CN101768957B - 用高压喷射双液浆体使软土地基快速凝固的设备 - Google Patents

Abstract

一种建筑工程技术领域的用高压喷射双液浆体使软土地基快速凝固的设备。本发明包括：高压泵、低压泵、空气压缩机、分流器、钻喷杆、多功能喷头与钻机。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撑连接，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。本发明以高压泵输送超高压的水泥浆流至多功能喷头通道喷出，对土体作二次切割混合；以空气压缩机输送高压气体流至多功能喷头通道包裹水泥浆流喷出；以低压泵输送速凝剂浆液至多功能喷头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。

Description

用高压喷射双液浆体使软土地基快速凝固的设备

本发明是由专利申请号为：200810033981.4，专利申请名称为：“用高压喷射双液浆体使软土地基快速凝固的设备”，专利申请人为：上海交通大学，专利申请日为：2008年2月28日的专利分案申请。

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的设备，具体是一种用高压喷射双液浆体使软土地基快速凝固的设备。

背景技术

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，二重管法以压缩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；三重管法以压缩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工法以压缩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，再以压缩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，该工法逐步在水利工程防渗墙、城市地下工程、边坡稳定、码头、桥梁基础等得到了广泛的应用。也逐步开发了各种直径的旋喷施工设备与施工方法。

经对现有的技术文献检索发现，日本株式会社恩爱蒂(NIT)的中西涉，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设备的专利“ZL9511549.0，ZL95116805.3，ZL9511548.2，ZL9511553.9，ZL95116907.6，ZL95116806.1”。但是，这些发明的大直径旋喷桩施工设备的共同特点是以高压泵输送超高压的水流至喷头的上部复合式喷嘴的中心通道喷出，对土体作一次切割；再以高压泥浆泵输送超高压的水泥浆流至喷头下部的复合式喷嘴的中心通道喷出，对土体作第二次切割；以空气压缩机输送高压气体流至喷头上下复合式喷嘴的环绕通道包裹水流与泥浆流喷出；以产生大直径桩体。这样的设备生成的高压旋喷加固体，有如下几个方面问题：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；使旋喷技术不能在流砂层中使用；3)如果用于进行水平旋喷加固体的施工，则流态的混合土会流出，使加固失效。这些问题影响了旋喷技术的使用范围。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种用高压喷射双液浆体使软土地基瞬时结硬的设备，使其解决地下水流动情况下难于进行高压旋喷固化的问题。本发明以高压泵输送超高压的水泥浆流至多功能喷头喷嘴的内通道喷出，对土体作二次切割混合；以空气压缩机输送高压气体流至多功能喷头的喷嘴的环绕通道包裹水泥浆流喷出；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。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：高压泵、低压泵、空气压缩机、分流器、钻喷杆、多功能喷头与钻机。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撑连接，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。

所述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。

所述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。

所述钻喷杆用于钻孔与输送高压液流至多功能喷头，由多重同轴钢管(二重或三重)构成。

所述多重同轴钢管，为二重同轴钢管时，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；外管连接于低压泵，速凝剂通过该管通道到达多功能喷头。

所述多重同轴钢管，为三重同轴钢管时，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，超高压压缩空气通过该管通道到达多功能喷头。

所述多功能喷头用于喷钻孔水与喷射高压水泥浆液、速凝剂、压缩空气等流体。

所述多功能喷头由圆柱形耐磨合金钢管组成，其外部设有一个单向阀与两个喷嘴，其内部设有通道分别对应于钻喷杆的多重管道，多功能喷头一端通过内螺纹接口与钻喷杆相连接。

所述单向阀设于多功能喷头的顶端与多功能喷头的内通道，单向阀关闭用液体流量与压力传感器自动控制，即当压力在2秒内迅速达到10MPa以上流量达到90升/分钟时关闭。

所述两个喷嘴设于多功能喷头的侧面上部和下部，在二重管钻喷杆时，上部喷嘴为单喷嘴，连接于钻喷杆内通道，喷高压水泥浆液。在三重管钻喷杆时，上部喷嘴为复合式的同轴喷嘴，内喷嘴连接于钻喷杆内通道，喷出高压水泥浆液，外侧喷嘴为环绕喷嘴连接于外通道，喷压缩空气。下部喷嘴为复合式的同轴喷嘴，内喷嘴连接于钻喷杆内通道，喷出高压水泥浆液，外侧喷嘴连接于第二道管，喷速凝剂。

所述上部喷嘴，其通道由内向外在出口处逐渐变窄至数毫米。

所述下部喷嘴，其通道由内向外在出口处逐渐变窄至数毫米，在出口处内喷嘴缩入外喷嘴内一段距离，外喷嘴在该段距离内逐渐变大为喇叭形出口。

所述钻机通过驱动器一边使钻喷杆缓慢旋转，一边用高压泵通过内管注入中压水流及通过多功能喷头顶部的单向阀喷水钻孔，并缓慢下降钻喷杆。

当钻孔达到预定的设计深度时，一边使钻喷管缓慢旋转，一边通过大流量高压泵注入高压水泥浆，在水泥浆注入时通过在喷头内设置的传感器关闭顶部单向阀。喷头上的侧面喷嘴以一定的间隔设上、下两个。二重管时，上部喷嘴仅喷高压水泥浆，用于切割破碎土体；三重管时，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；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。

与现有技术相比，本发明的设备需在现有的设备系统上添加输送速凝剂的低压泵，并构筑合理的多功能喷头与双重复合式喷嘴，设备加工方便可靠，经济实用。使用本发明的设备系统施工的旋喷桩具有如下有点：1)通过喷射双液浆体(水泥浆与速凝剂)，使旋喷后的水泥土混合物在数秒内凝固，使高压旋喷技术可以在有地下水流动的流砂层中施工；2)使旋喷桩的施工速度提高三倍以上，降低施工成本30％以上；3)对土体进行二次高压切割保证生成加固桩体的直径达1.5米以上。本发明的设备系统适用任何需旋喷加固的情况，对于有地下水流的地方特别适用。

附图说明

图1为本发明中二重管双液旋喷的设备结构示意图。

图2为本发明中二重管双液旋喷的流体通道图。

图3为本发明中二重管双液旋喷上部喷嘴工作原理图。

图4为本发明中下部喷嘴工作原理图。

图5为本发明中三重管双液旋喷的设备结构示意图。

图6为本发明中三重管双液旋喷的流体通道示意图。

图7为本发明中三重管双液旋喷上部喷嘴工作原理图。

图中：钻机1、钻喷杆2、分流器3、多功能喷头4、高压泵5、低压泵6、空气压缩机7、拌浆站8、水泥储仓9、水箱10、速凝剂桶11、单向阀12、下部喷嘴13、上部喷嘴14。

二重管钻喷杆的部件：内管(第一通道15)、外管(第二通道16)。

三重管钻喷杆的部件：内管(第一通道15)、第二道管(第二通道16)、外管(第三通道17)。

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。

如图1所示，本实施例为二重管双液旋喷的设备构成与连接方式，钻机1的支架支撑钻喷杆2，并通过钻机1的驱动器驱动钻喷杆2作正反旋转与沿纵向作进退运动。分流器3将钻喷杆2分别与高压泵5、低压泵6连接。多功能喷头4通过螺纹与钻喷杆2连接。附属设备拌浆站8连接到高压泵5，水泥储仓9连接到拌浆站8，水箱10通过分叉阀分别连接到高压泵5，与拌浆站8。速凝剂桶11连接于低压泵6。高压泵5输送高压水泥浆(或水)，低压泵6用于泵送速凝剂。

钻机的工作参数：转速0～40rpm，提升速度0～100cm/min；高压泵的工作参数：压力0~40MPa，流量0~180l/min；低压泵的工作参数：压力0~5MPa，流量0~50l/min。

图2显示了二重管双液旋喷的流体输送方式。钻喷杆2由二重同轴钢管构成，内管(第一通道15)通过分流器连接于高压泵5，水流与高压水泥浆流通过该管通道到达多功能喷头4；外管(第二通道16)通过分流器连接于低压泵6，速凝剂通过该管通道到达多功能喷头4。

多功能喷头4，由圆柱形耐磨合金钢管组成，对外设有一个单向阀12与两个喷嘴13与14；多功能喷头的内部设有两个通道分别对应于钻喷杆2的二重管通道；多功能喷头的一端通过内螺纹接口与钻喷杆2相连接。单向阀12设于顶端连接于第一通道15，用于喷水钻孔；两个喷嘴13与14设于侧面上部和下部，上部喷嘴14与下部喷嘴13与钻喷杆2中各通道的连接如图2所示：上部喷嘴14，为单喷嘴，连接于第一通道15，喷高压水泥浆液。下部喷嘴13为复合式的同轴喷嘴，内喷嘴连接于第一通道15，喷出高压水泥浆液，外侧喷嘴连接于第二通道16，喷速凝剂。单向阀12关闭用液体流量与压力传感器自动控制，即当压力在2秒内迅速达到10MPa以上流量达到90升/分钟时关闭。施工中物质的流动方向如图1中的箭头所示。

钻孔时将高压泵5直接连于水箱10，通过设置于喷头4顶端部的单向阀12喷出5MPa左右压力的水流切碎土体后，通过钻机驱动装置将钻喷杆2送入土体中直至设计深度。

当钻喷杆2深入到土中设计深度后，将高压泵5连接于拌浆站8；低压泵6一端通过分流器3连于第二通道16，另一端连于速凝剂浆桶11这时通过流量传感器关闭喷头顶部单向阀12，打开侧面喷嘴13与14。

如图3为上部喷嘴的原理图，喷嘴由内向外在出口处逐渐变窄至数毫米(2～4mm)。图4为下部喷嘴的原理图，喷嘴由内向外在出口处逐渐变窄至数毫米(2～4mm)；但是，在出口处内喷嘴缩入外喷嘴内一段距离(5-10mm)，外喷嘴在该段距离内逐渐变大为喇叭形出口；这样的构造可以防止高压水泥浆从低压速凝剂喷嘴回流。高压水泥浆从中间喷出，低压速凝剂在喷嘴的出口处与水泥浆混合。这时缓慢转动并提升钻喷杆2，同时喷射浆液，形成固化桩体直至地面结束。这样根据速凝剂与土性条件，可以在数秒内使地基迅速凝固。

二重管双液旋喷技术在设备上无压缩空气系统。二重管双液旋喷技术在设备上节约了压缩空气系统对土体的切割能力降低，因此，应用于地层压力不大，直径要求相对较小的地方。二重管双液旋喷技术的施工费用较低。三重管由于加了压缩空气，提高了上部喷嘴的切割能力，可以在大深度处产生大直径旋喷桩。

实施例2

如图5所示，本实施例为三重管双液旋喷的设备构成与连接方式，钻机1的支架支撑钻喷杆2，并通过钻机1的驱动器驱动钻喷杆2作正反旋转与沿纵向作进退运动。分流器3将钻喷杆2分别与高压泵5、低压泵6，及空气压缩机7连接。多功能喷头4通过螺纹与钻喷杆2连接。附属设备拌浆站8连接到高压泵5，水泥储仓9连接到拌浆站8，水箱10通过分叉阀分别连接到高压泵5，与拌浆站8。速凝剂桶11连接于低压泵6。高压泵5输送高压水泥浆(或水)，低压泵6用于泵送速凝剂，空气压缩机7输送高压空气。。

钻机的工作参数：转速0～40rpm，提升速度0～100cm/min；高压泵的工作参数：压力0~40MPa，流量0~180l/min；低压泵的工作参数：压力0~40MPa，流量0~180l/min；空气压缩机的工作参数：压力0~10MPa，流量0~6m³/min。

图5显示了三重管双液旋喷的流体输送方式。钻喷杆2由三重同轴钢管构成，内管(第一通道15)通过分流器连接于高压泵5，水流与高压水泥浆流通过该管通道到达多功能喷头4；第二道管(第二通道16)通过分流器连接于低压泵6，速凝剂通过该管通道到达多功能喷头4；外管(第三通道17)通过分流器连接于空气压缩机7，超高压压缩空气通过该管通道到达多功能喷头4。

多功能喷头4，由圆柱形耐磨合金钢管组成，对外设有一个单向阀12与两个喷嘴13与14；多功能喷头的内部设有三个通道分别对应于钻喷杆2的三重管通道，一端通过内螺纹接口与钻喷杆2相连接。单向阀12设于顶端连接于第一通道15，用于喷水钻孔；两个喷嘴设于侧面上部和下部，上部喷嘴14与下部喷嘴13与钻喷杆2中各通道的连接如图6所示：上部喷嘴14为复合式的同轴喷嘴构造，其内喷嘴连接于钻喷杆第一通道15，喷出高压水泥浆液，外侧喷嘴连接于第三通道17，喷压缩空气环绕水泥浆。下部喷嘴13为复合式的同轴喷嘴，其内喷嘴连接于第一通道15，喷出高压水泥浆液，外侧喷嘴连接于第二通道16，喷速凝剂。单向阀12关闭用液体流量与压力传感器自动控制，即当压力在2秒内迅速达到10MPa以上流量达到90升/分钟时关闭。施工中物质的流动方向如图5中的箭头所示。

钻孔时将高压泵5直接连于水箱10，通过设置于多功能喷头4顶端部的单向阀12喷出水流切碎土体后，通过钻机驱动装置将钻喷杆2送入土体中直至设计深度。

当钻喷杆2深入到土中设计深度后，将高压泵5连接于拌浆站8；低压泵6一端通过分流器3连于第二通道16，另一端连于速凝剂浆桶11；空气压缩机7连于钻喷杆2的第三通道17，这时通过流量传感器关闭喷头顶部单向阀12，打开侧面喷嘴13与14。

如图7为上部喷嘴的原理图，喷嘴由内向外在出口处逐渐变窄至数毫米(2～4mm)；如图7所示，水泥浆从中间喷出，压缩空气从外侧面喷出，环绕水泥浆，增加水泥浆的切割能力。图4为下部喷嘴的原理图，喷嘴由内向外在出口处逐渐变窄至数毫米(2～4mm)；但是，在出口处内喷嘴缩入外喷嘴内一段距离(5-10mm)，外喷嘴在该段距离内逐渐变大为喇叭形出口；这样的构造可以防止高压水泥浆从低压速凝剂喷嘴回流。高压水泥浆从中间喷出，低压速凝剂在喷嘴的出口处与水泥浆混合。这时缓慢转动并提升钻喷杆2，同时喷射浆液，形成固化桩体直至地面结束。这样根据速凝剂与土性条件，可以在数秒内使地基迅速凝固。

应用本发明的设备使两种浆液(水泥浆与速凝剂)在混合后可以在数妙(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，使用本发明的设备可以使施工速度提高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使旋喷桩的直径比使用传统的二重管与三重管的设备的施工速度提高2倍以上。在设备上仅需在现有的设备系统上添加输送速凝剂的低压泵，改进喷头与喷嘴构造，经济实用。

Claims (5)

1.一种用高压喷射双液浆体使软土地基快速凝固的设备，包括：高压泵、低压泵、空气压缩机、分流器、钻喷杆、多功能喷头与钻机，其特征在于，低压泵、高压泵、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撑连接，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，钻喷杆由多重同轴钢管构成；

所述多功能喷头由圆柱形钢管组成，外部设有一个单向阀与两个喷嘴，其内部设有通道分别对应于钻喷杆的多重管道，多功能喷头一端通过内螺纹接口与钻喷杆相连接；

所述单向阀设于多功能喷头的顶端且与多功能喷头的内通道相连，两个喷嘴设于多功能喷头的侧面上部和下部；

所述下部喷嘴为复合式的同轴喷嘴，其内喷嘴连接于钻喷杆内通道，喷出高压水泥浆液，外侧喷嘴连接于多重同轴钢管的第二道管，喷速凝剂。

2.根据权利要求1所述的用高压喷射双液浆体使软土地基快速凝固的设备，其特征是，所述多重同轴钢管为二重同轴钢管，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，外管连接于低压泵，速凝剂通过该管通道到达多功能喷头。

3.根据权利要求1所述的用高压喷射双液浆体使软土地基快速凝固的设备，其特征是，所述多重同轴钢管为三重同轴钢管，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，超高压压缩空气通过该管通道到达多功能喷头。

4.根据权利要求1所述的用高压喷射双液浆体使软土地基快速凝固的设备，其特征是，所述上部喷嘴，为单喷嘴，连接于钻喷杆内通道，喷高压水泥浆液。

5.根据权利要求1所述的用高压喷射双液浆体使软土地基快速凝固的设备，其特征是，所述上部喷嘴，其通道由内向外在出口处逐渐变窄至数毫米；所述下部喷嘴，其通道由内向外在出口处逐渐变窄至数毫米，在出口处内喷嘴缩入外喷嘴内一段距离，外喷嘴在该段距离内逐渐变大为喇叭形出口。 

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