专利名称：隧道拱脚环向高压喷射加固方法及施工设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种隧道施工中超前加固方法及其设备，特别是一种确保拱脚部位安全的超前加固方法及其设备。
背景技术：
目前软弱围岩隧道施工还是一个难题，特别是在类似饱和粉细砂岩这种地层中，由于其低渗透性及弱胶结性，采用通常的注浆方法难有效果，开挖时地层因受扰动出现涌水涌砂而失稳。对此种地层一种有效的超前加固方法是采用水平旋喷工艺，即在隧道开挖前在开挖轮廓线外施工一环或多环水平旋喷桩形成拱形支护并起隔水防渗作用。但是此超前加固方法由于机械设备的限制及造价原因通常水平旋喷只能施工在拱部位置，这样拱脚的水平旋喷桩同围岩的结合部是此种加固方法的薄弱点。如果不能很好的解决拱脚部位的超前加固问题，将会大大影响隧道整体施工进度。通常的做法是在拱脚部位增加很多桩以应对拱脚不稳，但因为水平旋喷没有形成封闭，下台阶或仰拱部位有出水出泥或地层溜塌，导致上台阶及中台阶开挖后下台阶及仰拱部位实际施工异常困难。为了能在软弱围岩隧道中更好的应用水平旋喷工艺，解除水平旋喷工艺的防护死角，为软弱围岩隧道施工提供更好的安全保障，必须寻找一种方法和施工设备，既能加强水平旋喷桩同围岩在拱脚结合部的稳定性，又能形成一闭合帷幕，起到阻水挡土固砂的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种隧道拱脚环向高压喷射加固方法及施工设备，要解决在软弱围岩隧道施工采用环向水平旋喷桩超前支护时，既能加强水平旋喷桩同围岩在拱脚结合部的稳定性，又能形成一闭合帷幕，起到阻水挡土固砂作用的技术问题。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种隧道拱脚环向高压喷射加固方法，步骤如下
步骤一，以已开挖的上台阶或中台阶为施工台阶面，用开孔器在施工台阶面两侧对称隧道轴线，按设计要求开出两排弧形钻杆的入地孔；
步骤二，将机架导轨按安装尺寸固定在施工台阶面的左侧，将带有固定滑架和移动滑架的机架固定在机架导轨上，同时完成第一根弧形钻杆、喷头和高压水管、高压水泥浆管的连接，然后打开移动滑架顶端的夹持器与弧形滑道上的开合式导向限位圈，将第一根弧形钻杆进行夹持固定；
步骤三，启动高压泵站，通过高压水管向喷头的前喷嘴打高压水，对弧形钻杆的入地孔下方土体进行射流切割，松散土层，为弧形钻杆入土创造条件；同时液压泵站向液压油缸供油，推动移动滑架及夹持器使弧形钻杆沿弧形轨迹入土 ；
步骤四，液压油缸伸出到行程终了后，松开夹持器，液压油缸收缩，带动移动滑架及夹持器回撤到起始位置，阶次夹持第一根弧形钻杆实现送进；步骤五，完成若干次送进和弧形钻杆接长工作后，当弧形钻杆的钻头到达设计的中间搭接区，高压泵站停止向前喷嘴打高压水，前喷嘴结束切割；
步骤六，高压泵站开始通过两根高压水泥浆管向四个侧喷嘴打高压水泥浆，弧形钻杆在液压油缸、夹持器和移动滑架的共同作用下按高压喷射技术要求慢速阶次回撒，侧喷嘴向隧道轴线前后方实施定向高压喷射，直至左侧搭接区，实现与左侧水平旋喷桩的搭接，完成左侧环向加固底板的施工；
步骤七，弧形钻杆回撤高压喷射完成后，关闭高压泵站，将弧形钻杆撤至施工台阶面，施工设备沿机架导轨向隧道延伸方向移动到下ー个入地孔；
步骤八，将施工设备固定后重复步骤三至步骤七直至完成隧道轴线左侧所有エ位施
ェ；
步骤九，在隧道轴线右侧同样安装施工设备，重复步骤八实现弧形钻杆的送进和回撤高压喷射，完成右侧环向加固底板的施工，右侧环向加固底板与左侧环向加固底板在中间搭接区实现搭接，与右侧水平旋喷桩在右侧搭接区实现搭接，至此在隧道底部形成一系列平行的由左侧环向加固底板与右侧环向加固底板组成的帷幕，此帷幕与水平旋喷超前支护形成封闭加固圈。所述步骤ニ，在隧道轴线左侧安装施工设备时，在隧道轴线右侧同时安装施工设备，待隧道轴线左侧的第一个エ位施工完成后，开始在隧道轴线右侧的第一个エ位按照步骤三至步骤七实现弧形钻杆送进和回撤高压喷射，完成右侧环向加固底板的施工，在隧道底部形成一个由左侧环向加固底板与右侧环向加固底板形成的帷幕，然后左右不断交替施エ，最后形成一系列平行由左侧环向加固底板、右侧环向加固底板和水平旋喷超前支护组成的封闭加固圏，所述左侧环向加固底板与右侧环向加固底板相互搭接的分别形成中间搭接区；所述左侧环向加固底板 和水平旋喷超前支护相互搭接的分别形成左侧搭接区；所述右侧环向加固底板和水平旋喷超前支护相互搭接的分别形成右侧搭接区。所述左侧搭接区和右侧搭接区的顶面均位于施工台阶面下1. 5米深处。所述步骤三中，所述高压水的压强为25 30MPa。所述步骤六中，所述高压水泥浆的压强为35 40MPa。所述的隧道拱脚环向高压喷射加固方法中所采用的施工设备，包括机架导轨、机架、弧形滑道、移动滑架、固定滑架、液压油缸、弧形钻杆、高压泵站和液压泵站，所述机架导轨平行于隧道轴线方向按安装尺寸要求设置在靠近拱脚的施工台阶面上，所述机架架设在机架导轨上，所述机架顶面架设有弧形滑道，所述弧形滑道顶面连接有开合式导向限位圏，其立面上间隔开设有定位孔，所述移动滑架和固定滑架套入弧形滑道，其中，所述移动滑架的顶部连接有夹持器，所述固定滑架通过销轴插入定位孔与弧形滑道固定，所述移动滑架与弧形滑道活动连接，固定滑架和移动滑架之间通过液压油缸连接，所述液压油缸外接有液压泵站；
所述弧形钻杆和弧形滑道的轴心线平行，其通过夹持器的夹持与移动滑架固定，并通过开合式导向限位圈对其进行导向限位；所述弧形钻杆内插有ー根高压水管和两根高压水泥浆管，所述高压水管的头部与弧形钻杆前端的喷头上的前喷嘴连通，所述高压水泥浆管的头部与弧形钻杆前端的喷头上的侧喷嘴连通，所述高压水管和两根高压水泥浆管的尾部均与高压泵站连接。
所述弧形滑道由H型钢按设计尺寸拉弯后制成。所述侧喷嘴在喷头上隔180°各设置两个，施工时喷射方向平行于隧道轴线方向。所述喷头的侧壁凹槽内固定有无线位置传感器，所述无线位置传感器通过无线发射装置将位置信号发送给定位仪。与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果首先，采用隧道拱脚环向喷射加固，本施工方法利用已经开挖出的上台阶或中台阶形成的施工平台，避开了传统施工中采用水平旋喷桩的加固方法在下台阶和仰拱位置实施的难点，同时采用本加固方法，可在隧道底部形成左搭接区、中间搭接区和右搭接区组成的封闭加固圈，同时还可与隧道公布已施工完成的水平旋喷帷幕共同形成圆筒状闭合支护体，有效的解决了软弱围岩特别是饱和粉细砂岩情况，下隧道拱脚及仰拱部位的加固问题。其次，本施工方法同隧道底部的水平旋喷方法相比在实现隧道底部良好隔水固沙帷幕作用的同时，由于加固帷幕的厚度要比高压喷射加固的小，能有效减少加固费用和缩短施工工期，提高施工效率。再者，为实现本施工方法，本发明提出了整套的施工设备，通过采用弧形钻杆并将其与移动滑架固定，实现弧形钻杆灵活的送进与回撤，同时在弧形钻杆端部设置功能不同的前喷嘴和侧喷嘴，在施工过程中无需更换钻杆，提高施工效率。另外，弧形钻杆的前端钻头部位安装角度传感器可进一步保证施工精度，使隧道拱脚环向喷射加固方法沿隧道方向可靠搭接，保证底部闭合圈的完整。本发明可广泛应用于软弱围岩隧道台阶法施工中超前支护。
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图1是施工设备详图。图2是施工设备工作原理图。图3是加固效果图。图4是喷头详图。图5是图4的右视图。附图标记1 一右侧搭接区、2 —左侧搭接区、3 —弧形滑道、4 一机架、5 —机架导轨、6 —固定滑架、7 —移动滑架、8 —液压油缸、9 一夹持器、10 —弧形钻杆、11 一闻压水管、12 —侧喷嘴、13 —前喷嘴、14 一入地孔、15 —开合式导向限位圈、16 —施工台阶面、17 —销轴、18 —定位孔、19 一中间搭接区、20 —喷头、21 —闻压水泥衆管、22 —左侧环向加固底板、23 一右侧环向加固底板、24 —水平旋喷超前支护、25 —初期支护、26 —二次衬砌、27 —无线位置传感器、28 —侧喷嘴进浆孔、29 —前喷嘴进水孔。
具体实施例方式实施例参见图2和图3所示，其中，图2中的虚线表示，施工设备中弧形钻杆的运行轨迹。一种隧道拱脚环向高压喷射加固方法，步骤如下
步骤一，以已开挖的上台阶或中台阶为施工台阶面16，用开孔器在施工台阶面16两侧对称隧道轴线，按设计要求开出两排弧形钻杆10的入地孔14 ；步骤ニ，将机架导轨5按安装尺寸固定在施工台阶面16的左侧，将带有固定滑架6和移动滑架7的机架4固定在机架导轨5上，同时完成第一根弧形钻杆10、喷头20和高压水管11、高压水泥浆管21的连接，然后打开移动滑架7顶端的夹持器9与弧形滑道3上的开合式导向限位圈15，将第一根弧形钻杆10进行夹持固定；
步骤三，启动高压泵站，通过高压水管11向喷头20的前喷嘴13打高压水，对弧形钻杆10的入地孔14前方土体进行射流切割，松散土层，为弧形钻杆10入土创造条件；同时液压泵站向液压油缸8供油，推动移动滑架7及夹持器9使弧形钻杆10沿弧形轨迹入土 ；
步骤四，液压油缸8伸出到行程終了后，松开夹持器9，液压油缸8收缩，带动移动滑架7及夹持器9回撤到起始位置，阶次夹持第一根弧形钻杆10实现送进；
步骤五，完成若干次送进和弧形钻杆10接长工作后，当弧形钻杆10的钻头到达设计的中间搭接区19，高压泵站停止向前喷嘴13打高压水，前喷嘴结束切割；
步骤六，高压泵站开始通过两根高压水泥浆管21向四个侧喷嘴12打高压水泥浆，弧形钻杆10在液压油缸8、夹持器9和移动滑架7的共同作用下按高压喷射技术要求慢速阶次回撤，侧喷嘴12向隧道轴线前后方实施定向高压喷射，直至左侧搭接区2，实现与左侧水平旋喷桩的搭接，完成左侧环向加固底板22的施工；
步骤七，弧形钻杆10回撤高压喷射完成后，关闭高压泵站，将弧形钻杆10撤至施工台阶面16，施工设备沿机架导轨向隧道延伸方向移动到下ー个入地孔14 ；
步骤八，将施工设备固定后重复步骤三至步骤七直至完成隧道轴线左侧所有エ位施
ェ；
步骤九，在隧道轴 线右侧同样安装施工设备，重复步骤八实现弧形钻杆10的送进和回撤高压喷射，完成右侧环向加固底板23的施工，右侧环向加固底板与左侧环向加固底板在中间搭接区19实现搭接，与右侧水平旋喷桩在右侧搭接区19实现搭接，至此在隧道底部形成一系列平行的由左侧环向加固底板22与右侧环向加固底板23组成的帷幕，此帷幕与水平旋喷超前支护24形成封闭加固圏。在封闭加固圈的支护下，依次进行初期支护25和ニ次衬砌26。所述步骤ニ，在隧道轴线左侧安装施工设备时，在隧道轴线右侧同时安装施工设备，待隧道轴线左侧的第一个エ位施工完成后，开始在隧道轴线右侧的第一个エ位按照步骤三至步骤七实现弧形钻杆10送进和回撤高压喷射，完成右侧环向加固底板23的施工，在隧道底部形成一个由左侧环向加固底板22与右侧环向加固底板23形成的帷幕，然后左右不断交替施工，最后形成一系列平行由左侧环向加固底板22、右侧环向加固底板23和水平旋喷超前支护24组成的封闭加固圈，所述左侧环向加固底板22与右侧环向加固底板23相互搭接的分别形成中间搭接区19 ;所述左侧环向加固底板22和水平旋喷超前支护24相互搭接的分别形成左侧搭接区2 ;所述右侧环向加固底板23和水平旋喷超前支护24相互搭接的分别形成右侧搭接区I。所述左侧搭接区2和右侧搭接区I的顶面均位于施工台阶面16下1. 5米深处。所述步骤三中，所述高压水的压强为25 30MPa。所述步骤六中，所述高压水泥浆的压强为35 40MPa。所述的隧道拱脚环向高压喷射加固方法中所采用的施工设备，參见图1，包括机架导轨5、机架4、弧形滑道3、移动滑架7、固定滑架6、液压油缸8、弧形钻杆10、高压泵站和液压泵站，所述机架导轨5平行于隧道轴线方向按安装尺寸要求设置在靠近拱脚的施工台阶面16上，所述机架4架设在机架导轨5上，所述机架4顶面架设有弧形滑道3，所述弧形滑道3顶面连接有开合式导向限位圈15，其立面上间隔开设有定位孔18，所述移动滑架7和固定滑架6套入弧形滑道3，其中，所述移动滑架7的顶部连接有夹持器9，所述固定滑架6通过销轴17插入定位孔18与弧形滑道3固定，所述移动滑架7与弧形滑道3活动连接，固定滑架6和移动滑架7之间通过液压油缸8连接，所述液压油缸8外接有液压泵站；
所述弧形钻杆10和弧形滑道3的轴心线平行，其通过夹持器9的夹持与移动滑架7固定，并通过开合式导向限位圈15对其进行导向限位；所述弧形钻杆10内插有ー根高压水管11和两根高压水泥浆管21，所述高压水管11的头部与弧形钻杆10前端喷头20上的前喷嘴13连通，所述高压水泥浆管21的头部与弧形钻杆10前端的喷头20上的侧喷嘴12连通，所述高压水管11和两根高压水泥浆管21的尾部均与高压泵站连接。所述弧形滑道3由H型钢按设计尺寸拉弯后制成。所述侧喷嘴12在喷头20上隔180°各设置两个，施工时喷射方向平行于隧道轴线方向。所述喷头20的侧壁凹槽内固定有无线位置传感器27，所述无线位置传感器27通过无线发射装置将位置信号发送给定位仪。參见图4和图5，喷头上的侧喷嘴进浆孔28与高压水泥浆管21的头部连接，前喷嘴进水孔与高压水管11的头部连接。前喷嘴13位于前喷嘴进水孔的最前端，所述侧喷嘴12位于侧喷嘴进浆孔28的最前端。施工设备的工作原理为拱形滑道可沿机架导轨沿隧道轴线方向移动。固定滑架6和移动滑架7安装在弧形滑道3上，两者之间由液压油缸8联接，通过液压油缸8的伸缩，移动滑架7可沿着弧形滑道3往复移动。夹持器9固定在移动滑架7的顶部，可实现对弧形钻杆10的夹持。弧形钻杆10加工成定长，根据加固长度需要接尺送进。弧形钻杆10内部有一根高压水管11和两根高压水泥浆管21，分别与喷头的前喷嘴13和碰头两侧的四个侧喷嘴12相连，可实现弧形钻杆10前方土体射流切割和侧向高压喷射加固。打开夹持器9和开合式导向限位圈15，弧形钻杆10装夹后与拱形滑道同心。在滑架组件夹持器的夹持、滑架油缸的伸縮及移动滑架的滑移作用下，可实现弯曲钻杆的送进和回撒。
权利要求
1.ー种隧道拱脚环向高压喷射加固方法，其特征在于步骤如下 步骤一，以已开挖的上台阶或中台阶为施工台阶面(16)，用开孔器在施工台阶面(16)两侧对称隧道轴线，按设计要求开出两排弧形钻杆(10)的入地孔(14)； 步骤ニ，将机架导轨(5)按安装尺寸固定在施工台阶面(16)的左侧，将带有固定滑架(6)和移动滑架(7)的机架(4)固定在机架导轨(5)上，同时完成第一根弧形钻杆(10)、喷头(20)和高压水管(11)、高压水泥浆管(21)的连接，然后打开移动滑架(7)顶端的夹持器(9)与弧形滑道(3)上的开合式导向限位圈(15)，将第一根弧形钻杆(10)进行夹持固定； 步骤三，启动高压泵站，通过高压水管(11)向喷头(20)的前喷嘴(13)打高压水，对弧形钻杆(10)的入地孔(14)下方土体进行射流切割，松散土层，为弧形钻杆(10)入土创造条件；同时液压泵站向液压油缸(8)供油，推动移动滑架(7)及夹持器(9)使弧形钻杆(10)沿弧形轨迹入土； 步骤四，液压油缸(8)伸出到行程終了后，松开夹持器(9)，液压油缸(8)收缩，带动移动滑架(7)及夹持器(9)回撤到起始位置，阶次夹持第一根弧形钻杆(10)实现送进； 步骤五，完成若干次送进和弧形钻杆(10)接长工作后，当弧形钻杆(10)的钻头到达设计的中间搭接区(19)，高压泵站停止向前喷嘴(13)打高压水，前喷嘴结束切割； 步骤六，高压泵站开始通过两根高压水泥浆管(21)向四个侧喷嘴(12)打高压水泥浆，弧形钻杆(10)在液压油缸(8)、夹持器(9)和移动滑架(7)的共同作用下按高压喷射技术要求慢速阶次回撒，侧喷嘴(12)向隧道轴线前后方实施定向高压喷射，直至左侧搭接区(2)，实现与左侧水平旋喷桩的搭接，完成左侧环向加固底板(22)的施工； 步骤七，弧形钻杆(10)回撤高压喷射完成后，关闭高压泵站，将弧形钻杆(10)撤至施エ台阶面(16)，施工设备沿机架导轨向隧道延伸方向移动到下ー个入地孔(14); 步骤八，将施工设备固定后重复步骤三至步骤七直至完成隧道轴线左侧所有エ位施ェ； 步骤九，在隧道轴线右侧同样安装施工设备，重复步骤八实现弧形钻杆(10)的送进和回撤高压喷射，完成右侧环向加固底板(23)的施工，右侧环向加固底板与左侧环向加固底板在中间搭接区(19)实现搭接，与右侧水平旋喷桩在右侧搭接区(19)实现搭接，至此在隧道底部形成一系列平行的由左侧环向加固底板(22)与右侧环向加固底板(23)组成的帷幕，此帷幕与水平旋喷超前支护(24)形成封闭加固圏。
2.根据权利要求1所述的隧道拱脚环向高压喷射加固方法，其特征在于所述步骤ニ，在隧道轴线左侧安装施工设备时，在隧道轴线右侧同时安装施工设备，待隧道轴线左侧的第一个エ位施工完成后，开始在隧道轴线右侧的第一个エ位按照步骤三至步骤七实现弧形钻杆(10)送进和回撤高压喷射，完成右侧环向加固底板(23)的施工，在隧道底部形成ー个由左侧环向加固底板(22)与右侧环向加固底板(23)形成的帷幕，然后左右不断交替施工，最后形成一系列平行由左侧环向加固底板(22)、右侧环向加固底板(23)和水平旋喷超前支护(24)组成的封闭加固圏，所述左侧环向加固底板(22)与右侧环向加固底板(23)相互搭接的分别形成中间搭接区(19);所述左侧环向加固底板(22)和水平旋喷超前支护(24)相互搭接的分别形成左侧搭接区(2);所述右侧环向加固底板(23)和水平旋喷超前支护(24)相互搭接的分别形成右侧搭接区(I)。
3.根据权利要求2所述的隧道拱脚环向高压喷射加固方法，其特征在于所述左侧搭接区(2)和右侧搭接区(I)的顶面均位于施工台阶面(16)下1. 5米深处。
4.根据权利要求1所述的隧道拱脚环向高压喷射加固方法，其特征在于所述步骤三中，所述高压水的压强为25 30MPa。
5.根据权利要求1所述的隧道拱脚环向高压喷射加固方法，其特征在于所述步骤六中，所述高压水泥浆的压强为35 40MPa。
6.上述权利要求1至5任意一项所述的隧道拱脚环向高压喷射加固方法中所采用的施工设备，其特征在于包括机架导轨(5)、机架(4)、弧形滑道(3)、移动滑架(7)、固定滑架(6)、液压油缸(8)、弧形钻杆(10)、高压泵站和液压泵站，所述机架导轨(5)平行于隧道轴线方向按安装尺寸要求设置在靠近拱脚的施工台阶面(16)上，所述机架(4)架设在机架导轨(5)上，所述机架(4)顶面架设有弧形滑道(3)，所述弧形滑道(3)顶面连接有开合式导向限位圈(15)，其立面上间隔开设有定位孔(18)，所述移动滑架(7)和固定滑架(6)套入弧形滑道(3)，其中，所述移动滑架(7)的顶部连接有夹持器(9)，所述固定滑架(6)通过销轴(17)插入定位孔(18)与弧形滑道(3)固定，所述移动滑架(7)与弧形滑道(3)活动连接，固定滑架(6)和移动滑架(7)之间通过液压油缸(8)连接，所述液压油缸(8)外接有液压泵站； 所述弧形钻杆(10)和弧形滑道(3)的轴心线平行，其通过夹持器(9)的夹持与移动滑架(7)固定，并通过开合式导向限位圈(15)对其进行导向限位；所述弧形钻杆(10)内插有一根高压水管(11)和两根高压水泥浆管(21 )，所述高压水管(11)的头部与弧形钻杆(10)前端的喷头(20)上的前喷嘴(13)连通，所述高压水泥浆管(21)的头部与弧形钻杆(10)前端的喷头(20)上的侧喷嘴(12)连通，所述高压水管(11)和两根高压水泥浆管(21)的尾部均与高压泵站连接。
7.根据权利要求6所述的施工设备，其特征在于所述弧形滑道(3)由H型钢按设计尺寸拉弯后制成。
8.根据权利要求6所述的施工设备，其特征在于所述侧喷嘴(12)在喷头(20)上隔180°各设置两个，施工时喷射方向平行于隧道轴线方向。
9.根据权利要求6所述的施工设备，其特征在于所述喷头(20)的侧壁凹槽内固定有无线位置传感器(27)，所述无线位置传感器(27)通过无线发射装置将位置信号发送给定位仪。
全文摘要
本发明涉及一种隧道拱脚环向高压喷射加固方法及施工设备，所述设备包括机架导轨、机架、弧形滑道、移动滑架、固定滑架、液压油缸、弧形钻杆、高压泵站和液压泵站，通过液压油缸控制弧形钻杆的送进和回撤，送进时定喷高压水,回撤时高压喷射高压水泥浆，在隧道底部形成左搭接区、左侧环向加固底板、中间搭接区、右侧环向加固底板和右搭接区组成的封闭加固圈，有效解决了软弱围岩特别是饱和粉细砂岩情况下隧道拱脚及仰拱部位的加固问题。
文档编号E21D9/00GK103061778SQ201310044700
公开日2013年4月24日 申请日期2013年2月5日 优先权日2013年2月5日
发明者杨积凯, 聂政熊 申请人:北京首尔工程技术有限公司