一种适用于城市地铁隧道的超前注浆控制方法与流程

本发明涉及一种城市地铁隧道超前注浆控制方法，尤其适用于浅埋或者极浅埋软弱地层条件下城市地铁隧道的地表及围岩变形控制。

背景技术

目前，我国城市地铁建设事业正逐渐进入飞速发展时期。但是，由于地铁隧道埋深浅、城市地下管线复杂等原因，在施工过程中极易引发塌方、地表沉降以及管线破裂等问题，危及施工人员和设备安全，影响周边环境以及居民正常的生产生活。

为确保施工安全，减少施工对城市环境的影响，通常采用超前预注浆的方法对地层进行加固。在工程开挖前将浆液注入地层中，通过浆液的充填、劈裂、压密作用，达到加固地层的目的。但是由于注浆工程的隐蔽性，注浆过程中浆液的扩散过程、扩散范围、浆液对地层的充填压密程度均难以控制，注浆量过少，充填压密效果不理想，注浆效果难以满足要求，注浆量过大，则容易引起地表隆起过大，导致路面、建筑物破坏以及地下管线破裂等问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种适用于城市地铁隧道的超前注浆控制技术。该方法可靠性高且应用广泛，施工周期短且工序少，能够达到对地层的支撑压密双重加固效果，浆液扩散范围可控，能够在避免地表沉降的同时有效的控制地表隆起，进而实现施工安全、施工效益、城市基础设施保护等多重效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种适用于城市地铁隧道的超前注浆控制方法，包括以下步骤：

步骤1：确定每循环的注浆管长度、钻孔的参数以及钻孔的布置方式；

步骤2：以钻孔布置图为基础，利用数值模拟手段建立关于注浆钻孔以及土工布袋直径、注浆量的有限元分析模型，分析不同土工布袋膨胀率对于地层的加固效果以及相应的位移场、应力场、塑性区的分布情况，确定最优土工布袋直径和注浆量；

根据数值模拟计算结果，不同的注浆量会使土工布袋达到不同的直径，对地层的挤密加固效果以及地表隆起影响不同，综合考虑开挖扰动、地表沉降以及地表隆起因素，确定最合适的注浆量所能达到的土工布袋直径，以最小的成本达到最好的效果。

步骤3：利用钻机沿隧道掘进方向钻孔，钻孔应有一定的外插倾角，即沿着拟掘进隧道轮廓线向外成一定倾角；

步骤4：钻孔完成后，将加工好的包覆有高强度土工布袋的注浆管下放入钻孔中，下放过程中应注意高强度土工布袋的完整性，避免因刮破等原因造成漏浆跑浆；

步骤5：通过注浆设备将浆液注入注浆管中，通过出浆孔流入高强度土工布袋，对土工布袋进行填充膨胀，根据数值模拟计算结果确定最终的注浆量；

步骤6：采用间隔钻孔注浆的方式对注浆管进行注浆，以最大限度的对地层进行挤密加固，最终形成横向止浆墙结构。

进一步的，注浆管长度应等于或略小于钻孔深度，钻孔深度根据每循环开挖进尺确定，通常情况下，钻孔深度应大于开挖进尺不少于3m，以保证开挖工作面前方地层的稳定性；

在所述的注浆管前端设有止浆器，用于阻止浆液从注浆管前端进入地层，以保证浆液最大程度的进入土工布袋中；在所述的注浆管周围设出浆孔，根据需要确定出浆孔数量，但至少应保证有一个出浆孔使浆液进入土工布袋，填充布袋。

进一步的，所述的土工布袋长度应比注浆管长度略短。

进一步的，根据地质地形及荷载情况不同，所述钻孔布置方式为扇形布置或者半圆形布置；对于隧道上部地层仅拱顶部分或仅部分区域不稳定的条件，建议采用扇形布置；对于隧道上部地层整体不稳定的条件，建议采用半圆形布置。

进一步的，为了提高注浆管出浆速率以及填充速率，所述出浆孔采用梅花形布置，可根据需要布置出浆孔数量，建议孔间距为1.5m～2m。

进一步的，所述的钻孔应有一定的外插倾角，即沿着拟掘进隧道轮廓线向外成一定倾角。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)包覆有高强度土工布袋的注浆管以掌子面和后方支撑为支点，形成一个梁式结构，二者构成环绕隧洞轮廓的壳状结构，可有效抑制软弱地层的垮塌，同时土工布袋的挤密作用可有效改善软弱地层的物理力学性质，增强软弱地层的自承能力，达到对地层的支撑压密双重加固效果。

(2)注浆后土工布袋的支撑挤密作用可有效加固地层，减小地层孔隙率以及渗透性，改善软弱地层的物理力学性质，从而达到一定的止水效果。

(3)该技术浆液扩散范围可控，同时注浆量设计以数值模拟计算结果为基础，能够在避免地表沉降的同时有效的控制地表隆起。

(4)掌子面爆破产生的爆炸冲击波传播遇浆液填充后的高强度土工布袋密集环形孔槽后被反射、吸收或绕射，大大降低了反向拉伸波所造成的地层破坏程度及扰动范围。

(5)该技术操作相对简单，施工周期短且工序少，相比较于管棚注浆等施工方法，其注浆管管径小，节约材料，降低成本，同时由于浆液扩散范围可控，降低了因浆液无序扩散而造成的浪费，也在一定程度上降低了成本。

附图说明

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

图1(a)为本发明钻孔孔位扇形布置方式示意图。

图1(b)为本发明钻孔孔位半圆形布置方式示意图。

图2为本发明钻孔布置方式剖面图。

图3为本发明装置结构示意图。

图4为本发明的城市地铁隧道超前注浆控制技术流程图。

其中，1、隧道；2、钻孔；3、包覆有高强度土工布袋的注浆装置；4、注浆管；5、高强度土工布袋；6、出浆孔；7、止浆器；8、浆液(结石体)；9、封孔圆盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术部分所描述的，现有技术中由于注浆工程的隐蔽性，注浆过程中浆液的扩散过程、扩散范围、浆液对地层的充填压密程度均难以控制，注浆量过少，充填压密效果不理想，注浆效果难以满足要求，注浆量过大，则容易引起地表隆起过大，导致路面、建筑物破坏以及地下管线破裂等问题；为了解决该问题，本发明公开了一种适用于城市地铁隧道的超前注浆控制方法。

如图3所示；装置3包括注浆管4和土工布袋5；具体的参数的确定方法如下：

(1)根据地质勘查资料以及现有的设备材料、开挖进尺等设计方案，确定合理的钻孔2布置方式、钻孔2参数(钻孔深度、钻孔直径)、注浆管4长度等；

钻孔2布置方式确定方法如下，如图1(a)和图1(b)所示：

根据地质地形及荷载情况不同，所述钻孔布置方式为扇形布置或者半圆形布置；对于隧道上部地层仅拱顶部分或仅部分区域不稳定的条件，建议采用扇形布置；对于隧道上部地层整体不稳定的条件，建议采用半圆形布置。

钻孔2参数包括钻孔深度、钻孔直径；

钻孔深度根据每循环开挖进尺确定，通常情况下，钻孔深度应大于开挖进尺不少于3m，以保证开挖工作面前方地层的稳定性，钻孔直径根据钻机型号以及注浆管型号、钻头型号确定，通常情况下钻孔直径比注浆管直径大30～50mm。

注浆管4长度的确定方法如下：

其中，注浆管长度应等于或略小于钻孔深度，大于每循环开挖进尺，一般在浅埋松散地层中循环进尺多控制在12～17m，安全起见，建议注浆管4长度应比开挖进尺大1～3m，建议注浆管直径为30～50mm，两循环注浆管4水平搭接长度应不小于1m，具体长度可根据实际地层情况以及开挖进尺情况进行调整。

(2)以步骤1的钻孔设计方案为基础，利用数值模拟手段建立关于注浆钻孔2以及土工布袋5直径、注浆量的有限元分析模型，分析不同土工布袋5膨胀率对于地层的加固效果以及相应的位移场、应力场、塑性区的分布情况，确定最优布袋5直径和注浆量；且要求土工布袋5长度应比注浆管4长度略短；

根据数值模拟计算结果，不同的注浆量会使土工布袋达到不同的直径，对地层的挤密加固效果以及地表隆起影响不同，综合考虑开挖扰动、地表沉降以及地表隆起因素，确定最合适的注浆量所能达到的土工布袋直径，以最小的成本达到最好的效果

(3)组装注浆装置

在注浆管4外侧包覆前面确定的土工布袋5，在注浆管4前端设有止浆器7，用于阻止浆液从注浆管4前端进入地层，以保证浆液最大程度的进入土工布袋5中；注浆管4的外圈开设出浆孔6，出浆孔6呈梅花形布置，根据需要确定出浆孔数量，但至少应保证有一个出浆孔6使浆液进入土工布袋5，填充布袋。

(4)利用钻机沿隧道掘进方向钻孔时2，钻孔2应有一定的外插倾角，即沿着拟掘进隧道轮廓线向外成一定倾角。外插倾角既不能过大，也不能过小。角度过小，将可能导致注浆管远端下垂至隧道开挖轮廓线以内，影响后期施工；相反，角度过大，注浆管离开挖轮廓线距离过大，注浆管下方的三角土体坍塌给洞身开挖支护带来很大困难。此外，还应根据钻机工作室空间大小，以及注浆管长度等情况综合考虑确定。实际工程中建议取值为3°～20°。钻孔2施工完成后，冲洗孔内沉渣，使得钻孔满足装置3下放要求。

(5)钻孔2完成后，将加工好的包覆有高强度土工布袋5的注浆管4下放入钻孔中，下放过程中应注意高强度土工布袋5的完整性，避免因刮破等原因造成漏浆跑浆。

(6)通过注浆设备将浆液8注入注浆管4中，通过出浆孔6流入高强度土工布袋5，对土工布袋5进行填充膨胀，根据数值模拟计算结果确定最终的注浆量。

(7)采用间隔钻孔注浆的方式对注浆管2进行注浆，以最大限度的对地层进行挤密加固，最终形成横向止浆墙结构。

这里所述的间隔钻孔注浆方式是指：如图1(a)所示，钻孔顺序为先钻ⅰ序孔，待ⅰ序孔注浆完成后，再对ⅱ序孔进行钻孔注浆；如图1(b)所示，钻孔顺序为先钻ⅰ序孔，待ⅰ序孔注浆完成后，再对ⅱ序孔进行钻孔注浆，之后再对ⅲ序孔进行钻孔注浆；钻孔序列数可根据钻孔数具体确定，通常情况下，序列数的划分与钻孔数成正比，钻孔数越多，则序列数越多。

(8)在本发明中，填充土工布袋5的浆液类型为普通硅酸盐水泥浆液(建议水灰比为1:1)，待注浆量达到设计要求后，采用速凝类浆液进行封孔(通常采用水泥---水玻璃双液浆)。

(9)注浆控制与结束标准：a)当注浆压力达到设计终压，并且超过初始注浆压力1倍后；b)当注浆量达到设计注浆量后；若注浆压力未达到设计终压，通过调整浆液凝胶时间达到设计终压；c)以上两项标准满足其中之一即停止注浆；d)注浆过程中达到注浆终压后，均需持续稳压5分钟，且注浆量低于5l/min。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。