CN112031812B - 排水定位注浆管片及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种排水定位注浆管片及其施工方法，该排水定位注浆管片包括预制管片主体和注浆排水系统；预制管片主体包括管片实心主体、预制钻孔和预置水压力孔隙传感器安装孔；注浆排水系统包括预装阀门、预埋气囊、注浆排水导管和水压力孔隙传感器；当水压力孔隙传感器采集到的水压力超过管片受力预警值时，可通过打开阀门排水或先打开阀门排水后注浆加固方式预防管片变形、裂缝渗水等工程问题。本发明采用预制钻孔和预埋注浆排水系统，无需在盾构管片上现场钻孔与安装注浆排水装置，直接通过预装阀门排水并拆卸阀门后通过预埋注浆排水导管注浆，实现了对盾构管片常见工程问题的预防及快速安全治理，节约了施工成本和工期。

Description

排水定位注浆管片及其施工方法

技术领域

本发明涉及地下盾构地铁隧道工程的预制管片生产技术领域，尤其涉及一种排水定位注浆管片及其施工方法。

背景技术

近年来，我国许多城市的地铁隧道建设进入大发展阶段。统计数据显示，截至2019年12月31日，我国内地累计有40个城市开通城轨交通运营线路，运营里程达6730.27公里，并仍保持快速增长态势，仅2019年中国内地新增运营线路968.77公里，其中地铁891.83公里。随着近接施工的大量增加及地铁运营期间振动对隧道周围土层的持续扰动，隧道周边环境发生改变，导致地铁盾构隧道结构产生变形及损伤，对既有地铁隧道的运营安全带来威胁。

地铁盾构隧道管片在长期运营中常面临地铁振动、近接施工、地下水水压力等因素的影响，地铁振动、近接施工等作用将造成隧道管片周围的土层性质的变化，致使管片发生错台、变形、裂缝、渗漏等问题，对既有地铁隧道的运营安全带来威胁。针对上述问题，常见的治理步骤为：在管片上钻注浆孔，在孔中埋入注浆管进行注浆，直接封堵渗水缝隙，同时起到加固周围土体性质的效果，有效减少沉降，消除管片变形和裂缝风险。但该方法有如下不足：1、钻孔过程中易破坏管片原有防水层，对管片耐久性造成威胁，并对隧道及周边环境产生不利影响；2、现场钻孔施工环节较多，难以应对紧急管片变形情况且易出现塌孔现象，造成管片破坏和经济损失；3、现场钻孔易受环境约束，若外部水压、土压过大将导致突涌、管涌等工程问题；4、裂缝注浆封堵技术无法应对所有的管片渗漏问题；5、通过对裂缝注浆封堵方式，无法减小或消除地下水压力对管片的作用；6、注浆加固无法根除沉降及管片变形问题，现有技术中钻孔无法多次使用，成本较高。

因此，为检修隧道在运营过程中存在的沉降变形、管片渗漏问题，针对当前城市地下环境日益复杂、相关注浆加固技术不完善的工程现状，急需一种施工快捷简单、安全有效的新型注浆加固技术。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种排水定位注浆管片及其施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明一方面提供了一种排水定位注浆管片，该排水定位注浆管片包括预制管片主体和注浆排水系统；所述预制管片主体包括管片实心主体，在管片实心主体上设有预制钻孔和预置水压力孔隙传感器安装孔；所述预制钻孔在管片浇筑过程完成预制，孔壁布有螺纹，用于固定密封装置即气囊。

所述注浆排水系统包括预装阀门、预埋气囊、注浆排水导管和水压力孔隙传感器。所述阀门通过螺栓与预制管片主体可拆卸连接。所述预埋气囊膨胀后紧嵌预制钻孔内壁上，从而提高钻孔处密封性能。所述注浆排水导管固定于预埋气囊中心预留孔中。所述水压力孔隙传感器穿过预置水压力孔隙传感器安装孔预埋于土层中，用于监测土层变形情况，对管片变形、渗漏问题进行预防、监测。

所述预埋气囊包括圆环状的固定在浸渍不透性石墨环外侧的气囊本体，气囊本体上设置第一单向阀和排气孔，所述浸渍不透性石墨环的内侧作为预埋气囊中心预留孔；所述气囊本体内部装有遇水产生气体的膨胀药剂；通过第一单向阀向气囊本体内部注水，气囊本体内部膨胀药剂发生反应产生大量气体，使气囊本体发生膨胀并紧嵌于预制钻孔内壁；所述排气孔用于控制气压；所述浸渍不透性石墨环用于保证气囊本体向预制钻孔壁方向膨胀，同时保证中心预留孔的稳定性。

所述注浆排水导管包括带孔钢管、注浆导向管和注浆导管；所述带孔钢管由前端锥状管头、中间带孔段、后端无孔段和封口组成；所述带孔钢管的中间带孔段上沿轴向对称均匀设置两列径向注浆孔，对称均匀设置两列渗水孔，且两列径向注浆孔与两列渗水孔在带孔钢管的横截面上错位正交；所述带孔钢管表面的渗水孔中设置有反滤土工布，用于反滤岩土层中的地下水，将地下水抽走但保留泥砂；所述径向注浆孔用于直接连接注浆导向管与外界岩土层；所述渗水孔用于连接抽水通道与外界岩土层；所述封口用于密封带孔钢管，其上设置有中心通孔和若干抽水孔，所述中心通孔内壁套有橡胶密封圈，所述注浆导管穿过中心通孔，通过橡胶密封圈限制注浆导管的位移。

所述注浆导向管内套于带孔钢管中，与带孔钢管之间形成抽水通道，并在前端面与带孔钢管固定密封连接；所述注浆导管伸入注浆导向管内部，其端头以套筒形式固定连接环向包裹橡胶的电磁铁限位器，在电磁铁限位器和注浆导向管前端面之间设置环向包裹橡胶的活动铁块；所述注浆导向管作为电磁铁限位器和活动铁块的活动通道，电磁铁限位器和活动铁块之间形成与注浆导管连通的注浆空间，电磁铁限位器通电后具有磁性，从而控制活动铁块的位置实现注浆定位。所述阀门的排水通道与封口的抽水孔连通。

进一步地，所述管片实心主体为钢筋混凝土材料；所述预制钻孔位于管片实心主体两侧，关于管片中轴线对称，内壁布有螺纹，用于固定所述预埋气囊。

进一步地，所述带孔钢管的后端无孔段的末端套在预埋气囊的中心预留孔中，所述阀门的排水通道固定在带孔钢管的封口外侧；根据预埋气囊的第一单向阀和排气孔尺寸及形状，需在预装阀门上预留两个孔，保证装置安装完成后第一单向阀和排气孔完全嵌于阀门内部且不影响装置密封性及正常使用。

进一步地，所述预埋气囊装有的膨胀药剂(如生石灰、铝粉、柠檬酸、氯化钙、碳酸氢钠、聚丙烯酰胺等物质按比例配置所得药剂)，遇水会发生化学反应并产生大量气体，使预埋气囊与预制钻孔内壁紧密接触；在预制钻孔内壁螺纹的作用下，预埋气囊可承担较大的外部土压力及水压力。所述第一单向阀可使外部水注入预埋气囊内部，但内部生成气体无法通过第一单向阀泄露。所述排气孔用于控制预埋气囊内气压，防止内部气压过大。所述浸渍不透性石墨环保证预埋气囊向预制钻孔内壁方向膨胀，同时为所述注浆排水导管预留合理的中心预留孔，保证在预埋注浆排水导管过程中，导管外壁与中心预留孔紧密贴合。

进一步地，所述前端锥状管头与中间带孔段经焊接技术无缝连接于管身前端，利于注浆排水导管更加方便地顶入岩土层；后端无注浆孔段与中间带孔段一体铸成，保证注浆时露出岩土层部分不会溢出浆液；所述后端无注浆孔段与气囊中心预留孔无缝连接；所述径向注浆孔直接连接注浆导向管与外界岩土层，使抽水通道与径向注浆孔分离，实现抽水与注浆加固同时进行。

进一步地，所述渗水孔中固定有反滤土工布，只有水可透过反滤土工布渗入抽水通道。所述径向注浆孔内部设有第二单向阀，注浆导管内物质可通过第二单向阀注入土层，管外物质无法通过第二单向阀进入导管内。所述抽水孔的直径和分布数量由带孔钢管和注浆导管的直径所决定；所述电磁铁限位器环向包裹橡胶，其目的在于电磁铁通电后下表面具有磁性可以控制活动铁块的定位；该电磁铁限位器与注浆导管以套筒的形式固结于注浆导管的端头部分，从而可以通过注浆导管的抽插来实现电磁铁的定位；所述带孔钢管内壁涂有凡士林以帮助电磁铁限位器和活动铁块在其内侧移动并具有水密性；在移动电磁铁限位器时，由于橡胶的环向包裹和凡士林的效果使得移动更加方便但不影响密封性。

本发明另一方面提供了一种排水定位注浆管片的施工方法，该方法包括以下步骤：

(1)预制管片主体生产过程：在常规预制管片模具基础上增加一对预制钻孔筒体模具，在生产过程中模具关于管片中轴线对称，且符合相关规范要求。钻孔模具的筒身布有可内外伸缩螺纹，在施工浇筑时螺纹外伸，保证预制钻孔内壁存在螺纹，当浇筑完毕，预制管片达到一定强度后用机械原理将外伸螺纹缩回模具内，取出模具。

(2)预制管片主体经过养护达到设计强度后，埋入预埋气囊。向气囊第一单向阀中注入水，气囊内预装化学物质(如生石灰、铝粉、柠檬酸、氯化钙、碳酸氢钠、聚丙烯酰胺等物质按比例配置所得药剂)发生反应，放出大量气体，使气囊膨胀，与钻孔紧密接触，在预制钻孔内壁螺纹的作用下可承担较大轴向压力。根据对气囊膨胀情况的测量，通过排气孔对气压进行调节，防止气压过大对预制钻孔产生破坏。待预制气囊固定稳定后，测试其轴向抗压强度及与预制钻孔接触面密封性。

(3)盾构隧道管片安装完毕后，气囊的中心预留孔中安装注浆排水导管。待导管固定后，在导管尾部安装封口。并在预置水压力孔隙传感器安装孔中安装水压力孔隙传感器。

(4)将预装阀门通过螺栓与预制管片主体连接。预装阀门内部排水孔与封口紧密连接。气囊第一单向阀和排气孔与阀门内部预制孔洞紧密连接。

(5)通过水压力孔隙传感器对土层压力进行监测。若水压力高于正常值但处于可控范围，则打开预装阀门，通过排水降低水压力，减少或消除预制管片主体变形。若水压力高于正常值且处于不可控范围，则打开预装阀门，将水压力降至正常值，待排水结束，拧开螺栓拆卸预装阀门，将注浆导管与外部注浆系统连接，抽水孔与外部抽水系统连接，实现注浆抽水同步进行，以应对紧急工程状况。

(6)注浆完毕，将注浆导管内筒推入管底，将拆卸的预装阀门重新安装至预制管片主体。

进一步地，所述步骤(2)中，在预制气囊膨胀过程，需监测气压大小。若气压过大，需打开排气筒排除多余气体；气压过小，通过向气囊第一单向阀注入相关化学药剂和水或直接注入气体的方式增大气压。

进一步地，所述步骤(5)中所述可控范围指水压力高于正常值，但可通过排出少量地下水将水压降至正常值且土层稳定性变化较小的情况；所述不可控范围指水压力高于正常值，需排出大量地下水将水压力降至正常值，土层出现大量空洞，需注浆加固保证土层稳定性的情况。

进一步地，所述步骤(5)中，在注浆和抽水系统安装完毕后，注浆系统先对注浆通道提高压力，将通道内原有水和其他杂质压出管外。注浆通道排水完毕后，根据水压力孔隙传感器数据，预测需注浆加固位置，通电使得电磁铁限位器下表面具有磁性吸住活动铁块，吸住后将活动铁块插到指定位置，再断电之后使得电磁铁限位器与活动铁块分离，外拉电磁铁限位器在注浆导向管中形成一个注浆空间，进行定位注浆。在注浆过程，抽水系统通过对抽水孔抽水，土体中水透过反滤土工布被抽出，实现注浆抽水同步进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中采用预制钻孔，无需在隧道服役阶段对管片进行现场施工，可直接在生产过程预制钻孔，实现运营期间管片注浆加固的安全快速施工，并且钻孔可重复使用，节约施工成本和工期，避免传统现场管片钻孔施工技术的常见工程问题(如破坏已有管片防水层、突涌、管涌、塌孔等)，且对管片及隧道周边环境影响小。本发明提供的预制钻孔管片生产施工方法安全可靠、方便快捷、成本低廉，具有广阔的工程应用前景。

2、本发明中的预埋气囊与传统注浆钻孔密封方式相比，具有更好的密封性能、更短的施工周期，同时可根据实际工程需要改变其所能承受土压力，适用范围更广阔。上述预埋气囊中间预留的孔洞可固定注浆排水导管，同时削弱或消除注浆过程中注浆导管对钻孔及周围环境的影响。上述预埋气囊具有成本低，可替换等特点，保证了本发明的耐久性能。预埋气囊可承担一部分受力，减小孔洞对预制管片受力性能的不良影响。

3、本发明中的预装阀门具有良好密封性能，通过阀门密封装置可保证钻孔重复利用。预装阀门具有排水效果，与传统注浆封堵技术相比，其针对不同管片受水压力状况，通过打开阀门选择排水或排水与注浆结合方法进行治理，可减小或消除地下水压力对管片的影响。

4、本发明中的注浆排水导管预埋于管片和土层中，与传统注浆加固相比，减少清孔、插导管等环节，施工更简单便捷。注浆排水导管中的注浆通道与注浆孔和排水通道与抽水孔相互独立，保证注浆与排水可同步进行，提高施工效率。

5、本发明中的注浆排水导管在施工完毕后，继续埋于土层中，相比于传统注浆加固技术，可进行多次使用，降低施工成本，同时避免导管拔出后产生土层空洞、浆液倒灌等工程问题，。

6、本发明中的注浆孔的第二单向阀阻止注浆完毕后土体浆液倒灌入导管内，避免因浆液倒灌而产生的土体空洞、浆液渗漏等工程问题，保证在多次使用中注浆通道畅通。

7、本发明可通过改变电磁铁电流实现注浆空间大小及位置的变化，实现定位注浆、快速加固，可有效应对紧急工程问题，提高施工效率。

8、本发明中注浆孔和抽水孔按列排布在导管不同侧面，保证排水与注浆互不干扰，实现排水和注浆同步进行，可有效处理管片变形、渗漏等紧急工程问题，降低上述工程问题对管片的影响，提高施工效率，缩短工期。抽水孔中的反滤布允许水渗透，其他物质无法透过反滤布，避免浆液倒灌，影响注浆加固效果。

9、本发明中孔隙水压力传感器与排水注浆系统结合，对土层情况进行监测，通过排水系统降低过高水压力，减少或消除管片变形，并利用注浆系统对土层空洞进行填充加固，避免地面沉降，实现对盾构管片变形、裂缝和渗漏等工程问题的预防及已有工程问题的检修。

附图说明

图1为本发明排水定位注浆管片结构示意图；

图2为预制管片的侧视图；

图3为预制管片的俯视图；

图4为预制管片的剖面图；

图5为预埋气囊的侧视图；

图6为预埋气囊的俯视图；

图7为预埋气囊的剖面图；

图8为注浆排水导管的侧视图；

图9为注浆排水导管的俯视图；

图10为图8中的AA剖面图；

图11为图8中的BB剖面图；

图12为图9中的CC剖面图；

图13为图9中的DD剖面图；

图14为封口的剖面图；

其中：预制管片主体1、管片实心主体1-1、预制钻孔1-2、预置水压力孔隙传感器安装孔1-3、预装阀门2、螺栓3、预埋气囊4、第一单向阀4-1、排气孔4-2、浸渍不透性石墨环4-3、中心预留孔4-4、注浆排水导管5、带孔钢管5-1、前端锥状管头5-1-1、后端无孔段5-1-2、径向注浆孔5-1-3、渗水孔5-1-4、封口5-1-5、抽水孔5-1-5-1、橡胶密封圈5-1-5-2、抽水通道5-2、注浆导向管5-3、电磁铁限位器5-4、活动铁块5-4-1、注浆导管5-5、水压力孔隙传感器6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-14所示，本实施例提供的一种排水定位注浆管片，包括预制管片主体1和注浆排水系统；所述预制管片主体1包括管片实心主体1-1，在管片实心主体1-1上设有预制钻孔1-2和预置水压力孔隙传感器安装孔1-3；所述预制钻孔1-2在管片浇筑过程完成预制，无需在隧道服役阶段对管片进行现场施工，避免传统现场管片钻孔施工技术的常见工程问题；孔壁布有螺纹，用于固定密封装置即气囊4。

所述注浆排水系统包括预装阀门2、预埋气囊4、注浆排水导管5和水压力孔隙传感器6。所述阀门2通过螺栓3与预制管片主体1可拆卸连接，保证后续注浆加固前阀门可拆卸从而不影响注浆加固过程。所述预埋气囊4膨胀后紧嵌预制钻孔1-2内壁上，从而提高钻孔处密封性能。所述注浆排水导管5固定于预埋气囊4中心预留孔4-4中，保证在注浆和抽水过程注浆排水导管5不发生位移。所述水压力孔隙传感器6穿过预置水压力孔隙传感器安装孔1-3预埋于土层中，用于监测土层变形情况，对管片变形、渗漏问题进行预防、监测。

所述预埋气囊4包括圆环状的固定在浸渍不透性石墨环4-3外侧的气囊本体，气囊本体上设置第一单向阀4-1和排气孔4-2，所述浸渍不透性石墨环4-3的内侧作为预埋气囊4中心预留孔4-4；所述气囊本体内部装有遇水产生气体的膨胀药剂；通过第一单向阀4-1向气囊本体内部注水，气囊本体内部膨胀药剂发生反应产生大量气体，使气囊本体发生膨胀并紧嵌于预制钻孔1-2内壁，提高密封性能；所述排气孔4-2用于控制气压，防止气囊内气压过高破坏钻孔；所述浸渍不透性石墨环4-3用于保证气囊本体向预制钻孔壁方向膨胀，同时保证中心预留孔4-4的稳定性。

所述注浆排水导管5包括带孔钢管5-1、注浆导向管5-3和注浆导管5-5；所述带孔钢管5-1由前端锥状管头5-1-1、中间带孔段、后端无孔段5-1-2和封口5-1-5组成；所述带孔钢管5-1的中间带孔段上沿轴向对称均匀设置两列径向注浆孔5-1-3，对称均匀设置两列渗水孔5-1-4，且两列径向注浆孔5-1-3与两列渗水孔5-1-4在带孔钢管5-1的横截面上错位正交，保证注浆孔与渗水孔同时工作时互不干扰；所述带孔钢管5-1表面的渗水孔5-1-4中设置有反滤土工布5-1-6，用于反滤岩土层中的地下水，将地下水抽走但保留泥砂，有效防止土体泥砂流失以及抽水孔堵塞；所述径向注浆孔5-1-3用于直接连接注浆导向管5-3与外界岩土层；所述渗水孔5-1-4用于连接抽水通道5-2与外界岩土层；所述封口5-1-5用于密封带孔钢管5-1，其上设置有中心通孔和若干抽水孔5-1-5-1，所述中心通孔内壁套有橡胶密封圈5-1-5-2，所述注浆导管5-5穿过中心通孔，通过橡胶密封圈5-1-5-2限制注浆导管5-5的位移。

所述注浆导向管5-3内套于带孔钢管5-1中，与带孔钢管5-1之间形成抽水通道5-2，并在前端面与带孔钢管5-1固定密封连接；所述注浆导管5-5伸入注浆导向管5-3内部，其端头以套筒形式固定连接环向包裹橡胶的电磁铁限位器5-4，在电磁铁限位器5-4和注浆导向管5-3前端面之间设置环向包裹橡胶的活动铁块5-4-1；所述注浆导向管5-3作为电磁铁限位器5-4和活动铁块5-4-1的活动通道，电磁铁限位器5-4和活动铁块5-4-1之间形成与注浆导管5-5连通的注浆空间，电磁铁限位器5-4通电后具有磁性，从而控制活动铁块5-4-1的位置实现注浆定位，保证有效快速地实现注浆加固，利于应对紧急工程问题。所述阀门2的排水通道与封口5-1-5的抽水孔5-1-5-1连通。

具体地，所述管片实心主体1-1为钢筋混凝土材料；所述预制钻孔1-2位于管片实心主体1-1两侧，关于管片中轴线对称，内壁布有螺纹，用于固定所述预埋气囊4，提高气囊4轴向承受土压力、水压力能力。

具体地，所述带孔钢管5-1的后端无孔段5-1-2的末端套在预埋气囊4的中心预留孔4-4中，所述阀门2的排水通道固定在带孔钢管5-1的封口5-1-5外侧，保证注浆排水导管5中的地下水流入阀门排水通道，利于自然排水及提高装置密封性；根据预埋气囊4的第一单向阀4-1和排气孔4-2尺寸及形状，需在预装阀门2上预留两个孔，保证装置安装完成后第一单向阀4-1和排气孔4-2完全嵌于阀门内部且不影响装置密封性及正常使用。

具体地，所述预埋气囊4装有的膨胀药剂(如生石灰、铝粉、柠檬酸、氯化钙、碳酸氢钠、聚丙烯酰胺等物质按比例配置所得药剂)，遇水会发生化学反应并产生大量气体，使预埋气囊4与预制钻孔1-2内壁紧密接触；在预制钻孔1-2内壁螺纹的作用下，预埋气囊4可承担较大的外部土压力及水压力。所述第一单向阀4-1可使外部水注入预埋气囊4内部，但内部生成气体无法通过第一单向阀4-1泄露。所述排气孔4-2用于控制预制气囊4内气压，防止内部气压过大。所述浸渍不透性石墨环4-3保证预埋气囊4向预制钻孔1-2内壁方向膨胀，同时为所述注浆排水导管5预留合理的中心预留孔4-4，保证在预埋注浆排水导管5过程中，导管外壁与中心预留孔4-4紧密贴合。

具体地，所述前端锥状管头5-1-1与中间带孔段经焊接技术无缝连接于管身前端，利于注浆排水导管5更加方便地顶入岩土层；后端无注浆孔段5-1-2与中间带孔段一体铸成，保证注浆时露出岩土层外部分不会溢出浆液；所述后端无注浆孔段5-1-2与气囊中心预留孔4-4无缝连接；所述径向注浆孔5-1-3直接连接注浆导向管5-3与外界岩土层，使抽水通道5-2与径向注浆孔5-1-3分离，实现抽水与注浆加固同时进行。

具体地，所述渗水孔5-1-4中固定有反滤土工布5-1-6，只有水可透过反滤土工布5-1-6渗入抽水通道5-2，防止土体中泥砂流失和抽水通道5-2堵塞。所述径向注浆孔5-1-3内部设有第二单向阀5-1-3-1，注浆导管5-5内物质可通过第二单向阀5-1-3-1注入土层，管外物质无法通过第二单向阀5-1-3-1进入导管内，阻止注浆完毕后土体浆液倒灌入导管内，避免因浆液倒灌而产生的土体空洞、浆液渗漏等工程问题，保证在多次使用中注浆通道畅通。所述抽水孔5-1-5-1的直径和分布数量由带孔钢管5-1和注浆导管5-5的直径所决定；所述电磁铁限位器5-4环向包裹橡胶，其目的在于电磁铁通电后下表面具有磁性可以控制活动铁块5-4-1的定位；该电磁铁限位器5-4与注浆导管5-5以套筒的形式固结于注浆导管5-5的端头部分，从而可以通过注浆导管5-5的抽插来实现电磁铁的定位；所述带孔钢管5-1内壁涂有凡士林以帮助电磁铁限位器5-4和活动铁块5-4-1在其内侧移动并具有水密性；在移动电磁铁限位器5-4时，由于橡胶的环向包裹和凡士林的效果使得移动更加方便但不影响密封性。

本实施例提供的一种排水定位注浆管片的施工方法，该方法包括以下步骤：

(1)预制管片主体1生产过程：在常规预制管片模具基础上增加一对预制钻孔1-2筒体模具，在生产过程中模具关于管片中轴线对称，且符合相关规范要求。钻孔模具的筒身布有可内外伸缩螺纹，在施工浇筑时螺纹外伸，保证预制钻孔内壁存在螺纹，当浇筑完毕，预制管片达到一定强度后用机械原理将外伸螺纹缩回模具内，取出模具。

(2)预制管片主体1经过养护达到设计强度后，埋入预埋气囊4。向气囊第一单向阀4-1中注入水，气囊内预装膨胀药剂(如生石灰、铝粉、柠檬酸、氯化钙、碳酸氢钠、聚丙烯酰胺等物质按比例配置所得药剂)发生反应，放出大量气体，使气囊膨胀，与钻孔紧密接触，在预制钻孔1-2内壁螺纹的作用下可承担较大轴向压力，与传统管片现场施工技术相比，可保证钻孔处密封性能并改善管片受力性能。在预制气囊4膨胀过程，需监测气压大小。若气压过大，需打开排气筒4-2排除多余气体；气压过小，通过向气囊第一单向阀4-1注入相关化学药剂和水或直接注入气体的方式增大气压。待预制气囊4固定稳定后，测试其轴向抗压强度及与预制钻孔1-2接触面密封性。

(3)盾构隧道管片安装完毕后，气囊4的中心预留孔4-4中安装注浆排水导管5。待导管固定后，在导管尾部安装封口5-1-5。并在预置水压力孔隙传感器安装孔1-3中安装水压力孔隙传感器6。

(4)将预装阀门2通过螺栓3与预制管片主体1进行可拆卸连接。预装阀门2内部排水孔与封口5-1-5外侧紧密连接。气囊第一单向阀4-1和排气孔4-2与阀门2内部预制孔洞紧密连接。

(5)通过水压力孔隙传感器6对土层压力进行监测。

若水压力高于正常值但处于可控范围，则打开预装阀门2，通过排水降低水压力，减少或消除预制管片主体1变形。上述可控范围指水压力高于正常值，但可通过排出少量地下水将水压降至正常值且土层稳定性变化较小的情况。

若水压力高于正常值且处于不可控范围，则打开预装阀门2，将水压力降至正常值，待排水结束，拧开螺栓3拆卸预装阀门2，将注浆导管5-5与外部注浆系统连接，抽水孔5-1-5-1与外部抽水系统连接。在注浆和抽水系统安装完毕后，注浆系统先对注浆导管5-5提高压力，将通道内原有水和其他杂质压出管外。注浆导管5-5排水完毕后，根据水压力孔隙传感器6数据，预测需注浆加固位置，通电使得电磁铁限位器5-4下表面具有磁性吸住活动铁块5-4-1，吸住后将活动铁块5-4-1插到指定位置，再断电之后使得电磁铁限位器5-4与活动铁块5-4-1分离，外拉电磁铁限位器5-4在注浆导向管5-3中形成一个注浆空间，进行定位注浆。在注浆过程，抽水系统通过对抽水孔5-1-5-1抽水，土体中水透过反滤土工布5-1-6被抽出，实现注浆抽水同步进行。上述不可控范围指水压力高于正常值，需排出大量地下水将水压力降至正常值，土层出现大量空洞，需注浆加固保证土层稳定性的情况。

与传统注浆封堵渗水口技术相比，本技术针对不同管片受水压力状况，通过打开阀门选择排水或排水与注浆结合方法减小或消除地下水压力对管片的影响，其应用范围更广，对于不同工程问题更具针对性。

(6)注浆完毕，将注浆导管5-5内筒推入管底，将拆卸的预装阀门2重新安装至预制管片主体1。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种排水定位注浆管片，其特征在于：包括预制管片主体(1)和注浆排水系统；所述预制管片主体(1)包括管片实心主体(1-1)，在管片实心主体(1-1)上设有预制钻孔(1-2)和预置水压力孔隙传感器安装孔(1-3)；所述预制钻孔(1-2)在管片浇筑过程完成预制，孔壁布有螺纹，用于固定密封装置；

所述注浆排水系统包括预装阀门(2)、预埋气囊(4)、注浆排水导管(5)和水压力孔隙传感器(6)；所述阀门(2)与预制管片主体(1)可拆卸连接；所述预埋气囊(4)膨胀后紧嵌预制钻孔(1-2)内壁上；所述注浆排水导管(5)固定于预埋气囊(4)中心预留孔(4-4)中；所述水压力孔隙传感器(6)穿过预置水压力孔隙传感器安装孔(1-3)预埋于土层中；

所述预埋气囊(4)包括圆环状的固定在浸渍不透性石墨环(4-3)外侧的气囊本体，气囊本体上设置第一单向阀(4-1)和排气孔(4-2)，所述浸渍不透性石墨环(4-3)的内侧作为预埋气囊(4)中心预留孔(4-4)；所述气囊本体内部装有遇水产生气体的膨胀药剂；通过第一单向阀(4-1)向气囊本体内部注水，气囊本体内部膨胀药剂发生反应产生大量气体，使气囊本体发生膨胀并紧嵌于预制钻孔(1-2)内壁；所述排气孔(4-2)用于控制气压；所述浸渍不透性石墨环(4-3)用于保证气囊本体向预制钻孔壁方向膨胀，同时保证中心预留孔(4-4)的稳定性；

所述注浆排水导管(5)包括带孔钢管(5-1)、注浆导向管(5-3)和注浆导管(5-5)；所述带孔钢管(5-1)由前端锥状管头(5-1-1)、中间带孔段、后端无孔段(5-1-2)和封口(5-1-5)组成；所述带孔钢管(5-1)的中间带孔段上沿轴向对称均匀设置两列径向注浆孔(5-1-3)，对称均匀设置两列渗水孔(5-1-4)，且两列径向注浆孔(5-1-3)与两列渗水孔(5-1-4)在带孔钢管(5-1)的横截面上错位正交；所述带孔钢管(5-1)表面的渗水孔(5-1-4)中设置有反滤土工布(5-1-6)；所述径向注浆孔(5-1-3)用于直接连接注浆导向管(5-3)与外界岩土层；所述渗水孔(5-1-4)用于连接抽水通道(5-2)与外界岩土层；所述封口(5-1-5)用于密封带孔钢管(5-1)，其上设置有中心通孔和若干抽水孔(5-1-5-1)，所述中心通孔内壁套有橡胶密封圈(5-1-5-2)，所述注浆导管(5-5)穿过中心通孔，通过橡胶密封圈(5-1-5-2)限制注浆导管(5-5)的位移；

所述注浆导向管(5-3)内套于带孔钢管(5-1)中，与带孔钢管(5-1)之间形成抽水通道(5-2)，并在前端面与带孔钢管(5-1)固定密封连接；所述注浆导管(5-5)伸入注浆导向管(5-3)内部，其端头以套筒形式固定连接环向包裹橡胶的电磁铁限位器(5-4)，在电磁铁限位器(5-4)和注浆导向管(5-3)前端面之间设置环向包裹橡胶的活动铁块(5-4-1)；所述注浆导向管(5-3)作为电磁铁限位器(5-4)和活动铁块(5-4-1)的活动通道，电磁铁限位器(5-4)和活动铁块(5-4-1)之间形成与注浆导管(5-5)连通的注浆空间，电磁铁限位器(5-4)通电后具有磁性，从而控制活动铁块(5-4-1)的位置实现注浆定位；所述阀门(2)的排水通道与封口(5-1-5)的抽水孔(5-1-5-1)连通。

2.根据权利要求1所述的一种排水定位注浆管片，其特征在于：所述管片实心主体(1-1)为钢筋混凝土材料；所述预制钻孔(1-2)位于管片实心主体(1-1)两侧，关于管片中轴线对称，内壁布有螺纹，用于固定所述预埋气囊(4)。

3.根据权利要求1所述的一种排水定位注浆管片，其特征在于：所述带孔钢管(5-1)的后端无孔段(5-1-2)的末端套在预埋气囊(4)的中心预留孔(4-4)中，所述阀门(2)的排水通道固定在带孔钢管(5-1)的封口(5-1-5)外侧；根据预埋气囊(4)的第一单向阀(4-1)和排气孔(4-2)尺寸及形状，需在预装阀门(2)上预留两个孔，保证装置安装完成后第一单向阀(4-1)和排气孔(4-2)完全嵌于阀门内部且不影响装置密封性及正常使用。

4.根据权利要求1所述的一种排水定位注浆管片，其特征在于：所述预埋气囊(4)装有的膨胀药剂遇水会发生化学反应并产生大量气体，使预埋气囊(4)与预制钻孔(1-2)内壁紧密接触；在预制钻孔(1-2)内壁螺纹的作用下，预埋气囊(4)可承担较大的外部土压力及水压力；所述第一单向阀(4-1)可使外部水注入预埋气囊(4)内部，但内部生成气体无法通过第一单向阀(4-1)泄露；所述排气孔(4-2)用于控制预埋气囊(4)内气压，防止内部气压过大；所述浸渍不透性石墨环(4-3)保证预埋气囊(4)向预制钻孔(1-2)内壁方向膨胀，同时为所述注浆排水导管(5)预留合理的中心预留孔(4-4)，保证在预埋注浆排水导管(5)过程中，导管外壁与中心预留孔(4-4)紧密贴合。

5.根据权利要求1所述的一种排水定位注浆管片，其特征在于：所述前端锥状管头(5-1-1)与中间带孔段经焊接技术无缝连接于管身前端，利于注浆排水导管(5)更加方便地顶入岩土层；后端无注浆孔段(5-1-2)与中间带孔段一体铸成，保证注浆时露出岩土层部分不会溢出浆液；所述后端无注浆孔段(5-1-2)与气囊中心预留孔(4-4)无缝连接；所述径向注浆孔(5-1-3)直接连接注浆导向管(5-3)与外界岩土层，使抽水通道(5-2)与径向注浆孔(5-1-3)分离，实现抽水与注浆加固同时进行。

6.根据权利要求1所述的一种排水定位注浆管片，其特征在于：所述渗水孔(5-1-4)中固定有反滤土工布(5-1-6)，只有水可透过反滤土工布(5-1-6)渗入抽水通道(5-2)；所述径向注浆孔(5-1-3)内部设有第二单向阀(5-1-3-1)，注浆导管(5-5)内物质可通过第二单向阀(5-1-3-1)注入土层，管外物质无法通过第二单向阀(5-1-3-1)进入导管内；所述抽水孔(5-1-5-1)的直径和分布数量由带孔钢管(5-1)和注浆导管(5-5)的直径所决定；所述电磁铁限位器(5-4)环向包裹橡胶，其目的在于电磁铁通电后下表面具有磁性可以控制活动铁块(5-4-1)的定位；该电磁铁限位器(5-4)与注浆导管(5-5)以套筒的形式固结于注浆导管(5-5)的端头部分，从而可以通过注浆导管(5-5)的抽插来实现电磁铁的定位；所述带孔钢管(5-1)内壁涂有凡士林以帮助电磁铁限位器(5-4)和活动铁块(5-4-1)在其内侧移动并具有水密性。

7.一种权利要求1所述排水定位注浆管片的施工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)预制管片主体(1)生产过程：在常规预制管片模具基础上增加一对预制钻孔模具，在生产过程中模具关于管片中轴线对称；钻孔模具的筒身布有可内外伸缩螺纹，在施工浇筑时螺纹外伸，保证预制钻孔内壁存在螺纹，当浇筑完毕，预制管片达到一定强度后用机械原理将外伸螺纹缩回模具内，取出模具；

(2)预制管片主体(1)经过养护达到设计强度后，埋入预埋气囊(4)；向气囊第一单向阀(4-1)中注入水，气囊内预装膨胀药剂发生反应，放出大量气体，使气囊膨胀，与钻孔紧密接触，在预制钻孔(1-2)内壁螺纹的作用下可承担较大轴向压力；根据对气囊膨胀情况的测量，通过排气孔(4-2)对气压进行调节，防止气压过大对预制钻孔(1-2)产生破坏；待预埋气囊(4)固定稳定后，测试其轴向抗压强度及与预制钻孔(1-2)接触面密封性；

(3)盾构隧道管片安装完毕后，预埋气囊(4)的中心预留孔(4-4)中安装注浆排水导管(5)；待导管固定后，在导管尾部安装封口(5-1-5)；并在预置水压力孔隙传感器安装孔(1-3)中安装水压力孔隙传感器(6)；

(4)将预装阀门(2)通过螺栓(3)与预制管片主体(1)连接；预装阀门(2)内部排水孔与封口(5-1-5)紧密连接；气囊第一单向阀(4-1)和排气孔(4-2)与阀门(2)内部预制孔洞紧密连接；

(5)通过水压力孔隙传感器(6)对土层压力进行监测；若水压力高于正常值但处于可控范围，则打开预装阀门(2)，通过排水降低水压力，减少或消除预制管片主体(1)变形；若水压力高于正常值且处于不可控范围，则打开预装阀门(2)，将水压力降至正常值，待排水结束，拧开螺栓(3)拆卸预装阀门(2)，将注浆导管(5-5)与外部注浆系统连接，抽水孔(5-1-5-1)与外部抽水系统连接，实现注浆抽水同步进行，以应对紧急工程状况；

(6)注浆完毕，将注浆导管(5-5)内筒推入管底，将拆卸的预装阀门(2)重新安装至预制管片主体(1)。

8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在预埋气囊(4)膨胀过程，需监测气压大小；若气压过大，需打开排气筒(4-2)排除多余气体；气压过小，通过向气囊第一单向阀(4-1)注入相关化学药剂和水或直接注入气体的方式增大气压。

9.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：所述步骤(5)中，所述可控范围指水压力高于正常值，但可通过排出少量地下水将水压降至正常值且土层稳定性变化较小的情况；所述不可控范围指水压力高于正常值，需排出大量地下水将水压力降至正常值，土层出现大量空洞，需注浆加固保证土层稳定性的情况。

10.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：所述步骤(5)中，在注浆和抽水系统安装完毕后，注浆系统先对注浆导管(5-5)提高压力，将通道内原有水和其他杂质压出管外；注浆导管(5-5)排水完毕后，根据水压力孔隙传感器(6)数据，预测需注浆加固位置，通电使得电磁铁限位器(5-4)下表面具有磁性吸住活动铁块(5-4-1)，吸住后将活动铁块(5-4-1)插到指定位置，再断电之后使得电磁铁限位器(5-4)与活动铁块(5-4-1)分离，外拉电磁铁限位器(5-4)在注浆导向管(5-3)中形成一个注浆空间，进行定位注浆；在注浆过程，抽水系统通过对抽水孔(5-1-5-1)抽水，土体中水透过反滤土工布(5-1-6)被抽出，实现注浆抽水同步进行。

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