本发明属于隧道工程中围岩裂缝除冰注浆止裂技术领域，涉及一种季冻区隧道围岩裂缝除冰注浆止裂系统及方法。
背景技术：
隧道施工过程中的混凝土开裂现象是地下工程中的常见难题，其对施工质量和进度造成了极大的影响。一方面，施工过程中由于混凝土质量不过关以及施工人员的使用方式不恰当致使裂缝出现；另一方面，施工人员在工作中没有留意到混凝土的具体强度等级，致使混凝土在外暴露的时间过长、没有严格按照标准进行配制、浇灌用力过大或者用力不足以及没有进行后期的养护等致使裂缝出现。
随着地下工程的发展，国内外产生了许多有关围岩裂缝注浆封堵的理论成果，虽然这些成果对于地下工程围岩裂缝止水具有一定的指导意义，但是理论方法受工程实际复杂因素的影响较大，在一定程度上具有很大的局限性，例如季节性冻土区隧道围岩裂缝冰块富余，则不能运用传统注浆封堵方法进行裂缝止水。因此，围岩裂缝注浆封堵现有技术有待于进一步改进和发展。
技术实现要素：
为了解决季冻区隧道围岩裂缝冰块富余而不能进行有效注浆封堵所带来的工程难题，本发明提供了一种季冻区隧道围岩裂缝除冰注浆止裂系统及方法，该系统在止裂过程中可避免深部围岩裂缝注浆封堵效果不佳的现象，适用性和安全性更强。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种季冻区隧道围岩裂缝除冰注浆止裂系统，包括除冰装置、封孔装置、注浆装置和控制装置，其中：
所述控制装置包括显示器和电路板，电路板上设有伸缩按钮、除冰按钮、封孔按钮、制浆按钮、注浆按钮、清洗按钮、数据输出端和数据输入端；
所述除冰装置包括气爆喷粉器、可伸缩探测钢管、可伸缩钢管、无线声波发射器、无线声波接收器、无线设备控制器，所述可伸缩钢管的两端分别固设有一个可伸缩探测钢管，两端的可伸缩探测钢管相互平行设置，每个可伸缩探测钢管均由内管和外管套装组成，外管的下端设有上方接口和下方接口，上方接口通过第二进气（水）管、第一主管道、第一进气管与高压储气罐相连通，下方接口通过第二注浆管、第二主管道、第一注浆管与自动搅拌罐相连通；所述可伸缩探测钢管的头部安装有气爆喷粉器和两球形喷浆器，气爆喷粉器平行设于两球形喷浆器的中间；所述气爆喷粉器上分别设置有无线声波发射器和无线声波接收器，无线声波发射器和无线声波接收器通过蓝牙连接在无线设备控制器的输入端，无线设备控制器的输出端通过数据线与控制装置的数据输入端相连接；
所述封孔装置包括平行设置的两个封孔单元，每个封孔单元均包括位于隧道围岩钻孔孔端内的封堵气囊，封堵气囊套装在可伸缩探测钢管的外管上，封堵气囊上设有第二注水管，封堵气囊依次通过第二注水管、第二进气（水）管、第一主管道、第一注水管与储水罐相连通；封堵气囊内设有压力传感器，压力传感器通过数据线与控制装置的数据输入端相连接；隧道围岩钻孔孔端外侧设有固定第二注水管的封堵钢板，封堵气囊和封堵钢板之间设置有聚氨酯尼龙袋；
所述注浆装置包括自动搅拌罐和抽浆自动控制泵，自动搅拌罐的顶部设有进水（料）口，进水（料）口通过第一注水管连接在储水罐上，第一注水管上设置有抽水自动控制泵，抽水自动控制泵通过数据线与控制装置的数据输入端相连接；自动搅拌罐的底部设有出浆口，出浆口通过第一注浆管、第二主管道、第二注浆管与可伸缩探测钢管的下方接口相连通，第一注浆管上设置有抽浆自动控制泵，抽浆自动控制泵通过数据线与控制装置的数据输入端相连接；第二主管道和第一注浆管通过排液管与废液桶相连通，排液管上设置有排液自动控制泵、颗粒浓度检测仪，排液自动控制泵通过数据线与控制装置的数据输入端相连接。
上述除冰注浆系统的止裂方法，包括以下步骤：
一、围岩松动测试：
首先选择合适的孔距并在隧道围岩表面裂缝发育的位置进行钻孔，然后将两可伸缩探测钢管平行置于孔端，按下伸缩按钮，两可伸缩探测钢管平行伸入孔底，伸入过程中通过显示器观察无线声波接收信号的强度变化，如果信号强度未出现跳跃式递增，说明两孔间围岩松动性一般，则不需要在两孔间增设钻孔；如果信号强度出现跳跃式递增，说明两孔间围岩松动性极好，则需要在两孔间增设一钻孔，对孔间围岩裂缝进一步注浆封堵；
二、裂缝除冰：
按下伸缩按钮，两可伸缩探测钢管由内往外同步平行回缩，通过观察无线声波发射器和无线声波接收器的前置摄像探头录制的裂缝发育视频，进而确定气爆喷粉器的除冰位置，此时，按下除冰按钮，高压储气罐内混有水蒸气的二氧化碳高压气体依次通过第一进气管、第一主管道、第二进气（水）管和可伸缩探测钢管进入气爆喷粉器内，随着气爆喷粉器内气压的升高，高压气体会在有机玻璃片表面产生气爆，此时，气爆孔的外盖自动打开，高压气体瞬间将石灰粉喷入孔缝内，随后高压储气罐停止工作，有机玻璃片重新弹出，气爆孔被石灰粉重新填满，继续上述操作对孔缝其它发育位置进行喷粉；
三、封孔：
按下封孔按钮，抽水自动控制泵开始工作，储水罐中的水依次通过第一注水管、第一主管道、第二进气（水）管和第二注水管进入封堵气囊内，随着水量的增加，封堵气囊逐渐膨胀，当封堵气囊内的水压到达预设值时，储水罐和抽水自动控制泵停止工作；
四、制浆：
首先向自动搅拌罐内加入一定量的聚氨酯预聚体和处理后的水玻璃，然后按下制浆按钮，抽水自动控制泵开始工作，储水罐中的水通过第一注水管进入自动搅拌罐内，当自动搅拌罐内的浓度达到浆液浓度传感器的预设值时，储水罐、自动搅拌罐和抽水自动控制泵停止工作；
五、注浆：
按下注浆按钮，抽浆自动控制泵开始工作，浆液依次通过第一注浆管、第二主管道和第二注浆管进入可伸缩探测钢管，当可伸缩探测钢管内的浆液注满时，抽浆自动控制泵停止工作，高压储气罐内混有水蒸气的二氧化碳高压气体依次通过第一进气管、第一主管道、第二进气（水）管和可伸缩探测钢管进入球形喷浆器内，可伸缩探测钢管内的浆液在高压气体的推动下经球形喷浆器喷入孔缝内，当孔内浆液注满时，高压储气罐停止工作；
六、清洗：
按下清洗按钮，排液自动控制泵开始工作，剩余浆液依次通过第二注浆管、第二主管道和排液管进入废液桶，当剩余浆液被抽完时，抽水自动控制泵开始工作，储水罐中的水分两路分别对伸缩探测钢管、自动搅拌罐以及中间的连接管道进行清洗，当颗粒检测仪检测不到废液中的颗粒时，废液桶、储水罐、排液自动控制泵和抽水自动控制泵停止工作。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的可伸缩钢管可根据孔距进行调节，通过控制装置控制裂缝除冰装置和注浆装置，可以同时对两个钻孔内的围岩裂缝进行除冰注浆止裂。
2、通过无线声波发射器和无线声波接收器的设置，实现了钻孔间围岩松动圈的测试，使测试速度更快，精度更高，操作更简便。
3、通过可伸缩探测钢管的设置，不仅减小了封堵钢板的受力面积，提高了封堵腔体的承压极限，还可以灵活测试不同深度钻孔间围岩的松动情况。
4、通过封堵气囊的设置，避免了因孔端围岩凹凸不平造成的漏浆现象以及传统固体封堵中气爆喷粉过程引起孔端封堵块松动开裂的现象，提高了浆液封堵效果。
5、通过气爆喷粉器的设置，实现了围岩裂缝冰块的消除，提高了封堵浆液的渗透效果。
6、通过水玻璃-聚氨酯浆液的运用，不但降低了成本，而且进一步增强了浆液的固结强度。
7、通过控制装置的设置，实现了围岩裂缝除冰注浆止裂系统的自动化，减少了止裂过程中人力物力的消耗。
附图说明
图1为本发明所述围岩裂缝除冰注浆止裂系统的竖直剖面图；
图2为本发明所述裂缝除冰装置的部分结构示意图；
图3为本发明所述气爆喷粉器的结构示意图；
图4为本发明所述自动搅拌罐的结构示意图；
图5为本发明所述控制装置的结构示意图；
图中，1-气爆喷粉器，2-无线声波发射器，3-无线声波接收器，4-球形喷浆器，5-隧道围岩，6-阀门ⅲ，7-阀门ⅱ，8-阀门ⅰ，9-可伸缩探测钢管，10-封堵气囊，11-压力传感器，12-聚氨酯尼龙袋、13-封堵钢板，14-锚杆，15-阀门ⅳ，16-第二注水管，17-阀门ⅴ，18-阀门ⅵ，19-挡块，20-第二进气（水）管，21-第二注浆管，22-螺栓，23-无线设备控制器，24-可伸缩钢管，25-第一主管道，26-第二主管道，27-阀门ⅹ，28-阀门ⅷ，29-高压储气罐，30-阀门ⅸ，31-气压表，32-第一进气管，33-废液桶，34-排液管，35-排液自动控制泵，36-颗粒浓度检测仪，37-阀门xiii，38-阀门ⅻ，39-第一注浆管，40-抽浆自动控制泵，41-阀门ⅺ，42-自动搅拌罐，43-第一注水管，44-水压表，45-抽水自动控制泵，46-阀门ⅶ，47-储水罐，48-全自动数控仪，49-数据线，50-气爆孔，51-前置摄像头，52-有机玻璃片弹出盒，53-声波发射传感器，54-有机玻璃片，55-石灰粉盒，56-进水（料）口，57-过滤网，58-浆液浓度传感器，59-单叶多空搅拌片，60-铆钉，61-托盘，62-支撑架，63-显示器，64-电路板，65-封孔按钮，66-数据输出端，67-制浆按钮，68-伸缩按钮，69-除冰按钮，70-注浆按钮，71、清洗按钮，72-数据输入端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1-5所示，本发明提供的季冻区隧道围岩裂缝除冰注浆止裂系统主要由除冰装置、封孔装置、注浆装置和控制装置组成，其中：
所述控制装置包括显示器63和电路板64，电路板64上设有伸缩按钮68、除冰按钮69、封孔按钮65、制浆按钮67、注浆按钮70、清洗按钮71、数据输出端66和数据输入端72，全自动控制仪48通过控制按钮来协调各工序相应阀门以及仪器设备的工作状态，进而实现自动化控制，使操作更加方便。
所述除冰装置包括气爆喷粉器1、可伸缩探测钢管9、可伸缩钢管24、无线声波发射器2、无线声波接收器3、无线设备控制器23，所述可伸缩钢管24的两端分别固设有一个可伸缩探测钢管9，两端的可伸缩探测钢管9相互平行设置，每个可伸缩探测钢管9均由内管和外管套装组成，外管的下端设有上方接口和下方接口，上方接口通过第二进气（水）管20、第一主管道25、第一进气管32与高压储气罐29相连通，第一进气管32上依次设置有阀门ⅸ30、气压表31、阀门ⅹ27，阀门ⅸ30与高压储气罐29相连通，下方接口通过第二注浆管21、第二主管道26、第一注浆管39与自动搅拌罐42相连通；所述可伸缩探测钢管9的头部安装有气爆喷粉器1和两球形喷浆器4，气爆喷粉器1平行设于两球形喷浆器4的中间，气爆喷粉器1和球形喷浆器4均通过pvc软管与可伸缩探测钢管9相连通，气爆喷粉器1和可伸缩探测钢管9之间的pvc软管上设置有阀门ⅰ8，两球形喷浆器4和可伸缩探测钢管9之间的pvc软管上设置有阀门ⅲ6和阀门ⅱ7；所述气爆喷粉器1上分别设置有无线声波发射器2和无线声波接收器3，无线声波发射器2和无线声波接收器3通过蓝牙连接在无线设备控制器23的输入端，无线设备控制器23的输出端通过数据线49与控制装置的数据输入端72相连接。
所述封孔装置可同时对两个钻孔进行封孔，其包括平行设置的两个封孔单元，每个封孔单元均包括位于隧道围岩钻孔孔端内的封堵气囊10，封堵气囊10套装在可伸缩探测钢管9的外管上，封堵气囊10上设有第二注水管16，第二注水管16上设置有阀门ⅳ15，第二注水管16与第二进气（水）管20相连通，第二进气（水）管20上设置有阀门ⅴ17，阀门ⅴ17分别与可伸缩探测钢管9的上方接口和第二注水管16相连通，第二注水管16位于可伸缩探测钢管9的一侧，通过注水管道向封堵气囊10内注水以起胀封堵孔端。封堵气囊10依次通过第二注水管16、第二进气（水）管20、第一主管道25、第一注水管43与储水罐47相连通。隧道围岩钻孔孔端外侧设有固定第二注水管16的封堵钢板13，封堵气囊10和封堵钢板13之间设置有聚氨酯尼龙袋12。封孔装置与大口径可伸缩探测钢管9组成封堵腔体，明显减小了封堵钢板13的受力面积，提高了封堵腔体的承压极限。封堵气囊10内设有压力传感器11，压力传感器11与控制装置的数据输入端72通过蓝牙进行连接，实现了封堵气囊10内水量的控制。
所述注浆装置包括自动搅拌罐42和抽浆自动控制泵40，自动搅拌罐42的顶部设有进水（料）口56，进水（料）口56通过第一注水管43连接在储水罐47上，第一注水管43上依次设置有阀门ⅷ28、水压表44、抽水自动控制泵45、阀门ⅶ46，阀门ⅷ28与进水（料）口56相连通，阀门ⅶ46与储水罐47相连通，抽水自动控制泵45通过数据线49与控制装置的数据输入端72相连接；自动搅拌罐42的底部设有出浆口，出浆口通过第一注浆管39、第二主管道26、第二注浆管21与可伸缩探测钢管9的下方接口相连通，第一注浆管39上依次设置有抽浆自动控制泵40和阀门ⅺ41，阀门ⅺ41与出浆口相连通，抽浆自动控制泵40通过数据线49与控制装置的数据输入端72相连接，第二主管道26上设置有阀门ⅻ38，第二注浆管21上设置有阀门ⅵ18，阀门ⅵ18与可伸缩探测钢管9的下方接口相连通；第二主管道26和第一注浆管39通过排液管34与废液桶33相连通，排液管34上依次设置有排液自动控制泵35、颗粒浓度检测仪36、阀门xiii37，排液自动控制泵35与废液桶33相连通，排液自动控制泵35通过数据线49与控制装置的数据输入端72相连接；自动搅拌罐42的内部设有浆液浓度传感器58和单叶多空搅拌片59，以达到较好的浆液搅拌效果。
如图3所示，气爆喷粉器1为球形气爆器，气爆喷粉器1上均匀布置有多个气爆孔50，相邻两个气爆孔50之间及其上端均设置有卡槽，卡槽内设置有有机玻璃片54，气爆喷粉器1处于工作状态时，有机玻璃片54覆盖在对应气爆孔50的上端，对应的两个气爆孔50之间配置有一有机玻璃片弹出盒52和石灰粉盒55。
利用上述除冰注浆系统进行止裂的方法，具体包括以下步骤：
第一步、围岩松动测试：首先选择合适的孔距并在隧道围岩5表面裂缝发育的位置进行钻孔，然后将两可伸缩探测钢管9平行置于孔端，按下伸缩按钮68，两可伸缩探测钢管9平行伸入孔底，伸入过程中通过显示器63观察无线声波接收信号的强度变化，如果信号强度未出现跳跃式递增，说明两孔间围岩松动性一般，则不需要在两孔间增设钻孔；如果信号强度出现跳跃式递增，说明两孔间围岩松动性极好，则需要在两孔间增设一钻孔，对孔间围岩裂缝进一步注浆封堵；
第二步、裂缝除冰：按下伸缩按钮68，两可伸缩探测钢管9由内往外同步平行回缩，通过观察无线声波发射器2和无线声波接收器3的前置摄像探头51录制的裂缝发育视频，进而确定气爆喷粉器1的除冰位置，此时，按下除冰按钮69，阀门ⅸ30、阀门ⅹ27、阀门ⅴ17和阀门ⅰ8自动打开，高压储气罐29内混有水蒸气的二氧化碳高压气体依次通过第一进气管32、第一主管道25、第二进气（水）管20和可伸缩探测钢管9进入气爆喷粉器1内，随着气爆喷粉器1内气压的升高，高压气体会在有机玻璃片54表面产生气爆，此时，气爆孔50的外盖自动打开，高压气体瞬间将石灰粉喷入孔缝内，随后阀门ⅸ30、阀门ⅹ27、阀门ⅴ17和阀门ⅰ8自动关闭，有机玻璃片54重新弹出，气爆孔50被石灰粉重新填满，可以继续上述操作对孔缝其它发育位置进行喷粉；
第三步、封孔：按下封孔按钮65，抽水自动控制泵45开始工作，阀门ⅶ46、阀门ⅴ17和阀门ⅳ15自动打开，储水罐47中的水依次通过第一注水管43、第一主管道25、第二进气（水）管20和第二注水管16进入封堵气囊10内，随着水量的增加，封堵气囊10逐渐膨胀，当封堵气囊10内的水压到达预设值时，抽水自动控制泵45停止工作，阀门ⅶ46、阀门ⅴ17和阀门ⅳ15自动关闭；
第四步、制浆：①水玻璃的处理：首先用浓硫酸调节去离子水ph为3~6，加入水玻璃和乙醇后进行搅拌，然后除去体系中的酸水并水洗至中性，经过无水氯化钙脱水后即得到硅醇溶液，最后将得到的硅醇溶液与乙二醇、聚氧化丙烯三醇混匀，在50℃真空脱出乙醇；②水玻璃-聚氨酯浆液的制备：首先向自动搅拌罐42内加入一定量的聚氨酯预聚体和处理后的水玻璃，然后按下制浆按钮67，抽水自动控制泵45开始工作，阀门ⅶ46和阀门ⅷ28自动打开，储水罐47中的水通过第一注水管43进入自动搅拌罐42内，当自动搅拌罐42内的浓度达到浆液浓度传感器58的预设值时，自动搅拌罐42和抽水自动控制泵45停止工作，阀门ⅶ46和阀门ⅷ28自动关闭；
第五步、注浆：按下注浆按钮70，抽浆自动控制泵40开始工作，阀门ⅺ41、阀门ⅻ38和阀门ⅵ18自动打开，浆液依次通过第一注浆管39、第二主管道26和第二注浆管21进入可伸缩探测钢管9，当可伸缩探测钢管9内的浆液注满时，抽浆自动控制泵40停止工作，阀门ⅺ41、阀门ⅻ38和阀门ⅵ18自动关闭，阀门ⅸ30、阀门ⅹ27、阀门ⅴ17、阀门ⅱ7和阀门ⅲ6自动打开，可伸缩探测钢管9内的浆液在高压气体的推动下经球形喷浆器4喷入孔缝内，当孔内浆液注满时，阀门ⅸ30、阀门ⅹ27、阀门ⅴ17、阀门ⅱ7和阀门ⅲ6自动关闭；
第六步、清洗：按下清洗按钮71，排液自动控制泵35开始工作，阀门xiii37、阀门ⅺ41、阀门ⅻ38和阀门ⅵ18自动打开，剩余浆液依次通过第二注浆管21、第二主管道26和排液管34进入废液桶33，当剩余浆液被抽完时，抽水自动控制泵45开始工作，阀门ⅶ46、阀门ⅷ28和阀门ⅴ17自动打开，储水罐47中的水分两路分别对可伸缩探测钢管9、自动搅拌罐42以及中间的连接管道进行清洗，当颗粒浓度检测仪36检测不到废液中的颗粒时，排液自动控制泵35和抽水自动控制泵45停止工作，阀门xiii37、阀门ⅺ41、阀门ⅻ38、阀门ⅵ18、阀门ⅶ46、阀门ⅷ28和阀门ⅴ17自动关闭。