钢管排水锁脚桩的制作方法

本实用新型涉及一种在断层富水破碎带进行隧道初期支护的锁脚加固和引排水装置，具体来讲是一种钢管排水锁脚桩。

背景技术：

目前，我国绝大部分山岭隧道采用新奥法施工。新奥法以锚杆、喷射混凝土和钢拱架构成隧道拱墙初期支护体系，采用循环进尺方式开挖掘进。

在山区隧道施工过程中，经常会遇到穿越岩溶区、断层破碎带等不良地质，当这些不良地质构造本身贮水丰富时，将会给隧道开挖和支护带来更大的施工难度。一般情况下，在穿越断层破碎带类不良地质段时，可采取逐段敷设长管棚超前支护、逐段超前预注浆后开挖等方式进行处治，以改善开挖支护环境，但超前长管棚主要用于隧道拱部处治，超前预注浆虽可对隧道全断面注浆加固，但因注浆量大、成本高而往往不能得到采用。因此，在隧道开挖过程中，遇到边墙部位围岩破碎易坍塌时，需要采用注浆加固、提高支护参数和增强钢拱架锁脚等措施方法，在断层富水破碎地段加固边墙时，还需要设置泄水管实施有目的地分散排水，缓解围岩富水压力，降低隧道施工安全风险。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，在此提供一种钢管排水锁脚桩；本方法兼具隧道钢拱架锁脚和排水功能，适用于对穿越断层富水破碎带类不良地质段的隧道拱墙初期支护进行加固和排水降压。

本实用新型是这样实现的，构造一种钢管排水锁脚桩，钢管排水锁脚桩同钢拱架之间连接固定，其特征在于：钢管排水锁脚桩由定位块、锚固钢管、排水钢管、注浆管、架线环、内堵头板、外封头板和集水孔等构成，架线环位于锚固钢管内，锚固钢管通过定位块固定在钢拱架上，排水钢管和注浆管通过架线环内嵌在锚固钢管内，排水钢管贯穿内堵头板、外封头板并相互固定，注浆管穿出外封头板并与之固定，锚固钢管外接集水孔，内堵头板位于锚固钢管内并通过O型止水圈密封。

根据本实用新型所述钢管排水锁脚桩，其特征在于：其中定位块呈槽型，底板呈矩形，采用厚度不小于12mm的钢板制作，板内设锚固钢管孔，孔径宜大于锚固钢管外径5mm；

定位块具有Ⅰ型定位块和Ⅱ型定位块两者，Ⅰ型定位块侧板呈梯形，Ⅱ型定位块侧板呈矩形，均采用8mm厚度的钢板垂向焊接于底板边部；

其中锚固钢管采用无缝钢管制作，钢管长度不宜小于4.0m，管径不宜小于φ108mm，距离两端管口50cm范围内不设置孔眼，其余管段按孔距150mm和孔径φ16mm在管四周钻注浆孔形成钢花管；

其中排水钢管可采用镀锌钢管或无缝钢管制作，

注浆管采用φ20mm铁皮管，锚固钢管内径宜超出排水钢管和注浆管的外径之和15mm以上；

其中架线环可采用8#铁丝制作，其间距1.0m～1.5m，用于排水钢管和注浆管在锚固钢管内的定位；

其中内堵头板用钢板制作成圆形，钢板直径小于锚固钢管2mm，厚度不宜小于6.0mm，板内设排水管通过孔，板外缘中部设凹槽安装橡胶或硅胶材质的O型止水圈，止水圈线径5.0mm；

其中外封头板可采用圆形板或方形板，板厚不宜小于3mm，板内设排水管孔和注浆管孔以及直径为15mm的排气孔，板边缘宜宽出锚固钢管外缘20mm；

其中集水孔采用钻孔形成，集水孔长度宜深入富水破碎带不少于4.0m。

根据本实用新型所述钢管排水锁脚桩，其特征在于：在钢拱架内侧设置了上下型钢纵梁、加劲板和钢垫板，其中型钢纵梁宜采用工字钢，其规格不应小于16#；加劲板采用钢板制作，钢板厚度不宜小于10mm；钢垫板采用不同厚度的钢板叠拼形成，主要用于垫塞型钢纵梁与锚固钢管之间的空隙。此时钢管排水锁脚桩通过型钢纵梁将其连接范围内的钢拱架、钢管排水锁脚桩等串连成一个刚性整体，适用于对围岩破碎易坍塌、自稳能力不足的隧道拱墙初期支护的锁脚锚固。

本实用新型具有如下优点：本实用新型在此提供一种钢管排水锁脚桩及施工方法；本方法兼具隧道钢拱架锁脚和排水功能，适用于对穿越断层富水破碎带类不良地质段的隧道拱墙初期支护进行加固和排水降压。本实用新型装置实施后有以下良好效果，富水破碎带进行隧道拱墙施工时的设置的钢管排水锁脚桩，用大直径钢管替代了常用的钢筋锚杆和注浆小导管锁脚，其强度更高、刚度更大，通过注浆法固结周边围岩和锁定桩体，提高了锁脚对上方围岩和初期支护的承载能力。在桩内设置的排水管道，具有排放裂隙水，缓解围岩富水压力的功能。在隧道穿越富水断层破碎带类不良地质段时，采用钢管排水锁脚桩可以实现同时加固拱墙初期支护和排水降压的功能，降低富水破碎带隧道施工的安全风险。

附图说明

图1是钢管排水锁脚桩结构立面图

图2是普通型钢管排水锁脚桩大样图；

图3是图2中A1处放大示意图；

图4是图2中A2处放大示意图；

图5是图3中Ⅰ-Ⅰ剖面结构示意图（锚管贴钢拱架布置）；

图6是图3中Ⅰ-Ⅰ剖面结构示意图（锚管在钢拱架之间居中布置）；

图7是加强型钢管排水锁脚桩大样图；

图8是图7中B1处放大示意图；

图9是图8中Ⅱ-Ⅱ剖面结构示意图（锚管贴钢拱架布置）；

图10是图9中Ⅱ-Ⅱ剖面结构示意图（锚管在钢拱架之间居中布置）；

图11是Ⅰ型定位块立面结构示意图；

图12是Ⅰ型定位块侧面示意图；

图13是Ⅰ型定位块平面结构示意图；

图14是Ⅱ型定位块立面结构示意图；

图15是Ⅱ型定位块侧面示意图；

图16是Ⅱ型定位块平面结构示意图；

图17是锚固钢管注浆孔布置图；

图18是架线环立面结构示意图；

图19是架线环侧面示意图；

图20是内堵头结构示意图；

图21是内堵头侧面示意图；

图22是外封头板结构示意图；

图23是O型止水圈示意图；

图24是O型止水圈侧面图；

图25是图4中Ⅲ-Ⅲ剖面结构示意图。

其中：定位块1，Ⅰ型定位块1A，Ⅱ型定位块1B，锚固钢管孔1C，锚固钢管2，注浆孔2A，排水钢管3，注浆管4，架线环5，内堵头板6，排水管通过孔6A，外封头板7，排水管孔7A，注浆管孔7B，排气孔7C，集水孔8，上型钢纵梁9，下型钢纵梁10，加劲板11，钢拱架12，O型止水圈13，拱架接头14，钢垫板15。

具体实施方式

下面将结合附图1-图25对本实用新型进行详细说明，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，在此提供钢管排水锁脚桩及其施工方法；本方法兼具隧道钢拱架锁脚和排水功能，适用于对穿越断层富水破碎带类不良地质段的隧道拱墙初期支护进行加固和排水降压。

如图所示，本实用新型所述钢管排水锁脚桩同钢拱架12之间连接固定，钢管排水锁脚桩由定位块1、锚固钢管2、排水钢管3、注浆管4、架线环5、内堵头板6、外封头板7和集水孔8等构成，架线环5位于锚固钢管2内，锚固钢管2通过定位块1固定在钢拱架12上，排水钢管3和注浆管4通过架线环5内嵌在锚固钢管2内，排水钢管3贯穿内堵头板6、外封头板7并相互固定，注浆管4穿出外封头板7并与之固定，锚固钢管2外接集水孔8，内堵头板6位于锚固钢管2内并通过O型止水圈13密封。

在本实用新型所述钢管排水锁脚桩中，其中定位块1呈槽型，底板呈矩形，采用厚度不小于12mm的钢板制作，板内设锚固钢管孔1C，孔径宜大于锚固钢管外径5mm；定位块1具有Ⅰ型定位块1A和Ⅱ型定位块1B两者，Ⅰ型定位块侧板呈梯形，Ⅱ型定位块侧板呈矩形，均采用8mm厚度的钢板垂向焊接于底板边部。

其中锚固钢管2采用无缝钢管制作，钢管长度不宜小于4.0m，管径不宜小于φ108mm，距离两端管口50cm范围内不设置孔眼，其余管段按孔距150mm和孔径φ16mm在管四周钻注浆孔2A形成钢花管；

其中排水钢管3可采用镀锌钢管或无缝钢管制作，

注浆管4采用φ20mm铁皮管，锚固钢管内径宜超出排水钢管和注浆管的外径之和15mm以上；

其中架线环5可采用8#铁丝制作，其间距1.0m～1.5m，用于排水钢管和注浆管在锚固钢管内的定位；

其中内堵头板6用钢板制作成圆形，钢板直径小于锚固钢管2mm，厚度不宜小于6.0mm，板内设排水管通过孔6A，板外缘中部设凹槽安装橡胶或硅胶材质的O型止水圈，止水圈线径5.0mm；

其中外封头板7可采用圆形板或方形板，板厚不宜小于3mm，板内设排水管孔7A和注浆管孔7B以及直径为15mm的排气孔7C，板边缘宜宽出锚固钢管外缘20mm；

其中集水孔8采用钻孔形成，集水孔长度宜深入富水破碎带不少于4.0m。

本实用新型是这样实现的，构造一种钢管排水锁脚桩及其施工方法，其特征在于，按照如下方式实施：

（1）钢管排水锁脚桩选型：穿越断层富水破碎带时，通过隧道开挖辅以选点挖探揭露和判断拱墙及其下方的围岩条件，选定钢管排水锁脚桩类型。钢管排水锁脚桩可根据隧道围岩自身稳定条件分别采用普通型和加强型等两种类型；

1）普通型钢管排水锁脚桩：由定位块、锚固钢管和内嵌的排水钢管、注浆管、架线环、内堵头板、外封头板和集水孔等构成，其中定位块呈槽型，底板呈矩形，采用厚度不小于12mm的钢板制作，板内设圆孔，孔径宜大于锚固钢管外径5mm；Ⅰ型定位块侧板呈梯形，Ⅱ型定位块侧板呈矩形，均采用8mm厚度的钢板垂向焊接于底板边部；其中锚固钢管采用无缝钢管制作，钢管长度不宜小于4.0m，管径不宜小于φ108mm，距离两端管口50cm范围内不设置孔眼，其余管段按孔距150mm和孔径16mm在管四周钻孔形成钢花管；其中排水钢管可采用镀锌钢管或无缝钢管制作，注浆管采用φ20mm铁皮管，锚固钢管内径宜超出排水钢管和注浆管的外径之和15mm以上；其中架线环可采用8#铁丝制作，其间距1.0m～1.5m，用于排水钢管和注浆管在锚固钢管内的定位；其中内堵头板用钢板制作成圆形，钢板直径小于锚固钢管2mm，厚度不宜小于6.0mm，板内设排水管通过孔，板外缘中部设凹槽安装橡胶或硅胶材质的O型止水圈，止水圈线径5.0mm；其中外封头板可采用圆形板或方形板，板厚不宜小于3mm，板内设排水钢管和注浆管的通过孔以及直径为15mm的排气孔，板边缘宜宽出锚固钢管外缘20mm；其中集水孔采用钻孔形成，集水孔长度宜深入富水破碎带不少于4.0m。普通型钢管排水锁脚桩同钢拱架之间连接固定，适用于对围岩具有一定自稳能力的隧道拱墙初期支护的锁脚锚固。

2）加强型钢管排水锁脚桩除具有普通型的结构之外，在钢拱架内侧设置了上下型钢纵梁、加劲板和钢垫板，其中型钢纵梁宜采用工字钢，其规格不应小于16#；加劲板采用钢板制作，钢板厚度不宜小于10mm；钢垫板采用不同厚度的钢板叠拼形成，主要用于垫塞型钢纵梁与锚固钢管之间的空隙。加强型钢管排水锁脚桩通过型钢纵梁将其连接范围内的钢拱架、钢管排水锁脚桩等串连成一个刚性整体，适用于对围岩破碎易坍塌、自稳能力不足的隧道拱墙初期支护的锁脚锚固。在台阶法开挖隧道过程中，完成上一级台阶的初期支护后，开挖下一级台阶时拱墙背的围岩发生松动坍塌，将容易导致开挖段上方已形成的初期支护失稳破坏，当采用加强型钢管排水锁脚桩将上方初期支护连接成整体后，开挖下一台阶时再辅以短进尺开挖支护工法，能够有效避免这种失稳破坏，降低施工安全风险。

（2）钻孔工作面处置：钻孔孔位处应裸露围岩，宜在拱架搭设后和喷射初期支护混凝土前预留工作坑洞，其尺寸以能满足定位块安装和正常钻孔施工为准。未预留时，可用人工破拆工作面范围内的喷射砼及钢筋的方式形成工作坑洞。

（3）桩位放样：用卷尺和拉线等量测工具在拱墙背围岩表面确定锁脚桩孔位，并用铁钉或红油漆等作明显标识。

（4）安装定位块：在钢拱架上安装定位块，为便于校正，先将定位块底板与钢拱架点焊连接，再将侧板与底板、钢拱架分别焊接，最后将定位块满焊接在钢拱架上，施工过程中防止其变形移位，板平面与锁脚桩设计轴线垂直。定位块占用既有初期支护中的钢筋位置时，将钢筋与定位块焊接固定。

（5）钻孔：可采用锚固钻机、潜孔钻机等钻孔，根据孔位准确安装固定钻机，并严格认真进行机位调整，确保钻孔精度：倾角允许误差位±1.0°，方位允许误差±1.0°。

将锚固钢管套入定位块中的锚固钢管孔并抵紧围岩，用偏心钻具跟管钻至孔底，再用钻机退出锚固钢管至设计锚固位置，形成集水孔。

（6）安装注浆及排水装置：

1）焊接排水钢管和内堵头板，钢管进水口穿出内堵头板约0.2m，管轴线与内堵头板板面保持垂直。

2）制作架线环，并将其和注浆管、排水钢管用扎丝绑扎固定，注浆管的出浆口距离内堵头板0.2～0.3m。

3）将O形止水圈嵌套于内堵头板外缘凹槽处，为防止止水圈脱落，可采用防水胶粘贴固定，然后将上述装置缓缓送入锚固钢管内。

4）安装外封头板，并与锚固钢管、排水管分别满焊连接。

（7）焊接锁脚桩：将锚固钢管与拱架上的定位块焊接形成整体，需要时可用8mm厚梯形加劲板将钢管外壁和定位块之间按竖向一字型或竖向、横向十字型焊接加强。

（8）填补工作坑洞：用混凝土掺加适量速凝剂填平工作坑洞，施工时避免混凝土堵塞管口。

（9）锚固段注浆：

1）连接注浆管、止浆阀和压浆机。

2）根据围岩水文地质条件选用纯水泥浆或水泥+水玻璃双液浆注浆，注浆采用孔底返浆的方式，初始注浆压力宜控制在0.5～1.0Mpa，至排气孔口溢出新鲜浆液时用木塞或堵头封堵排气口，终压宜控制在2.0Mpa，并持压5min后关闭止浆阀。

（10）加强型钢管排水锁脚桩纵梁安装：依次安装上下型钢纵梁，型钢纵梁与锚固钢管之间的缝隙处用钢垫板垫塞并焊接成整体，型钢纵梁与钢拱架之间焊接后再用加劲钢板焊接加强。

（11）工后下一级台阶开挖方法：施工完成钢管排水锁脚桩后，开挖下一级边墙部位时，应采用短进尺开挖工法并采取措施减弱对边墙处的围岩扰动，一次开挖不宜超过3榀拱架宽度，且开挖后及时施作边墙初期支护，充分利用锁脚桩和新做的边墙支护提高隧道初期支护系统的稳定性。

本实用新型具有如下优点：本实用新型装置实施后有以下良好效果，富水破碎带进行隧道拱墙施工时的设置的钢管排水锁脚桩，用大直径钢管替代了常用的钢筋锚杆和注浆小导管锁脚，其强度更高、刚度更大，通过注浆法固结周边围岩和锁定桩体，提高了锁脚对上方围岩和初期支护的承载能力。在桩内设置的排水管道，具有排放裂隙水，缓解围岩富水压力的功能。在隧道穿越富水断层破碎带类不良地质段时，采用钢管排水锁脚桩可以实现同时加固拱墙初期支护和排水降压的功能，降低富水破碎带隧道施工的安全风险。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。