一种隧道穿越饱和砂土的预加固装置及方法

技术领域

本发明涉及一种隧道穿越饱和砂土地段的隧道围岩加固装置及施工方法，主要解决了饱和砂土地段隧道施工的技术问题，属于隧道施工技术领域。

背景技术

饱和砂土强度较低，隧道开挖时土体自稳能力极差，当地下水丰富和施工机械扰动等产生液化，掌子面岩体失稳，无法承担自身荷载而发生塌陷，造成工程事故。隧道穿越饱和砂土地地段时，需要对被穿越区域进行预加固处理，实现堵水和加固，使围岩拥有一定的承载能力和自稳能力，保证土体开挖后不会坍塌。

隧道超前预加固注浆可以有效填筑砂土之间的空隙，待浆液达到一定强度时，可以将饱和砂土中的砂粒粘结在一起，在饱和砂土中可以形成强度较大的围岩加固区域，确保隧道穿越饱和砂土区域拥有稳定的围岩和止水作用。在隧道预加固时通常采用注浆加固方法主要是基于扩散理论，动水注浆理论，压密注浆扩散理论和劈裂注浆扩散理论的钻孔注浆法和袖阀管注浆方法等，在注浆装置上运输与安装往往比较费时费力，在工艺上注浆的方向不确定，浆液在土体中随意扩散，土体中加固区域的形状与施工要求的形状差异较大，注浆效果不理想。

本发明为饱和砂土中隧道开挖提供了新的工程预加固处理方案，对隧道穿越饱和砂土地层时进行预加固和封闭止水，保证隧道施工正常进行。

发明内容

本发明一种隧道穿越饱和砂土的预加固装置及方法是根据诱导和驱替原理，通过在砂土地层中定向排水诱导，在饱和砂土层中形成驱替通道，用具有可注性的水泥浆沿负压诱导通道驱替饱和砂土层中的地下水，充填并滞留在饱和砂土地层中，与砂土一起形成理想的注浆浆液凝固体，加固软土地层和封闭地下水流动通道，对隧道进行超前预加固。

本发明主要包括五个部分：运输控制装置(1)、注浆装置(2)、管道系统(3)、排水装置(4)、智能监测控制系统(5)。

运输控制装置(1)包括注浆装置的控制室(1.1)和主车身(1.2)；控制室(1.1)中除了基本的车辆操作设备外还包括报警装置、控制装置和显示屏。

注浆装置(2)主要包括浆液储存箱(2.1)、注浆泵(2.2)、钢支架(2.3)、注浆压力控制箱(2.4)、注浆导管(2.5)、出浆管(2.6)、压力传感器(2.7)、搅拌机(2.8)和注浆量测定表(2.9)；

管道系统(3)主要包括注浆管(3.1)、排水管(3.2)、第一接头(3.4.1)、第二接头(3.4.2)、第一阀门(3.5.1)、第一阀门(3.5.1)；

排水装置(4)包括抽水泵(4.1)、排水导管(4.2)、排水压力控制箱(4.3)透明塑料管(4.4)、排水量测定表(4.5)；

智能监测控制系统(5)包括注浆压力表(5.1)、排水压力表(5.2)、智能压力控制装置(5.3)。

控制室(1.1)中的报警、控制装置与智能监测控制系统(5)相互独立。

控制室(1.1)与注浆装置(2)由主车身(1.2)搭载。

浆液储存箱(2.1)经由注浆泵(2.2)与注浆压力控制箱(2.4)利用注浆导管(2.5)连接，出浆管(2.6)安装于注浆压力控制箱(2.4)的出浆口。

注浆泵(2.2)利用钢支架(2.3)与主车身(1.2)连接。

注浆压力控制箱(2.4)内的压力传感器(2.7)通过导线连接到控制室(1.1)中的报警装置和显示屏。

搅拌机(2.8)安置于浆液存储箱(2.1)的顶部，利用导线与控制室(1.1)中控制装置连接。

压力检测表(2.9)安置于出浆管(2.6)端部，利用导线与控制室(1.1)的显示屏连接。

出浆管(2.6)经由第一导管(3.3.1)、第一接头(3.4.1)、第一阀门(3.5.1)与注浆管(3.1)连接。

抽水泵(4.1)的进水口依次经由排水压力控制箱(4.3)、排水量测定表(4.5)、第二导管(3.3.2)、第二接头(3.4.2)、第二阀门(3.5.2)与排水管(3.2)连接，各部件接口处均采用丝扣连接。

抽水泵(4.1)的出水口与排水导管(4.2)连接，排水导管(4.2)中设有一段透明塑料管(4.4)。

控制室(1.1)位于主车身(1.2)上，控制室(1.1)中除了对车辆进行基本的操作，还通过其中的报警装置、控制装置和显示屏对浆液储存箱(2.1)中浆液量、单次注浆量进行监控，对搅拌机(2.8)进行控制。

在浆液储存箱(2.1)内的底部安装压力传感器(2.7)，压力传感器(2.7)通过导线连接到控制室(1.1)中的报警装置和显示屏，压力传感器(2.7)反馈的压力值显示于控制室(1.1)显示屏上，低于一定压力值时，控制室(1.1)的报警装置发出报警。搅拌机(2.8)放置于浆液存储箱(2.1)的内部，利用导线与控制室(1.1)中控制装置连接，在控制室(1.1)控制装置设置搅拌时长与搅拌的时间间隔，在注浆过程中自动防止浆液凝固。浆液储存箱(2.1)经由注浆泵(2.2)与注浆压力控制箱(2.4)连接，通过注浆压力控制箱(2.4)合理调节注浆装置(2)中的注浆压力。注浆压力控制箱(2.4)设有出浆管(2.6)，出浆管(2.6)带有丝扣，保证能够与第一导管(3.3.1)紧密连接。出浆管(2.6)上设有注浆量测定表(2.9)，注浆量测定表(2.9)利用导线与控制室(1.1)的显示屏连接，注浆前注浆量测定表(2.9)进行调零；注浆过程中注浆量测定表(2.9)将持续监测注浆量并反馈到控制室(1.1)的显示屏，每次注浆完毕对单次注浆量进行记录，用于最后补浆评价。

注浆管(3.1)和排水管(3.2)均采用侧面带孔的花管，端部呈尖状且封闭；注浆时浆液从注浆管(3.1)侧面小孔均匀的扩散到饱和的砂土中；排水管(3.2)包裹纱网，防止排水管(3.2)周围砂土颗粒流失或堵塞排水管(3.2)；注浆过程中，排水管(3.2)周围形成负压区域，诱导注浆管(3.1)拍出的浆液向负压管周围流动，实现定向注浆；同一隧道设置多个注浆管(3.1)和排水管(3.2)，注浆管(3.1)和排水管(3.2)交叉间隔排布且排布的路线按照所需的流程排布；第一导管(3.3.1)和第二导管(3.3.2)均采用钢管，用于输送浆液和排水。第一阀门(3.5.1)安置于注浆管(3.1)入口，主要用于封锁注浆管(3.1)的入口；第二阀门(3.5.1)安置于排水管(3.2)的入口，主要用于封锁排水管(3.2)，防止注浆前土中的水和注浆后土中的浆液顺着对应的管道反方向流动；待注浆区浆液凝固后可以拆卸第一阀门(3.5.1)和第二阀门(3.5.1)清洗后循环使用。

排水装置(4)中采用合适规格的抽水泵(4.1)在排水装置(4)中形成负压。排水导管(4.2)采用适当的钢管来疏水。排水压力控制箱(4.3)调节排水装置(4)中的压力，调整合理的负压范围确保注浆的效果。透明塑料管(4.4)安装在系统的排水口，通过透明塑料管(4.4)观察浆液的流量和稠度变化，判断是否停止注浆。透明塑料管(4.4)有浆液流过时，应当及时关闭阀门(3.5)，阻止浆液流失。排水量检测表(4.5)在注浆过程中检测一次注浆的排水量，用于注浆效果评价。

每个注浆压力表(5.1)通过智能压力控制装置(5.3)与注浆压力控制箱(2.4)连接，每个排水压力表(5.2)通过智能压力控制装置(5.3)与排水压力控制箱(4.3)连接，注浆压力表(5.1)和排水压力表(5.2)在注浆过程中能够对注浆压力和排水压力进行动态监控测量，及时向智能压力控制装置(5.3)反馈压力值，然后由智能压力控制装置(5.3)控制注浆压力控制箱(2.4)和排水压力控制箱(4.3)；

智能压力控制装置(5.3)设定自动控制程序，且拥有多个接口，每个排水压力表(5.2)、排水压力控制箱(4.3)、注浆压力控制箱(2.4)和排水压力控制箱(4.3)对应智能压力控制装置(5.3)的一个接口。

本发明的核心内容是驱替排水与诱导注浆施工装置和技术。在饱和砂土的内部可以认为封闭的区域，当土体内部的水向诱导方向流动，在土体内部即可产生一定的负压力，水泥浆在一定的注浆压力下以流体形式在压力差的作用下向负压区域流动，驱替土体中的地下水。在被注浆土体中任一微单元体内注浆压力和负压力差超过土体中地下水和驱动压力时，水泥浆液开始按照预期诱导的方向注入土体预加固区域，对注浆区域进行定向和定量注浆，达到预期的注浆加固土体的目的。采用智能监测控制系统(5)，对整个系统中的注浆压力值和负压值进行智能监控，保证注浆速度均匀和注浆效果合格。

本方法可以合理的控制注浆方向和位置，提高注浆效率，减少无效注浆。

本发明的具体施工顺序为：

(一)埋设管道

根据相应的注浆规范，对用于安装注浆管(3.1)和排水管(3.2)的注浆孔与排水孔的位置进行设计，本发明中确定孔位需要提前计算的参数包括：注浆孔与排水孔之间的间距S，注浆管与排水管直径d，注浆管周围扩散直径D，注浆管分布的层数w；并根据设计的参数合理安排注浆孔与排水孔的位置。

用钻机按照设计的注浆孔和排水孔位置进行钻孔，埋设注浆管(3.1)和排水管(3.2)；埋设注浆管(3.1)和排水管(3.2)时，应注意每根注浆管与排水管交替布置，便于浆液的扩散。

(二)系统连接

运输装置(1)和注浆装置(2)提前组装完毕，施工现场准备就绪后，由运输装置(1)搭载注浆装置(2)运输到施工现场。

管道系统(3)：在隧底区域、左侧壁区域和右侧壁区域、隧道顶部区域分块埋置好注浆管(3.1)和排水管(3.2)；所有的注浆管(3.1)和排水管(3.2)一次性完成安装，但每个区域分开注浆。注浆管(3.1)和排水管(3.2)埋设完毕后，在管口处安装阀门和接头，注浆管(3.1)和排水管(3.2)管口处分别安装注浆压力表(5.1)和排水压力表(5.2)，用于测量注浆压力和排水压力；然后利用导管连接单根注浆管(3.1)的接头和注浆装置(2)的出浆管(2.6)；利用导管连接注浆管(3.1)两侧的排水管(3.2)的接头和排水装置(4)；

一根注浆管(3.1)与其两侧的排水管(3.2)组成一次施工循环；

所有导管均采用带有丝扣的钢管，确保连接的紧密性；

排水装置(4)：利用导管连接排水管的接头与排水压力控制箱(4.5)，在二者之间安装排水量测定表，连接时保证连接的密封性；抽水泵(4.1)和排水压力控制箱之间利用导管连接。排水导管(4.2)连接抽水泵(4.1)的出水口，将水疏导至隧道外部。在排水导管(4.2)连接抽水泵(4.1)的接口处，连接一段透明塑料管(4.6)，用于观察浆液是否流出；透明塑料管(4.6)之后安装一个阀门(4.4)，观察到浆液在排水口流出时关闭，防止浆液的流出。

利用导线将注浆压力表(5.1)和排水压力表(5.2)与智能压力控制装置(5.3)连接；利用导线将注浆压力控制箱(2.4)和排水压力控制箱(4.3)与智能压力控制装置(5.3)连接，保证智能压力控制装置(5.3)根据系统中反馈的压力值对注浆压力和排水压力进行智能监控。

(三)排水注浆

对于注浆过程，需要提前设计的参数有：预排水压力P

本发明进行施工时排水先于注浆，每次注浆前需要对注浆量测定表(2.9)和排水量测定表(4.7)调零。注浆前调整智能压力控制装置(5.3)中的负压值为P

注浆时先开启抽水泵(4.1)，对饱和砂土区域持续排水时间t

注浆时按照隧底注浆、两侧壁注浆、隧道拱顶注浆的顺序依次完成注浆，防止因隧道顶部的浆液向下流动，导致隧道顶部的浆液量较少而隧道顶部强度较低。

(四).注浆评价

本发明注浆后对注浆区域的注浆效果进行评价分为：注浆密实度评价，止水效果评价和加固效果评价。

注浆密实度评价：

注浆密实度评价包括两部分，补浆评价和注浆效果评价。

补浆评价是在注浆结束后，利用注浆过程中测定的注浆量C

注浆效果评价是利用物探法评价。待浆液凝固后，利用自主发明的富水区注浆密实度检测设备对土体中注浆的密实度进行检测。利用计算机对数据结果进行相应的处理，得到注浆区域浆液扩散后的加固效果影像，评价注浆效果。

止水效果评价：

利用取样法进行评价。待注浆区域达到合适的强度后，隧道核心土区域开挖前，对注浆区域进行止水效果评价。在掌子面处开挖少许区域，在注浆区域的一个断面上的顶部，仰拱以及两侧的围墙进行钻孔取样，在钻孔处收集渗水量，用于评价注浆堵水效果。当每一处的渗水量C

加固效果评价：

利用止水效果评价中取出的试样，对试样的强度进行实验检测，利用试样的平均强度作为计算注浆区域的围岩强度依据，对注浆区域的加固围岩强度进行计算，通过与预期的围岩加固强度比较，进行注浆加固效果评价。当达到预期围岩加固强度的m％，可以认为围岩加固效果合格。

(五).隧道开挖

注浆评价的各项指标合格后，对隧道核心土区域饱和砂土进行开挖。开挖时先在隧道开挖区域设置足够的支撑，防止开挖过程中隧道坍塌。

有益效果

本发明应用了新的排水诱导与驱替注浆装置和方法，对饱和砂土区域隧道围岩区进行注浆，达到加固隧道围岩的效果。本发明的有益效果如下：

(1)利用排水诱导和驱替的原理，在饱和砂土内部实现定向注浆，在饱和砂土的内部形成预期的注浆加固区，达到加固隧道围岩的目的。

(2)采用智能监测控制系统(5)，注浆过程中能够自动对注浆压力值和负压值进行控制，维持注浆速度的均匀性，达到良好的注浆效果。

附图说明

图1注浆施工示意图；

图2注浆车示意图；

图3运输控制装置示意图；

图4注浆装置示意图；

图5管道系统示意图；

图6排水装置示意图；

图7智能监测控制系统示意图；

图8掌子面管道布置示意图；

图9控制室与注浆装置连接示意图；

图10智能监测控制系统监测控制原理示意图。

附图标注：

1运输控制装置，2注浆装置，3管道系统，4排水装置，5智能监测控制系统。

运输控制装置1：1.1、控制室；1.2、主车身。

注浆装置2：2.1、浆液储存箱，2.2、注浆泵，2.3、钢支架，2.4、注浆压力控制箱，2.5、注浆导管，2.6、出浆管，2.7、压力传感器，2.8、搅拌机，2.9注浆量测定表。

管道系统3：3.1、注浆管，3.2、排水管，3.3.1、第一导管，3.4.1、第一接头，3.5.1第一阀门、3.3.2、第二导管，3.4.2、第二接头，3.5.2第二阀门；

排水装置4：4.1、抽水泵，4.2、排水导管，4.3、排水压力控制箱，4.4、透明塑料管，4.5、排水量测定表。

智能监测控制系统5：5.1、注浆压力表，5.2、排水压力表，5.3、智能压力控制装置。

本发明仅以单层注浆层布置管道进行具体介绍，可按照实际情况布置多层管道。注浆管(3.1)与排水管(3.2)交替分布。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

本发明中主要采用排水诱导注浆方法，通过排水和施加注浆压力的方式在土体内部形成压力差，诱导浆液定向流动和定量注浆，形成预期的土体加固区域和范围。待浆液凝固后对砂土颗粒产生凝结作用，形成一定强度的围岩加固区域，达到堵水与加固围岩的双重效果。本发明整个过程的具体实施包括以下四个环节：

1.管道的埋设：

根据相应的注浆规范，确定以下参数：注浆孔与排水孔之间的间距S，注浆管与排水管直径d，注浆管周围扩散直径D，注浆管分布的层数w。本发明以两层注浆管的分布进行具体介绍。本发明仅以单层管道注浆一次循环注浆施工进行介绍。

根据隧道前方土体的状况，在隧道掌子面上规划出注浆管(3.1)和排水管(3.2)的位置。利用钻孔机在隧道的掌子面上进行钻孔，钻孔时保证钻孔方向与水平面有一定的夹角。钻孔完毕后将注浆管(3.1)和排水管(3.2)交替插入成孔中，保证注浆时浆液在土体中均匀扩散。注浆管(3.1)和排水管(3.2)的侧方带有小孔，浆液和土体中的水自小孔流出和流入；每根排水管上包裹一层纱网，防止排水过程中砂土颗粒的流失，形成空洞区域而影响围岩的强度。

2.系统的连接

运输装置(1)和注浆装置(2)在施工前已经提前组装完毕，施工现场准备就绪后，直接由运输装置(1)将注浆装置(2)运输至施工现场。

首先在土体中埋置好注浆管(3.1)和排水管(3.2)，排水管(3.2)埋设前需要包裹纱网。注浆管(3.1)和排水管(3.2)的预埋分为四个区域：隧底区域，左侧壁区域和右侧壁区域，隧道顶部区域。安装管道时整个注浆区域管道全部安装，但每个区域分开注浆。待注浆管(3.1)和排水管(3.2)埋均设完毕后，注浆管(3.1)和排水管(3.2)安装阀门(3.5)和接头(3.4)。利用导管(3.3)连接注浆装置(2)的出浆管(2.6)和注浆管(3.1)处的接头(3.4)，利用导管(3.3)连接排水装置(4)和注浆管(3.1)两侧的排水管(3.2)处的接头(3.4)。所有导管(3.3)的接口均采用带有螺纹的钢管，加强连接的紧密性。

排水装置(4)主要包括抽水泵(4.1)，排水导管(4.2)，排水压力控制箱(4.3)，透明塑料管(4.4)和排水量测定表(4.5)。利用导管(3.3)连接排水管(3.2)处的接头(3.4)与排水压力控制箱(4.3)，在二者的接头处安装排水量测定表(4.5)，连接时保证连接的密封性；抽水泵(4.1)和排水压力控制箱(4.3)之间利用导管(3.3)连接。排水导管(4.2)连接抽水泵(4.1)的出水口，将水疏导到隧道外部合适的区域。在排水导管(4.2)连接抽水泵(4.1)的接口处，连接一段透明塑料管(4.4)，用于观察浆液在排水口是否流出；当透明塑料管(4.4)看到浆液开始流出时，及时关闭排水管阀门(3.5)，防止浆液的流出。

待注浆装置2,、管道系统3和排水装置4连接完毕后，利用导线将注浆压力表(5.1)和排水压力表(5.2)与智能压力控制装置(5.3)连接。用导线将注浆压力控制箱(2.4)和排水压力控制箱(4.3)与智能压力控制装置(5.3)连接，保证智能压力控制装置(5.3)根据系统中反馈的压力值对注浆压力和排水压力进行智能监控。

3.排水注浆：

注浆时按照底部仰拱注浆，两侧壁注浆，隧道拱顶注浆的顺序依次完成注浆，防止因隧道顶部的浆液流失，致使隧道顶部出现空洞而导致隧道顶部强度较低的风险。

当浆液存储箱(2.1)注入浆液后续立即开启搅拌机(2.8)，防止浆液凝固影响注浆效果。每次注浆前需要对注浆量测定表(2.9)和排水量测定表(4.5)调零。

注浆前调整智能压力控制装置(5.3)中的负压值为P

当注浆压力表(5.1)和排水压力表(5.2)的压力值超过P

注浆前需要提前开启抽水泵(4.1)，智能压力控制装置(5.3)根据排水压力表(4.3)的压力值控制排水压力控制箱(4.3)对排水装置4中的压力进行调节，控制排水压力表(4.3)的表值为P

待注浆至透明塑料管(4.4)看到浆液时，关闭抽水泵(4.1)和和排水管阀门(3.5)。对饱和砂土区域继续注浆持续时长t

注浆结束后注浆管(3.1)和排水管(3.2)留在注浆土体中，注浆管(3.1)和排水管(3.2)中浆液凝固后，拥有良好的抗压能力与抗弯能力，有加强注浆区域强度的效果。

4.注浆效果评价：

本发明的评价指标有：注浆密实度评价，止水效果评价和加固效果评价。注浆密实度评价包括补浆评价和注浆效果评价。

注浆密实度评价：

补浆评价：每次注浆测定一组注浆量C

注浆效果评价：待浆液凝固后，利用自主发明的富水区注浆密实度检测设备对注浆区土体进行扫描，利用计算机对数据结果进行相应的处理，得到注浆区域浆液扩散后的加固效果影像，评价注浆效果。

止水效果评价：

待注浆区域达到合适的强度后，隧道核心土区域开挖前，在掌子面处开挖少许区域，在注浆区域的一个断面上的顶部、仰拱以及两侧的围墙进行钻孔取样，在钻孔处收集渗水量，当每一处的渗水量C

加固效果评价：

止水效果评价中取出的试样进行实验检测，利用试样的平均强度计算注浆区域的围岩强度，当达到预期围岩加固强度的m％，可以认为围岩加固效果合格，反之补强。

5.隧道开挖：

注浆过后，等待注浆区域的浆液达到一定的强度，饱和砂土与浆液融合形成拥有一定的承载能力的围岩。待注浆效果评价的密实度评价、止水效果评价和加固效果评价均达到合格后，可以对隧道断面进行开挖施工。

本发明包括但不限于以上内容。