一种隧道衬砌钻孔的涌泥砂防控装置及安装方法
阅读说明：本技术 一种隧道衬砌钻孔的涌泥砂防控装置及安装方法 (Mud gushing prevention and control device for tunnel lining drilling and installation method ) 是由 董新平 蔡迎春 晋伟 毋存粮 吴靖江 马清文 陈小羊 纪红亮 陈浩 张鹏 李精昆 于 2021-07-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种隧道衬砌钻孔涌泥砂防控装置及安装方法,该装置由喷射系统、封孔塞、护垫、钻头和钻杆组成,喷射系统包括喷射杆钻头、喷射杆、喷射孔、电钻,封孔塞包括膜袋、气腔、塞体、气管、注塑管、网索。本发明封孔塞内置于衬砌迎土侧,利用围岩水土压力和气腔膨胀对封孔塞挤压获得的封孔塞闭合来封堵钻孔涌水(泥)通道,封孔塞为柔性材料,变形能力强,对钻杆的包裹效果好,可实现封堵密贴效果。封孔塞利用盾构隧道管片作为支撑,无需在盾构隧道管片钻固定用膨胀螺丝孔。封孔塞内置气腔和气管,封孔塞的大小可以调节,可在钻孔、停钻、下管等不同阶段进行调节,满足冻结管钻孔施工全过程的风险防控需要。(The invention discloses a device for preventing and controlling mud gushing of a tunnel lining drilling hole and an installation method. The hole sealing plug is arranged in the soil facing side of the lining, the hole sealing plug obtained by extruding the hole sealing plug by utilizing the water and soil pressure of surrounding rock and the expansion of the air cavity is closed to seal a water (mud) gushing channel of a drill hole, the hole sealing plug is made of a flexible material, the deformation capability is strong, the wrapping effect on a drill rod is good, and the sealing and close-fitting effect can be realized. The hole sealing plug utilizes the shield tunnel segment as a support, and an expansion screw hole for fixing is not required to be drilled in the shield tunnel segment. The hole sealing plug is internally provided with an air cavity and an air pipe, the size of the hole sealing plug can be adjusted, the hole sealing plug can be adjusted in different stages of drilling, stopping drilling, pipe descending and the like, and the risk prevention and control requirements of the whole process of freezing pipe drilling construction are met.)
技术领域
本发明涉及隧道衬砌钻孔施工的技术领域，尤其是涉及一种用于城市地铁盾构联络通道冻结管、管棚、小导管施工的防止钻孔涌水、涌泥砂的装置和安装方法。
背景技术
为满足城市地铁安全运营和防灾需要，地铁区间每隔一段距离需要设置联络通道，以保证在突发事件如火灾等紧急情况下可使人群迅速疏散、逃离以及救灾人员能迅速进入事故现场，目前，人工冻结法是富水地层城市地铁联络通道的主要施工方法。
人工地层冻结法是预先沿着联络通道开挖轮廓线外周一定位置钻孔，然后在孔内埋设冻结管(薄壁钢管)，并通过冻结管内的冷媒循环将联络通道周围围岩冻结成不透水的承载体，然而，在盾构隧道衬砌打穿和冻结管钻孔过程中，因地层软弱，极易出现沿着钻孔发生涌水、涌泥(砂)等问题，甚至由此导致盾构隧道管片衬砌出现裂损，以及地层沉陷、管线和构筑物沉降过大等事件。既有防止钻孔涌水、涌泥砂技术主要是采取在隧道衬砌外安装孔口管，用来固定防喷涌装置，如李治国等公开一种高压涌水钻孔内孔口管的安装装置(中国专利 CN201310362Y)、罗富荣等公开了一种用于钻孔涌砂冒水的防喷装置(中国专利CN205077502U)、潘光明等公开了一种高压大流量涌水钻孔安全系统及其安装工艺(中国专利CN102561977 A)，上述专利均需要在隧道衬砌壁上安装孔口管。既有发明中的另外一种方法是采用钻杆外设置套管，套管与隧道衬砌之间通过注浆进行封堵，如李术才等公开了一种适合高压大流量钻孔涌水的注浆封堵装置及其工艺(中国专利CN 104948133A)，杨建喜等提供一种钻孔涌水封堵孔口装置，包括引流管、滤浆袋及灌浆管(中国专利CN208966260 U)。
通过固定于隧道衬砌外壁的孔口管或锚固于衬砌内的套管封堵钻孔过程中地下水通道存在的问题是：(1)既有专利多针对山岭隧道；(2)套管固定主要依靠注浆体的摩擦力来提供，而注浆效果受影响因素较多，因此，套管很容易出现松动；(3)针对城市地区盾构隧道的孔口管专利，其孔口管固定需要在盾构隧道衬砌多个位置打孔。相较于山岭隧道的注浆管钻孔施工，地铁区间联络通道冻结管施工对钻孔涌泥砂防控的要求更高，主要原因是：(1)联络通道是在盾构隧道管片衬砌完成状态下施工，盾构隧道的拼装式结构、缝多、刚度小的特点决定了一旦在联络通道施工中发生涌水、涌泥(砂)，极易导致盾构结构开裂、沉陷、甚至整体垮塌等安全事故；(2)盾构隧道管片衬砌是单层衬砌，厚度多为35cm或30cm，一般不允许在管片上打深孔以插入膨胀螺丝来固定孔口管，而钻孔过浅，则孔口管的固定难以保证。因此，盾构隧道联络通道，尤其是高渗透性地层(如富水砂层、富水砂卵石地层)的联络通道施工时，如何有效防控钻孔涌泥砂是联络通道安全风险控制的重点和难点之一。
发明内容
本发明的目的是为了解决盾构隧道联络通道冻结法、管棚等施工中的安全问题，提供一种用于隧道衬砌钻孔过程涌水、涌泥(砂)防控装置及安装方法，以实现无需对盾构隧道管片到处打孔，安装牢固，不易脱落，且钻孔全程密封效果好，从而保证冻结管钻孔施工安全。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种隧道衬砌钻孔的涌泥砂防控装置，包括喷射系统、封孔塞、护垫、钻头和钻杆，喷射系统包括喷射杆钻头、喷射杆、喷射孔、电钻，封孔塞由膜袋、气腔、塞体、气管、注塑管、网索组成。
封孔塞位于盾构隧道管片的迎土侧，呈短柱形中空环状体，密贴于冻结管孔周围，钻杆从封孔塞中心通过，封孔塞的塞体为柔性、高弹性有机体，内置有注塑管与外部连通；
进一步地，塞体是由注塑管内注入的液状物体固化而成；
封孔塞的气腔内置有气管与外部连通；
封孔塞的侧面均布有网索，网索引出至钻孔外部。
护垫呈中空圆柱体，为柔性高弹性体；护垫尾部有扩大部，扩大部粘贴于管片；护垫自冻结管孔口延伸至封孔塞，钻杆与封孔塞通过护垫分离。
喷射杆为中空结构，内部空腔与喷射孔连通；喷射杆尾端与电钻分离后，可通过丝扣连接外部高压水管。
上述隧道衬砌钻孔的涌泥砂防控装置的安装方法，安装步骤为：
步骤1：将喷射杆钻头连接到喷射杆，并将喷射杆安装到电钻，在冻结孔中心位置利用电钻在管片上打设先导孔，钻透管片后，继续钻至设计位置；
步骤2：卸下电钻，在喷射杆尾部连接高压水管，开通高压水，从喷射杆顶部的喷射孔喷射高压水，并旋转一周，然后将喷射杆外拉2cm，继续旋转喷射杆，直至将封孔塞位置的土体破坏，形成空腔或水腔；
步骤3：将喷射杆拉出，并将膜袋固定至喷射杆顶部，顶入喷射杆至土体内预定位置；
步骤4：利用气管对气腔压入高压气体，使封孔塞基本成型，然后，通过注塑管注入有机液体使得封孔塞的塞体成型，塞体膨胀封堵先导孔；
步骤5：采用取芯钻机将管片范围的先导孔扩大至冻结管尺寸，钻透管片；
步骤6：将护垫插入封孔塞，并将其尾部扩大端固定在管片上；
步骤7：将冻结孔钻杆插入护垫，并通过气管对气腔适当放气，使得封孔塞收缩，然后冻结孔钻机开钻，至设计深度；
步骤8：钻孔完毕，将冻结管插入冻结孔后，将气腔完全放气，使得封孔塞完全回缩，然后移除护垫，通过网索将封孔塞拉出至管片深度范围内，根据封孔塞与冻结管壁周围缝隙情况，可利用气管对气腔充气，使得冻结管孔口部位完全密封。
本发明的有益效果是：
(1)本发明为内置式，封孔塞内置于管片迎土侧，利用围岩的水土压力和气腔膨胀对封孔塞挤压获得的封孔塞闭合来封堵钻孔的涌水(泥)通道，堵水效果更佳；
(2)封孔塞为柔性材料，变形能力强，对钻杆的包裹能力较强，较易实现封堵密贴效果，密封效果好；
(3)封孔塞内置气腔和气管，封孔塞的大小可以调整，可在钻孔、停钻、下管等不同阶段进行调整，满足冻结管钻孔施工全过程的风险防控需要。
(4)利用盾构隧道管片作为支撑基础，结构牢固可靠；
(5)安装过程无需在盾构管片钻膨胀螺丝孔，不会对管片结构造成破坏，影响其防水效果、耐久性等。
附图说明
下面结合附图对本发明的应用例作说明。
图1为一种隧道衬砌钻孔的涌泥砂防控装置的冻结孔钻孔阶段的结构图；
图2为一种隧道衬砌钻孔的涌泥砂防控装置的安装阶段的结构图。
图中：1气腔，2塞体，3管片，4冻结管孔，5护垫，6钻杆和钻头，7气管，8注塑管，9先导孔，10喷射杆，11喷射孔，12膜袋，13网索，14喷射杆钻头，15电钻。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
附图所示，一种隧道衬砌钻孔的涌泥砂防控装置，主要由喷射系统、封孔塞、护垫5、钻头和钻杆6组成，喷射系统包括喷射杆钻头14、喷射杆10、喷射孔11、电钻16，封孔塞由膜袋12、气腔1、塞体2、气管7、注塑管8、网索 13组成。
本发明的隧道衬砌钻孔的涌泥砂防控装置安装方法步骤如下：
步骤1：先导孔9钻孔。在管片3上利用喷射杆10和喷射杆钻头14，钻先导孔9；
步骤2：高压旋喷土体。卸下电钻15，在喷射杆10尾部连接高压水管，通过喷射孔11对封孔塞所处土体旋喷，形成空腔或水腔；
步骤3：封孔塞膜袋12就位。将膜袋12从先导孔9顶入预定位置；
步骤4：封孔塞成型。利用气管7对气腔1充气，利用注塑管8使得塞体2 成型并封堵先导孔9；
步骤5：先导孔9扩孔。利用取芯钻机将先导孔9扩大至冻结管尺寸；
步骤6：护垫5插入就位。并将护垫5尾部扩大端粘贴于管片3上；
步骤7：冻结管孔4钻孔。将冻结孔钻杆6插入护垫5，并通过气管7收缩封孔塞，然后冻结孔钻机开钻，直至设计深度；
步骤8：封孔塞回拉。钻孔完毕，插入冻结管，封孔塞完全排气，移除护垫 5，通过网索13将封孔塞回拉对冻结管孔口部位密封。