一种一体化注浆装置及方法

技术领域

本发明涉及注浆设备领域，具体涉及一种一体化注浆装置及方法。

背景技术

在富水软弱地带进行开挖作业时，常采用注浆法来加固软弱土体及封堵地下水，注浆法在截断地下水流动的同时，还能对软弱土体进行加固，具备良好的止水效果，同时能对土地进行加固。常见注浆手段可分为前进式注浆与后退式注浆。在软弱土体中，前进式注浆被广泛采用，但因其在每一个注浆循环需要重新复钻，造成注浆效率低下，严重抑制了工程进度。后退式注浆可由深入浅分段加固目标区域，通常后退式注浆工艺采用可膨胀类止浆塞，对钻孔分隔注浆，由深至浅，逐步外提止浆塞，实现全段注浆；或者采用多个膨胀类止浆塞将全孔一次性分隔为多个注浆段，不同注浆段间用分隔装置分隔，逐一破坏分隔装置，实现各注浆段依次注浆。然而，实际工程中，软弱地层深长钻孔开孔后极易塌孔，可膨胀类止浆塞往往难以从孔内向外提出；全孔一次性膨胀分段后退式注浆则存在深长钻孔内不同注浆段间的分隔装置往往难以方便可靠地打开，导致后退式注浆效果差，注浆施工效率低。

中国专利申请(公开号：CN116733479 A)中提供一种前进式定量变压注浆装置及方法，通过注浆管向钢管内分段注浆以通过拉力弹簧受拉变形改变注浆压力；可精确定量控制拉力弹簧变形，进而控制由浅到深过程中的注浆压力变化；但并不适用于后退式注浆的多段注浆施工，后续区段的初始压力只能大于等于前一区段的结束压力，无法进行每段注浆施工的压力控制，导致各注浆段的注浆灵活性较差，注浆精细度难以满足要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种一体化注浆装置及方法，通过在注浆管划分的相邻管段之间设置出浆孔，并在注浆管内设置封孔管，封孔管能够在投放的封堵球作用下移动，从而敞开对应的出浆孔并封堵浆液沿轴向流动的部分路径，实现对指定地层范围内的可控注浆，提高各注浆段的注浆灵活性和注浆精细度，满足复杂地层的注浆需求。

本发明的第一目的是提供一种一体化注浆装置，采用以下方案：

包括：

注浆管，沿轴向划分为多个管段，相邻管段之间设有出浆孔；

封孔管，滑动布置在注浆管内，封孔管通过回弹件连接注浆管，封孔管相对于注浆管沿轴向移动以封堵或敞开对应位置的出浆孔；沿注浆管末端到首端的方向上，多个封孔管对应出浆孔布置，且封孔管的内径依次增大；

封堵球，设有不同规格的多个，能够抵接于对应封孔管端部并在浆液作用下推动封孔管敞开出浆孔。

进一步地，所述封孔管与注浆管同轴布置，并与相邻管段之间的出浆孔一一对应布置，封孔管外圆周壁贴合注浆管内圆周壁。

进一步地，所述封孔管内部作为供浆液穿过的通道，回弹件避让注浆管、封孔管内浆液流通路径。

进一步地，相邻两个封孔管中，靠近注浆管末端的封孔管所配合封堵球的直径小于另一个靠近注浆管首端的封堵管的内径，以使封堵球穿过所述靠近注浆管首端的封堵管后抵接于所述靠近注浆管末端的封孔管。

进一步地，所述封堵球的直径大于所配合封堵管的内径，沿注浆管末端到首端的方向上，封堵管所配合封堵球的直径逐渐增大。

进一步地，所述注浆管外壁上连接有膜袋，膜袋位于相邻出浆孔之间。

进一步地，所述膜袋呈环形并套设在注浆管外，所有膜袋连接同一膜袋注浆管。

进一步地，所述注浆管的首端连接有封孔法兰盘，注浆管的首端连接外部注浆设备。

本发明的第二目的是提供一种如第一目的所述的一体化注浆装置的注浆方法，包括：

钻孔并安装注浆管，注浆管首端接入外部注浆设备，封堵钻孔顶部开口；

注入浆液，在底端管段注浆完毕后，置入第一个封堵球，封堵球沿注浆管移动至最底部的封孔管并抵接，封堵浆液向其下方输送的路径，在浆液压力作用下推动封堵管敞开对应位置处的出浆孔，进行该管段对应区域的注浆；

待该管段对应区域的注浆完成后，置入下一个封堵球，作用于上一个封堵球上方的封堵管、开启出浆孔，进行该管段对应区域的注浆；依次类推，完成所有管段对应区域的注浆。

进一步地，在通过封堵球切断浆液向其下方输送的路径后，其上方的其他出浆孔均保持封堵状态，依据设定独立控制该管段对应区域的注浆参数。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前后退式注浆容易造成钻孔塌孔及不便控制注浆参数的问题，通过在注浆管划分的相邻管段之间设置出浆孔，并在注浆管内设置封孔管，封孔管能够在投放的封堵球作用下移动，从而敞开对应的出浆孔并封堵浆液沿轴向流动的部分路径，实现对指定地层范围内的可控注浆，提高各注浆段的注浆灵活性和注浆精细度，满足复杂地层的注浆需求。

(2)于相邻出浆孔之间设置膜袋，使注浆管外连接有多个间隔布置的膜袋，通过膜袋注浆管连接所有膜袋，一次注浆将所有膜袋全部撑开，将注浆管与孔壁间缝隙进行充分封堵，将深长钻孔分成多个注浆分段，防止相邻注浆段之间串浆。

(3)在钻孔内一次置入注浆管，后退注浆过程中无需对注浆管的位置进行拔出调整，实际操作简便，在软弱地层中，能够避免传统后退式注浆过程中由于钻孔塌孔导致的注浆管被掩埋的问题，提高后退式注浆的成功率。

(4)通过设置的封孔管和封堵球的组合，能够实现分段注浆，配合膜袋注浆，能够实现不同深度的注浆分段依次注浆，实现对地层的限域充分加固，膜袋的使用能够进一步对注浆管周围土体进行挤压，加固土体有助于提高注浆效果。

(5)注浆管长度和各注浆分段长度能够按需进行调整，灵活设置，有利于对软弱区域进行精细化处理，整个装置能够在现场完成制作，制作方法简单、成本较低，使用过程操作简便，能够大幅提高注浆效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1和2中一体化注浆装置的示意图。

图2为本发明实施例1和2中封堵球、注浆管、回弹件和封孔管的示意图。

图3为本发明实施例1和2中多个封堵球配合多个封孔管的示意图。

其中，1.封孔法兰盘，2.膜袋注浆管，3.注浆管，4.膜袋，5.封堵球，6.限位件，7.封孔管，8.出浆孔，9.弹簧，10.止挡环。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图3所示，给出一种一体化注浆装置。

目前后退式注浆施工过程中，容易造成塌孔，且不便进行分段注浆；部分可控前进式定量注浆方案中，并不适用于后退式注浆的多段注浆施工，后续区段的初始压力只能大于等于前一区段的结束压力，无法进行每段注浆施工的压力控制，导致注浆灵活性和精细度均无法得到保证。

基于此，本实施例提供一种一体化注浆装置，在注浆管3内部安装能够滑动调节位置的封孔管，封孔管能够将对应位置处的出浆孔8封堵或敞开，通过向注浆管3内置入不同尺寸的封堵球5来逐步触发封孔管，使封孔管将对应位置的出浆孔8敞开，实现对应注浆分段的注浆，实现后退式注浆，并能够保证注浆灵活性和精细度。

下面，结合附图对一体化注浆装置进行详细说明。

参见图1，一体化注浆装置包括注浆管3、封孔管和封堵球5，将注浆管3沿轴向划分为多个管段，相邻管段之间设有出浆孔8，封孔管安装在注浆管3内出浆孔8的分布位置，并能够相对于注浆管3内壁沿轴向滑动，改变封孔管与出浆孔8的相对位置以敞开或封堵出浆孔8；封孔管通过回弹件连接注浆管3，封堵球5投入注浆管3后能够移动到对应的封孔管位置，抵接封孔管并封堵封孔管一端，并且，在压力作用下能够推动封孔管移动，开启该封孔管对应的出浆孔8，实现该位置的注浆。

其中，封堵管7、回弹件组成分段注浆组件，沿注浆管3末端到首端的方向上，多个封孔管对应出浆孔8布置，且封孔管的内径依次增大。封孔管与注浆管3同轴布置，并与相邻管段之间的出浆孔8一一对应布置，封孔管外圆周壁贴合注浆管3内圆周壁。通过封孔管和注浆管3的内壁贴合来实现对出浆孔8的封堵。

封堵球5按照直径从小到大的顺序投放，直径越小的封堵球5进入注浆管3后移动的路径越长，从而抵接更为靠近注浆管3末端的封孔管。

本实施例中，注浆管3的末端是指先插入钻孔内的一端，注浆管3的首端是指靠近钻孔顶部开口、接入外部注浆设备的一端，出浆孔8位于注浆管3的侧壁上。封堵球5能够抵接于对应封孔管端部，封堵封孔管一端后，该封堵球5和封孔管端部承受注浆管3压力克服回弹件的作用而推动封孔管移动，从而将封孔管遮挡封堵的出浆孔8敞开，使得浆液从该位置的出浆孔8输出到地层中，完成加固。

如图1所示，注浆管3可以采用单根钢管进行加工，钢管在封孔管的安装位置开设窗口及所需出浆孔8，安装封孔管、回弹件后再进行封堵；也可以通过多根镀锌钢管开设所需出浆孔8，安装封孔管、回弹件，然后再进行焊接得到整根注浆管3。注浆管3的直径小于注浆钻孔的直径，所开设的出浆孔8为花孔，分布在注浆管3的环向上，封孔管的轴向长度大于所对应花孔的轴向尺寸，使得封孔管能够完全封堵或敞开花孔，浆液能够穿过花孔输出到注浆管3外。

如图2所示，封孔管内部作为供浆液穿过的通道，在封孔管端部未抵接配合封堵球5时，浆液能够穿过封孔管内部通道。回弹件也为筒状结构，能够避让注浆管3、封孔管内浆液流通路径，将回弹件的内径设置为大于所抵接封孔管的内径，使得浆液能够穿过回弹件。

本实施例中，回弹件可以采用弹簧9，在外力作用下能够进行轴向的压缩。如图2所示，止挡环10固定在注浆管3内壁上，回弹件一端抵接于止挡环10，另一端沿轴向延伸并抵接于封孔管端部，封孔管受到封堵球5及浆液压力作用时，能够挤压回弹件来改变位置。

封孔管移动路径的顶部设有限位件6，限位件6固定在注浆管3内壁上，能够抵接封孔管端部，约束封孔管的移动范围。限位件6可以采用螺栓、销钉等，限位件6固定在注浆管3上，并沿径向延伸至注浆管3内，以阻挡封孔管移动路径。

需要指出的是，回弹件的底端抵接并固定在止挡环10上，并具有一定的刚度，在不启用该位置的出浆孔8时，封孔管受到浆液的压力无法克服回弹件的推力，保证封孔管在浆液冲击下仍能够保持对出浆孔8的遮挡封堵；同时回弹件的刚度能够满足开启需求，在对应的封堵球5抵接封孔管后，封堵球5切断浆液向下的流动路径，并且封堵球5和封孔管端部共同承受浆液压力，克服回弹件的推力而使回弹件压缩，封孔管滑动后解除对出浆孔8的遮挡，从而使浆液从敞开的出浆孔8输出，防止封堵球5在浆液压力作用下无法压缩回弹件漏出出浆孔8的问题。

如图1和图2所示，相邻两个封孔管中，靠近注浆管3末端的封孔管所配合封堵球5的直径小于另一个靠近注浆管3首端的封堵管7的内径，以使封堵球5穿过所述靠近注浆管3首端的封堵管7后抵接于所述靠近注浆管3末端的封孔管。

封堵球5的直径大于所配合封堵管7的内径，沿注浆管3末端到首端的方向上，封堵管7所配合封堵球5的直径逐渐增大。

根据注浆分段配置对应的封孔管和回弹件，按照安装深度由深到浅，其封孔管内径和封堵球5直径逐渐增大。分段注浆施工时，首先对最深部注浆分段进行注浆，注浆完成后，注浆管3内释放最小直径的封堵球5，将次深部注浆分段注浆管3的出浆孔8打开，同时对次深部与最深部之间注浆管3进行封堵阻断，对次深部注浆分段注浆。照此方法，采用不同直径封堵球5，依次打开不同注浆分段的出浆孔8，实现对各注浆分段充分注浆。

具体的，以注浆管3划分为四段管段为例，在注浆管3侧壁上设置间隔分布的三组出浆孔8，如图3所示，每组出浆孔8位置处分别配合有封孔管、弹簧9；沿注浆管3由深到浅的轴向上，三个封孔管的内径分别为D

如图1所示，注浆管3外壁上连接有膜袋4，膜袋4位于相邻出浆孔8之间；膜袋4呈环形并套设在注浆管3外，所有膜袋4连接同一膜袋注浆管2。

注浆管3外壁绑扎多个膜袋4，相邻膜袋4之间形成所需的注浆分段，出浆孔8位于注浆分段的中部位置。膜袋注浆管2的轴线与注浆管3的轴线平行，在每个膜袋4处对膜袋注浆管2开孔，从而对膜袋注浆管2一次注浆可实现将多个膜袋4一次性全部撑开。

本实施例中，膜袋4由水泥-水玻璃双浆液进行填充，快速将注浆管3与钻孔孔壁间缝隙进行充分封堵，将深长钻孔分为多个注浆分段，防止相邻注浆分段之间串浆。同时，对于钻孔的开口位置，注浆管3的首端连接有封孔法兰盘1，注浆管3的首端连接外部注浆设备；封口法兰盘能够将钻孔的开口位置封堵，避免冒浆、窜浆，保证浆液稳定注入所需加固地层内。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1-图3所示，给出一种一体化注浆装置的注浆方法。

利用如实施例1中一体化注浆装置，包括以下步骤：

钻孔并安装注浆管3，注浆管3首端接入外部注浆设备，封堵钻孔顶部开口；

注入浆液，在底端管段注浆完毕后，置入第一个封堵球5，封堵球5沿注浆管3移动至最底部的封孔管并抵接，封堵浆液向其下方输送的路径，在浆液压力作用下推动封堵管7敞开对应位置处的出浆孔8，进行该管段对应区域的注浆；

待该管段对应区域的注浆完成后，置入下一个封堵球5，作用于上一个封堵球5上方的封堵管7、开启出浆孔8，进行该管段对应区域的注浆；依次类推，完成所有管段对应区域的注浆。

在通过封堵球5切断浆液向其下方输送的路径后，其上方的其他出浆孔8均保持封堵状态，依据设定独立控制该管段对应区域的注浆参数。

本实施例中，结合图1、图2和实施例1，上述一体化注浆装置的注浆方法包括：

S1.制作分段注浆组件。依据现场需求确定注浆管3直径、管段数与总长，在本例中选取四段作为注浆段数。

材料准备：三个弹簧9，直径略小于注浆管3内直径；三个封孔管，其外径与注浆管3内径相同，能够贴合注浆管3内壁；封孔管可以采用亚克力管制作，封堵球5可以采用钢球。根据安装深度位置由深到浅，分别命名为Y1、Y2、Y3，其内径分别为D

随后在各段注浆管3底部开设花孔，花孔按照梅花形进行布置。随后按顺序将封孔管、弹簧9安装到各注浆管3内，弹簧9底部作用在止挡环10上，将止挡环10焊接在钢管内壁上。在紧贴封孔管顶部的注浆管3上设置限位件6，封堵件采用从注浆管3外向管内安装的两个螺栓，螺栓在注浆管3内壁微微露出，可挡住封孔管即可，防止封孔管在弹簧9的顶推作用下脱离设定位置，不能有效遮挡注浆花孔；同时避免螺栓伸出过长导致挡住封堵球5。

S2.组装安装有分段注浆组件的注浆管3。随后根据封孔管内径的大小依次对各注浆段进行焊接。随后进行膜袋4、膜袋注浆管2与封孔法兰盘1的安装。分段注浆组件的封堵钢球直径有严格要求，在本实施例中，如图3所示，分段注浆组件由深到浅其封堵球5代号依次为B1、B2、B3，其直径具体要求为：D

S3.钻孔结束后，将安装有分段注浆组件的注浆管3下入钻孔中，并连接好注浆管3路。

S4.膜袋4注浆。对膜袋4进行注浆，一次性将各膜袋4全部充填使之膨胀，挤密孔壁。膜袋4注浆采用1:1水泥-水玻璃双液浆，待进浆量很小或注浆压力突增时，即可结束注浆。

S5.分段注浆。待膜袋4注浆结束后，开始对最深处注浆段进行注浆。采用水灰比为1：1的水泥单液浆进行作业。待最深部注浆段注浆作业完成后，将法兰盘打开，放入B1号封堵球5(最小直径封堵球5)，随后连接好注浆管3，小压力低流速泵入单液浆，钢球可在自重或者浆液的推动下沿注浆管3路向前移动，依次通过Y

S6.重复S5，即可后退式依次完成各注浆段注浆。

S7.当满足以下三个条件之一时，即可停止注浆作业：

1)当注浆压力达到设计终压，但单段注浆量未达到设计量时：压力维持10min以上，可停止注浆。

2)当单段注浆量达到设计量，但注浆压力未达设计终压时：改用双液注浆，调整双液配比，加快凝胶时间，使其达到设计终压。

3)单段注浆速率持续低于5L/min。

通过设置的封孔管和封堵球5的组合，能够实现分段注浆，配合膜袋4注浆，能够实现不同深度的注浆分段依次注浆，实现对地层的限域充分加固，膜袋4的使用能够进一步对注浆管3周围土体进行挤压，加固土体有助于提高注浆效果。

注浆管3长度和各注浆分段长度能够按需进行调整，灵活设置，有利于对软弱区域进行精细化处理，整个装置能够在现场完成制作，制作方法简单、成本较低，使用过程操作简便，能够大幅提高注浆效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。