内锚式孔口封闭装置的制作方法

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是一种围岩或地基固结灌浆时封闭孔口的装置。

背景技术：

通过固结灌浆提高围岩的承载能力和抗渗性能，以实现压力管道钢衬-回填混凝土-围岩联合受力，从而达到减小钢衬厚度的目的，是地下埋藏式钢衬压力管道的重要设计思路和惯常设计方法。但是，围岩承载能力和抗渗性能的提高必须依靠其预期的固结灌浆效果来保障。

为了确保围岩固结灌浆的质量，达到提高围岩弹性抗力和抗渗性能的预期效果，当前成熟且惯常采用的围岩固结灌浆工艺就是：在钢衬安装和周边回填混凝土浇筑后，在压力管道内钻孔，钻孔穿过钢衬和回填混凝土，以实施围岩盖重固结灌浆。

对于采用普通强度(如q235或q345等)且厚度不大(不超过30mm)的钢衬压力管道而言，在钢衬安装后直接在钢衬上钻灌浆孔，或者在钢衬制作时预留孔洞作为灌浆钻孔的导孔都是可行的。但是，对于采用高强度(强度600mpa或更高强度)或大厚度(36mm或更厚)的钢板衬砌的高压管道，尤其是径厚比(内径/壁厚之比)较小的高压管道，在制作钢衬的卷板、组圆、焊接过程中会产生较大的环向拉应力，在制作成型的钢衬管节上开孔将会产生巨大的应力集中，从而在孔口附近发生钢板开裂的风险，即使制作钢衬时在孔口部位的外壁增设补强钢板也难以降低开孔所引起的应力集中。同时，钢衬上灌浆孔封堵的二次焊接还会引起进一步的应力集中，如果地下水压力较大，可能造成灌浆孔封堵困难，使灌浆孔形成渗水通道。在这种情况下，惯常采用的在钢衬安装和周边回填混凝土浇筑后，再钻孔实施围岩固结灌浆的施工程序就无法实施了。因此，只有倒换施工作业顺序，即先实施围岩固结灌浆、再安装钢衬和浇筑周边回填混凝土，才能避免在高强度或大厚度钢板上钻灌浆孔所引起的钢板开裂的风险。

无盖重固结灌浆已经成功应用于如二滩、构皮滩、溪洛渡等大坝的基础加固，并在雅砻江锦屏二级水电站的引水隧洞围岩固结灌浆中得到使用。这些大坝坝基或隧洞围岩均为中硬岩～坚硬岩，岩体较完整，节理裂隙不发育或轻微发育，采用传统的孔口阻塞法灌浆工艺。由于岩体质量良好，孔口部位岩体较完整，栓塞能在孔口固定，孔口周边的岩体不会因栓塞膨胀的径向压力或灌注浆液的轴向推力产生破坏。但是，由于栓塞密封了其固定部位的孔壁裂隙，致使与栓塞等长的孔口段(约30～50cm)无法直接灌注。然而，恰恰是围岩最表层受到爆破扰动和开挖剥露，卸荷作用最为明显，孔口段产生的卸荷裂隙更需要灌浆来填充，所以这是孔口阻塞法灌浆工艺的重大缺陷。

但是，如果钢衬压力管道位于节理裂隙较发育～强烈发育的非坚硬、较破碎～破碎岩体中，孔口部位的表层围岩能否承受栓塞膨胀的径向压力以及浆液灌注的轴向推力而不产生破坏，即栓塞能否稳定地“卡在孔口”是必须给予高度关注的问题。为了能够提供足够的摩阻力以可靠地固定栓塞，通过加大栓塞长度来减小栓塞膨胀应力是技术可行且操作简单的方法，但这将导致更长的孔口段无法得到直接灌注，导致围岩最表层的卸荷裂隙不能填充密实，固结灌浆无法达到预期效果。

在成功采用无盖重固结灌浆的工程实例中，无论是大坝基础固结灌浆还是隧洞围岩固结灌浆，岩体均为中硬岩或坚硬岩，节理裂隙不发育或轻微发育，结构较完整～完整，栓塞能够在孔口固定并在灌浆作业过程中保持稳定。为了阻止灌浆浆液从表面张开的裂隙中串漏逸出，保持灌浆压力并达到结束标准，隧洞围岩一般采取挂网喷射混凝土封闭岩石表面的处理方法，大坝基础则采取先用填缝材料全面封堵建基面张开裂隙，在灌浆过程中采取限压限流控制浆液的扩散范围或速度、间歇灌注逐步填充并配合速凝嵌缝材料封堵少数发生串漏逸出的表面张开裂隙的措施。尽管栓塞部位的孔口段不能得到直接灌注，但是，通过采取上述措施后，都能在不发生或发生可接受的少量表面漏浆的情况下，逐步提高至设计灌浆压力、达到结束标准而顺利完成灌浆。针对表层局部因未得到直接灌注而检查发现的质量不合格的部位，通过增补少量灌浆孔实施盖重固结灌浆来弥补，均能达到预期的灌浆效果。

但是，对于非坚硬、较破碎～破碎岩体中的压力管道围岩无盖重固结灌浆，如果仍然采用传统的孔口阻塞法灌浆工艺，由于岩体节理裂隙发育，岩性较软弱且完整性较差，将会面临两方面难以克服的难题：

一方面，由于岩石承载能力低，为了提供抵抗灌注浆液的轴向推力所需要的摩阻力并防止孔口段孔壁岩石挤压破坏，不能通过加大栓塞的膨胀使之与孔壁之间产生适宜的径向接触应力，只能增加栓塞长度，通过加大接触面积来增加径向正压力。这将会导致更长的、最需要将裂隙填充密实的孔口段无法得到直接灌注，造成围岩固结灌浆难以达到预期效果，表层质量检查不合格的状况高频率发生。若是通过增补孔加密灌浆处理，不仅增加费用、延长工期，而且未必能达到预期效果。

另一方面，由于岩石抗剪强度低，随着浆液压力的逐步升高，浆液对栓塞的轴向推力持续加大，孔口周边岩石由于受到栓塞轴向推力的剪切作用，可能会发生剪切(上抬)破坏，导致栓塞失去固定的基础，灌浆作业无法正常实施。

基于上述两方面难以克服的难题，采用传统的柱塞式栓塞阻塞孔口实施围岩无盖重固结灌浆的施工工艺，难以甚至无法达到预期效果。为了确保全孔特别是表层孔口段能够得到有效灌注，以使裂隙充填密实，最好的方法是从表面封闭孔口实施灌浆。

传统的孔口封闭法灌浆工艺适用于大坝坝基及其两岸山体的高压深孔帷幕灌浆，在灌浆过程中，浆液从伸入孔底的射浆管进入孔内，在孔内上升过程中一部分透过孔壁进入裂隙，另一部分则从孔口返回。孔口封闭法灌浆工艺需要使用孔口封闭器，孔口封闭器包括带有活动密封的连接件，连接件与钢制孔口管连接，将压力浆液作用在孔口封闭器上的轴向推力传递给钢制孔口管。钢制孔口管一般镶铸在盖重混凝土内，当盖重混凝土较薄时则穿过盖重混凝土深入第一个灌浆孔段。但是，对于钢衬压力管道围岩的无盖重固结灌浆而言，由于没有孔口管固定孔口封闭器并承受灌注浆液的轴向推力，因此传统的孔口封闭器无法使用。

如果要保证整个孔段，特别是表层孔段，都能得到直接灌注并完全填充裂隙，最有效的措施是从围岩表面“罩住”孔口实施灌注。为此，需要设计并制作一种类似“密封罩”的器具密贴于孔口周边将孔口“罩住”。这种“密封罩”应能够像栓塞一样快速安装就位及拆移，既能够方便地固定在孔口部位的岩石表面，在灌浆浆液的顶推力作用下仍能保持与岩石表面的“密贴”状态且浆液不会外漏。“密封罩”还应能快速拆除并转移到其它灌浆孔再次方便地安装就位。

基于能够快速安装和拆移这一前提条件，任何需要依赖钻孔周边的构筑物或附加设施来实现孔口封闭的其它措施均无法达到孔口封闭器的快速安装和拆移。如果依赖钻孔周边的构筑物，对于大断面洞室，其连接件长且重量较大，人工安装和拆移非常困难，依靠设备在压力管道内操作也非常不方便；对于小断面洞室，连接件将不可避免地占用本身就很狭窄的压力管道内部空间，甚至阻断压力管道，不仅造成通行艰难，还可能引起灌浆作业的各项操作无法正常、方便地进行。同时，对于不同位置的钻孔，其连接的尺寸各不相同，并且连接件的安装和拆除都需要耗费较长的时间。如果采用附加设施，则每个钻孔均需设置，不仅工作量大增加费用多，而且施工和拆除所耗费的时间可能比正常的灌浆操作时间还要长。因此，依靠钻孔和器具自身实现孔口封闭就成为了最为合理的选择。

要实现孔口封闭，就必须将孔口封闭器稳定地固定在孔口，并能在灌浆过程中始终保持与孔口岩面密贴而不漏浆。如果不依靠任何附加设施，孔口封闭器就只能依靠钻孔来固定。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于固结灌浆，能有效灌注孔口段的无盖重灌浆的内锚式孔口封闭装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：内锚式孔口封闭装置，包括进回浆组件、孔口封闭组件和孔内锚固组件，进回浆组件包括射浆管和回浆罩，射浆管包括用于露于灌浆孔外的孔外段和用于插入灌浆孔的孔内段，孔外段顶部为用于连接进浆管的进浆嘴，回浆罩紧固于孔外段和孔内段之间的位置，回浆罩外侧设置用于连接回浆管的回浆嘴，回浆罩的外壁设置外螺纹，孔内段的管壁设置至少一个出浆孔，孔内段的端头连接孔内锚固组件；

孔口封闭组件包括压紧件、压板和密封垫板，压紧件内侧设置与回浆罩的外螺纹适配的内螺纹，压紧件螺纹连接于与回浆罩外并形成螺母-螺栓型结构；压紧件靠近孔内锚固组件的一侧设置压板和密封垫板，压板和密封垫板均套于回浆罩外。

进一步的是：所述压紧件和压板之间还设置密封件。具体的，所述密封件为：设置于压紧件和压板之间的弹性垫圈和/或带密封圈的刚性垫圈。

进一步的是：所述压紧件的外侧设置至少一组相互平行的面或者压紧件的外侧焊接连接手柄，并且手柄的方向与射浆管的轴线方向相互垂直。具体的，所述压紧件为套筒或螺母，压紧件横断面的外轮廓呈正六边形。

具体的，所述射浆管为钢管，钢管的灌浆孔段的端头设置与孔内锚固组件连接的、适配的接头。

进一步的是：所述出浆孔设置于灌浆孔段的端头处，出浆孔为1～4个。

进一步的是：所述密封垫板粘接于压板背对压紧件的一面。

进一步的是：所述孔内锚固组件呈圆柱状，回浆罩的外径比孔内锚固组件的直径小4～6mm，压板和密封垫板的直径均为孔内锚固组件的直径的2～3倍。

具体的，所述孔内锚固组件为圆柱状的胀缩式栓塞，压紧件和压板均为钢铁材质，密封垫板为橡胶材质。

本发明的有益效果是：孔内锚固组件固定于灌浆孔的表层孔段以下，回浆罩紧固于射浆管外侧，压紧件通过射浆管与孔内锚固组件相连，密封组件位于灌浆孔孔口的围岩表面。向下旋扭压紧件，使压板压紧密封垫板，使密封垫板紧贴孔口的围岩表面以封闭孔口，避免灌浆压力作用下发生浆液渗漏。向上旋扭松开压紧件，可使密封垫板脱开孔口的围岩表面，以卸除灌浆压力。内锚式孔口封闭装置的压紧力源于射浆管的锚固力，在非坚硬、较破碎～破碎岩体中的压力管道围岩中进行无盖重固结灌浆，就不需要依赖钻孔周边的构筑物或附加设施来实现孔口封闭，而是通过依靠孔口封闭装置自身实现孔口封闭，简化了内锚式孔口封闭装置的结构组成，可以实现快速安装就位及拆移。内锚式孔口封闭装置不仅能方便地固定在孔口部位的岩石表面，在灌浆浆液的顶推力作用下仍能保持与岩石表面的“密贴”状态且浆液不会外漏，还能快速拆除并转移到其它灌浆孔再次方便地安装就位，达到预期的灌浆效果。

压紧件和压板之间设置密封件，增强密闭效果，避免压紧件和孔口封闭组件之间在固结灌浆时浆液渗漏。

压紧件的外侧设置至少一组相互平行的面或压紧件的外侧焊接连接手柄，这样便于通过管钳扳动压紧件，或者直接通过手柄转动压紧件,进而调整压紧力大小。

射浆管为钢管，兼具连接拉杆的作用，例如为厚壁的无缝钢管，无缝钢管的规格由其承受的最大拉力，即灌浆压力下浆液对孔口封闭组件的最大轴向推力计算确定。

出浆孔设置于射浆管的灌浆孔段的端头处，使浆液从灌浆孔孔底进入、沿灌浆孔上升，并在孔口通过回浆罩内的回浆通道返回循环，以达到预期的灌浆效果。

附图说明

图1是本发明内锚式孔口封闭装置灌浆时的结构示意图。

图中零部件、部位及编号：射浆管1、压紧件2、孔内锚固组件3、压板4、密封垫板5、回浆罩6、回浆嘴7、灌浆孔8、围岩表面9、进浆嘴10、出浆孔11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明内锚式孔口封闭装置，包括进回浆组件、孔口封闭组件和孔内锚固件3，进回浆组件包括射浆管1和回浆罩6，射浆管1包括用于露出于灌浆孔8孔口的孔外段和用于插入灌浆孔8的孔内段，孔外段顶部为用于连接进浆管的进浆嘴10。回浆罩6紧固于孔外段和孔内段之间的位置，即回浆罩6上端位于孔外段，回浆罩6下端位于孔内段。回浆罩6和射浆管1之间紧固并密闭，回浆罩6和射浆管1之间还可设置密封圈，以保证密闭效果。孔内段设置至少一个出浆孔11，例如设置1～4个出浆孔11。出浆孔11最好设置于灌浆孔段的端头处，有助于保证灌浆效果。孔内段的端头设置接头并连接孔内接锚固组件3。回浆罩6内设置回浆通道，回浆通道在回浆罩6外侧，即靠近孔外段的一侧形成回浆嘴7，回浆嘴7用于连接回浆管。回浆罩6的外壁设置外螺纹。

射浆管1不仅用于输送浆液，同时兼具与孔内锚固组件3连接的作用，射浆管1可为柔性管或刚性管，为便于将孔内锚固组件3置入灌浆孔8内，射浆管1最好为刚性管，此时射浆管1兼具连接拉杆的作用。射浆管1的规格由其承受的最大拉力，即灌浆压力下浆液对孔口封闭组件的最大轴向推力计算确定。

射浆管1优选为刚性的管材。例如，射浆管1由钢管制作得到，优选厚壁的无缝钢管。射浆管1的长度为灌浆孔8的深度与孔外需要的出露长度的总和。射浆管1的孔内段的端头与孔内锚固组件3连接，旋转射浆管1不会导致射浆管1与孔内锚固组件3脱开。

孔内锚固组件3为锚固于灌浆孔8内，固定后提供锚固力的器件，例如为圆柱状的胀缩式栓塞。灌浆孔8为圆孔，所以孔内锚固组件3呈圆柱状，并且孔内锚固组件3的直径与灌浆孔8的直径相适应。孔内锚固组件3的长度由平衡最大灌浆压力下，浆液对孔口封闭组件的轴向推力，即孔内锚固组件3所能提供的摩阻力计算确定。孔内锚固组件3内应有能通过旋转使孔内锚固组件3膨胀或回缩的结构，且该结构能通过射浆管1的灌浆孔段连接固定并通过旋转射浆管1操作控制孔内锚固组件3膨胀或回缩，此时孔内段的接头与孔内接锚固组件3传动连接。另外，孔内锚固组件3也可以采用气压或水压式栓塞，此时则需要在射浆管1外附设充压膨胀或卸压回缩的软管并从回浆罩6上开孔引出。

孔口封闭组件包括压紧件2、压板4和密封垫板5。压紧件2的内侧设置与回浆罩6的外螺纹适配的内螺纹，压紧件2螺纹连接于回浆罩6的外侧并形成螺母—螺栓型结构，其中螺母对应压紧件2，螺栓对应回浆罩6。压紧件2优选为钢制件。具体的，压紧件2可为内侧设置螺纹的套筒，或者为大螺母。所谓大螺母，即为较现有螺母结构相同但尺寸更大的螺母。为了便于拧紧、拧松调整压紧件2，压紧件2的外侧设置至少一组、即至少两个相互平行的面，通过管钳夹持这两个面可扳动压紧件2。或者，压紧件2的外侧呈正三边、正四边、正五边或者正六边形，这样可通过适配的管钳扳动压紧件2。或者，压紧件2的外侧焊接连接手柄，并且手柄的方向与射浆管1轴向相互垂直，这样可以直接通过手柄转动压紧件2。压紧件2靠近孔内锚固组件3的一侧设置压板4和密封垫板5，压板4和密封垫板5均中部开孔并套于回浆罩6外，其中密封垫板5位于压板4背对压紧件2的一侧。密封垫板5用于直接将灌浆孔8孔口进行封闭。

孔内锚固组件3放置于灌浆孔8内，密封垫板5与孔口的围岩表面9直接贴合，孔内锚固组件3的锚固力通过射浆管1传递给压紧件2，压紧件2向紧压板4和密封垫板5施加压紧力，使密封垫板5与围岩表面9达到密贴状态。压紧力不小于最大灌浆压力，即压紧力设定一定的安全余度。压紧力的大小可通过旋钮压紧件2调整，例如通过管钳或手柄旋转调整压紧件2来调整压紧力的大小。密封垫板5具有一定弹性，以保证与围岩表面9之间的密闭，例如为橡胶垫板。相应的，压紧件2的长度、移动行程应满足能提供孔口封闭组件所需压紧力的要求。密封垫板5的厚度应满足在设计最大灌浆压力下与围岩表面9密贴所需要的压缩量要求，压板4的厚度在设计最大灌浆压力下需保持不发生挠曲，故压板4优选为钢板。

密封垫板5为弹性材质，故压板4和密封垫板5之间可紧密贴合。密封垫板5还可以粘接于压板4背对压紧件2的一面，减少可能漏浆的结构面，进一步避免漏浆。由于压紧件2和压板4之间刚性接触，且均存在较大的压紧力，一般不会出现漏浆现象。为了增强压紧件2和压板4之间密闭性，压紧件2和压板4之间还设置密封件。例如密封件为：设置于压紧件2和压板4之间的弹性垫圈和/或带密封圈的刚性垫圈。

进回浆组件的回浆罩6内部还设置回浆通道，回浆通道贯穿回浆罩6。即内锚式孔口封闭装置安装就位后，回浆通道分别连通灌浆孔8的孔内和孔外。回浆罩6的外轮廓为圆柱状，回浆罩6可与射浆管1可焊接紧固。压板4和密封垫板5穿在回浆罩6外侧，与回浆罩6外壁的间隙宜较小，降低可能漏浆的通道大小。优选的，回浆罩6的外径比灌浆孔8的直径小4～6mm，压板4和密封垫板5的直径均为孔内锚固组件3的直径的2～3倍或更大。射浆管1的灌浆孔段端头处的管壁设置出浆孔11，即出浆孔11位于灌浆孔8孔底，从而使浆液能够实现从灌浆孔8孔底进入、沿灌浆孔8上升并在孔口返回地循环，浆液的流动方向如图1中箭头方向所示，有助于保证达到预期的灌浆效果。