一种全断面注浆加固地层的施工方法与流程

本发明涉及地铁矿山法区间施工技术领域，尤其涉及针对地铁矿山法区间土体开挖前的一种全断面注浆加固地层的施工方法。

背景技术：

目前，全国乃至全世界都已掀起地铁建设高潮，而面对复杂多变的地层环境，有许多工况都无法采用盾构法施工，如地铁区间覆土小于6m、地铁区间长度小于300m、地铁区间相邻车站无场地进行盾构始发或吊出、地铁区间地质强度过大、地铁区间内有影响盾构掘进的建构筑物等等。而矿山法可以解决以上问题，但矿山法施工是个危险性很大的工法，最大的风险源就是开挖土体和围岩的稳定性，而提高开挖土体和围岩的稳定，最有效、最经济的方式是对地层进行注浆加固。而注浆加固面临以下的难题：其一，注浆扩散范围无法掌控，导致浆液浪费，甚至破坏周边路面、管线、建构筑物；其二，对于强度大、孔隙率小的地层，浆液难以注入；其三，因注浆工程量大且频率高，需提高注浆的工作效率。

当今比较普遍的矿山法施工注浆方式有以下几种：袖阀管注浆、钢花管注浆、后退式注浆。但是以上方式有以下缺陷：1）袖阀管注浆时，单根套壳料等强长达7天，工效慢、成本高，且袖阀管适用于地面往下垂直注浆，水平注浆套壳料浆液难以填充满，注浆效果难以保证。2）钢花管注浆时，多采用φ42的钢花管，长度为6m，成本高、质量重、注浆作业频繁而制约工期，且工人操作不方便。其次，钢花管注浆时，都采用直接将钢花管直接顶入地层，导致地层受挤压，孔隙变小且钢花管中浆液与地层接触面积小，导致浆液难以注入地层。3）后退式注浆，造价高，每日仅能完成1至2根，工效慢。注浆过程中，容易造成浆液凝固而卡住钻杆，修理时间长。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种控制浆液扩散和浪费，降低浆液对周边环境的影响，提高浆液注入地层的效果的全断面注浆加固地层的施工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种全断面注浆加固地层的施工方法，包括以下步骤：

s1、在待开挖掌子面的外侧按预设要求设计注浆轮廓，在待开挖掌子面上标记所有需要引孔的位置，沿待开挖掌子面按预设角度向注浆轮廓方向进行引孔步骤，得引孔孔洞，多个沿周向设置的引孔孔洞为注浆引孔圈；

所述注浆引孔圈自待开挖掌子面外侧向待开挖掌子面内侧依次包括第一环注浆引孔圈、第二环注浆引孔圈和第三环注浆引孔圈，所述第一环注浆引孔圈、第二环注浆引孔圈和第三环注浆引孔圈的最大深度分别为h1、h2和h3，其中h1＞h2＞h3；

s2、分别向注浆引孔圈的引孔孔洞内插入导管，所述导管的深度与对应的引孔孔洞的深度相同，依次对第一环注浆引孔圈、第二环注浆引孔圈和第三环注浆引孔圈的导管注浆，当达到目标标准时停止注浆，完成土层的加固；

s3、开挖初支内已加固地层，设开挖深度h，当h2≤h≤h1时，停止开挖，循环步骤s1、s2直至开挖完成。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述第一环注浆引孔圈包括两个以上周向设置的第一环深孔、第一环中孔和第一环浅孔，所述第一环中孔设置于两第一环深孔之间，所述第一环浅孔设置于第一环深孔和第一环中孔之间，所述第一环深孔、第一环中孔和第一环浅孔的深度分别为h11、h12和h13，其中h11＞h12＞h13；

所述第二环注浆引孔圈包括两个以上周向设置的第二环深孔和第二环浅孔，所述第二环浅孔位于两第二环深孔之间，所述第二环深孔和第二环浅孔的深度分别为h21和h22，其中h21＞h22；

所述第三环注浆引孔圈包括两个以上周向设置的第三环深孔，所述第三环深孔的深度为h31，其中，h13≥h21，h22≥h31。

所述步骤s2中注浆步骤中，当对相同注浆引孔圈内、不同深度的引孔孔洞内的导管注浆时，先深度最大，再深度较小；当对相同注浆引孔圈内、相同深度的引孔孔洞内的导管注浆时，自上而下。

所述步骤s2中，所述目标标准为以下任意标准之一：

标准一：注浆量达到导管的设计注浆量；

标准二：注浆压力达到目标设计压力；

标准三：注浆时地表沉降和隆起监测、管线沉降和隆起监测值达到预警值。

所述导管的管壁上开设有多个出浆孔。

所述引孔孔洞的孔径为d，所述导管的孔径为d，其中d＞d。

所述导管由两个以上标准管组装而成，所述标准管两端分别设有内螺纹和外螺纹，所述标准管的内螺纹与另一个标准管的外螺纹相匹配，所述标准管的管壁上开设有多个出浆孔。

所述标准管采用无缝钢管制作而成。

所述步骤s1中，所述预设角度为：引孔方向与开挖方向的夹角为γ，γ=6°。

所述引孔所采用的设备为水钻。

本发明的设计原理为：

根据地层结构特点，利用浆液填充、渗透、压密、劈裂注入地层的方式，首先在待开挖掌子面外边界形成浆液封闭圈，即设计注浆轮廓，然后逐渐自掌子面外侧向内侧环形注浆，即依次对第一环注浆引孔圈、第二环注浆引孔圈和第三环注浆引孔圈的导管注浆，当开挖深度位于第一环注浆引孔圈和第二环注浆引孔圈的深度之间时，停止开挖，使得纵向单次循环注浆范围之间有一定距离的交叉，交叉范围内形成一道止浆墙，确保下次注浆时掌子面不反浆和保持掌子面稳定，避免塌方。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的施工方法，先引孔，再放入导管，使得引孔孔洞周围的土体未受挤压，土层孔隙未缩小，注浆时采用环形立体交错注浆方法，是先注引孔圈的外圈导管，再注内圈导管，内圈导管和和外圈导管深度不同，每一相邻注浆圈内注浆深度不同，使得外圈浆液形成止水帷幕，从而将浆液扩散控制在圈内，减少浆液的浪费和对周边环境的影响。

2.本发明的施工方法，注浆时，相同注浆引孔圈中使用不同长度的导管交错注浆，是因为导管浆液主要靠端部孔口冒浆扩散，交错注浆可以提高导管的注浆加固效果，降低漏注概率。相同注浆引孔圈，相同深度的引孔孔洞内的导管，自上而下依次注浆，即从高处往低处注浆，是因为高处地层强度低，而浆液是会流向低强度地层，先注高处，同样是在高处先形成止水帷幕，可以防止浆液往地面流动，将浆液均匀注入至地层中，高效固结地层和封闭渗水通道，减少浆液浪费和对周边环境影响。

3.本发明的施工方法，引孔孔洞的孔径比导管的孔径大，使得浆液从导管中流出后，浆液能迅速填充导管与引孔孔洞之间孔隙，使得浆液与土体能充分接触，从而提高接触软弱地层的机会，故此，使得浆液注入地层的概率大大提高。

4.本发明的施工方法，标准管采用无缝钢管制作而成，材料轻质、经济，工人易于操作，在开挖过程中，割除也容易，提高注浆作业的施工效率和节约成本。

5.本发明的施工方法，引孔时所采用的设备为水钻，体积小、重量轻，易于操作且工效快，具有显著推广意义。

附图说明

图1是本发明全断面注浆加固地层的施工方法的工艺流程示意图。

图2是本发明全断面注浆加固地层的施工方法的纵剖面示意图。

图3是本发明全断面注浆加固地层的施工方法的注浆加固立体示意图。

图4是本发明中掌子面注浆孔位布置的示意图。

图5是本发明中导管的大样图。

图6是本发明中导管的剖面图。

图7是本发明浆液注入地层的示意图。

图8是本发明第一环注浆引孔圈的示意图。

图9是本发明第二环注浆引孔圈的示意图。

图10是本发明第三环注浆引孔圈的示意图。

图中各标号表示：

1、单次开挖范围；2、止浆墙；3、注浆引孔圈；31、第一环注浆引孔圈；311、第一环深孔；312、第一环中孔；313、第一环浅孔；32、第二环注浆引孔圈；321、第二环深孔；322、第二环浅孔；33、第三环注浆引孔圈；331、第三环深孔；4、初支；5、导管；51、出浆孔；52、外丝接头；53、内丝接头；6、初支内已加固地层；7、引孔孔洞；8、已注浆加固土体；81、浆脉；9、掌子面；10、注浆轮廓；11、单次注浆范围。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1至图10所示，本实施例的全断面注浆加固地层的施工方法，包括以下步骤：

s1、在待开挖掌子面9的外侧按预设要求设计注浆轮廓10，在待开挖掌子面9上标记所有需要引孔的位置，沿待开挖掌子面9按预设角度向注浆轮廓10方向进行引孔步骤，得引孔孔洞7，多个沿周向设置的引孔孔洞7为注浆引孔圈3。

注浆引孔圈3自待开挖掌子面9外侧向待开挖掌子面9内侧依次包括第一环注浆引孔圈31、第二环注浆引孔圈32和第三环注浆引孔圈33，第一环注浆引孔圈31、第二环注浆引孔圈32和第三环注浆引孔圈33的最大深度分别为h1、h2和h3，其中h1＞h2＞h3。

本实施例中，本发明的引孔是先根据开挖初支4外扩1.5m的设计注浆轮廓10，采用水钻按预设角度对开挖掌子面9进行定向引孔。引孔前先喷射c25混凝土封闭开挖掌子面9，厚度不少于20cm。水钻体积小、重量轻，易于操作且工效快。

步骤s1中，预设角度为：引孔方向与开挖方向的夹角为γ，γ=6°。

s2、分别向注浆引孔圈3的引孔孔洞7内插入导管5，导管5的深度与对应的引孔孔洞7的深度相同，依次对第一环注浆引孔圈31、第二环注浆引孔圈32和第三环注浆引孔圈33的导管5注浆，当达到目标标准时停止注浆，完成土层的加固。

先引孔，再放入导管5，使得引孔孔洞7周围的土体未受挤压，土层孔隙未缩小，注浆时是先注外圈导管，再注内圈导管，使得外圈浆液形成止水帷幕，从而将浆液扩散控制在圈内，减少浆液的浪费和对周边环境的影响。

s3、开挖初支内已加固地层6，设开挖深度h，当h2≤h≤h1时，停止开挖，循环步骤s1、s2直至开挖完成。

图3中，箭头所示方向为开挖方向，开挖深度h小于第一环注浆引孔圈31的最大深度h1，单次注浆范围11的深度大于单次开挖范围1的深度，使得在本次注浆与下一次注浆之间有一定深度距离的交叉，交叉范围内形成一道止浆墙2，确保下次注浆时掌子面9不反浆和保持掌子面9稳定，避免塌方。本实施例中，开挖深度h为16m，止浆墙2深度为2m。

本实施例中，当浆液强度达到设计要求后，且被加固土体强度不小于1mpa，再开挖初支内已加固地层6。

第一环注浆引孔圈31包括两个以上周向设置的第一环深孔311、第一环中孔312和第一环浅孔313，第一环中孔312设置于两第一环深孔311之间，第一环浅孔313设置于第一环深孔311和第一环中孔312之间，第一环深孔311、第一环中孔312和第一环浅孔313的深度分别为h11、h12和h13，其中h11＞h12＞h13。本实施例中，还满足h11-h12=h12-h13。

第二环注浆引孔圈32包括两个以上周向设置的第二环深孔321和第二环浅孔322，第二环浅孔322位于两第二环深孔321之间，第二环深孔321和第二环浅孔322的深度分别为h21和h22，其中h21＞h22。

第三环注浆引孔圈33包括两个以上周向设置的第三环深孔331，第三环深孔331的深度为h31，其中，h13≥h21，h22≥h31。

注浆引孔圈3的设置不同深度的引孔孔洞7有利于注浆。注浆时，相同注浆引孔圈3中使用不同长度的导管5交错注浆，是因为导管浆液主要靠端部孔口冒浆扩散，交错注浆可以提高导管5的注浆加固效果，降低漏注概率。

步骤s2中注浆步骤中，当对相同注浆引孔圈3内、不同深度的引孔孔洞7内的导管5注浆时，先深度最大，再深度较小；当对相同注浆引孔圈3内、相同深度的引孔孔洞7内的导管5注浆时，自上而下。相同注浆引孔圈3，相同深度的引孔孔洞7内的导管5，自上而下依次注浆，即从高处往低处注浆，是因为高处地层强度低，而浆液是会流向低强度地层，先注高处，同样是在高处先形成止水帷幕，可以防止浆液往地面流动，减少浆液浪费和对周边环境影响。

步骤s2中，目标标准为以下任意标准之一：

标准一：注浆量达到导管5的设计注浆量；

标准二：注浆压力达到目标设计压力；

标准三：注浆时地表沉降和隆起监测、管线沉降和隆起监测值达到预警值。

本实施例中，以注浆一次掌子面9上所有注浆引孔圈3内导管为单次循环注浆，标准一设计注浆量q计算公式如下：

q1=a×n×α×β，其中，q1为单次循环设计注浆量，a为单次被加固土体体积，n为土体孔隙率，α为填充率，β为损耗率；

q2=q1/l，其中q2为导管5的每延米设计注浆量，l为单次循环注浆引孔圈3内所有导管5的总长度；

q=q2×l1，其中，q为导单根导管5的设计注浆量，l1为单根导管长度。

本实施例中，目标设计压力为0.5mpa。

导管5的管壁上开设有多个出浆孔51。引孔孔洞7的孔径为d，导管5的孔径为d，其中d＞d。确保浆液从导管5流出后，与地层有充分的接触面积，使得浆液能充分注入地层的所有孔隙中，因为浆液都是向地层强度低的部位流动，而增大接触面积可大大提高浆液进入地层软弱部位的概率，从而提高浆液注入的概率。本实施例中，引孔孔洞7的孔径为50mm，导管5的孔径为25mm，引孔孔洞7的孔径比注浆导管5孔径大一倍。

导管5由两个以上标准管组装而成，标准管两端分别设有内螺纹和外螺纹，标准管的内螺纹与另一个标准管的外螺纹相匹配，标准管的管壁上开设有多个出浆孔51。

标准管采用无缝钢管制作而成，材料轻质、经济，工人易于操作，在开挖过程中，割除也容易。

本实施例中，导管5采用孔径25mm的无缝钢管，由3m长的标准管组装而成，每根标准管的两端分别有外丝接头52和内丝接头53，根据引孔深度不同，通过标准管的首尾的丝头的螺纹连接，将导管5放入引孔孔洞7内。

本实施例中，出浆孔51是切割而成，按10cm×10cm梅花形布置，直径为10mm。

本实施例中，每次注浆引孔时，每个掌子面设计三圈注浆引孔圈3。最外圈的第一环注浆引孔圈31，进行三种不同深度的引孔，深度分别为18m、15m、12m。在第一环注浆引孔圈31内等环距布置8个第一环深孔311，在每两个第一环深孔311之间中间位置布置1个第一环中孔312，在每个第一环深孔311与每个第一环中孔312之间中间位置布置一个第一环浅孔313。

本实施例中，从外往内的第二环注浆引孔圈32设置两种不同深度的引孔，深度分别为12m、9m。在第二环注浆引孔圈32内等环距布置8个第二环深孔321，在每两个第二环深孔321之间中间位置布置1个第二环浅孔322。

本实施例中，从外往内的第三环注浆引孔圈33设置一种深度的引孔，深度为6m，在第三环注浆引孔圈33内等环距布置8个第三环深孔331。

本实施例中，注浆材料采用水泥与水玻璃的混合溶液，水灰比1∶1～1∶0.5，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶1，水玻璃采用20°bé，注浆目标设计压力为0.5mpa。

本实施例中，将不同长度的导管5插入不同孔深的引孔孔洞7内，先从最外侧第一环注浆引孔圈31内导管5逐步向第三环注浆引孔圈33内导管5进行注浆，单圈内从最长的导管5依次递减向短的导管5进行注浆，单圈内同一长度的导管5，先从导管5高处往低处方向进行注浆。浆液注入地层后，会在已注浆加固土体8内形成网格状浆脉81。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。