钻孔定向注浆方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，具体是一种钻孔定向注浆方法与小断面隧洞超前注浆开挖方法，以及一种小断面隧洞超前支护结构。

背景技术

目前，小断面隧洞在软弱破碎且存在地下水的洞段的开挖施工主要采用超前小导管注浆法，通过超前小导管注浆，对超前排水后的岩土体进行预固结，在开挖断面以上形成拱形壳体，增强抵抗隧洞顶部荷载的能力。

常规的超前小导管注浆法存在不足，在软弱破碎且存在地下水的洞段，岩土体内的孔隙较多，小导管注浆时，浆液更容易向下进入开挖范围内的岩土体，使开挖范围内的岩土体固结硬化，而开挖范围外的岩土体实际注浆量不足，既造成浆液浪费，还增加了开挖难度和施工风险。另外，小导管的钻孔直径与注浆管的外径适配，一般不大于50mm，导致钻孔数量较多，施工速度缓慢。为了节省造价，小导管的钻孔间距一般控制在20～50cm，小导管间距较大，相邻两根小导管中部的岩土体难以有效固结硬化，造成松散岩土体掉落，存在安全隐患甚至塌方风险。

公布号为CN 112538850 A的专利公开了一种适用对树木保护的管廊超前注浆的装置及方法，通过定向注浆解决地下综合管廊的施工中对树木进行保护的问题。该装置包括定向注浆管，定向注浆管是注浆管上设有限制注浆管内的注浆液自出浆孔向注浆管一侧结构扩散的注浆定向板，注浆定向板位于注浆管一侧的纵向外壁上，注浆定向板内侧的注浆管上设有出浆孔，注浆定向板的宽度大于或等于注浆管的直径，注浆定向板的长度大于或等于限制注浆管内的注浆液自出浆孔向注浆管一侧结构扩散的设计长度。定向注浆管通过注浆定向板阻挡注浆液的扩散方向，由于钻孔的孔壁与注浆定向板之间不可避免地存在间隙，加之钻孔孔壁的岩土体不可避免地存在间隙，而且注浆一次性完成，注浆定向板对注浆液扩散的阻挡作用很弱，只有注浆压力足够低的情况下才能阻挡注浆液向上扩散，不能用于阻挡注浆液向下扩散。

发明内容

本发明首先提供一种钻孔定向注浆方法，解决现有定向注浆方案不能有效控制浆液扩散方向的问题。

本发明采用的技术方案是：钻孔定向注浆方法，包括下述步骤：

S1、钻孔施工完成后，将托板插入钻孔，托板的前端插入至钻孔的孔底或比孔底更深的位置；其中，钻孔的两侧分别为控制注浆侧和定向注浆侧，托板在其横截面呈一侧面为单凹槽另一侧面为双凹槽的M字形，托板将钻孔分隔为位于控制注浆侧的第一注浆区和位于定向注浆侧的第二注浆区，第一注浆区为托板的双凹槽对应的一侧，第二注浆区为托板的单凹槽对应的一侧。

为了便于托板插入钻孔，进一步的是：托板的前端设置三角尖，托板的前端插入至钻孔孔底的岩土体内。

为了避免第一注浆区和第二注浆区相互连通，进一步的是：托板的宽度大于或等于钻孔的直径。

S2、配制砂浆，通过注浆管向钻孔的第一注浆区灌注砂浆，砂浆灌注完毕后，封闭第一注浆区的孔口。

为了加速砂浆的凝固速度，进一步的是：配制砂浆时加入速凝剂。

S3、向钻孔的第二注浆区插入小导管，配制浆液并通过小导管进行注浆；其中，小导管前段的管壁设置注浆孔，小导管后段设置止浆段。

为了便于小导管插入钻孔，进一步的是：小导管的前端呈尖锥形。

为了避免小导管施工期间从钻孔内滑出，进一步的是：小导管位于托板单凹槽侧面的凹槽内，小导管的后端通过锚固件固定于钻孔孔口处的岩土体内。

小导管一般通过打入或顶入的方式施工，为了避免小导管的后端出现损坏，也为了便于注浆，进一步的是：小导管的后端设置加劲箍。

为了保证第二注浆区的注浆质量，进一步的是：插入小导管后，先对第二注浆区进行清孔，再进行注浆。

具体的：小导管由壁厚3.5mm、外径42mm的热轧无缝钢管制成，注浆孔的孔径φ8mm，注浆孔的孔间距20cm并呈梅花型布置，小导管的止浆段的长度不小于30cm。

本发明钻孔定向注浆方法的有益效果是：托板将钻孔分隔为第一注浆区和第二注浆区，先向第一注浆区灌注砂浆，封闭控制注浆侧的岩土体的孔隙和缝隙，再向第二注浆区通过小导管进行注浆，由于控制注浆侧的岩土体的缝隙和缝隙已被封闭，大部分的浆液只能向定向注浆侧的岩土体进行扩散，从而有效实现定向注浆。

本发明还提供一种小断面隧洞超前注浆开挖方法，解决现有超前小导管注浆法对开挖范围内的岩土体固结硬化，既浪费浆液，还增加开挖难度和施工风险的问题，采用的技术方案是：小断面隧洞超前注浆开挖方法，包括下述步骤：

A、在掌子面绘出开挖轮廓线，在起拱线外并沿起拱线方向分别标记钻孔位并钻孔，钻孔方向斜向上。例如，相邻钻孔的间距为30～40cm，各个钻孔的仰角不大于5°。

B、按照上述钻孔定向注浆方法的步骤S1在各个钻孔内分别插入托板，托板对应的平面与起拱线的径向垂直，并且第一注浆区位于靠近隧洞需要开挖的一侧，第二注浆区位于背对隧洞需要开挖的一侧。

C、按照上述钻孔定向注浆方法的步骤S2分别向各个钻孔的第一注浆区灌注砂浆。

D、按照上述钻孔定向注浆方法的步骤S3分别向各个钻孔的第二注浆区插入小导管并分别注浆，形成拱形固结壳体。

各个钻孔内插入小导管后，为了避免小导管从钻孔内滑出，进一步的是：小导管插入钻孔的第二注浆区后，将各根小导管的后端通过连接筋连接为一个整体，并利用土钉将连接筋固定于岩土体，再分别注浆。

E、对隧洞进行开挖、出渣和支护。

本发明还提供一种小断面隧洞超前支护结构，是一种按照上述小断面隧洞超前注浆开挖方法的步骤A～步骤D施工得到的结构。小断面隧洞超前支护结构，隧道的起拱线的外侧并沿起拱线方向间隔设有钻孔，钻孔中心线的方向斜向上，钻孔内插有托板，托板的前端位于钻孔的孔底或比孔底更深的位置，托板在其横截面呈一侧面为单凹槽另一侧面为双凹槽的M字形，托板对应的平面与起拱线的径向垂直，托板将钻孔分隔为第一注浆区和第二注浆区，第一注浆区为托板的双凹槽对应的一侧，第一注浆区位于靠近隧洞需要开挖的一侧并充填砂浆，第二注浆区位于背对隧洞需要开挖的一侧，第二注浆区插有小导管，小导管前段的管壁设置注浆孔，小导管后段设置止浆段，第二注浆区为托板的单凹槽对应的一侧并充填浆液，固结硬化的砂浆、浆液和钻孔周围的岩土体，以及托板和小导管共同形成整体的拱形固结壳体。

为了便于托板插入钻孔，进一步的是：托板的前端设置三角尖，托板的前端位于钻孔孔底的岩土体内。

向第一注浆区灌注砂浆时，为了减少或避免砂浆从第一注浆区进入第二注浆区，进一步的是：托板的宽度大于或等于钻孔的直径。

为了便于小导管插入钻孔，进一步的是：小导管的前端呈尖锥形，小导管位于托板单凹槽侧面的凹槽内。

为了避免小导管施工期间从钻孔内滑出，进一步的是：小导管的后端通过锚固件固定于钻孔孔口处的岩土体。具体的：各根小导管的后端通过连接筋连接为一个整体，连接筋通过至少一颗土钉固定于岩土体。

小导管一般通过打入或顶入的方式施工，为了避免小导管的后端出现损坏，也为了便于注浆，进一步的是：小导管的后端设置加劲箍。

为了优化小导管和托板的受力，进一步的是：小导管的前端和托板的前端重合。

具体的：小导管由壁厚3.5mm、外径42mm的热轧无缝钢管制成，注浆孔的孔径φ8mm，注浆孔的孔间距20cm并呈梅花型布置，小导管的止浆段的长度不小于30cm。

具体的：相邻钻孔的间距为30～40cm，钻孔的仰角不大于5°。

本发明小断面隧洞超前注浆开挖方法以及小断面隧洞超前支护结构的有益效果是：通过先向对第一注浆区灌注砂浆，封闭钻孔控制注浆侧的岩土体的孔隙和缝隙，后续通过小导管注浆时，使浆液尽可能多地向隧洞开挖范围之外的岩土体中扩散，既节约了注浆量，还有利于岩土体的开挖作业。

固结硬化的砂浆、浆液和钻孔周围的岩土体，以及托板和小导管共同形成整体的拱形固结壳体，拱形固结壳体的强度高，开挖过程中可对隧洞上方的岩土体提供稳固支撑，防止开挖过程中发生塌方事故，降低了施工期间的安全风险；拱形固结壳体下方的岩土体没有或仅有少量注浆或砂浆，降低了开挖难度。

附图说明

图1是本发明小断面隧洞超前支护结构的示意图。

图2是图1中位置最高的钻孔的放大图。

附图标记：钻孔1、托板2、第一注浆区3、第二注浆区4、小导管5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的第一个主题是钻孔定向注浆方法。参见图2，钻孔定向注浆方法，包括下述步骤S1～S3。

S1、钻孔1施工完成后，将托板2插入钻孔1，托板2的前端插入至钻孔1的孔底或比孔底更深的位置。钻孔1的两侧分别为控制注浆侧和定向注浆侧，控制注浆侧为钻孔1不需要或仅需要少量注浆的一侧，定向注浆侧为钻孔1需要注浆的一侧，控制注浆侧对应的中心角与定向注浆侧对应的中心角一般相等，也可以不等，两者之和为360°。托板2在其横截面呈M字形，也即是托板2在其横截面上，托板2的一个侧面为单凹槽，另一侧面为双凹槽结构，如图2所示。换一种描述，托板2在其横截面呈双驼峰的形状，双驼峰之间为凹槽。托板2在凹槽对应的折角处最好倒圆角。托板2用于对钻孔1沿其深度方向进行分隔，因此整体呈条状，为了保证隔板2的强度，隔板2选用金属材质，例如为钢材。托板2将钻孔1分隔为第一注浆区3和第二注浆区4，标记第一注浆区3为托板2的双凹槽对应的一侧，第二注浆区4为托板2的单凹槽对应的一侧。托板2的方位非常重要，要确保第一注浆区3对应钻孔的控制注浆侧，也即是第一注浆区3对应钻孔不需要或仅需要少量注浆的一侧，第二注浆区4对应钻孔的定向注浆侧。

托板2可通过锤击或压入的方式使其插入钻孔1。为了便于托板2插入钻孔1，托板2的前端设置三角尖。托板2的前端插入至钻孔1孔底的岩土体，不仅可以完全分隔第一注浆区3和第二注浆区4，还可以固定托板2，避免托板2从钻孔1内滑出。为了避免托板2前端的三角尖导致第一注浆区3和第二注浆区4连通，托板2的前端插入至钻孔1孔底的岩土体内。

S2、配制砂浆，通过注浆管向钻孔1的第一注浆区3灌注砂浆，砂浆灌注完毕后，封闭第一注浆区3的孔口。砂浆用于封闭钻孔1不需要或仅需要少量注浆的一侧，因此砂浆为稠密的水泥砂浆。为了加速砂浆的凝固速度，配制砂浆时可以加入速凝剂。注浆管宜先插入孔底，随砂浆的注入徐徐匀速向外拔注浆管，砂浆应搅拌均匀，随拌随用，砂浆配合比应符合设计。第一注浆区3的砂浆要密实饱满，砂浆灌注完毕后，采用封堵材料密封第一注浆区3的孔口，防止砂浆跑漏。

如果第一注浆区3和第二注浆区4相互连通，步骤S2灌注砂浆时，砂浆会进入第二注浆区4，从而影响后续步骤S3的注浆，甚至影响插入小导管5。为了避免第一注浆区3和第二注浆区4相互连通，从而尽可能减少或避免向第一注浆区3灌注砂浆时，砂浆从第一注浆区3进入第二注浆区4，托板2的宽度等于或大于钻孔1的直径。

S3、向钻孔1的第二注浆区4插入小导管5，配制浆液并通过小导管5进行注浆。

小导管5前段的管壁设置注浆孔，小导管5后段设置止浆段。例如，小导管5由壁厚3.5mm、外径42mm的热轧无缝钢管制成，注浆孔的孔径φ8mm，注浆孔的孔间距20cm并呈梅花型布置，小导管5的止浆段的长度不小于30cm。

小导管5用于注浆，因此对于小导管5的长度，只要能满足可以插入第二注浆区4即可。为了保证第二注浆区4的注浆质量，插入小导管5后，先对第二注浆区4进行清孔，再进行注浆。例如，插入小导管5后，利用高压风将第二注浆区4的砂石吹干净，并用麻丝或锚固剂等塑性材料封堵孔口及周围裂隙。

为了提高注浆质量，小导管5的前端最好插入至钻孔1的孔底或比孔底更深的位置，例如小导管5的前端和托板2的前端重合。为了便于固定小导管5，也为了提高小导管5与托板2的整体性，小导管5的后端与托架的后端固定连接。

为了便于小导管5插入钻孔1，小导管5的前端呈尖锥形。小导管5一般通过打入或顶入的方式插入钻孔1，为了避免小导管5的后端出现损坏，也为了便于注浆，小导管5的后端设置加劲箍，例如小导管5的后端焊接φ6.5mm的加劲箍。

小导管5位于钻孔的第二注浆区4，最好位于托板2单凹槽侧面的凹槽内，使小导管5的外径可以尽量大一些，并且托板2与钻孔的孔壁的挤压作用还能起到固定小导管5的作用。此外，为了避免小导管5施工期间从钻孔1内滑出，小导管5的后端还可以通过锚固件固定于钻孔1孔口处的岩土体，例如锚固件为土钉。

本发明的第二个主题是小断面隧洞超前注浆开挖方法。参见图1，小断面隧洞超前注浆开挖方法，包括下述步骤A～E。

A、在掌子面绘出开挖轮廓线，在起拱线外并沿起拱线方向分别标记钻孔位并钻孔，钻孔方向斜向上。钻孔位可以为一层，也可以为两层，各层钻孔1的仰角可以相等，也可设置为大小不等的两种角度。钻孔1位于隧洞的开挖范围外，并向隧洞的纵向延伸。例如，采用直径Φ150mm钻头进行钻孔，相邻钻孔1的间距为30～40cm，钻孔1的仰角不大于5°。钻孔1的仰角不大于5°是指钻孔1与水平面的夹角不大于5°。钻孔1应严格按定出的钻孔位进行施钻，确保钻孔1位置的准确。施钻过程中及时观察钻杆方向及外插角度，当发现方向及外插角偏差较大时应予以调整。

B、按照上述钻孔定向注浆方法的步骤S1在各个钻孔1内分别插入托板2，托板2对应的平面与起拱线的径向垂直，并且第一注浆区3位于靠近隧洞需要开挖的一侧，第二注浆区4位于背对隧洞需要开挖的一侧。托板2对应的平面指的是托板2与隧洞直接接触的两个侧面的中线对应的平面。

C、按照上述钻孔定向注浆方法的步骤S2分别向各个钻孔1的第一注浆区3灌注砂浆。砂浆渗入钻孔1靠近隧洞需要开挖的一侧的岩土体内，，第一注浆区3也完全充填砂浆。

D、按照上述钻孔定向注浆方法的步骤S3分别向各个钻孔1的第二注浆区4插入小导管5并分别注浆，形成拱形固结壳体。

注浆选用性能良好、工作压力满足注浆要求的注浆设备，并应进行现场试验运转。注浆时孔口最高压力应严格控制在允许范围内，既使单管注浆能扩散到钻孔1周围0.5～1.0m的半径范围内的岩土体中，注浆压力一般为0.5～1.0MPa，避免压裂开挖面。注浆应注意控制注浆量，即每根小导管5在达到规定注入量时，应结束注浆；若孔口压力已达到规定压力值，但注入量仍不足时，也应停止注浆。

为了避免施工期间小导管5从钻孔1内滑出，小导管5插入钻孔1的第二注浆区4后，将各根小导管5的后端通过连接筋连接为一个整体，并利用土钉将连接筋固定于岩土体，再分别注浆。例如，采用φ14mm的钢筋作为连接筋，土钉设置于相邻两根小导管5的中部。

E、对隧洞进行开挖、出渣和支护。

浆液凝固并达到预定强度后，进行岩土体开挖施工，开挖应采用“弱爆破，短进尺”方式，必要时采用机械开挖作业，开挖完成后进行出渣作业。出渣完成后，在隧洞内打设锚杆挂设钢筋网并喷砼，喷砼厚度一般为8～10cm，以形成保护层。经多次开挖后，当加固范围不满足继续开挖要求时，重复上述步骤。

本发明的第三个主体是小断面隧洞超前支护结构，是一种按照上述第二个主题小断面隧洞超前注浆开挖方法的步骤A～步骤D施工得到的结构。如图1和图2所示，小断面隧洞超前支护结构，隧道的起拱线的外侧并沿起拱线方向间隔设有钻孔1，钻孔1中心线的方向斜向上。例如，相邻钻孔1的间距为30～40cm，钻孔1的仰角不大于5°。

钻孔1内插有托板2，托板2在其横截面呈一侧面为单凹槽另一侧面为双凹槽的M字形。托板2将钻孔1分隔为第一注浆区3和第二注浆区4，第一注浆区3为托板2的双凹槽对应的一侧，第一注浆区3位于靠近隧洞需要开挖的一侧，第二注浆区4位于背对隧洞需要开挖的一侧，第二注浆区4为托板2的单凹槽对应的一侧。根据图2所示方位，第一注浆区3为钻孔1的下侧，第二注浆区4为钻孔1的上侧。

托板2的前端位于钻孔1的孔底或比孔底更深的位置，避免钻孔1孔底处的第一注浆区3和第二注浆区4相互连通。托板2的宽度大于或等于钻孔1的直径，确保托板2能完全隔离第一注浆区3和第二注浆区4。为了便于托板2插入钻孔1，托板2的前端设置三角尖，托板2的前端位于钻孔1孔底的岩土体内。托板2的宽度大于钻孔1的直径时，托板2的两侧分别部分挤入钻孔1孔壁的岩土体。

如图1所示，托板2对应的平面与起拱线的径向垂直，第一注浆区3位于靠近隧洞需要开挖的一侧并充填砂浆，第一注浆区3的周围为托板2和钻孔1的孔壁，第一注浆区3对应的孔壁为充填有砂浆的岩土体。钻孔1的第二注浆区4插有小导管5，小导管5内以及小导管5与孔壁之间为固结的浆液。固结硬化的砂浆、浆液和钻孔1周围的岩土体，以及托板2和小导管5共同形成整体的拱形固结壳体。

小导管5前段的管壁设置注浆孔，小导管5后段设置止浆段，例如小导管5由壁厚3.5mm、外径42mm的热轧无缝钢管制成，注浆孔的孔径φ8mm，注浆孔的孔间距20cm并呈梅花型布置，小导管5的止浆段的长度不小于30cm。小导管5最好位于托板2单凹槽侧面的凹槽内，如图2和图1所示。小导管5一般通过打入或顶入的方式施工，为了避免小导管5的后端出现损坏，也为了便于注浆，小导管5的后端设置加劲箍，例如小导管5的后端焊接φ6.5mm的加劲箍。为了优化小导管5和托板2的受力，使小导管5和托板2能共同受力，小导管5的前端和托板2的前端重合。小导管5和托板2最好长度相等，并且小导管5的前后端与托板2的前后端分别对应，小导管5的后端与托板2的后端相互固定。