专利名称：带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法
技术领域：
本发明涉及应用于交通、市政、建筑、水利水电和矿山工程的各种隧道和地下工程的开挖及超前支护工程的技术，是一种操作方便、质量可控、高效快速和经济环保的全方位高压喷射注浆施工的方法。
背景技术：
在公路、铁路、地铁、市政、水利水电、矿山工程的隧道和地下工程建设中，高压喷射注浆技术已经得到越来越广泛的工程应用。近年来水平高压喷射注浆技术也已开始在我国进行初期开发和试应用，其中最具代表性的是中铁二十局集团有限公司完成的国家级工法“隧道水平旋喷预支护施工工法”(YJGF11-2002)。
然而现有国内水平高压喷射注浆技术在工程实践中仍存在着诸多问题，其主要缺点包括1)在水平和上仰方位的高压喷射注浆施工中，当高压喷射注浆钻杆停止高压喷射注浆并从孔口退出时，由于孔口卸荷和重力作用，流态的水泥土会从桩孔中外流，从而导致注浆体顶部出现空隙、桩体质量下降，使被加固土体的强度和抗渗性能降低，桩周未加固土体的变形量增大。
2)在高压喷射注浆施工过程中，大量回流废浆液外流，造成施工场地的环境严重污染。
3)国内现有水平旋喷钻机设备简陋、操作不便、效率低下、成桩质量难以保证。
综上所述，国内现有全方位钻机设备及全方位高压喷射注浆施工方法还处于相当落后的阶段，现在正等待着实质性的技术进步的到来。本发明就是在这种技术背景下创新产生的。
发明内容
本发明的目的是解决国内现有高压喷射注浆技术的不足与缺陷，提出一种操作方便、实用性强、质量可控、高效快速、经济环保，以及施工周边土体与地表变形量可控的全方位高压喷射注浆施工新方法。这一新工法可以广泛应用于隧道和地下工程项目。
本发明的目标是通过以下技术方案实现的
采用本发明人于中国实用新型专利(专利号为2006200041746)所提出的“全方位高压喷射注浆技术的孔口止浆器装置”，该装置是由板阀腔、密封腔、定位腔和密闭腔所构成，详见附图2和附图3。利用这一孔口止浆器装置专利，提出解决背景技术中所陈述的现有施工技术问题的方法。并彻底改变了国内现有的全方位高压喷射注浆施工工艺。
本发明带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，包括如下工艺步骤1)将施工掌子面进行喷射混凝土处理，并将连接法兰预埋在准备进行施工的掌子面墙中；2)将孔口止浆器安装于全方位钻机的钻架前部，高压喷射注浆钻杆插入孔口止浆器的密封腔中；3)将全方位钻机定位于掌子面前方适宜的位置，根据施工孔位位置，调整带有孔口止浆器的全方位钻机主钻架的高度及角度，使钻机主钻架定位于需要钻孔的位置，并将孔口止浆器通过螺栓与连接法兰连接；4)将孔口止浆器的溢浆管上的阀门打开，并将溢浆管的尾端放入废浆液收集罐；5)将孔口止浆器的板阀完全开启，并将全方位钻机的高压喷射注浆钻杆通过孔口止浆器中心孔插至连接法兰部位；6)开动全方位钻机，采用回转或冲击回转的方式，按设计钻孔长度进行钻孔；7)在开始进行钻孔的同时，将压力为0.5～1Mpa的液体从加压管注入并充满密封腔中，使密封筒向内收缩并贴向高压喷射注浆钻杆；8)启动高压泥浆泵，利用水灰比为0.5～1，压力为20～60Mpa的水泥浆液按以90～200L/min的流量进行高压喷射注浆，自钻好的孔底，边喷射边转动边后退，直至完成设计的高压喷射注浆长度后，停止高压喷射注浆，在此阶段的施工过程中，被置换出的回流废浆绝大部分通过溢浆管排出至所述废浆液收集罐，另有极小部分废浆液经板阀腔和密封腔流到定位腔，这部分废浆最终被密闭腔中的两个唇形密封圈完全密封在孔口止浆器中，并在定位腔的排浆管开启情况下，自排浆管排出至指定地点；9)钻孔及高压喷射注浆施工工序完成后，关闭溢浆管上的阀门，将高压喷射注浆钻杆退至板阀腔之外，并分别转动第一操纵杆及第二操纵杆，使板阀的阀板翻转约90°并靠向阀座，将板阀完全关闭，使回流废浆被板阀完全封闭；10)将高压喷射注浆钻杆完全退出孔口止浆器，再将止浆器装置从第二隔板以后的部分拆除；
11)根据工程设计施工要求，通过溢浆管向掌子面墙内的施工孔中进行压力补浆，以确保该桩孔中的成桩浆体压力和成桩质量；12)待高压喷射注浆桩体接近膏状时，将止浆器的板阀腔与连接法兰完全分离，同时在连接法兰的中心孔部位塞堵棉絮或木塞。
本发明带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，在所述工艺步骤8)中可以根据设计施工要求进行一次或多次复喷施工。
本发明带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，在所述工艺步骤9)中的关闭板阀之前或在工艺步骤12)中塞堵棉絮或木塞之前在施工钻孔中插入芯材。
本发明带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，所述芯材为钢筋、钢筋束或钢管。
与现有技术相比，本发明不仅可以克服现有水平旋喷技术的多项缺点，而且所述新施工方法操作方便、质量可控、高效快速和经济环保。本发明所实施完成的高压喷射注浆加固体或拱棚具有更高的强度、更好的抗渗性和更强的抵抗上覆土层或上覆建筑物变形的能力，同时也使全方位高压喷射注浆工法更为安全可靠。
附图1.带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法的成套施工设备图；附图2.孔口止浆器的纵截面图；附图3.孔口止浆器的横截面图；附图4.带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法的钻机定位和钻杆定位图；附图5.带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法的钻机钻孔施工示意图；附图6.带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法的高压喷射注浆施工示意图；附图7.带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法的高压喷射注浆施工完成后，将孔口止浆器的板阀腔与密封腔/定位腔/密闭腔相分离的施工示意图；附图8.带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法在钻孔中插入芯材的施工示意图；附图9.带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法成桩后拆除前端止浆器示意图；附图10.带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法完成的高压喷射注浆体拱棚图；具体实施方式
为进一步阐述本发明，下面结合实施例作更详尽的说明。
1.带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆技术的实施设备组成附图1给出了带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆工法的成套施工设备组成，该图表明实施设备由三部分组成，他们分别为孔口止浆器，双臂式全方位液压钻机和后台配套设备。其中，后台配套设备根据设计与施工的需要可以包括水泥筒仓112、螺旋式水泥输送机(含称量系统)115、一级浆液搅拌机111、二级浆液搅拌机222、三级浆液搅拌机333、空气压缩机113、高压泥浆泵114、输送泵(含流量计)、清水泵等。
2.孔口止浆器装置构成参考图2及图3所示的带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆工法的孔口止浆器装置，其包括止浆器壳体32和安装在止浆器壳体32上的溢浆管3，在溢浆管3上设有阀门36控制溢浆管3的通断。止浆器壳体32内部通过隔板依次分隔为板阀腔33、密封腔26、定位腔15和密闭腔18，其中相邻两腔之间的隔板为通过螺栓相连接的可拆卸结构，以便于加工安装和维修更换。各个隔板均设有相同轴线的中心孔，溢浆管3与其中的板阀腔33相通。止浆器壳体32位于板阀腔33一侧的端壁上设有一带有中心孔的连接法兰34，该连接法兰34预埋在准备进行施工的掌子面墙35中。
在板阀腔33中设有板阀31，板阀31包括阀瓣和阀座7，阀座7为固定在板阀腔33和密封腔26之间的第一隔板8上第一中心孔27周边的凸台，阀瓣包括板阀轴4和与其相连的阀板2，板阀轴4为空心轴，其中设有一偏心轴5，板阀轴4可转动地安装在止浆器壳体32上并垂直于各中心孔的轴线，其与止浆器壳体32之间密封连接，板阀轴4伸出止浆器壳体32的一端与一第一操纵杆6相连。偏心轴5的轴线与板阀轴4的轴线相平行，偏心轴5伸出止浆器壳体32的另一端与一第二操纵杆37相连，偏心轴5与止浆器壳体32之间可转动地密封连接。当转动第一操纵杆6，使阀板2转动到垂直于各中心孔轴线的位置时，阀板2刚好可以覆盖住整个阀座7，此时转动第二操纵杆37，使偏心轴5顺时针旋转，偏心轴5可推动板阀轴4并带动阀板2向靠近阀座7的斜下方作短距离的移动，使阀板2进一步向阀座7移动，以使板阀31完全关闭。当需要开启板阀31时，先后分别反方向转动第二操纵杆37和第一操纵杆6，可将阀板2打开。
止浆器壳体32上还设有加压管11，加压管11与密封腔26相通。在密封腔26内设有两端开口并与各所述中心孔同轴的圆柱形橡胶密封筒10，密封腔26中第二中心孔30和第三中心孔24的边沿分别设有第二中心孔凸台29和第三中心孔凸台17，密封筒10的两端边缘分别密封地固定在第二中心孔凸台29和第三中心孔凸台17的圆周外壁上。
定位腔15两端的第四隔板13和第五隔板21上分别设有第四中心孔25和第五中心孔19，在第四隔板13和第五隔板21之间设有三个平行于各中心孔轴线的导向轴20，各导向轴20的两端分别固定在第四隔板13和第五隔板21上，各导向轴20的轴线在以各中心孔的轴线为轴线的圆柱面上均布。各导向轴20上均设有可在导向轴20上旋转的导向轮22。在止浆器壳体32上还设有排浆管14，排浆管14与定位腔15相通。
密闭腔18的内壁上设有前后两个与各中心孔相同轴线的唇形密封圈16。
板阀腔33与密封腔26之间的第一隔板8和第二隔板9之间通过若干个螺栓28相连接。
在对掌子面墙35进行钻孔及高压喷射注浆施工前，板阀3 1的阀板2处于如图2所示的开启状态，高压喷射注浆钻杆1穿过孔口止浆器装置中各个隔板的中心孔，并在密闭腔18中由两个唇形密封圈16所密封，导向轮22对高压喷射注浆钻杆1起定位导向作用。
高压喷射注浆施工开始后，阀门36开启，进行高压喷射注浆，形成高压喷射注浆桩400，被置换出的废浆液大部分通过溢浆管3流出，一小部分废浆液经板阀腔33和密封腔26，从定位腔15内的排浆管14流出。与开启阀门36同时，将一定压力的浆液从加压管11注入并充满密封腔26中，在密封腔26内浆液压力的作用下，密封筒10被向内压缩并贴向高压喷射注浆钻杆1，起到密封废浆液的作用，并使流过密封腔26的废浆量大幅度下降。剩余的少量废浆最终在密闭腔18中被两个唇形密封圈16完全密封在孔口止浆器装置中。
当钻孔及高压喷射注浆施工工序完成后，从施工孔中退出高压喷射注浆钻杆1，当高压喷射注浆钻杆1退至板阀31之后时，分别转动第一操纵杆6及第二操纵杆37，使板阀31的阀板2翻转约90°并靠向阀座7，将板阀31完全关闭，使废浆液被阻隔在板阀腔33中，此时将密封腔26中的浆液压力下调至零，同时通过溢浆管3向掌子面墙35中的施工孔中进行压力补浆，以确保成桩质量。随后，将高压喷射注浆钻杆1从孔口止浆器中完全退出，待高压喷射注浆桩体初凝后，拆下螺栓28，将孔口止浆器装置从第二隔板9以后的部分拆除，立即清洗、检查，以备下次使用。
3.带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法的工序流程附图4～9给出了带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆工法的施工工序流程，主要包括以下六个主要工序流程1)定位工序将带有孔口止浆器的全方位钻机定位，主钻架定位，将主钻架前端的孔口止浆器的板阀腔33的前端和掌子面墙35中预埋的孔口连接法兰34通过螺栓紧密相连并密封。
2)钻孔工序全方位钻机采用回转钻进或冲击回转钻进方法钻孔至设计深度。
3)高压喷射注浆工序全方位钻机在后台辅助配套设备的配合下进行高压喷射注浆施工，并在距掌子面墙35约2m处停止高压喷射注浆。根据设计施工要求可以重复本流程工作，进行复喷。
4)分离部分孔口止浆器工序关闭孔口止浆器的溢浆管3，将高压喷射注浆钻杆1退至板阀31之后，关闭板阀31的阀板2，将板阀腔33完全密封。其后将板阀腔33与后面的密封腔26/定位腔15/密闭腔18通过拆除螺栓28相分离。
5)芯材插入工序根据设计要求进行芯材植入，首先开启板阀31的阀板2，将钢筋、钢筋束或钢管通过板阀腔33插入已完成高压喷射注浆的钻孔中。关闭板阀31的阀板2，并通过溢浆管3进行压力补浆。
6)分离全部孔口止浆器工序经过设定时间后，将孔口止浆器的板阀腔33通过拆除螺栓和掌子面墙35内的预埋孔口连接法兰34完全分离，至此完成一个高压喷射注浆桩施工流程工作。
如附图10所示，当所有高压喷射注浆桩400都施工完成后，会形成整个隧道的拱棚形的支护体。
4.带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆技术的详细实施工艺本发明带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，包括如下工艺步骤1)将施工掌子面进行喷射混凝土处理，并将连接法兰34预埋在准备进行施工的掌子面墙35中；2)将孔口止浆器100安装于双臂式全方位液压钻机200的钻架前部，高压喷射注浆钻杆1插入孔口止浆器100的密封腔26中；3)将双臂式全方位液压钻机200定位于掌子面前方适宜的位置，根据施工孔位位置，调整带有孔口止浆器100的双臂式全方位液压钻机200主钻架的高度及角度，使双臂式全方位液压钻机200主钻架定位于需要钻孔的位置，并将孔口止浆器100通过螺栓与连接法兰34连接；4)将孔口止浆器100的溢浆管3上的阀门36打开，并将溢浆管3的尾端放入废浆液收集罐；5)将孔口止浆器100的板阀31完全开启，并将高压喷射注浆钻杆1通过孔口止浆器100中心孔插至连接法兰34部位；
6)开动双臂式全方位液压钻机200，采用回转或冲击回转的方式，按设计钻孔长度进行钻孔；7)在开始进行钻孔的同时，将压力为0.5～1Mpa的液体从加压管11注入并充满密封腔26中，使密封筒10向内收缩并贴向高压喷射注浆钻杆1；8)完成钻孔施工后，启动高压泥浆泵，利用水灰比为0.5～1、压力为20～60Mpa的水泥浆液，以90～200L/min的流量进行高压喷射注浆，自钻好的孔底，边喷射边转动边后退，直至完成设计的高压喷射注浆长度后，停止高压喷射注浆，或采用复喷工艺进行复喷，在此阶段的施工过程中，被置换出的回流废浆绝大部分通过溢浆管3排出至废浆液收集罐，另有极小部分废浆液经板阀腔33和密封腔26流到定位腔15，这部分废浆最终被密闭腔18中的两个唇形密封圈16完全密封在孔口止浆器100中，并在定位腔15的排浆管14开启情况下，自排浆管14排出至指定地点；9)高压喷射注浆施工工序完成后，关闭溢浆管3上的阀门36，将高压喷射注浆钻杆1退至板阀腔33之外，并分别转动第一操纵杆6及第二操纵杆37，使板阀31完全关闭；10)将高压喷射注浆钻杆1完全退出孔口止浆器100，并将止浆器装置从第二隔板9以后的部分拆除，并立即将拆除部分进行清洗、检查，以备下次施工使用；11)根据工程设计施工要求，通过溢浆管3向掌子面墙35内的施工孔中进行压力补浆，以确保该桩孔中的成桩压力和成桩质量；12)待高压喷射注浆桩体接近膏状时，将孔口止浆器的板阀腔33与连接法兰34完全分离，同时在连接法兰34的中心孔部位塞堵棉絮或木塞，并对板阀腔33立即进行清洗、检查，以备下次施工使用。
本发明带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，在所述工艺步骤8)中包括根据设计施工要求进行复喷施工。
本发明带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，在所述工艺步骤9)中的关闭板阀31之前或在工艺步骤12)中塞堵棉絮或木塞之前在施工钻孔中插入芯材。
本发明带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，所述芯材为钢筋、钢筋束或钢管。
5.主要设计与施工参数1)作为隧道和地下工程超前支护的高压喷射注浆桩体拱棚和侧壁加固体的设计施工主要参数
桩体的长度12～18m桩体的直径0.4～1.0m桩体之间的咬合厚度≥100mm桩体的单轴抗压强度2～10Mpa桩体的渗透系数≤10-5cm/s相邻拱棚搭接长度≥2m纵向拱棚的最小厚度≥30cm2)单管和双重管高压喷射注浆工法的主要施工参数高压泥浆泵工作压力20～60Mpa高压泥浆泵工作流量90～200L/min水泥浆液水灰比0.5～1.06.适用地层与条件本发明的工程适用范围较宽广，其适用地层包括粉质粘土、淤泥质土、黄土、红粘土、细砂、中砂、粗砂、砂砾、残积粘土等。
上述实施例描述只是对本发明具体施工的详细说明，不是对本发明的具体限定，只要是能够达到本发明目的与目标的类似实施方式都在本专利申请的保护范围之内。
权利要求
1.一种带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，其特征在于包括如下工艺步骤1)将施工掌子面进行喷射混凝土处理，并将连接法兰(34)预埋在准备进行施工的掌子面墙(35)中；2)将孔口止浆器(100)安装于全方位钻机(200)的钻架前部，高压喷射注浆钻杆(1)插入孔口止浆器(100)的密封腔(26)中；3)将全方位钻机(200)定位于掌子面前方适宜的位置，根据施工孔位位置，调整带有孔口止浆器(100)的全方位钻机(200)主钻架的高度及角度，使全方位钻机(200)主钻架定位于需要钻孔的位置，并将孔口止浆器(100)通过螺栓与连接法兰(34)连接；4)将孔口止浆器(100)的溢浆管(3)上的阀门(36)打开，并将溢浆管(3)的尾端放入废浆液收集罐；5)将孔口止浆器(100)的板阀(31)完全开启，并将全方位钻机(200)的高压喷射注浆钻杆(1)通过孔口止浆器(100)中心孔插至连接法兰(34)部位；6)开动全方位钻机(200)，采用回转或冲击回转的方式，按设计钻孔长度进行钻孔；7)在开始进行钻孔的同时将压力为0.5～1Mpa的液体从加压管(11)注入并充满密封腔(26)中，使密封筒(10)向内收缩并贴向高压喷射注浆钻杆(1)；8)启动高压泥浆泵，利用水灰比为0.5～1，压力为20～60Mpa的水泥浆液以90～200L/min的流量进行高压喷射注浆，自钻好的孔底，边喷射边转动边后退，直至完成设计高压喷射注浆长度后，停止高压喷射注浆，在此阶段的施工过程中，被置换出的回流废浆绝大部分通过溢浆管(3)排出至所述废浆液收集罐，另有极小部分废浆液经板阀腔(33)和密封腔(26)流到定位腔(15)，这部分废浆最终被密闭腔(18)中的两个唇形密封圈(16)完全密封在孔口止浆器(100)中，并在定位腔(15)的排浆管(14)开启情况下，自排浆管(14)排出至指定地点；9)钻孔及高压喷射注浆施工工序完成后，关闭溢浆管(3)上的阀门(36)，将高压喷射注浆钻杆(1)退至板阀腔(33)之外，并分别转动第一操纵杆(6)及第二操纵杆(37)，使板阀(31)完全关闭；10)将高压喷射注浆钻杆(1)完全退出孔口止浆器(100)，并将止浆器装置从第二隔板(9)以后的部分拆除；11)根据工程设计施工要求，通过溢浆管(3)向掌子面墙(35)内的施工孔中进行压力补浆，以确保该桩孔中的成桩浆体压力和成桩质量；12)待高压喷射注浆桩体接近膏状时，将止浆器的板阀腔(33)与连接法兰(34)完全分离，同时在连接法兰(34)的中心孔部位塞堵棉絮或木塞。
2.根据权利要求1所述的带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，其特征在于在所述工艺步骤8)中，在完成首次高压喷射注浆之后，可以根据设计施工要求进行一次或多次复喷施工。
3.根据权利要求2所述的带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，其特征在于在所述工艺步骤9)中的关闭板阀(31)之前或在工艺步骤12)中塞堵棉絮或木塞之前在施工钻孔中插入芯材。
4.根据权利要求3所述的带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，其特征在于所述芯材为钢筋、钢筋束或钢管。
全文摘要
带孔口止浆器的全方位高压喷射注浆施工方法，包括对施工掌子面进行喷射混凝土处理，并将连接法兰预埋在掌子面墙中；将止浆器安装于钻机主钻架的前端上部；将钻机定位于需要钻孔的位置，并将止浆器与连接法兰连接牢固且密封严密。将溢浆管阀门打开，将钻机的高压喷射注浆钻杆插至连接法兰部位，开动钻机进行钻孔；利用水泥浆液自孔底进行高压喷射注浆，边喷射边旋转边后退，完成设计注浆长度后，停止注浆。关闭溢浆管阀门，将钻杆退至板阀腔外，将板阀关闭，再将钻杆完全退出止浆器，并将止浆器与连接法兰分离。本发明工法有效解决了现有水平旋喷工法存在的成桩质量、变形控制和环境污染等问题。
文档编号E02D17/20GK101021157SQ20071006488
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月28日 优先权日2007年3月28日
发明者刘钟, 柳建国, 刘波 申请人:中国京冶工程技术有限公司