专利名称：一种暗挖隧道的加固方法
技术领域：
本发明涉及机械施工技术领域，尤其涉及一种用于浅埋暗挖法施工的暗挖 隧道的加固方法。
背景技术：
在暗挖隧道施工时，通常需要对隧道拱顶区域进行加固和超前支护，并对 隧道掌子面的地层进行注浆改良。目前，在该技术领域普遍采用的做法是在隧 道拱部打设长管棚和小导管注浆，对拱部进行加固和超前支护，并对隧道掌子 面的地层进行注浆改良，然后在管棚和加固拱圏的保护下进行开挖、支护与衬
砌。具体而言，现有技术中的管棚施工一般通过下述方式实现
在隧道掘进而拱顶永久支护结构未及施工或发挥作用前，使用地质钻机在 隧道掘进前于其拱顶区域，按设计孔数、间距和深度钻探水平孔，埋设管壁顶 钻有孔眼的钢管，并注入水泥浆以提高钢管的刚度和加固土体，使隧道拱顶预 先形成一伞状管棚。此伞状管棚结构本身具抗弯、抗剪性能，可有效承载上覆 局部松软土体的荷栽，且使被加固土体的抗剪强度有较大幅度的提高，从而在 隧道掘进而拱顶永久支护结构未及施工或发挥作用时，提供上覆土体所需的支 撑力，起到一定支护作用，减小或消除因隧道掘进引起的地面沉降和临近管线 的变形，确保隧道安全掘进，并和其后施作的隧道拱顶形成同一整体结构。 然而，现有技术中公开的暗挖隧道的加固方法至少存在以下缺陷 传统施作管棚的方式精度较差，单次施作长度太短，设备对现场环境要求 高，在施作过程中，需搭设工作室及作业平台，并且机械运转时振动大，又没 有合适的定位装置，容易导致钻孔偏移，影响成孔质量，同时也存在较大的风险。
管棚注浆工艺落后，浆液扩散情况差；浆液扩散不均匀，砂层中易发生溜 空现象，对注浆效果缺乏控制及验证；注浆管的布设缺乏统一标准；由于需要 在开孔后欢喜钻头在;^丈置钢管，现场回填注浆存在不够及时的现象；注浆压力 无统一标准，个别注浆压力过低，且未能对孔口段进行有效地密封处理，导致 泥浆流失，使浆液不能充分充填与孔内，易出现涌水涌^f少等现象。
有鉴于此，开发出一种暗挖隧道的加固方法，解决上述现有技术中存在的 问题是业界亟待解决的问题。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一 种暗挖隧道的加固方法，能够在有效地提高施作管棚精度，保证良好的注浆效 果的同时，降低了由于注浆充填不够及时而导致坍孔的机率，简化施工工序， 提高施工效率。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种暗挖隧道的加固方法，通 过在隧道开挖之前于隧道拱部施作管棚，并对管棚进行注浆加固，该方法包括 如，步骤
步骤一、根据隧道拱部的设计位置和管棚施作的设计要求，搭设可调整高度 的作业平台；
步骤二、在孔口段安装孔口管，并保证孔口管位置准确且安装稳固，在孔口 设置用于固定管棚钢管位置的定位板，将成孔产生的位置和方向偏差控制在允 许范围内；
步骤三、钻机吊装，就位，使钻头对应待钻孔位置；
步骤四、将按设计要求加工成型的管棚钢管固定于钻头尾部，并将钻头安装 于钻机，开启钻机实现自进式钻进成孔；
步骤五、成孔后管棚钢管留在孔内，用水将孔内部和管棚钢管彻底清洗干净；步骤六、通过布置于管棚钢管外侧的小管向管棚外侧孔口段范围内注入双浆 液，实现对孔口的密封处理；
步骤七、将拌制好的注浆液注入管棚钢管中，实现管棚充填注浆，充填注浆
至孔满后，采用棉布和木塞封堵孔口进行压浆；
步骤八、完成单管施工，估文好施工后处理，并准备后续施工。
作为上述技术方案的优选实施方式，本发明实施例提供的暗挖隧道的加固方 法进一 步包括下列技术特征的部分或全部
其中，所述步骤二中，所述孔口管的安装位置偏差不大于1 cm,方向偏差《 1%。通过对孔口管的安装进度进行此限定，才能保证成孔的质量，使空口管在 整个钻孔过程中起到阶段性的导向作用。
为了保证钻孔精度，所述步骤四中，需要在钻头钻进时，进行监测纠偏处理， 并保证至少每5m监测纠偏一次，以确保钻进成孔的位置和方向。
优选地，为了达到良好的孔口密封效果，所述步骤六中，双浆液为水玻璃与 水泥的混合浆液，所述混合浆液灌注于管棚钢管外側孔口段3.5m范围内。
所述步骤七中，管棚充填注浆采用标号32.5的水泥，按水与水泥质量比 1: 0.8配制水泥浆，并以此水泥浆作为注浆液。
进一步地，所述步骤七中，管棚充填注浆的注浆压力保持在L5Mpa 2.0Mpa，相比于现有4支术中采用的0.5MPa左右的注浆压力，本发明中的注浆压 力参数能够更好地保证注浆质量，并提高施工效率。
优选地，所述定位板上开设有用于固定管棚钢管的管棚预留孔，定位板四周 设置有膨胀螺栓预留孔；通过膨胀螺栓可以将所述定位板固定于孔口，防止其 在钻孔和注浆施工时偏移，影响成孔质量和注浆效果。
相应地，所述定位板上开设有用于容纳所述管棚钢管外侧的小管的注浆预留 孔，所述注浆预留孔设置于所述管棚预留孔的周围。
钻头作为影响成孔质量的一个关键因素，本发明中采用的钻头为自进式钻 头，所述钻进头部设置成扇页形，其包括有复数个扇页，所述扇页以钻头中轴为中心均匀排布；
所述钻头为耐磨损的金刚石钻头，所述钻头的扇页前端设置有能够切碎被钻 地层结构的'锯齿结构。
所述钻头尾部通过焊接与管棚钢管固定为 一体，所述管棚钢管的半径小于 所述扇页半径。由于自进式钻头的扇页半径大于管棚钢管的半径，钻进成孔时 能够形成泥浆护壁，防止坍孔。
所述管棚钢管内纟殳置有能自动阻止注浆时发生泥浆倒流的止回阀，所述止回 阀焊接固定于所述管棚钢管内部，并位于所述自进式钻头附近。所述止回阀包 括焊接固定于所述管棚钢管内部的挡圏和铰接于所述挡圏的阀瓣，所述挡圏内 侧形成一通孔，所述阀瓣在泥浆倒流时封住所述通孔。在注浆过程中，止回阀 的阀瓣在浆液压力作用下开启，泥浆从进口侧流向出口側。当进口侧压力低于 出口侧时，阀瓣在浆液压差、本身重力等因素作用下自动关闭以防止泥浆倒流。 这种设计在注浆前用水将孔内部彻底清洗干净，清空后直接注浆，使泥浆能充 分充填孔洞，加快完成回填注浆工作，降低发生坍孔的可能性。
优选地，所述管棚钢管两端设置有能够实现依次相互连接的梯形连接丝扣。 通过在管棚钢管两端设置梯形连接丝扣，可使多根管首尾相连，在不影响注浆 质量的前提下，提高单次施作管棚的长度。
与现有技术相比，本发明的技术方案至少包括以下优点 本发明通过在孔口设置定位板，将成孔将产生的位置和方向偏差控制在允许 范围内，且定位板在注浆时还能同时起到密封孔口的作用，保证了注浆质量；
另外，本发明采用分次注浆，在孔口密封处理时，采用水泥和水玻璃的婚也浆 液固结孔口n而后再进行管棚充填注浆，从而有步支地阻隔了泥浆流失， -使浆
液充分充填于孔内，提高浆液充填质量，而将注浆压力保持在1.:5Mpa-2.0Mpa 则不仅提高了施工效率，也进一步保证了注浆的质量。
本发明采用了自进式钻头，并将半径小于钻头扇页半径的管棚钢管焊接固定 于钻头的尾部，在扩孔钻进过程中降低发生塞钻、卡钻的机率，而且有利于加快切碎泥层，彻底搅拌成泥浆；由于钻头扇页半径比钢管半径大，钻孔时能够 形成泥浆护壁，防止坍孔；而钢管与钻头直接连接，减少开孔后换下钻头再放 置钢管的工序，缩短时间，减少由于注浆充填不够及时而导致坍孔的机率。
本发明中，管棚钢管内还"&置能自动阻止泥浆倒流的止回阀，注浆过程中， 止回阀的阀瓣在浆液压力作用下开启，泥浆/人进口侧流向出口侧。当进口侧压 力低于出口侧时，阀瓣在浆液压差、本身重力等因素作用下自动关闭以防止泥 浆倒流。这种设计在注浆前的用水将孔内部彻底清洗干净，清空后直接注浆， 使泥浆能充分充填孔洞，加快完成回填注浆工作，减少枬孔的可能性。
图1是本发明实施例提供的一种暗挖隧道的加固方法的流程图； 图2是本发明实施例中采用的定位板的结构示意图； 图3是本发明实施例中采用的自进式钻头的示意图； 图4为图3的左—见图5是本发明实施例中采用的设置有止回阀的钢管在泥浆注入时的示意图； 图6是本发明实施例中采用的设置有止回阀的钢管在泥浆倒流时的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明，其作为本说明书的一部分，通过实施例来 说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变 得一 目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附 图标号来表示。
如图1所示，本发明实施例提供了一种暗挖隧道的加固方法，其通过在隧 道开挖之前于隧道拱部施作管棚，并对管棚进4于注浆加固，该方法包4舌如下步 骤步骤S101、根据隧道拱部的设计位置和管棚施作的设计要求，搭设可调整 高度的作业平台。
步骤S102、在孔口段安装孔口管，并保证孔口管位置准确且安装稳固，在
孔口设置用于固定管棚钢管位置的定位板，将成孔产生的位置和方向偏差控制 在允许范围内。具体实现时，安装孔口管时必须测量准确及安装稳固，保证孔 口管的方向、角度符合设计要求。由于孔口管具有开孔阶段的导向作用，所以 孔口管安装的好坏，对成孔质量有直接的影响。在本发明实施例中，孔口管安
装位置偏差不大于lcm，方向偏差《1%。而具体施工过程中，钻孔及注浆时， 机械运转均会产生的振动会使孔口产生偏移，因此，在孔口位设置定位板，有 效固定管棚钢管位置，将产生的位置偏差控制在允许范围内。
如图2所示，定位板200上开设有用于固定管棚钢管的管棚预留孔201,定 位板四周设置有膨胀螺栓预留孔203;通过膨胀螺栓可以将定位板固定于孔口 ， 防止其在钻孔和注浆施工时偏移，影响成孔质量和注浆效果。另外，定位板200 上开设有用于容纳管棚钢管外侧的小管的注浆预留孔202，注浆预留孔设置于管 棚预留孔201的周围。
步骤S103、钻机吊装，就位，使钻头对应待钻孔位置。
步骤S1041、管棚钢管的加工成型。本发明实施例中，管棚采用(J) 108 x 8 mm 热轧无缝钢管，钢管加工成2.0m 3.5m短节，在管棚钢管设置梯形连接丝扣， 使多根管首尾相连，在不影响注浆质量的前提下，提高单次施作管棚的长度。 管棚钢管钢管与钻头连接，使其在成孔过程中无需先换下钻头再向孔中放置钢 管的工序，实现直接就位。
步骤S104、将按设计要求加工成型的管棚钢管固定于钻头尾部，并将钻头 安装于钻机，开启钻机实现自进式钻进成孔。
在具体实现时，为了保证钻孔精度，需要在钻头钻进时，进行监测纠偏处 理，并保证至少每5m监测纠偏一次，以确保钻进成孔的位置和方向。若钻孔偏 斜过大时，用特殊钻头修正；若钻孔向下偏斜，可在偏斜部位充填水泥砂浆，待其凝固后再作导向钻进。
如图3和图4所示，钻头作为影响成孔质量的一个关键因素，本发明实施 例中采用的钻头为自进式钻头300,钻进头部设置成扇页形，其包括有复数个扇 页310，扇页以钻头中轴为中心均匀排布；钻头为耐磨损的金刚石钻头，钻头的 扇页前端设置有能够切碎被钻地层结构的锯齿结构313。
钻头尾部312通过焊接与管棚钢管320固定为一体，并形成焊接部314,管 棚钢管320的半径小于扇页半径。由于自进式钻头的扇页半径大于管棚钢管的 半径，钻进成孔时能够形成泥浆护壁，防止坍孔。
在本发明实施例中，采用自进式钻头进行扩孔钻进，成孔直径达220mm: 采用XY100型管棚钻机，按水平方向自进式钻进成孔。因此成孔直径明显大于 管棚钢管的直径，且管棚钢管320牢固焊接于自进式钻头300，钢管管身不钻孔 即可实现直接就位。
自进式钻头为金刚石钻头，耐磨损，钻进速度快，适用于泥层、岩层及多 种材料的钻孔工作。针对不同工程的地质状况，将自进式钻头设计为含多片扇 页，有利于快速破碎泥层，钻头上的锯齿能将泥层彻底切碎，搅拌成为泥浆， 减少发生卡钻、塞钻的机率。钻头直径比钢管直径大，使其形成泥浆护壁，防 止坍孔。钢管与钻头直接连接，减少开孔后换下钻头再放置钢管的工序，缩短 工序时间，减少由于注浆充填不够及时而导致坍孔的机率。
步骤S105、成孔后管棚钢管留在孔内，用水将孔内部和管棚钢管彻底清洗 干净。
步骤S106、通过布置于管棚钢管外侧的小管向管棚外侧孔口段范围内注入 双浆液，实现对孔口的密封处理。
具体实现时，为了达到良好的孔口密封效果，本发明实施例采用的双浆液 为水玻璃与水泥的混合浆液，混合浆液灌注于管棚钢管外侧孔口段3.5m范围内。 本发明实施例中，在分次注浆时，先用①22小管布置在①108管棚外侧孔口段 3.5 m范围，注入水玻璃与水泥的混合浆液，起到封口作用，以保证0> 108管棚钢管的注浆压力和注浆量。
步骤S1071、拌制注浆液。本发明实施例中，管棚充填注浆采用标号32.5 水泥，按水与水泥质量比 1: 1 1: 0.8配制水泥浆，并以此水泥浆作为注浆液。
步骤S107、将按照步骤S1071拌制好的注浆液注入管棚钢管中，实现管棚 充填注浆，充填注浆至孔满后，采用棉布和木塞封堵孔口进行压浆。由于定位 板同时起到"封口板，，的作用，在注浆注满孔时，有效阻隔泥浆流失，使浆液 充分充填于孔内，提高浆液充填质量。
具体施工过程中，管棚充填注浆的注浆压力保持在1.5Mpa 2.0Mpa,相比 于现有技术中采用的0.5MPa左右的注浆压力，本发明实施例中的注浆压力参数 能够更好地保证注浆质量，并提高施工效率。
如图5和图6所示，管棚钢管内设置有能自动阻止注浆时发生泥浆倒流的 止回阀，止回阀焊接固定于管棚钢管内壁420，并位于自进式钻头附近。止回阀 包括焊接固定于管棚钢管内部的挡圏和铰接于挡圏410的阀瓣420,挡圏410 — 侧固定设置有一巻轴430,阀瓣420与巻轴30设置于挡圏410的同一侧，并铰 接于巻轴430上，挡圏内侧形成一通孔，阀瓣420在泥浆倒流时封住通孔。其 具体工作原理为注浆过程中，浆装置为浆液提供一定的注浆压力，泥浆沿图5 中所示的B方向流动，即/人进口侧流向出口侧，此时，止回阀的阀瓣"0在浆 液压力作用下开启，阀瓣420以巻轴430为中心旋转，其未固定端离开档圈410， 泥浆通过设置有止回阀的区域；而当注浆装置停止工作或者进口侧的压力低于 出口侧时，泥浆会产生回流，沿图4所示的B，方向流动，即出口侧流向进口側， 此时，阀瓣在浆液压差、本身重力等因素作用下自动关闭，阀瓣420闭合弹压 于档圈410—侧，挡住沿B，方向倒流的泥浆，从而起到防止泥浆倒流作用。这 种设计在注浆前用水将孔内部彻底清洗干净，清空后直接注浆，使泥浆能充分 充填孔洞，加快完成回填注浆工作，降低发生坍孔的可能性。
步骤S108、完成单管施工，做好施工后处理，并准备后续施工。
在具体施工过程中，按照上述步骤进4亍施工还需特别注意监测及过程控制。具体而言，24小时循环作业，管理人员实行24小时轮班制，落实对钻孔，成孑L，
注浆等过程的监控，保证质量达到标准要求。在施工过程中，测量方向后视点，
在钻进过程中多次复核方向和角度，钻孔每隔5m测定孔斜，若钻孔偏斜过大 时，用特殊钻头修正；若钻孔向下偏斜，可在偏斜部位充填水泥砂浆，待其凝 固后再作导向钻进。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权 利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原 理的前提下，还可以做出若千改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保 护范围。
权利要求
1、一种暗挖隧道的加固方法，通过在隧道开挖之前于隧道拱部施作管棚，并对管棚进行注浆加固，该方法的特征在于，包括如下步骤步骤一、根据隧道拱部的设计位置和管棚施作的设计要求，搭设可调整高度的作业平台；步骤二、在孔口段安装孔口管，并保证孔口管位置准确且安装稳固，在孔口设置用于固定管棚钢管位置的定位板，将成孔产生的位置和方向偏差控制在允许范围内；步骤三、钻机吊装，就位，使钻头对应待钻孔位置；步骤四、将按设计要求加工成型的管棚钢管固定于钻头尾部，并将钻头安装于钻机，开启钻机实现自进式钻进成孔；步骤五、成孔后管棚钢管留在孔内，用水将孔内部和管棚钢管彻底清洗干净；步骤六、通过布置于管棚钢管外侧的小管向管棚外侧孔口段范围内注入双浆液，实现对孔口的密封处理；步骤七、将拌制好的注浆液注入管棚钢管中，实现管棚充填注浆，充填注浆至孔满后，采用棉布和木塞封堵孔口进行压浆；步骤八、完成单管施工，做好施工后处理，并准备后续施工。
2、 根据权利要求1所述的暗挖隧道的加固方法，其特征在于 所述步骤二中，所述孔口管的安装位置偏差不大于1 cm，方向偏差《1%。
3、 根据权利要求1所述的暗挖隧道的加固方法，其特征在于 所述步骤四中，需要在钻头钻进时，进行监测纠偏处理，并保证至少每5111监测纠偏一次，以确保钻进成孔的位置和方向。
4、 根据权利要求1所述的暗挖隧道的加固方法，其特征在于 所述定位板上开设有用于固定管棚钢管的管棚预留孔，定位板四周设置有膨胀螺栓预留孔；所述定位板上开设有用于容纳所述管棚钢管外侧的小管的注浆预留孔，所 述注浆预留孔设置于所述管棚预留孔的周围。
5、 根据权利要求1所述的暗挖隧道的加固方法，其特征在于 所述步骤六中，双浆液为水玻璃与水泥的混合浆液，所述混合浆液灌注于管棚钢管外侧孔口段3.5m范围内。所述步骤七中，管棚充填注浆采用标号32.5的水泥，按水与水泥质量比 1: 1 1: 0.8配制水泥浆，并以此水泥浆作为注浆液。
6、 根据权利要求1所述的暗挖隧道的加固方法，其特征在于 所述步骤七中，管棚充填注浆的注浆压力保持在1.5Mpa 2.0Mpa，以保证注浆效果。
7、 根据权利要求1所述的暗挖隧道的加固方法，其特征在于 所述步骤四中采用的钻头为自进式钻头，所述钻进头部i殳置成扇页形，其包括有复数个扇页，所述扇页以钻头中轴为中心均匀排布；所述钻头为耐磨损的金刚石钻头，所述钻头的扇页前端设置有能够切碎被 钻地层结构的锯齿结构。
8、 根据权利要求6所述的暗挖隧道的加固方法，其特征在于所述钻头 尾部通过焊接与管棚钢管固定为一体，所述管棚钢管的半径小于所述扇页半 径。
9、根据权利要求6所述的暗挖隧道的加固方法，其特征在于 所述管棚钢管内设置有能自动阻止注浆时发生泥浆倒流的止回阀，所述止 回阀焊接固定于所述管棚钢管内部，并位于所述自进式钻头附近；所述管棚钢管两端设置有能够实现依次相互连接的梯形连接丝扣。
10、根据权利要求7所述的暗挖隧道的加固方法，其特征在于 所述止回阀包括焊接固定于所述管棚钢管内部的挡圈和铰接于所述挡圈 的阀瓣，所述挡圈内侧形成一通孔，所述阀瓣在泥浆倒流时封住所述通孔。
全文摘要
本发明公开了一种暗挖隧道的加固方法，其通过在隧道开挖之前于隧道拱部施作管棚，并对管棚进行注浆加固，该方法包括在搭设作业平台、安装空口管、钻机吊装就位、管棚钢管加工成型、自进式钻进成孔、清孔、孔口密封处理、拌制注浆液、管棚充填注浆及后续操作。本发明的技术方案中，通过在孔口段设置定位板，在管棚钢管中设置止回阀，并将自进式钻头与管棚钢管直接焊接相连，在有效地提高施作管棚精度，保证良好的注浆效果的同时，降低了由于注浆充填不够及时而导致坍孔的机率，简化施工工序，提高施工效率；同时采用分次注浆工艺，并保证注浆压力在1.5Mpa～2.0Mpa，也显著地提高了管棚注浆质量，改善了管棚对暗挖隧道的超前支护效果。
文档编号E21D11/00GK101624910SQ20091004157
公开日2010年1月13日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者丁昌银, 何炳泉, 叶彬彬, 姚鸿展, 悦 李, 柯德辉, 秦健新, 陈慕贞, 雷雄武, 黄平宇, 丁 黎, 黎文龙 申请人:广州市建筑机械施工有限公司