一种富水砂层隧道施工U形双层全封闭注浆止水装置及方法

摘要

一种富水砂层隧道施工U形双层全封闭注浆止水装置及方法，属于地下工程与岩土工程施工领域。所述装置包括U形双层全封闭结构钻孔护筒(1)、柔性钻具(2)、定向钻头(3)；使用时依次分别在隧道拟开挖边界外分别安装钻机和施工注浆孔，进行钻孔内顺序注浆，实现对隧道掌子面前方隧道顶部、隧道底部和隧道两侧壁富水砂土地层U形双层全封闭注浆。

说明书

技术领域

本发明涉及一种富水砂层隧道施工U形双层全封闭注浆止水装置及方法，属于地下工程与岩土工程施工方法领域。

背景技术

在富水砂层中施工地下隧道工程，需要对隧道掌子面前方及周边进行止水和预加固处理，防止地下水引起隧道掌子面涌砂涌水和防止围岩坍塌变形等工程安全事故的发生，通常采用钻孔高压注浆加固的方法，但由于水泥浆在富水砂土地层中渗透性极差，注浆的范围和注浆的质量极差，不能满足工程施工的需求。

本发明为一种富水砂层隧道施工U形双层全封闭注浆止水装置及方法，对隧道进行全断面注浆和封闭，防止地层流失，有效地控制施工风险和提高工程质量。

发明内容

本发明一种富水砂层隧道施工U形双层全封闭注浆止水装置结构，其特征在于，包括U形双层全封闭结构钻孔(1)、柔性钻具(2)、定向钻头(3)；U形双层全封闭结构钻孔(1)结构具体为:包括左上部竖直钻孔(1.1)、右上部竖直钻孔(1.3)、右开口水平U形钻孔(1.2)、左开口水平U形钻孔(1.4)，水平U形钻孔的结构：包括上下平行的两个水平的钻孔，两个水平的钻孔通过一个竖直的钻孔连接连通形成水平的U形相通的钻孔；左上部竖直钻孔(1.1)与右开口水平U形钻孔(1.2)左侧竖直的钻孔直线连接连通；右上部竖直钻孔(1.3)与左开口水平U形钻孔(1.4)右侧竖直的钻孔直线连接连通；

右开口水平U形钻孔(1.2)和左开口水平U形钻孔(1.4)相对围成封闭的长方形结构，此封闭的长方形结构与隧道截面的长方形结构相对应；右开口水平U形钻孔(1.2)的上水平钻孔和左开口水平U形钻孔(1.4)的上水平钻孔上下平行层叠，层叠后位置相对应位于隧道顶部注浆区位置；右开口水平U形钻孔(1.2)的下水平钻孔和左开口水平U形钻孔(1.4)的下水平钻孔上下平行层叠，层叠后位置相对应位于隧道底部注浆区位置；右开口水平U形钻孔(1.2)的左侧竖直的钻孔和左开口水平U形钻孔(1.4)的右侧竖直的钻孔分别对应位于隧道两侧面注浆区位置；左上部竖直钻孔(1.1)和右上部竖直钻孔(1.3)则分别向上伸出地面；

柔性钻具(2)一端伸入到钻孔内用于钻孔和注浆，另一端位于钻孔外用于与注浆泵连接；伸入钻孔内的一端端部为定向钻头(3)。

柔性钻具(2)包括连接丝扣(2.1)、连接体(2.2)、耳片(2.3)、销钉/孔(2.4)和外壁橡胶高压防护结构(2.5)；连接体(2.2)的一端为连接丝扣(2.1)，另一端为耳片(2.3)，耳片(2.3)上设有销钉/孔(2.4)，多个连接体(2.2)首位相连，相连处为：连接丝扣(2.1)与耳片(2.3)连接采用销钉/孔(2.4)固定，形成柔性长连接体，柔性长连接体的外周为外壁橡胶高压防护结构(2.5)。

所述连接体(2.2)置于柔性钻具内，为钻具的主体部分，起传递压力和扭矩作用；

所述销钉/孔(2.4)置于柔性钻具内，为钻具的主体部分，连接和固定连接体(2.2)；

所述外壁橡胶高压防护结构(2.5)，钻具连接体限位、注入循环泥浆和水泥浆液，耐压等级大于注浆压力；

左上部竖直钻孔(1.1)、右上部竖直钻孔(1.3)内壁设有护筒。钻孔指的是钻机预打的钻孔，在钻孔内可下入保护井壁的钢护筒；所述钻孔直径大于钢护筒外径；所述护筒外径大于定向钻头外径。

所述柔性钻具(2)可随定向钻头(3)的钻进轨迹弯曲和旋转；

所述定向钻头(3)包括钻头本体和钻头导向控制器(9)，通过地面控制系统控制导向控制器(9)，测量钻头位置和控制钻头钻进方向。

本发明适用于上部地层为粘性土(8)，下部为富水砂层(7)的双层结构，当隧道支护结构(5)施工至隧道掌子面(4)时，对掌子面前方地层进行注浆预加固即隧道注浆加固区(6)，隧道注浆加固区(6)为U形双层全封闭区域即对于本装置所述的U形双层全封闭结构钻孔所在的位置。

为富水砂土地层中隧道掌子面涌砂涌水和防止围岩坍塌变形等工程安全事故的发生，采用上述装置进行富水砂层隧道施工U形双层全封闭注浆止水方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：现场放样确定注浆孔位置，安装钻机设备；

第二步：采用定向钻头按照左上部竖直钻孔(1.1)和右上部竖直钻孔(1.3)的位置施工垂直钻孔和下入钻孔，直到深度达到隧道顶部注浆层，得到左上部竖直钻孔(1.1)和右上部竖直钻孔(1.3)，同时在左上部竖直钻孔(1.1)、右上部竖直钻孔(1.3)内壁装填护筒；

第三步：分别同时或先后，在左上部竖直钻孔(1.1)、右上部竖直钻孔(1.3)内，下入柔性钻具(2)和定向钻头(3)，采用钻头导向控制器(9)控制钻头位置和方向，沿隧道顶部注浆层进行定向钻进，直到预定的隧道对侧注浆位置，形成右开口水平U形钻孔(1.2)的上水平钻孔和左开口水平U形钻孔(1.4)的上水平钻孔；在钻具另一端接注浆泵，通过柔性钻具沿右开口水平U形钻孔(1.2)的上水平钻孔和左开口水平U形钻孔(1.4)的上水平钻孔泵入水泥浆液，对隧道顶部含水层进行封闭和加固；

第四步：采用与第二步相同的方法制备右开口水平U形钻孔(1.2)的左侧竖直钻孔和左开口水平U形钻孔(1.4)的右侧竖直钻孔；

第五步：采用与第三步相同的方法制备右开口水平U形钻孔(1.2)的下水平钻孔和左开口水平U形钻孔(1.4)的下水平钻孔；在钻具另一端接注浆泵，通过柔性钻具沿右开口水平U形钻孔(1.2)的下水平钻孔和左开口水平U形钻孔(1.4)的下水平钻孔泵入水泥浆液，对隧道底部含水层进行封闭和加固；

第六步，通过柔性钻具沿右开口水平U形钻孔(1.2)的左侧竖直钻孔和左开口水平U形钻孔(1.4)的右侧竖直钻孔泵入水泥浆液，对隧道侧部含水层进行封闭和加固；最终实现对隧道掌子面前方隧道顶部、隧道底部和隧道两侧壁富水砂土地层U形双层全封闭注浆。

进一步，第三步、第五步、第六步在钻孔泵入水泥浆液，对隧道侧部含水层进行封闭和加固的具体操作均为如下步骤：对端部第一段注浆段进行高压旋喷注浆，在设计的注浆压力下达到注浆时间后停止，然后往后拉柔性钻具至定向钻头达到第二段预定注浆段进行高压旋喷注浆，在设计的注浆压力下达到注浆时间后停止，依次类推进行回拉钻具并进行高压旋喷注浆。

注浆止水方法适用于富水砂土地层(7)，一般上覆地层为隔水粘土地层(8)；隧道顶部注浆层是指位于隧道拱顶上部的富水砂层地层；隧道低部注浆层是指位于隧道拱顶上部的富水砂层地层；隧道两侧注浆层是指位于隧道两内侧的富水砂层地层；隧道包括隧道掌子面掌子面(4)和隧道支护结构(5)；注浆孔布置在隧道横断面线方向沿两侧注浆隧道施工区外对称布置，在隧道轴线方方向沿两侧注浆隧道施工区外顺序布置，跳孔间隔施工。

本发明的优点：

本发明一种富水砂层隧道施工U形双层全封闭注浆止水方法优点：

(1)充分利用有限的地面空间，施工最少的注浆孔，并对隧道的顶底和侧面富水砂层进行全断面封闭注浆；

(2)本发明采用柔性钻具和定向钻头，可通过地面控制系统控制注浆孔的方向和位置，对富水砂层进行精准定位注浆和任意位置注浆；

(3)本发明适用于任意方向定向注浆和沿层面进行定向注浆；

(4)本发明实现了定位和定向注浆，可节约大量的注浆材料和施工工作量，有效地提高经济效益和社会效益，实现绿色施工。

(5)本发明具有理论价值和应用价值，具有可复制性和可推广性。

附图说明

图1富水砂层隧道施工U形双层全封闭注浆止水结构图

图2隧道及地层结构图

图3柔性钻具及钻头关系图

图4隧道注浆分区图

图5隧道注浆分段图

图6柔性钻具结构图

图7钻孔

图中：1为U形双层全封闭结构钻孔，1.1为左上部竖直钻孔、1.2右开口水平U形钻孔、1.3为右上部竖直钻孔、1.4左开口水平U形钻孔，2为柔性钻具，2.1为连接丝扣,2.2为连接体，2.3为连接耳片，2.4为销钉/孔，3为定向钻头，4为隧道掌子面，5为隧道支护结构，6为隧道注浆加固区，7为富水砂层，8为粘土层，9为钻头导向控制器。

具体实施方式

下面结合北京某地铁隧道实例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

具体的富水砂层隧道施工U形双层全封闭注浆止水装置结构图。

第一步：现场放样确定注浆孔位置，安装钻机设备；

第二步：采用定向钻机施工垂直钻孔和下入，直到深度达到隧道顶部注浆层；

第三步：在左上部竖直钻孔(1.1)和右上部竖直钻孔(1.3)内(其内壁均有护筒)，下入柔性钻具(2)和定向钻头(3)，采用钻头导向控制器(9)控制钻头位置和方向，沿隧道顶部注浆层进行定向钻进，直到预定的隧道对侧注浆位置；

第四步：在钻具端部接注浆泵，通过柔性钻具泵入水泥浆液，对钻头端部第一个注浆段(隧道顶部)(A)进行高压旋喷注浆，在设计的注浆压力下达到注浆时间后停止；

第五步：提升钻具至钻头达到第二段预定注浆段(隧道顶部)，通过柔性钻具泵入水泥浆液，对钻头端部第二个注浆段(B)进行高压旋喷注浆，在设计的注浆压力下达到注浆时间后停止，并依次回退钻具和进行注浆，至完成本注浆孔全部预定段(隧道顶部)(A，B，C，D，，，，)的注浆任务，对隧道顶部含水层进行封闭和加固；

第六步：在孔位处继续垂直钻进钻孔和下入钻孔，至深度达到隧道低部注浆层；

第七步：在内下入柔性钻具(2)和定向钻头(3)，采用钻头导向控制器(9)控制钻头位置和方向，沿隧道底部注浆层进行定向钻进，直到预定的隧道对侧注浆位置；

第八步：在钻具端部连接注浆泵，通过柔性钻具泵入水泥浆液，对钻头端部第一个注浆段(隧道底部)(A)进行高压旋喷注浆，在设计的注浆压力下达到注浆时间后停止；

第九步：提升钻具至钻头达到第二段预定注浆段(隧道底部)，通过柔性钻具泵入水泥浆液，对钻头端部第二个注浆段(B)进行高压旋喷注浆，在设计的注浆压力下达到注浆时间后停止，并依次回退钻具和进行注浆，至完成本注浆孔全部预定段(隧道底部)(A，B，C，D，，，，)的注浆任务，对隧道底部含水层和隧道侧面富水砂层进行封闭和加固。

依次分别在隧道拟开挖边界外分别安装钻机和施工注浆孔，进行钻孔内顺序注浆，实现对隧道掌子面前方隧道顶部、隧道底部和隧道两侧壁富水砂土地层U形双层全封闭注浆。

实施例1

北京某地铁隧道地面下0-15米为粉质粘土8地层为主，其下为富水中细砂层7。

地下水类型为潜水-承压水混合形式，地面有河流流过，地铁隧道断面100m

本发明实施第一步是钻机就位，按隧道设计图进行施工放样，确定注浆孔位置；按地质剖面图确定隧道顶部和底部注浆层的深度地地层的岩性；

第二步，进行注浆孔施工，按设计深度钻孔至深度17米(隧道顶部注浆加固区(6))，下钻孔钢，钢直径大于钻头外径；

第三步，在左上部竖直钻孔(1.1)和右上部竖直钻孔(1.3)内，下入柔性钻具(2)和定向钻头(3)，在孔底按设计方向采用采用钻头导向控制器(9)控制钻头位置和方向进行定向造斜，并在地面控制室进行定向控制，施工水平定钻孔，至隧道对侧设计位置，冲洗钻孔；

第四步，连接注浆泵，通过柔性钻具和钻头对隧道顶部注浆加固区(6)注浆段A进行高压注浆，注浆压力0.5左右，稳定注浆时间1小时；

第五步，提升钻具0.5米左右，对隧道顶部注浆加固区(6)注浆段B进行高压注浆，注浆压力0.5左右，稳定注浆时间1小时；

第七步，依次提升钻具，每次0.5米左右，分别对隧道顶部注浆加固区(6)各注浆段进行高压注浆，完成隧道顶部注浆区(6)注浆加固；

第八步，在垂直钻孔中继续施工垂直钻孔至深度30米(隧道底部注浆加固区(6)),下入钻孔(1.2)；

第九步，在内，下入柔性钻具(2)和定向钻头(3)，采用钻头导向控制器(9)控制钻头位置和方向，在孔底按设计方向进行定向造斜，并在地面控制室进行定向控制，施工水平定钻孔，至隧道对侧设计位置，冲洗钻孔；

第十步，连接注浆泵，通过柔性钻具和钻头对隧道底部注浆加固区(6)注浆段A进行高压注浆，注浆压力0.5左右，稳定注浆时间1小时；

第十一步，提升钻具0.5米左右，对隧道底部注浆加固区注浆段B进行高压注浆，注浆压力0.5左右，稳定注浆时间1小时；

第十二步，依次提升钻具，每次0.5米左右，分别对隧道底部注浆加固区和隧道侧面各注浆段进行高压注浆，完成隧道底部注浆区(6)和隧道侧面注浆区(6)注浆加固；

第十三步，沿隧道轴线方向移动钻机1米，依次完成上述各步钻孔和注浆工作；

第十四步，当第十三步注浆孔注浆完成48小时后，在相邻两注浆孔中间位置补打梅花形注浆孔，具体做法同前；

第十五步，在隧道轴线对称一侧，按同样的施工工序逐步完成注浆工作；

以上逐步施工并完成全部设计区段的注浆，形成隧道掌子面开挖区U形双层全封闭止水加固结构，再进行隧道掌子面的开挖工作。

本发明一种富水砂层隧道施工U形双层全封闭注浆止水方法包括但不限于以上内容，同样适用于水平钻孔定向注浆等相关方法。