CN111287755A - 一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法，包括以下步骤：对风积沙进行击实试验，获取所述待开挖风积沙的最小干密度时的含水率；对掌子面进行含水率测试；在所述掌子面钻设注水孔，所述注水孔由所述掌子面外至所述掌子面内逐渐向下倾斜；在所述注水孔内插入注水管；通过所述注水管进行注水，而后再通过所述注水管注入压缩空气；直至所述掌子面含水率到达风积沙的最小干密度时的含水率时进行挖掘。本申请无需往地层中加注可以凝结的材料浆液使地层裂隙充填、固结，就能够有效的提高地层整体性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法。
背景技术
在风积沙地层的隧道工程中，风积沙地层不需要外力碾压，必须尽量保持地层具有稳定性，否则会发生溜塌、坍塌事故。风积沙结构松散，颗粒较细、级配差、保水性差，粘聚性极小、内摩擦角较小，抗剪强度低，在外力作用下极易松散和位移，穿越风积沙地层的隧道围岩稳定性难以控制。
传统的隧道施工技术中，是利用风积沙最大干密度时的含水率为最佳含水率指导路基工程施工，提高隧道地层稳定性通过往地层中加注可以凝结的材料浆液，如：水泥浆、水泥-水玻璃浆液等等，使地层裂隙充填、固结，提高地层整体性，但技术施工难度大，并且需要用到水泥等其他粘合填充剂，成本较高，上述问题是本领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效降低施工难度且不需要额外填充剂的一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的方案是：一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法，包括以下步骤：
S1、对风积沙进行击实试验，获取所述待开挖风积沙的最小干密度时的含水率，记为ω1；
S2、对掌子面进行含水率测试，当所述掌子面含水率小于ω1则进行步骤S3，当所述掌子面含水率等于ω1时则进行挖掘；
S3、在所述掌子面钻设注水孔，所述注水孔由所述掌子面外至所述掌子面内向下倾斜；
S4、在所述注水孔内插入注水管；
S6、通过所述注水管进行注水，而后再通过所述注水管注入压缩空气；
S7、重复所述步骤S6直至所述掌子面含水率到达ω1时进行挖掘。
进一步的是：所述步骤S4和所述步骤S6之间还包括步骤：
S5、对所述掌子面喷混凝土进行封闭。
进一步的是：所述步骤S3中，所述注水孔呈梅花形排布，所述注水孔之间的间距为2±0.5m，所述注水孔深3±0.5m，所述注水孔倾斜角为1°以下。
进一步的是：所述注水管上开设有若干穿刺孔，所述注水管内填充有干燥的风积沙。
进一步的是：所述注水管为PVC管或钢管，所述注水管直径为20±3mm。
进一步的是：所述穿刺孔沿所述注水管长度方向等间隔设置，所述穿刺孔间隔为20cm。
进一步的是：所述步骤S6中注水温度为50～100℃，所述压缩空气温度为30～60℃。、进一步的是：所述步骤S6中，所述压缩空气的压力为1.2atm。
本发明的有益效果：本申请无需往地层中加注可以凝结的材料浆液使地层裂隙充填、固结，就能够有效的提高地层整体性。
附图说明
图1为风积沙含水率与干密度关系曲线；
图2位本申请工艺流程示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施。
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或实施例。为简化公开内容，下面描述了各特征存在的一个或多个排列的具体实施例，但所举实施例不作为对本发明的限定,在说明书中随后记载的第一特征与第二特征连接，即可以包括直接联系的实施方式，也可以包括形成附加特征的实施方式，进一步的，也包括采用一个或多个其他介入特征使第一特征和第二特征彼此间接连接或结合，从而第一特征和第二特征可以不直接联系。
一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法的实施例，如图2所示，包括以下步骤：
S1、对欲设置隧道洞身位置的风积沙进行击实试验，获取待开挖风积沙的最小干密度时的含水率，记为ω1，其中，风积沙的击实特性曲线如图1所示，图1中A点代表风积沙的干燥状态，此时的风积沙干燥松散、粘聚力近似为零，击实过程中击实功所需要克服的只是土颗粒间的内摩擦力。
图1中A点到B点之间，由于风积沙中含有一定水分，颗粒表面的水膜将产生一定的粘聚力，使阻力增大，这不仅影响颗粒间的位移，而且使颗粒间的跳跃减弱，这将影响沙层的击实。随着含水率的增加，干密度逐渐下降，到B点达到最小值。含水率对风积沙的影响主要有以下几点：首先是水对石英等矿物表的非润滑效应，这是由于水破坏了天然状态下干燥颗粒表面吸附膜的润滑作用而引起的。其次是由于毛细管应力作用而产生的吸力。再次是因为颗粒间公共结合水膜的水胶连作用。结合水不同于自由水，它具有一定的粘滞性、弹性和抗剪性，含水率较低时，通过公共结合水膜产生的水胶连作用很强，从而增大了内聚力。以上原因使此状态下的沙不易压实，导致了A点到B点之间干密度的下降。
图1中从B到C之间，随着含水率的增大结合水薄膜厚度增大，由于厚层结合水膜的内层和外层具有不同的性质，其中水的粘滞性随着土颗粒表面的距离的增加而减小，水在颗粒间的润滑作用逐渐增强，使得土的内摩擦力逐渐减小。同时，毛细作用随含水率的增加而减小以至于消失，因此颗粒之间的相对移动变得容易。
S2、对掌子面进行含水率测试，当掌子面含水率小于ω1则进行步骤S3，当掌子面含水率等于ω1时则进行挖掘。其中，对掌子面含水率测试可采用烘干法、碳化钙减量法、酒精燃烧法和核子射线法中的任一种。
根据步骤S1的风积沙击实试验结果可知，在路基工程施工中，上图1中B点对应的风积沙含水率为ω1时，此时风积沙难以压实，因为此时需要克服的风积沙颗粒之间的各种阻力较大，此时风积沙对应的干密度为最小干密度。风积沙在最小干密度时，风积沙颗粒之间的各种阻力较大，也就意味着：在相同的外力作用下，此时风积沙抵抗外力的能力较强，风积沙地层的稳定性最强。因此当掌子面含水率到达ω1时风积沙处于最小干密度，此时进行挖掘施工，则可以在不加入泥浆等其他添加物的情况下使风积沙获得较强的稳定性，当掌子面含水率小于ω1时，则需要通过下述步骤对掌子面进行注水以使其含水率到达ω1。
S3、在掌子面钻设注水孔，注水孔由掌子面外至掌子面内向下倾斜。
在该步骤中，具体的，注水孔呈梅花形排布，注水孔之间的间距为2±0.5m，注水孔深3±0.5m，注水孔倾斜角为1°以下。
S4、在注水孔内插入注水管，其中，注水管可采用以下方式进行加工，注水管优选采用PVC管，直径选用
采用硬质金属锥将管身周边每20cm刺穿形成与注水管内连通的穿刺孔，通过在注水管管身长度方向上均有排布穿刺孔，可以使注水较为均匀地深入地层。然后，在管内灌满干燥、松散的风积沙，水透过风积沙在注水管内均匀扩散，从而能够避免在管内注水时，水集中从距离管口较近的刺孔中遗漏，导致水量在地层中的分部不均匀。
在安装注水管时，若推进阻力较大，可采用煤电钻扫孔，继续下管；如果阻力仍较大、不能下管至规定孔深时，可换为钢管作为注水管，采用风动凿岩机等设备将注水管慢慢顶入孔内，钢管作为注水管时需做上述PVC管同样的加工处理。
S5、对掌子面喷混凝土进行封闭，为避免施工中机械设备触碰隧道风积沙掌子面造成溜塌、坍塌事故，对掌子面采用喷射混凝土予以封闭。
S6、通过注水管进行注水，而后再通过注水管注入压缩空气，其中，注水温度优选为50～100℃热水，压缩空气温度为30～60℃的热空气。
S7、根据注水湿润地层体积、含水率，计算需要的注水量，然后重复步骤S6共3～5次，对掌子面均匀注水直至掌子面含水率到达ω1时进行挖掘。
传统技术是以风积沙最大干密度时的含水率最为最佳含水率指导路基工程施工，本技术则是以最小干密度时的含水率最为最佳含水率指导隧道工程施工。
根据前述分析，风积沙在最小干密度时，风积沙颗粒之间的各种阻力较大，也就意味着：在相同的外力作用下，此时风积沙抵抗外力的能力较强，风积沙地层的稳定性最强。
本申请在较为干燥的隧道风积沙地层内部注适量水，并利用风积沙保水性差的特点，通过加注温暖高压空气的方式加快水的渗透与蒸发，使干燥风积沙逐步潮湿、含水率逐渐提高，直至接近最小干密度时对应的含水率，从而提高风积沙颗粒之间的各种阻力，最终达到提高干燥风积沙地层稳定性的目的。
相较于传统技术提高隧道地层稳定性的方法，本申请无需往地层中加注可以凝结的材料浆液使地层裂隙充填、固结，就能够有效的提高地层整体性。
本申请加注的是常温下无凝结性的水，通过提高风积沙颗粒之间的各种阻力来抵抗地层压力，达到提高地层稳定性的目的，本申请材料易得，工艺简单。
本申请中，注水管内灌沙、钻孔下倾。可使充注的水尽快沿注水管分布，避免水集中从距离管口较近的刺孔中遗漏，提高地层注水均匀性。
本申请中，通过热水加注、热空气加压，从而使水分下渗的同时，部分水分以气态的方式在风积沙层中扩散，对地层进行润湿，经静置后水分更加均匀分布。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法，其中，包括以下步骤：
S1、对风积沙进行击实试验，获取所述待开挖风积沙的最小干密度时的含水率，记为ω1；
S2、对掌子面进行含水率测试，当所述掌子面含水率小于ω1则进行步骤S3，当所述掌子面含水率等于ω1时则进行挖掘；
S3、在所述掌子面钻设注水孔，所述注水孔由所述掌子面外至所述掌子面内向下倾斜；
S4、在所述注水孔内插入注水管；
S6、通过所述注水管进行注水，而后再通过所述注水管注入压缩空气；
S7、重复所述步骤S5直至所述掌子面含水率到达ω1时进行挖掘。
2.如权利要求1所述的一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法，其中，所述步骤S4和所述步骤S6之间还包括步骤：
S5、对所述掌子面喷混凝土进行封闭。
3.如权利要求1所述的一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法，其中，所述步骤S3中，所述注水孔呈梅花形排布，所述注水孔之间的间距为2±0.5m，所述注水孔深3±0.5m，所述注水孔倾斜角为1°以下。
4.如权利要求1所述的一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法，其中，所述注水管上开设有若干穿刺孔，所述注水管内填充有干燥的风积沙。
5.如权利要求4所述的一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法，其中，所述注水管为PVC管或钢管，所述注水管直径为20±3mm。
6.如权利要求4所述的一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法，其中，所述穿刺孔沿所述注水管长度方向等间隔设置，所述穿刺孔间隔为20cm。
7.如权利要求1所述的一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法，其中，所述步骤S6中注水温度为50～100℃，所述压缩空气温度为30～60℃。
8.如权利要求1所述的一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法，其中，所述步骤S6中，所述压缩空气的压力为1.2atm。
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| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xin Guoping Inventor after: Zhang Wenming Inventor after: Liu Hanhong Inventor after: Yu Haiwei Inventor after: Jiao Yufeng Inventor after: Hu Baosheng Inventor after: Chen Jianguo Inventor after: Jiang Mingfeng Inventor before: Xin Guoping Inventor before: Zhang Wenming Inventor before: Hu Baosheng Inventor before: Chen Jianguo Inventor before: Jiao Yufeng Inventor before: Yu Haiwei Inventor before: Liu Hanhong |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xin Guoping Inventor after: Zhang Wenming Inventor after: Liu Hanhong Inventor after: Yu Haiwei Inventor after: Jiao Yufeng Inventor after: Hu Baosheng Inventor after: Chen Jianguo Inventor after: Jiang Mingfeng Inventor before: Xin Guoping Inventor before: Zhang Wenming Inventor before: Hu Baosheng Inventor before: Chen Jianguo Inventor before: Jiao Yufeng Inventor before: Yu Haiwei Inventor before: Liu Hanhong |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |