CN113586140B - 一种拱形注浆装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拱形注浆装置及方法，包括高压旋喷钻、护筒、伞状支撑装置、左右高压旋喷系统和前后注浆系统；高压旋喷钻包括钻杆和旋喷钻头组成，钻杆前端安装旋喷钻头，钻杆的后部套装上下调控杆，上下调控杆下部固定第一连接件；伞状支撑装置包括至少两组相对于钻杆轴线对称设置的支撑装置，每组支撑装置包括第一刚性支架和第二刚性支架；第一刚性支架的一端与第一连接件铰接，第一连接件与套装在上下调控杆外的护筒内壁配合；第一刚性支架另一端与第二刚性支架一端铰接；第二刚性支架的另一端与第二连接件铰接，第二连接件固定在护筒下部；在第一刚性支架上设置左右高压旋喷系统和前后注浆系统；在第二刚性支架上设置前后注浆系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种注浆装置及施工工艺，特别是一种采空区和岩溶区拱形注浆装置及方法，属于岩土工程领域。
背景技术
采空区治理属于地下工程施工，存在很多不确定性，特别是对于私采矿产，由于缺少详细的开采信息和采后治理，使得采空区成为较为复杂的工程问题。目前，常见的采空区治理手段主要为注浆充填法，通过向采空区内部及其裂隙范围内填充水泥浆，达到封堵采空区、增加围岩稳定性、减小沉降变形的目的。由于采空区具有通常分布广泛，使得采空区全断面注浆充填成本大大增高，特别是地下存在溶洞时，注浆量往往难以估算。此外，当注浆量较大时，容易引起地下水污染，严重影响地下生态环境。因此定点注浆和绿色注浆工艺成为采空区注浆治理的发展趋势，特别是对于一些特殊工程，如公路、铁路等，只需局部注浆加固即可满足工程稳定性需求。为解决以上问题，拱形注浆结构概念被提出并应用于工程中，由于具有受力合理、治理沉降变形明显、污染小、工程成本低等技术优势，具有广阔的应用前景。然而，目前工程上拱形注浆技术仍采用传统的压密注浆、劈裂注浆等方式，使得实际得到的地下注浆拱呈阶梯状，与实际拱形状差别较大，因此注浆拱在阶梯位置处承受较大剪应力，容易发生剪切破坏，不能充分发挥地下暗拱的受力优势。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种拱形注浆装置及其施工方法，实现采空区或岩溶区注浆成拱的目的，充分发挥注浆拱的技术优势，达到减小采空区周围地下及地表沉降变形、保证上部结构物稳定性的目的。
为了实现上述目的，本发明采用技术方案如下：
第一方面，本发明公开了一种拱形注浆装置，包括高压旋喷钻、护筒、伞状支撑装置、左右高压旋喷系统和前后注浆系统；高压旋喷钻包括钻杆和旋喷钻头组成，钻杆前端安装旋喷钻头，钻杆的后部套装上下调控杆，上下调控杆下部固定第一连接件；伞状支撑装置包括至少两组相对于钻杆轴线对称设置的支撑装置，每组支撑装置包括第一刚性支架和第二刚性支架；第一刚性支架的一端与第一连接件铰接，第一连接件与套装在上下调控杆外的护筒内壁配合；第一刚性支架另一端与第二刚性支架一端铰接；第二刚性支架的另一端与第二连接件铰接，第二连接件固定在护筒下部；在第一刚性支架上设置左右高压旋喷系统和前后注浆系统；在第二刚性支架上设置前后注浆系统。
第二方面，本发明还提供了一种拱形注浆装置及其施工工艺，包括以下步骤：
步骤1.根据物探方法结合钻孔取芯结果确定采空区三维形状、尺寸和走向，结合拟建工程实际需求明确采空区加固范围，计算采空区注浆拱拱脚位置，拱轴线方程和拱厚等尺寸，并进行稳定性计算分析。
步骤2.明确采空区裂隙带和弯曲带位置，在弯曲带进行试探性注浆，采用钻孔法检查桩效果，确定注浆压力与注浆范围之间数学关系。
步骤3.根据上述勘测结果和试探性注浆结果，确定护筒和伞状支撑装置尺寸；根据拱轴线方程和注浆范围确定地面注浆孔位置和数量；根据拱轴线方程调整纵向(前后)注浆系统中伞状注浆头在支架上位置，使其连线形成设计拱轴线。
步骤4.根据设计尺寸在拱脚位置处注浆，注浆方式可采用劈裂注浆。
步骤5.按照设计拱轴线方程、拱厚度确定每个注浆孔钻孔深度和注浆位置；采用高压旋喷方式钻孔至指定位置后，打开横向(左右)高压旋喷系统，采用水切割方式切割左右两侧土体。
步骤6.切割完成后，下压上下调控杆至指定位置，使其左侧上方中空刚性支架内伞状注浆头连线形成设计拱轴线。
步骤7.连接纵向(前后)注浆系统中耐压管与地面水泥高压注浆泵，打开注浆系统并按照交叉注浆方式进行注浆，直至该断面注浆全部完成形成完整注浆拱。
步骤8.将注浆系统移动至下一个断面，按照上述步骤进行注浆，直至注浆拱前后尺寸满足设计要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.注浆接头可在支架调整相对位置，利于形成不同曲率的拱轴线，实现了按照设计拱轴线注浆成拱，解决了目前采空区梯形注浆成拱技术存在的弊端，有效减小注浆拱剪应力，提高成拱后地下暗拱抗剪强度，最大限度发挥注浆拱技术优势，减小地面沉降变形。
2.注浆孔安装在可伸缩刚性支架上，支架展开后可形成较大注浆范围，减少地面注浆钻孔数量，节约工程成本，适用于多种工况注浆成拱，满足各类工程需求。
3.通过安装左右高压旋喷系统，切割周围岩土体，形状破碎桩围岩，打开浆液扩散通道，提高不同钻空之间浆液粘结性能，利于形成整体暗拱结构，保证后期注浆效果。
4.高压旋喷系统单独连接注浆管，在钻杆带动下可开展旋喷切割，形成扩大孔结构，结合装置中注浆系统，可以对采空区或岩溶区顶部进行定点加固，也可用于扩大桩头的施工。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为钻孔时装置示意图；
图2为注浆时装置示意图；
图3为上方中空刚性支架的结构示意图；
其中：1、上下调控杆，2、钻杆，3、护筒，4、梯形法兰，5、铰接构件，6、上方中空刚性支架，7、左右旋喷系统耐压注浆管，8、横向伞状注浆头，9、纵向伞状注浆头，10、注浆头支架，11、旋喷钻头，12、下方中空刚性支架，13、矩形法兰,14，前后注浆系统耐压注浆管。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本实施例公开的拱形注浆装置，主要包括高压旋喷钻、护筒、伞状支撑装置、横向(左右)高压旋喷系统和纵向(前后)注浆系统。
所述高压旋喷钻包括钻杆2和旋喷钻头11组成，钻杆2前端安装有钻头11，本实施例中，钻头11的直径可以为0.5m～0.8m，通过高压旋喷切割土体或岩体完成钻孔，钻杆2的后端穿过上下调控杆1，上下调控杆1套装在钻杆外部，且在外力作用下，可以相对于钻杆上下运动；
上下调控杆1的下部安装梯形状的法兰盘4，在法兰盘4左右两侧对称设置两铰接构件5；铰接构件5连接伞状支撑装置的一端，伞状支撑装置的另一端连接矩形法兰13，护筒3套装在上下调控杆1外，法兰盘4在上下调控杆1的控制下可以沿着护筒3的轴线方向上下移动，进而带动伞状支撑装置张开或者收缩成原状。
需要说明的是，本实施例中的高压旋喷钻的旋喷压力在2Mpa以上；
进一步的，如图3所示，本实施例中的护筒3为中空开槽圆柱形钢结构，高度为3-4m，直径为0.45-0.5m，为中空结构、壁厚0.02m；在中空开槽圆柱形钢结构的左右内侧壁上开凿，槽深0.1m，用于安装伞状支撑装置并实现定位，即伞状支撑装置可沿着护筒3的内侧壁上下滑动。
进一步的，本实施例中，所述的伞状支撑装置为上下左右对称结构，其包括两组支撑装置，每组支撑装置包括一根变截面上方中空刚性支架6和一根变截面下方中空刚性支架12，即本实施例中由两根变截面上方中空刚性支架6和两根变截面下方中空刚性支架12组成，且四根刚性支架长度为1m-1.5m，上方中空刚性支架6和下方中空刚性支架12放置在护筒3槽内，外缘为圆弧状结构，其弧度与护筒3一致。上方中空刚性支架6的一端与通过铰接构件5与梯形法兰4铰接，上方中空刚性支架6的另一端通过铰接构件5与下方中空刚性支架12的一端铰接，下方中空刚性支架12的另一端通过铰接构件3通过铰接构件5与矩形法兰13铰接，矩形法兰13与护筒3底部连接。
当然需要说明的是，伞状支撑装置还可以包括三组、四组、五组等支撑装置。
进一步的，所述横向(左右)高压旋喷系统安装在上方中空刚性支架6和下方中空刚性支架12外侧，呈对称布置，注浆系统由横向伞状注浆头8和左右旋喷系统耐压注浆管7组成，左右旋喷系统耐压注浆管7承受压强大于10MPa，横向伞状注浆头8间距为0.15m-25cm，左右旋喷系统耐压注浆管7穿过中空钻杆2连接地面高压注浆泵。需要说明的是，本实施例中在上方中空刚性支架6和下方中空刚性支架12上均设置横向(左右)高压旋喷系统的原因是在上下调控杆1下移过程中切割周围土体或岩层，减小下移阻力。
进一步的，本实施例中纵向(前后)注浆系统安装在上方支架6外侧，注浆系统由纵向伞状注浆头9和前后注浆系统耐压注浆管14组成，前后注浆系统耐压注浆管14承受压强大于10MPa，前后注浆系统耐压注浆管14穿过中空钻杆2连接地面高压注浆泵。注浆头9彼此间投影间距为0.15m-25cm，纵向伞状注浆头9安装在支架10上，可调整上下位置，以使得注浆头9之间连线形成注浆拱拱轴线，最终形成地下支撑暗拱。
上述的纵向伞状注浆头9、横向伞状注浆头8分别位于上方中空刚性支架6的不同面上，横向伞状注浆头8位于上方中空刚性支架6的左侧面和右侧面；纵向伞状注浆头9位于上方中空刚性支架6的前侧面和后侧面。
进一步的，所述的旋喷钻头11采用现有的结构，在此不进行赘述。
如图1和图2所示，一种拱形注浆装置及其施工工艺，包括以下步骤：
1.根据物探方法结合钻孔取芯结果确定采空区三维形状、尺寸和走向，结合拟建工程实际需求明确采空区加固范围，计算采空区注浆拱拱脚位置，拱轴线方程和拱厚等尺寸，并进行稳定性计算分析。
2.明确采空区裂隙带和弯曲带位置，在弯曲带进行试探性注浆，采用钻孔法检查桩效果，确定注浆压力与注浆范围之间数学关系。
3.根据上述勘测结果和试探性注浆结果，确定护筒3和伞状支撑装置尺寸；根据拱轴线方程和注浆范围确定地面注浆孔位置和数量；根据拱轴线方程调整纵向(前后)注浆系统中纵向伞状注浆头9在支架上位置，使其连线形成设计拱轴线。
4.根据设计尺寸在拱脚位置处注浆，注浆方式可采用劈裂注浆。
5.按照设计拱轴线方程、拱厚度确定每个注浆孔钻孔深度和注浆位置；采用高压旋喷方式钻孔至指定位置后，打开横向(左右)高压旋喷系统，采用水切割方式切割左右两侧土体。
6.切割完成后，下压上下调控杆1至指定位置，使其左侧上方中空刚性支架6内纵向伞状注浆头9连线形成设计拱轴线。
7.连接纵向(前后)注浆系统中耐压管14与地面水泥高压注浆泵，打开注浆系统并按照交叉注浆方式进行注浆，直至该断面注浆全部完成形成完整注浆拱。
8.将注浆系统移动至下一个断面，按照上述步骤进行注浆，直至注浆拱前后尺寸满足设计要求。
最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种拱形注浆装置，其特征在于，包括旋喷钻、护筒、伞状支撑装置；旋喷钻的钻杆后部套装上下调控杆，上下调控杆下部固定第一连接件；伞状支撑装置包括至少两组相对于钻杆轴线对称设置的支撑装置，每组支撑装置包括第一刚性支架和第二刚性支架；第一刚性支架的一端与第一连接件铰接，第一连接件与套装在上下调控杆外的护筒内壁配合；第一刚性支架另一端与第二刚性支架一端铰接；第二刚性支架的另一端与第二连接件铰接，第二连接件固定在护筒下部；在第一刚性支架和第二刚性支架上均设置前后注浆系统；在第一刚性支架上还设置左右旋喷系统；所述的前后注浆系统包括伞状注浆头和耐压注浆管，所述耐压注浆管穿过所述钻杆连接地面高压注浆泵，所述注浆头之间连线形成预设注浆拱拱轴线。
2.如权利要求1所述的拱形注浆装置，其特征在于，所述的注浆头包括多个，多个注浆头安装在第一刚性支架和第二刚性支架上，且位置可调整。
3.如权利要求1所述的拱形注浆装置，其特征在于，所述耐压注浆管承受压强大于10Mpa。
4.如权利要求1所述的拱形注浆装置，其特征在于，所述左右旋喷系统由伞状注浆头和耐压注浆管组成，耐压注浆管承受压强大于10MPa，伞状注浆头间距为0.15m-25cm，耐压注浆管穿过所述钻杆连接地面高压注浆泵。
5.如权利要求4所述的拱形注浆装置，其特征在于，所述的伞状注浆头包括多个，多个伞状注浆头安装在第一刚性支架上。
6.如权利要求1所述的拱形注浆装置，其特征在于，所述护筒为圆柱形钢结构，在所述护筒左右两侧开设有定位槽和矩形孔，所述定位槽用于对第一连接件进行定位，矩形孔用于支撑装置的伸出或缩进。
7.如权利要求1所述的拱形注浆装置，其特征在于，所述的第一连接件为梯形法兰；所述第二连接件为矩形法兰。
8.如权利要求1所述的拱形注浆装置，其特征在于，所述的第一刚性支架、第二刚性支架为变截面刚性支架。
9.如权利要求1-8任一所述的拱形注浆装置进行注浆的方法，其特征在于，如下：
步骤1.根据物探方法结合钻孔取芯结果确定采空区三维形状、尺寸和走向，结合拟建工程实际需求明确采空区加固范围，计算采空区注浆拱拱脚位置、拱轴线方程和拱厚，并进行稳定性计算分析；
步骤2.明确采空区裂隙带和弯曲带位置，在弯曲带进行试探性注浆，采用钻孔法检查桩效果，确定注浆压力与注浆范围之间数学关系；
步骤3.根据上述勘测结果和试探性注浆结果，确定护筒和伞状支撑装置尺寸；根据拱轴线方程和注浆范围确定地面注浆孔位置和数量；根据拱轴线方程调整前后注浆系统中伞状注浆头在支架上位置，使其连线形成设计拱轴线；
步骤4.根据设计尺寸在拱脚位置处注浆；
步骤5.按照设计拱轴线方程、拱厚度确定每个注浆孔钻孔深度和注浆位置；采用高压旋喷方式钻孔至指定位置后，打开左右高压旋喷系统，采用水切割方式切割左右两侧土体；
步骤6.切割完成后，下压上下调控杆至指定位置，使前后注浆系统的伞状注浆头连线形成设计拱轴线；
步骤7.连接前后注浆系统中耐压注浆管与地面水泥高压注浆泵，打开注浆系统进行注浆，直至该断面注浆全部完成形成完整注浆拱；
步骤8.将注浆系统移动至下一个断面，按照上述步骤进行注浆，直至注浆拱前后尺寸满足设计要求。
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