一种隧道衬砌背后预留径向注浆装置及系统的制作方法

1.本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种隧道衬砌背后预留径向注浆装置及系统，适用于隧道及地下工程衬砌背后漏空、脱空以及围岩修复，具体可用于公路、铁路、市政、轨道交通、输水隧洞等领域。


背景技术：

2.现有技术中的隧道衬砌结构一般包括在围岩开挖面上依次施工的初期支护、防水层和衬砌。初期支护与防水层之间易出现空腔，形成漏空间隙；衬砌与防水层之间可能出现空隙，形成脱空间隙，特别是在拱顶处极易出现空腔。这些结构的不密实，极大地影响了隧道衬砌结构整体受力强度，若不及时处理，将会造成质量和安全隐患。所以隧道设计中采用在隧道衬砌结构中预留检查压浆的孔管，目的是在隧道衬砌浇筑或安装完毕后，通过注浆孔管检查压浆来消除这些脱空间隙及漏空间隙，也可对疏松围岩再次固结。
3.目前地下工程界运用的注浆孔管设置相对简单，孔管运用施工粗放，隧道工后围岩注浆往往造成防水板整体性破坏，地下水乱窜，并且处理费用偏高，最后处理效果欠佳。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种隧道衬砌背后预留径向注浆装置及系统，能够及时、科学合理地治理衬砌背后漏空、脱空以及围岩体疏松状况，降低隧道的维护成本，提升隧道建设质量。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案为一种隧道衬砌背后预留径向注浆装置，包括注浆支管、内置阀门、用于排气的空心转杆以及用于向隧道的衬砌背后径向注浆的注浆孔管；所述注浆孔管的一端为注浆口，另一端为用于向隧道的漏空间隙注浆的出浆口；所述注浆孔管的靠近出浆口端的侧壁上还设有若干出浆孔，所述出浆孔上连接有用于向隧道的脱空间隙注浆的注浆支管；所述空心转杆沿所述注浆孔管的轴线设置于所述注浆孔管内，所述空心转杆的排气进口位于所述出浆口且略露出所述出浆口，排气出口位于所述注浆口；所述注浆孔管内设有至少一个可关闭或打开所述注浆孔管的内置阀门，所述内置阀门安装于所述空心转杆上且位于所述出浆口与所述出浆孔之间。
6.进一步地，所述内置阀门包括上下贴合的内置阀门大叶片和内置阀门小叶片；所述内置阀门大叶片的圆心所在处设有轴孔并套设于所述空心转杆上，所述内置阀门大叶片的弧圈与所述注浆孔管的内壁固定连接；所述内置阀门小叶片的圆心所在处与所述空心转杆固定连接；所述内置阀门小叶片的面积与所述内置阀门大叶片的面积之和大于所述注浆孔管的内圆面积；所述空心转杆设置于所述注浆孔管内并可相对于所述注浆孔管转动。
7.更进一步地，所述空心转杆的排气出口与空心手柄固定连接，所述注浆孔管的注浆口端的侧壁上对应所述内置阀门完全打开的位置处设有排气气道出口，所述空心手柄通过所述排气气道出口连接可拆卸的接长气管。
8.进一步地，所述空心转杆的排气进口以及所述注浆支管的出浆口均套有弹性包
头。
9.进一步地，所述注浆孔管的注浆口端设置有碗形固定件，所述碗形固定件的碗底设有通孔，所述注浆孔管贯穿所述通孔并与碗底固定连接，所述碗形固定件的碗顶外围碗檐与隧道浇筑衬砌的模板设可拆解连接。
10.更进一步地，所述碗形固定件的内壁与所述注浆孔管的外壁之间填充有填充材料。
11.进一步地，所述注浆孔管外壁上对应穿过防水层的位置处设有密封件。
12.更进一步地，所述密封件包括从出浆口向注浆口方向依次套设于所述注浆孔管上的固定小垫圈、第一活动大垫圈、第二活动大垫圈和锁固螺母；所述固定小垫圈与所述注浆孔管固定，所述第一活动大垫圈和所述第二活动大垫圈分别用于设置在防水层两侧的漏空间隙和脱空间隙，并通过所述锁固螺母锁紧。
13.进一步地，所述注浆孔管和所述空心转杆为固定管件或可伸缩管件。
14.本发明还提供一种隧道衬砌背后预留径向注浆系统，包括隧道衬砌结构和上述的注浆装置；所述隧道衬砌结构的拱顶设置有所述注浆装置；当围岩体疏松时，在所述隧道衬砌结构的仰拱及两侧拱脚处增设所述注浆装置；所述注浆孔管垂直贯穿所述隧道衬砌结构的衬砌和防水层，所述注浆孔管的出浆口位于漏空间隙中且靠近围岩开挖面，所述注浆支管的出浆口位于脱空间隙中且靠近防水层。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：在隧道衬砌结构中采用本发明的注浆装置，能够快速消除隧道工后和后期运用中衬砌背后或仰拱底部出现漏空或脱空，抑制地下水发育对衬砌的影响，明显降低隧道施工和运营阶段的维护成本，有效地提升隧道建设质量，在地下工程的围岩持续保护、衬砌结构全寿命管理和控制地下水危害等方面取得了突破。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
17.图1为本发明实施例提供的隧道衬砌背后预留径向注浆系统的结构示意图；图2为本发明实施例提供的隧道衬砌背后预留径向注浆装置的结构示意图；图中：1、注浆孔管；2、内置阀门大叶片；3、内置阀门小叶片；4、空心转杆；5、空心手柄；6、接长气管；7、注浆支管；8、弹性包头；9、机械防水封盖；10、固定小垫圈；11、第一活动大垫圈；12、第二活动大垫圈；13、锁固螺母；14、可伸缩位置；15、碗形固定件；16、扣式小螺栓；17、填充材料；18、模板；19、地层；20、围岩开挖面；21、初期支护；22、漏空间隙；23、防水层；24、脱空间隙；25、衬砌；26、净空；27、仰拱填充。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
19.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
20.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
21.如图2所示，本实施例提供一种隧道衬砌背后预留径向注浆装置，包括注浆支管7、内置阀门、用于排气的空心转杆4以及用于向隧道的衬砌25背后径向注浆的注浆孔管1；所述注浆孔管1的一端为注浆口，另一端为用于向隧道的漏空间隙22注浆的出浆口；所述注浆孔管1的靠近出浆口端的侧壁上还设有若干出浆孔，所述出浆孔上连接有用于向隧道的脱空间隙24注浆的注浆支管7；所述空心转杆4沿所述注浆孔管1的轴线设置于所述注浆孔管1内，所述空心转杆4的排气进口位于所述出浆口且略露出所述出浆口，排气出口位于所述注浆口；所述注浆孔管1内设有至少一个可关闭或打开所述注浆孔管1的内置阀门，所述内置阀门安装于所述空心转杆4上且位于所述出浆口与所述出浆孔之间。本实施例通过在注浆孔管1的出浆口和出浆孔之间的管内设置至少一个机械开闭的内置阀门；安装启始，内置阀门是关闭的；经检查，如果脱空间隙24和漏空间隙22都存在，则先用注浆压强低的浓稠水泥砂浆对防水层23以内的脱空间隙24注浆充填，以解决衬砌25背后的脱空间隙24状况，然后开启内置阀门，对防水层23以外的漏空间隙22采用较高的压强压注稍稀的水泥砂浆，以解决防水层以外的漏空间隙22，如果围岩破碎，压强后期应调高，以解决围岩体疏松状况；如果脱空间隙24基本无，漏空间隙22存在，则打开内置阀门向漏空间隙22压注浆液；在隧道衬砌结构中采用本实施例的注浆装置，能够快速消除隧道工后和后期运用中衬砌25背后或仰拱底部出现漏空或脱空，抑制地下水发育对衬砌25的影响，明显降低隧道施工和运营阶段的维护成本，有效地提升隧道建设质量。
22.优化上述实施方案，防水层23以内的注浆孔管1的侧壁上设置布置1~2环出浆孔，环净距15~30mm，每环等距3~4个注浆孔，注浆孔直径为5~15mm，每个出浆孔外都与相应的硬质注浆支管7连接，以解决衬砌25背后的脱空间隙24问题，采用注浆支管7注浆时需要关闭注浆孔管1内的内置阀门。
23.进一步地，所述内置阀门包括上下贴合的内置阀门大叶片2和内置阀门小叶片3；所述内置阀门大叶片2的圆心所在处设有轴孔并套设于所述空心转杆4上，所述内置阀门大叶片2的弧圈与所述注浆孔管1的内壁固定连接；所述内置阀门小叶片3的圆心所在处与所述空心转杆4固定连接；所述内置阀门小叶片3的面积与所述内置阀门大叶片2的面积之和大于所述注浆孔管1的内圆面积；所述空心转杆4可转动地设置于所述注浆孔管1内。本实施例的内置阀门大叶片2和内置阀门小叶片3上下紧贴布置，内置阀门大叶片2固定焊接于注浆孔管1的内壁上并保持不动，内置阀门小叶片3与可转动地空心转杆4固定连接，通过旋转空心转杆4带动内置阀门小叶片3转动，可以调整内置阀门上注浆通道的关闭和打开；当内
置阀门上注浆通道关闭时，可通过注浆孔管1和注浆支管7向脱空间隙24注浆；当内置阀门上注浆通道打开时，可通过注浆孔管1向漏空间隙22注浆。
24.优化上述实施方案，在注浆孔管1内设置两个内置阀门，两个内置阀门均靠近防水层23设置，且其中一个设置于防水层23外侧，另一个设置于防水层23内侧。
25.优化上述实施方案，内置阀门大叶片2的面积稍大于注浆孔管1截面的半圆面积，内置阀门小叶片3的面积等于或稍大于注浆孔管1截面的半圆面积。
26.更进一步地，所述空心转杆4的排气出口与空心手柄5固定连接，所述注浆孔管1的注浆口端的侧壁上对应所述内置阀门完全打开的空心手柄5位置处设有排气气道出口，所述空心手柄5通过所述排气气道出口连接可拆卸的接长气管6。本实施例中空心转杆4、空心手柄5和内置阀门小叶片3是固定焊接在一起的，注浆孔管1的内壁上对应内置阀门小叶片3的转动路径处设有圆形凹槽，该圆形凹槽是内置阀门小叶片3的旋转滑槽道，内置阀门的关闭和打开是通过转动空心手柄5带动空心转杆4在注浆孔管1内转动，从而带动空心转杆4上固定连接的内置阀门小叶片3沿圆形滑槽转动来实现；该过程中，空心转杆4只能在注浆孔管1内转动，不能够沿轴向平动。
27.进一步地，所述空心转杆4的排气进口以及所述注浆支管7的出浆口均套有弹性包头8。本实施例的弹性包头8均采用橡胶制成，呈小的头套结构，空心转杆4的排气进口以及多个注浆支管7的出浆口均套有该弹性包头8；防水层23以内注浆时，注浆支管7上的弹性包头8在注浆压力的作用下顶开，注浆支管7的出浆口打开，向脱空间隙24注浆；当需要排气时，通过空心转杆4的排气口终端的可拆卸接长气管向内吹气将空心转杆4排气进口上的弹性包头8顶开。
28.优化上述实施方案，注浆孔管1的注浆口通过机械防水封盖9密封，机械防水封盖9与注浆孔管1的外壁接触部分采用内外丝扣可拆卸式连接。
29.进一步地，所述注浆孔管1的注浆口端设置有碗形固定件15，所述碗形固定件15的碗底设有通孔，所述注浆孔管1贯穿所述通孔并与碗底固定连接，所述碗形固定件15的碗顶外围碗檐与隧道浇筑衬砌的模板设可拆解连接。进一步地，所述碗形固定件15的内壁与所述注浆孔管1的外壁之间填充有填充材料17。本实施例在施工前先将碗形固定件15的碗檐与模板18对应碗檐处都设计有扣式小螺栓孔，孔位呈三角形或四方形，采用3颗或4颗扣式小螺栓16锁定碗形固定件15，然后将注浆孔管1的注浆端头通过碗底通孔插入碗形固定件15内，二者定位接触部位采用强力胶固定，碗形固定件15的内壁与注浆孔管1的外壁之间采用可拆解的填充材料17填塞；其中，填充材料17可以采用专用泡沫剂，也可以采用混凝土。衬砌25可以采用现浇混凝土式衬砌，也可以采用管片拼装式衬砌；当采用现浇混凝土式衬砌时，在衬砌25养护完成后，松开模板18外表面的3颗或4颗扣式小螺栓16的螺帽，模板18可以移走，注浆孔管1留在衬砌结构中；当采用管片拼装式衬砌时，工厂化生产的对应管片位置留下注浆装置的安装空间，现场安装时安入注浆装置，二者定位接触部位采用胶粘材料固定。
30.进一步地，所述注浆孔管1外壁上对应穿过漏空间隙22与脱空间隙24之间的防水层23的位置处设有密封件，通过密封件使注浆孔管1外壁与防水层23孔洞接触处密封。更进一步地，所述密封件包括从出浆口向注浆口方向依次套设于所述注浆孔管1上的固定小垫圈10、第一活动大垫圈11、第二活动大垫圈12和锁固螺母13；所述固定小垫圈10与所述注浆
孔管1固定连接，所述第一活动大垫圈11和所述第二活动大垫圈12分别用于设置在防水层23两侧的漏空间隙22和脱空间隙24，使用时，第一活动大垫圈11和第二活动大垫圈12分别紧贴在防水层23的两侧，并通过所述锁固螺母13锁紧，确保防水层23上的注浆孔管1通过的位置处密封不透水。
31.进一步地，所述注浆孔管1和所述空心转杆4为固定管件或可伸缩管件。本实施例中，注浆孔管1的管身和空心转杆4的杆体可以均具有伸缩功能，适用于隧道衬砌结构的不同位置以及不同厚度的衬砌结构，扩展了注浆装置的应用范围；具体可以通过套管形式来实现注浆孔管1和空心转杆4的伸缩功能，可伸缩位置14可以布置在注浆孔管1的管身中部。
32.如图1所示，本实施例还提供一种隧道衬砌背后预留径向注浆系统，包括隧道衬砌结构和上述的注浆装置；所述隧道衬砌结构的拱顶设置有所述注浆装置；当围岩体疏松时，在所述隧道衬砌结构的仰拱及两侧拱脚处均设置所述注浆装置；所述隧道衬砌结构的包括在围岩开挖面20上依次施工的初期支护21、防水层23和衬砌25；初期支护21与防水层23之间具有漏空间隙22，衬砌25与防水层23之间具有脱空间隙24；所述注浆孔管1布置于衬砌25的外表面与围岩开挖面20之间，且垂直贯穿衬砌25和防水层23，且所述注浆孔管1的出浆口位于漏空间隙22中且靠近围岩开挖面20或初期支护21，所述注浆支管7的出浆口位于脱空间隙24中且靠近防水层23。本实施例在隧道衬砌结构施工的同时预埋好注浆装置，主要有以下作用：1）对人工实时了解衬砌环境和质量状况提供了帮助，对于衬砌背后是否存在漏空、脱空以及地下水发育状况就有了实时和真实的了解，在衬砌“质量三检制”的自检过程就可及时发现问题，并利用预留的注浆装置来处理缺陷问题，减轻或消除质量问题；2）拱顶衬砌混凝土浇筑过程中塌落影响和受混凝土养生过程自然发生的收缩徐变等，拱顶衬砌背后脱空都会不同程度存在，在隧道衬砌达到养护条件、衬砌厚度满足设计要求，通过拱顶位置预留的注浆装置，对防水板内侧的拱顶脱空范围注浆可以消除脱空空隙；3）对现阶段隧道交工验收前无损检测结果发现，隧道拱脚至墙腰会存在漏空，通过在隧道两侧拱脚位置预留的注浆装置，对防水板背后与围岩初期支护之间的漏空、以及周边围岩体疏松处进行补充注浆，达到消除空腔和固结围岩的目的；4）隧道仰拱填充27部位预留注浆装置，可以对隧道后期运营发生的翻浆冒泥等动态不良变化情况进行质量整治。对验收之前未动用的注浆装置预留保护，待后期围岩动态变化产生问题需要处置时再启用。
33.以隧道纵向长度6m的段落进行投资分析，10~14m开挖宽度或以下，可按上下左右各一处孔管预留，共四处设置；15~24m开挖宽度，可按上一处、左右下各二处孔管预留，共七处设置；一处孔管生产费用250元，6m长12m宽的隧道造价24万元估算，预留孔管装置仅占隧道土建安装费用的5
‰
左右，工后能够及时对缺陷或病害问题处理。
34.本实施例的注浆装置也可以在其他土木工程建设领域相关需要的注浆及其他方面中推广应用。
35.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。