端顶开活动塞体6的顶盖15进入活动塞体6内，将长导管7的另一端与液体传输装置8连通；
步骤6：配制适合浓度的膨胀剂溶液注入液体传输装置8内；
步骤7：打开液体传输装置8将膨胀剂溶液通过长导管7灌入软岩层4的软岩内，在灌入膨胀剂溶液的同时，缓慢拔出长导管7，当长导管一端7离开活动塞体6的顶盖15后停止灌入膨胀剂溶液；
步骤8：等待一段时间（通常为2-3小时）至膨胀溶液产生膨胀力，对软岩层4的围岩进行挤压预裂，此时利用压力监测器10检测确定软岩层4内软岩状态，当通过压力检测器10监测的膨胀压力出现陡跌时，即认为膨胀溶液产生的膨胀力使得软岩层4大块破碎岩体被挤压预裂破坏成具有较高流动性的小粒垫层14，停止灌入膨胀剂溶液；
步骤9：拆除活动塞体6及长导管7；在孔洞孔口处16安装自动泄压阀11并设置阀值；
步骤10：随着围岩变形，产生荷载达到卸压阈值，从自动泄压阀11泄出小粒垫层14的流动母岩碎屑，及时卸除上部围岩蠕变压力；
步骤11：待泄出结束，软岩层4内形成抽吸空腔区5，待围岩变形稳定后，将长导管7一端与自动泄压阀11连通，通过长导管7向软岩层4内形成的抽吸空腔区5内高压注浆，进行封堵加固，使得软岩夹层与岩性较好的围岩形成稳定的整体，即完成开挖洞室预加固。
步骤2中，开挖隧洞并碎石清理干净，利用钻孔设备在隧道沿壁钻孔，插入锚杆挂设柔性铁丝网，浇筑完成后在锚杆上挂设柔性铁丝网，喷射混凝土养护形成初次衬砌3。
步骤6中，将膨胀剂与水混合配制成膨胀剂溶液，膨胀剂的质量含量为20-40%，当现场环境温度较低时则先将水加热至15-20摄氏度再配置膨胀剂溶液。。
活动塞体6包括两端敞开的筒体9，顶盖15一侧与筒体9通过固定栓铰接且通过至少一根弹簧13与筒体9连接，弹簧13不受力时属于收缩状态，步骤5装入活动塞体6前需确认活动塞体6的弹簧13无卡壳状态，收缩性能良好。
步骤10中，在自动泄压阀11处安装抽吸装置加快流动母岩碎屑的泄出。
所述方法还包括步骤12：预加固完成后长导管7和自动泄压阀11可拆除或通过高压注浆埋在围岩1内部。
步骤8中，步骤8中，当通过压力检测器10监测的膨胀压力出现与膨胀压力前期递增峰值压力相比70-90%的陡跌时（如膨胀剂含量为10%,注浆后监测的膨胀压力前期递增峰值压力为1mPa，随着压力的增大产生的膨胀力使得软岩层大块破碎岩体被挤压预裂，压力陡跌为0.1mPa），即认为膨胀溶液产生的膨胀力使得软岩层4大块破碎岩体被挤压预裂破坏成具有较高流动性的小粒垫层14，停止灌入膨胀剂溶液。
压力监测器10，优选为市售型号为D2027压阻式柔性薄膜压力传感器。
抽吸装置，如工业吸尘器，工业吸尘器通过多级高压风机、漩涡风机、漩涡气泵等设备将桶身内部抽成真空，使其负压快速升高，高负压使空气迅速通过进风口流入桶身内部，可快速卸除小粒垫层流质碎屑物，从而快速卸除围岩上部荷载。
长导管7为具有一定强度的导管，用于后续灌浆，如PE管。
实施例二
上述实施例一种所用到的自动泄压阀11的结构如下：
如图5所示，一种自动泄压阀11，包括上端面和下端面敞开的阀体17，阀体17内部的下端面开口处安装有阀球18，阀体17内部的上端面开口处安装有阈值调节装置，阀球18与阈值调节装置之间通过压力弹簧19连接；阈值调节装置包括与阀体17内壁螺纹连接的调节螺杆8，调节螺杆8上设置有带转动手柄25的压力刻度尺27；阀体17上在阀球18一端侧壁上开设有卸压进孔22，阀体17的中部侧壁上设有卸压出孔23；
阀体17在阀球18的一侧与隧道衬砌结构的包裹填充物28相配合。
阀体17在阀球18的一侧安装有与包裹填充物28相连接的压力表20。
卸压进孔22内壁与阀球18相接触的位置设有垫圈21。
调节螺杆24通过阀体17内部的内螺纹26与阀体17螺纹连接。
上述泄压阀的安装及工作过程如下：
步骤1：压力范围选择：根据工程需求，选择一定刚度的压力弹簧19；
步骤2：选择卸压精度：根据压力弹簧19的刚度由胡克定律选择适当精度的压力刻度尺27；
步骤3：确定阈值：根据具体工程需求，调节阈值调节装置设置压力阈值；
步骤4：安装：将本实用新型安装在隧道衬砌结构的包裹填充物28上。
步骤5：卸压：当流质体的压力高于阈值，流质物顶开阀球18，通过卸压出孔23放出流质物，隧道衬砌结构的包裹填充物28内压力逐渐降低，直至压力降至与排斥弹力相同时，阀球18再次堵住卸压进孔22，完成卸压。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1：探测隧道(2)周围岩层分布情况，对隧道(2)岩层进行分析，找出岩层的围岩（1）中软岩层(4)的分布情况；
步骤2：开挖隧道(2)，在隧道(2)沿壁钻孔，施工完成初次衬砌（3）；
步骤3：避开锚杆对隧道（2）顶部受力较大的部位进行钻孔形成孔洞（12）到达软岩层(4)中间部位并清理孔洞（12）中的碎石；
步骤4：在所钻取的孔洞（12）四周布设可实时监测围岩应力的压力监测器（10）；
步骤5：将一端设有可打开的顶盖（15），另一端敞开的活动塞体（6）的敞开端穿过孔洞（12）插入软岩层（4）的软岩内，选取长度大于孔洞深度（12）的长导管（7），使长导管（7）的一端顶开活动塞体（6）的顶盖（15）进入活动塞体（6）内，将长导管（7）的另一端与液体传输装置（8）连通；
步骤6：配制适合浓度的膨胀剂溶液注入液体传输装置（8）内；
步骤7：打开液体传输装置（8）将膨胀剂溶液通过长导管（7）灌入软岩层(4)的软岩内，在灌入膨胀剂溶液的同时，缓慢拔出长导管（7），当长导管一端（7）离开活动塞体（6）的顶盖（15）后停止灌入膨胀剂溶液；
步骤8：等待一段时间至膨胀溶液产生膨胀力，对软岩层(4)的围岩进行挤压预裂，此时利用压力监测器(10)检测确定软岩层(4)内软岩状态，当通过压力检测器（10）监测的膨胀压力出现陡跌时，即认为膨胀溶液产生的膨胀力使得软岩层(4)大块破碎岩体被挤压预裂破坏成具有较高流动性的小粒垫层（14），停止灌入膨胀剂溶液；
步骤9：拆除活动塞体（6）及长导管（7）；在孔洞孔口处（16）安装自动泄压阀（11）并设置阀值；
步骤10：随着围岩变形，产生荷载达到卸压阈值，从自动泄压阀（11）泄出小粒垫层（14）的流动母岩碎屑，及时卸除上部围岩蠕变压力；
步骤11：待泄出结束，软岩层(4)内形成抽吸空腔区（5），待围岩变形稳定后，将长导管（7）一端与自动泄压阀（11）连通，通过长导管（7）向软岩层(4)内形成的抽吸空腔区（5）内高压注浆，进行封堵加固，使得软岩夹层与岩性较好的围岩形成稳定的整体，即完成开挖洞室预加固。
2.根据权利要求1所述的一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，其特征在于：步骤6中，将膨胀剂与水混合配制成膨胀剂溶液，膨胀剂的质量含量为20-40%。
3.根据权利要求1所述的一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，其特征在于：活动塞体（6）包括两端敞开的筒体（9），顶盖（15）一侧与筒体（9）铰接且通过至少一根弹簧（13）与筒体（9）连接，弹簧（13）不受力时属于收缩状态。
4.根据权利要求1所述的一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，其特征在于：步骤10中，在自动泄压阀（11）处安装抽吸装置加快流动母岩碎屑的泄出。
5.根据权利要求1所述的一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，其特征在于所述方法还包括步骤12：预加固完成后长导管（7）和自动泄压阀（11）可拆除或通过高压注浆埋在围岩（1）内部。
6.根据权利要求1所述的一种利用深部软岩形成空腔进行开挖洞室预加固的施工方法，其特征在于：步骤8中，当通过压力检测器（10）监测的膨胀压力出现与膨胀压力前期递增峰值压力相比70-90%的 陡跌时，即认为膨胀溶液产生的膨胀力使得软岩层(4)大块破碎岩体被挤压预裂破坏成具有较高流动性的小粒垫层（14），停止灌入膨胀剂溶液。
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- 2019-07-29 CN CN201910691111.4A patent/CN110397451B/zh active Active
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