有效止浆岩盘缺失条件下富水破碎岩体综合注浆控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种有效止浆岩盘缺失条件下富水破碎岩体综合注浆控制方法，包括致灾水源及含导水通道综合探查、止浆岩盘改造方案及注浆治理方案设计、止浆岩盘改造、注浆过程控制及安全控制、引流泄压钻孔封堵、注浆效果综合检验以及薄弱带补充注浆等步骤。采用本工法施工后，通过对止浆岩盘的改造，解决了有效止浆岩盘缺失时注浆过程中跑、串浆以及注浆效果欠佳的难题，提高了注浆效率，创造了良好的社会效益和经济效益。
【专利说明】有效止浆岩盘缺失条件下富水破碎岩体综合注浆控制方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于隧道及地下工程灾害治理领域，尤其是一种有效止浆岩盘缺失条件下富水破碎岩体综合注浆控制方法。
【背景技术】
[0003]目前，随着我国基础设施建设重心向中西部及城市地下交通转移，山岭隧道、城市地铁等地下工程所占的比重越来越大。受复杂地质环境和地形地貌影响，地下工程建设中常遇到破碎带、强风化带、岩溶充填体等富水破碎岩体，引发涌水、塌方等地质灾害。目前，注浆是此类不良地质体主要治理方法之一。由于地下工程开挖直接揭露了富水破碎岩体，注浆加固、堵水过程中常因开挖揭露区岩体强度低难以直接作为止浆岩盘，造成浆液在治理区跑、串浆严重，浆液难以扩散至治理靶区。此外，有效止浆岩盘的缺失影响了孔口管封闭质量，孔口管与围岩边缘成为浆液外串通道；有效止浆岩盘的缺失同时致使注浆工艺难以发挥效用，主要体现在注浆压力难以提高，降低了注浆效果，制约了工程质量。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种有效止浆岩盘缺失条件下富水破碎岩体综合注浆控制方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种有效止浆岩盘缺失条件下富水破碎岩体综合注浆控制方法，包括以下步骤:
A.致灾水源及含导水通道综合探查:综合利用地质分析方法和地球物理探查手段判识致灾水源及含导水通道，确定注浆治理靶区空间位置；
B.止浆岩盘改造方案及注浆治理方案设计:按照综合探查结论，制定止浆岩盘改造方案，确定改造深度、范围及顺序，其中改造孔兼作注浆孔；制定注浆方案，通过现场试验确定注浆孔间距、注浆加固层或圈厚度、浆液配比和注浆压力关键参数及注浆孔序列；
C.止衆岩盘改造:按照止衆岩盘改造方案加工自适应止衆装置，施工改造孔，通过自适应止浆装置处理软弱地层为止浆岩盘；对于大涌水量工况，需在主含导水通道上加密改造孔，并预留引流泄压钻孔；
D.注浆过程控制及安全控制:根据注浆治理方案，依次对各序注浆孔实施注浆，对靶区进行注浆加固堵水治理；注浆过程中实时根据信息反馈调整注浆参数，确保围岩安全及注浆效果；
E.引流泄压钻孔封堵:区域内钻孔注浆结束后，最后封堵引流泄压钻孔；
F.注浆效果综合检验:通过检查孔和地球物理手段对注浆区段进行注浆效果检验，圈定注浆薄弱区空间范围，确定薄弱带补充注浆方案；
G.薄弱带补充注浆:利用小导管注浆，针对注浆薄弱区进行治理。
[0006]所述步骤A中致灾水源及含导水通道综合探查具体包括:
综合分析隧道、城市地铁地下工程勘探时期及施工过程水文地质资料，从构造环境、地层岩性和地下水多方面对致灾水源进行综合分析；利用地质雷达与高密度电法相结合的物探方法对成灾区域进行探查，确定致灾通道空间范围及特征，为注浆治理靶区圈定和治理方案设计提供决策依据。
[0007]所述步骤B中的止浆岩盘改造方案设计具体包括:
1)止浆岩盘改造深度确定在含导水通道顶界以下0.5?lm，若含导水通道埋深超过8?10m，则改造深度选取为5?6m ；
2)根据治理区轮廓线外扩疒3m作为止浆岩盘改造范围；
3)止浆岩盘改造时遵照由外而内的原则，即由周边向主含导水通道区域收缩，必要时需在主含导水通道周围加密改造孔，并预留2?3个引流泄压孔。
[0008]所述步骤B中的注浆治理方案设计中注浆孔序列具体包括:
I)确定注浆孔序列，根据现场条件将注浆孔划分为3个序列，其中I序孔间距为2^3m, II序孔间距为f 1.5m，III序孔间距为0.5m，施工过程中按照I?III的顺序依次对各序孔实施注浆；在主含导水通道附近，同时施工I序孔和II序孔，作为改造加密和注浆加密钻孔使用；
3)各序注浆孔施工时间以止浆岩盘改造方案设计为准，即以“由周边向主含导水构造收缩”为原则，将地下水逐步引导至主含导水通道内集中排泄。
[0009]所述步骤C中自适应止浆装置包括:模袋注浆管、箍紧器、孔口管和模袋；模袋注浆管和孔口管外侧套置由土工布加工而成的模袋；模袋的端头通过箍紧器与模袋注浆管和孔口管固定；箍紧器上钻设圆孔，并以焊接方式连接模袋注浆管和孔口管，其边缘加工成台阶状圆盘并钻设固定孔，其周缘加工环状凹槽，分别通过法兰和高强橡胶圈箍紧模袋端头；模袋注浆管端部连接高压球阀，外接注浆设备，模袋注浆管末端位于模袋中。
[0010]所述步骤C中施工改造孔具体包括:
首先使用Φ 133mm无芯地质钻头在破碎岩体中施工至含导水通道顶界下0.5^1m,下入自适应止浆装置；
依次通过模袋注浆管向模袋内注浆，注浆终止压力选择为f 1.5MPa ;注入的浆液注浆撑起模袋，同时挤压周围破碎软弱岩体，提高其力学强度和抗渗性；多个自适应止浆装置的联合作用将含导水通道上部破碎软弱岩体改造成能够抵抗3?4MPa注浆压力的止浆岩盘；在极破碎区域及主含导水通道附近，I序孔施工完毕后，加密施工II序孔，避免止浆岩盘改造时薄弱区产生；
选取主含导水通道内施工的21个改造孔，模袋注浆完毕后，继续施工钻孔至主含导水通道内，下入Φ89_钢管制作的二级孔口管，二级孔口管端部连接防突装置、高压表及高压阀门；二级孔口管上部和自适应止浆装置孔口管之间通过快硬水泥卷固定密封，该方法为公知工法；
二级孔口管下部穿过孔口管，穿出部分的二级孔口管上钻设多组台阶状溢流孔，周缘包裹滤网；注浆过程中，引流泄压孔处于敞开状态，起到引导注浆和避免水压力过高损毁止浆岩盘的作用。
[0011]所述注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，材料参数如下:水泥浆水灰比(水与42.5R普通水泥质量比)为1:1 ;水玻璃浓度在35?42Be之间，模数为2.3?3.0，42.5R普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1。
[0012]所述步骤D的根据注浆治理方案，依次对各序注浆孔实施注浆，对靶区进行注浆加固堵水治理包括；
首先采用地质钻机，利用无芯钻头钻至设计孔深，下入注浆花管；注浆花管穿过孔口管，穿出部分的注浆花管上钻设多组溢浆孔，溢浆孔上覆能抵抗0.Γ0.3MPa注浆压力的铝片，注浆花管与孔口管之间通过快硬水泥卷固定密封，该方法为公知工法；注浆花管端头连接进浆球阀和泄压阀，泄压阀连接注浆设备。
[0013]所述注浆材料采用单液水泥浆和C-S双液浆，材料参数如下:水泥浆水灰比(水与42.5R普通水泥质量比)为1:1 ;水玻璃浓度在35?42Be之间，模数为2.3?3.0,42.5R普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1 ;注浆终止压力取2?3MPa。上述浆液配比及注浆参数是 申请人:经过长期工程实践及经验总结所得到的，保证了注浆效果。
[0014]所述步骤D安全控制包括:注浆过程中采用全站仪对止浆岩盘表层位移监控，监控频率为2次/h，若单孔注浆过程中，表层抬升超过1cm，则需要控制注浆压力，调整注浆参数，确保注浆安全。
[0015]所述步骤G.薄弱带补充注浆包括:
采用Φ42小导管径向注浆方式进行补注；小导管长度为4.5m，小导管间距为lm，排距为1.5m，呈梅花型布置，小导管注浆采用42.5R普通水泥单液浆，注浆终压为2?3MPa。
[0016]本发明的有益效果是:
1、自适应止浆装置可根据孔壁形状完全与围岩咬合，增强了密封性，同时挤压围岩，提高了其力学强度及抗渗性，有效改造了止浆岩盘，避免浆液跑浆和串浆，节约了注浆材料。
[0017]2、注浆过程中利用泄水孔起到引导注浆和泄压作用，避免了水压力升高对加固体的损毁。
[0018]3、注浆孔同时兼作改造孔，减少了传统注浆工程中构筑注浆平台的步骤，节约了工程造价和工期。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是注浆治理方法平面示意图；
图2是引流泄压孔结构示意图；
图3是注浆孔结构示意图；
图4a、图4b是箍紧器侧视和主视剖面结构图；
图中，1、注浆治理靶区；2、主含导水通道；3、I序注浆孔；4、II序注浆孔；5、111序注浆孔；6、非有效止浆岩盘；7、含导水通道上界；8、引流泄压孔；9、模袋注浆管；10、箍紧器；10-1固定孔、10-2第一圆孔、10-3、第二圆孔，10-4凹槽、10-5高强橡胶圈、10_6法兰、11、孔口管；12、模袋；13、注浆孔；14、二级孔口管；15、防突装置；16、高压表；17、高压阀门；18、快硬水泥卷；19、溢流孔；20、模袋注浆管高压球阀；21、滤网；22、注浆花管；23、溢浆孔；24、铝片；25、进浆球阀；26、注浆花管泄压阀。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0021]A.致灾水源及含导水通道综合探查
综合分析隧道、城市地铁等地下工程勘探时期及施工过程水文地质资料，从构造环境、地层岩性、地下水等多方面对致灾水源进行综合分析。利用地质雷达与高密度电法相结合的物探方法对成灾区域进行探查，确定致灾通道空间范围及特征，为注浆治理靶区I圈定和治理方案设计提供决策依据。
[0022]B.止浆岩盘改造方案及注浆治理方案设计
(I)止衆岩盘改造方案设计
1)按照综合探查结论，确定改造深度、范围及顺序；
2)止浆岩盘改造深度确定在含导水通道上界7以下0.5?lm，若含导水通道埋深较大，则改造深度选取为5飞m ；
3)根据治理区轮廓线外扩2?3m作为止浆岩盘改造范围，并根据实际施工情况进行调整；
4)止浆岩盘改造时遵照由外而内的原则，即由周边向主含导水通道区域收缩，必要时需在主含导水通道2周围加密改造孔(即同时施工II序注浆钻孔)，并预留3个引流泄压孔8。
[0023](2)注浆治理方案设计
1)利用治理岩土体开展现场试验，确定浆液配比、注浆压力、注浆扩散范围及注浆加固层(圈)厚度等关键参数；
2)确定注浆序列，根据现场条件将注浆孔13划分为3个序列，其中I序孔3间距为2^3m, II序孔4间距为f 1.5m，III序孔5间距为0.5m，施工过程中按照I?III的顺序依次对各序孔实施注浆；在主含导水通道2附近，可同时施工I序孔3和II序孔4，作为改造加密和注浆加密钻孔使用；
3)各序注浆孔施工时间以止浆岩盘改造方案设计为准，即以由周边向主含导水构造收缩为原则，将地下水逐步引导至主含导水通道2内集中排泄；
C.止衆岩盘改造
按照止浆岩盘改造方案加工自适应止浆装置。自适应止浆装置由模袋注浆管9、箍紧器10、孔口管11、模袋12组成；模袋注浆管9由Φ25.ι钢管制作，孔口管由Φ 108mm钢管制作，两者外侧套置由土工布加工而成的模袋；模袋端头通过箍紧器10与模袋注浆管9和孔口管11固定。箍紧器10上钻设第一、第二圆孔10-2、10-3，并以焊接方式连接模袋注浆管9和孔口管11，其边缘加工成台阶状圆盘并钻设固定孔10-1，其周缘加工环状凹槽10-4，分别通过法兰10-6和高强橡胶圈10-5箍紧模袋端头。模袋注浆管端部连接高压球阀20，夕卜接注浆设备。
[0024]将设计的I序注浆孔3按照“由周边向主含导水通道区域收缩”的原则施工，施工过程中采用ZLJ2300B型地质钻机。首先使用Φ 133mm无芯地质钻头在破碎岩体中施工至含导水通道顶界下0.5?lm，下入自适应止浆装置。依次通过模袋注浆管9向模袋12内注浆，注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，材料参数如下:水泥浆水灰比(水与42.5R普通水泥质量比)为1:1 ;水玻璃浓度在35?42Be之间，模数为2.3^3.0,42.5R普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1。注浆终止压力选择为fl.5MPa。注入的浆液注浆撑起模袋12，同时挤压周围破碎软弱岩体，提高其力学强度和抗渗性；多个自适应止浆装置的联合作用将含导水通道上部破碎软弱岩体(即非有效止浆岩盘6)改造成能够抵抗3?4MPa注浆压力的止浆岩盘。在极破碎区域及主含导水通道2附近，I序孔3施工完毕后，加密施工II序孔4，避免止浆岩盘改造时薄弱区产生。
[0025]选取主含导水通道2内施工的2?3个改造孔，模袋注浆完毕后，继续施工钻孔至主含导水通道2内，下入Φ 89_钢管制作的二级孔口管14，二级孔口管14端部连接防突装置15、高压表16及高压阀门17。二级孔口管14上部和自适应止浆装置孔口管之间通过快硬水泥卷18固定密封，该方法为公知工法；二级孔口管14下部钻设多组台阶状溢流孔19，周缘包裹滤网21。注浆过程中，引流泄压孔处于敞开状态，起到引导注浆、避免水压力过高损毁止浆岩盘的作用。
[0026]D.注浆过程控制及安全控制
根据注浆治理方案，依次对各序注浆孔实施注浆，对靶区进行注浆加固堵水治理。首先采用ZLJ2300B型地质钻机，利用Φ 75mm无芯钻头钻至设计孔深，下入注浆花管22 ;注浆花管22由Φ 42mm钢管制作，上部钻设多组溢浆孔23，溢浆孔上覆铝片24，可抵抗0.Γθ.3MPa注浆压力。注浆花管22与孔口管11之间通过快硬水泥卷18固定密封，该方法为公知工法。注浆花管22端头连接进浆球阀25和泄压阀26。所述的泄压阀连接注浆设备。注浆材料采用单液水泥浆和C-S双液浆，材料参数如下:水泥浆水灰比(水与42.5R普通水泥质量比)为1:1 ;水玻璃浓度在35?42Be之间，模数为2.3^3.0，42.5R普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1 ;注浆终止压力取疒3MPa。上述浆液配比及注浆参数是 申请人:经过长期工程实践及经验总结所得到的，保证了注浆效果。
[0027]注浆过程中采用全站仪对止浆岩盘表层位移监控，监控频率为2次/h，若单孔注浆过程中，表层抬升超过1cm，则需要控制注浆压力，调整注浆参数，确保注浆安全。
[0028]E.引流泄压钻孔封堵
区域内钻孔注浆结束后，最后封堵引流泄压孔。注浆工艺见步骤D。
[0029]F.注浆效果综合检验
通过检查孔和地球物理手段对注浆区段进行注浆效果检验，圈定注浆薄弱区空间范围，确定薄弱带补充注浆方案；
G.薄弱带补充注衆
利用小导管注浆，针对注浆薄弱区进行治理。采用Φ42小导管径向注浆方式进行补注。小导管长度为4.5m，小导管间距为lm，排距为1.5m，呈梅花型布置，小导管注浆采用42.5R普通水泥单液浆，注浆终压为2?3MPa。
[0030]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种有效止浆岩盘缺失条件下富水破碎岩体综合注浆控制方法，其特征是，包括以下步骤: A.致灾水源及含导水通道综合探查:综合利用地质分析方法和地球物理探查手段判识致灾水源及含导水通道，确定注浆治理靶区空间位置； B.止浆岩盘改造方案及注浆治理方案设计:按照综合探查结论，制定止浆岩盘改造方案，确定改造深度、范围及顺序，其中改造孔兼作注浆孔；制定注浆方案，通过现场试验确定注浆孔间距、注浆加固层或圈厚度、浆液配比和注浆压力关键参数及注浆孔序列； C.止衆岩盘改造:按照止衆岩盘改造方案加工自适应止衆装置，施工改造孔，通过自适应止浆装置处理软弱地层为止浆岩盘；对于大涌水量工况，需在主含导水通道上加密改造孔，并预留引流泄压钻孔； D.注浆过程控制及安全控制:根据注浆治理方案，依次对各序注浆孔实施注浆，对靶区进行注浆加固堵水治理；注浆过程中实时根据信息反馈调整注浆参数，确保围岩安全及注浆效果； E.引流泄压钻孔封堵:区域内钻孔注浆结束后，最后封堵引流泄压钻孔； F.注浆效果综合检验:通过检查孔和地球物理手段对注浆区段进行注浆效果检验，圈定注浆薄弱区空间范围，确定薄弱带补充注浆方案； G.薄弱带补充注浆:利用小导管注浆，针对注浆薄弱区进行治理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤A中致灾水源及含导水通道综合探查具体包括: 综合分析隧道、城市地铁地下工程勘探时期及施工过程水文地质资料，从构造环境、地层岩性和地下水多方面对致灾水源进行综合分析；利用地质雷达与高密度电法相结合的物探方法对成灾区域进行探查，确定致灾通道空间范围及特征，为注浆治理靶区圈定和治理方案设计提供决策依据。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤B中的止浆岩盘改造方案设计具体包括: 1)止浆岩盘改造深度确定在含导水通道顶界以下0.5?lm，若含导水通道埋深超过8?10m，则改造深度选取为5?6m ； 2)根据治理区轮廓线外扩疒3m作为止浆岩盘改造范围； 3)止浆岩盘改造时遵照由外而内的原则，即由周边向主含导水通道区域收缩，必要时需在主含导水通道周围加密改造孔，并预留2?3个引流泄压孔。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤B中的注浆治理方案设计中注浆孔序列具体包括: 1)确定注浆孔序列，根据现场条件将注浆孔划分为3个序列，其中I序孔间距为2^3m, II序孔间距为f 1.5m，III序孔间距为0.5m，施工过程中按照I?III的顺序依次对各序孔实施注浆；在主含导水通道附近，同时施工I序孔和II序孔，作为改造加密和注浆加密钻孔使用； 3)各序注浆孔施工时间以止浆岩盘改造方案设计为准，即以“由周边向主含导水构造收缩”为原则，将地下水逐步引导至主含导水通道内集中排泄。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤C中自适应止浆装置包括:模袋注浆管、箍紧器、孔口管和模袋；模袋注浆管和孔口管外侧套置由土工布加工而成的模袋；模袋的端头通过箍紧器与模袋注浆管和孔口管固定；箍紧器上钻设圆孔，并以焊接方式连接模袋注浆管和孔口管，其边缘加工成台阶状圆盘并钻设固定孔，其周缘加工环状凹槽，分别通过法兰和高强橡胶圈箍紧模袋端头；模袋注浆管端部连接高压球阀，外接注浆设备，模袋注浆管末端位于模袋中。
6.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述步骤C中施工改造孔具体包括: 首先使用Φ 133mm无芯地质钻头在破碎岩体中施工至含导水通道顶界下0.5^1m,下入自适应止浆装置； 依次通过模袋注浆管向模袋内注浆，注浆终止压力选择为f 1.5MPa ;注入的浆液注浆撑起模袋，同时挤压周围破碎软弱岩体，提高其力学强度和抗渗性；多个自适应止浆装置的联合作用将含导水通道上部破碎软弱岩体改造成能够抵抗3?4MPa注浆压力的止浆岩盘；在极破碎区域及主含导水通道附近，I序孔施工完毕后，加密施工II序孔，避免止浆岩盘改造时薄弱区产生； 选取主含导水通道内施工的2?3个改造孔，模袋注浆完毕后，继续施工钻孔至主含导水通道内，下入Φ89_钢管制作的二级孔口管，二级孔口管端部连接防突装置、高压表及高压阀门；二级孔口管上部和自适应止浆装置孔口管之间通过快硬水泥卷固定密封，该方法为公知工法； 二级孔口管下部穿过孔口管，穿出部分的二级孔口管上钻设多组台阶状溢流孔，周缘包裹滤网；注浆过程中，引流泄压孔处于敞开状态，起到引导注浆和避免水压力过高损毁止衆岩盘的作用。
7.如权利要求6所述的方法，其特征是，所述注浆的材料采用水泥-水玻璃双液浆，材料参数如下:水泥浆水灰比即水与42.5R普通水泥质量比为1:1 ;水玻璃浓度在35?42Be之间，模数为2.3^3.0,42.5R普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1。
8.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述步骤D的根据注浆治理方案，依次对各序注浆孔实施注浆，对靶区进行注浆加固堵水治理包括； 首先采用地质钻机，利用无芯钻头钻至设计孔深，下入注浆花管；注浆花管穿过孔口管，穿出部分的注浆花管上钻设多组溢浆孔，溢浆孔上覆能抵抗0.Γ0.3MPa注浆压力的铝片，注浆花管与孔口管之间通过快硬水泥卷固定密封，该方法为公知工法；注浆花管端头连接进浆球阀和泄压阀，泄压阀连接注浆设备； 注浆材料采用单液水泥浆和C-S双液浆，材料参数如下:水泥浆水灰比即水与42.5R普通水泥质量比为1:1 ;水玻璃浓度在35?42Be之间，模数为2.3^3.0,42.5R普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1 ;注浆终止压力取2?3MPa。
9.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤D安全控制包括:注浆过程中采用全站仪对止浆岩盘表层位移监控，监控频率为2次/h，若单孔注浆过程中，表层抬升超过1cm，则需要控制注浆压力，调整注浆参数，确保注浆安全。
10.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤G.薄弱带补充注浆包括: 采用Φ42小导管径向注浆方式进行补注；小导管长度为4.5m，小导管间距为lm，排距为1.5m，呈梅花型布置，小导管注浆采用42.5R普通水泥单液浆，注浆终压为2?3MPa。
【文档编号】E21D11/10GK104453943SQ201410584125
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】魏久传, 张伟杰, 尹会永, 谢道雷 申请人:山东科技大学