CN111335899B - 一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置及使用方法，包括导向帽、封闭板，所述导向帽和封闭板通过连接件固定相连，还包括套在连接件上的密封件，所述导向帽、封闭板和密封件围成预混腔，所述预混腔用于容纳水泥干粉和砂的混合体；本发明相比现有超前支护方式，从原理上进行了极大改进，有效结合了饱水塑性黏土的特点，通过水泥干粉和砂的混合体吸收黏土内的水分硬化成钢筋砼柱体，柱体周围黏土失水出现一定程度的固结，黏土强度得到提高，提高强度后的黏土与钢筋砼柱体组合作用，提高围岩整体性及自稳性，实现超前预加固功能。

Description

一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置及使用方法

技术领域

本发明涉及隧道超前支护技术领域，具体涉及一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置及使用方法。

背景技术

在隧道施工过程中，需要进行超前支护，保证挖掘的稳定进行，避免隧道塌陷；针对饱水塑性黏土的超前支护技术，目前仍然采用传统的小导管或管棚超前注浆，这两种方式都需要先对钢管打孔，然后将空心钢管打入隧道围岩中，再对空管进行压力注浆，水泥浆液渗入围岩裂隙中，对岩体进行固结，提高岩体整体性，起到超前预加固作用；因饱水塑性黏土的孔隙率低、隔水性强，从小导管或管棚中流出的水泥浆难以扩散，从小导管或管棚中输送的水泥浆难以流动，导致固结效果差，水泥浆和黏土不能相互作用提高围岩强度，导致隧道围岩存在坍塌风险；在小导管或管棚等支护施工完成过后，在不断的掘进过程中，因饱水塑性的原因，黄泥在自重作用下仍然会从管与管之间的空隙向下流淌，形成牵引式垮塌，直到超前小导管或管棚超前支护失效掉落，起不到超前预加固的效果，施工安全得不到保护；除此之外，传统的小导管或管棚超前支护过程繁琐，需要在钢管上钻孔，将钢管打入围岩中，再注浆，因饱水塑性黏土的原因，水泥浆不容易扩散。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置及使用方法，解决的技术问题是针对饱水塑性黏土地质条件，传统小导管或管棚超前支护输送的水泥浆液难以有效扩散，隧道围岩得不到有效预固结，开挖掘进过程中容易涌泥垮塌，实现饱水性塑性黏土的快速固结及超前预加固，避免隧道围岩垮塌。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置及使用方法，包括导向帽、封闭板，所述导向帽和封闭板通过连接件固定相连，还包括套在连接件上的密封件，所述导向帽、封闭板和密封件围成预混腔，所述预混腔用于容纳水泥干粉和砂的混合体。

针对饱水塑性黏土的超前支护，目前依然使用的是传统的小导管或管棚支护方式，这两种方式都需要先对钢管打孔，然后将空心钢管打入隧道围岩中，再对空管进行压力注浆，水泥浆液渗入围岩裂隙中，对岩体进行固结，提高岩体整体性，起到超前预加固作用，因饱水塑性黏土的隔水性高，黏土之间的孔隙低，压力注浆过程中，水泥浆难以有效扩散，起不到超前加固效果，传统小导管或管棚输送的水泥浆聚集在出浆口附近，固结效果差。本发明提供一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置及使用方法，导向帽和封闭板固定连接在连接件的两端，密封件套在连接件上，通过导向帽、封闭板和密封件围成预混腔，在使用时，将水泥干粉和砂的混合体充分填充到预混腔中；传统小导管或管棚超前支护注浆需要岩体有较多的裂隙或孔隙才可以，而饱水塑性黏土的孔隙率低，隔水性高，浆液难以向周边扩散，注浆使得黏土含水量更高，黏土变得更加稀软，围岩强度进一步降低。因此，本申请将利用饱水塑性黏土的含水量多的特点，通过超前支护装置将水泥干粉和砂的混合体打入围岩中，将密封件从围岩中拔出，水泥干粉和砂的混合体吸收周边黏土中的水分后硬化成混凝土，并与连接件形成钢筋砼柱体，同时周边黏土由于失水而出现一定程度的固结，黏土强度得到提高，提高强度后的黏土与钢筋砼柱体组合作用，提高围岩整体性及自稳性，实现超前预加固功能；本发明相比现有超前支护方式，从原理上进行了极大改进，有效结合了塑性黏土含水量高的特点，在技术原理上由注浆固结改变为吸水固结；通过本申请，饱水塑性黏土固结效果好，大幅提升隧道围岩的自稳性，改善洞内作业环境，降低作业安全风险。

优选的，所述导向帽的外形是圆锥，通过圆锥结构的导向帽，降低超前支护装置打入隧道围岩的阻力，精准的分布在围岩的各处，极大的提高了围岩自稳性。

优选的，所述连接件是圆杆，所述圆杆的轴线与圆锥的中心线重合，所述连接件与封闭板垂直连接，圆杆可以作为钢筋使用，水泥干粉和砂的混合体包裹圆杆，在吸收黏土的水分过后形成钢筋砼柱体，提高隧道围岩的抗剪强度，有效降低开挖引起的形变，同时起到支撑作用，实现围岩的自稳性，保护施工人员的安全；所述连接件与封闭板垂直连接是指连接件的中心线与封闭板垂直。

优选的，所述密封件是中空桶状结构，通过中空桶状结构，使超前支护装置的整体外形是圆柱和圆锥的组合体，超前支护装置能够容纳较多的水泥干粉和砂的混合体，形成的砼柱体较大，且易于超前支护装置打入围岩中，降低使用难度。

优选的，还包括设置在连接件上的若干个定位环，所述定位环与密封件的内壁接触，定位环可以是使用钢筋制作而成，通过定位环保证密封件的中心线与连接件的中心线同轴，以及在超前支护装置打入围岩的过程中，避免密封件错位，以及为密封件的取出提供导向作用，定位环位于连接件的前端，本申请中连接件的前端指的是连接件靠近导向帽的一端，连接件的尾端指的是远离导向帽的一端，还可以使水泥干粉和砂的混合体均匀分布在连接件的周围，扩大围岩的固化范围，提高围岩的强度，固结效果良好。

优选的，所述封闭板位于密封件内，避免水泥干粉和砂的混合体从超前支护装置中散落以及便于密封件从围岩中取出，在密封件从围岩中取出的过程中，封闭板阻挡水泥干粉和砂的混合体从围岩中跌落。

优选的，还包括设置在密封件上的拉环，通过拉环拉取密封件，将密封件从围岩中拉出来。

一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置的使用方法，步骤包括：

S1、将水泥干粉和砂的混合体填充入超前支护装置的预混腔；

S2、敲击密封件，将超前支护装置打入围岩中；

S3、利用千斤顶支撑超前支护装置后，将密封件缓慢向外拉出围岩；

步骤S2中，密封件与导向帽紧密接触，但密封件不与导向帽固定连接，密封件是可拆卸套在连接件上的，可以通过任意方式敲击密封件的尾端，将超前支护装置全部打入围岩中；步骤S3中，千斤顶的两端分别与封闭板和拉环接触，千斤顶即支撑超前支护装置，也将密封件从围岩中拔出；进一步的，密封件的拔出围岩还可以通过任意方式拉取密封件上的拉环实现。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置及使用方法，解决了传统小导管或管棚超前支护的支护方式，在饱水塑性黏土地质条件下，注浆效果差，起不到对围岩超前预加固作用的问题；本发明相比现有超前支护方式，从原理上进行了极大改进，有效结合了塑性黏土含水量高的特点，通过超前支护装置将水泥干粉和砂的混合体打入围岩中，将密封件从围岩中抽出，水泥干粉和砂的混合体吸收周边黏土中的水分后硬化成混凝土，并与连接件形成钢筋砼柱体，同时周边黏土由于失水而出现一定程度的固结，黏土强度得到提高，提高强度后的黏土与钢筋砼柱体组合作用，提高围岩整体性及自稳性。

2、本发明一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置及使用方法，超前支护装置的结构简单，加工方便，易于使用，相比现有支护方式，需要在钢管开多个孔，在往钢管中注浆，本装置无需注浆，施工简单、快速高效。

3、本发明一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置及使用方法，密封件拔出后可以重复利用，大幅降低超前支护成本。

4、本发明一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置及使用方法，相比传统的导管或管棚超前注浆支护技术，注浆效果差，泥浆垮塌不断，洞内泥泞，工人作业环境差，安全得不到保证，本申请通过吸收黏土内的水分形成混凝土柱体，同时柱体周边黏土失水固结，在隧道周围形成一圈硬化岩体，在提升围岩强度及自稳性的同时，有效阻隔泥浆下漏，避免拱顶坍塌，改善洞内作业环境，降低作业安全风险。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的超前支护装置的剖视图。

图2为本发明具体实施例的导向帽和连接件配合示意图。

附图标记及对应零部件名称：1-导向帽，2-封闭板，3-连接件，4-密封件，5-定位环，6-拉环，7-预混腔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1～2所示，一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置，包括导向帽1、封闭板2，所述导向帽1和封闭板2通过连接件3固定相连，还包括套在连接件3上的密封件4，所述导向帽1、封闭板2和密封件4围成预混腔，所述预混腔用于容纳水泥干粉和砂的混合体。

本实施例中，所述导向帽1的外形是圆锥，导向帽1可以是圆板和锥筒组合而成，圆板上开有通孔，连接件3的一端穿过所述通孔，嵌入锥筒内，所述连接件3是圆杆，所述圆杆的轴线与圆锥的中心线重合，所述连接件3与封闭板2垂直连接；进一步的，连接件3可以采用锚杆，锚杆与导向帽1焊接连接。

进一步的，所述密封件4是中空桶状结构，密封件4套在连接件3上，密封件4的一端与导向帽1的底部接触，密封件4的直径小于导向帽1的大径端，连接件3的长度略短于密封件4的长度。

进一步的，还包括设置在连接件3上的若干个定位环5，所述定位环5与密封件4的内壁接触，定位环5可以是一个环形的钢筋通过多个支杆杆组成，定位环焊接在连接件3上，连接件3穿过定位环5圆心，定位环5靠近导向帽1。

进一步的，所述封闭板2位于密封件4内，还包括设置在密封件4外壁上的拉环6，拉环6背离导向帽1，连接件3的另一端接近拉环6处，封闭板2与导向帽1之间的长度即连接件3的长度标准。

实施例2：

如图1～2所示，本实施例是在实施例1的基础上做进一步的限定，一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置的使用方法，步骤包括：

S1、将水泥干粉和砂的混合体填充入超前支护装置的预混腔；

S2、敲击密封件4的尾端，将超前支护装置打入围岩中；

S3、利用千斤顶支撑超前支护装置后，将密封件4缓慢向外拉出围岩，本步骤中，利用千斤顶配合挖掘机，通过拉环6，将密封件缓慢拔出围岩；

步骤S1中，从密封件4的前端，将带封闭板2、定位环5及导向帽1的连接件3放入密封件4内，导向帽1、封闭板2、连接件3和密封件4四者组合成超前支护装置，密封件4的前端与导向帽1的底部紧密接触；组合完成后，将水泥干粉和砂的混合体填充到预混腔中。

步骤S2中，可以使用挖掘机件超前支护装置打入掌子面拱顶中，所述围岩是饱水塑性黏土。

步骤S3中，千斤顶的一端与封闭板2接触，千斤顶的另一端与拉环6接触，通过千斤顶做活塞运动，将密封件4从围岩中缓慢拔出，并将其余装置及水泥干粉与砂的混合体留置在围岩中，在密封件4拔出2/3长度后，最后通过挖掘机拉取拉环6拔出；密封件4从围岩中取出，可以重复使用，节约成本。

实施例3：

如图1～2所示，本实施例是在实施例1的基础上做进一步的限定，一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置的使用方法，步骤包括：

S1、将水泥干粉和砂的混合体填充入超前支护装置的预混腔；

S2、敲击密封件4的尾端，将超前支护装置打入围岩中；

S3、利用千斤顶支撑超前支护装置后，将密封件4缓慢向外拉出围岩，本步骤中，利用千斤顶配合挖掘机，通过拉环6，将密封件缓慢拔出围岩；

S4、当密封件4漏出围岩的长度是自身长度的2/3时，利用挖掘机将密封件4一次性拉出围岩；

先使用千斤顶缓慢的将密封件4从围岩中拉出，在此过程中，水泥干粉和砂的混合体吸收黏土的水分逐渐形成水泥浆，拉出一定距离，再通过挖掘机将密封件4一次性拉出时。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置，其特征在于，包括导向帽(1)、封闭板(2)，所述导向帽(1)和封闭板(2)通过连接件(3)固定相连，还包括套在连接件(3)上的密封件(4)，所述导向帽(1)、封闭板(2)和密封件(4)围成预混腔，所述预混腔用于容纳水泥干粉和砂的混合体；所述导向帽(1)的外形是圆锥，所述密封件(4)是中空桶状结构，所述封闭板(2)位于密封件(4)内；所述连接件(3)是圆杆，所述圆杆的轴线与圆锥的中心线重合，所述连接件(3)与封闭板(2)垂直连接；还包括设置在连接件(3)上的若干个定位环(5)，所述定位环(5)与密封件(4)的内壁接触。

2.根据权利要求1所述的一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置，其特征在于，还包括设置在密封件(4)上的拉环。

3.基于权利要求1-2中任意一项所述的一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置的使用方法，步骤包括：

S1、将水泥干粉和砂的混合体填充入超前支护装置的预混腔；

S2、敲击密封件(4)，将超前支护装置打入围岩中；

S3、利用千斤顶支撑超前支护装置后，将密封件(4)缓慢向外拉出围岩。

4.根据权利要求3所述的一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置的使用方法，其特征在于，步骤S1中，密封件(4)与导向帽(1)接触。

5.根据权利要求3所述的一种用于饱水塑性黏土的超前支护装置的使用方法，其特征在于，步骤S3中，千斤顶与封闭板(2)接触。

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