一种超前预灌浆堵水的掌子面施构造及施工方法与流程

1.本发明属于隧洞施工方法领域，尤其涉及一种超前预灌浆堵水的掌子面施构造及施工方法。


背景技术：

2.在目前的的隧洞施工过程，对于地层含水量比较大的洞段，施工风险较大，使用现有的隧洞施工在无法超前进行掌子面掘进方向的超前堵水，容易遇到突水事故，因此需要一种超前预灌浆堵水的掌子面施构造及施工方法，现场采取“堵排结合”方式治水，对掌子面前方未开挖洞段进行超前预灌浆堵水，利用高压灌浆泵将浆液有效扩散到导水裂隙通道和溶洞内，浆液在裂隙通道和溶洞内快速凝固，并具有一定的抗压和抗渗透性，达到堵塞的目的，降低出水量，避免发生突水事故。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供了一种超前预灌浆堵水的掌子面施构造及施工方法，可以解决现有技术容易有突水事故的问题。
4.本发明通过以下技术方案得以实现。
5.本发明提供的一种超前预灌浆堵水的掌子面施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
6.步骤s1，根据补充地质勘探成果，选择钻孔爆破或者预灌浆施工；
7.步骤s2，ⅰ序孔钻孔及灌浆；
8.步骤s3，ⅱ序孔钻孔及灌浆；
9.步骤s4，若步骤s1选择预灌浆施工时，预灌浆施工完成后，通过检查进行钻孔评估预灌浆效果，若有水流出，继续对检查孔进行灌注，直至无水流出为止；
10.步骤s5，掌子面掘进，掌子面掘进的距离比ⅱ序孔钻孔深度小2m至5m；
11.步骤s6，按照步骤s1至步骤s5进行循环施工。
12.所述步骤s1开始前，需要提前在洞内安装排水管道，同时洞内外安装报警装置，分别设置于提升机房、值班室、交叉段及掌子面。
13.所述步骤s2施工时，先用液压架柱式回转钻机开孔φ90mm至φ100mm的孔，孔深2m至3m，然后安装套管并在套管端部焊接法兰盘，然后换用比套管内径小的钻头从套管内继续钻进4m至6m，需要钻孔13至15个，每钻完一个孔，套管端部法兰盘上焊接钢管并安装球阀。
14.所述步骤s3施工时，先用液压架柱式回转钻机开孔φ90mm至φ100mm的孔，孔深2m至3m，然后安装套管并在套管端部焊接法兰盘，然后换用比套管内径小的钻头从套管内继续钻进12m至14m，需要钻孔16至20个，每钻完一个孔，套管端部法兰盘上焊接钢管并安装球阀。
15.所述步骤s2、s3、s4中预灌浆有三种方式，第一种为纯水泥浆循环式灌浆，第二种
水泥浆+水玻璃双液纯压灌浆，第三种为水泥浆+ds-1化学堵水材料纯压灌浆。
16.所述步骤s2和步骤s3，若钻孔未达到设计深度时发生大量突水，紧急关闭阀门后灌浆，待浆液凝固12小时后，在该孔周边重新打孔，达到设计孔深。
17.所述步骤s6中，每个循环开始前，选择掌子面富水位置施钻1～2个20m至24m深导水孔，安装闸阀。
18.一种超前预灌浆堵水的掌子面构造，其特征在于：包括掌子面、ⅰ序孔、ⅱ序孔，所述掌子面边缘设有13个至15个钻孔处a，掌子面中部设有4个至6个钻孔处b，ⅰ序孔从钻孔处a往掌子面的掘进方向钻孔，ⅱ序孔分别从钻孔处a和钻孔处b往掌子面的掘进方向钻孔，所述ⅰ序孔和ⅱ序孔中均设有套管，套管一端插入到ⅰ序孔和ⅱ序孔中，另一端设有阀门，阀门通过法兰与套管连接。
19.所述ⅰ序孔与掌子面掘进方向之间有15
°
至25
°
夹角，从钻孔处a钻入的ⅱ序孔与掌子面掘进方向之间有5
°
至10
°
夹角，从钻孔处b钻入的ⅱ序孔与掌子面掘进方向平行。
20.所述套管与ⅰ序孔和ⅱ序孔之间填充有水泥浆。
21.本发明的有益效果在于：通过使用循环施工的方法，分段进行超前预灌浆堵水，对掌子面前方未开挖洞段进行超前预灌浆堵水，利用高压灌浆泵将浆液有效扩散到导水裂隙通道和溶洞内，浆液在裂隙通道和溶洞内快速凝固，并具有一定的抗压和抗渗透性，达到堵塞的目的，降低出水量，避免发生突水事故。
附图说明
22.图1是本发明的结构示意图；
23.图2是钻孔处a和钻孔处b在掌子面上的分布图
24.图3是套管的结构示意图；
25.图中：1-掌子面，2
‑ⅰ
序孔，3
‑ⅱ
序孔，4-钻孔处a，5-钻孔处b，6-套管，7-阀门。
具体实施方式
26.下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
27.如图1、图2、图3所示，一种超前预灌浆堵水的掌子面施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
28.步骤s1，根据补充地质勘探成果，选择钻孔爆破或者预灌浆施工，采用现有的地质勘探设备和方法，对掌子面前方的地质进行勘探，制定施工依据。
29.步骤s2，ⅰ序孔钻孔及灌浆，通过液压架柱式回转钻机对掌子面掘进方向钻孔，便于对掌子面掘进前方的山体进行超前预灌浆，便于封堵缝隙，减少突水事故。
30.步骤s3，ⅱ序孔钻孔及灌浆，通过液压架柱式回转钻机对掌子面掘进方向钻孔，便于对掌子面掘进前方的山体进行超前预灌浆，便于封堵缝隙，减少突水事故。
31.步骤s4，若步骤s1选择预灌浆施工时，预灌浆施工完成后，通过检查进行钻孔评估预灌浆效果，若有水流出，继续对检查孔进行灌注，直至无水流出为止，通过ⅰ序孔和ⅱ序孔对掌子面掘进前方的山体进行超前预灌浆，利用高压灌浆泵将浆液有效扩散到导水裂隙通道和溶洞内，浆液在裂隙通道和溶洞内快速凝固，并具有一定的抗压和抗渗透性，达到堵塞的目的，降低出水量，避免发生突水事故；
32.步骤s5，掌子面掘进，掌子面掘进的距离比ⅱ序孔钻孔深度小2m至5m，使得掌子面掘进后前方2m至5m处于被水泥浆液预灌浆的状态，实现超前封堵，避免发生突水事故。
33.步骤s6，按照步骤s1至步骤s5进行循环施工，通过灌浆
→
掘进
→
灌浆
→
掘进循环进行掌子面掘进施工，使得掌子面前保持安全状态，实现超前封堵，避免发生突水事故。
34.所述步骤s1开始前，需要提前在洞内安装排水管道，同时洞内外安装报警装置，分别设置于提升机房、值班室、交叉段及掌子面，便于在出现异常情况时，及时发出预警。
35.所述步骤s2施工时，先用液压架柱式回转钻机开孔φ90mm至φ100mm的孔，孔深2m至3m，然后安装套管并在套管端部焊接法兰盘，然后换用比套管内径小的钻头从套管内继续钻进4m至6m，需要钻孔13至15个，每钻完一个孔，套管端部法兰盘上焊接钢管并安装球阀，先进行第一次钻孔，便于进行套管的安装，在第二次钻孔出现突水时，可以快速的关闭球阀，减少水流量，同时管套在预灌浆施工可以作为导管，将水泥浆导入到掌子面前方。
36.所述步骤s3施工时，先用液压架柱式回转钻机开孔φ90mm至φ100mm的孔，孔深2m至3m，然后安装套管并在套管端部焊接法兰盘，然后换用比套管内径小的钻头从套管内继续钻进12m至14m，需要钻孔16至20个，每钻完一个孔，套管端部法兰盘上焊接钢管并安装球阀，先进行第一次钻孔，便于进行套管的安装，在第二次钻孔出现突水时，可以快速的关闭球阀，减少水流量，同时管套在预灌浆施工可以作为导管，将水泥浆导入到掌子面前方。
37.所述步骤s2、s3、s4中预灌浆有三种方式，第一种为纯水泥浆循环式灌浆，第二种水泥浆+水玻璃双液纯压灌浆，第三种为水泥浆+ds-1化学堵水材料纯压灌浆，纯水泥浆循环式灌浆和水泥浆+水玻璃双液纯压灌浆用于一般的灌浆，水泥浆+ds-1化学堵水材料纯压灌浆在突水且水量、水压较大的情形下使用；在钻孔阶段，当孔内出现涌水时，根据涌水量、水压等情况，确认灌浆方式。
38.浆液注入量计算公式如下：
39.单孔注入量：q＝a
·
l
·
π
·
r2
·
η
·
β
40.式中：a——浆液损失系数(取1.2)
41.l——灌浆段长(取1m)
42.r——浆液扩散半径(取2m)
43.η——岩石裂隙率(取4％)
44.β——浆液充填系数(0.7～0.8，取0.8)
45.水灰比w:c＝2:1～0.5:1
46.水泥：ds：水重量比＝1:0.33:1～1:1.33:1
47.水泥浆：水玻璃体积比＝1:0.03～1:0.2
48.灌浆压力是推动浆液在含水层裂隙及溶洞内运动、扩散、充塞压实的动力，是灌浆参数中最重要的参数之一，根据现场出水压力及之前灌浆情况，本次预灌浆压力暂定2～3mpa，可根据灌浆效果稍作调整，灌浆压力应由低向高逐渐过渡，从而达到理想堵水效果。
49.灌浆材料技术指标及特性
50.(1)ds-1化学堵水材料：液体状无机化学材料(环保，无污染，对水质没有影响)，与水泥混合灌注，具有凝结时间短、固体抗渗性、抗压强度高等特点；粉末状堵水材料用于快速封堵岩石表面裂隙渗涌水(辅助)，防止跑浆，技术指标详见表1。若施工过程中有更高效、凝结时间更短的材料，可优先选择。
51.表1 ds-1化学堵水材料技术指标
52.项目指标项目指标粘度100～400pa
·
s密度1.27～1.38g/cm3外观灰白液体凝固时间10～50s固结体抗渗性1.3～1.7mpa固结体抗压强度14～20mpa渗透系数10-6
～10-8
对水质适应性ph 3～11
53.(2)水玻璃：模数2.4～3.4，浓度采用30～45波美度。
54.(3)水泥：采用p.042.5普通硅酸盐水泥，结块或过期水泥不准使用。
55.所述步骤s2和步骤s3，若钻孔未达到设计深度时发生大量突水，紧急关闭阀门后灌浆，待浆液凝固12小时后，在该孔周边重新打孔，达到设计孔深，提高钻孔施工的安全性。
56.所述步骤s6中，每个循环开始前，选择掌子面富水位置施钻1～2个20m至24m深导水孔，安装闸阀，在保证排水能力富余情况下，通过导水孔对前方富水段进行排水泄压，以便实施“堵排结合”方式治水，可降低灌浆难度及成本。
57.一种超前预灌浆堵水的掌子面构造，其特征在于：包括掌子面1、ⅰ序孔2、ⅱ序孔3，所述掌子面1边缘设有13个至15个钻孔处a4，掌子面1中部设有4个至6个钻孔处b5，ⅰ序孔2从钻孔处a4往掌子面1的掘进方向钻孔，ⅱ序孔3分别从钻孔处a4和钻孔处b5往掌子面1的掘进方向钻孔，所述ⅰ序孔2和ⅱ序孔3中均设有套管6，套管6一端插入到ⅰ序孔2和ⅱ序孔3中，另一端设有阀门7，阀门7通过法兰与套管6连接，通过使用循环施工的方法，分段进行超前预灌浆堵水，对掌子面前方未开挖洞段进行超前预灌浆堵水，利用高压灌浆泵将浆液有效扩散到导水裂隙通道和溶洞内，浆液在裂隙通道和溶洞内快速凝固，并具有一定的抗压和抗渗透性，达到堵塞的目的，降低出水量，避免发生突水事故。
58.所述ⅰ序孔2与掌子面1掘进方向之间有15
°
至25
°
夹角，从钻孔处a4钻入的ⅱ序孔3与掌子面1掘进方向之间有5
°
至10
°
夹角，从钻孔处b5钻入的ⅱ序孔3与掌子面1掘进方向平行，使得ⅰ序孔2和ⅱ序孔3分散在掌子面1掘进方向的外周，在灌浆后，浆液在裂隙通道和溶洞内快速凝固，并具有一定的抗压和抗渗透性，达到堵塞的目的，降低出水量，避免发生突水事故。
59.所述套管6与ⅰ序孔2和ⅱ序孔3之间填充有水泥浆，使得在钻孔时出现突水后可以关闭球阀，减少突水量。