CN116971788A - 一种水下隧道溶洞的吹填方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种水下隧道溶洞的吹填方法，包括以下步骤：进行溶洞的勘察后，在临近勘察孔的部位钻取至少两个吹填孔；以砂料作为骨料，加入白油搅拌均匀，进行流动砂料的制备，以流动砂料的休止角判定流动砂料能否进行吹填；在吹填孔上安装套管，当通过其中一个吹填孔吹填流动砂料时，该吹填孔的套管作为吹填套管，其他吹填孔的套管作为通气套管；在吹填套管上连接三通接头，通过连接吹填设备将流动砂料吹砂充填溶洞，在吹填同时通过三通接头泵入白油润滑吹填套管的管壁；间歇性进行流动砂料的吹填，直至溶洞填满流动砂料。本发明中的吹填方法能够保证对溶洞的有效填充，使大型溶洞的加固效果更优越、加固周期更短、成本更加经济。

Description

一种水下隧道溶洞的吹填方法

技术领域

本申请涉及溶洞填充技术领域，具体而言，涉及一种水下隧道溶洞的吹填方法。

背景技术

水下隧道施工过程中，在场地内常常遭遇溶洞，由于溶洞的隐蔽性与不确定性，极易导致掘进面突泥涌水、衬砌破坏、江海水倒灌等工程事故，带来巨大经济损失和人员伤亡。因此，对隧道施工、运营有影响的溶洞均需加固处理。

对于水下的半充填或无填充物的大型溶洞，目前采用的方式是先水上钻孔进行砂料吹填，然后注浆加固，但砂料摩擦较强、流动性差，溶洞内砂料难以填满溶洞且吹填管容易堵塞。

针对砂料流动性差，溶洞内砂料难以填满溶洞且砂料容易堵塞吹填管的问题，亟需一种适用于水下隧道的吹填方法，使大型溶洞的加固效果更优越、加固周期更短、成本更加经济。

发明内容

本申请的目的是提供一种水下隧道溶洞的吹填方法，能够降低填充砂料的摩擦阻力，增强填充砂料的流动性，提升溶洞的填充效果，且避免对吹填管的堵塞。

为了实现上述目的，本发明提供了一种水下隧道溶洞的吹填方法，包括以下步骤：

进行溶洞的勘察后，在临近勘察孔的部位钻取至少两个吹填孔；

以砂料作为骨料，加入白油搅拌均匀，进行流动砂料的制备，以流动砂料的休止角判定流动砂料能否进行吹填；

在吹填孔上安装套管，当通过其中一个吹填孔吹填流动砂料时，该吹填孔的套管作为吹填套管，其他吹填孔的套管作为通气套管；

在吹填套管上连接三通接头，通过连接吹填设备将流动砂料吹砂充填溶洞，在吹填同时通过三通接头泵入白油润滑吹填套管的管壁；

间歇性进行流动砂料的吹填，直至溶洞填满流动砂料。

在可选的实施方式中，根据地质勘察结果确定水下隧道场地内的溶洞发育范围和几何尺寸，并钻取勘察孔，验证溶洞形式，确定溶洞的充填情况和岩溶水的发育情况；

根据水下隧道的位置以及溶洞发育情况，确定需要吹填处理的溶洞。

在可选的实施方式中，对确定需要吹填的溶洞，在该溶洞的勘察孔附近钻取吹填孔，所述吹填孔包括两个，两个所述吹填孔设置在所述勘察孔的两侧，所述勘察孔与所述吹填孔布设在同一直线上。

在可选的实施方式中，吹填孔的开孔直径不小于0.2m，吹填孔的钻孔采用泥浆护壁钻进，当钻头穿透溶洞顶板时，向下推进0.5m后再停止钻进。

在可选的实施方式中，流动砂料的制备包括：以中粗砂作为骨料，在中粗砂中加入15#白油，通过混凝土搅拌机进行搅拌混合，以质量计，15#白油的加入量不少于中粗砂的10%。

在可选的实施方式中，测定制备的流动砂料的休止角，当休止角的测定结果不大于25°时，通过吹填套管向溶洞中吹填，否则，加入15#白油继续搅拌。

在可选的实施方式中，吹填套管与通气套管的底端插接在溶洞顶面，顶端由水面伸出并固定在施工栈桥上，所述三通接头安装在吹填套管的顶部。

在可选的实施方式中，还包括脉冲泵，所述脉冲泵与所述吹填设备分别通过管道与所述三通接头连接，所述三通接头与所述管道及所述吹填套管的相接部位均设置有密封环；

通过所述脉冲泵向所述吹填套管中泵入15#白油，用以润滑吹填套管的管壁。

在可选的实施方式中，间歇性进行流动砂料的吹填包括：

吹填设备持续吹填一段时间后，停止吹填，在吹填套管中采用高压风瞬时喷吹透孔，再次吹填，循环多次，直至溶洞填满流动砂料。

在可选的实施方式中，吹填设备持续吹填的时间相同，且喷吹透孔的间隔时间相同。

本发明中通过在临近溶洞勘察孔的部位钻取至少两个吹填孔，能够利于通过后期的吹填套管向溶洞中吹填砂料，从而实现对溶洞的加固处理。

至少两个的吹填孔，能够使其中一个吹填孔在吹填砂料时，另一个吹填孔作为溶洞的通气孔，保持溶洞内外的气压平衡，减少砂料吹填时溶洞内的憋压，从而保证砂料向溶洞中的可靠吹填。

以砂料作为骨料，并结合加入白油搅拌制备的流动砂料，能够改善吹填砂料的流动性，降低砂料颗粒之间的摩擦阻力，从而整体上保证砂料在溶洞中的吹填效果，使吹填施工更加便捷高效。

通过将流动砂料的休止角作为流动砂料能否进行吹填的判定依据，能够量化流动砂料能否进行吹填的控制参数，从而将原有粗放型的溶洞吹填优化为吹填砂料的精细化制备，有效改善了溶洞的吹填工序，降低了溶洞吹填不密实以及吹填管堵塞的可能。

基于至少两个的吹填孔，以及在吹填砂料时互为排气孔的形式，通过在吹填孔上安装套管，能够形成当通过其中一个吹填孔吹填流动砂料时，该吹填孔的套管作为吹填套管，其他吹填孔的套管作为通气套管，能够保证吹填以及通气的同时进行，且可使流动砂料在溶洞中充分充填。

在吹填套管上连接三通接头的形式，能够利于吹填设备以及润滑白油输送泵的连接，通过连接吹填设备将流动砂料吹砂充填溶洞，在吹填同时通过三通接头连接的润滑白油输送泵向吹填套管中泵入白油，以此来润滑吹填套管的管壁，减少流动砂料在管壁上的附着，从根本上避免吹填套管堵塞的可能。

本发明中充分考虑了砂料的流动性，以及对吹填套管的润滑性，从吹填砂料制备的角度以及输送的角度充分考虑，以在增强吹填砂料流动性的前提下，降低在吹填套管内壁上的附着沉积，从而保证对溶洞的有效填充。

通过间歇性进行流动砂料的吹填，一方面能够对潜在的附着在吹填套管内壁上的流动砂料进行喷吹，使其脱离吹填套管，另一方面能够以瞬时高压风的形式重新透孔，将吹填浮面上的流动砂料冲压夯实，在循环多次的间隔持续吹填以及瞬时喷吹的周而复始进程中，直至溶洞填满流动砂料，以保证溶洞吹填的密实饱满。

本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请中水下隧道溶洞的吹填装置的结构示意图。

图标：

1-吹填设备；2-搅拌设备；3-吹填套管；4-通气套管；5-水上栈桥；6-水位线；7-脉冲泵；8-溶洞；9-水底面；10-水下隧道。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

结合图1中所示的吹填装置，本申请中水下隧道溶洞的吹填方法，主要针对水下隧道10施工过程中，进行施工场地内溶洞8的填充，具体以向溶洞8中吹填砂料的形式充填溶洞8。

通过在骨料中掺入白油制备流动砂料的形式，增强吹填砂料的流动性，并且伴随着流动砂料的吹填，向吹填套管3中泵注白油，以规避流动砂料附着在吹填套管3内壁上的可能。

本发明中水下隧道溶洞的吹填方法，首先包括对溶洞8的勘察，进行溶洞8的勘察后，在临近勘察孔的部位钻取至少两个吹填孔。

在勘察过程中，首先根据地质勘察结果确定水下隧道场地内的溶洞发育范围和几何尺寸，并钻取勘察孔，验证溶洞形式，确定溶洞的充填情况和岩溶水的发育情况。

然后根据水下隧道10的位置以及溶洞8发育情况，确定哪些溶洞需要进行吹填处理。具体来讲，水下隧道的结构轮廓线外0.5D（D为隧道外径）、底板以下1.0D范围内的溶洞，以及高度大于6m的无充填后者半充填的溶洞均需要进行吹填处理。

本发明中为了保证吹填孔钻取的成功概率，即保证在钻取过程中能够在溶洞8的有效部位进行钻孔，得到能够进行溶洞8填充的吹填孔，基于水下隧道10孔道钻取的成本角度考虑，对确定需要进行吹填处理的溶洞，在该溶洞勘察孔的附近部位钻取至少两个吹填孔。

该角度的出发点在于，针对勘察过程中的勘察孔，并通过勘察孔确定勘察溶洞8确系需要进行填充的，为了避免随意钻取吹填孔不能钻取到溶洞8的内部空间，需要在临近勘察孔的部位进行钻取，从而在前期勘察孔穿透溶洞8顶板的基础上，提高钻取吹填孔操作的有效性，以尽量降低盲钻所导致的无效操作。

在钻取时，可将钻取部位与勘察孔之间的距离保持在可允许的最小范围内，从而确保吹填孔能够有效得到。

本发明的主体思路是对溶洞8的填充，至少需要一个进行砂料充填的吹填孔，以及一个用于使溶洞8的内部空间与外界相通的通气孔，保持内外压力平衡，能够使吹填流动砂料的同时，进行内外导气，促进吹填的顺畅性。

吹填孔以及通气孔其实本质上均为吹填孔，可互为备用。优选地，吹填孔具体包括两个，两个吹填孔设置在勘察孔的两侧，能够在其中一个吹填孔吹填砂料时，使另一个吹填孔能够作为通气孔有效地与外接进行气压平衡。

同时，通过将两个吹填孔钻取在临近勘察孔的两侧，能够提高吹填孔钻取的成功率。进一步地，在钻取时，可将勘察孔与吹填孔布设在同一直线上，能够在其中一个吹填孔进行吹填时，使另外的通气孔保持良好的导气状态。

确定吹填孔的位置后，使用钻机在吹填孔布设位置处开钻，吹填孔的开孔直径不小于0.2m，吹填孔的钻孔采用泥浆护壁钻进，当钻头穿透溶洞8顶板时，向下推进0.5m后再停止钻进，能够保证成孔的可靠性。

在吹填孔钻取完成后，在两个吹填孔上安装套管，当通过其中一个吹填孔吹填流动砂料时，该吹填孔的套管作为吹填套管3，其他吹填孔的套管作为通气套管4。

在吹填套管3上连接三通接头，通过连接吹填设备1将流动砂料吹砂充填溶洞8，在吹填同时通过三通接头泵入白油润滑吹填套管3的管壁。

吹填套管3与通气套管4的底端插接在溶洞8顶面，顶端由水面伸出并固定在施工栈桥上，将三通接头安装在吹填套管3的顶部。

从泵入白油润滑吹填套管3的管壁角度，本发明中还包括脉冲泵7，脉冲泵7与吹填设备1分别通过输送管道与三通接头连接，利于通过输送管道将白油以及流动砂料通入三通接头，并通入吹填套管3。

为了保证输送管道与三通接头连接的密闭性，防止润滑管壁的白油以及流动砂料外溢，三通接头与输送管道及吹填套管3的相接部位均设置有密封环，使三通接头所连接的脉冲泵7以及吹填设备1与外接隔绝，形成相对独立的吹填以及润滑白油补入环境，保证吹填以及润滑的可靠性。

在吹填过程中，通过脉冲泵7向吹填套管3中泵入15#白油，用以润滑吹填套管3的管壁。

本发明中以砂料作为骨料，加入白油搅拌均匀，进行流动砂料的制备，以流动砂料的休止角判定流动砂料能否进行吹填。

本发明中具体是将流动砂料以吹填的形式充注进入溶洞8，流动砂料的制备包括：以中粗砂作为骨料，在中粗砂中加入15#白油，通过混凝土搅拌机形式的搅拌设备2进行搅拌混合，以质量计，15#白油的加入量不少于中粗砂的10%。

白油别名石蜡油、矿物油，是一种无色透明无气味的油状液体，经过深度提炼后的特殊矿物油。白油的基本组成是饱和烃结构，芳烃、氮、氧、硫含量接近于零。而且白油化学稳定性好，在日常用品的应用中，主要增加产品的亮度和平滑度。本申请中通过将白油作为砂料的润滑剂，能够降低砂料中砂砾之间的摩擦阻力，从而降低砂料的整体摩阻，增强砂料的流动性，使吹填过程更加顺畅。

同时，白油的成本较低，容易得到，性质稳定且安全性高，通过将白油作为润滑剂，更加适用于流动砂料的制备以及对吹填套管的润滑。

当流动砂料制备完成后，将流动砂料的休止角作为能否进行吹填的判定条件，当休止角的测定结果不大于25°时，可通过吹填套管3向溶洞8中吹填，否则，加入15#白油继续搅拌，直至流动砂料的休止角达到能够吹填的指标要求。

同时，白油作为伴随流动砂料吹填的润滑剂，对吹填管道的内壁进行润滑，能够有效防止砂料在吹填套管3内壁上的附着，降低了吹填套管3堵塞的风险。

流动砂料的吹填，具体以间歇性的形式进行，间歇性进行流动砂料的吹填包括：伴随着润滑白油的补入，吹填设备1持续吹填一段时间，然后间歇性地停止吹填，在吹填套管3中采用高压风瞬时喷吹透孔，再次伴随着润滑白油的补入进行吹填，循环往复多次，直至溶洞8填满流动砂料。

通过间歇性进行流动砂料的吹填，能够对潜在的附着在吹填套管3内壁上的流动砂料进行喷吹，使其脱离吹填套管3，同时能够以瞬时高压风的形式重新透孔，将吹填浮面上的流动砂料冲压夯实，在循环多次的间隔持续吹填以及瞬时喷吹的周而复始进程中，直至溶洞8填满流动砂料，以保证溶洞8吹填的密实饱满。

为了保证间歇性吹填过程中的均匀性，吹填设备持续吹填的时间相同，即在每段持续吹填过程中，吹填设备对流动砂料持续吹填的时间相同，补入相同体积量的流动砂料。同时，喷吹透孔的间隔时间相同，也就是说，喷吹透孔的操作时长相同，能够保证对浮面上的流动砂料输出相同的高压喷吹夯实强度，以促使溶洞内流动砂料具有相对均匀的密室程度，减少局部空腔的可能。

在其中一个具体的实施进程中，包括以下方法步骤：

1）地质勘察：现场勘探反映场地岩溶发育程度强烈，岩溶类型为隐伏岩溶，岩溶形态主要表现为溶蚀裂隙、溶蚀晶洞和裂隙溶洞，共揭露327个溶洞，溶洞高度0.5~21.0m，其中半充填和无填充的溶洞共214个，岩溶水具有微承压性。

2）确定溶洞处置范围：隧道结构轮廓线外0.5D（D为隧道外径）、底板以下1.0D范围内的溶洞需要进行加固，高度大于6m的溶洞进行吹填处理后注浆加固。

3）布孔：在原勘察孔附近0.6m处布置2个吹填孔，两吹填孔中心与原钻孔中心需在同一连线上，两吹填孔可相互作为排气孔。

4）钻孔：采用钻机进行泥浆护壁钻进，成孔直径0.22m，钻孔深度至溶洞顶部以下0.5m。

5）制备高流动性砂料：采用中粗砂制备吹填材料，在砂料中掺入10%的15#白油，通过轻质土搅拌设备充分搅拌。

6）高流动性砂料检测：对搅拌后的砂料进行取样，采用定落差法测定休止角约为23°。

7）吹填作业：安装直径0.2m套管至溶洞顶面，在地面用夹具固定，安装三通接头、密封环，连接吹填设备吹砂充填溶洞，并在接头处连接脉冲泵泵入适量15#白油润滑套管的管壁。投砂时应缓慢连续加砂，防止过快堵塞。砂料填满后，应用高压风重新透孔，再次吹填，循环多次，保证吹填饱满。

本发明中采用15#白油改善吹填砂料的流动性，且在吹填过程中在吹填套管内加入15#白油减少管壁摩擦，有效提升水下隧道大型溶洞的填充效果，减少堵管的情况，缩短了工期、节约了成本、提高了溶洞处理质量。

图1示出了本发明中水下隧道溶洞的吹填装置的结构示意图，其中在水面上设置有水上栈桥5，搅拌设备2、吹填设备1以及脉冲泵7固定安装在水上栈桥5上，同时吹填套管3以及通气套管4采用夹具固定在水上栈桥5上。

图中还示出了水下隧道10、溶洞8、水位线6以及水底面9之间的关系，通过水下隧道溶洞的吹填装置能够保证对溶洞的有效填充，使大型溶洞的加固效果更优越、加固周期更短、成本更加经济。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下隧道溶洞的吹填方法，其特征在于，包括以下步骤：

进行溶洞的勘察后，在临近勘察孔的部位钻取至少两个吹填孔；

以砂料作为骨料，加入白油搅拌均匀，进行流动砂料的制备，以流动砂料的休止角判定流动砂料能否进行吹填；

在吹填孔上安装套管，当通过其中一个吹填孔吹填流动砂料时，该吹填孔的套管作为吹填套管，其他吹填孔的套管作为通气套管；

在吹填套管上连接三通接头，通过连接吹填设备将流动砂料吹砂充填溶洞，在吹填同时通过三通接头泵入白油润滑吹填套管的管壁；

间歇性进行流动砂料的吹填，直至溶洞填满流动砂料。

2.根据权利要求1所述的水下隧道溶洞的吹填方法，其特征在于，根据地质勘察结果确定水下隧道场地内的溶洞发育范围和几何尺寸，并钻取勘察孔，验证溶洞形式，确定溶洞的充填情况和岩溶水的发育情况；

根据水下隧道的位置以及溶洞发育情况，确定需要吹填处理的溶洞。

3.根据权利要求2所述的水下隧道溶洞的吹填方法，其特征在于，对确定需要吹填的溶洞，在该溶洞的勘察孔附近钻取吹填孔，所述吹填孔包括两个，两个所述吹填孔设置在所述勘察孔的两侧，所述勘察孔与所述吹填孔布设在同一直线上。

4.根据权利要求2所述的水下隧道溶洞的吹填方法，其特征在于，吹填孔的开孔直径不小于0.2m，吹填孔的钻孔采用泥浆护壁钻进，当钻头穿透溶洞顶板时，向下推进0.5m后再停止钻进。

5.根据权利要求1所述的水下隧道溶洞的吹填方法，其特征在于，流动砂料的制备包括：以中粗砂作为骨料，在中粗砂中加入15#白油，通过混凝土搅拌机进行搅拌混合，以质量计，15#白油的加入量不少于中粗砂的10%。

6.根据权利要求5所述的水下隧道溶洞的吹填方法，其特征在于，测定制备的流动砂料的休止角，当休止角的测定结果不大于25°时，通过吹填套管向溶洞中吹填，否则，加入15#白油继续搅拌。

7.根据权利要求1所述的水下隧道溶洞的吹填方法，其特征在于，吹填套管与通气套管的底端插接在溶洞顶面，顶端由水面伸出并固定在施工栈桥上，所述三通接头安装在吹填套管的顶部。

8.根据权利要求7所述的水下隧道溶洞的吹填方法，其特征在于，还包括脉冲泵，所述脉冲泵与所述吹填设备分别通过管道与所述三通接头连接，所述三通接头与所述管道及所述吹填套管的相接部位均设置有密封环；

通过所述脉冲泵向所述吹填套管中泵入15#白油，用以润滑吹填套管的管壁。

9.根据权利要求1所述的水下隧道溶洞的吹填方法，其特征在于，间歇性进行流动砂料的吹填包括：

吹填设备持续吹填一段时间后，停止吹填，在吹填套管中采用高压风瞬时喷吹透孔，再次吹填，循环多次，直至溶洞填满流动砂料。

10.根据权利要求9所述的水下隧道溶洞的吹填方法，其特征在于，吹填设备持续吹填的时间相同，且喷吹透孔的间隔时间相同。