CN114991817A - 一种隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，在距离探测到的破碎带一定距离时停止隧道掌子面推进，在隧道外围岩进行注浆孔超前钻孔，并注浆孔内进行注浆，形成对应破碎带的第一梯度增强围岩；对注浆孔进行加深并进行二次注浆，得到第二梯度增强围岩；在隧道对应破碎带的区域施作NPR锚索，以对隧道外围岩进行支护，将隧道破碎带处的外围岩形成整体；将隧道掌子面推进至下一注浆孔所处断面，并进行该断面对应注浆孔的钻孔和注浆，直至隧道完成对破碎带区域的掘进。本发明中的双梯度超前注浆技术，有效的填充了破碎带内不同规模和形式裂隙，显著提升了隧道围岩的强度，避免了破碎带岩体因隧道开挖引起的应力释放和大变形破坏。

Description

一种隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法。
背景技术
隧道工程领域在施工时遇到构造破碎带引起围岩大变形破坏和支护措施失效的事例屡见不鲜，它一直是困扰隧道工程的一项重大难题。例如，中国川藏铁路、引汉济渭和滇中引水等工程都出现了不同程度、不同规模和不同形式破碎带引起的隧道围岩大变形破坏和隧道支护体系失效。给隧道施工造成了极大的困难，并带来严重的安全隐患。
为了有效的控制隧道围岩大变形灾害，国内外研究学者对隧道工程的围岩大变形技术难题进行了大量的理论、室内和现场研究，很好的促进了隧道围岩大变形的控制技术的发展，但是对于受构造破碎带影响的隧道围岩大变形灾害控制领域，尤其是对破碎带引起的围岩大变形控制技术的研究尚属空白。目前随着大埋深、大跨度的隧道工程不断涌现，其受围岩破碎带的影响已经超出了现有工程理论和实践经验，很难对隧道围岩的变形动态进行合理判断和科学控制。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中的不足，提供一种隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，包括：
步骤S1，对隧道掌子面推进方向的岩体破碎带进行超前探测，以确定注浆材料和注浆孔的间距；
步骤S2，在距离探测到的破碎带一定距离时停止隧道掌子面推进，在隧道外围岩进行注浆孔超前钻孔，并注浆孔内进行注浆，形成对应破碎带的第一梯度增强围岩；
步骤S3，待第一梯度增强围岩对应的浆液凝固后，对注浆孔进行加深，并对加深后的注浆孔进行二次注浆，得到位于第一梯度增强围岩外围的第二梯度增强围岩；
步骤S4，在隧道对应破碎带的区域施作NPR锚索，以对隧道外围岩进行支护，将隧道破碎带处的外围岩形成整体；
步骤S5，将隧道掌子面推进至下一注浆孔所处断面，并进行该断面对应注浆孔的钻孔和注浆，直至隧道完成对破碎带区域的掘进。
优选地，位于同一端面的所述注浆孔有多个，多个所述注浆孔沿隧道侧部和顶部均匀分布，所述注浆孔对应隧道开挖方向的一端向隧道外围倾斜。
优选地，步骤S1包括：
步骤S101，通过超前探测确定隧道开挖方向上破碎带的裂隙发育情况；
步骤S102：根据所探测的破碎带裂隙发育情况，确定破碎带裂隙张开度，根据破碎带裂隙张开度选取注浆材料的粒径级配；
步骤S103：根据所探测的破碎带裂隙发育情况，确定注浆孔的间距。
优选地，根据设计注浆压力进行第一梯度增强围岩区域的填充注浆，孔口溢出浆液后暂停注浆，并将孔口封闭进行稳压后结束注浆。
优选地，步骤S3中，采用劈裂注浆的方式进行第二梯度增强围岩对应区域的注浆，并在注浆结束后对围岩注浆质量进行声波探测，以检测注浆质量。
优选地，所述NPR锚索包括NPR长锚索和NPR短锚索；
多个所述NPR长锚索和NPR短锚索沿隧道开挖方向交替布置；
多个所述NPR长锚索和NPR短锚索在隧道开挖方向的投影上交替分布。
优选地，根据注浆孔的间距和NPR短锚索的长度，确定第一梯度增强围岩对应注浆孔的长度及角度；
根据注浆孔的间距和NPR长锚索的长度，确定第二梯度增强围岩对应注浆孔的加深长度，将注浆孔钻进至预设的NPR长锚索外周线。
优选地，所述NPR锚索为中空注浆锚索，所述NPR锚索垂直于隧道开挖方向。
优选地，采用随挖随撑的原则，在隧道推进过程中，在设定位置分别对NPR长锚索和NPR短锚索进行设置，并通过NPR长锚索和NPR短锚索进行注浆。
有益效果：本发明中的双梯度超前注浆技术，有效的填充了破碎带内不同规模和形式裂隙，显著提升了隧道围岩的强度，避免了破碎带岩体因隧道开挖引起的应力释放和大变形破坏；本发明中采用中空NPR锚索进行锚固，NPR锚索属于柔性支护体系，能够进行快速注浆锚固，提供高预紧力，同时能够吸收岩体变形能量，适应岩体大变形，在隧道工程受到外界环境影响导致破碎带产生错动或大变形时，破碎带岩体内部产生的变形能量的绝大部分将被柔性支护体系吸收，从而避免隧道工程产生较大变形，确保隧道工程结构的稳定。
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发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明实施例的隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法的整体示意图；
图2是本发明实施例的隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法的断面图；
图3是本发明实施例的隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法的第一梯度超前注浆示意图；
图4是本发明实施例的隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法的第二梯度超前注浆示意图；
图5是本发明实施例的隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法的NPR锚索支护示意图。
图中：1、NPR长锚索；2、NPR短锚索；3、注浆孔；4、第二梯度增强围岩；5、第一梯度增强围岩；6、隧道；7、注浆泵。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1-5所示，一种隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，包括：步骤S1，对隧道6掌子面推进方向的岩体破碎带进行超前探测，通过探测结果确定隧道6外围注浆材料及注浆孔3的间距；并针对注浆材料确定其粒径级配；步骤S2，在距离探测到的破碎带一定距离时停止隧道6掌子面推进，此时隧道6掌子面距离破碎带之间的间距不小于注浆孔3沿隧道6推进方向间距的两倍，以此在进行破碎带前方留设至少三个注浆孔3打设工位；按照设计位置在隧道6外围岩进行注浆孔3超前钻孔，并注浆孔3内进行注浆，此时通过超前钻孔所产生的注浆孔3形成对应破碎带的第一梯度增强围岩5；步骤S3，停止隧道6的掘进，待第一梯度增强围岩5对应的浆液凝固后，具体的，应在第一梯度增强围岩5的强度不小于5MPa时，对注浆孔3进行加深，并对加深后的注浆孔3进行二次注浆，得到位于第一梯度增强围岩5外围的第二梯度增强围岩4；步骤S4，在隧道6对应破碎带区域的第一梯度增强围岩5和第二梯度增强围岩4施作NPR锚索，以对隧道6外围岩进行支护，将隧道6破碎带处的外围岩形成整体，有效控制围岩变形；步骤S5，将隧道6掌子面推进至下一注浆孔3所处断面，并进行该断面对应注浆孔3的超前钻孔和注浆，重复隧道6掌子面推进、钻孔以及注浆的操作，直至隧道6完成对破碎带区域的掘进。
在本实施例中，首先通过对第一梯度增强围岩5范围进行低压大粒径材料注浆，对破碎带宏观大裂隙进行填充；然后，通过第二梯度增强围岩4范围进行小粒径材料注浆，进行劈裂注浆，保证注浆区的微小裂隙都能完成注浆。通过两次注浆，在隧道6周围形成两个围岩强度增强区，并于附近非破碎区形成整体，保证开挖时不会因为围岩破碎而产生塌方或大变形。同时，隧道6外围强度改善的围岩能够更好的实现NPR锚索的锚固效果，充分发挥NPR锚索的吸能和控制效果。
采用三台阶法进行隧道6掘进，采用随挖随支的原则，分别在上台阶、中台阶和下台阶挖掘完后相应位置的第一梯度增强围岩5、第二梯度增强围岩4和进行NPR锚索的施工。
在另一可选实施例中，位于同一端面的所述注浆孔3有多个，多个所述注浆孔3沿隧道6侧部和顶部均匀分布，所述注浆孔3对应隧道6开挖方向的一端向隧道6外围倾斜，以使注浆孔3呈伞状或者辐射状延伸，并通过超前注浆的方式形成对应隧道6的增强围岩，从而对破碎带处的隧道6外围岩件加固，保证隧道6开挖过程中的安全和稳定性。
在另一可选实施例中，步骤S1包括：步骤S101，通过声波、雷达等探测设备进行超前探测，从而确定在隧道6开挖方向上破碎带的裂隙发育情况，从而全面了解破碎带形态和位置；步骤S102：根据所探测的破碎带裂隙发育情况，获取破碎带裂隙张开度，根据破碎带裂隙张开度选取注浆材料的粒径级配，具体地，当破碎带裂隙张开度较大时，选取大粒径注浆材料进行注浆，比如水泥砂浆，反之采用超细水泥浆。步骤S103：根据所探测的破碎带裂隙发育情况，确定注浆孔3的间距，注浆孔3的间距与破碎带的裂隙发育情况相关，即破碎程度越高注浆孔3的间距越小，注浆孔3在纵向间距为0.5m～1.5m，环向间距为0.5m～1.5m，具体间距基于所探测的裂隙发育情况进行确定，并确定注浆孔3至破碎带第一个NPR支护长锚索的水平距离Ls。
在另一可选实施例中，根据设计注浆压力进行第一梯度增强围岩5区域的进行填充注浆，注浆压力由破碎带的裂隙发育情况确定，在孔口溢出浆液后暂停注浆，并将孔口封闭进行稳压后结束注浆。其中，对应第一梯度增强围岩5区域的注浆压力为0.5MPa～1.0MPa，采用大粒径注浆材料。
在另一可选实施例中，步骤S4中，采用劈裂注浆的方式进行第二梯度增强围岩4区域对应区域的注浆，注浆压力由破碎带的裂隙发育情况确定，并在注浆结束后对围岩注浆质量进行声波探测，以检测注浆质量。注浆压力范围为6MPa～10MP，注浆材料选用水泥类注浆材料，并在注浆结束后对围岩注浆质量进行声波探测，确保注浆质量。
在另一可选实施例中，所述NPR锚索包括NPR长锚索1和NPR短锚索2；其中、NPR短锚索2的长度为5m～8m、NPR长锚索1的长度为10m～13m，其中，第一梯度增强围岩5对应的注浆孔3末端到隧道6的垂直距离要大于或等于短NPR锚索的长度，这样可以保证第一梯度增强围岩5的强度和短NPR锚索的锚固效果。
多个所述NPR长锚索1和NPR短锚索2沿隧道6开挖方向交替布置，多个所述NPR长锚索1和NPR短锚索2在隧道6开挖方向的投影上交替分布。通过NPR长锚索1和NPR短锚索2交替的方式保证第一梯度增强围岩5和第二梯度增强围岩4之间的锚固强度，保证隧道6外围岩的稳定性。
第二梯度增强围岩、第一梯度增强围岩、NPR锚的注浆均通过注浆泵7进行注浆。
在另一可选实施例中，根据注浆孔3的间距和NPR短锚索2的长度，确定第一梯度增强围岩5对应注浆孔3的长度及角度，第一梯度增强围岩5对应注浆孔3的终止位置到隧道6的垂直距离要大于或等于短NPR锚索的长度，这样可以保证一次注浆区围岩强度和短NPR锚索的锚固效果。根据注浆孔3的间距和NPR长锚索1的长度，确定第二梯度增强围岩4对应注浆孔3的加深长度，将注浆孔3钻进至预设的NPR长锚索1外周线。长短NPR锚索的具体长度没有固定限制，需要根据围岩发育情况进行设计和试验来最终确定最佳的长度。
在本实施例中，根据超前探测结果确定钻孔的间距，根据围岩发育情况确定NPR长锚索1的长度L1和NPR短锚索2的长度L2；根据钻孔的间距和设计的支护NPR长锚索1的长度L1，确定钻孔的角度α，将注浆孔3钻进至预设的NPR长锚索1外周线处；
根据设计的支护NPR短锚索2的长度L2，确定第一梯度增强围岩5对应的钻孔深度l1，按照计算得出的钻孔角度和钻孔深度，进行第一次钻孔。
其中，注浆孔3的角度通过以下公式获得：α＝arcsin(L1/Lz)；其中L1是NPR长锚索1的长度，单位为m；Lz为注浆孔3的深度，通过注浆孔3至破碎带第一个NPR支护长锚索的水平距离Ls和NPR长锚索1的长度L1计算获得，单位m。
第一梯度增强围岩5对应的钻孔深度通过以下公式获得：l1＝L2/sinα；其中L2是NPR短锚索2的长度，单位为m。
在另一可选实施例中，所述NPR锚索为中空注浆锚索，所述NPR锚索垂直于隧道6开挖方向，采用随挖随撑的原则，在隧道6推进过程中，在设定位置分别对NPR长锚索1和NPR短锚索2进行设置，并通过NPR长锚索1和NPR短锚索2进行注浆。
具体地，开挖隧道6至破碎带NPR短锚索2支护设计位置后进行注浆；在设计钻孔位置进行NPR短锚索2安装，并进行NPR短锚索2的注浆锚固；继续开挖隧道6至NPR长锚索1支护设计位置；继续钻孔进行注浆框加深，使注浆孔3延伸至NPR长锚索1对应隧道6外围岩一端的轮廓线处后进行注浆，注浆完成后进行NPR长锚索1安装，并进行NPR长锚索1的注浆锚固，NPR短锚索2和NPR长锚索1的注浆压力大于第一梯度增强围岩5和第二梯度增强围岩4的注浆压力。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，其特征在于，包括：
步骤S1，对隧道掌子面推进方向的岩体破碎带进行超前探测，以确定注浆材料和注浆孔的间距；
步骤S2，在距离探测到的破碎带一定距离时停止隧道掌子面推进，在隧道外围岩进行注浆孔超前钻孔，并注浆孔内进行注浆，形成对应破碎带的第一梯度增强围岩；
步骤S3，待第一梯度增强围岩对应的浆液凝固后，对注浆孔进行加深，并对加深后的注浆孔进行二次注浆，得到位于第一梯度增强围岩外围的第二梯度增强围岩；
步骤S4，在隧道对应破碎带的区域施作NPR锚索，以对隧道外围岩进行支护，将隧道破碎带处的外围岩形成整体；
步骤S5，将隧道掌子面推进至下一注浆孔所处断面，并进行该断面对应注浆孔的钻孔和注浆，直至隧道完成对破碎带区域的掘进。
2.根据权利要求1所述隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，其特征在于，位于同一端面的所述注浆孔有多个，多个所述注浆孔沿隧道侧部和顶部均匀分布，所述注浆孔对应隧道开挖方向的一端向隧道外围倾斜。
3.根据权利要求1所述隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，其特征在于，步骤S1包括：
步骤S101，通过超前探测确定隧道开挖方向上破碎带的裂隙发育情况；
步骤S102：根据所探测的破碎带裂隙发育情况，确定破碎带裂隙张开度，根据破碎带裂隙张开度选取注浆材料的粒径级配；
步骤S103：根据所探测的破碎带裂隙发育情况，确定注浆孔的间距。
4.根据权利要求1所述隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，其特征在于，根据设计注浆压力进行第一梯度增强围岩区域的填充注浆，孔口溢出浆液后暂停注浆，并将孔口封闭进行稳压后结束注浆。
5.根据权利要求4所述隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，其特征在于，步骤S3中，采用劈裂注浆的方式进行第二梯度增强围岩对应区域的注浆，并在注浆结束后对围岩注浆质量进行声波探测，以检测注浆质量。
6.根据权利要求1所述隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，其特征在于，所述NPR锚索包括NPR长锚索和NPR短锚索；
多个所述NPR长锚索和NPR短锚索沿隧道开挖方向交替布置；
多个所述NPR长锚索和NPR短锚索在隧道开挖方向的投影上交替分布。
7.根据权利要求6所述隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，其特征在于，
根据注浆孔的间距和NPR短锚索的长度，确定第一梯度增强围岩对应注浆孔的长度及角度；
根据注浆孔的间距和NPR长锚索的长度，确定第二梯度增强围岩对应注浆孔的加深长度，将注浆孔钻进至预设的NPR长锚索外周线。
8.根据权利要求7所述隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，其特征在于，所述NPR锚索为中空注浆锚索，所述NPR锚索垂直于隧道开挖方向。
9.根据权利要求8所述隧道围岩破碎带强度双梯度超前注浆补偿方法，其特征在于，采用随挖随撑的原则，在隧道推进过程中，在设定位置分别对NPR长锚索和NPR短锚索进行设置，并通过NPR长锚索和NPR短锚索进行注浆。
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