本发明涉及城市隧道围岩注浆加固领域，尤其涉及一种对城市道路下隧道拱顶围岩注浆加固的钻孔设计方法。
背景技术
城市隧道的设计布局因为受到地表建筑物的影响，一般都设计在城市道路下，沿城市道路延展。当隧道设计在松散破碎地层或富含水地层内时，施工中往往出现隧道围岩变形、侵限甚至坍塌或路面沉陷等不良地质灾害。处治不良地质灾害的有效措施之一是对隧道围岩进行注浆加固。城市隧道由于受到市政、环保、交通等诸多方面的影响，隧道开挖往往被要求时间较短，造成工期异常紧张，开挖施工不允许停止。而在隧道内安排注浆加固的话，在隧道有限的空间内开挖和围岩注浆两道施工工序交叉施工会出现互相严重影响的后果。这也是以往在隧道内掌子面处对隧道开挖轮廓线外围岩进行超前预注浆加固时严重影响隧道施工工期的主要原因之一。
因位于城市内，路面结构层下往往敷设有各种管线，比如污水管道、雨水管道、各种电力通讯线缆等，地面钻孔的设计施工受到这些管线的严重影响。因路面下的地下管线具有隐蔽性强，分布错综复杂且局部无规律的特点，在路面上施工注浆钻孔极易会破坏管线，不仅影响管线的正常使用，严重时还会造成重大经济损失和不良社会影响。比如污水雨水管线泄漏，会引起隧道顶部地层严重沉降，甚至引发隧道坍塌和路面沉陷的重特大事故；若供电、供热、通讯等管线受损，直接会影响到民生、企事业单位安全生产甚至造成其他严重后果。
技术实现要素：
为解决上述突出矛盾，本发明提出了在地面施工钻孔对隧道围岩进行超前预注浆加固的方案，即对围岩注浆加固后再开挖，能较好解决开挖和注浆两道工序难以交叉作业的难题，同时也保证了隧道开挖的安全。
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种对城市道路下隧道拱顶围岩注浆加固的钻孔设计方法，其具有能够在避开地下管线的前提下对隧道围岩进行系统注浆加固的效果。
本发明采用下述技术方案：
一种对城市道路下隧道拱顶围岩注浆加固的钻孔设计方法，首先探测路面下地下管线分布情况，确定隧道、路面、地下管线的空间位置关系；然后根据水文地质条件确定隧道围岩注浆加固方式及加固范围，其中，注浆加固范围根据注浆加固圈厚度、隧道开挖轮廓线界限、钻孔终止线确定；之后确定钻孔终孔点位、钻孔开孔点位，得到钻孔轨迹，钻孔轨迹与地下管线距离低于设定长度时调整开孔点位位置；最后确定钻孔结构。
进一步的，根据围岩松散破碎以及是否富含水，确定注浆加固圈厚度。
进一步的，所述钻孔终孔点位分布于钻孔终止线所形成的平面上，所述钻孔终止线由钻孔终孔深度确定。
进一步的，相邻钻孔终孔点位的间距由钻孔所处位置的围岩性质、注浆浆液性质及浆液在围岩内的扩散半径确定。
进一步的，钻孔终孔点位间距必须满足相邻钻孔内单孔浆液扩散范围有浆液扩散相互交接范围，以防止出现浆液扩散不到的区域即注浆盲区，做到浆液对注浆加固范围内围岩的全覆盖。
应尽量采用均匀布置方式使钻孔终孔点位均布在钻孔终孔点位布置线上，钻孔终孔点位布置线应以隧道走向及垂向为延展，钻孔终孔点位在同一水平面投影上尽量采用梅花形排列方式。
进一步的，根据路面障碍物分布情况、地下管线分布情况以及钻孔施工设备型号及工作尺寸，在路面上初步标定钻孔开孔点位。
进一步的，将相邻地下管线之间可施工的钻孔视为一列，钻孔开孔点位和钻孔终孔点位所在的列数相同。
进一步的，同一列上相邻钻孔开孔点位间距与钻孔终孔点位间距相同，钻孔开孔点位数量与钻孔终孔点位数量相同。
进一步的，对于非垂向的钻孔方位，分别测算出其方位角和顶角，并用表格的方式记录所有钻孔的方位角和顶角数值；当钻孔为垂向孔时，其方位角和顶角均为0。
进一步的，根据注浆加固区域的范围及边界，钻探和注浆设备性能以及注浆参数要求，确定钻孔孔径结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用地面布孔方式，并利用管线间隙设计施工钻孔，通过调整钻孔的开孔点位，不仅可以避开地下管线对钻孔施工的影响，还可以消除钻探注浆施工对各种管线的影响甚至破坏；实现在避开路面下管线影响的情况下对隧道围岩进行注浆加固；
(2)本发明通过调整钻孔结构参数，能够较好满足注浆加固需要，达到对隧道围岩进行注浆加固的目的，解决了隧道开挖和隧道内围岩注浆加固无法同时进行交叉作业的矛盾，始终保证隧道开挖处于已注浆加固区域，既能有效保护地下各种管线的安全，还能保证注浆加固质量，防止了隧道开挖后出现的拱顶围岩变形和路面沉降的现象。
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申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的隧道、道路路面、地下管线分布关系的平面投影示意图；
图2为本发明的隧道、道路路面、地下管线分布关系沿隧道轴线的垂向剖面示意图；
图3为本发明的隧道、道路路面、地下管线分布关系沿垂直隧道轴线的垂向剖面示意图；
图4为本发明的注浆钻孔终孔点位布置示意图；
其中，1-第1列钻孔开孔点位，2-第2列钻孔开孔点位，3-第3列钻孔开孔点位，4-第4列钻孔开孔点位，5-第5列钻孔开孔点位，6-第6列钻孔开孔点位，7-第7列钻孔开孔点位，8-钻孔方位，9-遇障钻孔点位，10-避障钻孔点位，11-钻孔顶角，12-注浆加固范围边界线，13-注浆加固区域，14-钻孔终止线ⅰ，15-钻孔终止线ⅱ，16-隧道开挖轮廓线，17-钻孔终孔点位，18-单孔浆液扩散范围，19-钻孔终孔点位布置线，20-浆液扩散交接范围，21-钻孔轨迹。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在地下影响隧道围岩注浆加固效果的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种对城市道路下隧道拱顶围岩注浆加固的钻孔设计方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图4所示，提供了一种对城市道路下隧道拱顶围岩注浆加固的钻孔设计方法，具体包括以下步骤：
步骤(1)探测路面下地下管线的分布情况。
根据地下管线的功用及其材质情况，选择瞬变电磁法、地质雷达法和激发极化等地球物理勘探手段进行探侧。多种探测手段可以起到对探测结果互相弥补、互相印证的作用，使探测结果更加准确。要准确探查出各种管线的影响宽度、埋深，相邻管线之间的间距、管线单线走向变化等。
对探测结果综合对比分析后，绘制出路面下各种管线分布图。在管线走向突变位置可利用洛阳铲或开挖沟槽等方式进行人工探查验证。但慎用钻探验证，防止钻探破坏管线。
如图1、图2、图3所示的热力、电信、污水、雨水、天然气和煤气管道的数量及其分布和埋深结果即为物探手段探查结果。
步骤(2)绘制隧道、路面与地下管线分布情况空间分布图。
根据隧道开挖轮廓线位置、地下管线分布情况以及路面情况，确定三者之间的空间关系。分别绘制隧道、道路路面、地下管线分布关系的平面投影图，如图1所示；绘制隧道、道路路面、地下管线分布关系沿隧道轴线的垂向剖面图，如图2所示；绘制隧道、道路路面、地下管线分布关系沿垂直隧道轴线的垂向剖面图，如图3所示。
可分别从图1、图2、图3中测算出隧道、道路路面、地下管线等三者之间的空间分布关系。
步骤(3)确定隧道围岩注浆加固方式及范围(区域)。
根据隧道围岩水文地质条件，在可能形成地质灾害的松散破碎地层内或因富含水引起地层沉降的围岩内，计算选取注浆加固方式。
注浆加固方式主要包括隧道开挖轮廓线外的周边帷幕加固、拱顶围岩局部注浆加固、包含隧道开挖部分在内的全断面帷幕注浆加固等。无论采用哪种方式，都存在确定隧道开挖轮廓线外注浆加固圈厚度的问题。
根据围岩松散破碎以及是否富含水，确定注浆加固圈厚度d。
当围岩松散破碎不含水时，一般注浆加固圈厚度控制在3m左右；当围岩松散破碎且富水时(富水的判据为隧道岩壁出现股状涌水现象)，注浆加固圈厚度控制在5-6m；当围岩松散破碎且含水(含水的判据为隧道岩壁出现渗水现象)，注浆加固圈厚度控制在3-5m之间。
根据注浆加固厚度d、隧道开挖轮廓线界限16、钻孔终止线ⅰ14、钻孔终止线ⅱ15共同圈定钻孔注浆加固区域13。
注浆加固范围边界线12也是钻孔内注浆管止浆器下边缘的安放位置。
步骤(4)确定钻孔终孔点位17。
钻孔终孔点位处于钻孔终止线ⅰ14、钻孔终止线ⅱ15分别形成的平面上；钻孔终止线ⅰ14距路面的高度为h1、钻孔终止线ⅱ15距路面的高度为h2；其中，不同位置的钻孔终止线由钻孔设计终孔深度确定。
相邻钻孔的终孔点位间距a由钻孔所处位置的围岩性质、所注浆液性质及浆液在围岩内的扩散半径r确定；围岩越松散空隙率越大，注浆浆液初凝时间越长，浆液在围岩内的扩散半径越大，相邻钻孔的终孔间距a越大。
钻孔终孔点位间距a必须满足相邻钻孔内单孔浆液扩散范围18有浆液扩散相互交接范围20，以防止出现浆液扩散不到的区域即注浆盲区，做到浆液对注浆加固范围内围岩的全覆盖。应尽量采用均匀布置方式使钻孔终孔点位均布在钻孔终孔点位布置线19上。钻孔终孔点位布置线19应以隧道走向及垂向为延展，钻孔终孔点位在同一水平面的投影尽量采用梅花形排列方式(在水平面上的投影点在相邻排间呈现交错等距布置)。
钻孔终孔点位可以在图3和图4中标示出来。
步骤(5)确定钻孔开孔点位。
根据路面障碍物分布情况、地下管线分布情况以及钻孔施工所用设备型号及工作尺寸，在路面上初步标定可施工钻孔的开孔点位。
把相邻管线之间可施工的钻孔视为一列，在路面上可以布置很多列。正常情况下钻孔开孔点位和钻孔终孔点位所在的列数相同，并一一对应；同一列上相邻钻孔开孔点位间距与钻孔终孔点位间距相同，开孔点位数量与终孔点位数量相同。
以7列钻孔为例，如图1和图2所示，包括第1列钻孔开孔点位1、第2列钻孔开孔点位2、第3列钻孔开孔点位3、第4列钻孔开孔点位4、第5列钻孔开孔点位5、第6列钻孔开孔点位6、第7列钻孔开孔点位7。
当钻孔开孔点位位于障碍物上方或受到障碍物影响时，称为遇障钻孔点位9；遇障钻孔点位可以适当移位到不受障碍物影响的位置，该位置为避障钻孔点位10；开孔点位(包括遇障钻孔点位和避障钻孔点位)应在图1上标示。
步骤(6)绘制及调整注浆加固钻孔轨迹21。
就近连接钻孔开孔点位和钻孔终点点位，形成钻孔轨迹21，钻孔轨迹21应分别在图2和图3上标示出来。
当钻孔轨迹21与地下管线相距低于0.5m甚至相交的钻孔，通过调整开孔点位位置(形成避障钻孔点位10)的方式解决。在图1中标示出所有非垂向的钻孔方位(方向)8，分别在图2和图3中标示出所有非垂向钻孔的顶角11，垂向钻孔不再标示出来。
对所有钻孔进行编号，比如第3列的第23个钻孔可以编号表示为3-23。
按照钻孔编号分别测算出所有钻孔的方位角和顶角11数值，用表格的方式记录所有钻孔的方位角和顶角11数值。
当钻孔为垂向孔时，其方位角和顶角11均为0。
步骤(7)根据注浆工艺要求设计钻孔结构。
根据注浆加固区域13的范围及其边界、钻探和注浆设备性能以及注浆参数要求，设计钻孔孔径结构；钻孔孔径结构主要包括钻孔直径，若变径(钻孔直径变化)及其变径深度，注浆管及止浆器直径，止浆深度及止浆方式等。
其中，钻孔内止浆深度由注浆加固范围边界线12确定。
钻孔内止浆深度应与该孔所处的位置注浆加固范围边界线12的深度相同，即该孔内止浆器下边缘应位于该孔轨迹21与该孔处注浆加固范围边界线12的交点上。
钻孔直径由注浆管直径和止浆器直径确定，钻孔直径应满足顺利容纳注浆管和止浆器并能保证有效止浆。
钻孔是否变径由钻孔揭露的地层性质确定，比如：当钻孔揭露的围岩较完整且稳定时，可以不变径；当围岩破碎坍塌严重影响钻进时，可以下入套管隔离破碎坍塌岩层，在注浆加固边界线12以下深度变小一级孔径钻进，止浆器安装在较大一级钻孔孔径内(或隔离套管内)。
本申请利用地面布孔方式，并利用管线间隙设计施工钻孔，通过调整钻孔的开孔点位，不仅可以避开地下管线对钻孔施工的影响，还可以消除钻探注浆施工对各种管线的影响甚至破坏。通过调整钻孔结构参数，能较好满足注浆加固需要，达到对隧道围岩进行注浆加固的目的；解决了隧道开挖和隧道内围岩注浆加固无法同时进行的矛盾，始终保证隧道开挖处于已注浆加固区域，既能有效保护地下各种管线的安全，还能保证注浆加固质量，防止了隧道开挖后出现的拱顶围岩变形和路面沉降的现象。
本申请的另一种实施方式中，以济南顺河高架南延二期工程范围自经十路至七里山路的地下隧道注浆加固为例，其主线采用地下道路形式，沿现状玉函路居中布设，全长3.26公里。该隧道完成后北接顺河高架，南接一期英雄山路高架，隧道基底10.5～17.5m，全线暗埋段长共2755m。
隧道围岩注浆加固段地质均为隧道上覆粉质粘土层、黄土层(湿陷性中等)或杂填土层。上述地层为特殊地层，在开挖扰动中有塌陷的风险。而且在地下水(雨水入渗，各种管道水的渗漏)作用下出现比较严重的湿陷性，给开挖安全带来风险。隧道左右线均需要注浆加固，注浆加固段里程为k1+520～920。该段采用了在隧道拱顶形成3m注浆加固圈的局部帷幕注浆加固方案。注浆加固的主要目的是消除隧道松散破碎的拱顶围岩开挖后出现沉降甚至坍塌的安全风险，以避免严重影响路面正常交通。
隧道围岩注浆加固选用了在路面打钻，利用地面钻孔对隧道开挖轮廓线拱顶以上3m范围实施双液注浆的方式进行。根据湿陷性黄土以及杂填土分布及其埋深情况，结合路面结构层受力破坏极限试验结果，设计单孔浆液扩散半径1.5m，注浆终压1.2mpa的注浆加固参数。因此，按照注浆浆液在注浆区域达到全覆盖的要求，设计相邻钻孔终孔点位间距为2m；隧道开挖轮廓线范围内钻孔终孔深度为10～11.5m；隧道开挖轮廓线两侧钻孔深度12～13m。钻孔直径为90mm，下入42mm注浆钢管和直径为95mm，长度为1.5m的膨胀式止浆塞在注浆加固范围边界线以上处止浆。
为保证路面正常交通和隧道内正常开挖，选择夜间交通不繁忙的时间段施工钻孔和注浆。钻孔注浆加固均采用超前预注浆方式进行，保证了隧道开挖掌子面始终位于注浆加固后的围岩内。
本申请的钻孔设计方法较好解决了技术背景中提到的各种矛盾，并取得了满意的施工效果。注浆治理段打钻注浆自2017年4月10日开工，共施工工期65天，治理段隧道开挖中没有出现隧道拱顶围岩变形超限，路面结构层沉降变形的异常情况发生，保证了隧道的快速安全开挖。
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。