适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管的制作方法

1.本实用新型属于隧道施工领域，尤其涉及一种注浆管。


背景技术：

2.在隧道施工中遇到涌水是很常见的，工程界一般均采用引、排水的方法或者是带水作业的方法继续施工，一般不会影响隧道的开挖进程。以往的隧道开挖作业，大多在地质结构不是十分复杂的地区开展，从国际、国内的隧道开挖历史记录来看，也还没有遇到超过80摄氏度的超高温涌水的记录，工程界对此情况的研究极少。
3.川藏铁路是连接我国西南重镇四川省省会成都和西藏自治区首府拉萨的一条重要铁路干线。铁路沿线要通穿越横断山脉，沿途通过多条断裂带，地质结构十分复杂。川藏铁路需要建设大量的超长隧道，有些隧道要穿越地热异常带，不可避免地会在隧道施工中遇到高温、超高温岩石裂隙水涌出的问题。这些高温水的涌出，将迅速恶化隧道内的施工环境，快速升高隧道内的温度和湿度，会给施工造成严重的困难。
4.面对超高温热水的热害，施工单位采用了目前能够使用的各种超前探测方法，力图在隧道掌子面前方一定的距离，探测到高温水的存在，并用打超前探孔的方法证实高温水的存在。探测到高温水之后，一般主要采用引排的方法，辅之以堵水的技术措施，具有较好的治水效果。可面对隧道施工中不知源头的超高温岩石裂隙涌水，排水的效果有限，并且这些超高温热水在排出的过程中向周围的散热，会大大提高隧道里的温度。因此，将这些高温、超高温热水通过超前注浆的方法将其逼退，并封闭在我们隧道开挖的范围之外，成为了施工过程中的不二选择。
5.传统的注浆方法其流量较小，压力也较低，其安装注浆管的方法已经不能够适用高温流动水的高压、大流量的需要。在实际的高温和超高温流动水的顶水注浆的施工过程中，通常采用的注浆管的安装方法为在注浆管外部缠绕麻绳并在麻绳上涂抹水泥浆的方法，用外力强行压入注浆孔。这种方法安装的注浆管无法承受高压注浆的反压，常常造成浆体从管缝冲出甚至整个注浆管被高压冲出的事故，后果极其危险。
6.因此，开发出一种能够适应高温、超高温流动水的高压、大流量顶水注浆情形的、便于安装的、安装以后就可以使用的耐高压的注浆管及注浆工艺在现实施工中就显得十分必要。


技术实现要素：

7.本实用新型所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种便于安装、与注浆孔结合强度高、管缝密封性能好的适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管。为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：
8.一种适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管，包括注浆管本体，所述注浆管本体的浆料输出端处设有膨胀套、锥台套以及内端受力梁，所述注浆管本体的浆料输入端设有外端受力梁；所述膨胀套的内腔呈用于所述锥台套进入的锥台状(使膨胀套的内腔形
状与锥台套外形匹配，但小于锥台套的外形)，所述内端受力梁和外端受力梁之间还设有用于使所述锥台套与所述膨胀套相对移动，使所述膨胀套被胀开并胀紧贴于注浆孔内壁的张拉组件。上述锥台套为内部中空的结构，便于后续注浆，锥台套可为圆锥台状。
9.上述预应力注浆管中，优选的，所述膨胀套设于所述锥台套与注浆管本体之间，所述膨胀套的内腔的大头端远离所述注浆管本体，所述锥台套的小头端靠近所述膨胀套的内腔的大头端。上述设置即保证膨胀套卡设于锥台套与注浆管本体之间，当锥台套受张拉组件的张拉力时，锥台套的小头端从膨胀套的内腔大头端进入，将膨胀套胀开，实现注浆管与注浆孔的高强度结合。
10.上述预应力注浆管中，优选的，所述张拉组件包括张拉螺杆与张拉螺母，所述张拉螺杆的一端与所述内端受力梁固接，另一端设有螺纹并延伸至所述外端受力梁处，所述张拉螺母设于所述张拉螺杆具有螺纹的一端，并与所述外端受力梁相配合以实现所述锥台套与所述膨胀套的相对移动。
11.上述预应力注浆管中，优选的，所述内端受力梁固设于所述锥台套的大头端，且所述张拉螺杆与所述内端受力梁固接处位于所述锥台套的大头端的中心位置；所述外端受力梁固设于所述注浆管本体内，且所述张拉螺杆与所述外端受力梁连接处位于所述注浆管本体内腔的中心位置。上述张拉螺杆的安装方式位于注浆管本体以及锥台套的中心，可以尽量减少对后续注浆过程的影响。
12.在锥台套的大头端安装有内端受力梁，该连接梁通过张拉螺杆与注浆管本体的法兰一端的外端受力梁连接，通过张拉螺母的调节可以调整两个受力梁之间的距离，从而使中空的锥台套深入膨胀套中间产生膨胀作用，从而紧压注浆孔岩壁产生紧固结合作用，提高注浆管的安装强度。
13.上述预应力注浆管中，优选的，所述膨胀套未胀开时外形呈管状，所述膨胀套包括多片外表面呈锯齿状的膨胀齿片，多片所述膨胀齿片围成的内腔为一体积小于所述锥台套的锥台形内腔。采用多片膨胀齿片，更加有利于膨胀套与注浆孔内壁的紧固结合，锯齿朝向可设置成不利于注浆管本体冲出的朝向。上述膨胀套可先加工外表面的锯齿，再等分成多个膨胀齿片，多个膨胀齿片可以组合成一圆管状，通过弹性密封环和环形片预固定连接。
14.上述预应力注浆管中，优选的，所述膨胀套在靠近所述注浆管本体的一端上套设有可随着所述膨胀套胀开而胀开贴紧注浆孔内壁的第一弹性密封环。
15.上述预应力注浆管中，优选的，所述注浆管本体靠近所述膨胀套的一端设有端头密封板，所述膨胀套在靠近所述端头密封板处设有可随着所述膨胀套胀开而胀开贴紧注浆孔内壁、且可与所述端头密封板挤压紧密接触的第二弹性密封环，所述第二弹性密封环部分套设于所述膨胀套的端部。上述端头密封板为一圆环状，且圆环内圈与外圈之间的距离相比于注浆管本体的壁厚更大，便于与第二弹性密封环的挤压固接。
16.膨胀套端部安装有第一、第二弹性密封环，随着膨胀套的膨胀而涨开，紧贴岩壁起到第一道密封作用，且第一、第二弹性密封环还可以起到预固定膨胀齿片的作用。第二弹性密封环部分套设于膨胀套的端部，有利于第二弹性密封环与端头密封板挤压实现锥形套、膨胀套与注浆管本体的紧密连接。上述第一、第二弹性密封环可采用橡胶圈。
17.上述预应力注浆管中，优选的，所述注浆管本体的浆料输入端外壁上还固设有止浆钢盘，所述止浆钢盘靠近注浆孔，且所述止浆钢盘与注浆孔处岩壁之间设有第三弹性密
封环。在注浆管本体上焊装有止浆钢盘，与前端的锥台套、膨胀套组成的涨合头、两个受力梁以及张拉螺杆、张拉螺母一同构成对岩壁的预应力紧固结构。在注浆管本体的止浆钢盘靠岩壁处安装了一个第三弹性密封环，随着张拉螺母的锁紧，止浆钢盘与岩壁间产生巨大的压力，从而将第三弹性密封环紧紧压在岩壁上，起到进一步防止高压下注浆浆体从注浆管缝冲出的抗高压密封作用。上述第三弹性密封环可采用橡胶圈。
18.上述预应力注浆管中，优选的，所述膨胀套上还套设有用于保证所述膨胀套安装时不意外胀开的环形片。为使安装该注浆管本体时推送注浆管本体的外力不使锥台套深入膨胀套中，造成膨胀套意外膨胀，使得安装困难，在膨胀套上还设置有环形片。该环形片可为一次性产品，如采用环形塑料片。
19.本实用新型还提供一种采用上述的预应力注浆管的注浆工艺，包括以下步骤：
20.s1：利用所述张拉组件将所述注浆管本体、膨胀套和锥台套预组装成一整体，使所述膨胀套保持不胀开的状态，并将预组装得到的整体装设进入注浆孔中；
21.s2：张拉所述张拉组件，使所述锥台套与膨胀套的相对移动，所述锥台套进入膨胀套中使膨胀套胀开，膨胀套胀紧贴于注浆孔内壁，完成预应力注浆管的安装；
22.s3：通过注浆管本体的浆料输入端输入浆料，即完成注浆。
23.本实用新型的适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管，该结构的注浆管本体的直径可位于50毫米-150毫米之间，视注浆孔的直径而选定，长度视注浆孔中岩石的状况选定，一般可在70毫米-2000毫米之间。
24.针对高压、大流量注浆新工艺的要求，注浆管安装以后必须要能够承受极高的注浆瞬时反压，这种反压能够达到10个兆帕以上。本实用新型针对隧道高温、超高温高压涌水顶水封堵需求，设计一种涨合式带双重密封抗高压预应力注浆管。其基本结构设计及作用分析如下：
25.1)带膨胀密封功能的膨胀套和锥台套构成的涨合头：这个涨合头由锥台套和膨胀套以及弹性密封环组成。在外加拉力的作用下，锥台套深入膨胀套中间，膨胀套被胀开，对岩壁产生巨大的压力；随着膨胀套的胀开，安装在其上的第一弹性密封环随即胀开，起到阻断浆液的作用；安装在其上的第二弹性密封环，除了与第一弹性密封环作用一样外，还与焊装在注浆管本体端部的端头密封板形成挤压作用，变形后直径扩大的第二弹性密封环与岩壁密贴，进一步强化了止浆的密封效果。
26.2)预应力张拉组件和端头双重密封：安装于锥台套大头端和注浆管本体的浆料入口端的张拉梁(内端受力梁和外端受力梁)通过正中间的张拉螺杆和张拉螺母以及注浆管本体上焊装的止浆钢盘构成注浆管的预应力张拉结构。通过转动靠外端受力梁上的张拉螺母，锥台套受到张拉力的作用，深入膨胀套中，膨胀套胀开，与岩壁形成结合力；膨胀套胀紧后，张拉螺母继续转动，使注浆管本体上焊装的止浆盘压迫岩壁以及第三弹性密封环，在注浆管上形成预应力，进一步起到双重密封的效果。
27.3)初始状态保持装置：在安装注浆管本体时，为防止进入时锥台套在外力作用下深入膨胀套中，造成安装困难，本实用新型在膨胀套上设置了第一、二弹性密封环以及环形塑料片。这个结构可以有效防止安装注浆管时膨胀套的意外胀开。
28.通过上述结构设计，本实用新型的适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管，可适用于隧道施工高温、超高温、高压、涌水环境下使用，这种注浆管结构简单、使用方便，
具有在高压涌水环境中便于安装，安装强度高，管缝密封性能好的特点，解决了隧道高温超高温涌水治理中注浆管安装和管缝密封与注浆压力不相匹配而造成注浆时瞬时压力过高超过安装和密封强度而造成注浆失败的问题。且通过膨胀套上附属结构的设计，也可保证注浆管在初始安装时不会意外膨胀，安装更加方便。
29.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
30.1、本实用新型的适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管，通过设置膨胀套、锥台套、内端受力梁和外端受力梁，在张拉组件的作用下，锥台套与膨胀套相对移动，使膨胀套胀开并胀紧贴于注浆孔内壁，具有在高压涌水环境中便于安装，安装强度高的特点，解决了隧道高压涌水治理中注浆管安装与注浆压力不相匹配而造成注浆时瞬时压力过高而造成注浆失败的问题。
31.2、采用本实用新型的适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管的注浆工艺，施工简单方便，能够适应高温、超高温流动水的高压、大流量顶水注浆情形的需要，对于特殊施工环境适应性强，可广泛用于恶劣环境的隧道施工。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为实施例中的适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管的结构示意图。
34.图2为图1中a的局部放大图。
35.图3为实施例中的适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管中的锥台套与张拉螺杆的结构示意图。
36.图4为图3的侧视图。
37.图例说明：
38.1、注浆管本体；2、膨胀套；3、锥台套；4、内端受力梁；5、外端受力梁；6、张拉螺杆；7、张拉螺母；8、第一弹性密封环；9、端头密封板；10、第二弹性密封环；11、止浆钢盘；12、第三弹性密封环；13、环形片；14、注浆孔；15、法兰；16、岩壁。
具体实施方式
39.为了便于理解本实用新型，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本实用新型作更全面、细致地描述，但本实用新型的保护范围并不限于以下具体的实施例。
40.除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本实用新型的保护范围。
41.除非另有特别说明，本实用新型中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
42.实施例：
43.如图1-图4所示，本实施例的适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管，包括注
浆管本体1，注浆管本体1的浆料输出端处设有膨胀套2、锥台套3以及内端受力梁4，注浆管本体1的浆料输入端设有外端受力梁5；膨胀套2的内腔呈用于锥台套3进入的锥台状，内端受力梁4和外端受力梁5之间还设有用于使锥台套3与膨胀套2相对移动，使膨胀套2被胀开并胀紧贴于注浆孔14内壁的张拉组件。膨胀套2设于锥台套3与注浆管本体1之间，膨胀套2的内腔的大头端远离注浆管本体1，锥台套3的小头端靠近膨胀套2的内腔的大头端。
44.本实施例中，张拉组件包括张拉螺杆6与张拉螺母7，张拉螺杆6的一端与内端受力梁4固接，另一端设有螺纹并延伸至外端受力梁5处，张拉螺母7设于张拉螺杆6具有螺纹的一端，并与外端受力梁5相配合以实现锥台套3与膨胀套2的相对移动。
45.如图3、图4所示，本实施例中，内端受力梁4固设于锥台套3的大头端，且张拉螺杆6与内端受力梁4固接处位于锥台套3的大头端的中心位置；外端受力梁5固设于注浆管本体1内，且张拉螺杆6与外端受力梁5连接处位于注浆管本体1内腔的中心位置。
46.本实施例中，膨胀套2未胀开时外形呈管状，膨胀套2包括多片外表面呈锯齿状的膨胀齿片，多片膨胀齿片围成的内腔为一体积小于锥台套3的锥台形内腔。
47.本实施例中，膨胀套2在靠近注浆管本体1的一端上套设有可随着膨胀套2胀开而胀开贴紧注浆孔14内壁的第一弹性密封环8。
48.本实施例中，注浆管本体1靠近膨胀套2的一端设有端头密封板9，膨胀套2在靠近端头密封板9处设有可随着膨胀套2胀开而胀开贴紧注浆孔14内壁、且可与端头密封板9挤压紧密接触的第二弹性密封环10，第二弹性密封环10部分套设于膨胀套2的端部。
49.本实施例中，注浆管本体1的浆料输入端外壁上还固设有止浆钢盘11，止浆钢盘11靠近注浆孔14，且止浆钢盘11与注浆孔14处岩壁之间设有第三弹性密封环12。
50.本实施例中，膨胀套2上还套设有用于保证膨胀套2安装时不意外胀开的环形片13。
51.本实施例还提供一种采用上述预应力注浆管的注浆工艺，包括以下步骤：
52.s1：利用张拉组件将注浆管本体1、膨胀套2和锥台套3预组装成一整体，使膨胀套2保持不胀开的状态，并将预组装得到的整体装设进入注浆孔14中；
53.s2：张拉张拉组件，使锥台套3与膨胀套2的相对移动，锥台套3进入膨胀套2中使膨胀套2胀开，膨胀套2胀紧贴于注浆孔14内壁，完成预应力注浆管的安装；
54.s3：通过注浆管本体1的浆料输入端输入浆料，即完成注浆。
55.为了更好的理解上述适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管，本实施例以隧道高温高压涌水注浆封堵常用的直径为89毫米的注浆孔14为例说明该预应力注浆管的结构及制作过程如下：
56.针对直径为89毫米的注浆孔14，本实施例采用直径为80毫米长度为1200毫米的注浆管本体1，端部设有法兰15。使用直径为80毫米的厚壁无缝钢管分别用车床加工锥台套3和膨胀套2；膨胀套2车制完成以后，将其分成四等分，形成四瓣式膨胀套2。内端受力梁4为厚度为20毫米，宽度为15毫米的钢板，其与锥台套3的大头端的中部焊接而成。外端受力梁5可采用与内端受力梁4相同的钢板，焊接于注浆管本体1内靠近端部的法兰15处。张拉螺杆6选用直径为10毫米的单头螺杆，没有螺纹的一端与内端受力梁4焊接，另一头穿过外端受力梁5，用张拉螺母7上紧。
57.少量的锥台套3和膨胀套2可以使用厚壁无缝钢管车制，若数量较大，可以开模，使
用铸钢铸造而成，可以降低成本。
58.第一弹性密封环8和第二弹性密封环10可选用外径85毫米，断面直径20毫米的普通橡胶密封环；岩壁16处的止浆钢盘11焊装于注浆管本体1外端200毫米处；止浆钢盘11处的第三弹性密封环12可选用内径90毫米，断面直径30毫米的普通橡胶圈。膨胀套2上的环形片13可采用一次必环形塑料片。
59.通过张拉组件预安装完成以后用套筒扭力扳手拧动张拉螺母7进行张拉，张拉力矩达到30兆帕即可。
60.以上为一种实际应用的具体实施例，还可根据不同的注浆环境对预应力注浆管的尺寸、材料等进行相应调整。

技术特征：
1.一种适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管，包括注浆管本体(1)，其特征在于，所述注浆管本体(1)的浆料输出端处设有膨胀套(2)、锥台套(3)以及内端受力梁(4)，所述注浆管本体(1)的浆料输入端设有外端受力梁(5)；所述膨胀套(2)的内腔呈用于所述锥台套(3)进入的锥台状，所述内端受力梁(4)和外端受力梁(5)之间还设有用于使所述锥台套(3)与所述膨胀套(2)相对移动，使所述膨胀套(2)被胀开并胀紧贴于注浆孔(14)内壁的张拉组件。2.根据权利要求1所述的预应力注浆管，其特征在于，所述膨胀套(2)设于所述锥台套(3)与注浆管本体(1)之间，所述膨胀套(2)的内腔的大头端远离所述注浆管本体(1)，所述锥台套(3)的小头端靠近所述膨胀套(2)的内腔的大头端。3.根据权利要求1所述的预应力注浆管，其特征在于，所述张拉组件包括张拉螺杆(6)与张拉螺母(7)，所述张拉螺杆(6)的一端与所述内端受力梁(4)固接，另一端设有螺纹并延伸至所述外端受力梁(5)处，所述张拉螺母(7)设于所述张拉螺杆(6)具有螺纹的一端，并与所述外端受力梁(5)相配合以实现所述锥台套(3)与所述膨胀套(2)的相对移动。4.根据权利要求3所述的预应力注浆管，其特征在于，所述内端受力梁(4)固设于所述锥台套(3)的大头端，且所述张拉螺杆(6)与所述内端受力梁(4)固接处位于所述锥台套(3)的大头端的中心位置；所述外端受力梁(5)固设于所述注浆管本体(1)内，且所述张拉螺杆(6)与所述外端受力梁(5)连接处位于所述注浆管本体(1)内腔的中心位置。5.根据权利要求1-4中任一项所述的预应力注浆管，其特征在于，所述膨胀套(2)未胀开时外形呈管状，所述膨胀套(2)包括多片外表面呈锯齿状的膨胀齿片，多片所述膨胀齿片围成的内腔为一体积小于所述锥台套(3)的锥台形内腔。6.根据权利要求1-4中任一项所述的预应力注浆管，其特征在于，所述膨胀套(2)在靠近所述注浆管本体(1)的一端上套设有可随着所述膨胀套(2)胀开而胀开贴紧注浆孔(14)内壁的第一弹性密封环(8)。7.根据权利要求1-4中任一项所述的预应力注浆管，其特征在于，所述注浆管本体(1)靠近所述膨胀套(2)的一端设有端头密封板(9)，所述膨胀套(2)在靠近所述端头密封板(9)处设有可随着所述膨胀套(2)胀开而胀开贴紧注浆孔(14)内壁、且可与所述端头密封板(9)挤压紧密接触的第二弹性密封环(10)，所述第二弹性密封环(10)部分套设于所述膨胀套(2)的端部。8.根据权利要求1-4中任一项所述的预应力注浆管，其特征在于，所述注浆管本体(1)的浆料输入端外壁上还固设有止浆钢盘(11)，所述止浆钢盘(11)靠近注浆孔(14)，且所述止浆钢盘(11)与注浆孔(14)处岩壁之间设有第三弹性密封环(12)。9.根据权利要求1-4中任一项所述的预应力注浆管，其特征在于，所述膨胀套(2)上还套设有用于保证所述膨胀套(2)安装时不意外胀开的环形片(13)。

技术总结
本实用新型公开了一种适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管，包括注浆管本体，所述注浆管本体的浆料输出端处设有膨胀套、锥台套以及内端受力梁，所述注浆管本体的浆料输入端设有外端受力梁；所述膨胀套的内腔呈用于所述锥台套进入的锥台状，所述内端受力梁和外端受力梁之间还设有用于使所述锥台套与所述膨胀套相对移动，使所述膨胀套被胀开并胀紧贴于注浆孔内壁的张拉组件。本实用新型的适应高压注浆堵水工艺需求的预应力注浆管，通过设置膨胀套、锥台套、内端受力梁和外端受力梁，在张拉组件的作用下，锥台套与膨胀套相对移动，使膨胀套胀开并胀紧贴于注浆孔内壁，具有在高压涌水环境中便于安装，安装强度高的特点。安装强度高的特点。安装强度高的特点。


技术研发人员：凌帆 伊绣臻 周浩
受保护的技术使用者：中铁五局集团有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/9/3