本發(fā)明涉及一種可監(jiān)測地應(yīng)力的分類分段注漿裝置及其使用方法，屬于巷(隧)道及地鐵地下工程注漿及地應(yīng)力測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、注漿加固是一項(xiàng)巖土工程改性技術(shù)，其主要原理是將某些能固化的漿液注入地下工程中的巷道、隧道、隧洞等裂隙中，通過置換、充填、擠壓等方式以改善其物理力學(xué)性質(zhì)的方法，形成具有一定強(qiáng)度和防滲作用的注漿結(jié)石體，從而增強(qiáng)軟弱破碎圍巖體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，達(dá)到加固和防滲的目的。這種加固方法在礦井、地鐵、隧道和水利工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其施工方便、時(shí)間短、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)對于提高地下工程的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。

2、目前針對軟弱圍巖的加固主要采用袖閥管注漿和注漿管注漿的方法，雖然能夠達(dá)到一定的加固效果，但也存在一些缺陷。首先，在實(shí)際工程中常根據(jù)裂隙的大小選擇注漿材料類型，但不同圍巖區(qū)域的裂隙大小不同，只采用單一注漿材料將會導(dǎo)致注漿效果不明顯，導(dǎo)致注漿區(qū)域擴(kuò)大、注漿材料浪費(fèi)和施工成本增加，甚至產(chǎn)生安全事故，因此需要采用分類注漿；其次，對于近端破碎、遠(yuǎn)端堅(jiān)硬的圍巖情況，只采用滲透注漿則遠(yuǎn)端堅(jiān)硬巖石難以滲透，導(dǎo)致漿液阻滯；只采用劈裂注漿則近端巖體破碎情況可能加劇，增加安全隱患，施工成本增加，因此需要采用分段注漿的方法；第三，現(xiàn)階段漿液在室外預(yù)先攪拌后再注入，但過早的混合會降低漿液的流動性，影響加固效果，因此需要邊攪拌邊注漿使用；最后，目前注漿和地應(yīng)力監(jiān)測無法同時(shí)進(jìn)行，此方面的儀器較少，因此需要進(jìn)一步創(chuàng)新以解決這一問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、技術(shù)問題：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種可監(jiān)測地應(yīng)力的分類分段注漿裝置及其使用方法能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)分類注漿、分段注漿和監(jiān)測功能，以對不同破碎程度的圍巖進(jìn)行加固。該裝置應(yīng)具備現(xiàn)場即時(shí)混合漿液的能力，以確保其良好的流動性，并且能夠簡化工序，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和注漿同時(shí)進(jìn)行；這種裝置將集成分類注漿、分段注漿、監(jiān)測和即時(shí)混合功能于一體，以解決目前地下工程中的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)“攪拌—注漿—地壓監(jiān)測”一體化作業(yè)流程。

2、技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明公開的一種可監(jiān)測地應(yīng)力的分類分段注漿裝置，包括分為三個(gè)獨(dú)立腔室的套筒，套筒內(nèi)設(shè)有通過移動可以在套筒內(nèi)三個(gè)獨(dú)立腔室中分別注入不同漿液的分類注漿控制器；其中套筒內(nèi)的三個(gè)獨(dú)立腔室從右至左分別為劈裂注漿段、水壓致裂段和滲透注漿段，劈裂注漿段端部封閉，側(cè)壁上間隔設(shè)有多個(gè)劈裂注漿孔，水壓致裂段的側(cè)壁上設(shè)有劈裂出水孔，滲透注漿段側(cè)壁設(shè)有滲透注漿孔；利用滲透注漿段對靠近鉆孔孔口的近端破碎圍巖進(jìn)行滲透注漿，利用水壓致裂段進(jìn)行地應(yīng)力監(jiān)測，利用劈裂注漿段對遠(yuǎn)端圍巖進(jìn)行劈裂注漿；

3、其中，分類注漿控制器為插入套筒內(nèi)的伸縮桿結(jié)構(gòu)，分類注漿控制器的端部設(shè)有分段注漿控制器，根據(jù)分類注漿控制器推入套筒的深度，從而控制分段注漿控制器分別向三個(gè)獨(dú)立腔室中注漿，從而實(shí)現(xiàn)劈裂注漿和水壓致裂注漿的分段控制；分類注漿控制器尾部設(shè)有多個(gè)注漿管接口和注漿管路選擇器；

4、中套筒內(nèi)測分別在水壓致裂段的前后兩端設(shè)有與分類注漿控制器匹配的止?jié){器，從而防止?jié)B透注漿段、水壓致裂段和劈裂注漿段內(nèi)注入的漿液相互流竄；

5、分類注漿控制器尾部的多個(gè)注漿管接口通過管路連接有制漿裝置，制漿裝置包括多個(gè)獨(dú)立的注漿池和多個(gè)攪拌池，每個(gè)注漿池均設(shè)有水泵，水泵連接有控制臺，控制臺根據(jù)需要控制不同注漿池內(nèi)裝填的漿液被水泵抽出并通過輸漿管輸入一個(gè)攪拌池內(nèi)攪拌形成混合漿液，攪拌池內(nèi)設(shè)有通過攪拌裝置連接的攪拌葉，攪拌池測設(shè)有出漿口，其中每種混合漿液使用不同的攪拌池，不同攪拌池內(nèi)經(jīng)過攪拌后的漿液通過高低壓注漿泵抽取后通過不同的管路分別與管路分類注漿控制器尾部的注漿管接口連接；

6、內(nèi)裝填的漿液根據(jù)控制臺的需要控制水泵抽出并通過輸漿管輸入進(jìn)入攪拌池，攪拌池內(nèi)設(shè)有通過攪拌裝置連接的攪拌葉，攪拌池測設(shè)有出漿口，攪拌池內(nèi)經(jīng)過攪拌后的漿液通過高低壓注漿泵抽取后通過管路分類注漿控制器尾部的通過注漿管接口管路連接。

7、進(jìn)一步，分類注漿控制器包括前后兩部分，前部分為中空桿狀結(jié)構(gòu)的漿液輸送管路，漿液輸送管路的端部設(shè)有管路出漿口，管路出漿口控制不同的漿液分別在滲透注漿段、水壓致裂段或劈裂注漿段位置流出；后部分包括設(shè)置在漿液輸送管路尾部的旋轉(zhuǎn)選擇器，旋轉(zhuǎn)選擇器包括圓形的選擇器外殼，選擇器外殼的圓面上設(shè)有多個(gè)灌漿口，灌漿口與注漿管接口連接，選擇器外殼的圓面中心設(shè)有轉(zhuǎn)軸連接口，注漿管路選擇器通過穿過轉(zhuǎn)軸連接口的轉(zhuǎn)軸與外殼圓面內(nèi)側(cè)的閉路轉(zhuǎn)盤連接，通過旋轉(zhuǎn)注漿管路選擇器從而帶動閉路轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，閉路轉(zhuǎn)盤上僅設(shè)有一個(gè)漿液通孔，當(dāng)閉路轉(zhuǎn)盤的漿液通孔旋轉(zhuǎn)至任意灌漿口后從而使該灌漿口通過注漿管接口連接的管路導(dǎo)通，此時(shí)其余灌漿口均封閉。

8、進(jìn)一步，套筒為劈裂注漿段、水壓致裂段和滲透注漿段通過螺紋首尾相連構(gòu)成。

9、進(jìn)一步，水壓致裂段為中間通孔的雙封堵隔斷結(jié)構(gòu)，水壓致裂段包括設(shè)置有劈裂出水孔的中間段，中間段的前后兩端上分別設(shè)有上封隔器和下封隔器，其中上封隔器和下封隔器的外徑與鉆孔匹配，中間段外徑小于鉆孔，從而使劈裂出水口出的漿液被上封隔器和下封隔器限制在鉆孔的位置中不會竄流。

10、進(jìn)一步，劈裂注漿段包括劈裂注漿管，劈裂注漿管上間隔設(shè)置有多個(gè)劈裂注漿孔；滲透注漿段為實(shí)現(xiàn)滲透注漿功能的滲透注漿管。

11、一種可監(jiān)測地應(yīng)力的分類分段注漿裝置的使用方法，其步驟如下：

12、在圍巖選定位置鉆孔，將滲透注漿管、上封隔器、劈裂出水口、下封隔器、劈裂注漿管通過螺紋依照次序組裝形成套筒，將組裝好的套筒置放入鉆孔中。

13、將制漿裝置的出漿口分別與分類注漿控制器的灌漿口通過管路連接；

14、將水、水泥砂漿、超細(xì)水泥砂漿、水玻璃液漿分別倒入不同的注漿池中，在電控臺中選擇超細(xì)水泥砂漿和水玻璃液漿，控制水泵啟動相應(yīng)漿液水閥通過輸漿管放入攪拌池，使用電控臺啟動攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)動攪拌葉，防止?jié){液在注漿池留滯過久產(chǎn)生沉淀，同時(shí)使超細(xì)水泥與水玻璃液漿充分融合，形成超細(xì)水泥—水玻璃雙液漿，質(zhì)量配比為1：1，攪拌后調(diào)節(jié)高低壓注漿泵，低壓抽取漿液注入控制輸送段，準(zhǔn)備供應(yīng)超細(xì)水泥—水玻璃雙液漿進(jìn)行滲透注漿；推動分類注漿控制器，將管路出漿口對齊至滲透注漿段位置，通過旋轉(zhuǎn)控制注漿管路選擇器連接的轉(zhuǎn)軸將漿液通孔與灌漿口對齊，打開出漿口，此時(shí)漿液開始通過輸漿管向漿液輸送管路流動并從管路出漿口向滲透注漿段輸送超細(xì)水泥砂漿，超細(xì)水泥砂漿開始向周圍破碎巖體滲透，形成滲透注漿體，達(dá)到強(qiáng)化巖體效果；

15、控制存有水的注漿池向另一個(gè)攪拌池中放水，推動分類注漿控制器，將管路出漿口對齊至水壓致裂段位置，通過旋轉(zhuǎn)控制注漿管路選擇器連接的轉(zhuǎn)軸將漿液通孔轉(zhuǎn)換至與存有水的攪拌池的灌漿口對齊，控制水泵啟動將水通過輸漿管從管路出漿口向水壓致裂段輸送水，水壓從0開始提升，電控臺實(shí)時(shí)監(jiān)測注水壓力，此時(shí)管路出漿口對準(zhǔn)欲水壓致裂的位置，上封隔器和下封隔器防止水向鉆孔中其他方向的流動，此時(shí)利用電控臺監(jiān)測注水水壓，繪制壓力-時(shí)間曲線；當(dāng)水壓超過巖石抗拉強(qiáng)度和三倍原巖應(yīng)力之和時(shí)，孔壁將發(fā)生開裂，電控臺中水壓力發(fā)生較大波動，此時(shí)記錄孔壁初始開裂時(shí)水壓值p；繼續(xù)增加水壓，當(dāng)裂隙深度達(dá)到三倍鉆孔直徑時(shí)，電控臺中水壓力將會發(fā)生第二次大波動，此時(shí)到達(dá)原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止增加水壓，保持壓力恒定，記錄壓力值為p1，此時(shí)p1為水平方向應(yīng)力，再計(jì)算出垂直應(yīng)力，完成測量工作，此時(shí)在鉆孔內(nèi)形成水壓裂縫；

16、在電控臺中選擇普通水泥和水玻璃液漿，按照質(zhì)量配比為1：1，控制水泵打開相應(yīng)水閥，通過輸漿管將注漿池內(nèi)的普通水泥和水玻璃液漿放入第三個(gè)攪拌池，使用電控臺啟動攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)動攪拌葉，使水泥與水玻璃液漿充分融合，形成水泥—水玻璃雙液漿；推動分類注漿控制器將管路出漿口對齊至劈裂注漿段，調(diào)整旋轉(zhuǎn)控制注漿管路選擇器連接的轉(zhuǎn)軸使?jié){液通孔與調(diào)配有水泥—水玻璃雙液漿的攪拌池的灌漿口對齊導(dǎo)通，調(diào)節(jié)高低壓注漿泵，通過高壓從管路出漿口向劈裂注漿段輸送水泥—水玻璃雙液漿，高壓漿液在被注入地層后，會擴(kuò)展并填充裂縫，產(chǎn)生劈裂效果，形成劈裂注漿體，增加地層的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，在進(jìn)行高壓注漿操作時(shí)，控制注漿壓力和注漿速度，電控臺實(shí)時(shí)顯示注漿壓力，根據(jù)注漿壓力情況，可以對注漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以確保達(dá)到預(yù)期的劈裂效果。

17、進(jìn)一步，所述水壓致裂垂直應(yīng)力σ1計(jì)算公式為：

18、σ1＝3σ2-p+t-p0

19、其中σ2為水平地應(yīng)力；p為初次開裂時(shí)的水壓力；t為巖石抗拉強(qiáng)度；p0為裂隙水壓力。

20、進(jìn)一步，所述超細(xì)水泥—水玻璃雙液漿滲透注漿的壓力計(jì)算公式為：

21、

22、其中pe為容許注漿壓力；p1為地下水壓力；λ為沿程阻力；γ1為漿液重度；l為注漿管長；v為漿液流速；d為注漿管直徑；c為容差。

23、進(jìn)一步，所述水泥—水玻璃雙液漿劈裂注漿的壓力計(jì)算公式為：

24、

25、其中pmin為最小注漿壓力；h為地面至注漿段深度；γ為天然重度；σt為巖石抗拉強(qiáng)度。

26、有益效果：由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明兼具有分類注漿的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了分段注漿和地應(yīng)力監(jiān)測同時(shí)進(jìn)行的功能。通過制漿裝置，實(shí)現(xiàn)了漿液的即時(shí)混合使用的要求；通過閉路轉(zhuǎn)盤控制漿液按類進(jìn)入注漿裝置；通過移動漿液輸送管路，實(shí)現(xiàn)分段注漿的功能；通過水壓致裂段，實(shí)現(xiàn)了注漿的同時(shí)對地應(yīng)力進(jìn)行檢測。所述注漿裝置集多種功能于一身，解決了注漿監(jiān)測一體化的問題，提出了分類分段注漿的新方法。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)精確，功能穩(wěn)定，可即時(shí)混合漿液，以確保良好的流動性，并且能夠簡化工序，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和注漿同時(shí)進(jìn)行。

27、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)現(xiàn)有分段注漿目的是確保注漿過程不會導(dǎo)致塌孔，由內(nèi)而外的注漿，而不是對不同巖質(zhì)進(jìn)行分漿液種類進(jìn)行不同段的灌漿；通過多種漿液池的形式，不僅可以實(shí)現(xiàn)多種類漿液的灌注能力，在中間段亦可以通過封隔器實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力的監(jiān)測能力；將地應(yīng)力測量、不同種類的漿液高低壓灌注、漿液即時(shí)攪拌三個(gè)地下工程所需要的工程情況合理結(jié)合在一起，且結(jié)構(gòu)簡單具有很高的可行性。實(shí)現(xiàn)了“攪拌-注漿-地壓監(jiān)測”一體化的功能