钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法
【专利摘要】本发明公开了钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法,包括如下步骤:根据观测需要沿任意方向钻设抬动观测孔;加工空心测杆和阻浆塞,将所述测杆和阻浆塞整体放置于抬动观测孔中,从所述测杆的管内向抬动观测孔孔底注入水泥浆液并形成锚固段;在抬动观测孔孔外的外露端渐次安装钢板、磁性表座、连接杆架和千分表;进行任意向工程灌浆时,基岩受灌浆压力的作用产生相对于测杆的抬动位移,所述位移差值可通过千分表观测。本发明实现了沿任意球径向抬动变形的观测,与常规观测方法相比具有稳定可靠、数据精度高、可在狭窄有限的空间内埋设、与周边施工项目干扰小且易回收利用等诸多优势。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水利水电工程灌浆安全监测【技术领域】,具体地指一种钻孔内埋式任意 球径向灌浆抬动变形观测方法。 钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法
【背景技术】
[0002] 随着我国水利水电工程建设的高速推进,用于基础处理和结构补强的灌浆技术得 到广泛应用。但是,与之配套的抬动变形观测方法的发展与改进却很小。以往的抬动变形 观测方法主要有两种:第一种为钻孔内埋、垂直向下观测法,应用较为广泛;第二种为表面 连杆观测法,应用相对较少。在陡倾、直立岩面近水平向灌浆或任意上仰方向灌浆时(即任 意球径向),采用上述两种方法进行抬动变形观测存在如下问题:
[0003] 1.钻孔内埋、垂直向下观测法无法进行水平或上仰方向观测。
[0004] 钻孔内埋、垂直向下观测法一般只适用于垂直或下倾钻孔灌浆(如帷幕灌浆、常 规坝基固结灌浆等工程灌浆)时采用,而对陡倾、直立岩面近水平向灌浆和任意向上仰孔 灌浆(如高拱坝斜坡坝基灌浆、地下厂房洞室围岩固结灌浆、坝体接缝灌浆、地下洞室顶拱 回填灌浆等工程灌浆)时,此方法中的孔内装置将不能有效安装,无法进行水平或上仰方 向的抬动观测,主要是因为:①当埋设方向为近似水平或任意向上仰时,孔底锚固砂浆(或 水泥浆)难以通过抛投(或自流)的方式在自重作用下进入孔底凝固形成锚固段;②起孔 底隔浆作用的粘土或黄油等不能在自重作用下充满相应孔段并形成隔浆段,且易在灌浆时 被击穿失效;③外套管和岩壁之间的缝隙不能采用注水下砂的方式进行有效填充,难以有 效阻隔通过钻孔裂隙渗入孔内的浆液。上述任何一种安装缺陷均会导致该观测方法失效。
[0005] 2.表面连杆观测法观测精度低、施工干扰大。
[0006] 表面连杆观测法一般适用于监测两个相邻块体或两个区域之间(例如混凝土板 块开裂)的表面相对变形值,是一种简易观测方法,实际工程中应用极少。对任意向、在任 意位置灌浆的情况,其适应能力差,存在精度低、施工干扰大的问题:①此方法中的观测点 和锚固点(相对不动点)通常同属一个平面,在灌浆时若相邻两个块体或区域同时受力,同 步变位,那么观测出来的抬动变形值可能会比本块体实际发生的真正位移偏小(两块体同 向位移)或偏大(两块体反向位移)。这种简易的相对变形观测方法若应用于基岩灌浆抬 动变形观测时其精度明显偏低。②此方法中的连杆式装置均直接布置于地面,其布置和观 测与其他施工项目干扰较大。为了达到一定精度,该方法中连杆长度一般较长、较粗(增加 刚度),在空间上(特别是在空间狭窄的地下洞室)侵占其他施工项目的作业面,形成施工 干扰;同时,现场施工产生的机械、人为碰撞不可避免,均会干扰表面连杆式装置的有效观 测。
[0007] 综上所述,以往通常采用的钻孔内埋、垂直向下观测法和表面连杆观测法均不适 用于陡倾、直立岩面近水平向灌浆或任意上仰方向灌浆抬动变形观测,亟待研究出一种适 用于任意球径向抬动变形观测的方法。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术的不足,本发明提供了一种钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观 测方法,该方法可实现任意球径向抬动变形的观测,具有观测过程可靠稳定、测量数据精度 高等特点;同时应用此方法可在狭窄有限的空间内完成观测装置的埋设,且安装过程便捷、 1?效。
[0009] 本发明的技术方案是通过如下措施来达到:本发明钻孔内埋式任意球径向灌浆抬 动变形观测方法,其特征之处包括如下步骤:
[0010] 步骤1 :根据观测需要沿任意方向钻设抬动观测孔;
[0011] 步骤2 :加工空心测杆和阻浆塞,其中所述阻浆塞由中心含有通孔的圆形钢板和 所述圆形钢板周圈缠绕的防渗土工膜组成;随后将所述测杆穿过阻浆塞的通孔,并将所述 阻浆塞焊接在所述测杆下部的杆壁上,所述阻浆塞以下测杆杆壁上开凿有数个泄浆孔;
[0012] 步骤3 :将所述测杆和阻浆塞整体放置于抬动观测孔中,所述阻浆塞和抬动观测 孔孔壁边界形成密闭空间;
[0013] 步骤4:从所述测杆的管内向抬动观测孔孔底注入水泥浆液,待所述水泥浆液最 终凝固形成测杆的孔底锚固段;
[0014] 步骤5 :在所述测杆位于抬动观测孔孔外的外露端渐次安装钢板、磁性表座以及 连接杆架,然后将千分表通通过连接杆架固定后放置在孔口边缘浇筑的混凝土墩上;
[0015] 步骤6 :进行任意向工程灌浆时,基岩受灌浆压力的作用产生相对于测杆的抬动 位移,所述位移差值可通过孔口安装的千分表观测。
[0016] 优选地,所述步骤2还包括:加工隔浆用套管,在所述测杆位于阻浆塞朝抬动观测 孔孔口方向以上部分沿通长嵌套设置套管。当孔内发生串浆时,套管作为岩壁和测杆之间 隔浆体,可有效避免岩壁与测杆通长被浆液焊接为整体,从而确保抬动值观测结果不受到 影响。
[0017] 优选地,将所述套管设置在测杆外围后,使所述套管底端与阻浆塞之间留有空腔; 通过在空腔部位缠绕防渗土工膜形成沿阻浆塞径向朝向测杆的防渗土工膜凸起,所述套管 通过防渗土工膜凸起与阻浆塞隔开。常规观测方法中一般在该部位使用粘土或者黄油用于 隔浆,由于其强度一般较低,易被串浆后高压浆液击穿破坏,当浆液进入套管内部并将其与 测杆焊为整体后,将最终导致抬动观测失败;而此处通过使用结构强度较高的防渗土工膜, 可有效提高抬动观测的有效性,同时实现了在不依靠自重的作用下,沿任意向对套管底部 一段进行填充并形成孔底隔浆段的目的。
[0018] 优选地,将所述套管放入抬动观测孔之前,先在所述套管外壁缠绕防渗土工膜。常 规方法采用粉细砂作为孔内发生串浆时套管外的第二层隔浆体,但因自身结构松散存在隔 浆失效的可能性,可靠性较差;而套管外所缠绕的防渗土工膜力学强度高,防止抬动观测失 效,同时也实现了在不依靠自重的作用下,沿任意向对孔壁缝隙进行填充并形成孔壁隔浆 体的目的。
[0019] 优选地,将步骤3中所述测杆分成若干子段,并在两端加工正反丝扣;进而,在步 骤3的测杆下插过程中进行分段插入并用丝扣完成后续各段测杆的连接。即先插入第η段 测杆,再将第η段测杆的末端与第η+1段测杆的首端通过测杆丝扣连接,然后插入第η+1段 测杆。此举一方面适应于在有限空间进行观测装置安装,同时也便于观测装置的后期再利 用。
[0020] 优选地,将所述套管分成若干子段,并在两端加工有正反丝扣;进而,在所述套管 与阻浆塞连接及整体下插过程中进行分段插入并用丝扣完成后续各段套管的连接。即先插 入第η段套管,再将第η段套管的末端与第n+1段套管的首端通过套管丝扣连接,然后插入 第n+1段套管。此举一方面适应于在有限空间进行观测装置安装,同时也便于观测装置的 后期再利用。
[0021] 优选地,所述套管外壁的防渗土工膜也分段缠绕。即先缠绕第η段套管,再缠绕第 n+1段套管,第η段套管和第n+1段套管外壁的防渗土工膜之间留有重叠搭接部分,最后利 用铁丝或生胶带对相邻段搭接处绑扎固定,以利于安装和套管下插。
[0022] 优选地,将所述测杆在抬动观测孔的孔口处通过膨胀螺栓固定。当抬动观测孔为 垂直向上方向时,使用膨胀螺栓在孔口固定的方法防止套管从孔中滑落。
[0023] 优选地,所述步骤4中通过所述测杆的内孔向抬动观测孔的孔底注入水泥浆液的 具体步骤为:向所述测杆位于抬动观测孔孔口的外露端接一空心塑料软管,同时将空心塑 料软管另一端与泵机相连,随后将所述水泥浆液依次送入空心塑料软管、测杆,最终所述水 泥浆液通过测杆底部侧壁的泄浆孔和底端的孔口注入抬动观测孔的孔底。
[0024] 该发明的设计原理为:采用以钻孔内埋方式作为设计基础,沿任意球径向钻设抬 动观测孔并内插在杆壁上焊接有阻浆塞的测杆。利用测杆所具备的中空特性,将其作为孔 内输送水泥浆液的通道使其直达孔底。同时还利用阻浆塞和孔壁(底)形成的边界,保证 在任何角度下(包括上仰)注入孔底的水泥浆液均能凝固形成锚固段,完成绝对不动端的 设置。工程灌浆时,基岩受灌浆压力的作用产生相对绝对不动体测杆的抬动位移,该位移差 值可通过孔口安装的千分表准确观测。当孔内发生串浆时,外套管及其外壁缠绕的防渗土 工膜可作为测杆和孔壁之间的两道隔浆体,一方面防止发生抬动变形的岩体和作为绝对不 动端的测杆二者被浆液焊死,另一方面也有效避免了岩体的浅层抬动部位和深层稳定部位 以套管作为媒介被浆液焊接为整体。最终确保抬动观测装置持续有效工作,观测结果稳定 可靠。
[0025] 与现有技术相比,本发明优势明显,效果积极:
[0026] (1)相较于钻孔内埋、垂直向下观测法:①可沿任意球径向可靠埋设。通过在测 杆靠近孔底部位焊接圆形钢板及缠绕土工膜形成阻浆塞、在外套管通长缠绕防渗土工膜、 测杆钻凿泄浆孔、孔口套管焊接圆形钢板、采用膨胀螺栓固定等措施保证了在任何角度下 (即空间球径向)均能可靠安装。而原方法中的孔内观测装置只能适用于垂直工作面向下 钻孔灌浆时埋设。②可靠性更好。当钻孔内发生串浆时,套管外的防渗土工膜可有效阻隔 浆液进入套管内抱死测杆,防止抬动观测装置失效,而原方法采用的粉细砂则存在阻隔浆 液失效的可能性,可靠性相对较差。③易回收利用。沿外套管缠绕的防渗土工膜可有效防 止套管与孔内浆液凝固抱死情况的出现,观测完成后,内芯管(测杆,锚固段除外)和外套 管均可逐段反转丝扣后拉出回收利用。而原方法中的孔内埋设装置则存在外套管与浆液局 部凝固导致回收困难的情况。
[0027] (2)相较于表面连杆观测法:①观测精度更高。通过在孔底构造阻浆塞,形成可靠 的锚固段,与表面观测点形成完整的绝对/相对观测体系,可观测抬动变形绝对值。而原方 法的观测点和锚固点(相对不动点)通常同属一个平面,只适用于监测表面相对变形值,是 一种观测相对变形的简易装置,精度低。②施工干扰小。本方法中的核心装置为钻孔内埋 式,占地面积小,基本不受外界施工干扰。③可在狭窄有限的空间内埋设。测杆、套管以及 防渗土工膜等构件均可分段加工、缠绕,安装时逐段连接。因此,本方法中的抬动观测装置 在岸坡马道、地下洞室等有限空间仍可便捷、高效地进行安装。而原方法中的连杆式设备均 直接布置于地面,对空间要求相对较高。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为本发明第一个实施例安装完成后的完整结构示意图(水平方向);
[0029] 图2为图1中I处放大结构示意图;
[0030] 图3为图1中A-A处剖视结构示意图;
[0031] 图4为图1中B-B处剖视结构示意图;
[0032] 图5为图1中C-C处剖视结构示意图;
[0033] 图6为本发明第一个实施例安装过程中的孔内结构示意图(水平方向);
[0034] 图7为测杆、套管及防渗土工膜分段连接结构示意图;
[0035] 图8为图7中D-D处剖视结构示意图;
[0036] 图9为本发明第二个实施例安装完成后的完整结构示意图(垂直向上方向)。
[0037] 图中:1.抬动观测孔,2.测杆(或称内测杆),2.1.第η段测杆,2.2.第n+1段 测杆,2. 3.测杆丝扣,3.阻浆塞,4.套管(或称外套管),4.1.第η段套管,4.2.第n+1段 套管,4. 3.套管丝扣,5.防渗土工膜,5.1.第η段防渗土工膜,5. 2.第n+1段防渗土工膜, 5. 3.铁丝或生胶带,6.泄浆孔,7.水泥浆液,8.塑料软管,9.棉纱,10.膨胀螺栓,11.连接 杆架,12.混凝土墩,13.玻璃板,14.千分表,15.钢板,16.磁性表座,17.锚固段,18.空腔, 19.防渗土工膜凸起,G.岩面,图中箭头所示的方向为水泥浆液流向。
【具体实施方式】
[0038] 以下结合附图详细说明本发明的实施情况,但它们并不构成对本发明的限定,仅 作举例而已,同时通过以下说明,本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
[0039] 参阅附图可知:本发明一种钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法,包括 如下步骤:
[0040] 步骤1 :根据观测需要沿任意方向钻设抬动观测孔1 ;
[0041] 步骤2 :加工空心测杆2和阻浆塞3,其中所述阻浆塞3由中心含有通孔的圆形钢 板和所述圆形钢板周圈缠绕的防渗土工膜5组成;随后将所述测杆2穿过阻浆塞3的通孔, 并将所述阻浆塞3焊接在所述测杆2下部的杆壁上,所述阻浆塞3以下测杆2杆壁上开凿 有数个泄浆孔6 ;加工隔浆用套管4,在所述测杆2位于阻浆塞3朝抬动观测孔1孔口方向 以上部分沿通长嵌套设置套管4 ;将所述套管4放入抬动观测孔1之前,先在所述套管4外 壁缠绕防渗土工膜5。
[0042] 步骤3 :将所述测杆2、阻浆塞3和套管4整体放置于抬动观测孔1中,所述阻浆塞 3和抬动观测孔1孔壁边界形成密闭空间;将所述测杆2分成若干子段,并在两端加工正反 丝扣,进行分段插入并用丝扣完成后续各段测杆2的连接;将所述套管4分成若干子段,并 在两端加工有正反丝扣,进行分段插入并用丝扣完成后续各段套管4的连接;所述套管4外 壁的防渗土工膜5也分段缠绕。
[0043] 步骤4 :从所述测杆2的管内向抬动观测孔1孔底注入水泥浆液7,待所述水泥浆 液7最终凝固形成测杆2的孔底锚固段17。
[0044] 步骤5 :在所述测杆2位于抬动观测孔1孔外的外露端渐次安装钢板15、磁性表座 16以及连接杆架11,然后将千分表14通过连接杆架11固定后放置在孔口边缘浇筑的混凝 土墩12上;
[0045] 步骤6 :进行任意向工程灌浆时,基岩受灌浆压力的作用产生相对于测杆2的抬动 位移,所述位移差值可通过千分表14观测。
[0046] 实现上述方法的第一个实施例以抬动观测装置按照水平方向埋设且钻孔孔径为 Φ76πιπι作为示例,如图1?图8所示。套管4、测杆2等相关设备的规格相应与之配套。
[0047] 1、根据观测需要沿水平方向钻设抬动观测孔1。
[0048] 根据需要,采用地质钻或潜孔钻沿水平方向钻设抬动观测孔1,入岩孔深一般 > 15m。抬动观测孔1完成并经检验合格后,用风压将孔内水扬出吹干。
[0049] 2、测杆2、阻浆塞3和套管4加工、安装。
[0050] 测杆2由C>25mm薄壁空心钢管制成;阻楽塞3主体由直径为65mm的圆形钢板制 成,且中心加工有直径略大于测杆2圆形通孔,同时在圆形钢板边缘处缠绕防渗土工膜5。
[0051] 阻浆塞3在距离测杆2底部lm处与测杆2外壁焊接。测杆2位于孔底和阻浆塞3 之间部位开泄浆孔6以用于后期灌注锚固水泥浆液7。在阻浆塞3朝向孔口方向的约0. 3m 一段继续缠绕多层防渗土工膜5,且要求沿阻浆塞3径向缠绕成朝向测杆2的凸起,并用多 道铁丝或生胶带5. 3扎紧。
[0052] 套管4采用Φ60_钢管制成,通过嵌套方式安装在在测杆2外。套管4底端与阻 浆塞3之间具有空腔18,套管4与阻浆塞3通过防渗土工膜凸起19隔开,且套管4管底与 防渗土工膜凸起19紧密接触并使之压实。
[0053] 待以上测杆2、阻浆塞3和套管4加工及组装完成后,整体插入抬动观测孔1中,并 用棉纱9封堵孔口。完成后的套管在抬动观测孔1孔口外露15cm,测杆2在抬动观测孔1 孔口外露20cm。
[0054] 特别的,考虑到安装空间一般有限,同时为便于观测装置的后期回收再利用,测杆 2及套管4应分段加工、分段整体下插,并宜采用正反扣方式连接。如图7和图8所示,第η 段测杆2. 1与第η+1段测杆2. 2通过测杆丝扣2. 3连接,同时第η段套管4. 1与第η+1段 套管4. 2通过套管丝扣4. 3连接。相应的,套管4外壁的第η段防渗土工膜5. 1与第η+1 段防渗土工膜5. 2也应分段缠绕并相互重叠搭接,相邻段搭接处以及各段内每50cm应利用 铁丝或生胶带5. 3对防渗土工膜5进行一次绑扎固定,以利于安装。
[0055] 3、锚固段注浆及待凝。
[0056] 测杆2在抬动观测孔1孔口外露端接一塑料软管8,同时将塑料软管8另一端与泵 机相连。随后调节合适的泵送压力,开始向抬动观测孔1孔底注入水泥浆液7,当量测到注 浆量与锚固段体积接近时停止注浆,注浆完毕后待凝24h,最终形成约lm段长的锚固段。
[0057] 4、观测孔1孔口仪器安装及观测。
[0058] 在岩面G上立模浇筑混凝土墩12,安装玻璃板13、千分表14,钢板15,磁性表座 16,连接杆架11等设备。调试完成后采用人工或连接自动报警装置进行抬动变形观测。
[0059] 本发明的第二个实施例以按照垂直向上方向埋设且钻孔孔径为Φ76πιπι作为示 例,如图9所示,其他任意方向或孔径的装置埋设与此类似。
[0060] 本实施例与第一个实施例基本相同,区别仅在于步骤1)根据观测需要沿垂直向 上方向钻设抬动观测孔1 ;步骤2与步骤3之间还包括套管4端部固定的步骤:
[0061] 当抬动观测孔1的角度为上仰或垂直向上时,须在套管4的孔口外露段额外焊接 一环形钢片,采用膨胀螺栓10将套管4固定于岩面G上。
[0062] 其它未详细说明的部分均为现有技术。
【权利要求】
1. 一种钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法,其特征在于:包括如下步骤: 步骤1 :根据观测需要沿任意方向钻设抬动观测孔(1); 步骤2 :加工空心测杆(2)和阻浆塞(3),其中所述阻浆塞(3)由中心含有通孔的圆 形钢板和所述圆形钢板周圈缠绕的防渗土工膜(5)组成;随后将所述测杆(2)穿过阻浆塞 (3)的通孔,并将所述阻浆塞(3)焊接在所述测杆(2)下部的杆壁上,所述阻浆塞(3)以下 测杆(2)杆壁上开凿有数个泄浆孔(6); 步骤3 :将所述测杆(2)和阻浆塞(3)整体放置于抬动观测孔(1)中,所述阻浆塞(3) 和抬动观测孔(1)孔壁边界形成密闭空间; 步骤4:从所述测杆(2)的管内向抬动观测孔(1)孔底注入水泥浆液(7),待所述水泥 浆液(7)最终凝固形成测杆(2)的孔底锚固段(17); 步骤5 :在所述测杆(2)位于抬动观测孔(1)孔外的外露端渐次安装钢板(15)、磁性表 座(16)以及连接杆架(11),然后将千分表(14)通过连接杆架(11)固定后放置在孔口边缘 浇筑的混凝土墩(12)上; 步骤6 :进行任意向工程灌浆时,基岩受灌浆压力的作用产生相对于测杆(2)的抬动位 移,所述位移差值可通过千分表(14)观测。
2. 根据权利要求1所述的钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法,其特征在 于:所述步骤2还包括:加工隔浆用套管(4),在所述测杆(2)位于阻浆塞(3)朝抬动观测 孔(1)孔口方向以上部分沿通长嵌套设置套管(4)。
3. 根据权利要求2所述的钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法,其特征在 于:将所述套管(4)设置在测杆(2)外围后,使所述套管(4)底端与阻浆塞(3)之间留有空 腔(18);通过在空腔(18)部位缠绕防渗土工膜(5)形成沿阻浆塞(3)径向朝向测杆⑵的 防渗土工膜凸起(19),所述套管(4)通过防渗土工膜凸起(19)与阻浆塞(3)隔开。
4. 根据权利要求3所述的钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法,其特征在 于:将所述套管(4)放入抬动观测孔(1)之前,先在所述套管(4)外壁缠绕防渗土工膜(5)。
5. 根据权利要求4所述的钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法,其特征在 于:将步骤3中所述测杆(2)分成若干子段,并在两端加工正反丝扣;进而,在步骤3的测杆 (2)下插过程中进行分段插入并用丝扣完成后续各段测杆(2)的连接。
6. 根据权利要求5所述的钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法,其特征在 于:将所述套管(4)分成若干子段,并在两端加工有正反丝扣;进而,在所述套管(4)与阻 浆塞(3)连接及整体下插过程中进行分段插入并用丝扣完成后续各段套管(4)的连接。
7. 根据权利要求6所述的钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法,其特征在 于:所述套管(4)外壁的防渗土工膜(5)也分段缠绕。
8. 根据权利要求7所述的钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法,其特征在 于:将所述测杆⑵在抬动观测孔⑴的孔口处通过膨胀螺栓(10)固定。
9. 根据权利要求8所述的钻孔内埋式任意球径向灌浆抬动变形观测方法,其特征在 于:所述步骤4中通过所述测杆(2)的内孔向抬动观测孔(1)的孔底注入水泥浆液(7)的 具体步骤为:向所述测杆(2)位于抬动观测孔(1)孔口的外露端接一空心塑料软管(8),同 时将空心塑料软管(8)另一端与泵机相连,随后将所述水泥浆液(7)依次送入空心塑料软 管(8)、测杆(2),最终所述水泥浆液(7)通过测杆(2)底部侧壁的泄浆孔(6)和底端的孔 口注入抬动观测孔(1)的孔底。
【文档编号】E02D1/00GK104061844SQ201410252011
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】徐年丰, 施华堂, 王汉辉, 李洪斌, 樊少鹏, 邹德兵, 丁刚, 刘权庆, 黄小艳, 肖碧, 王公彬, 卢增木 申请人:长江勘测规划设计研究有限责任公司