岩质隧道、隧洞爆破开挖掌子面涌水封闭装置及方法与流程

本发明涉及隧道施工，特别是涉及一种岩质隧道、隧洞爆破开挖掌子面涌水封闭装置及方法。

背景技术：

1、近年来，西部地区特别是西南部山区需穿越难以绕避的高地温不良地质的深埋长隧道工程越来越多。高地温对隧道、隧洞工程的主要危害之一是高水温，根据初步勘察资料，仅川藏铁路沿线就存在50余处对线路有明显影响的高温热泉，水温40℃～100℃，其中受超高温热水(≥60℃)影响的隧道线路长度约50km。

2、钻爆法大断面施工方法可减少对围岩的扰动，实现支护尽早闭合成环，有效控制围岩变形，广泛应用于岩质隧道开挖施工，如川藏铁路隧道均采用钻爆法大断面施工方法。而超高温热水是恶化岩质隧道爆破开挖施工环境的主要热源。一旦掌子面超高温热水涌出，将导致隧道内气温升高、湿度增大，大大降低施工人员劳动生产率，并严重威胁其健康和安全；另外，高温高湿条件下爆破器材性能稳定性下降，爆破效率大大降低，极易出现瞎炮、哑炮现象，危及施工安全。因此，在隧道爆破开挖过程中，对于掌子面超过一定量的超高温涌水，均采取顶水注浆封堵为主、限量隔热排放的原则处理。

3、掌子面超高温涌水顶水注浆封堵，即利用较高的注浆压力将沿基岩裂隙渗漏的超高温涌水顶到围岩爆破松动圈以外，并依靠合适的浆液对高温水渗漏路径进行充填、封堵，使裂隙围岩固结为较完整岩体，保证后期掌子面爆破开挖免受超高温涌水影响。通过对掌子面超高温出水点进行顶水注浆封堵，可以有效控制热源散出，并能明显提高隧道爆破开挖工效。然而，顶水注浆需要依靠较高的注浆压力，据常温隧道涌水注浆封堵工程经验，注浆压力比涌水压力至少高1mpa，才能取得较好的封堵效果。超高温涌水顶水注浆封堵效果的好坏，直接取决于注浆孔封闭质量的优劣，注浆孔封孔质量高，注浆过程中浆液不会沿孔壁及掌子面产生跑、冒浆现象，注浆压力能够满足施工要求，涌水封堵易于达到理想效果。反之，注浆孔封闭质量差，严重影响注浆压力提升，浆液顶水距离受限，围岩爆破影响范围内的裂隙无法得到充分封堵、固结，导致封堵施工后，掌子面后期爆破开挖过程中依旧存在超高温涌水问题，严重影响隧道爆破开挖施工效率，危及开挖施工人员健康和安全。

4、根据国内外研究文献资料，目前对于隧道爆破开挖掌子面超高温涌水封闭装置及方法还未见相关文献报道。现阶段施工掌子面超高温涌水的封闭施工主要做法是：施工人员穿高温蒸汽防护服进入涌水点附近，采用常温涌水封闭装置进行施工，防护服设备笨重、价格昂贵，对于超高温热水防护作用有限，单套装备持续施工时间仅10min左右。

5、因此，采用防护服结合常温封闭装置施工，不仅封闭施工费用高、封闭工效低、人员安全风险高等，且常温涌水封闭装置由于封闭材料、构造型式、设备控采功能限制，并不适用于超高温涌水封闭处理。根据孔口封闭装置涉及的材料，隧道掌子面常温涌水封闭的装置主要可以分为两类：①模袋注浆封孔装置(例如专利cn105064368a-一种模袋注浆装置、专利cn205399433u-一种模袋注浆装置)，依靠向模袋内注入水泥浆液使其膨胀，并利用模袋透水不透浆性质，通过注浆压力加速浆液泌水，与孔壁固结为整体，以达到孔口封闭目的；②各类囊袋式注浆塞(cn212454346u-一种灌浆用孔口封闭装置、cn201401179y-矿山及地下堵水复用注浆塞)，依靠向囊袋内注入水或气体等介质使囊袋膨胀变形，将注浆塞紧固在注浆孔中，以达到孔口封闭目的。

6、而常温涌水封闭技术不适用于超高温涌水封闭，具体主要体现在以下三个方面：①高温条件下，水泥浆液水化热过高易导致水泥结石收缩、开裂，严重影响孔口封闭质量；高水化热导致浆液速凝，易堵塞模袋排水孔，压力泌水作用减弱，封孔段结石体强度大大降低，后期顶水封堵过程中，较大的注浆压力易对孔口封闭段产生劈裂作用，导致涌水封堵失效；②涌水封闭过程中压力及流速迅速增大，极易形成喷溅水流，常温水的喷溅不会恶化施工环境，危及施工人员安全，相应孔口封闭装置结构中均未考虑封闭施工过程中喷溅水的减压与防护措施，而超高温热水孔口封闭结构必须设置隔离和泄压系统，降低封闭施工难度，保证施工中人员安全；③超高温涌水封闭，为降低封闭施工难度，需对封闭装置排量进行实时调整，同时为满足后期顶水注浆封堵施工要求，还需要对涌水压力、流量、水温等参数进行监测，常温涌水封闭装置设备控制和信息参数的采集，均需靠近涌水点进行相应操作，不适用于超高温涌水点施工环境恶劣、难以靠近施工的工况特点，且常温封堵装置未采集涌水水温等参数，无法满足超高温顶水注浆施工参数需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种岩质隧道、隧洞爆破开挖掌子面涌水封闭装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，保证施工人员安全及热水涌水封堵效果。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种岩质隧道、隧洞爆破开挖掌子面涌水封闭装置，包括封孔模块和热水隔离模块，所述封孔模块包括主管、隔热排水管、模袋和注浆泵，所述主管一端伸入并限位于涌水影响范围处开设的钻孔内，所述主管的另一端向远离所述钻孔的方向延伸，所述隔热排水管安装于所述主管的中部并能够连通所述主管与外部集中排水管，所述主管上伸入所述钻孔的位置固定套设有所述模袋，所述模袋能够连通所述注浆泵；所述热水隔离模块围绕所述主管的周向安装，所述隔热排水管位于所述热水隔离模块和所述钻孔之间，且自靠近向远离所述主管的方向上，所述热水隔离模块向靠近所述钻孔的方向延伸，所述热水隔离模块包括容置元件和冷却元件，所述冷却元件放置于所述容置元件内，所述容置元件上与所述主管相对的一侧镂空，所述容置元件上与所述主管相背的一侧封闭。

4、优选的，所述主管包括前段孔口管和后段孔口管，所述前段孔口管、所述后段孔口管和所述隔热排水管通过三通管连接，且所述后段孔口管的一部分伸入所述钻孔内，所述后段孔口管的外壁上固定有定位卡销，所述定位卡销用于接触掌子面。

5、优选的，所述模袋的两端均设有扎丝，所述模袋与所述后段孔口管之间通过所述扎丝连接，所述模袋通过若干注浆管连通所述注浆泵。

6、优选的，所述前段孔口管的中部设有定位卡环、连接套筒和固定卡环，所述定位卡环固定在所述前段孔口管的外壁上，所述连接套筒滑动连接于所述前段孔口管上，所述固定卡环能够拆卸地连接于所述前段孔口管上，且所述连接套筒限位于所述定位卡环和所述固定卡环之间，所述容置元件的中部固定于所述连接套筒上。

7、优选的，所述容置元件包括隔离钢筋网、隔离盖板、封闭板和入口盖板，所述隔离钢筋网的中部和所述隔离盖板的中部均开设有用于连接所述连接套筒的通孔，且所述隔离钢筋网外缘和所述隔离盖板的外缘均向远离所述连接套筒的方向延伸，所述隔离盖板和所述隔离钢筋网沿所述前段孔口管的长度方向排列，且所述隔离钢筋网位于所述隔离盖板的靠近所述后段孔口管的一侧，所述隔离钢筋网的外缘与所述隔离盖板的外缘通过所述封闭板连接并封堵，所述封闭板上开设有一投入口，所述入口盖板能够拆卸地安装于所述投入口处并控制所述投入口开闭。

8、优选的，还包括控制模块，所述控制模块包括远程控制采集仪，以及与所述远程控制采集仪电连接的注浆电磁阀、电磁流量计、压力变送器、排水电磁阀和温度传感器，所述注浆电磁阀、所述电磁流量计和所述压力变送器均安装于所述主管上，且所述注浆电磁阀、所述电磁流量计和所述压力变送器位于所述热水隔离模块的远离所述钻孔的一侧，所述排水电磁阀和所述温度传感器均安装于所述隔热排水管上。

9、优选的，所述注浆泵为螺杆泵。

10、优选的，所述冷却元件为冰块，所述注浆泵注入的浆液为粉煤灰硅酸盐水泥。

11、本发明还提供一种岩质隧道、隧洞爆破开挖掌子面涌水封闭方法，使用上述技术方案中任一项所述的岩质隧道、隧洞爆破开挖掌子面涌水封闭装置，包括以下步骤：

12、s1.顶水注浆封堵孔布设，在涌水点布设一个钻孔，围绕涌水点沿涌水影响范围均匀布设多个钻孔，多个钻孔围成的圆形半径与涌水影响范围的最大半径相等；

13、s2.封孔模块组装，采用钢管制作前段孔口管和后段孔口管，并用三通管连接前段孔口管和后段孔口管；使用长度大于钻孔半径的钢筋焊接在后段孔口管的外壁作为定位卡销；将注浆管插入缝制好的模袋中部，并用扎丝将模袋两端固定于后段孔口管上；

14、s3.热水隔离模块组装，采用钢管支座连接套筒，连接套筒的直径大于前段孔口管直径，采用钢板制作隔离盖板、封闭板和入口盖板，封闭盖板预留投入口，采用多根钢筋焊接制作隔离钢筋网；将隔离盖板的中部和隔离钢筋网的中部分别焊接于连接套筒上，将隔离盖板的外缘和隔离钢筋网的外缘分别焊接于封闭板上，将入口盖板焊接于投入口处；

15、s4.热水隔离模块就位，将定位卡环焊接于前段孔口管中部，连接套筒套在前段孔口管上并移动至与定位卡环接触，将固定卡环安装在前段孔口管上，并连接套筒上远离定位卡环的一端限位；

16、s5.控制模块组装就位，选用装配有无线模块的注浆电磁阀、电磁流量计、压力变送器、排水电磁阀及温度传感器无线连接远程控制采集仪；将排水电磁阀和温度传感器依次装设在隔热排水管上，并将隔热排水管连接在三通管上；将注浆电磁阀、电磁流量计和压力变送器依次装设于前段孔口管上；

17、s6.封孔模块就位，在钻孔设备辅助下，将封孔模块缓慢插入钻孔中，插入深度以定位卡销接触掌子面为控制标准；

18、s7.涌水引排，控制排水电磁阀处于开启状态、注浆电磁阀处于关闭状态，采用隔热排水管对涌水进行集中引排，确保涌水引排至掌子面后方并归入外部集中排水管排出隧道外；

19、s8.冷却元件充填，开启入口盖板，并沿投入口向容置元件内充填冷却元件，且冷却元件不会经隔离钢筋网掉落；

20、s9.模袋注浆封孔施工，冷却元件充填完成后，使用注浆泵沿注浆管向模袋内灌注粉煤灰硅酸盐水泥，在设定灌浆压力下屏浆后，关闭注浆管对应的阀门，注浆泵停止灌浆，结束模袋注浆；对于掌子面上的多个钻孔，封闭顺序为从周边钻孔向中间钻孔、从涌水量少的钻孔向涌水量多的涌水孔推进；

21、s10.仪器设备远程控制与封堵参数信息反馈，所有钻孔封闭完成后，远程关闭排水电磁阀，开启注浆电磁阀，使涌水依次经后段孔口管和隔热排水管涌出；通过电磁流量计、压力变送器分别涌水压力、流量进行监测；数据采集完毕后，关闭注浆电磁阀，开启排水电磁阀，继续将涌水通过隔热排水管引离掌子面，并通过温度传感器对水温进行监测；涌水压力、流量、水温数据实时反馈给远程控制采集仪；

22、s11.喷射混凝土表面封闭，对掌子面上的涌水影响范围挂设隔离钢筋网，然后喷射混凝土进行表面封闭，封闭范围半径大于涌水影响范围半径；

23、s12.封闭效果检查，喷射混凝土表面封闭后，开展压水试验检查钻孔处的封闭效果；

24、s13.封闭装置拆除与回收，满足封堵材料待凝龄期后，拆除控制模块，松动固定卡环，拆除热水隔离模块，清理回收的仪器。

25、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

26、1.利用粉煤灰硅酸盐水泥浆液的低水化热属性，避免因浆液在高温环境中速凝导致模袋孔堵塞及结石体干燥收缩开裂等问题，保证封孔质量及后期注浆封堵效果。

27、2.针对涌水封闭过程中压力及流速迅速增大特性，设置隔热排水管将超高温涌水引离掌子面，防止超高温涌水恶化施工环境，同时减小涌水压力，降低封闭施工难度；设置热水隔离模块，将封孔施工过程中喷溅的超高温涌水隔离，并能降低钻孔孔口周围环境温度，保证封堵施工中人员安全。

28、3.针对涌水点施工环境恶劣、难以靠近施工的工况特点，设置控制模块进行远程控制，根据封堵水流流动特性，远距离实时调整相关阀门开度，并采集涌水流量、压力与温度，保证施工人员安全，为后续顶水注浆施工提供必要的数据支撑，提高涌水封堵成功率。