1.本发明属于地铁隧道施工技术领域，特别涉及一种超前注浆加固方法。
背景技术：
2.黄土的湿陷性，即在一定压力作用下受水浸蚀，会迅速破坏而发生显著下沉；因此，在黄土地区修建地铁车站时，必须考虑黄土的湿陷性对结构的影响；其次，地铁车站的拱顶普遍存在富水砂层，而富水砂层的结构松散、自稳性差，极易被扰动甚至可能出现坍塌现象，严重影响地铁车站建造质量和施工安全。
3.由于洞桩法施工对控制地表沉降以及周边建筑影响都有显著的成效，因而被广泛应用于地铁车站的建造施工中，但使用洞桩法在湿陷性黄土地区的富水砂层中修建地铁车站尚未有成功的案例；其次，由于湿陷性黄土地区土层极易出现遇水而导致地表不均匀沉降，故地铁车站施工过程中需要对土层进行加固处理，以保证地表变形在控制范围内；目前，针对土层普遍采用超前注浆进行加固处理时，但当地铁车站的拱顶存在富水砂层时，现有的超前注浆加固方法无法有效发挥其加固效果，且易对富水砂层产生扰动，严重时诱发地表建筑物倾斜、管线断裂等灾害，进而增加了地铁车站的施工难度。
技术实现要素：
4.针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种超前注浆加固方法，以解决在黄土地区地铁车站的拱顶存在富水砂层时，现有的超前注浆加固方法无法有效发挥其加固效果，且易对富水砂层产生扰动，严重时诱发地表建筑物倾斜、管线断裂等灾害，进而增加了地铁车站的施工难度的技术问题。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.本发明提供了一种超前注浆加固方法，用于湿陷性黄土地区富水砂层洞桩法施工地铁车站的导洞超前注浆加固过程；
7.其中，所述超前注浆加固方法，包括：
8.对预确定的超前注浆加固范围内的砂层地质进行含水率测定，获得砂层地质的含水率测定结果；
9.根据所述砂层地质的含水率测定结果，确定砂层注水区域，并对所述砂层注水区域进行注水；其中，所述砂层注水区域为含水率低于预设含水率阈值的砂层地质区域；
10.在导洞开挖工作面上喷射混凝土，以封闭工作面形成人工止浆墙；
11.确定并标记超前注浆钻孔的位置，施钻超前注浆钻孔，清孔后安装注浆设备；
12.按照从下到上、由边到中的注浆顺序进行注浆操作；
13.注浆完成后，架设格栅拱架，至此所述超前注浆加固处理完成。
14.进一步的，所述预设含水率阈值为6％。
15.进一步的，对所述砂层注水区域进行注水时，注水后的砂层注水区域的含水率不小于6％。
16.进一步的，人工止浆墙采用c25混凝土喷射而成。
17.进一步的，施钻超前注浆钻孔之前还包括确定地表变形监测点位置的步骤；
18.其中，确定地表变形监测点位置的步骤，具体如下：
19.在预确定的超前注浆加固范围的上方地表等间距布设若干变形监测点；其中，所述变形监测点，用于监测注浆过程中产生的地表变形。
20.进一步的，所述注浆设备包括超前小导管及止浆阀；所述超前小导管为中空的管状结构，所述超前小导管的前端插入所述超前注浆钻孔中，所述超前小导管的后端用于与注浆管路相连；所述超前小导管的表面均匀设置有若干注浆孔，所述止浆阀安装在所述超前小导管的尾部。
21.进一步的，所述超前小导管与水平方向的夹角为22
°
，所述超前小导管的长度为1.8m；所述超前小导管的布设间距特征为：环距
×
纵距＝300
×
500mm。
22.进一步的，按照从下到上、由边到中的注浆顺序进行注浆操作时，注浆材料采用双液注浆材料；其中，所述双液注浆材料采用磷酸稀释液和水玻璃配制得到。
23.进一步的，按照从下到上、由边到中的注浆顺序进行注浆操作时，当单根钻孔满足以下任一预设结束条件时结束注浆：(1)注浆压力到达预设计的注浆终压时；(2)注浆量到达预设计的注浆量要求，并确认未发生跑浆或漏浆现象时；当超前注浆加固循环满足以下条件时注浆结束：(1)预设计的注浆钻孔均满足单根钻孔结束标准结束注浆，且无漏注现象时。
24.进一步的，架设格栅拱架时，相邻两榀格栅拱架之间采用纵向连接机构进行纵向连接；其中，所述纵向连接机构包括第一连接单元、纵向连接钢筋及第二连接单元；所述第一连接单元安装在前一榀格栅拱架的主筋上，所述第二连接单元安装在后一榀格栅拱架的主筋上；
25.所述第一连接单元与所述第二连接单元的结构相同，均包括固定垫板和纵向筋固定环；所述固定垫板固定安装在前一榀格栅拱架或后一榀格栅拱架的主筋上，所述纵向筋固定环垂直固定在所述固定垫板的中心，所述纵向连接钢筋的端部穿插固定在所述纵向筋固定环中。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
27.本发明提供了一种超前注浆加固方法，根据砂层地质的含水率测定结果，对砂层地质内含水率低于预设含水率阈值的砂层地质区域进行提前注水，以确保超前注浆浆液能够在砂层地质内良好扩展；同时，能够有效降低对砂层地质的扰动，有效加固湿陷性黄土地区的土层，减小黄土湿陷性的影响，避免出现地表不均匀沉降，确保了导洞开挖的安全；其次，通过在工作面上喷射混凝土形成人工止浆墙，能够有效避免注浆过程中出现冒浆现象；过程简单，施工难度低，有效控制湿陷性黄土地区拱顶存在富水砂层的地铁车站洞桩法施工过程中引起的地表变形，保证导洞超前支护强度及施工质量。
28.进一步的，采用在超前注浆加固范围的上方地表设置变形监测点，实现注浆过程中对地表变形情况进行实时监测，以对注浆参数的调整提供数据反馈依据，确保了超前支护的施工质量。
29.进一步的，采用超前小导管进行注浆，有效减少注浆导管对砂层的扰动。
30.进一步的，将超前小导管与水平方向的夹角设计为22
°
，长度设计为1.8m，环距与
纵距按照300
×
500mm进行设计，以通过缩短小导管长度并加密小导管纵向间距的措施，大大减少对砂层地质的扰动，并能够有效加强注浆加固作业过程中砂层固结强度，确保导洞开挖安全可靠。
31.进一步的，采用磷酸稀释液和水玻璃配置的双液注浆材料进行超前注浆，能够有效改善砂层地质的加固效果，提高砂层地质的自稳性，加快了现场开挖施工速度，有效缩短了工期，节约成本。
32.进一步的，采用纵向连接机构对相邻两榀格栅拱架进行纵向连接，连接过程无需现场焊接施工，操作简单，施工效率高，速度快，大大降低了地铁车站拱顶随时间推移产生掉砂的现象。
附图说明
33.图1为实施例所述的超前注浆加固方法的流程图；
34.图2为实施例中某湿陷性黄土地区富水砂层的超前注浆加固区域的横剖图；
35.图3为实施例中某湿陷性黄土地区富水砂层的超前注浆加固区域的纵剖图；
36.图4为实施例中超前小导管的结构示意图；
37.图5为实施例中土层含水率探测仪的结构示意图；
38.图6为实施例中格栅拱架的连接结构示意图；
39.图7为实施例中格栅拱架的连接结构细部构造示意图；
40.图8为实施例中第一连接单元或第二连接单元的结构示意图。
41.其中，1注浆孔，2超前小导管，3格栅拱架，4人工止浆墙，5变形监测点的布置区域，6含水率测试仪，7前一榀格栅拱架的主筋，8后一榀格栅拱架的主筋，9第一连接单元，10纵向连接钢筋，11第二连接单元，12固定垫板，13纵向筋固定环，14紧固螺栓，15焊接点位。
具体实施方式
42.为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
43.本发明提供了一种超前注浆加固方法，包括以下步骤：
44.步骤1、完成导洞开挖施工准备及超前注浆设计；其中，导洞开挖施工准备的结果包括确定导洞开挖段长度、导洞开挖钻孔参数及设备选型；超前注浆设计的结果包括确定注浆压力值、注浆浆液配制、确定超前小导管设计参数及确定超前小导管的布设间距。
45.步骤2、测量放线，确定超前注浆加固范围，获得预确定的超前注浆加固范围。
46.步骤3、利用含水率测试仪，对预确定的超前注浆加固范围内的砂层地质进行含水率测定，获得砂层地质的含水率测定结果；需要说明的是，注浆之前，需要提前确定所述超前注浆加固范围内的砂层地质的含水率，以确保了注浆浆液能够良好地扩散；其中，所述含水率测试仪采用便携式含水率测试仪，其具有操作简单、便于携带的优点。
47.步骤4、根据所述砂层地质的含水率测定结果，确定砂层注水区域，并对所述砂层注水区域进行注水；其中，所述砂层注水区域为含水率低于预设含水率阈值的砂层地质区域；需要说明的是，通过观察砂层地质情况，利用含水率测试仪对砂层地质的含水率进行测
定后，针对含水率低于预设含水率阈值的砂层地质区域，注浆前进行的注水操作，确保其含水率满足注浆浆液的良好的扩散；优选的，所述预设含水率阈值为6％；其中，注水后的砂层注水区域的含水率不小于6％。
48.步骤5、在导洞开挖工作面上喷射混凝土，以封闭工作面形成人工止浆墙；具体的，所述人工止浆墙采用c25混凝土喷射而成，厚度为100mm，以避免注浆过程中出现冒浆现象。
49.步骤6、确定并标记超前注浆钻孔的位置；具体的，确定超前注浆钻孔，并采用油漆进行标记。
50.步骤7、在预确定的超前注浆加固范围的上方地表等间距布设若干变形监测点；其中，所述变形监测点，用于监测注浆过程中产生的地表变形；优选的，所述变形监测点位于预确定的超前注浆加固范围的上方地表，所述变形监测点的间距为3m，且将从超前注浆加固范围的平面投影边界外扩1m作为变形监测点的布置边界。
51.步骤8、施钻超前注浆钻孔；具体的，采用手持手风钻施钻所述超前注浆钻孔，钻孔结束后进行清孔处理。
52.步骤9、安装注浆设备；具体的，利用手风钻将超前小导管插入所述超前注浆钻孔内，并在超前小导管的尾部安装止浆阀，用于控制注浆和封堵涌水溃砂；并通过连接接头将超前小导管的后端与注浆管路相连；其中，所述超前小导管为中空的管状结构，所述超前小导管的前端插入所述超前注浆钻孔中；所述超前小导管与水平方向的夹角为22
°
，所述超前小导管的长度为1.8m；所述超前小导管的布设间距特征为：环距
×
纵距＝300
×
500mm；需要说明的是，采用1.8m的短导管进行每一循环注浆后及时完成开挖支护作业，是减少砂层扰动及加强作业过程中砂层固结强度比较好的控制措施，能保证周边环境和掌子面作业人员的安全；其次，通过缩短小导管长度，并加密小导管纵向间距，确保导洞开挖安全可靠。
53.步骤10、对单个超前注浆钻孔内进行注浆；注浆完后，关闭止浆阀，对超前小导管的管口进行封堵，防止浆液外流；对每个超前注浆钻孔注浆结束后进行地表变形监测；其中，注浆材料采用双液注浆材料；优选的，所述双液注浆材料采用磷酸稀释液和水玻璃配制得到，所述双液注浆材料的凝结时间设计为9-11min；当单根钻孔满足以下任一预设结束条件时结束注浆：(1)注浆压力到达预设计的注浆终压时；(2)注浆压力上升缓慢，当注浆量到达预设计的注浆量要求，并确认未发生跑浆或漏浆现象时。
54.步骤11、通过地表的变形监测点采集的变形监测数据分析地表变形情况，根据反馈并调整下一超前注浆钻孔的设计注浆量。
55.步骤12、重复步骤9-11的操作，按照从下到上、由边到中的注浆顺序对当前超前注浆加固循环中的所有超前注浆钻孔注浆操作；其中，满足以下条件时，当前超前注浆加固循环的注浆结束：(1)预设计的注浆钻孔均满足单根钻孔结束标准结束注浆，且无漏注现象时。
56.步骤13、对注浆效果进行检查，并对注浆的薄弱部位，重新补充注浆。
57.步骤14、架设格栅拱架，并焊接超前小导管；具体的，架设格栅拱架时，相邻两榀格栅拱架之间采用纵向连接机构进行纵向连接；其中，所述纵向连接机构包括第一连接单元、纵向连接钢筋及第二连接单元；所述第一连接单元安装在前一榀格栅拱架的主筋上，所述第二连接单元安装在后一榀格栅拱架的主筋上；所述第一连接单元与所述第二连接单元的结构相同，均包括固定垫板和纵向筋固定环；所述固定垫板固定安装在前一榀格栅拱架或
后一榀格栅拱架的主筋上，所述纵向筋固定环垂直固定在所述固定垫板的中心，所述纵向连接钢筋的端部穿插固定在所述纵向筋固定环中；无需现场焊接施工，节省施工时间，降低了因时间过长引起的地表变形及拱顶掉砂等风险。
58.步骤15、按照导洞开挖施工准备结果，开始进行当前循环的导洞开挖施工。
59.施工原理：
60.本发明所述的超前注浆加固方法，通过提前贯穿施工现场的地质情况，利用含水率测试仪对预确定的超前注浆加固范围内的砂层地质进行含水率测定，获得砂层地质的含水率测定结果；针对低于预设含水率阈值的砂层地质区域在超前注浆前进行注水，确保其含水率满足注浆浆液的良好扩散，有效加固湿陷性黄土地区的土层，减小黄土湿陷性的影响，避免出现地表不均匀沉降，降低对砂层地质的扰动。
61.其次，将超前小导管与水平方向的夹角设计为22
°
，长度设计为1.8m，环距与纵距按照300
×
500mm进行设计，以通过缩短小导管长度并加密小导管纵向间距的措施，大大减少对砂层地质的扰动，并能够有效加强注浆加固作业过程中砂层固结强度，确保导洞开挖安全可靠。
62.其次，采用磷酸稀释液和水玻璃配置的双液注浆材料进行超前注浆，能够有效改善砂层地质的加固效果，提高砂层地质的自稳性，加快了现场开挖施工速度，有效缩短了工期，节约成本。
63.另外，采用纵向连接机构对相邻两榀格栅拱架进行纵向连接，连接过程无需现场焊接施工，操作简单，施工效率高，速度快，大大降低了地铁车站拱顶随时间推移产生掉砂的现象。
64.实施例
65.本实施例中，以某湿陷性黄土地区富水砂层洞桩法施工地铁车站的导洞超前注浆加固过程为例；其中，所述导洞拱顶覆土约为9.4-10.2m，地铁车站处于黄土地区的复杂环境中，采用洞桩法施工，车站扣拱暗挖隧道围岩等级为ⅵ级，车站拱顶埋深9.8-10.2m。
66.如附图1-8所示，本实施例提供了一种超前注浆加固方法，包括以下步骤：
67.步骤1、完成导洞开挖施工准备和超前注浆设计；其中，导洞开挖施工准备的结果包括确定导洞开挖段长度、导洞开挖钻孔参数及设备选型；超前注浆设计的结果包括确定注浆压力值、注浆浆液配制、确定超前小导管设计参数及确定超前小导管的布设间距。
68.具体的，导洞开挖的单循环开挖长度为10m；超前注浆的扩散半径不小于0.25m，注浆压力终压值控制在0.3-0.5mpa；注浆材料采用双液注浆材料，所述双液注浆材料采用磷酸稀释液和水玻璃配制得到，所述双液注浆材料的凝结时间为10min。
69.其中，所述双液注浆材料中，磷酸稀释液与水玻璃按照体积比为1:1的比例混合配制得到；所述磷酸稀释液采用原始质量浓度为80％的磷酸与水按照质量比为1:20的比例混合配制得到，所述水玻璃的波美度为20be。
70.所述超前小导管2为中空的管状结构，所述超前小导管2的前端插入所述超前注浆钻孔中，所述超前小导管2的后端用于与注浆管路相连；所述超前小导管2的表面均匀设置有若干注浆孔1，所述止浆阀安装在所述超前小导管的尾部；其中，超前小导管2的规格参数为φ42
×
3.25mm，超前小导管2与水平方向的夹角设计为22
°
，长度设计为1.8m，所述超前小导管的布设间距特征为：环距
×
纵距＝300
×
500mm。
71.步骤2、测量放线，确定超前注浆加固范围，获得预确定的超前注浆加固范围。
72.步骤3、利用含水率测试仪6，对预确定的超前注浆加固范围内的砂层地质进行含水率测定，获得砂层地质的含水率测定结果；具体的，将含水率测试仪6的测量探头插入预确定的超前注浆加固范围内的砂层地质中，对砂层地质含水率进行测定，获得砂层地质的含水率测定结果。
73.步骤4、根据所述砂层地质的含水率测定结果，确定砂层注水区域，并对所述砂层注水区域进行注水；其中，所述砂层注水区域为含水率低于预设含水率阈值的砂层地质区域，所述预设含水率阈值为6％；其中，注水后的砂层注水区域的含水率为不小于6％，以更好的满足浆液的扩散。
74.步骤5、在导洞开挖工作面上喷射c25混凝土，以封闭工作面形成人工止浆墙4；其中，所述人工止浆墙4的厚度为100mm。
75.步骤6、放线测量，在人工止浆墙4上确定出超前注浆钻孔的位置，并采用油漆进行标记。
76.步骤7、在预确定的超前注浆加固范围的上方地表等间距布设若干变形监测点；其中，所述变形监测点，用于监测注浆过程中产生的地表变形；变形监测点的布置区域5位于预确定的超前注浆加固范围的上方地表，变形监测点的布置区域5的布置边界为从超前注浆加固范围的平面投影边界外扩1m；所述变形监测点的间距为3m。
77.步骤8、采用手持手风钻施钻所述超前注浆钻孔，钻孔结束后进行清孔处理。
78.步骤9、利用手风钻将超前小导管2插入所述超前注浆钻孔内，在超前小导管2的尾部安装止浆阀，并通过连接接头将超前小导管2的后端与注浆管路相连。
79.步骤10、对单个超前注浆钻孔内进行注浆；注浆完后，关闭止浆阀，对超前小导管2的管口进行封堵，防止浆液外流；其中，对每个超前注浆钻孔注浆结束后进行地表变形监测。
80.步骤11、通过地表的变形监测点采集的变形监测数据分析地表变形情况，根据反馈并调整下一超前注浆钻孔的设计注浆量。
81.步骤12、重复步骤9-11的操作，按照从下到上、由边到中的注浆顺序对当前超前注浆加固循环中的所有超前注浆钻孔注浆操作；其中，满足以下条件时，当前超前注浆加固循环的注浆结束：(1)预设计的注浆钻孔均满足单根钻孔结束标准结束注浆，且无漏注现象时。
82.步骤13、对注浆效果进行检查，并对注浆的薄弱部位，重新补充注浆；具体的，采用检查孔检查、地球物理探测等手段对掌子面前方砂层注浆加固效果进行注浆效果检查，保证加固区无侧限抗压强度不低于0.8mpa，渗透系数不大于1x10-6
cm/s，并对注浆的薄弱部位，重新补充注浆。
83.步骤14、架设格栅拱架3，并焊接超前小导管；具体的，架设格栅拱架3时，相邻两榀格栅拱架之间采用纵向连接机构进行纵向连接；其中，所述纵向连接机构包括第一连接单元9、纵向连接钢筋10及第二连接单元11；所述第一连接单元9安装在前一榀格栅拱架的主筋7上，所述第二连接单元11安装在后一榀格栅拱架的主筋8上；所述第一连接单元9与所述第二连接单元11的结构相同，均包括固定垫板12和纵向筋固定环13；所述固定垫板12固定安装在前一榀格栅拱架的主筋7或后一榀格栅拱架的主筋8上，所述纵向筋固定环13垂直固
定在所述固定垫板12的中心，所述纵向连接钢筋10的端部穿插固定在所述纵向筋固定环13中；其中，所述纵向筋固定环13采用开口圆环，所述开口圆环的封闭端通过焊接点位15与所述固定垫板12焊接固定连接，所述开口圆环的开口端通过紧固螺栓14进行固定。
84.步骤15、按照导洞开挖施工准备结果，开始进行当前循环的导洞开挖施工；具体的，沿开挖方向进行导洞开挖，掌子面显示双液浆充填效果较好、无扩散不良、拱顶掉渣、拱顶沉降超限现象，掌子面干燥无水，通过上述超前小导管注浆支护保证了隧道开挖安全。
85.本实施例中，采用双液注浆材料作为注浆材料，有效控制拱顶砂层的变形，防止拱顶掉砂，提高了该湿陷性黄土地区土层的强度；在注浆前还采取了现场测定含水率的方法，对含水率的要求应不小于6％，对于不满足含水率要求的砂层进行注水，保证双液注浆材料在砂层中能够达到良好的扩散，有效提高超前小导管注浆加固强度。
86.本实施例中，针对湿陷性黄土地区富水砂层小导管的参数进行实验测定，通过缩短小导管长度，加密小导管间距的手段进行超前支护，有效减弱了砂层扰动，保证了加固效果；利用格栅拱架加固地层时，为改善传统施工工艺焊接时间长，降低因为施工时间长导致的拱顶掉砂，不均匀沉降等风险，相邻两榀格栅拱架采用新型连接方式，在相邻两榀格栅拱架的连接端分别设置纵向连接结构；纵向连接机构中的固定垫板和纵向筋固定环可预先安装在格栅拱架的连接端，格栅拱架连接过程中仅需将纵向连接钢筋固定穿设在纵向筋固定环中，即可实现格栅拱架的连接，提前将固定垫板在工厂预制焊接在主筋上，节省了施工时间。
87.本发明所述的超前注浆加固方法，在地铁车站采用洞桩法进行施工，针对湿陷性黄土地区富水厚砂层采用注浆法进行超前支护，通过试验测试进行浆液配比选定，然后将注浆材料通过超前小导管注入地层中，浆液在地层中扩散能够改善土体物理力学性能，砂层的自稳性得到了大大地提高，达到超前支护的目的，有效控制湿陷性黄土地区拱顶存在富水厚砂层的地铁车站洞桩法施工过程中引起的地表变形，保证小导洞超前支护强度及施工质量；通过现场测定含水率，含水率不达标的土层进行提前注水，以保证超前小导管注浆能够良好的扩散，达到注浆加固效果，确保开挖过程中的安全问题；现场架立格栅拱架采用新型的纵向连接方式，无需现场焊接施工，操作简单，施工效率高，速度快，大大降低了地铁车站拱顶随时间推移产生掉砂的现象。
88.本发明中，用含水率测试仪测定砂层含水率，含水率不足在注浆前进行注水；在隧道内喷射混凝土封闭工作面，制作人工止浆墙；确定钻孔位置，并用油漆进行标记；在注浆加固区范围上方的地表布设监测点，监测点用于监测注浆过程中的地表沉降变形；实施钻孔作业并进行清孔；在注浆前实验测定注浆配合比，采用从下到上，从边到中的顺序进行注浆；注浆结束后，进行地表变形监测，根据监测数据反馈及时调整设计注浆量；浆液凝固后，继续进行钻孔，注浆，监测变形等步骤，直至完成所有注浆孔的注浆工作；注浆效果检查，并对注浆薄弱部位进行补充注浆；架立格栅拱架，并焊接超前小导管，相邻两榀格栅拱架采用新型纵向连接方式，导洞开挖。
89.上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。