CN114776253A - 一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置与方法，包括：在轴向上相连接的防溅单元和注浆单元，其中：防溅单元，包括外罩和引流斗，其中：外罩，为下部敞口的中空壳体，壳体前后端、且在同一轴线上均开设有孔洞，前端为进口；引流斗包括底板，底板的前后两端为敞口状，左右两端均设置有前后走向的立板，各立板为等腰三角形板体，其尖端的一端位于底板的后端顶点；底板的后端与外罩的后端通过转轴相连接，其前端延伸至外罩的前端，左右端的底板与外罩的左右端相连接，且可上下滑动，以改变引流斗前端与外罩底部的开口大小。该装置汇拢钻孔过程中回喷的高温水和孔渣，并预装注浆管路单元，避免后续人工安装注浆管路被高温水烫伤。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程注浆堵水技术领域，具体涉及一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置与方法。
背景技术
我国的西南地区海拔高，水力资源丰富，在此地区修建隧道，采用帷幕注浆进行超前封堵几乎是不可避免的施工关键工序，同时，由于隧道埋深大，地质活动剧烈，隧道线路很可能遭遇高地温问题，甚至遭遇与地层裂隙连通的高温温泉水，最高水温可达65℃～90℃。
常规的帷幕注浆施工，在钻孔过程中，需要由空心钻杆输入高压风或高压风+水，以便于孔渣排出，但在遭遇高温温泉水时，导向管内喷出大量高温水，恶化施工环境的同时，高温水喷淋在钻机设备上，导致机油和液压油受热乳化，加剧设备磨损，甚至引发设备瘫痪如图7；在钻孔完毕退出钻杆后，需要在导向管口手动安装和连接注浆管路，极易造成人员烫伤如图8。
此外，在这种高地温、高温水揭露喷涌的环境中，如果对设备和人员进行防水封闭，会造成设备过热烧坏或者人员中暑晕厥，所以这种方法并不适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置与方法，汇拢钻孔过程中回喷的高温水和孔渣，并预装注浆管路单元，避免后续人工安装注浆管路被高温水烫伤。
本发明采用以下技术方案：一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置，包括：在轴向上相连接的防溅单元和注浆单元，其中：防溅单元，包括外罩和引流斗，其中：外罩，为下部敞口的中空壳体，壳体前后端、且在同一轴线上均开设有孔洞，前端为进口；
引流斗包括底板，底板的前后两端为敞口状，左右两端均设置有前后走向的立板，各立板为等腰三角形板体，其尖端的一端位于底板的后端顶点；底板的后端与外罩的后端通过转轴相连接，其前端延伸至外罩的前端，左右端的底板与外罩的左右端相连接，且可上下滑动，以改变引流斗前端与外罩底部的开口大小；
注浆单元，为一三通管，其竖直管用于连接注浆管路，水平管的一端用于与导向管相连接，另一端与进口连接；
外罩和注浆单元在轴向上相连通，用作钻杆钻入导向管的通道；外罩用于：在高温水渣沿钻杆反向排出时，阻挡高温水渣周向溅射，并使高温水渣下落至引流斗中。
进一步地，还包括防喷单元，防喷单元包括多个夹盘和多个环形刷，其中：各夹盘均为一环形盘体；各环形刷均为环形盘体，其直径小于夹盘的直径，在盘体内侧壁一周设置有朝向中心伸展的刷毛，且刷毛的长度小于达到中心的距离；
多个夹盘和多个环形刷间隔叠放，各中心孔相连通，通道所在的一端与外罩的后端孔洞相连接，与外罩内腔相连通，形成钻杆钻设通道。
进一步地，在外罩的左右端的壳体上，且位于前侧均开设有上下走向的弧形镂空滑槽；镂空滑槽用于与引流斗的左右端的立板通过可拆卸螺钉相连接。
进一步地，在外罩的顶部设置有振动器，用于使外罩发生振动。
进一步地，该注浆单元的竖直管上间隔设置有两个水平向的支管，靠近管口端的为排水管，在排水管上设置有排水阀，另一个支管为进浆管，其上设置有进浆阀。
进一步地，在防溅单元和注浆单元间连接有闸阀，注浆单元的水平管的两端、闸阀的两端、外罩的进口处均各设置有法兰，注浆单元和闸阀间通过法兰连接，闸阀和进口间通过法兰连接，闸阀和外罩相连接的法兰内安装有隔震橡胶环。
进一步地，在外罩后端孔洞处，在壳体上同轴设置有一尾座，尾座为一设置有内螺纹的法兰盘，其内同轴安装套设叠放在一起的多个夹盘和多个环形刷。
进一步地，各环形刷的中心孔的内径小于钻杆的直径，环形刷的梳毛的端部与钻杆紧密贴合。
本发明还公开了上述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置的施工方法，其特征在于，该施工方法如下：
步骤一、在止浆墙上完成所有孔位的导向管安装；在止浆墙后方的隧道内叠放多个沙袋，堆砌堤坝，堤坝与止浆墙间形成临时储水储渣槽；
步骤二、注浆单元的水平管的一端与导向管法兰连接，另一端依次连接闸阀和外罩，且外罩位于临时储水储渣槽的上方；将引流斗向下拉伸，直至其开合端的开口满足：使流的水和孔渣落沿开口下落至临时储水储渣槽内；
排水阀和供浆阀关闭；所有环形刷的刷毛均涂抹油脂；
步骤三、钻头和钻杆由防喷单元的中心孔伸入，依次穿过防喷单元、外罩、闸阀和水平管，并穿入导向管内，启动钻孔，钻孔遭遇高温温泉水后，高温水混合孔渣反向，依次经过导向管、水平管和闸阀至外罩内，在外罩内散状溅射，被外罩周向阻挡聚拢，向下沿引流斗55流动，落入临时储水储渣槽内；
在高温水混合孔渣在外罩内散状溅射时，振动器振动，带动外罩振动，用于避免高温水混合孔渣物粘挂在外罩的内壁；
钻孔至设计深度，关闭振动器，退出和拆卸钻杆，当钻头退出闸阀后，关闭闸阀，中断高温水混合孔渣的继续流出；完全退出钻杆和钻头，拆除防溅单元；
步骤四、打开供浆阀，由竖直管导入浆液，向钻孔内注浆；
注浆压力和注浆量达到设计要求后，关闭供浆阀，打开排水阀，抽吸清水，使清水冲洗管路，并从排水阀中流出，落入临时储水储渣槽中；
步骤五、拆除闸阀和注浆单元，依次进行下一钻孔。
进一步地，在钻孔和注浆施工进行的同时，不断排出临时储水储渣槽内的高温水和孔渣。
本发明的有益效果是：1.设置防溅单元和防喷单元，在钻孔过程中有效防止高温水的喷溅，并将其汇拢引流，易于后续处理。3.预装了注浆管路，将注浆单元的竖直管作为注浆管路，代替了人工安装注浆管路的工序，减少了人员施工。3.各部件间可拆卸连接，拆卸后可重复利用，节约了成本。
附图说明
图1为一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工实施方法；
图2为一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置示意图；
图3为一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置防溅单元正视图；
图4为一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置防溅单元侧视图a-a；
图5为一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置夹盘示意图；
图6为一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置环形刷示意图；
图7为常规帷幕注浆施工钻孔施工示意图；
图8为常规帷幕注浆施工注浆管路安装操作示意图；
其中：1.导向管；2.注浆单元；3.闸阀；4.隔震橡胶环；5.防溅单元；6.防喷单元；7.止浆墙；8.沙袋；
2.注浆单元包括：21.排水阀；22.进浆阀；
5.防溅单元包括：51.外罩；52.振动器；53.尾座；54.进口；55.引流斗；56.镂空滑槽；57.悬挂螺母；
6.防喷单元包括：61.夹盘；62.环形刷。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置，如图1-4所示，包括：注浆单元2、闸阀3和防溅单元5；其中：
导向管1，为内径100mm的无缝钢管，一端插入止浆墙7中，利用水泥与止浆墙粘结凝固为一体，埋入深度不小于1.5m，用于承受其他部件的悬挂重量；另一端露出止浆墙7外，露出端焊接有法兰盘；
注浆单元2，为一三通管，其水平管的内径大于竖直管的内径，水平管采用内径100mm的无缝钢管，其两端各焊接一个法兰盘，一端与导向管1的法兰盘通过螺栓连接，另一端与闸阀3连接，水平管与导向管1和闸阀3相连通；竖直管采用内径为50mm的无缝钢管；闸阀3为通道内径100mm的钢制球阀，两端各焊接法兰盘。
竖直管用于连接注浆管路，在竖直管的靠近管口端还连通有一水平向的排水管，在排水管上设置有排水阀21，用于排出废浆废水；在竖直管上，且位于排水管和水平管间设置有进浆阀22。
防溅单元5，包括外罩51和引流斗55，其中：
外罩51，为中空的壳体，壳体上部为拱形；其壳体前端开设有进口54，在壳体外、且绕进口54一周焊接有法兰盘，法兰盘与闸阀3端部的法兰盘螺栓连接；在壳体后端，设置有一尾座53，尾座53为设置有内螺纹的法兰盘。
引流斗55包括底板，底板的前后两端为敞口状，左右两端均设置有前后走向的立板，各立板为等腰三角形板体，其尖端的一端位于底板的后端顶点；底板的后端与外罩51的后端通过转轴相连接，其前端延伸至外罩51的前端，左右端的底板与外罩51的左右端相连接，且可上下滑动，以改变引流斗55前端与外罩51底部的开口大小。底板的左右端的长度与外罩51左右向的长度相匹配，最优的为略长于外罩51左右向的长度，以使立板位于外罩51左右向的外端，使高温水和孔渣不会溅射到外部。
在外罩51的左右端的壳体上，且位于前侧均开设有上下走向的弧形镂空滑槽56；镂空滑槽56用于与引流斗55的左右端的立板通过可拆卸螺钉相连接。
外罩51外的顶部焊接有振动器52，用于使整个外罩51发生振动，防止喷溅的孔渣粘贴在外罩51的内壁，造成堵塞.
如图5和6所示，还包括防喷单元6，其包括：多个夹盘61和多个环形刷62；
各夹盘61均为一环形盘体，采用硬质塑料材质；盘体一周间隔设置有多个通孔，通孔内用于插入长螺栓；
各环形刷62均为环形盘体，在盘体内侧壁一周设置有朝向中心伸展的刷毛，且中心留有中心空洞，中心空洞直径为40mm，小于钻杆的直径，刷毛为PU塑料材质；环形盘体的外侧直径小于通孔与圆心间的距离，长螺栓依次插入多个夹盘61的通孔后，实现对环形刷62的夹持固定。
多个夹盘61和环形刷62间隔叠放，与尾座53同轴设置，并由长螺栓将其固定于尾座53的后端。在钻杆穿过夹盘61和环形刷62后，刷毛弯曲，与钻杆外壁形成半密封状态，用于防止孔渣和高温水向钻机喷溅。
隔震橡胶环4为厚度1cm硬质橡胶，形状与法兰盘一致，夹持安装在闸阀3与防溅单元5之间，一方面用于隔离防溅单元的震动，避免其传递至硬锚固的导向管1、注浆单元2和闸阀3上，另一方面提供弹性变形的余地，有利于防溅单元更大幅度、更好地发生振动。
上述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置的施工方法如下：
步骤一、在止浆墙7上完成所有孔位的导向管1安装；在止浆墙后方的隧道内叠放多个沙袋8，堆砌堤坝，堤坝与止浆墙7间形成临时储水储渣槽；
步骤二、注浆单元2的水平管的一端与导向管1法兰连接，另一端依次连接闸阀3和外罩51，且外罩51位于临时储水储渣槽的上方；将引流斗55向下拉伸，直至其开合端的开口满足：使流的水和孔渣落沿开口下落至临时储水储渣槽内；
排水阀21和供浆阀22关闭；所有环形刷62的刷毛均涂抹油脂；
步骤三、钻头和钻杆由防喷单元6的中心孔伸入，依次穿过防喷单元6、外罩51、闸阀3和水平管，并穿入导向管1内，启动钻孔，钻孔遭遇高温温泉水后，高温水混合孔渣反向，依次经过导向管1、水平管和闸阀3至外罩51内，在外罩51内散状溅射，被外罩51周向阻挡聚拢，向下沿引流斗55流动，落入临时储水储渣槽内；
在高温水混合孔渣在外罩51内散状溅射时，振动器52振动，带动外罩51振动，用于避免高温水混合孔渣物粘挂在外罩51的内壁；
钻孔至设计深度，关闭振动器52，退出和拆卸钻杆，当钻头退出闸阀3后，关闭闸阀3，中断高温水混合孔渣的继续流出；完全退出钻杆和钻头，拆除防溅单元5；
步骤四、打开供浆阀22，由竖直管导入浆液，向钻孔内注浆；
注浆压力和注浆量达到设计要求后，关闭供浆阀22，打开排水阀21，抽吸清水，使清水冲洗管路，并从排水阀21中流出，落入临时储水储渣槽中；
步骤五、拆除闸阀3和注浆单元2，依次进行下一钻孔。
在实际施工过程中，采用上述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置的施工过程如下：
S1：浇筑止浆墙7：
在开挖面前方挖设深度为1m，宽度为2m的沟槽，而后沿沟槽边支模，向模内浇筑混凝土，硬化后形成厚度2m，嵌入地面深度1m的止浆墙；
S2：安装导线管1：
按帷幕注浆设计的孔位和角度，在止浆墙7上钻设直径130mm，深度1.5m的孔，而后将导向管1插入孔中，在钻孔内壁和导向管1外壁之间填充水泥砂浆，使导向管1与止浆墙7粘结凝固为一体；依次完成所有孔位的导向管1安装；
S3：堆砌临时储水储渣槽：
取多个沙袋8，在止浆墙后方预留1m左右距离，叠放堆砌堤坝，止与止浆墙间形成临时储水储渣槽；
S4：连接装置和注浆管路：
从导向管1开始，利用螺栓依次连接注浆单元2、闸阀3、隔震橡胶环4、防溅单元5和防喷单元6，而后将闸阀3完全打开，形成贯通通道。
将防溅单元5的引流斗55拉开至合适角度，旋紧悬挂螺母57，使引流斗55的张开角度固定，便于引流的水和孔渣落至临时储水储渣槽内；
将注浆管路与注浆单元中的竖直管连接，关闭排水阀21和供浆阀22；
在防喷单元6中，为所有环形刷62的刷毛涂抹油脂，在不影响钻杆旋转和钻退的同时，进一步增强其临时密封性能，确保高温水和孔渣的混合物不会沿钻杆喷溅到钻机和人员；
S5：钻孔：
钻机更换直径为90mm的钻头，调整钻机大臂位置，使钻头和钻杆伸入装置内，即钻头依次穿过防喷单元6、防溅单元5、隔震橡胶环4、闸阀3、注浆单元2、导线管1，而后启动钻机，同时通过空心钻杆，由钻头处吹出高压风，便于排出孔渣，在钻孔遭遇高温温泉水后，高温水混合孔渣，沿钻杆反向排出，依次穿过导向管1、注浆单元2、闸阀3、隔震橡胶环4，在防溅单元5内散状高速溅射，被外罩51聚拢下落，而后沿引流斗55流动，最终落入临时储水储渣槽内；
钻孔的同时，启动防溅单元5的振动器52，使整个外罩51发生高频小幅振动，避免高温水与孔渣的混合物粘挂在外罩51的内壁，降低排渣效率；
钻孔至设计深度后，关闭振动器52，逐节退出和拆卸钻杆，当钻头退出闸阀3后，关闭闸阀3，中断高温水的继续流出，而后继续退出钻杆，至完全退出防喷单元6，而后拆除防溅单元5与闸阀3的连接螺栓，钻机可进行下一孔的钻孔工作；
S6：注浆：
制备浆液，打开供浆阀22，启动注浆机向钻孔内注浆；
在注浆压力和注浆量达到设计要求后，关停注浆机，关闭供浆阀22；
打开排水阀21，注浆机改为抽吸清水，使清水冲洗管路，并最终从排水阀中流出，落入临时储水储渣槽中；
清洗完毕后，拆除注浆单元2和闸阀3，连接至下一孔的注浆单元上，准备进行下一孔的注浆作业。
Claims (10)
1.一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置，其特征在于，包括：在轴向上相连接的防溅单元(5)和注浆单元(2)，其中：
所述防溅单元(5)，包括外罩(51)和引流斗(55)，其中：
所述外罩(51)，为下部敞口的中空壳体，壳体前后端、且在同一轴线上均开设有孔洞，前端为进口(54)；
所述引流斗(55)包括底板，底板的前后两端为敞口状，左右两端均设置有前后走向的立板，各所述立板为等腰三角形板体，其尖端的一端位于底板的后端顶点；底板的后端与所述外罩(51)的后端通过转轴相连接，其前端延伸至所述外罩(51)的前端，左右端的底板与所述外罩(51)的左右端相连接，且可上下滑动，以改变所述引流斗(55)前端与所述外罩(51)底部的开口大小；
所述注浆单元(2)，为一三通管，其竖直管用于连接注浆管路，水平管的一端用于与导向管(1)相连接，另一端与进口(54)连接；
所述外罩(51)和注浆单元(2)在轴向上相连通，用作钻杆钻入导向管(1)的通道；
所述外罩(51)用于：在高温水渣沿钻杆反向排出时，阻挡高温水渣周向溅射，并使高温水渣下落至引流斗(55)中。
2.如权利要求1所述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置，其特征在于，还包括防喷单元(6)，所述防喷单元(6)包括多个夹盘(61)和多个环形刷(62)，其中：
各所述夹盘(61)均为一环形盘体；
各所述环形刷(62)均为环形盘体，其直径小于夹盘(61)的直径，在盘体内侧壁一周设置有朝向中心伸展的刷毛，且刷毛的长度小于达到中心的距离；
多个夹盘(61)和多个环形刷(62)间隔叠放，各中心孔相连通，通道所在的一端与所述外罩(51)的后端孔洞相连接，与所述外罩(51)内腔相连通，形成钻杆钻设通道。
3.如权利要求1或2所述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置，其特征在于，在所述外罩(51)的左右端的壳体上，且位于前侧均开设有上下走向的弧形镂空滑槽(56)；所述镂空滑槽(56)用于与所述引流斗(55)的左右端的立板通过可拆卸螺钉相连接。
4.如权利要求3所述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置，其特征在于，在所述外罩(51)的顶部设置有振动器(52)，用于使外罩(51)发生振动。
5.如权利要求4所述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置，其特征在于，所述注浆单元(2)的竖直管上间隔设置有两个水平向的支管，靠近管口端的为排水管，在排水管上设置有排水阀(21)，另一个支管为进浆管，其上设置有进浆阀(22)。
6.如权利要求5所述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置，其特征在于，在所述防溅单元(5)和注浆单元(2)间连接有闸阀(3)，所述注浆单元(2)的水平管的两端、所述闸阀(3)的两端、所述外罩(51)的进口(54)处均各设置有法兰，所述注浆单元(2)和闸阀(3)间通过法兰连接，所述闸阀(3)和进口(54)间通过法兰连接，所述闸阀(3)和外罩(51)相连接的法兰内安装有隔震橡胶环(4)。
7.如权利要求7所述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置，其特征在于，在所述外罩(51)后端孔洞处，在壳体上同轴设置有一尾座(53)，所述尾座(53)为一设置有内螺纹的法兰盘，其内同轴安装套设叠放在一起的多个夹盘(61)和多个环形刷(62)。
8.如权利要求7所述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置，其特征在于，各所述环形刷(62)的中心孔的内径小于钻杆的直径，所述环形刷(62)的梳毛的端部与钻杆紧密贴合。
9.如权利要求1-8中任一项所述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置的施工方法，其特征在于，该施工方法如下：
步骤一、在止浆墙(7)上完成所有孔位的导向管(1)安装；在止浆墙后方的隧道内叠放多个沙袋(8)，堆砌堤坝，堤坝与止浆墙(7)间形成临时储水储渣槽；
步骤二、所述注浆单元(2)的水平管的一端与导向管(1)法兰连接，另一端依次连接闸阀(3)和外罩(51)，且外罩(51)位于临时储水储渣槽的上方；将所述引流斗(55)向下拉伸，直至其开合端的开口满足：使流的水和孔渣落沿开口下落至临时储水储渣槽内；
所述排水阀(21)和供浆阀(22)关闭；所有环形刷(62)的刷毛均涂抹油脂；
步骤三、钻头和钻杆由防喷单元(6)的中心孔伸入，依次穿过防喷单元(6)、外罩(51)、闸阀(3)和水平管，并穿入导向管(1)内，启动钻孔，钻孔遭遇高温温泉水后，高温水混合孔渣反向，依次经过导向管(1)、水平管和闸阀(3)至外罩(51)内，在所述外罩(51)内散状溅射，被外罩(51)周向阻挡聚拢，向下沿引流斗55流动，落入临时储水储渣槽内；
在高温水混合孔渣在所述外罩(51)内散状溅射时，振动器(52)振动，带动外罩(51)振动，用于避免高温水混合孔渣物粘挂在外罩(51)的内壁；
钻孔至设计深度，关闭所述振动器(52)，退出和拆卸钻杆，当钻头退出闸阀(3)后，关闭闸阀(3)，中断高温水混合孔渣的继续流出；完全退出钻杆和钻头，拆除防溅单元(5)；
步骤四、打开供浆阀(22)，由竖直管导入浆液，向钻孔内注浆；
注浆压力和注浆量达到设计要求后，关闭供浆阀(22)，打开排水阀(21)，抽吸清水，使清水冲洗管路，并从排水阀(21)中流出，落入临时储水储渣槽中；
步骤五、拆除闸阀(3)和注浆单元(2)，依次进行下一钻孔。
10.如权利要求9所述的一种适用于高温温泉水地层的帷幕注浆施工装置的施工方法，其特征在于，在钻孔和注浆施工进行的同时，不断排出临时储水储渣槽内的高温水和孔渣。
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