CN111733794A - 一种确定基坑岩溶区侧墙安全厚度的方法及注浆装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种确定基坑岩溶区侧墙安全厚度的方法，包括确定基坑侧壁受岩溶区影响的长度m、岩溶区的长度n、基坑侧壁的钢支撑力F₁、空气压力F₂和岩溶区水压力F₃；根据弹塑性理论、能量守恒理论和突变理论，计算岩溶区侧墙轴向位移、势能和安全厚度；本发明还公开一种用于基坑岩溶区的注浆装置，包括：金属网、止水板、注浆管、抽水管和单向连通装置；本发明能够快速消除基坑岩溶区涌水的风险，解决了施工中浆液难以注入、岩溶水倒吸等难题，现了岩溶区域的封堵，节约了工程投资，保障了施工安全。

Description

一种确定基坑岩溶区侧墙安全厚度的方法及注浆装置

技术领域

本发明涉及基坑施工注浆领域，尤其涉及一种确定基坑岩溶区侧墙安全厚度的方法及注浆装置。

背景技术

岩溶区基坑开挖时，岩溶水分布极不均匀且难以探测，基坑开挖时极易出现涌突水事故，若开挖期间未能探明岩溶水分布具体位置及区域，且未对涌水口采取有效防护措施情况下，往往会淹没施工场地、冲毁机具，造成设备和人员事故、延误工期、增加工程投资等问题。

发明内容

本发明提供一种确定基坑岩溶区侧墙安全厚度的方法，以克服上述技术问题。

本发明提供一种确定基坑岩溶区侧墙安全厚度的方法，包括以下步骤：

S1：确定基坑侧壁受岩溶区影响的长度m、所述岩溶区的长度n、基坑侧壁的钢支撑力F₁、空气压力F₂和岩溶区水压力F₃；

S2：根据弹塑性理论，计算岩溶区侧墙轴向位移，即挠度为：

其中，d为岩溶区侧墙的安全厚度；

S3：计算所述岩溶区侧墙的势能，具体公式如下：

W₀＝W₁-W₂ (2)

其中，W₁为防突层变形势能，W₂为外力做功；

S4：计算所述岩溶区侧墙的安全厚度，具体公式如下：

其中，E为岩溶区侧墙的弹性模量，μ为泊松比；

S5：将计算所得的岩溶区基坑侧墙的安全厚度与实际探测结果对比，并确定注浆方式。

本发明还提供一种用于基坑岩溶区的注浆装置，包括：金属网、止水板、注浆管、抽水管和用于导出浆液单向连通装置；

所述金属网覆盖岩溶区出水口；所述止水板的边缘与所述岩溶区出水口的边缘固定连接，所述止水板不完全覆盖所述岩溶区出水口，所述金属网位于所述止水板和所述岩溶区出水口间；

所述抽水管用于将岩溶区内的水抽出，一端穿过所述金属网，另一端置于所述岩溶区内；

所述注浆管侧壁设置有多个内螺纹的第一连接端；

所述单向连通装置端为设置有外螺纹的第二连接端，所述第二连接端与所述第一连接端螺纹副连接，所述单向连通装置用于将浆液导出至所述金属网形成封堵墙。

进一步地，所述单向连通装置包括：外构件、内构件、弹簧和底座；

所述第二连接端设置在所述外构件一端，所述外构件中空，所述外构件与所述底座密封连接；

所述内构件设置于所述外构件内部，所述内构件靠近所述第二连接端的一端与外界连通，所述内构件另一端通过弹簧与所述底座连接；

所述外构件与所述内构件侧壁分别设置有多个第一出浆口和多个第二出浆口；所述内构件在浆液的压力下向所述底座运动同时压缩所述弹簧，所述多个第二出浆口与多个第一出浆口重合，所述浆液流出。

进一步地，还包括：用于将所述单向连通装置固定于所述金属网上的磁铁，所述磁铁与单向连通装置外侧壁固定连接。

进一步地，还包括：用于将岩溶区内的水抽出的抽水管，所述抽水管一端穿过所述，置于所述岩溶区内的。

进一步地，所述内构件外直径与所述外构件内直径相等。

所述外构件另一端设置有外螺纹；所述底座设置有内螺纹，与所述外构件另一端螺纹副连接。

进一步地，所述多个第一出浆口的间距与多个第二出浆口的间距相等。

本发明能够快速消除基坑岩溶区涌水的风险，相对于现有的注浆结构，解决了施工中浆液难以注入、岩溶水倒吸等难题，有效实现了岩溶区域的封堵，施工效果好，并节约了工程投资，保障了施工安全；本发明通过构建岩溶区侧墙安全厚度计算模型，分析各因素与岩溶区侧墙安全厚度间的关系，给出合理的能够预测岩溶区侧墙安全厚度的计算公式，确保能够合理处置岩溶区基坑的涌突水问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例确定岩溶区侧墙厚度的流程图；

图2为本发明实施例基坑与岩溶区的正视图；

图3为本发明实施例基坑与岩溶区的侧视图。

图4为本发明实施例应用在基坑中的示意图；

图5为本发明实施例图4中A的放大图；

图6为本发明实施例图2的透视图；

图7为本发明实施例注浆管和单向连通装置结合的示意图；

图8为本发明实施例注浆管结构示意图；

图9为本发明实施例单向连通装置结构示意图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，针对基坑11中岩溶区7内的水分布极不均匀且难以探测，岩溶区侧墙厚度过薄时极易造成涌突水问题，在施工期间极易出现涌突水事故，往往会淹没施工场地、冲毁机具，造成设备和人员事故、延误工期、增加工程投资等不良影响；本发明通过构建岩溶区侧墙安全厚度计算模型，分析各因素与岩溶区侧墙安全厚度间的关系，给出合理的能够预测岩溶区侧墙安全厚度的计算公式，确保能够合理处置岩溶区基坑的涌突水问题。通过对基坑岩溶区突水失稳破坏的力学分析，可以更全面地掌握含隐伏岩溶区深基坑突水过程的特点，采取有效的处置结构等预防措施，确保基坑的安全开挖。

基坑发生突变失稳的范围主要集中在岩溶区位置，并以承压岩溶区的位置为中心向四周呈放射状破坏，侧壁有明显的破坏面；且随着不同围岩条件、岩溶区尺寸、岩溶区侧墙厚度在岩溶区内压增大的过程中，塑性区由岩溶区位置向侧壁一直呈扩散状发展，塑性区影响范围为外扩的方形。可将岩溶区轮廓截面简化为方形，进一步分析该现象的突变机制，建立如图1-图3所示的力学模型。

本发明提供一种确定岩溶区侧墙安全厚度的方法，包括以下步骤：

岩溶区侧墙是由无数个厚度均匀的薄立方体组成棱台体，确定基坑侧壁受岩溶区影响的长度m、所述岩溶区的长度n、基坑侧壁的钢支撑力F₁、空气压力F₂和岩溶区水压力F₃；则基坑侧的岩溶区侧墙受压力为F＝F₁+F₂-F₃，岩溶区侧墙为弹塑性介质，根据弹塑性理论，岩溶区侧墙轴向位移，即挠度为：

其中，d为岩溶区侧墙的安全厚度；

其边界条件为：

由(1)、(2)得：

其中E为岩溶区侧墙的弹性模量，c为岩溶区侧墙切片厚度，μ为泊松比，由于，抗弯刚度

则，

利用能量守恒理论，计算所述岩溶区侧墙的势能，公式如下：

W₀＝W₁-W₂ (5)

其中，W₁为岩溶区侧墙变形势能，为弯曲变形势能W₁₁与中间应变势能W₁₂之和，即

W₁＝W₁₁+W₁₂ (6)

W₂为外力做功，包含径向位移做功W₂₁和轴向外移做功W₂₂；

将(9)、(12)带入(5)

令w＝a₃w³+a₂w²+a₁w (14)

其中，a₁、a₂、a₃为中间变量；

再令x＝w-y，则：

w＝x+y (16)

其中，x、y为中间变量

将(16)带入(14)，写成矩阵形式得：

则符合尖点突变模型；

根据突变理论，系统的平衡方程为：

由此，可求得岩溶区侧墙发生突水的安全厚度为：

由式(19)可知，岩溶区侧墙的安全厚度受岩溶区侧墙的弹性模量即隔水岩层的弹性模量、泊松比、岩溶水压、钢支撑轴力、空气压力、基坑尺寸大小及岩溶区尺寸大小的影响，基坑周围溶区侧墙弹性模量越大，最小安全厚度越小，即围岩较硬时，突水不易发生。基坑开挖范围及岩溶区尺寸越大，则基坑最小安全厚度越大。

根据以上分析，所述步骤S5进一步为：可以通过实际地质勘测条件并通过计算得出相应的安全厚度，并与探测的厚度进行比较，当安全厚度大于当前探测厚度时，采取下述的用于基坑岩溶区的注浆装置进行注浆预防。

本发明还提供一种用于基坑岩溶区的注浆装置，如图4-6所述，包括：金属网3、止水板4、注浆管1和单向连通装置5；所述金属网3覆盖岩溶区 7的出水口7.1；用不锈钢材质的止水板4的边缘与所述岩溶区7的出水口 7.1的边缘通过螺栓8固定连接，所述止水板4不完全覆盖所述岩溶区7的出水口7.1，为防止岩溶区的水流出，使止水板的顶边与岩溶区的顶部留有空隙，使注浆管1和单向连通装置5伸入岩溶区内，所述金属网3位于所述止水板4和所述岩溶区7的出水口7.1间，通过止水板4的挤压将金属网3 固定在岩溶区7的出水口7.1；

如图8所示，所述注浆管1一端开口用于向内部注入浆液，所述注浆管 1侧壁设置有多个内螺纹的第一连接端1-1；

如图9所示，所述单向连通装置5一端为设置有外螺纹的第二连接端5-1，所述第二连接端5-1与所述第一连接端1-1螺纹副连接，所述单向连通装置5 用于将浆液导出至所述金属网3形成封堵墙。

进一步地，所述单向连通装置5包括：外构件5-2、内构件5-3、弹簧5-4 和底座5-5；所述第二连接端5-1设置在所述外构件5-2一端，所述外构件5-2 中空，所述外构件5-2另一端设置有外螺纹；所述底座5-5设置有内螺纹，与所述外构件5-2另一端螺纹副连接，使所述外构件5-2密闭，同时可进行拆卸，对单向连通装置5内部进行维修或更换弹簧5-4；所述内构件5-3设置于所述外构件5-2内部，所述内构件5-3靠近所述第二连接端5-1的一端与外界连通，所述内构件5-3另一端通过弹簧5-4与所述底座5-5连接；所述外构件5-2与所述内构件5-3侧壁分别设置有多个第一出浆口5-2-1和多个第二出浆口 5-3-1；所述内构件5-3在浆液的压力下向所述底座5-5运动同时压缩所述弹簧5-4，多个第二出浆口5-3-1与多个第一出浆口5-2-1重合，使所述浆液流出。

进一步地，还包括：用于将岩溶区内的水抽出的抽水管2，所述抽水管2 一端穿过所述3，置于所述岩溶区内的。

具体而言，如图7所示，所述外构件5-2和所述内构件5-3均为不锈钢材质的圆柱形桶状结构，向所述注浆管1注入浆液，同时通过抽水管2将岩溶区内的水抽出，以免影响浆液挂在金属网3上，浆液从注浆管1侧壁的六个第一连接端1-1分别流入六个单向连通装置5，单向连通装置5中的内构件 5-3受到浆液的压力后，对弹簧5-4进行挤压，进而使两个第二出浆口5-3-1 和两个第一出浆口5-2-1重合，所述浆液从第一出浆口5-2-1流出，并在金属网3附近快速凝固，为了使所述单向连通装置5能够在固定位置持续注浆，在外构件5-2的外壁上固定有磁铁9，所述磁铁9为强力磁铁，使单向连通装置5能够吸附在金属网3上；当金属网3的一个区域挂上浆液后，停止注浆，此时所述内构件5-3受弹簧5-4的挤压复位；将注浆管3和单向连通装置5 更换在金属网3上的位置，仅需进行注浆，直至整个金属网3及其临近区域充满浆液，并不断快速凝固形成封堵岩溶区7的出水口7.1的封堵墙；因整个装置的最大宽度大于金属网3的最大宽度，将装置放入岩溶区时，可将金属网拆破，在将装置放入，最后金属网3剩余未注浆区域较小并将其他破损区域用金属丝连接修复，并将其中五个单向连通装置5拆除，只保留一个单向连通装置5进行注浆，此时单个单向连通装置5可从网格中取出。

进一步地，为了防止浆液从所述内构件5-3和所述外构件5-2间形成的缝隙中流出，对装置造成损坏，所述内构件5-3外直径与所述外构件5-2内直径相等。

进一步地，便于多个第一出浆口5-2-1能够使浆液同时流出，提高注浆效率，所述多个第一出浆口5-2-1的间距与多个第二出浆口5-3-1的间距相等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种确定岩溶区侧墙安全厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定基坑侧壁受岩溶区影响的长度m、所述岩溶区的长度n、基坑侧壁的钢支撑力F₁、空气压力F₂和岩溶区水压力F₃；

S2：根据弹塑性理论，计算岩溶区侧墙轴向位移，即挠度为：

其中，d为岩溶区侧墙的安全厚度；

S3：计算所述岩溶区侧墙的势能，具体公式如下：

W₀＝W₁-W₂ (2)

其中，W₁为防突层变形势能，W₂为外力做功；

S4：计算所述岩溶区侧墙的安全厚度，具体公式如下：

其中，E为岩溶区侧墙的弹性模量，μ为泊松比；

S5：将计算所得的岩溶区基坑侧墙的安全厚度与实际探测结果对比，并确定注浆方式。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述S2中所述挠度的边界条件为：

3.一种用于基坑岩溶区的注浆装置，其特征在于，包括：金属网(3)、止水板(4)、注浆管(1)、抽水管(2)和用于导出浆液的单向连通装置(5)；

所述金属网(3)覆盖岩溶区(7)的出水口(7.1)；所述止水板(4)的边缘与所述岩溶区(7)的出水口(7.1)的边缘固定连接，所述止水板(4)不完全覆盖所述岩溶区(7)的出水口(7.1)，所述金属网(3)位于所述止水板(4)和所述岩溶区(7)的出水口(7.1)间；

所述抽水管(2)用于将岩溶区内的水抽出，所述抽水管(2)穿过所述金属网(3)，并置于所述岩溶区内；

所述注浆管(1)侧壁设置有多个第一连接端(1-1)；

所述单向连通装置(5)一端为第二连接端(5-1)，所述第二连接端(5-1)与所述第一连接端(1-1)螺纹副连接，所述单向连通装置(5)用于将浆液导出至所述金属网(3)形成封堵所述岩溶区(7)的出水口(7.1)的封堵墙。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述单向连通装置(5)包括：外构件(5-2)、内构件(5-3)、弹簧(5-4)和底座(5-5)；

所述第二连接端(5-1)设置在所述外构件(5-2)一端，所述外构件(5-2)中空，所述外构件(5-2)与所述底座(5-5)密封连接；

所述内构件(5-3)设置于所述外构件(5-2)内部，所述内构件(5-3)靠近所述第二连接端(5-1)的一端与外界连通，所述内构件(5-3)另一端通过弹簧(5-4)与所述底座(5-5)连接；

所述外构件(5-2)与所述内构件(5-3)侧壁分别设置有多个第一出浆口(5-2-1)和多个第二出浆口(5-3-1)；所述内构件(5-3)在浆液的压力下向所述底座(5-5)运动同时压缩所述弹簧(5-4)，所述多个第二出浆口(5-3-1)和多个第一出浆口(5-2-1)重合，使所述浆液流出。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括：用于将所述单向连通装置(5)固定于所述金属网(3)上的磁铁(9)，所述磁铁(9)与单向连通装置(5)外侧壁固定连接。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述内构件(5-3)外直径与所述外构件(5-2)内直径相等。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述外构件(5-2)另一端设置有外螺纹；所述底座(5-5)设置有内螺纹，与所述外构件(5-2)另一端螺纹副连接。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述多个第一出浆口(5-2-1)的间距与多个第二出浆口(5-3-1)的间距相等。

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