CN101245600B - 用高压双液旋喷技术生成水平加固体的施工方法 - Google Patents

用高压双液旋喷技术生成水平加固体的施工方法 Download PDF

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Abstract

一种建筑工程技术领域的用高压双液旋喷技术生成水平加固体的施工方法,步骤为:①准备场地,安装调试设备:三重管钻喷杆由水平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,多功能喷头与三重管钻喷杆连接,三重管钻喷杆内管连接于高压泵,第二道管连接于低压泵,外管连接于空气压缩机;②在预留孔口处安装孔口密封装置,并用导水软管连接到废泥浆分离设备;③水平钻机定位;④钻孔;⑤旋喷注浆;⑥旋喷至水平加固体的孔口部,关闭输送流体的阀门;⑦钻机移位,重复步骤②~⑥。本发明利用两种浆液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,实现快速固结的目的。

Description

用高压双液旋喷技术生成水平加固体的施工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的施工方法,具体是一种用高压双液旋喷
技术生成水平加固体的施工方法。 背景技术
[0002] 高压旋喷施工技术是以旋转的喷头喷出高压流体一边切削土体一边使水泥浆液 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包裹高压水泥浆液切割并混合,使加固体 直径比单管法有较大的增加;三重管法以压縮空气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,还开发成功了超级旋喷的RJP工法,直径可达3米以上。RJP工法以压縮 空气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工法。
[0003] 经对现有的技术文献检索发现,日本株式会社恩爱蒂中西涉,于1995年在我国申 请并获得过一系列关于提高旋喷桩直径与质量的施工方法与设备的专利"ZL95115549.0, 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而;从而产生质量问题;使旋 喷技术不能在流砂层中使用;3)对于水平施工的旋喷加固体,则流态混合土会流出,使加 固失效。这些问题影响了旋喷技术的使用范围。因此,本发明的目的是应用双液旋喷技术 在地下进行水平方向的旋喷施工,通过使混合土瞬时结硬来克服上述旋喷施工的缺陷,使 该技术可以在流砂层中生成水平旋喷桩体。
发明内容
[0004] 本发明针对现有技术的不足和缺陷,提供一种用高压双液旋喷技术生成水平加固 体的施工方法。本发明利用高压旋喷技术使松散地基快速固化结硬,在地下进行旋喷施工, 解决地下水流动情况下难于进行水平旋喷固化的问题。本发明中同时用高压喷射水泥浆与 水玻璃,使这两种浆液在喷嘴喷出的瞬间混合后再与土体搅拌混合,从而达到快速固结的目的。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的,包括以下步骤:
[0006] ①准备场地,安装调试设备:在作业基坑内外安装连接好各设备,将高压泵、低压
4泵、空气压縮机通过分流器连接于三重管钻喷杆上,高压泵用于喷高压水泥浆或水,低压泵用于泵送速凝剂,三重管钻喷杆由水平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,多功能喷头与三重管钻喷杆连接。
[0007] 所述三重管钻喷杆用于钻孔与输送高压液气流至多功能喷头,采用三重同轴钢管构成。将三重管钻喷杆的内管连接于高压泵,水流与高压水泥浆流通过该管通道到达多功能喷头;第二道管连接于低压泵,速凝剂通过该管通道到达多功能喷头;外管连接于空气压縮机,超高压压縮空气通过该管通道到达多功能喷头。
[0008] 所述多功能喷头外部安装有一个单向阀与两个喷嘴,其内部设有通道分别对应于三重管钻喷杆的多重管道,多功能喷头一端与三重管钻喷杆相连接。两个喷嘴设于多功能喷头的侧面,间隔一定的距离前、后设置(喷头顶端单向阀方向为前端方向,反之为后端方向),分别称为后部喷嘴和前部喷嘴。后部喷嘴为复合式的同轴喷嘴,内喷嘴连接于三重管钻喷杆内通道,喷出高压水泥浆液,外侧喷嘴为环绕喷嘴连接于外通道,喷压縮空气。前部喷嘴为复合式的同轴喷嘴,内喷嘴连接于三重管钻喷杆内通道,喷出高压水泥浆液,外侧喷嘴连接于第二通道,喷速凝剂。
[0009] ②在实施水平的基坑外墙的预留孔口处安装孔口密封装置,并将该装置的导水软管连接到废泥浆分离设备,用于导出泥浆。喷头与三重管钻喷杆从孔口密封装置内穿过进行钻孔与喷射,三重管钻喷杆与孔口密封装置之间采用橡胶密封圈密封。
[0010] 所述孔口密封装置包括圆柱形钢管、压力控制阀门,泥浆流出阀门及o型橡胶密
封圈、橡胶密封圈挡块,其中压力控制阀门设置在圆柱形钢管的上部;泥浆流出阀门设置在圆柱形钢管的下部;O型橡胶密封圈置于三重管钻喷杆与圆柱形钢管之间;橡胶密封圈挡块安装于水平旋喷桩孔口相反端,用于防止橡胶密封圈滑出。所述孔口密封装置的作用是在水平钻孔与旋喷的过程中浆产生的废泥浆有序排出。
[0011] ③水平钻机定位:在定孔位时,一定严格按照设计放样定孔位,将误差控制在规定的范围内。
[0012] ©钻孔:定位后在孔口密封装置插入三重管钻喷杆;一边使三重管钻喷杆缓慢旋转,一边用高压泵通过中间通道由单向阀喷射高压水。通过设于喷头顶部的喷嘴喷水切割土体钻孔。喷水压力视土层的软硬性质而定,一般设置于2〜5MPa。当三重管钻喷杆上扭矩较大时可以增加喷水压力预先使土体松弛。三重管钻喷杆慢慢向前插入延伸至设计长度位置。要求水平方向的偏差小于规定的数值;钻孔的方向控制可以采用水平定向传感器保证定向精度。
[0013] ⑤旋喷注浆:当钻孔达到预定的设计长度时,停止钻孔喷水;通过压力控制传感器,关闭喷头上的单向阀。 一边使钻喷管缓慢旋转并向外缓慢退出,一边按下列顺序打开流体输送阀门:首先打开压縮空气,然后开速凝剂,最后开高压水泥浆。按设定的施工参数进行高压旋喷施工。所用速凝剂材料为水玻璃或其它市售的有机或无机速凝剂,但必须无毒并且不会产生环境问题。
[0014] 施工中,后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;前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。[0015] 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、压縮空气的压力与流量、三重管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:
r AT(^)aK)*iVc[0016] 4 " m~
[0017] 式中,Lm =切削距离=成桩半径(cm) ; a =水平垂直的直径系数;K =土性系数;qu =土层的无侧限抗压强度;Pm =喷射压力;d。=喷嘴内径;N =循环次数;Vte = Dm Ji Rs/60为喷嘴移动速率;RS =旋转速率(rpm) ;a, b, c, n, m =回归常数。
[0018] 钻孔与旋喷过程产生的废泥浆经孔口密封装置的阀门引导排出后,通过泥浆分离设备分离。
[0019] ⑥旋喷至水平加固体的孔口部,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,最后关压縮空气;关闭各泵及其它设备,拆除孔口密封装置,结束一根水平加固体的施工。
[0020] ⑦钻机移位,重复步骤②〜⑥,进行另外一根水平加固体的施工,直至全部水平旋喷水平加固体施工完成。
[0021] 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。在本发明施工之前,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。钻孔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。
[0022] 本发明利用两种浆液(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。
[0023] 本发明通过使混合土可以在数秒(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进行高压水平旋喷施工。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,前后两个喷嘴同时喷射高压水泥浆,对土体进行二次切割使生成的加固桩体的直径达1. 0米以上。本发明施工方法简单可靠,经济实用。经工程实践验证,取得了显著的效果。
附图说明
[0024] 图1为本发明的设备构成图。
[0025] 图2为本发明的水平旋喷时的工艺步骤图,图中:①安装孔口封闭装置,②水平旋喷钻机的安装定位,③水平分流器设置的安装,④水平喷水钻孔,⑤水泥浆、水玻璃、压縮空气的喷射,⑥施工完成、清洗三重管钻喷杆。
6具体实施方式
[0026] 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。[0027] 实施例:
[0028] 以下结合本发明提供实施例,本实施例为采用双液水平旋喷技术加固的试验性施工来说明水平旋喷加固的施工工艺,具体如下所述:
[0029] 试验性施工现场为上海地铁11号线白丽新村站盾构出洞口的地基加固工程。经地质勘察,确认该区基础多为软弱土层,上部土层多由杂填土、素填土、淤泥质填土组成,这部分土结构松散,天然含水量高,压縮性大,抗剪强度低,物理状态多呈软塑至流塑,因此工程性能极差。在7米〜15米为淤泥质粘土,含水量在45〜50%,为上海地区的第©层土,无侧限抗压强度为40kPa。水平旋喷在该土层中实施,深度为10米〜-14米,设计水平旋喷桩长为15米,目标直径为①800mm,设计目标强度为1. OMPa。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。
[0030] 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 = 243. 7kg/m、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10秒以内时的水玻璃用量为811/m3。[0031] 现场的施工步骤如下所述,
[0032] (1)准备场地,安装好连接好各设备:设备利用车站的端头井进行水平旋喷施工,设备安置于车站的地面层平台,按装连接到端头井基坑的钻机上。
[0033] 三重管双液水平旋喷施工设备的配置如图1所示,水平钻机1、三重管钻喷杆2、分流器3、多功能喷头4、孔口密封装置5、高压泵6、拌浆站7、水泥储仓8、水箱9、低压泵10、速凝剂桶11及空气压縮机12等设备。水平钻机1的支架支持三重管钻喷杆2,并通过水平钻机1的驱动器驱动三重管钻喷杆2作正反旋转与沿纵向作进退运动。分流器3将三重管钻喷杆2分别与高压泵6、低压泵10、及空气压縮机12连接。多功能喷头4通过螺纹与三重管钻喷杆2连接。
[0034] 高压泵6输送高压水泥浆(或水),低压泵10用于泵送速凝剂,空气压縮机12输送高压空气。
[0035] 高压泵6用于喷高压水泥浆(或水),高压泵5通过软管连接到拌浆站7,拌浆站7连接水泥储仓8,高压泵6、拌浆站7通过分叉阀连接到水箱9,从而实现为高压泵6提供水泥浆或水。
[0036] 低压泵IO用于泵送速凝剂,低压泵IO连接速凝剂桶ll,为低压泵IO提供速凝剂。[0037] 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。
[0038] (2)在实施水平的基坑外墙的预留孔口处安装密封装置,并将该装置的导水软管连接到废泥浆分离设备,用于导出泥浆,如图2中的①所示;
[0039] (3)水平钻机定位;如图2中的②所示,将三重管钻喷杆2移到桩位,用水准泡确定水平度后用钻机的驱动器固定三重管钻喷杆2定位;
[0040] (4)钻孔:如图2中的③所示,定位后在孔口密封装置5插入三重管钻喷杆2 ; —边使三重管钻喷杆缓慢旋转,一边用高压泵6通过中间通道由单向阀喷射高压水。通过设
7于喷头顶部的喷嘴喷水切割土体钻孔。喷水压力视土层的软硬性质而定, 一般设置于2〜 5MPa。当三重管钻喷杆上扭矩较大时可以增加喷水压力预先使土体松弛。三重管钻喷杆慢 慢向前插入延伸至设计长度15米的位置。
[0041] (5)旋喷注浆:如图2中的④所示,当钻孔达到预定的设计长度时,停止钻孔喷水; 通过压力控制传感器,关闭喷头上单向阀13。 一边使钻喷管缓慢旋转并向外缓慢退出, 一边 按下列顺序打开流体输送阀门:首先打开压縮空气,然后开速凝剂,最后开高压水泥浆。 [0042] 按下述设定的参数施工,如注浆压力(12MPa)、泥浆流量(881/min)、三重管钻喷 杆旋转速度(12rpm)、回拔速度(60cm/min)等进行边回拔,进行高压旋喷施工。后部喷嘴15 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;前部喷嘴14 同轴喷出高压水泥浆与低压水玻璃溶液,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。
[0043] 三重管施工参数根据目标直径、土层特性、设计加固深度、土层的无侧限抗压强 度、固化剂的用量等确定。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:
[0044]、 m" 0/
[0045] 按目标半径Lm > 400mm,土层的无侧限抗压强度qu = 40kPa,水平垂直的直径系 数a = 0. 5 ;土性系数K = 18900,常数a = 0. 36, b = 0. 83, c = 0. 29, n = 0. 58, m = 0. 43的条件确定本实施列的施工参数如下:水泥浆的喷射压力Pm = 12MPa ;喷嘴内径d。= 2. 5mm ;循环次数N = 2 ;喷嘴移动速率Vte = 50cm/min ;旋转速率Rs = 12rpm ;水泥桨流量 Q = 881/min。速凝剂为水玻璃,其喷射压力为2〜3MPa,流量为201/min。压縮空气压力 为0. 7MPa,气量360〜420m3/h (或6〜7mVmin)。
[0046] (6)如图2中的⑤所示,旋喷至水平加固体的孔口部,按下列顺序分别关闭输送流 体的阀门:首先关闭水玻璃溶液,然后关高压水泥浆;关闭各泵及其它设备。拆除孔口密封 装置;结束一根水平加固体的施工。
[0047] (7)钻机移位,重复步骤(2)〜(6),进行另外一根水平加固体的施工,直至全部水 平旋喷水平加固体施工完成。
[0048] 用双液旋喷施工的水平加固体的初凝时间为10〜20秒,桩身质量良好,水泥浆液 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1. 2〜1. 5MPa。经钻 孔取芯与静力触探确认旋喷桩的直径达1. 0米以上。

Claims (7)

  1. 一种用高压双液旋喷技术生成水平加固体的施工方法,其特征在于,包括以下步骤:①准备场地,安装调试设备:将高压泵、低压泵、空气压缩机通过分流器连接于三重管钻喷杆上,高压泵用于喷高压水泥浆或水,低压泵用于泵送速凝剂,三重管钻喷杆由水平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,多功能喷头与三重管钻喷杆连接,多功能喷头内部设有通道分别对应于三重管钻喷杆的多重管道;所述三重管钻喷杆,其内管连接于高压泵,水流与高压水泥浆流通过该管通道到达多功能喷头;第二道管连接于低压泵,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;②在实施水平的基坑外墙的预留孔口处安装孔口密封装置,并用导水软管连接到废泥浆分离设备,多功能喷头与三重管钻喷杆从孔口密封装置内穿过进行钻孔与喷射,三重管钻喷杆与孔口密封装置之间采用橡胶密封圈密封;③水平钻机定位;④钻孔:定位后在孔口密封装置插入三重管钻喷杆,一边使三重管钻喷杆缓慢旋转,一边用高压泵通过中间通道由单向阀喷射高压水,并采用设于多功能喷头顶部的喷嘴喷水切割土体钻孔,钻孔的方向采用水平定向传感器控制;⑤旋喷注浆:当钻孔达到预定的设计长度时,停止钻孔喷水,通过压力控制传感器,关闭喷头上单向阀,一边使钻喷管缓慢旋转并向外缓慢退出,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,最后开高压水泥浆,进行高压旋喷施工,钻孔与旋喷过程产生的废泥浆经孔口密封装置的阀门引导排出后,通过泥浆分离设备分离;⑥旋喷至水平加固体的孔口部,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,最后关压缩空气,关闭各泵及其它设备,拆除孔口密封装置,结束一根水平加固体的施工;⑦钻机移位,重复步骤②~⑥,进行另外一根水平加固体的施工,直至全部水平旋喷水平加固体施工完成。
  2. 2. 根据权利要求1所述的用高压双液旋喷技术生成水平加固体的施工方法,其特征 是,所述多功能喷头外部安装有一个单向阀与两个喷嘴,两个喷嘴设于多功能喷头的侧面, 间隔前、后设置。
  3. 3. 根据权利要求2所述的用高压双液旋喷技术生成水平加固体的施工方法,其特征 是,所述两个喷嘴都为复合式的同轴喷嘴,后部喷嘴的内喷嘴连接于三重管钻喷杆内通道, 喷出高压水泥浆液,外侧喷嘴为环绕喷嘴连接于外通道,喷压縮空气;前部喷嘴的内喷嘴连 接于三重管钻喷杆内通道,喷出高压水泥浆液,外侧喷嘴连接于第二通道,喷速凝剂。
  4. 4. 根据权利要求1所述的用高压双液旋喷技术生成水平加固体的施工方法,其特征是,所述孔口密封装置包括圆柱形钢管、压力控制阀门,泥浆流出阀门及o型橡胶密封圈、橡胶密封圈挡块,其中压力控制阀门设置在圆柱形钢管的上部,泥浆流出阀门设置在圆柱 形钢管的下部,O型橡胶密封圈置于三重管钻喷杆与圆柱形钢管之间,橡胶密封圈挡块安装 于水平旋喷桩孔口相反端,用于防止橡胶密封圈滑出。
  5. 5. 根据权利要求1所述的用高压双液旋喷技术生成水平加固体的施工方法,其特征 是,所述④中,喷水压力设置于2MPa〜5MPa。
  6. 6.根据权利要求1或5所述的用高压双液旋喷技术生成水平加固体的施工方法,其特征是,所述④中,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,Lm二切削距离二成桩半径cm, a =水平垂直的直径系数,1(=土性系数,(^=土 层的无侧限抗压强度,Pm 二喷射压力,d。 二喷嘴内径,N 二循环次数,V^ = DmJi Rs/60为喷嘴 移动速率,Rs =旋转速率rpm, a, b, c, n, m =回归常数。
  7. 7.根据权利要求1所述的用高压双液旋喷技术生成水平加固体的施工方法,其特征 是,所述速凝剂材料为水玻璃。
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夏辉阳.三重管高压旋喷技术在地基加固中的应用.工程设计与建设36 2.2004,36(2),32-35.
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李国强,苏坚深,赵斌.三重管高压旋喷注浆技术在上海地铁旁通道软土地层加固中的应用.建井技术1995年 2.1995,1995年(2),9-12.
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