CN100580188C - 四重管地层减压式双液旋喷的施工方法 - Google Patents

四重管地层减压式双液旋喷的施工方法 Download PDF

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杨俊龙
葛金科
陈立生
周松
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Abstract

本发明公开一种建筑工程技术领域的四重管地层减压式双液旋喷的施工方法,步骤为:①钻喷杆由四重同轴钢管构成,多功能喷头内部设有通道分别对应于钻喷杆四重管道,喷头侧面上部和下部安装两个喷嘴;②定位;③钻孔;④旋喷注浆:喷头上部喷嘴同轴喷射压缩空气与高压水泥浆,喷头下部喷嘴同轴喷出高压水泥浆与低压速凝剂浆液,低压浆液外包高压水泥浆在喷出的瞬时使两种浆液与土混合,以快速固化软土地基;⑤旋喷至设计高度,关闭输送流体的阀门;⑥钻机移位。本发明解决了地下水流动情况下难于进行旋喷固化的问题,以及难于生成大直径旋喷桩与水平旋喷加固体的问题。本发明在钻孔与旋喷过程中通过吸出废泥水给地层减压减小对周围的影响。

Description

四重管地层减压式双液旋喷的施工方法
技术领域
本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的施工方法,具体是一种四重管地层 减压式双液旋喷的施工方法。 背景技术
高压旋喷施工技术是以旋转的喷头喷出高速流体一边切削土体一边使水泥 桨液与切碎的土体混合,经化学反应后形成坚固的加固土柱,强度可达数兆帕以 上。该工法由日本NIT的中西涉博士发明,最初是简单的单管法(也称CCP法), 仅喷射水泥浆液。其后又开发了二重管法、三重管法等;二重管法以压縮空气同 轴包裹高压水泥浆液切割土体并两者相互混合,使加固体直径比单管法有较大的 提高;三重管法以压縮空气同轴包裹高压水流首先切割土体,形成较大直径的碎 土空隙,再以泥浆泵注入水泥浆填充与混合,使加固体直径比前两种方法有了极 大的提高。其后,还成功开发了超大直径的RJP工法,直径可达3米以上。RJP 工法以压縮空气同轴包裹高压水流对土体进行第一次切割,形成较大直径的碎土 空隙,再以压縮空气同轴包裹水泥浆作第二次切割,并作填充与混合,使加固体 直径有了空前的提高。我国自70年代末开发成功高压旋喷施工技术后,该工法 逐步水利工程防渗墙、城市地下工程、边坡稳定、码头、桥梁基处等得到了广泛 的应用。也逐步开发了各种直径的旋喷桩施工方法。
经对现有的技术文献检索发现,日本株式会社恩爱蒂(NIT)中西涉,在1995 年申请并获得过一系列关于提高旋喷桩直径与质量的施工设备与方法的专利 "ZL95116805. 3, ZL95115548. 2, ZL95115553. 9, ZL95116907. 6, ZL95116806.1"。
但是,中西涉发明的大直径旋喷桩施工方法的共同特点是以超高压的水流对土体 作第一次切割;这样会产生如下几个方面问题:1)由于旋喷施工后的水泥土混 合物,处于流动性的泥浆状态,其达到初凝并有一定的强度需数日以上;2)当 该法在地下水位以下的粉砂层中施工时,产生砂土液化,流砂等现象,这样会使 土与水泥混合物在结硬前发生分离;从而产生质量问题;使旋喷技术不能在有地下水流动的土层中使用;3)如用于施工水平旋喷桩,则流态混合土会流出,使 加固失效;4)在大深度地下(>25m)由于地层压力较大,而且地层坚硬,这样 会发生切削困难,难于形成大直径桩体。为此中西涉博士发明了称为MJS工法的 排泥装置(ZL95115549.0)用射流产生的负压吸取一部分土体。但MJS工法所需 设备较多,颇为烦杂,不便在狭小的地下洞室中施工,并使施工成本较高。这些 问题影响了旋喷技术的使用范围。 发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷,提供一种四重管地层减压式双液旋喷的 施工方法。本发明通过喷射双液浆体(水泥浆与速凝剂)使混合土瞬时固化来克 服上述旋喷施工的缺陷,使该技术可以在有地下水流动的土层中施工;通过采用 真空泵强制吸泥的办法减小地层压力,扩大深部的切割半径或在水平旋喷时减小 对周围地层的影响,使双液旋喷能在大深度处施工,从而解决地下水流动情况下 难于进行旋喷固化的问题,以及大深度条件下难于生成大直径旋喷桩与水平旋喷 加固体的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括以下步骤:
①整平场地,安装连接好各设备:将真空泵、高压泵、低压泵、空气压縮 机通过分流器连接于钻喷杆上,钻喷杆由钻机的支架支持连接,并由钻机上的驱 动器控制旋转与做进退运动,多功能喷头的一端通过螺纹与钻喷杆连接。
高压泵用于喷高压水泥浆(或水)。
真空泵用于吸出多余的废泥水。
低压泵用于泵送速凝剂,低压泵连接速凝剂桶,为低压泵提供速凝剂。
本发明中,钻喷杆用于钻孔与输送高压液流至多功能喷头以及废泥水由喷头 的吸泥孔至真空泵排出,可以采用四重同轴钢管构成的钻喷杆。
四重同轴钻喷杆,内管连接于真空泵,废泥水由位于喷头上部的吸泥孔至四 重管内管再至真空泵排出;第二道连接于高压泵,水流与高压水泥浆流通过该管 通道到达多功能喷头;第三道管连接于低压泵,速凝剂通过该管通道到达多功能 喷头;外管连接于空气压缩机,超高压压缩空气通过该管通道到达多功能喷头。
本发明中多功能喷头对外设有一个单向阀、两个喷嘴与一个吸泥孔,其内部 设有通道分别对应于钻喷杆的四重管道, 一端通过内螺纹接口与钻喷杆相连接。吸泥孔设置于侧面连接于第一个通道与钻喷杆的内管相通,吸泥孔口部设钢丝网 罩以防止块石的吸入。单向阀设于多功能喷头的顶端与多功能喷头的第二个通
道;单向阀用于在钻孔时喷射水流。单向阀关闭用液体流量与压力传感器自动控
制。两个喷嘴设于多功能喷头的侧面上部和下部,上部喷嘴为复合式的同轴喷嘴 构造,内喷嘴连接于第二道管,喷高压水泥浆液,外侧喷嘴连接于第四道管,喷 压縮空气。下部喷嘴也为复合式的同轴构造,内喷嘴连接于第二道管,喷出高压 水泥浆液,外侧喷嘴连接于第三道管,喷速凝剂。吸泥孔应隔开一段距离位于喷 嘴的上方。
② 定位:将钻喷杆移到桩位,确定垂直度或水平度后用钻机的驱动器固定 钻喷杆定位;
③ 钻孔:定位后一边使钻孔管缓慢旋转, 一边按下列顺序打开流体输送设 备与阀门:先是连通高压泵的水流阀门,然后是连通真空泵的吸泥管道阀门。水 流用高压泵通过第二道管注入并通过设于喷头顶部的单向陶喷射水流切割土体 钻孔。在深度较大时(大于15m)打开真空泵通过吸泥孔与内管抽出部分水泥浆。 钻孔时慢慢下降钻喷杆直至设计标高。喷水压力视土层的软硬性质而定, 一般设 置于2〜5MPa。当钻喷杆上扭矩较大时可以增加喷水压力预先使土体松弛。
④ 旋喷注浆:当钻孔达到预定的设计深度时,停止喷水;通过压力与流量 控制传感器,关闭喷头顶部的单向阀。 一边使钻喷管缓慢旋转, 一边按下列顺序 打开流体输送阀门:首先打开压缩空气,然后开速凝剂,第三开高压水泥浆,最 后是抽真空的阀门。按设定的施工参数进行高压旋喷施工。上部喷嘴同轴喷射压 縮空气与高压水泥浆,压縮空气外包水泥浆增加切割土体的能力;下部喷嘴同轴 喷出高压水泥浆与低压速凝剂(如水玻璃)浆液,低压浆液外包高压水泥浆,对 土体进行二次切割,并使两种浆液与土同时混合,达到快速固化软土地基的目的。 在深度较大时(大于15m),为使喷射切割达到较大的范围,打开真空泵通过吸 泥孔与内管抽出部分水泥浆并减小地层的压力。所用速凝剂材料必须无毒并且不 会产生环境问题,可以是市售的任何速凝剂。
本发明旋喷注浆中,具体施工参数根据目标直径及土层特性、土体的现场强 度、现场应力状态以及固化剂的用量确定,即水泥浆的压力与流量、速凝剂的压力与流量、压缩空气的压力与流量、钻喷杆的回拔速度与旋转速度。喷射流体的 施工参数与旋喷桩半径的关系由下列公式计算确定:
式中,U二切削距离二成桩半径(cm) ; K二土性系数;《„=土层的无侧限 抗压强度;P^喷射压力;4=喷嘴内径;N^盾环次数;Vb:Dm兀Rs/60为喷嘴移 动速率;&=旋转速率(rpm) ; a, b, c, n, m-回归常数。
真空泵的真空压根据需吸出的废泥水的量来确定。
(D旋喷至设计桩体的上部标高,按下列顺序分别关闭输送流体的阀门:首先
关闭速凝剂,然后关高压水泥浆,第三关压縮空气,最后关闭抽真空设备;关闭 各泵及其它设备,结束一根桩体的施工。
⑥钻机移位,重复步骤②〜⑤,进行另外一根桩的施工。 本发明在施工之前,在将要进行旋喷施工的现场,以静力触探确定土层的类 型与强度。勘察取土设备,钻取土样,以用于室内配合试验确定水泥与水玻璃用 量。钻探深度为设计深度下一米。然后根据加固设计的目标强度要求、现场土体 的构成与性质,利用上述取得的土样进行室内配合比试验确定水泥用量。根据初 凝时间要求、速凝剂种类,利用水泥浆、速凝剂与土样进行室内配合比试验确定 速凝剂的配合比。
本发明在设备安装就位后预先开机空转确认各设备处于良好的状态。 本发明利用两种浆液(如水玻璃类速凝剂与水泥浆)在混合后可以在数秒至 数十秒内快速结硬并产生强度的原理,以高压泵输送超高压的水泥浆流至多功能 喷头的上下复合式喷嘴的中心通道喷出,对土体作二次切割混合;以低压泵输送 速凝剂浆液至多功能喷头的下部复合式喷嘴的环绕通道喷出后与水泥浆液及第 一次切割产生的土体泥浆搅拌混合,从而达到快速固化软土地基的目的。
本发明通过使混合土可以在数妙(5〜10秒)内的快速凝固来克服现有旋喷 施工后混合土处于流体状态的缺陷;实现旋喷技术可以在有地下水流动的土层中 施工。同时,使用本发明使施工速度提高2〜5倍,具有较强的经济实用性;而 且,上下喷嘴同时喷射高压水泥浆,对土体进行二次切割。用真空泵通过吸泥孔
8吸出部分泥浆减小地压,使旋喷桩的直径比传统的三重管提高2倍以上。本发明 施工方法简单可靠,经济实用。本发明适用于任意方向的旋喷施工。 附图说明
图1为本发明中四重管双液旋喷的设备构成图。 图2为本发明中钻孔、吸泥与旋喷步骤图。 具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
实施例为韩国首尔地铁某车站基坑基底加固的施工,该施工现场的地质条件
为洪积层,从上到下依次堆积的地层为:第一层,深度0〜3m,为粘质粉土,含 水量为26〜48%不等,N值为5〜10;第二层深度3〜7. 0m,为含砾砂土,含水量 为17〜28%, N值为10〜30;第三层深度为7.0〜10. 5m,粉质粘土,含水量29〜 36%, N值为5〜10;第四层为砂土,深度从10.5m〜14.0m,含水量为20〜29X, N值为15〜25;第五层从14至25m深,粘质粉土,含水量为21〜50%, N值为 15;第六层从-25至35m深,粉细砂土,含水量为25%, N值为10〜20,该层为 承压含水层,水头为-l.Om。
根据设计要求,基坑开挖深度为25米。为防管涌基底采用双液旋喷桩满堂 加固的方法施工,深度从一25.0m至一35.0m,约10.0m的范围,在粉细砂层中 施工。要求直径达1.5m以上,强度4. 5MPa以上。车站长X宽为250mX20m:旋 喷桩间距为1.3m,共施工三排约3100根桩。钻孔取样至40米深。施工中固化 剂为普通波特兰水泥与无环境污染问题的硅酸盐类速凝剂水玻璃。
用所取土样与水泥浆、水玻璃溶液在试验室混合确定达到目标强度时的水灰 比为1: 1、水泥用量为C=760kg/m3;水泥浆液采用普通硅酸盐水泥搅制,浆液 比重为1.57;初凝时间为20秒时的水玻璃用量为120 7/m3。
根据土层特性、设计加固深度、现场应力状态、固化剂的配比及目标直径要 求确定各施工参数为:水泥浆的压力35〜38MPa,流量Q=160L/min;速凝剂的喷 射压力为2〜3MPa,流量为30升/分;压縮空气压力为0. 7MPa,气量60〜80m7h;钻喷杆的回拔速度为22. 7cm/min (4.4分/米),旋转速度为6rpm,即每分钟6 转。
旋喷桩的施工步骤,如图2所示,具体说明如下:
① 整平场地,安装好连接好各设备;主要设备如图1所示,由高压泵,低 压泵,真空泵,空气压縮机,分流器,四重管钻喷杆,四通道多功能喷头、水箱、 拌桨设备与钻机等组成。高压泵用于喷高压泥浆(或水);低压泵用于泵送速凝剂; 真空泵用于吸出废泥浆液;钻喷杆用于钻孔与输送高压液流至喷头,由四重同轴 钢管构成。通过分流器将各泵连接于钻喷杆:真空泵连接于中管,钻孔产生的泥 浆通过该管由真空泵抽出;高压泵连接于第二道管,高压水流与水泥浆流通过该 管通道到达喷头;低压泵连接于第三道管,速凝剂通过该管通道到达喷头;空气 压缩机连接于第四道管,压缩空气通过该管通道到达喷头。
高压泵用于喷高压水泥浆(或水),高压泵通过软管连接到拌浆站,拌浆站连 接水泥储仓,高压泵、拌浆站通过分叉阀连接到水箱,从而实现为高压泵提供水 泥浆或水。
多功能喷头对外设有一个单向阀、两个喷嘴与一个吸泥孔,其内部设有通道 分别对应于钻喷杆的四重管道。
所述两个喷嘴间隔设置在多功能喷头侧面的上部和下部。上部喷嘴为复合式 的同轴喷嘴构造,其内喷嘴连接于第二道管,喷高压水泥浆液,其外侧喷嘴连接 于第四道管,喷压縮空气。下部喷嘴也为复合式的同轴构造,其内喷嘴连接于第 二道管,喷出高压水泥浆液,其外侧喷嘴连接于第三道管,喷射速凝剂。
所述吸泥孔应隔开一段距离位于喷嘴的上方,吸泥孔与喷嘴隔开20cm以上 的距离。
② 设备安装就位后预先开机空转确认各设备处于良好的状态。
③ 定位:将钻喷杆移到桩位,确定垂直度后用钻机的驱动器固定,如图2中 的①所示;
©钻孔:如图2中的②所示,定位后一边使钻孔管缓慢旋转, 一边按下列 顺序打开流体输送设备与阀门:水流(高压泵)=>吸出泥浆(真空泵)。水流用 高压泵通过第二道管注入并通过设于喷头顶部的单向阀喷射水流切割土体钻孔。 在大深度地下时打开真空泵通过吸泥孔与中管抽出部分水泥桨。钻孔时慢慢下降钻喷杆直至设计标高-35. 5米。
⑤ 旋喷注浆:如图2中的(D所示,当钻孔达到预定的设计深度时,停止喷水; 通过压力控制传感器,关闭喷顶部的单向阀。 一边使钻喷管缓慢旋转, 一边按下 列顺序打开流体输送阀门:压缩空气=〉速凝剂=> 高压水泥浆。按设定的施工 参数,如注浆压力、泥浆流量、钻喷杆旋转速度、回拔速度等进行边回拔,边转 边旋喷施工。上部喷嘴同轴喷射压縮空气与高压水泥浆,压縮空气外包水泥浆增 加切割土体的能力;下部喷嘴同轴喷出高压水泥浆与低压速凝剂(如水玻璃)浆 液,低压浆液外包高压水泥浆,对土体进行二次切割,并使两种浆液与土同时混 合,达到快速固化软土地基的目的。在大深度地下施工时,为使喷射切割达到较 大的范围,打开真空泵通过吸泥孔与中管抽出部分水泥浆并减小地层的压力。
⑥ 旋喷至-25.0米,按下列顺序分别关闭输送流体的阀门:速凝剂(低压 泵)=>水泥浆(高压泵)=>压縮空气(空气压缩机)=>抽真空(真空泵);顺 上述次序关闭各泵及其它设备,结束一根桩体的施工,如图2中的④所示。
⑦钻机移位,重复步骤③〜⑥,进行另外一根桩的施工。 用双液旋喷施工的桩体的初凝时间为20秒,桩身质量良好,水泥桨液与软 粘土的混合均匀。现场取芯试验结果显示,养护28天后的桩身达5.0〜6.0MPa。

Claims (9)

1、一种四重管地层减压式双液旋喷的施工方法,其特征在于,包括以下步骤: ①整平场地,安装好各设备:将真空泵、高压泵、低压泵、空气压缩机通过分流器连接于钻喷杆上,钻喷杆由钻机的支架支持连接,并由钻机上的驱动器控制旋转与做进退运动,多功能喷头与钻喷杆连接; 所述钻喷杆采用四重同轴钢管构成,内管连接于真空泵,废泥水由位于喷头上部的吸泥孔至四重管内管再至真空泵排出,第二道管连接于高压泵,水流与高压水泥浆流通过该管通道到达多功能喷头,第三道管连接于低压泵,速凝剂通过该管通道到达多功能喷头,外管连接于空气压缩机,压缩空气通过该管通道到达多功能喷头; 所述多功能喷头对外设有一个单向阀、两个喷嘴与一个吸泥孔,其内部设有通道分别对应于钻喷杆四重管道,两个喷嘴安装在喷头侧面上部和下部; ②定位:将钻喷杆移到桩位,确定垂直度或水平度后用钻机驱动器固定钻喷杆定位; ③钻孔:定位后一边使钻孔管缓慢旋转,一边按下列顺序打开流体输送设备与阀门:先连通高压泵的水流阀门,然后连通真空泵的吸泥管道阀门,水流用高压泵通过第二道管注入并通过设于喷头顶部的单向阀喷射水流切割土体钻孔,在大深度地下时打开真空泵通过吸泥孔与内管抽出部分水泥浆,钻孔时慢慢下降钻喷杆直至设计标高; ④旋喷注浆:当钻孔达到预定的设计深度时,停止喷水,关闭喷头顶部的单向阀,使钻喷管缓慢旋转的同时按下列顺序打开流体输送阀门:先打开压缩空气,后开速凝剂,再开高压水泥浆,最后是真空泵的阀门,然后进行高压旋喷施工,喷头上部喷嘴同轴喷射压缩空气与高压水泥浆,压缩空气外包水泥浆增加切割土体的能力,喷头下部喷嘴同轴喷出高压水泥浆与低压速凝剂浆液,低压速凝剂浆液外包高压水泥浆,对土体进行二次切割,并使两种浆液与土同时混合,实现快速固化软土地基,打开真空泵通过吸泥孔与内管抽出部分水泥浆并减小地层的压力,以使喷射切割达到大的范围; ⑤旋喷至设计桩体的上部标高,按下列顺序分别关闭输送流体的阀门:首先关闭速凝剂,然后关高压水泥浆,再关压缩空气,最后关闭真空泵,关闭各泵及其它设备,结束一根桩体的施工; ⑥钻机移位,重复步骤②~⑤,进行另外一根桩的施工。
2、 根据权利要求1所述的四重管地层减压式双液旋喷的施工方法,其特征 是,所述上部喷嘴为复合式的同轴喷嘴构造,其内喷嘴连接于钻喷杆第二道管, 喷高压水泥浆液,外侧喷嘴连接于第四道管,喷压縮空气。
3、 根据权利要求1所述的四重管地层减压式双液旋喷的施工方法,其特征 是,所述下部喷嘴为复合式的同轴构造,其内喷嘴连接于钻喷杆第二道管,喷出 高压水泥浆液,外侧喷嘴连接于钻喷杆第三道管,喷速凝剂。
4、 根据权利要求1或3所述的四重管地层减压式双液旋喷的施工方法,其 特征是,所述速凝剂采用水玻璃类速凝剂。
5、 根据权利要求l所述的四重管地层减压式双液旋喷的施工方法,其特征 是,所述单向阀设于多功能喷头的顶端与多功能喷头的第二个通道,单向阀用于 在钻孔时喷射水流,单向阀关闭用液体流量与压力传感器自动控制。
6、 根据权利要求l所述的四重管地层减压式双液旋喷的施工方法,其特征 是,所述吸泥孔口部安装钢丝网罩以防止块石的吸入,吸泥孔位于喷嘴的上方并 隔开一段距离。
7、 根据权利要求l所述的四重管地层减压式双液旋喷的施工方法,其特征 是,所述③中,喷水压力设置于2 MPa〜5MPa。
8、 根据权利要求l所述的四重管地层减压式双液旋喷的施工方法,其特征 是,所述@中,喷射流体施工参数与旋喷桩半径的关系由下列公式确定:丄—AT"WW式中,Lm二切削距离二成桩半径,K二土性系数,&=土层的无侧限抗压强 度,Pm^喷射压力,d(T喷嘴内径,N一盾环次数,Vtr二DmJlIV60为喷嘴移动速率,Rs二旋转速率,a,b,c,n,m:回归常数。
9、根据权利要求l所述的四重管地层减压式双液旋喷的施工方法,其特征 是,适用于任意方向的旋喷施工。
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