一种盾构隧道破碎带地层注浆加固设备及其注浆加固方法

摘要

本发明涉及一种盾构隧道破碎带地层注浆加固设备及其注浆加固方法，其特征在于，所述注浆加固设备包括：盾构管片、注浆泵、储浆罐和注浆工具；所述盾构管片安装于隧道内部，所述盾构管片的内表面开设有预埋注浆孔；所述盾构管片的内侧设置有所述注浆泵和所述储浆罐，所述注浆泵与储浆罐通过输送管路相连通；所述储浆罐包括搅拌器和储浆罐体；所述注浆工具依次穿过所述预埋注浆孔、所述盾构管片背部区域和所述深度注浆区域，所述注浆工具包括注浆管、管阀连接头、丝扣和闸阀；本发明的所述注浆加固方法，操作简单、便于实施、对隧道内破碎带地层进行分层注浆加固，提升隧道运营安全，提高地层稳定性和强度。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体而言，涉及一种盾构隧道破碎带地层注浆加固设备及其注浆加固方法。

背景技术

近年来随着社会的快速发展，城市内的轨道交通建设越来越多，盾构法因施工快速，对地面的影响小而在城市轨道交通区间建设中得到了广泛的应用。在一些江河城市施工中，盾构机通过后，地下水沿破碎带地层渗流浸泡隧道周边中风化泥质粉砂岩，导致岩层软化崩解碎裂，影响隧道运营安全。

现有处理方式为采用盾构机同步注浆系统对管片背部空腔进行填充，由于管片背部注浆体积有限，根据盾构机开挖直径与管片外径关系，填充空腔一般厚度仅有15cm，无法对破碎带区域管片背部地层进行加固，对隧道运营无法提供有效的安全保障以及解决方案。

例如中国专利公开号为CN110486049A的发明专利公开了一种富水砂岩巷道过断层破碎带综合治理方法，该富水砂岩巷道过断层破碎带综合治理方法包括如下步骤：引水泄压，破壁注浆，超前预注浆，探放水孔，该发明通过引水泄压、破壁注浆将巷道散水、淋水导入排水管路，有效改善了巷道面貌；通过施工“止浆岩帽”有效防止迎头有裂隙跑浆，使注浆效果更好；通过超前预注浆，能够使岩石裂隙得到有效加固，在注浆控制范围内掘进过程中可避免较大涌水的出现，可使巷道岩石力学性能有很好的加固，增加了围岩强度，确保施工过程中的安全，能够有效将巷道围岩进行加固、对裂隙进行充填，增加围岩稳定性，减少涌水量，确保施工安全。

再例如中国专利公开号为CN110259465A的发明专利公开了一种单护盾双模式TBM超前注浆加固断层破碎带的方法，包括在TBM拼装机的旋转盘上安装超前钻孔设备的步骤；包括通过TBM自带的八个水平孔和十四个斜向孔中的至少一个孔位进行超前钻孔的步骤；包括根据钻孔情况进行超前注浆的步骤；包括注浆加固并封孔的步骤。可以快速对掌子面断裂带进行注浆加固，作业时钻下一孔位时可对上一孔进行注浆加固，大大的节省了施工时间，节约人力，施工效率高，在机械法施工时，使用配套的注浆加固设备，可以大幅度减少设备循环安装调试的时间，提高了施工效率，在设备预留孔洞下，可以做到最大范围对断层破碎带土体的加固，值得在EPB和TBM隧道掘进断层破碎带中推广。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种盾构隧道破碎带地层注浆加固设备及其注浆加固方法。

一种盾构隧道破碎带地层注浆加固设备，所述注浆加固设备包括：盾构管片、注浆泵、储浆罐和注浆工具；

所述盾构管片安装于隧道内部，所述盾构管片的内表面开设有预埋注浆孔，所述盾构管片的外侧依次设置有盾构管片背部区域和深度注浆区域；

所述盾构管片的内侧设置有所述注浆泵和所述储浆罐，所述注浆泵与储浆罐通过输送管路相连通；

所述储浆罐包括储浆罐体和搅拌器，所述储浆罐体的注入口通过Y型管分别与水泥浆输送管和水玻璃输送管连通，所述搅拌器设置于所述储浆罐体内，对注入储浆罐体内的混合浆液进行搅拌；

所述注浆工具依次穿过所述预埋注浆孔、所述盾构管片背部区域和所述深度注浆区域，所述注浆工具包括注浆管、管阀连接头、丝扣和闸阀；所述管阀连接头位于所述盾构管片内，所述管阀连接头与所述盾构管片通过所述丝扣连接，所述管阀连接头的两端分别设置有限位凹槽和定位凸起，所述注浆管由第一注浆管和第二注浆管构成，所述第一注浆管依次贯穿设置于所述盾构管片和盾构管片背部区域内，所述第一注浆管的左侧设置有固定凹槽，所述第一注浆管的左侧与所述管阀连接头的右侧通过所述定位凸起和所述固定凹槽插接固定，所述第二注浆管贯穿于所述深度注浆区域内，所述闸阀设置于所述管阀连接头左侧的所述限位凹槽内。

进一步的，所述盾构管片上开设有16个所述预埋注浆孔。

进一步的，每一个所述预埋注浆孔对应安装一个所述闸阀。

进一步的，所述第二注浆管的侧面设置有梅花型孔洞，所述梅花型孔洞之间的间距为200mm。

本发明另提供一种盾构隧道破碎带地层注浆加固方法，所述注浆加固方法包括以下步骤：

步骤1，使用盾构管片吊装机将6块盾构管片吊至隧道内，在隧道内拼装盾构管片：

步骤1.1，采用错缝拼装法拼装6块盾构管片，再由下至上左右对称地安装剩余的1块盾构管片，通过环向螺栓、纵向螺栓将每块盾构管片连接固定；

步骤1.2，安装完成整环盾构管片后，用风动搬手固定所有螺栓及吊装孔封堵塞；

步骤2，在盾构管片上开设预埋注浆孔，并将注浆工具安装在预埋注浆孔内：

步骤2.1，预埋注浆孔均匀设置在每环盾构管片上，通过钻孔器钻孔至盾构管片的背部区域的空腔部位，并清理空腔部位的渣水；

步骤2.2，依次将注浆管和管阀连接头安装于预埋注浆孔内，再将闸阀安装于限位凹槽内，并使闸阀裸露于盾构管片的表面；

步骤3，在搅拌站内制备注入预埋注浆孔内的浆液：

步骤3.1，在搅拌站分别按照水泥浆的水灰重量比1:1配置单浆液，水泥浆与水玻璃体积比1:1配置水泥浆和水玻璃混合浆液；

步骤3.2，通过注浆管道将单浆液输送至储浆罐，单浆液被输送至储浆罐体后，开启搅拌器均匀搅拌单浆液，搅拌时间为5-10分钟，防止单浆液的浆液凝结或离析；

步骤3.3，将注浆管道与闸阀连通，并开启闸阀，通过注浆泵将单浆液注入预埋注浆孔周边盾构管片背部区域内，以形成止水帷幕；

步骤3.4，填充单浆液至空腔部位的过程中，通过闸阀控制单浆液的注入速度及注入量，单浆液的注入流速为2m

步骤3.5，通过在注浆管道上设置的压力传感器，监测每环盾构管片的注浆量和注浆压力，控制注浆泵的注浆压力在0.2～1MPa；

步骤3.6，待单浆液注满空腔部位，形成止水帷幕后，拆除注浆工具并采用声波监测仪对空腔部位注浆密度进行检测；

步骤3.7，通过声波监测仪检测空腔部位的注浆密度，使得注浆密度不低于1220kg/m

步骤4，待盾构管片背部区域的浆液凝固后，继续对预埋注浆孔进行深度开孔：

步骤4.1，使用钻孔器对预埋注浆孔进行开孔，开孔深度为朝盾构管片外侧方向钻取3m，并将注浆工具安装于预埋注浆孔内；

步骤4.2，将注浆工具安装于预埋注浆孔的过程中，确保第二注浆管插至预埋注浆孔的孔底，并将注浆泵通过注浆管道与注浆工具连通；

步骤5，将混合浆液注入深度注浆区域：

步骤5.1，开启双液注浆机和闸阀将混合浆液注入深度注浆区域内；

步骤5.2，填充混合浆液至深度注浆区域的过程中，通过闸阀控制混合浆液的注入速度及注入量，混合浆液的注入流速为1.5m

步骤5.3，监测每环盾构管片的注浆量和注浆压力，控制注浆泵的注浆压力在0.2～0.4Mpa；

步骤5.4，添加适量膨润土至混合浆液，促进混合浆液的流动并调节注浆压力；

步骤6，采用声波监测仪对注浆效果进行检查，并使用水泥对预埋注浆孔进行封孔，完成注浆对地层进行加固作业。

进一步的，步骤3.2单液浆中水泥采用42.5级以上的硅酸盐水泥，水灰比配比为1.5：1、1：1、0.75：1。

进一步的，步骤3.3，将注浆管道与闸阀4.4连通，并开启闸阀4.4，通过注浆泵2将单浆液注入预埋注浆孔1.1周边盾构管片背部区域5内，具体包括：

步骤3.3.1，先将预定量的水灰比为0.75：1的浓水泥浆泵送至预埋注浆孔周边盾构管片背部区域内，待水泥浆初步稳定后进行二次注浆；

步骤3.3.2，再将预定量的水灰比为1：1的标准水泥浆泵送至预埋注浆孔周边盾构管片背部区域内，待水泥浆稳定后进行三次注浆；

步骤3.3.3，最后将预定量的水灰比为1.5：1的稀水泥浆泵送至预埋注浆孔周边盾构管片背部区域内，待水泥浆稳定后封孔。

进一步的，步骤3.3将单浆液注入预埋注浆孔周边盾构管片背部区域过程中，掺入早强剂提高浆液的早期强度，早强剂由硫酸锂、聚羧酸减水剂和引气剂组成，其中，各成分的重量百分比为：硫酸锂65％，聚羧酸减水剂30％，十二烷基苯磺酸钠5％。

进一步的，步骤5混合浆液中水玻璃使用模数2.4～2.8，浓度30～45°Be。

进一步的，步骤5，开启双液注浆机和闸阀将混合浆液注入深度注浆区域之前，包括：对储浆罐体内混合浆液进行二次搅拌，防止混合浆液出现沉淀、离析现象，避免对管路造成堵管。

与现有技术相比，本发明具有以下显著的优越效果：

1，本发明的所述注浆加固设备，注浆管和管阀连接头通过丝扣连接固定，管阀连接头和盾构管片通过丝扣连接，闸阀安装于管阀连接头的一侧，方便拆卸和重复利用，防止影响隧道净空。

2，本发明的所述注浆加固方法，通过对预埋注浆孔周边管片背部区域进行单浆液注浆以及深度注浆区域进行混合注浆的工序组合，有效的防止深度注浆浆液沿管片背部跑浆或漏浆，加强深度注浆施工质量。

3，本发明的所述注浆加固方法，操作简单、便于实施、对隧道内破碎带地层进行注浆加固，提升隧道运营安全，提高地层稳定性和强度。

附图说明

图1是本发明所述注浆加固设备结构示意图；

图2是图1中盾构管片背部区域注浆示意图；

图3是本发明所述注浆加固设备中注浆工具结构示意图；

图4是图3中A部分局部放大示意图；

图5是本发明所述注浆加固方法流程图。

附图标记说明：

1-盾构管片，1.1-预埋注浆孔；2-注浆泵；3-储浆罐，3.1-储浆罐体，3.2-搅拌器；4-注浆工具，4.1-注浆管，4.2-管阀连接头，4.3-丝扣，4.4-闸阀，4.1.1-第一注浆管，4.1.2-第二注浆管，4.2.1-限位凹槽，4.2.2-定位凸起，4.1.2.1-梅花型孔洞；5-盾构管片背部区域；6-深度注浆区域。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种盾构隧道破碎带地层注浆加固设备，所述注浆加固设备包括：盾构管片1、注浆泵2、储浆罐3和注浆工具4。

如图1所示，盾构管片1安装于隧道内部，盾构管片1的内表面开设有预埋注浆孔1.1，预埋注浆孔1.1沿盾构管片1周向均匀排列，盾构管片1的内侧设置有注浆泵2与储浆罐3，注浆泵2与储浆罐3通过输送管路相连通，储浆罐3包括储浆罐体3.1和搅拌器3.2，储浆罐体3.1的注入口通过Y型管分别与水泥浆输送管和水玻璃输送管(图中未示出)连通，搅拌器3.2设置于储浆罐体3.1内，对注入储浆罐体3.1内的混合浆液进行搅拌，盾构管片1的外侧依次设置有盾构管片背部区域5和深度注浆区域6，如图1和图3所示，注浆工具4依次穿过预埋注浆孔1.1、盾构管片背部区域5和深度注浆区域6，注浆工具4包括注浆管4.1、管阀连接头4.2、丝扣4.3和闸阀4.4，管阀连接头4.2位于盾构管片1内，管阀连接头4.2与盾构管片1通过丝扣4.3连接，管阀连接头4.2的两端分别设置有限位凹槽4.2.1和定位凸起4.2.2，注浆管4.1由第一注浆管4.1.1和第二注浆管4.1.2构成，第一注浆管4.1.1依次贯穿设置于盾构管片1和盾构管片背部区域5内，第一注浆管4.1.1的左侧设置有固定凹槽(图中未示出)，第一注浆管4.1.1的左侧与管阀连接头4.2的右侧通过定位凸起4.2.2和固定凹槽插接固定，第二注浆管4.1.2贯穿于深度注浆区域6内，闸阀4.4设置于管阀连接头4.2左侧的限位凹槽4.2.1内。

进一步的，如图2所示，盾构管片1上开设有16个预埋注浆孔1.1。

进一步的，如图3所示，每一个预埋注浆孔1.1对应安装一个闸阀4.4。

进一步的，如图3所示，第二注浆管4.1.2的侧面设置有梅花型孔洞4.1.2.1，梅花型孔洞4.1.2.1之间的间距为200mm。

本发明另提供一种盾构隧道破碎带地层注浆加固方法，所述注浆加固方法包括以下步骤：

步骤1，使用盾构管片吊装机将6块盾构管片1吊至隧道内，在隧道内拼装盾构管片1：

步骤1.1，采用错缝拼装法拼装6块盾构管片1，再由下至上左右对称地安装剩余的1块盾构管片1，通过环向螺栓、纵向螺栓将每块盾构管片1连接固定；

步骤1.2，安装完成整环盾构管片1后，用风动搬手固定所有螺栓及吊装孔封堵塞；

步骤2，在盾构管片1上开设预埋注浆孔1.1，并将注浆工具4安装在预埋注浆孔1.1内：

步骤2.1，预埋注浆孔1.1均匀设置在每环盾构管片1上，通过钻孔器钻孔至盾构管片1的背部区域5的空腔部位，并清理空腔部位的渣水；

步骤2.2，依次将注浆管4.1和管阀连接头4.2安装于预埋注浆孔1.1内，再将闸阀4.4安装于限位凹槽4.2.1内，并使闸阀4.4裸露于盾构管片1的表面；

步骤3，在搅拌站内制备注入预埋注浆孔1.1内的浆液：

步骤3.1，在搅拌站分别按照水泥浆的水灰重量比1:1配置单浆液，水泥浆与水玻璃体积比1:1配置水泥浆和水玻璃混合浆液；

步骤3.2，通过注浆管道将单浆液输送至储浆罐3，单浆液被输送至储浆罐体3.1后，开启搅拌器3.2均匀搅拌单浆液，搅拌时间为5-10分钟，防止单浆液的浆液凝结或离析；

步骤3.3，将注浆管道与闸阀4.4连通，并开启闸阀4.4，通过注浆泵2将单浆液注入预埋注浆孔1.1周边盾构管片背部区域5内，以形成止水帷幕；

步骤3.4，填充单浆液至空腔部位的过程中，通过闸阀4.4控制单浆液的注入速度及注入量，单浆液的注入流速为2m

步骤3.5，通过在注浆管道上设置的压力传感器，监测每环盾构管片1的注浆量和注浆压力，控制注浆泵2的注浆压力在0.2～1MPa；

步骤3.6，待单浆液注满空腔部位，形成止水帷幕后，拆除注浆工具4并采用声波监测仪对空腔部位注浆密度进行检测；

步骤3.7，通过声波监测仪检测空腔部位的注浆密度，使得注浆密度不低于1220kg/m

步骤4，待盾构管片背部区域5的浆液凝固后，继续对预埋注浆孔1.1进行深度开孔：

步骤4.1，使用钻孔器对预埋注浆孔1.1进行开孔，开孔深度为朝盾构管片1外侧方向钻取3m，并将注浆工具4安装于预埋注浆孔1.1内；

步骤4.2，将注浆工具4安装于预埋注浆孔1.1的过程中，确保第二注浆管4.1.2插至预埋注浆孔1.1的孔底，并将注浆泵2通过注浆管道与注浆工具4连通；

步骤5，将混合浆液注入深度注浆区域6：

步骤5.1，开启双液注浆机和闸阀4.4将混合浆液注入深度注浆区域6内；

步骤5.2，填充混合浆液至深度注浆区域6的过程中，通过闸阀4.4控制混合浆液的注入速度及注入量，混合浆液的注入流速为1.5m

步骤5.3，监测每环盾构管片1的注浆量和注浆压力，控制注浆泵2的注浆压力在0.2～0.4Mpa；

步骤5.4，添加适量膨润土至混合浆液，促进混合浆液的流动并调节注浆压力；

步骤6，采用声波监测仪对注浆效果进行检查，并使用水泥对预埋注浆孔进行封孔，完成注浆对地层进行加固作业。

进一步的，步骤3.2单液浆中水泥采用42.5级以上的硅酸盐水泥，水灰比配比为1.5：1、1：1、0.75：1。

进一步的，步骤3.3，将注浆管道与闸阀4.4连通，并开启闸阀4.4，通过注浆泵2将单浆液注入预埋注浆孔1.1周边盾构管片背部区域5内，具体包括：

步骤3.3.1，先将预定量的水灰比为0.75：1的浓水泥浆泵送至预埋注浆孔1.1周边盾构管片背部区域5内，待水泥浆初步稳定后进行二次注浆；

步骤3.3.2，再将预定量的水灰比为1：1的标准水泥浆泵送至预埋注浆孔1.1周边盾构管片背部区域5内，待水泥浆稳定后进行三次注浆；

步骤3.3.3，最后将预定量的水灰比为1.5：1的稀水泥浆泵送至预埋注浆孔1.1周边盾构管片背部区域5内，待水泥浆稳定后封孔。

进一步的，步骤3.3将单浆液注入预埋注浆孔1.1周边盾构管片背部区域5过程中，掺入早强剂，提高浆液的早期强度，早强剂由硫酸锂、聚羧酸减水剂和引气剂组成，其中，各成分的重量百分比为：硫酸锂65％，聚羧酸减水剂30％，十二烷基苯磺酸钠5％。

进一步的，步骤5混合浆液中水玻璃使用模数2.4～2.8，浓度30～45°Be。

进一步的，步骤5，开启双液注浆机和闸阀4.4将混合浆液注入深度注浆区域6之前，包括：对储浆罐体3.1内混合浆液进行二次搅拌，防止混合浆液出现沉淀、离析现象，避免对管路造成堵管。

进一步的，混合浆液中水玻璃加量根据施工现场对浆液初凝时间的需求来确定。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。