(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 108060908 A(43)申请公布日 2018.05.22
(21)申请号 201711119804.3(22)申请日 2017.11.14
(71)申请人 北京中煤矿山工程有限公司
地址 100013 北京市朝阳区和平里青年沟
路5号(72)发明人 袁东锋 李方政 袁辉 周禹良
高晓耕 刘书杰 董新旺 王桦 肖炜 (74)专利代理机构 北京冠榆知识产权代理事务
所(特殊普通合伙) 11666
代理人 魏振柯(51)Int.Cl.
E21B 33/13(2006.01)E21D 9/00(2006.01)C04B 28/26(2006.01)
权利要求书2页 说明书4页 附图3页
C04B 28/02(2006.01)
CN 108060908 A(54)发明名称
建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺(57)摘要
本发明公开了建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，该工艺包括以下步骤：(a)在地面使用斜孔导向钻机开孔，注浆钻孔包括造斜段和水平注浆段，其中水平注浆段位于待加固的富水砂层层位。造斜段和水平注浆段钻进过程中为裸孔。(b)钻探结束后下入注浆钢阀管，并使用套壳料固管。(c)注浆时，下入水力定位止浆塞实现分段注浆；下入水力式单塞实现后退式长段复注。本发明可克服传统直孔注浆技术受施工场地、浅埋管线的限制，不影响市政交通及居民正常生活，可实现远距离对建筑物下伏富水砂层进行加固处理，提高其密实性及整体承载能力，防止盾构施工引发周边建筑物开裂等安全隐患。
CN 108060908 A
权 利 要 求 书
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1.建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，其特征在于，包含如下步骤：(a)在地面使用斜井导向钻机(1)开孔形成注浆钻孔，注浆钻孔包括造斜段(2)和水平注浆段(3)，造斜段(2)和水平注浆段(3)钻进过程中为裸孔；
(b)钻孔结束后，全孔下入注浆阀管(4)；(c)使用地面注浆泵注浆，向水平注浆段(3)周边的富水砂层中注入注浆浆液以便加固地层。
2.根据权利要求1所述的建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，其特征在于，在步骤(a)中：采用斜井导向钻机(1)开孔，入土角度为8～15°，采用化学泥浆护壁，并采用无线随钻测斜仪与螺杆钻具进行测斜与定向纠偏，到达预定加固位置后，进行水平钻进，一次成孔。
3.根据权利要求2所述的建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，其特征在于，在步骤(a)中：造斜段(2)与水平注浆段(3)的长度比值为1～1.5，造斜段(2)钻孔造斜率为1.5～3.0°/10m。
4.根据权利要求3所述的建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，其特征在于，在步骤(a)中：水平注浆段(3)钻孔轨迹顶角为90±2°，钻孔轴线与隧道走向方向平行；水平注浆段(3)与盾构隧道(9)的距离为2m。
5.根据权利要求1所述的建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，其特征在于，在步骤(b)中：注浆阀管(4)规格为Φ108*8mm；在注浆段，注浆阀管(4)的管壁上开设有环槽组，环槽组中每个环槽(14)的底部均开设有注浆花眼(5)，并采用密封胶套(15)封闭注浆花眼(5)；相邻环槽组的距离为35cm。
6.根据权利要求5所述的建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，其特征在于，在步骤(b)中：每个环槽底部的注浆花眼(5)数为6～8个，环槽(14)深度为2～3mm，密封胶套(15)厚度为2～3mm。
7.根据权利要求1所述的建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，其特征在于，在步骤(c)中：注浆浆液包括化学浆液和/或黏土水泥浆液；
化学浆液由水玻璃和氯化钙水溶液组成，水玻璃模数为2.5～3.0、浓度为43～45波美度，氯化钙水溶液比重为1.26～1.28；
黏土水泥浆液由黏土原浆、水泥和水玻璃组成，黏土原浆比重介于1.10～1.25，水玻璃模数为2.8～3.4，并且水玻璃浓度为38～42波美度，黏土原浆由水和粘土组成，粘土的塑性指数为10-25；1m3黏土原浆中水玻璃掺量为30L、水泥掺量为200Kg。
8.根据权利要求7所述的建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，其特征在于，在步骤(c)中：
首先，向水平注浆段(3)下入水力膨胀式定位止浆塞向富水砂层(7)注入化学浆液，水力膨胀式定位止浆塞的密封压力大于10MPa；先注水玻璃，后用水冲洗管路，然后再注氯化钙水溶液，再用水冲洗管路，交替注入水玻璃和氯化钙水溶液，水玻璃和氯化钙水溶液的注入体积比为45:55，每加固1立方米砂层需要水玻璃和氯化钙水溶液共计250L；水力膨胀式定位止浆塞时实现分段定位式注浆，每个注浆段的长度为2m，即两个定位止浆塞(12)之间的间距为2m，化学浆液通过两个所述定位止浆塞(12)之间的所述注浆管(13)管壁上的开口流出，并依次通过所述注浆阀管(4)上的所述注浆花眼(5)、所述密封胶套(15)和所述环槽
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权 利 要 求 书
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(14)进入到富水砂层(7)；
其次，间隔1-2天，向水平注浆段(3)下入下入水力膨胀式止浆单塞向富水砂层(7)注入黏土水泥浆液，水力膨胀式止浆单塞的密封压力大于10MPa；水力膨胀式止浆单塞进行后退式分段复注，每段长度为10m；每加固1立方米砂层需要注入黏土水泥浆液200L。
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说 明 书
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建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺
技术领域
[0001]本发明是涉及市政建(构)筑物下富水砂层注浆加固领域，特别是适用于盾构施工侧穿或下穿重要建(构)筑物，且在建(构)筑物周边施工不具备条件时，通过施工定向水平钻孔，实现远距离对建筑物下富水砂层进行注浆加固，保障建(构)筑物安全的注浆加固工艺。
背景技术
[0002]随着城市轨道交通的大规模建设，地铁隧道施工大多穿越城市繁华地区，地面建(构)筑物林立，线路优选与布置越来越困难，线路邻近或下穿建(构)筑物将会更加频繁；且市区靠近建筑物施工施工协调难度很大。因此，为了防止盾构施工引发的建筑物周边地层损失率超限，引发地面差异沉降过大导致施工区域周边建(构)筑物、地下管线等损坏，甚至造成较大的经济损失和人员伤亡，需要对盾构顶线上覆软土地层进行加固。[0003]目前，软土地层加固常采用地面袖阀管跟踪注浆和盾构超前注浆技术。[0004]地面袖阀管跟踪注浆是将水泥浆通过土层颗粒间的空隙注入土层，起到挤密和充填作用，加固土体固结。缺点：需采用地面直孔形式，受地表建(构)筑物及地下管线位置的影响，常常造成布孔困难，同时，施工占用地面道路，给交通和周边居民正常生活带来不便。[0005]盾构超前注浆通过超前注浆孔对刀盘前上方土体进行加固，防止掌子面失稳造成地面坍塌。缺点：存在加固范围有限、施工空间狭小，交叉作业，不利于工程进度控制的缺点。
发明内容
[0006]本发明针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可对地铁盾构施工周边建筑群下富水砂层进行远距离加固的长距离水平钻孔注浆方法，使施工作业区可避开人员密集的街区，进行远距离地下施工，不需要管线搬移、房屋拆迁等工作，不影响交通和居民的正常生活。
[0007]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0008]建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，包含如下步骤：[0009](a)在地面使用斜井导向钻机开孔形成注浆钻孔，注浆钻孔包括造斜段和水平注浆段，造斜段和水平注浆段钻进过程中为裸孔；[0010](b)钻孔结束后，全孔下入注浆阀管；[0011](c)使用地面注浆泵注浆，向水平注浆段周边的富水砂层中注入注浆浆液以便加固地层。
[0012]上述建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，在步骤(a)中：采用斜井导向钻机开孔，入土角度为8～15°，采用化学泥浆护壁，并采用无线随钻测斜仪与螺杆钻具进行测斜与定向纠偏，到达预定加固位置后，进行水平钻进，一次成孔。[0013]上述建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，在步骤(a)中：造斜段
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说 明 书
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与水平注浆段的长度比值为1～1.5，造斜段钻孔造斜率为1.5～3.0°/10m。[0014]上述建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，在步骤(a)中：水平注浆段钻孔轨迹顶角为90±2°，钻孔轴线与隧道走向方向平行；水平注浆段与盾构隧道的距离为2m。
[0015]上述建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，在步骤(b)中：注浆阀管规格为Φ108*8mm；在注浆段，注浆阀管的管壁上开设有环槽组，环槽组中每个环槽的底部均开设有注浆花眼，并采用密封胶套封闭注浆花眼；相邻环槽组的距离为35cm。[0016]上述建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，在步骤(b)中：每个环槽底部的注浆花眼数为6～8个，环槽深度为2～3mm，密封胶套厚度为2～3mm。[0017]上述建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，在步骤(c)中：[0018]注浆浆液包括化学浆液和/或黏土水泥浆液；[0019]化学浆液由水玻璃和氯化钙水溶液组成，水玻璃模数为2.5～3.0、浓度为43～45波美度，氯化钙水溶液比重为1.26～1.28；[0020]黏土水泥浆液由黏土原浆、水泥和水玻璃组成，黏土原浆比重介于1.10～1.25，水玻璃模数为2.8～3.4，并且水玻璃浓度为38～42波美度，黏土原浆由水和粘土组成，粘土的塑性指数为10-25；1m3黏土原浆中水玻璃掺量为30L、水泥掺量为200Kg。[0021]上述建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺，在步骤(c)中：[0022]首先，向水平注浆段下入水力膨胀式定位止浆塞向富水砂层注入化学浆液，水力膨胀式定位止浆塞的密封压力大于10MPa；先注水玻璃，后用水冲洗管路，然后再注氯化钙水溶液，再用水冲洗管路，交替注入水玻璃和氯化钙水溶液，水玻璃和氯化钙水溶液的注入体积比为45:55，每加固1立方米砂层需要水玻璃和氯化钙水溶液共计250L；水力膨胀式定位止浆塞时实现分段定位式注浆，每个注浆段的长度为2m，即两个定位止浆塞之间的间距为2m，化学浆液通过两个所述定位止浆塞之间的所述注浆管管壁上的开口流出，并依次通过所述注浆阀管上的所述注浆花眼、所述密封胶套和所述环槽进入到富水砂层；[0023]其次，间隔1-2天，向水平注浆段下入下入水力膨胀式止浆单塞向富水砂层注入黏土水泥浆液，水力膨胀式止浆单塞的密封压力大于10MPa；水力膨胀式止浆单塞进行后退式分段复注，每段长度为10m；每加固1立方米砂层需要注入黏土水泥浆液200L。[0024]本发明的有益效果如下：
[0025]在盾构掘进至水平加固地段之前，在地面使用斜井钻机开孔，利用定向技术钻进水平注浆孔，通过地面注浆泵对富水砂层注入浆液，实现软土层的预先加固治理，提高其自稳定能力和减小地表不均匀沉降，是一种主动的加固手段。[0026]隧道顶线上覆富水砂层经过注浆加固后，土层的内摩擦角和粘聚力显著提高，砂层的抗变形能力增强。根据广州轨道交通14号线一期工程施工1标段邓村到江埔站姓钟围建筑群，水平定向钻孔注浆加固工程试验监测结果，注浆加固后，盾构掘进过程中，地面深埋监测点垂直位移沉降均小于3mm，建筑物上沉降观测点垂直位移沉降小于1mm，盾构施工未影响周边建筑群的安全。
[0027]本发明的工艺使用的设备和材料来源广泛，实用性强；适用于市政领域盾构顶线上覆富水砂层(富水砂层中水饱和度为50-80％)的水平定向钻孔注浆加固，特别适用于地铁隧道侧穿或下穿建(构)筑物的保护，避免拆迁安置费用。本发明的技术方案通过对广州
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说 明 书
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地区富水砂层进行水平定向钻孔注浆加固试验，效果良好。
附图说明
[0028]下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。[0029]图1注浆钻孔钻进之前的示意图；[0030]图2注浆钻孔钻进之后的示意图；
[0031]图3下入水力膨胀式定位止浆塞向富水砂层注入化学浆液的施工示意图；[0032]图4下入水力膨胀式止浆单塞向富水砂层注入黏土水泥浆液的施工示意图；[0033]图5注浆花管的结构示意图(安装有定位止浆塞)；[0034]图6富水砂层加固后的示意图。[0035]图中：1-斜井导向钻机；2-造斜段；3-水平注浆段；4-注浆阀管；5-注浆花眼；6-地面建(构)筑物；7-富水砂层；8-注浆加固区域；9-盾构隧道；10-止浆单塞；11-浆液流向；12-定位止浆塞；13-注浆管；14-环槽；15-密封胶套；16-黏土层；17-环形充填。具体实施方式
[0036]为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。[0037]如图1至图6所示，本实施例建筑群下富水砂层长距离水平定向钻孔注浆加固工艺在广州轨道交通14号线一期工程施工1标段邓村到江埔站姓钟围建筑群进行试验，具体包含如下步骤：[0038](a)如图2所示，在地面使用斜井导向钻机1开孔形成注浆钻孔，注浆钻孔包括造斜段2和水平注浆段3，造斜段2和水平注浆段3钻进过程中为裸孔；[0039]采用斜井导向钻机1开孔时，入土角度为10°，采用化学泥浆护壁，并采用无线随钻测斜仪与螺杆钻具进行测斜与定向纠偏，到达预定加固位置后，进行水平钻进，一次成孔。[0040]造斜段2与水平注浆段3的长度比值为1～1.5，造斜段2钻孔造斜率为1.5～3.0°/10m。水平注浆段3钻孔轨迹顶角为90±2°，钻孔轴线与隧道走向方向平行；水平注浆段3与隧道的距离为2m。[0041](b)钻孔结束后，全孔下入注浆阀管4；[0042]在步骤(b)中：注浆阀管4规格为Φ108*8mm；在注浆段，注浆阀管4的管壁上开设有环槽组，环槽组中每个环槽的底部均开设有注浆花眼5，并采用密封胶套封闭注浆花眼5；相邻环槽组的距离为35cm。[0043]在步骤(b)中：每个环槽底部的注浆花眼5数为6～8个，环槽深度为2～3mm，密封胶套厚度为2～3mm。[0044](c)使用地面注浆泵注浆，向水平注浆段3周边的富水砂层中注入注浆浆液以便加固地层；
[0045]注浆浆液包括化学浆液和/或黏土水泥浆液；化学浆液由水玻璃和氯化钙水溶液组成，水玻璃模数为2.5～3.0、浓度为43～45波美度，氯化钙水溶液比重为1.26～1.28；黏土水泥浆液由黏土原浆、水泥和水玻璃组成，黏土原浆比重介于1.10～1.25，水玻璃模数为
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2.8～3.4，并且水玻璃浓度为38～42波美度，黏土原浆由水和粘土组成，粘土的塑性指数为10-25；1m3黏土原浆中水玻璃掺量为30L、水泥掺量为200Kg。[0046]首先，向水平注浆段3下入水力膨胀式定位止浆塞向富水砂层7注入化学浆液，水力膨胀式定位止浆塞的密封压力大于10MPa；先注水玻璃，后用水冲洗管路，然后再注氯化钙水溶液，再用水冲洗管路，交替注入水玻璃和氯化钙水溶液，水玻璃和氯化钙水溶液的注入体积比为45:55，每加固1立方米砂层需要水玻璃和氯化钙水溶液共计250L；水力膨胀式定位止浆塞时实现分段定位式注浆(如图3所示)，每个注浆段的长度为2m，即两个定位止浆塞12之间的间距为2m，化学浆液通过两个所述定位止浆塞12之间的所述注浆管13管壁上的开口流出，并依次通过所述注浆阀管4上的所述注浆花眼5、所述密封胶套15和所述环槽14进入到富水砂层7；[0047]其次，间隔1-2天，向水平注浆段3下入下入水力膨胀式止浆单塞向富水砂层7注入黏土水泥浆液，水力膨胀式止浆单塞的密封压力大于10MPa；水力膨胀式止浆单塞进行后退式分段复注(如图4所示)，每段长度为10m；每加固1立方米砂层需要注入黏土水泥浆液200L。
[0048]在本实施例中，安全下放注浆阀管4后需采用套壳料固管，在橡皮袖阀和水力定位止浆塞的配合下，使浆液只在一个注浆段进入地层。化学浆液渗透性好，能够快速渗透到富水砂层7，交替注入水玻璃和氯化钙水溶液，可以实现边扩散边反应；黏土水泥浆液优点为稳定型浆液，流动性好，加固强度高；首先交替注入水玻璃和氯化钙水溶液，再注入黏土水泥浆液，能够实现对富水砂层7的有效加固。采用的水力膨胀式止浆塞，止浆塞胶筒的膨胀依靠地面打压管的膨胀压力。注浆阀管为单向阀管，依靠每组注浆孔外部包裹的1-2层橡皮套，在注浆压力作用下，单向套管阀门开启，浆液进入地层；停止注浆时橡皮套又回弹压紧钢阀管，避免地层中的水、泥砂涌入造成堵管。
[0049]本实施例的技术方案在盾构掘进至水平加固地段之前，在地面使用斜井钻机开孔，利用定向技术钻进水平注浆孔，通过地面注浆泵对富水砂层注入浆液，实现软土层的预先加固治理，提高其自稳定能力和减小地表不均匀沉降，是一种主动的加固手段。[0050]隧道顶线上覆富水砂层经过注浆加固后，土层的内摩擦角和粘聚力显著提高，砂层的抗变形能力增强。根据广州轨道交通14号线一期工程施工1标段邓村到江埔站姓钟围建筑群，水平定向钻孔注浆加固工程试验监测结果，注浆加固后，盾构掘进过程中，地面深埋监测点垂直位移沉降均小于3mm，建筑物上沉降观测点垂直位移沉降小于1mm，盾构施工未影响周边建筑群的安全。
[0051]本实施例的工艺使用的设备和材料来源广泛，实用性强；适用于市政领域盾构顶线上覆富水砂层的水平定向钻孔注浆加固，特别适用于地铁隧道侧穿或下穿建(构)筑物的保护，避免拆迁安置费用。本实施例的技术方案通过对广州地区富水砂层进行水平定向钻孔注浆加固试验，效果良好。[0052]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
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