隧道隆起变形控制方法、装置及钻具

本技术涉及隧道及地下工程，尤其涉及一种隧道隆起变形控制方法、装置及钻具。

背景技术：

1、目前，运营地铁线路会带动地铁沿线商业的发展，城市地下空间开发建设和城市更新项目越来越多，运营地铁周边出现了大量近接工程，如上方土体开挖卸载、临近基坑开挖卸载等，因此出现大量邻近地铁或跨越地铁的外部作业项目对运营地铁产生一定的影响。为此，国家和地方出台了地铁保护管理方面的技术标准和规范，以《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(cjj/t202-2013)为例，该规范附录b.0.2中规定：隧道竖向位移的预警值为10mm，控制值为20mm。

2、土方开挖卸荷是一个破坏原有土体平衡，不可避免使得未开挖的土体应力释放，这会导致周边岩土体以及隧道结构进行应力重分布，土体则会在一定程度上产生水平或竖向位移，而周边建筑物以及下卧隧道由于原有的受力平衡状态被破坏则会产生附加应力和变形，势必会造成隧道周边岩土层产生回弹，进而引起下卧隧道的隆起变形，特别是在泥岩地层的卸土作业，既有运营隧道上浮隆起具有滞后性，往往是卸土施工过程中未发生较大上浮隆起，随着时间推移表现为较明显的整体性异常上浮隆起。严重时会导致隧道结构出现开裂、破损、渗漏等病害，甚至会影响地铁运营安全。根据实际工程案例，隧道上方土体大面积卸载，若未采取任何防护措施，施工完成后隧道竖向位移呈整体隆起趋势，对应卸土区域的隧道竖向位移均超过变形控制值10mm，核心区隧道竖向位移最大值超过控制值20mm，对隧道结构造成损伤，影响列车运行安全。

3、目前，隧道上浮变形控制措施的研究主要包括：①基于隧道土方开挖卸载时空效应理论的分隔、分块、分段、分层等开挖控制措施；②基坑底部土体或隧道周边土体注浆加固；③采用抗拔桩等结构控制隧道周围土体位移。

4、第一种方法：采用时空效应理论的分隔、分块、分段、分层等开挖控制措施，可以在做好安全监测和安全巡查情况下实施信息化反馈施工作业，保证隧道上浮变形在允许范围之内，通常只适用于隧道土方开挖小范围卸载或卸载量不大的情况。

5、第二种方法：在基坑底部土体或隧道周边土体注浆加固时，通常会对隧道周边土体进行加固处理，土体加固的本质是通过改变土体的内摩擦角及黏聚力来增强土体强度，以达到减小隧道周边土体变形的目的。土体加固的方法一般有：1)对坑底至隧道周边一定深度范围内的土体施作三轴水泥土搅拌桩或高压旋喷桩；2)对于隧道上穿或下穿既有隧道的工程，对既有隧道周边土体进行mjs水平桩处理；3)对坑底至隧道周边一定范围内的土体进行注浆处理。其主要缺点是施工周期长、质量难以控制、费用高，而且此类注浆加固需要严格控制注浆量和注浆压力，防止隧道因高压注浆而发生上浮变形、隧道结构受损等次生灾害。

6、第三种方法：门式抗浮框架是一种近年来被采用的隧道变形控制措施，可以通过工程设计和数值计算确定门式抗浮框架加固结构形式，隧道和加固结构的受力机理明确，逐渐被应用到隧道上方土方开挖的抗浮控制中，通过与周围岩土体产生相互作用，在隧道上方形成一个门式的抱箍，从而约束箍内隧道周边岩土体回弹变形，保证隧道变形在允许范围之内，其主要缺点是施工周期长、费用高昂。

7、综上所述，隧道上方外部卸土作业既要考虑隧道结构或岩土体加固的经济性和可行性，还要考虑隧道结构稳定性和安全性。

8、鉴于此，亟需一种新的技术方案来解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种隧道隆起变形控制方法、装置及钻具，旨在解决土体卸载引起隧道隆起变形的技术问题。

2、为实现上述目的，本技术提供一种隧道隆起变形控制方法，所述隧道隆起变形控制方法包括以下步骤：

3、确定位于隧道两侧地表的目标钻孔孔位；

4、利用钻具沿着所述目标钻孔孔位进行钻孔，将地下土壤置换为干性混合骨料；

5、在对所述目标钻孔孔位取土换填完成的情况下，进行封孔处理。

6、可选地，所述确定位于隧道两侧地表的目标钻孔孔位的步骤，包括：

7、确定隧道两侧的地表区域；

8、确定钻孔的倾斜角度，以及确定钻孔与隧道外侧的安全距离；

9、基于所述倾斜角度和所述安全距离，确定在所述地表区域中的目标钻孔孔位。

10、可选地，所述利用钻具沿着所述目标钻孔孔位进行钻孔的步骤，包括：

11、利用钻具沿着所述目标钻孔孔位进行对称钻孔；

12、在对称钻孔的过程中，根据隧道隆起变形的程度动态调整地表钻孔间距和钻孔排数。

13、可选地，所述钻具包括钻头和钻杆；所述钻头和所述钻杆固定连接；

14、所述利用钻具沿着所述目标钻孔孔位进行钻孔的步骤，包括：

15、将所述钻杆倾斜预设角度沿着所述目标钻孔孔位进行钻孔，直至钻孔长度达到预估长度。

16、可选地，所述预估长度的确定步骤，包括：

17、获取所述隧道的直径和埋深高度；

18、基于所述直径和所述埋深高度确定所述预估长度。

19、可选地，所述钻具包括套管；所述将地下土壤置换为干性混合骨料的步骤，包括：

20、在钻孔的过程中，对打碎的地下土壤进行吹扫排渣并跟进套管；

21、将钻具中的钻杆从钻孔中退出；

22、利用钻杆和冲振器推放并冲击压实干性混合骨料，以及同步退出套管。

23、可选地，所述目标钻孔孔位包括梅花型布孔，目标钻孔孔位之间的水平间距为m，地表相邻排钻孔间距为n，上下排钻孔的最小间距为l；其中：m＝2n，n＝l/sinφ，φ表示钻杆倾斜角度。

24、此外，为实现上述目的，本技术还提供一种隧道隆起变形控制装置，所述隧道隆起变形控制装置包括：

25、孔位标定模块，用于确定位于隧道两侧地表的目标钻孔孔位；

26、钻孔施工模块，用于利用钻具沿着所述目标钻孔孔位进行钻孔，将地下土壤置换为干性混合骨料；

27、钻孔封孔模块，用于在对所述目标钻孔孔位取土换填完成的情况下，进行封孔处理。

28、本技术还提供一种钻具，所述钻具用于实现如上所述的隧道隆起变形控制方法；所述钻具包括：套管、管靴、潜孔锤冲击器、钻头、钻杆和拔管器。

29、可选地，所述钻头包括偏心钻头，所述钻头的直径为[200mm,300mm]，所述钻杆包括空心钻杆。

30、本技术技术方案中的隧道隆起变形控制方法，通过确定位于隧道两侧地表的目标钻孔孔位；利用钻具沿着所述目标钻孔孔位进行钻孔，将地下土壤置换为干性混合骨料；在对所述目标钻孔孔位取土换填完成的情况下，进行封孔处理。以一种取土换填的方式，把受地下条件影响容易变形的土(如泥岩)置换成受地下条件影响不易变形的干性混合骨料，利用隧道整体沉降减少或抵消隧道上浮变形的原理，实现两侧钻孔取土和孔洞换填，在隧道所处围岩形成一段相对软弱的隔离带，间接隔断隧道周边岩土体连续介质因大面积卸载导致连续回弹大变形，隔离带上部的隧道结构和岩土体自重作用下产生一定的压密下沉或侧向挤压变形，可以减少或抵消隧道向上的回弹变形。该方法具有地层适用性广、操作简单、方便施工、施工周期短、成本低的特点。