一种用于水下隧道抗浮的囊式定位注浆锚杆及其施工方法

技术领域

本发明涉及水下隧道的抗浮技术领域，尤其涉及一种用于水下隧道抗浮的囊式定位注浆锚杆及其施工方法。

背景技术

随着我国陆上交通的迅猛发展，地下隧道开始向江、河、湖、海等水下延伸。围填海、海上堤坝工程，人工岛、跨海桥梁、海底隧道工程，海底管道等海洋工程应运而生，因其不受气候影响，不影响通航，引道占地少等优越性，展现出极大的发展前景。

在长期运营过程中，由于隧道上方卸载、隧道运营时的震动磨损、海洋中氯离子的侵蚀等原因，导致上覆土与隧道本身自重应力的大小小于向上的浮力时，水下隧道不可避免的会出现上浮问题。隧道的局部上浮会导致管片之间出现过度裂缝或错台，造成隧道的变形，严重的甚至会导致隧道衬砌掉落，降低隧道衬砌结构对隧道围岩的承载能力，严重影响隧道内行车和人员安全。同时，由于水下隧道的环境限制，水下隧道上浮后维修难度大大增加，亟需一种有效的控制隧道上浮的方法。

目前，常见的针对隧道结构的上浮治理方法主要是利用结构自身的重量以及地面以下，隧道上方土体的重量来抵抗其所受到的浮力。但该方法有如下不足：1、此方法适用于地面上地下水位较低的工程条件，对于水下隧道的抗浮，光靠其自重以及上覆土的重量还远远不够；2、不能准确及时地预防隧道上浮的情况，后期维修难度较大；3、堆载压力控制不当，会导致隧道收敛破坏，造成更大的损失。

因此，为预防和治理水下隧道上浮带来的危害，针对海洋环境复杂、后期维护难度大，海上施工人员紧缺的海洋工程现状，亟需一种有效的防治水下隧道上浮的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于水下隧道抗浮的囊式定位注浆锚杆及其施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明一方面提供了一种用于水下隧道抗浮的囊式定位注浆锚杆，包括囊式定位注浆锚杆基础主体和定位注浆装置；

所述囊式定位注浆锚杆基础主体包括囊袋、带孔管和压力传感器；所述带孔管自下而上由底部封口、带孔注浆段和安装无孔段组成；所述带孔管的带孔注浆段上设置若干组注浆孔，每组注浆孔的外侧通过钢筋捆扎连接一个囊袋，每组注浆孔实现某一设定位置的注浆；所述压力传感器固定于注浆孔上，可控制阶段注浆量；所述带孔管的安装无孔段与管片及管片外侧注浆层通过遇水膨胀止水条进行密封，并通过螺栓连接于隧道底部；

所述定位注浆装置包括电磁铁限位器、注浆导管和位移传感器；所述电磁铁限位器为一块环向包裹橡胶的电磁铁；所述注浆导管伸入带孔管内部，其端头以套筒形式固定连接电磁铁；所述电磁铁限位器具有相配合的环向包裹橡胶的活动铁块；所述电磁铁和活动铁块能够在带孔管内部移动，所述电磁铁和活动铁块之间形成与注浆导管相连通的注浆空间；所述位移传感器固定于电磁铁限位器和活动铁块上，控制活动铁块的定位。

进一步地，所述囊袋为pvc囊袋，用于后期注浆浆液的盛放，可承受一定压力，扩大到一定范围；囊袋外侧直接与外界岩土层接触，通过钢筋捆扎的方式与带孔管相连，分别安装于带孔管前端底部以及环抱于带孔管四周；囊袋数量以及相邻囊袋间隔距离根据具体岩土层性质进行调整；所述注浆孔连通带孔管内部定位注浆装置与外部囊袋，底部囊袋由一个平面注浆孔注浆，四周环抱的囊袋由两个不同平面注浆孔共同注浆于一个囊袋，每个平面的若干注浆孔均匀分布于管身四周，所述注浆孔的直径和数量由带孔管的直径和长度决定。

进一步地，所述带孔管的安装无孔段和带孔注浆段一体铸成，防止接缝处有浆液溢出；所述带孔管内壁涂有凡士林以帮助电磁铁限位器和活动铁块在其内侧移动，并达到密封效果；所述带孔管为柔性管，注浆完毕后加入钢筋以增加其强度和刚度。

进一步地，所述电磁铁限位器的电磁铁通电后下表面具有磁性，通过注浆管的抽插来实现电磁铁限位器的定位；所述电磁铁限位器和活动铁块均环向包裹橡胶，橡胶与带孔管直接接触，在移动电磁铁限位器时，由于橡胶的环向包裹和凡士林的效果使得移动更加方便但不影响密封性。

进一步地，所述注浆导管为空心钢管，需要具有一定的强度和刚度，以保证抽插时不出现弯折和变形。

进一步地，所述囊式定位注浆锚杆的数量和间距根据隧道抗浮设计确定。

本发明另一方面提供了一种用于水下隧道抗浮的囊式定位注浆锚杆的施工方法，该方法包括以下步骤：

(1)预制囊式定位注浆锚杆，根据前期地质条件的勘察以及最外侧柔性带孔管的直径和长度，确定注浆孔的孔位及直径；

(2)通过吹管技术清理囊式定位注浆锚杆中的杂质，以免造成注浆孔的堵塞，影响施工过程中的注浆效果，再用凡士林擦拭带孔管内壁；

(3)在电磁铁限位器和活动铁块上安装位移传感器，通电，利用凡士林和橡胶的润滑作用，通过插入注浆导管的方式将环向包裹橡胶的电磁铁限位器和活动铁块顶至带孔管底部，断电；

(4)在每个注浆孔上安装压力传感器；

(5)根据注浆孔的位置确定囊袋位置，底部囊袋由一个平面注浆孔注浆，四周环抱的囊袋由两个不同平面注浆孔共同注浆于一个囊袋；底部囊袋上部用钢筋捆扎封口，其余四周环抱囊袋上下两端用钢筋捆扎封口并进行密封性测试；

(6)将以上预制好的囊式定位注浆锚杆运送至施工现场，以竖向钻孔插入或一定的速度竖向顶入勘察隧道可能发生上浮区段；与管片和管片外侧注浆层接触处通过遇水膨胀止水条进行密封；通过螺栓将囊式定位注浆锚杆固定在隧道底部；

(7)将注浆导管与注浆装置的注浆管固定相连，将传感器与传感器接收面板相连；

(8)通过抽插注浆导管以及位移传感器来控制电磁铁限位器的位置；将电磁铁限位器移至自下而上第一囊袋对应注浆孔顶部，此时电磁铁限位器与活动铁块分离，形成注浆空间，浆液从注浆导管端头喷出，通过对应的注浆孔直接注入到囊袋中，通过压力传感器控制注浆量，进行快速定位注浆；等待囊袋内浆液初凝；通电后，电磁铁限位器具有磁性，可以吸住活动铁块，通过位移传感器的实时控制，确定下一个活动铁块的定位；到达第二囊袋对应注浆孔底部时，断电，抽插注浆导管，通过位移传感器控制电磁铁限位器移至第二囊袋对应注浆孔顶部，完成第二囊袋注浆；继续移动电磁铁限位器和活动铁块至下一囊袋位置进行定位注浆；

(9)在完成所有囊袋定位注浆并初凝后，慢慢将定位注浆装置拔出囊式定位注浆锚杆基础主体中，拔出速率由实验室进行试验测得；

(10)在柔性带孔管中加钢筋以增加整体强度与刚度，并进行最后的整体补浆；

(11)注浆完成后，对注浆通道口进行密封处理，同时对整体进行锚固并定期检查养护。

进一步地，所述步骤(2)中，凡士林的作用在于有润滑性和水密性，在帮助电磁铁限位器滑动的同时具有水密性，做到定位注浆。

进一步地，位移传感器的设定值根据囊袋的位置确定；压力传感器的设定值根据实际地质条件由实验室进行试验测得。

进一步地，所述步骤(6)中竖向钻孔速度的大小通过实验室中试验确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中采用一体铸成柔性管，方便后期囊式定位注浆锚杆的延长，实现了囊式定位注浆锚杆的快速安全施工，节约了施工成本和工期，且施工受周围环境的影响小，适用于水下隧道海洋环境以及海洋工程作业人员少的窘境。本发明提供的囊式定位注浆锚杆安装施工方便、预防和治理水下隧道上浮问题效果显著，具有广阔的工程应用前景。

2、本发明通过PVC囊袋作为盛放后期注浆液的容器，注浆空间大；囊袋伸缩范围大，未注入浆液时体积小，施工快速便捷；通过钢筋捆扎与外部柔性管连接，制作简单，经济效益高，节约施工成本和工期。

3、本发明采用锚杆底部囊袋与锚杆纵向环抱式囊袋布置法，注浆空间更加充足，可以更有效地对隧道上浮进行治理；锚杆纵向环抱式囊袋采用间隔布置，囊袋发展空间大，囊袋扩大后中间包裹岩层或土层增加了锚杆整体的重量，增加了锚杆抗浮的有效性，治理水下隧道上浮问题效果显著，在海洋等水下工程中具有巨大的应用价值。

4、本发明电磁铁限位器可通过电源开关来控制其下表面具有磁性，电磁铁限位器通电后可吸住活动铁块，并通过注浆管的抽插将活动铁块移动到指定位置；断电后电磁铁限位器可与活动铁块分离，从而形成一个注浆空间，实现定位注浆，有利于对上浮的隧道部分进行定位注浆，做到高效治理水下隧道上浮问题。

5、本发明中注浆孔均匀分布于带孔管表面，有利于维持带孔管的强度，同时可使浆液均匀地注入囊袋中，使囊袋均匀地扩大，盛放更多的浆液，更加高效地进行定位注浆工作，提高治理上浮问题的效果。

6、本发明中每个囊袋注浆后等待初凝，可以有效防止囊袋中浆液回流导致其体积变小；全部囊袋注浆完成后，对整体进行补浆，有利于填补锚杆中的空缺，增加锚杆的重量的同时可以有效防止水的渗入；注浆完毕后加入钢筋，有利于提高囊式定位注浆锚杆的整体性和稳定性，提高水下隧道抗浮的效果。

7、本发明中定位注浆装置在定位注浆完成后，可整体抽出反复使用，在保证水下隧道抗浮效果的同时提高了囊式定位注浆锚杆的经济效益。

8、本发明中采用位移传感器和压力传感器进行实时监控，自动采集和保存数据，可以更加精准的对注浆量以及电磁铁限位器、活动铁块进行控制，提高水下隧道抗浮的有效性，同时，有效应对海洋环境复杂、海上工程人员紧缺的海洋工程现状。

9、本发明中可根据工程实际地质条件制造囊式定位注浆锚杆，可以有效应对海洋环境复杂的问题，提高水下隧道抗浮的有效性。

附图说明

图1是囊式定位注浆锚杆的侧视图；

图2是图1的A-A剖面；

图3是图1的B-B剖面；

图4是隧道内囊式定位注浆锚杆完成后的示意图；

图5(a)是注浆前初始状态示意图；

图5(b)是1-1-A囊袋注浆示意图；

图5(c)是1-1-A囊袋注浆结束示意图；

图5(d)是1-1-B囊袋注浆前示意图；

图5(e)是1-1-B囊袋注浆示意图；

图5(f)是1-1-B囊袋注浆结束示意图；

图5(g)是1-1-C囊袋注浆前示意图；

图5(h)是1-1-C囊袋注浆示意图；

图5(i)是1-1-C囊袋注浆结束示意图；

图中，囊式定位注浆锚杆基础主体1、囊袋1-1、带孔管1-2、带孔注浆段 1-2-1、安装无孔段1-2-2、注浆孔1-2-1-1、定位注浆装置2、电磁铁限位器2-1、活动铁块2-1-1、注浆导管2-2、遇水膨胀止水条3、螺栓4。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-4所示，本实施例提供一种用于水下隧道抗浮的囊式定位注浆锚杆，包括囊式定位注浆锚杆基础主体1和定位注浆装置2；

所述囊式定位注浆锚杆基础主体1包括囊袋1-1、带孔管1-2和压力传感器；所述带孔管1-2自下而上由底部封口、带孔注浆段1-2-1和安装无孔段1-2-2组成；所述带孔管1-2的带孔注浆段1-2-1上设置若干组注浆孔1-2-1-1，底部封口处设置一组注浆孔1-2-1-1，每组注浆孔1-2-1-1的外侧通过钢筋捆扎连接一个囊袋1-1，每组注浆孔1-2-1-1实现某一设定位置的注浆；所述压力传感器固定于注浆孔1-2-1-1上，可控制阶段注浆量；所述带孔管1-2的安装无孔段1-2-2与管片及管片外侧注浆层通过遇水膨胀止水条3进行密封，并通过螺栓4连接于隧道底部；

所述定位注浆装置2包括电磁铁限位器2-1、注浆导管2-2和位移传感器；所述电磁铁限位器2-1为一块环向包裹橡胶的电磁铁；所述注浆导管2-2伸入带孔管1-2内部，其端头以套筒形式固定连接电磁铁；所述电磁铁限位器2-1具有相配合的环向包裹橡胶的活动铁块2-1-1；所述电磁铁限位器2-1和活动铁块 2-1-1能够在带孔管1-2内部移动，所述电磁铁限位器2-1和活动铁块2-1-1之间形成与注浆导管2-2相连通的注浆空间；所述位移传感器固定于电磁铁限位器 2-1和活动铁块2-1-1上，控制活动铁块2-1-1和活动铁块2-1-1的定位。

具体地，所述囊袋1-1为pvc囊袋，用于后期注浆浆液的盛放，可承受一定压力，扩大到一定范围；囊袋外侧直接与外界岩土层接触，通过钢筋捆扎的方式与带孔管1-2相连，分别安装于带孔管1-2前端底部以及环抱于带孔管1-2四周；囊袋数量以及相邻囊袋间隔距离根据具体岩土层性质进行调整；所述注浆孔1-2-1-1连通带孔管1-2内部定位注浆装置2与外部囊袋1-1，底部囊袋由一个平面注浆孔1-2-1-1注浆，四周环抱的囊袋由两个不同平面注浆孔1-2-1-1共同注浆于一个囊袋，每个平面的若干注浆孔1-2-1-1均匀分布于管身四周，所述注浆孔1-2-1-1的直径和数量由带孔管1-2的直径和长度决定。

具体地，所述带孔管1-2的安装无孔段1-2-2和带孔注浆段1-2-1一体铸成，防止接缝处有浆液溢出；所述带孔管1-2内壁涂有凡士林以帮助电磁铁限位器 2-1和活动铁块2-1-1在其内侧移动，并达到密封效果；所述带孔管1-2为柔性管，注浆完毕后加入钢筋以增加其强度和刚度。

具体地，所述电磁铁限位器2-1的电磁铁通电后下表面具有磁性，通过注浆管2-2的抽插来实现电磁铁限位器2-1的定位；所述电磁铁限位器2-1和活动铁块2-1-1均环向包裹橡胶，橡胶与带孔管1-2直接接触，在移动电磁铁限位器2-1 时，由于橡胶的环向包裹和凡士林的效果使得移动更加方便但不影响密封性。

具体地，所述注浆导管2-2为空心钢管，需要具有一定的强度和刚度，以保证抽插时不出现弯折和变形。

进一步地，所述囊式定位注浆锚杆的数量和间距根据隧道抗浮设计确定。

本实施例提供一种上述用于水下隧道抗浮的囊式定位注浆锚杆的施工方法，该方法包括以下步骤：

(1)预制囊式定位注浆锚杆，根据前期地质条件的勘察以及最外侧柔性带孔管1-2的直径和长度，确定注浆孔1-2-1-1的孔位及直径；

(2)通过吹管技术清理囊式定位注浆锚杆中的杂质，以免造成注浆孔 1-2-1-1的堵塞，影响施工过程中的注浆效果，再用凡士林擦拭带孔管1-2内壁；

(3)在电磁铁限位器2-1和活动铁块2-1-1上安装位移传感器，通电，利用凡士林和橡胶的润滑作用，通过插入注浆导管2-2的方式将环向包裹橡胶的电磁铁限位器2-1和活动铁块2-1-1顶至带孔管1-2底部，断电；

(4)在每个注浆孔1-2-1-1上安装压力传感器；

(5)根据注浆孔1-2-1-1的位置确定囊袋1-1位置，底部囊袋由一个平面注浆孔1-2-1-1注浆，四周环抱的囊袋由两个不同平面注浆孔1-2-1-1共同注浆于一个囊袋；底部囊袋上部用钢筋捆扎封口，其余四周环抱囊袋上下两端用钢筋捆扎封口并进行密封性测试；

(6)将以上预制好的囊式定位注浆锚杆运送至施工现场，以竖向钻孔插入或一定的速度竖向顶入勘察隧道可能发生上浮区段；与管片和管片外侧注浆层接触处通过遇水膨胀止水条3进行密封；通过螺栓4将囊式定位注浆锚杆固定在隧道底部；

(7)将注浆导管2-2与注浆装置的注浆管固定相连，将传感器与传感器接收面板相连；

(8)如图5(a)、图5(b)所示，通过抽插注浆导管2-2以及位移传感器来控制电磁铁限位器2-1的位置；初始状态电磁铁限位器2-1及活动铁块位于锚杆底部，此时处于断电状态，通过位移传感器的实时控制，将电磁铁限位器2-1 移至第一囊袋1-1-A对应注浆孔1-2-1-1上端，此时电磁铁与活动铁块2-1-1分离，形成注浆空间，浆液从注浆导管2-2端头喷出，通过对应的注浆孔1-2-1-1 直接注入到囊袋中，通过压力传感器控制注浆量；如图5(c)所示，即将达到最大注浆量时，慢慢将电磁铁限位器2-1下压，此时注浆压力需要适当减少，但是仍不停止注浆，直至将1-2压至底部，停止注浆，等待囊袋内浆液初凝；

(9)如图5(d)、图5(e)所示，初凝完成后，通电，电磁铁限位器2-1 具有磁性，可以吸住活动铁块2-1-1，通过位移传感器的实时控制，将活动铁块 2-1-1移至第二囊袋1-1-B对应注浆孔1-2-1-1底部，断电，抽动注浆导管2-2，通过位移传感器控制电磁铁限位器2-1移至第二囊袋1-1-B对应注浆孔1-2-1-1 顶部，断电，进行注浆；如图5(f)所示，即将达到最大注浆量时，边注浆并把电磁铁限位器2-1下压，直至接触活动铁块2-1-1，等待初凝；

(10)如图5(g)、图5(h)、图5(i)所示，完成最后一个囊袋1-1-C的注浆，等待初凝，按照一定速率慢慢将定位注浆装置2拔出囊式定位注浆锚杆基础主体1中；

(11)在柔性带孔管1-2中加钢筋以增加整体强度与刚度，对整体进行最后的补浆，防止囊袋回弹，并起到阻隔水的作用；

(12)注浆完成后，对注浆通道口进行密封处理，同时对整体进行锚固并定期检查养护。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。