CN102322058B - 潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺和设备 - Google Patents

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Abstract

一种潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺及设备,其是利用冲击器在冲击下沉过程中产生一定的振动冲击作用,通过高压空气驱动冲击器,利用振动和高压空气对土体结构产生破坏作用,同时,在冲击器上部利用高压水射流辅助的切割土体作用;利用高压水、气和振动对土体的切割破坏为后续喷射水泥浆提供条件,在潜孔冲击器的高频振动下,高压水、高压气、高频振动产生联动机理,使周围土体迅速软化,处于一种流塑状态,在高压泵转化为喷射高压水泥浆后,这种流塑状态的土和水泥浆充分混合,形成直径较大、混凝土均匀的水泥土桩。本发明在潜孔冲击器的高频振动下,高压水、高压气、高频振动产生联动机理,成桩直径较大,且桩身强度较高。

Description

潜孔冲击高压旋喷粧的施工工艺和设备
技术领域
[0001] 本发明属于建筑地基基础施工中的成桩技术,特别涉及潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺。用于施工止水帷幕桩、基础桩、基坑围护桩等,适用于素填土、杂填土、粘性土、砂土等一般地层,且特别适合于难以钻进的砂卵砾石层、漂石、水工填海、抛石、混凝土旧基础、
基岩等复杂地层。
技术背景
[0002] 高压旋喷桩用于处理淤泥、粉土、砂土、素填土等土体的地基加固,也可用于深基坑、地铁工程、水利工程等的土体加固和帷幕止水。但普通的旋喷桩,由于旋工设备动力较小,在施工砂卵石土、风化岩等较硬地层时,成孔深度、垂直度和成桩直径等质量要素无法得到保证,止水效果不理想,且因其反浆量较大,水泥等材料浪费严重,现场清污工作量很大。
[0003] 后经各方积极探索,提出了不少改进方法:
[0004] 公开号CN1078519专利《钻孔注浆成桩法及钻具旋喷装置》(P2106176.5),提出了在长螺旋钻具上设置旋喷装置的方法,扩大了旋喷和长螺旋两种工艺的适用范围。
[0005] 公开号CN1504613专利,提出了“防水桩挡墙的成型方法及其使用的螺旋钻机”,其防水桩挡墙的成型方法,包括以下步骤:(I)用螺旋钻机钻孔,钻到设计的旋喷深度时,开动泥浆泵,调整水泥浆喷嘴的喷射压力和螺旋钻钻杆的钻进深度,使水泥浆喷嘴旋喷水泥浆,形成扩孔护壁;(2)待钻孔达到设计的钻孔深度时,使钻杆停止转动,此时一边提升钻杆,一边压灌混凝土,混凝土压灌到设计高度时,形成混凝土桩;(3)根据设计的需要按上述步骤依次成桩,形成防水挡墙。
[0006] 公开号CN18182228A专利,提出了“桩排式地下防水墙的成型方法及其使用的螺旋钻机”,桩排式地下防水墙的成型方法,其特征在于包括以下步骤:1)根据设计需要,在地面上确定每个挡墙桩位置,然后制作形成多个挡墙桩;2)待挡墙桩固化以后,根据二个挡墙桩之间的间距,用螺旋钻机分别在二个挡墙桩之间的地面上进行钻孔,所钻孔的孔壁分别与二个相邻挡墙桩的侧壁相切或相距400mm以内;3)当钻孔钻到设计深度后,一边提升螺旋钻机的钻杆,一边开动泥浆泵,通过钻杆内的注浆管经位于钻杆下部的水泥浆喷嘴向钻孔内喷射制备好的水泥浆,形成一个与两边相邻挡墙桩相连的水泥土桩;4)按上述步骤依次在每个挡墙桩之间形成水泥土桩,成桩排式地下防水墙。
[0007] 公开号CN101255689A专利,提出了“长螺旋旋喷搅拌水泥土帷幕桩及其施工方法”主要步骤是:在相邻的护坡桩之间用长螺旋钻机钻出引孔;利用长螺旋旋喷搅拌桩钻具边钻进边旋喷水泥浆,边搅拌至设计孔底标高;旋喷搅拌提钻形成帷幕桩成桩;钻具在上返时边旋喷或定喷水泥浆,边搅拌至设计标高成桩。
[0008] 申请号201010238461.4的发明专利申请《长螺旋旋喷搅拌帷幕桩的施工工艺》工艺步骤包括:在相邻的两根护坡桩之间确定桩位,钻引孔,旋喷搅拌钻进和旋喷搅拌提钻形成帷幕桩,其特征在于:所述的旋喷搅拌钻进和旋喷搅拌提钻采用长螺旋旋喷搅拌桩钻具,采用以下“三遍水三遍浆”的工艺;(I)给钻具施加高压清水:首先从上至下旋喷搅拌钻进至设计孔底,然后定喷提升钻具到孔口,最后再定喷到孔底;(2)给钻具切换高压水泥浆:首先旋喷搅拌提升钻具到孔口,然后定喷下到孔底,最后再提升钻具定喷至设计标高成桩;进行上述的定喷工艺时,钻具的两侧喷嘴分别朝向相邻的两根护坡桩。
[0009] 现就以上方法存在的不足进行分析:
[0010] 1、成桩效果不佳:以上方法,只是在长螺旋钻具上增加了喷射装置,并没有其它改进机理,其在成桩直径及桩身质量上较普通旋喷桩有所改善,但改善并不能满足设计及主体施工要求。例如其最大直径仅为800〜900_。在经常采用的护坡桩支护体系中,以护坡桩直径800mm为例,桩间距一般为1.5〜1.6m,其净距为700〜800mm,这就要求止水帷幕桩直径必须大于900〜1000mm,以保证帷幕桩与灌注桩之间的咬合不小于100mm,才能保证止水效果。但从北京地区基坑开挖来看,以上方法还没有一个较成功的实例。
[0011] 2、钻进可行性差:护坡桩在施工过程中,穿越砂层、砾石层时,极易因机械搅动或地下水涌水等外力影响下出现塌孔、流砂等现象,浇注水下砼时便会在此处形成扩径(俗称“大肚子”),钻头一旦遇上扩径现象则会出现桩位偏移或无法钻进现象,若不在桩外进行补桩,则无法达到止水效果。
[0012] 3、前置工序繁琐:根据建委及地铁施工相关规定,在支护桩施工前先要进行人工探孔至原状土,以确保地下管线安全。根据工程实际情况,每个探孔深度在2.5〜6.0m左右,以桩径为800mm的护坡桩为例,由于人工探孔内径及护壁砼的影响,护坡桩上部实际尺寸为1100mm,下部为800_,若采用上述方法施工,需人工凿除混凝土后方可用长螺旋引孔和成桩,否则无法实现帷幕桩的互相咬合。
[0013] 4、由于螺旋叶片的倒土作用,排至地面的废弃土较多,造成工程成本的增加。
[0014] 5、如果进行引孔,则需要两台长螺旋设备进行施工,对于一些场地狭小的施工现场,可能无法满足施工要求。
发明内容
[0015] 本发明的目的是提供一种潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺和设备,以改善或克服以上现有技术存在的一项或多项不足。
[0016] 本发明的技术方案是:一种潜孔冲击闻压旋喷注衆设备,该设备包括钻机机架、钻杆组合结构、喷浆装置、钻头、高压空气管路及高压注浆管路;其中所述钻机机架采用长螺旋钻机机架,钻机转动系统为长螺旋钻机动力头;所述钻头采用潜孔锤冲击器,所述钻杆组合结构内部设有贯通至所述钻头的浆液管路及其外侧的环空状高压空气通路;高压空气管路连接到钻杆上部,高压空气通过钻杆的高压空气通路到达钻头,驱动所述冲击器;高压注浆管路连接到钻杆上部,用于将高压水泥浆或高压水通过设置在钻杆内的管路到达喷浆装置。
[0017] 本发明还提出一种潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺,其利用潜孔锤冲击器在冲击下沉过程中产生一定的振动冲击作用,通过高压空气驱动冲击器,利用振动和高压空气对土体结构产生破坏作用,同时,在冲击器上部利用高压水射流辅助的切割土体作用;利用高压水、气和振动对土体的切割破坏为后续喷射水泥浆提供条件,在潜孔冲击器的高频振动下,高压水、高压气、高频振动产生联动机理,使周围土体迅速软化,处于一种流塑状态,在高压泵转化为喷射高压水泥浆后,这种流塑状态的土和水泥浆充分混合,形成直径较大、混凝土均匀的止水帷幕桩。
[0018] 如上所述的潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺,其中,在用途为止水帷幕桩时,该施工工艺包括:
[0019] (I)测量放线定桩位:在施工完毕后的护坡桩之间施放桩位,将旋喷帷幕桩布置在两根护坡桩之间的中心位置或该点后的一定距离;
[0020] (2)钻进作业:潜孔冲击高压旋喷钻机就位后,开动动力头旋动钻杆,向钻杆底部的潜孔锤冲击器提供高压空气,潜孔锤冲击器在高压空气驱动下开始工作,在冲击、振动和高压空气作用下,钻头部分一边破坏土体一边下沉钻进,当遇到坚硬地层或块体时,直接冲击破碎;
[0021] (3)喷射高压水:钻进的同时,向位于钻杆下方、冲击器上部的喷射器提供高压水,其喷头在不小于20MPa的压力下侧向喷射高压水流,切割软化土体,经过反复提钻下钻,使钻杆周围一定范围内的土体充分软化;
[0022] (4)喷射高压水泥浆:当钻杆周围预定范围内的土体充分软化后,将所喷射的高压水切换为高压水泥浆,经过上下反复提钻下钻,形成水泥土桩。
[0023] 本发明的特点和优点如下:
[0024] 本发明具利用冲击器在冲击下沉过程中产生一定的振动冲击作用,冲击器头部喷出大量高压空气,振动和高压空气对土体结构具有一定的破坏作用,为冲击器上部高压水射流切割土体起到辅助作用。高压水、气和振动对土体的切割破坏为下一步喷射水泥浆提供了条件,在潜孔冲击器的闻频振动下,闻压水、闻压气、闻频振动广生联动机理,使周围土体迅速软化,处于一种流塑状态,在高压泵转化为喷射高压水泥浆后,这种流塑状态的土和水泥浆充分混合,形成直径较大、混凝土均匀的止水帷幕桩。
[0025] 本发明与现有的单管、双管和三管喷射方法不同,也不同于背景技术部分所述的各种施工方法,其特点为:
[0026] (I)机械结构简单,采用一次成孔成桩模式,钻杆不用重复拆卸,不用引孔,不用凿除人工探孔混凝土。
[0027] (2)地层适应性强,适用于素填土、杂填土、粘性土、砂土等一般地层,且适合于难以钻进的砂卵砾石层,漂石、水工填海、抛石、混凝土旧基础、基岩等复杂地层,特别是在护坡桩+止水帷幕支护体系中,可以在两根护坡桩中间位置施工,即使护坡桩有扩径现象也对其施工无影响,有着其它工艺所不具备的优越性。
[0028] (3)提出了新的工作机理,在潜孔冲击器的高频振动下,高压水、高压气、高频振动产生联动机理,成桩直径较大,最大可达到1400mm,且桩身强度较高。
[0029] (4)工艺过程清楚,易于施工操作,质量及工期有保证。
[0030] (5)废浆排放量小,水泥利用率高,有效的节约了工程成本。
附图说明
[0031] 图1为本发明潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺的一具体实施例的流程图。
[0032] 图2为本发明的潜孔冲击高压旋喷注浆设备的一具体实施例的结构示意图。
[0033]图3为利用本发明的工艺和设备形成的帷幕桩与护坡桩的截面示意图。[0034]图4为本发明的潜孔冲击高压旋喷注浆设备的一具体实施例中所采用的组合钻具结构的示意图。
[0035] 图5A为本发明的潜孔冲击高压旋喷注浆设备的一具体实施例中所采用的喷射器的结构示意图。
[0036] 图5B为图5A中喷射器的俯视示意图。
[0037] 图6A为本发明的潜孔冲击高压旋喷注浆设备的一具体实施例中所采用的气浆分离减震装置的结构示意图。
[0038] 图6B为图6A中沿2-2线的剖视示意图。
[0039] 图6C为沿图6A中3-3线的剖视示意图。
[0040] 附图标号说明:
[0041] 10、潜孔锤冲击器 20、喷射器
[0042] 21、高压注浆管接头 22、上部连接接头 23、高压喷嘴
[0043] 24、浆液管 25、下部连接接头 26、固定架
[0044] 30、钻杆 40、气浆分离减震装置 41、连接接头
[0045] 42、上部连接法兰盘 43、气浆分离装置 430、壳体
[0046] 431、骨架橡胶密封圈 432、进气孔 433、储气室
·[0047] 45、减震装置 451、减震胶垫 452、减震弹簧
[0048] 453、螺栓 46、下部连接法兰盘 48、连接凸台
[0049] 50、长螺旋动力头 71、空压机 72、潜孔锤冲击器润滑油箱
[0050] 77、高压空气管路 81、搅浆桶 82、滤浆桶
[0051] 83、储浆桶 84、储水桶 85、浆水控制阀
[0052] 86、高压注浆泵 87、高压浆液管路 90、钻机机架
[0053] 200、原状土体 201、旋喷桩 202、护坡桩
[0054] 203、拟建结构外墙 204、预留工作面
具体实施方式
[0055] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0056] 如图所示,本发明提出一种潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺,其利用潜孔锤冲击器在冲击下沉过程中产生一定的振动冲击作用,通过高压空气驱动冲击器,利用振动和高压空气对土体结构产生破坏作用,同时,在冲击器上部利用高压水射流辅助的切割土体作用;利用高压水、气和振动对土体的切割破坏为后续喷射水泥浆提供条件,在潜孔冲击器的高频振动下,高压水、高压气、高频振动产生联动机理,使周围土体迅速软化,处于一种流塑状态,在高压泵转为喷射高压水泥浆后,这种流塑状态的土和水泥浆充分混合,形成直径较大、混凝土均匀的水泥土桩。
[0057] 较佳地,结合图1、图3所示,本发明用于止水帷幕桩的施工时,该施工工艺步骤包括:[0058] I)在施工完毕后的护坡桩202之间施放桩位,将旋喷帷幕桩201布置在两根护坡桩之间的中心位置或该点后的一定距离。
[0059] 2)潜孔冲击高压旋喷钻机就位后,开动大功率动力头旋动钻杆,向钻杆底部的冲击器提供高压空气,冲击器在高压空气驱动下开始工作,在冲击、振动和高压空气作用下,钻头部分一边破坏土体一边下沉钻进,当遇到坚硬地层或块体时,直接冲击破碎。钻进的同时,向喷头提供高压水,冲击器上部的喷头在不小于20MPa的压力下侧向(垂直钻进方向)喷射高压水流,切割软化土体。
[0060] 3)经过反复提钻下钻,使钻杆周围一定范围内的土体充分软化,再将喷射高压水切换为喷射高压水泥浆,经过上下反复提钻下钻,形成水泥土桩(或其他形状的水泥土凝固体)。参照图3所示。
[0061] 可选择地,在步骤3)后还包括:根据地层土质情况结合试桩结果进行验收,必要时进行重复旋喷;另一方面,必要时可对孔口进行补浆作业。
[0062] 可选择地,在步骤3)后还包括:按照规范要求留置试块,进行桩身强度试验和渗透性试验。
[0063] 在所述步骤I)中,将旋喷帷幕桩布置于两护坡桩正中心向基坑外偏移100mm,与护坡桩搭接不小于100mm。
[0064] 此外,钻具喷射注衆时的提升速度为0.3〜1.5m/min,通常不大于1.2m/min。
[0065] 现有工艺排桩施工在浇注水下砼时便会在此处形成扩径(俗称“大肚子”),钻头一旦遇上扩径现象则会出现桩位偏移或无法钻进现象。本发明能够克服前述缺陷,如图3所示,拟建结构外墙203内侧有预留工作面204,原状土体200内已施工完成的围护结构护坡桩202,利用本发明的上述工艺在相邻的护坡桩之间形成旋喷桩201,这些旋喷桩能更好的与支护体系(护坡排桩)咬合,可以满足最小排桩间距的施工要求,并能保证施工质量和良好的止水效果,弥补现有施工工艺的不足,节约材料成本。
[0066] 作为对上述施工工艺的应用,本发明还提出一种潜孔冲击高压旋喷注浆设备,结合图2至图6C所示,该设备包括钻机、钻杆组合结构、喷浆装置、钻头、高压空气供给管路及高压注浆管路;其中所述钻机采用长螺旋钻机机架90,钻头采用潜孔锤冲击器10,所述钻杆组合结构内部设有贯通至钻头的浆液管及其外侧的环空状高压空气通路;高压空气通过钻杆组合结构的高压空气通路到达钻头,驱动潜孔锤冲击器;高压注浆管路连接到钻杆组合结构的上部,高压水泥浆或高压水通过设置在钻杆组合结构内的浆液管到达喷浆装置。
[0067] 本发明中,其主要改进点在于所采用的组合钻具结构(如图4所示),该组合钻具结构包括钻杆组合结构、喷浆装置和钻头,下面详细说明。
[0068] 由于无需将孔底的土排出,因此,钻杆组合结构较佳是采用石油钻探钻杆30,即外周不带叶片的光杆,而非原长螺旋钻机通常采用的带有螺旋叶片的长螺旋钻杆。
[0069] 本发明中,是以高压空气作为潜孔锤冲击器10的驱动动力,较佳地,作为驱动动力的高压空气具有不小于2.0MPa的压力。本发明的较佳实施例中,高压空气管路77与大功率空压机71相连,较佳地,该高压空气管路77上还设有潜孔锤冲击器的润滑油箱72 (请参见图2所示);高压注浆管路87与高压泵86相连,而高压泵86连接水泥浆制浆系统和供水装置,具体地,该水泥浆制浆系统包括搅浆桶81、滤浆桶82、储浆桶83,供水装置包括储水桶84,储浆桶83和储水桶84通过浆水控制阀85与高压泵86连接,以便能够通过管路连接至钻杆上端,提供高压水或高压水泥浆。
[0070] 本发明中,还提出一种新型喷浆装置,用于与所述气动冲击器结合,如图5A、图5B所示,该喷浆装置为一喷射器20,用于固定在潜孔锤冲击器10的上端,喷射器20包括沿轴向延伸的中心浆液管29以及中心浆液管外围的环空状高压空气通路28,中心浆液管29上端通过高压注浆管接头21与贯通所述钻杆组合结构的浆液管连接并相通,喷射器20侧壁开设有与中心浆液管29相连通的侧向浆液喷口,所述喷射器20的高压空气通路28与钻杆组合结构中心的高压空气通路相通,且另一端与冲击器10相通,为冲击器10提供驱动动力。
[0071] 进一步地,喷射器20的上、下端是分别利用上部连接接头22和下部连接接头25与钻杆下端、冲击器上端相连接,较佳地,上部连接接头22和下部连接接头25采用锥形丝扣结构,以在固定并连通的同时提供可靠的密封。如图5B所示,所述喷射器20的顶部设有用于固定浆液管29的固定架(或固定板)26,该固定架26与喷射器20内壁间形成空隙,以作为高压空气通路。
[0072] 如图5A、图5B所示,喷射器侧壁的喷口内装设有高压喷嘴23,喷嘴23可以通过无缝钢管与喷射器中央的中心浆液管连接,拆装方便。本发明的一具体实施例中,该高压喷嘴23采用空心硬质高强螺栓230,该螺栓230与前述无缝钢管螺接,且该高压喷嘴23内镶嵌有硬质合金的内衬套231,内衬套231沿高压喷嘴23轴向伸出至高压喷嘴23外,较佳地,内衬套231的壁厚不小于1mm,能承受高压和耐磨,且不易堵塞。喷嘴直径可以根据施工技术要求采用1.8、2.0、22型。
[0073] 本发明中,可以根据实际需要设置喷嘴的位置、方向和数量,较佳地,喷射器20沿径向上的不同角度在不同的高度设有两到三组喷嘴,每组喷嘴至少包括上下两个喷嘴,且各喷嘴的轴向投影位置不相重合,较佳是均匀间隔设置。如图所示的具体实施例中,该喷射器20背向设有左右两组喷嘴,即两组喷嘴相互间隔180度,其中左侧的一组喷嘴位置偏下,右侧的一组喷嘴位置略靠上方,这样能够在保证喷射器刚度的前提下达到均匀的旋喷效果。
[0074] 由于现有高压喷射工艺所采用的喷嘴比较单一,方向基本固定,而且,喷嘴和喷射器是一体结合的,甚至是结合在钻头上,因此,每次整体更换的成本较高,单一修复时喷嘴寿命较短,喷嘴设置较多时较易堵管,喷嘴设置较少时成孔的自然条件和技术标准有一定局限性。本发明利用具有上述喷嘴的喷射器,不仅喷嘴寿命周期长,而且更换简便,中间环节少,同时避免了在更换和修复时造成其他部位损坏的风险。
[0075] 结合图4所示,在本发明的一较佳实施例中,钻杆组合结构由上而下包括同轴串接的动力头、气浆分离减震装置40及钻杆30,所述动力头可直接采用现有长螺旋钻机的动力头(以下简称长螺旋动力头50),所述气浆分离减震装置40设有进气口,高压空气管路77与该进气口相连,高压注浆管路87连接到长螺旋动力头50,即注浆泵的注浆管通过动力头上部的高压管路与钻杆的中心管内的注浆管连接,高压水泥浆或高压水经过贯通长螺旋动力头50、气浆分离减震装置40、钻杆30的浆液管而由喷浆装置喷出。
[0076] 如图6A、图6B、图6C所示,本发明提出的气浆分离减震装置包括气浆分离装置和减震装置,具体地,该气浆分离减震装置40具有一管体400,浆液管874轴向贯通设于该管体400中心,气浆分离装置43设于所述管体400的上部,减震装置45设于管体400下部,具体为:
[0077] 气浆分离装置包括管体和所述管体外周套设的进气结构,所述管体中心沿轴线贯通设置有浆液管,管体的侧壁沿径向开设一个或多个进气孔432,管体内壁与浆液管间隔设置形成环空部分,外部高压空气管路通过该进气结构、进气孔432与环空部分连通形成高压空气通路。如图所示,环空部分顶部封闭,且所述浆液管的上、下端分别设有螺纹连接接头41。进一步地,如图6A所示,进气结构包括筒状的壳体430,该壳体430套设于管体外周,以在管体的进气口与外部高压空气管路间形成相互连通的环形储气室433。较佳地,管体的进气孔与外部高压空气管路为相对设置,进气结构还包括设置于该壳体内的橡胶密封结构,该橡胶密封结构包括分别设于该进气孔432上方和下方的多个橡胶密封圈431。
[0078] 减震装置45主要包括管体外周套设的减震胶垫451,气浆分离装置43包括位于管体400上方的上部连接法兰盘42以及位于管体下方的下部连接法兰盘46,管体的下部外周向外凸设有连接凸台48,该连接凸台48与下部连接法兰盘46上设有对应的胶垫固定孔,管体的连接凸台48与下方的下部连接法兰盘46间形成凹槽,减震胶垫451上设有与胶垫固定孔相对应的穿孔,以便利用螺栓453将减震胶垫451设于凹槽内而卡设于该连接凸台48与下部连接法兰盘46间。如图6A所示,为了进一步增强减震效果,在减震胶垫451的穿孔内还设有减震弹簧452,减震弹簧452套设在螺栓453外周,较佳地,每个减震胶垫的穿孔内设有单独的减震弹簧452,使得每个螺栓453外周串设有多个减震弹簧452。通过减震装置的设置,可有效地减少钻头冲击对动力头的震动影响。
[0079] 减震胶垫431呈圆环状,对应的管体下端402的外周内缩形成用于安装减震胶垫431的阶梯结构。在减震装置完成组装后,利用前述减震弹簧452和减震胶垫451使得该管体部分与下部连接法兰盘46间具有一较小的间隙(较佳是Icm〜2cm),以利于缓冲减震。
[0080] 本发明的减震装置中,减震胶垫431有良好的密封性,可以减少气动损失量,还可以起到减震作用;在整个系统组装紧固螺栓时,减震弹簧452对减震胶垫451的螺栓孔起到很好的支撑作用,同时能够减少其它部位带来的冲击,具有缓冲效果。
[0081] 如图所示,较佳地,气浆分离减震装置通过位于管体400上方的上部连接法兰盘42与长螺旋动力头的连接法兰盘螺纹连接,并通过位于管体下方的下部连接法兰盘46与钻杆上端的连接法兰盘螺纹连接。此外,所述管体400上端401处是形成锥形丝扣结构,以与上部连接法兰盘42相密封连接;管体400下端402处形成外圆内方的结构,即其下端形成方形内孔403,而下部连接法兰盘46上端462形成外方内圆的结构,以便将下部连接法兰盘46上端462套装定位于管体400下端402。
[0082] 贯设于本发明的钻杆组合结构及喷射器中的浆液管路是采用高压软管或无缝钢管,优选是采用高压软管,以减小钻头冲击时对浆液管路的影响。
[0083] 综上所述,本发明的机械系统部分包括钻机、钻杆(内含浆液管路)、喷浆系统、钻头(冲击器),空压机和供气管路,高压泵和高压管路,制浆系统,供水管路。
[0084] 其中钻机机架部分米用长螺旋钻机机架(不含其中的长螺旋钻杆部分),钻杆米用石油钻探钻杆,钻杆的外径较佳为90mm〜300mm(例如142mm),钻头部分为气动冲击器。机械整体的质量易于控制,质量稳定性好,配件齐全,方便维修。长螺旋钻机机架稳定好,架身高,动力强,导向性好,效率高;钻杆刚度强,采用带密封的锥丝连接,导向性好,坚实耐用;气动冲击钻头具有主动冲击能力,钻进效率高,对坚硬块体、岩石或硬地层(卵石地层)通过能力强,且导正效果好,易于控制钻杆垂直度。
[0085] 本发明在具体应用时适应性强,只需将长螺旋钻机的长螺旋钻杆部分更换为本发明的经改进加工的石油钻杆部分,将高压管路连接到钻杆上部,其中一路为高压空气,另一路为高压水泥浆或高压水,高压空气通过钻杆直接到达钻头,驱动冲击器;高压浆体或水通过设置在钻杆内的管路到达喷楽.系统。闻压空气由大功率空压机提供,闻压楽■体或水由闻压泵提供,高压泵连接水泥浆制浆系统和供水管路。
[0086] 施工时,钻进就位,开动钻杆(旋转),向钻头(冲击器)提供闻压空气,向喷头提供高压水,冲击器在高压空气驱动下开始工作,在冲击、振动和高压空气作用下,钻头部分一边破坏土体一边下沉钻进,当遇到坚硬地层或块体时,直接冲击破碎。钻进的同时,钻头上部的喷头在约20MPa的压力下侧向(垂直钻进方向)喷射高压水流,切割软化土体。
[0087] 经过反复提钻下钻,使钻杆周围一定范围内的土体充分软化,将喷射高压水切换为喷射水泥浆,再经过上下反复提钻下钻,使土和水泥浆充分混合,制成水泥土桩(或其他形状的水泥土凝固体)。
[0088] 本发明充分利用了各部分的优点,组合后的机械解决了在软硬相间的复杂地层中进行高压喷射注浆的工艺问题。
[0089] 本发明的工艺具有创新性,冲击器在冲击下沉过程中产生一定的振动冲击作用,冲击器头部喷出大量高压空气,振动和高压空气对土体结构具有一定的破坏作用,为冲击器上部高压水射流切割土体起到辅助作用。高压水进入土体后冲击器的振动作用对土体软化起到辅助作用。高压水、气和振动对土体的切割破坏为下一步喷射水泥浆提供了条件,使水泥浆喷射的范围加大,水泥浆和土的混合更充分。
[0090] 该工艺与以前的单管、双管和三管喷射方法不同,而且其机械结构部分简单,工艺过程清楚,易于施工,效 果较好。
[0091] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将结合本发明的具体应用实施例进行例示性的说明,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些试验应用例,对于本领域技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图及应用。
[0092] 应用例1:某地铁一标段止水帷幕工程
[0093] 1、工程概况
[0094] 该标段位于某市一公园内,为某区间明挖基坑的止水帷幕,基坑开挖面积35000m2,开挖深度11.5m,基坑安全等级为一级,破坏后果很严重。
[0095] 2、工程地质条件
[0096] 施工范围内上覆第四系人工堆积层(Q4ml),第四系全新统海相沉积层(Q4m),下伏震旦系长岭子组板岩(Zwhc)。各地层分述如下:
[0097] (I)第四系全新统人工堆积层(Q4ml):①i素填土,①2杂填土。
[0098] (2)第四系海相沉积层(Q4m) 3淤泥质粉质粘土,②6卵石。
[0099] (3)震旦系长岭子组板岩(Zwhc) =(U)1全风化板岩,(12)2强风化板岩,(12)3中风化板岩。
[0100] 3、地下水特征
[0101] 本场地地下水按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水,属潜水,略具承压性。[0102] 孔隙水主要赋存在填土层及卵石层中,基岩裂隙水主要赋存于强风化及中风化板岩中,在勘察期间稳定地下水位埋深2.64〜3.85m,水位高程1.17〜1.66m。年水位变幅约I〜3m。
[0103] 孔隙水为海水,受潮汐影响。地下水水位随海水水位变化(略有滞后),年平均潮位-0.066m,年高潮位1.954m,年最低潮位_2m,年平均高潮位0.964m,年平均低潮位-1.116m,勘察期间稳定水位埋深1.4〜2.0m,水位高程0.75〜1.75m,抗浮水位标高为2.0m。
[0104] 地下水的排泄途径主要是蒸发和水平向海排泄,主要补给来源为大气降水垂直补给和海水的侧向补给。
[0105] 该地下水对混凝土结构具弱腐蚀性,按长期浸水,该地下水对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性;按干湿交替,该地下水对钢筋混凝土结构中钢筋具强腐蚀性。地下水总矿化度为34795.6〜38541.0mg/1,为海水。
[0106] 4、降水方案
[0107] 根据地质报告,本站位于填海地区,车站周围地下水与海水连通,坑外降水不可行,经论证,决定采用止水帷幕,坑内降水方案。
[0108] 5、施工设计参数
[0109] (I)止水帷幕设计采用双排旋喷桩法,设计桩径为700mm,桩长12.0〜25.5m,桩距400mm,两桩咬合部份为150mm。
[0110] (2)旋喷采用42.5普通硅酸盐水泥,水泥掺量约为30%,必须满足《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002),旋喷用水满足《混凝土搅拌用水》(JGJ63-89)要求。
[0111] (3)旋喷桩底面埋入至强风化层底面,顶面设置在水位以上0.5m。
[0112] (4)桩的垂直度允许偏差0.5%以内。
[0113] (5)喷射用水泥浆水灰比1: 1,喷射压力25〜30kPa。
[0114] (6)旋喷桩止水帷幕渗透系数k ( 1.0X IO-Ws0
[0115] (7)钻具喷射注浆时的提升速度不得大于1.2m/min。
[0116] (8)正式施工前需进行试桩,及时调整施工参数,以便满足施工要求。
[0117] 6、施工流程
[0118] (I)桩位测放。
[0119] (2)水泥、水、外加剂(三乙醇胺和水玻璃)等原材料进场复试。
[0120] (3)施工机械(潜孔冲击高压旋喷钻机、空压机、高压注浆泵、搅浆桶、配电柜、滤网等)组装就绪。
[0121] (4)按照设计水灰比配置水泥浆,经搅拌均匀并过滤后放入储浆池。
[0122] (5)钻机就位,开动钻机,按照前述施工工艺步骤进行旋喷桩的成孔成桩。
[0123] (6)按照规范要求留置试块,进行桩身强度试验和渗透性试验。
[0124] 7、止水效果
[0125] 旋喷桩止水帷幕施工完成后进行了基槽的开挖,经对帷幕桩进行剥露检查,成桩情况良好,桩径> 700mm,桩长、桩径、桩身强度等符合设计要求。开挖至基底标高无漏水现象,止水效果良好。
[0126] 相邻场地采用传统旋喷桩施工方法,但止水效果较差,至今仍无法进行开挖作业。[0127] 通过本次施工,使本工艺和传统旋喷桩的施工效果有了直观的对比,更加突出了本工艺对难以钻进的砂卵砾石层,漂石、水工填海、抛石、混凝土旧基础、基岩等复杂地层的适应性,在工程的质量、工期、造价等各方面均比传统旋喷桩有较大的优势。
[0128] 应用例2:某地地铁某站
[0129] 1、工程概况
[0130] 该站是该地铁线的一个中间站。车站位于某广场下,且沿该广场一字形布置,为地下二层12m岛式车站。
[0131] 车站有效站台中心里程处顶板覆土厚度为2.5m,底板埋深约15.81m。本站明挖基坑开挖宽度21.lm,深度16.01m,根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)的有关规定,本站基坑安全等级属于一级。经综合比较及计算,车站主体围护结构采用直径800mm,桩间距1200_的钻孔灌注桩。本站围护结构采用止水方案,止水帷幕原设计采用长螺旋旋喷搅拌桩施工。
[0132] 2、工程地质条件
[0133] (I)地层情况
[0134] 地层表层为人工填土,其下为第四纪全新世冲洪积层(Q41al+pl)、第四纪晚更新世冲洪积层(Q3al+pl)。现将钻孔揭露深度范围内土层从上至下分别描述如下:
[0135] I)人工填土层:粉土填土①层,杂填土①:层。
[0136] 2)第四纪全新世冲洪积层:粉土③层,粉质粘土③1层,粉细砂③3层,粉质粘土④层,粉土@2层,粉土@3层。
[0137] 3)第四纪晚更新世冲洪积层:粉细砂©2层,粉质粘土⑥层,粉土©2层,圆砾⑦层,中粗砂⑦i层,粉细砂⑦2层,粉土⑦3层,粉质粘土⑦4层,粉质粘土⑧层,粉土⑧2层,粉细砂层。
[0138] (2)、工程水文地质条件
[0139] 本场地赋存三层地下水,地下水类型分别为潜水(二)、层间潜水(三)和承压水(四)。本次勘察未见上层滞水,但由于大气降水、管道渗漏等原因,不排除局部存在上层滞水的可能性。地下水概况如下:
[0140] 第一层:潜水,水位埋深10.10〜11.60米,标高22.60〜24.48米。其主要含水
层为细中砂④3层、粉土④2层。
[0141] 第二层:层间潜水,初见水位埋深15.75〜17.00米,标高17.32〜18.73米。其
主要含水层为粉细砂©2层。
[0142] 上层滞水主要接受大气降水、管道渗漏及侧向径流补给,以蒸发、侧向径流、向下越流补给的方式排泄。潜水含水层岩性为细中砂④3层和粉细砂⑤2层,该层水透水性好,主要接受侧向径流及越流补给,以侧向径流方式排泄。第三层承压水在基础以下较大深度,对本工程影响不大。
[0143] 3、原长螺旋旋喷搅拌桩止水帷幕设计参数
[0144] 原设计采用长螺旋旋喷搅拌桩(请参见专利申请号201010238461.4)作为止水帷幕,在围护桩之间设置,与围护桩咬合。搅拌桩原设计位于两桩正中心向基坑外偏移300mm,设计直径不小于900mm,与护坡桩搭接不小于100mm,同时护坡桩顶高出潜水(二)水面lm、桩底嵌入基坑底面线以下5m。[0145] 4、原长螺旋旋喷搅拌桩止水帷幕存在的问题
[0146] (I)前置工序繁琐:根据建委及四中心安质二字【2010】006号文相关规定,在围护桩施工前先进行人工探孔至原状土,以确保地下管线安全。根据我标段实际情况,每个探孔基本在5m左右,由于人工探孔内径及护壁砼(15cm厚、C25)的影响,则桩体灌注砼后顶部实际直径为1100mm,下部直径为800mm。因此在施工搅拌桩时,若采用原工艺施工,需要人工凿除混凝土后方可长螺旋下钻引孔,否则无法实现帷幕桩的互相咬合。
[0147] (2)钻进可行性差:护坡桩在施工过程中,穿越砂层、砾石层时,极易因机械搅动或地下水涌水等外力影响下出现塌孔、流砂等现象,浇注水下砼时便会在此处形成扩径(俗称“大肚子”),钻头一旦遇上扩径现象则会出现桩位偏移或无法钻进现象,若不在桩处进行补桩,则无法达到止水效果。
[0148] 上述问题已经在该地铁线其它标段显露,对止水帷幕的工程质量造成较大影响,经论证研究决定,为彻底解决长螺旋旋喷搅拌站遇坚硬地层或结构无法施工的问题,本项目采用潜孔冲击高压 旋喷桩的工艺进行止水帷幕施工。
[0149] 5、主要施工技术参数
[0150] (I)帷幕桩现布置于两桩正中心向基坑外偏移100mm,设计直径不小于900mm,与围护桩搭接不小于100_,同时帷幕桩顶高出潜水(二)水面lm、桩底嵌入基坑底面线以下5m ο
[0151] (2)施工前对桩位进行校验,保证帷幕桩位准确。
[0152] (3)潜孔冲击高压旋喷钻机就位、调平、调直,保证钻杆垂直度偏差不大于0.5%。
[0153] (4)将长螺旋潜孔锤钻机进行调试,确保设备运转正常,输浆管路通畅,供浆正常。
[0154] (5)旋喷采用42.5普通娃酸盐水泥,水泥掺量约为20%。
[0155] (6)喷射用水泥浆水灰比1: 1,喷射压力25〜30kPa。
[0156] (7)旋喷桩桩身强度等级彡1.2MPa,止水帷幕渗透系数k ( 1.0X 10_7cm/s。
[0157] (8)钻具喷射注浆时的提升速度不得大于1.2m/min。
[0158] (9)正式施工前需进行试桩,及时调整施工参数,以便满足施工要求。
[0159] 6、成桩效果
[0160] 帷幕桩先进行了 3根试桩施工,开挖后成桩效果如下:
[0161] (I)开挖至3.5m,成桩直径为IlOOmm ;
[0162] (2)开挖到5.0m,成桩直径为1250mm ;
[0163] (3)开挖到8.0m,成桩直径大于1300mm ;
[0164] (4)经现场取芯试验,桩身强度为3.0MPa0
[0165] 在施工过程中对工程桩进行开挖揭露,显示旋喷桩与护坡桩咬合良好,止水效量显著。
[0166] 本发明的上述两个实施例表明,本工艺贯彻了国家有关技术、经济政策,做到了技术先进、经济合理、安全适用、确保质量、保护环境。不但适用于素填土、杂填土、粘性土、砂土等一般地层,且适合于难以钻进的砂卵砾石层,漂石、水工填海、抛石、混凝土旧基础、基岩等复杂地层,特别是在护坡桩+止水帷幕支护体系中,有着其它工艺所不具备的优越性。
[0167] 本发明已以前述实施例详细解释,以便充分地理解用于提供这些加强的特征以及操作上的改进。此外,还可以理解这些附加的构造特征以及操作改进可以单独使用或者相互结合使用,而且单独或者结合上述所有的特征和元件以及附图中示出的实施方式的说明。因此,应该理解本实用新型不限于任何具体的特征或元件的结合,并且在此描述的任何期望的特征组合都能被实施而不偏离本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,该设备包括钻机机架、钻杆组合结构、喷浆装置、钻头、高压空气管路及高压注浆管路;其中所述钻机机架采用长螺旋钻机的机架,钻机转动系统为长螺旋钻机动力头;所述钻头采用潜孔锤冲击器,所述钻杆组合结构内部设有贯通至所述钻头的浆液管及其外侧的环空状高压空气通路;高压空气管路、高压注浆管路分别连接到钻杆组合结构,高压空气通过钻杆组合结构内的高压空气通路到达钻头,驱动所述冲击器;高压水泥浆或高压水通过设置在钻杆组合结构内的浆液管到达喷浆>j-U ρςα装直。
2.如权利要求1所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述钻杆组合结构包括石油钻探钻杆。
3.如权利要求1所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述高压空气管路与大功率空压机相连,所述高压注浆管路与高压泵相连,且所述高压泵连接水泥浆制浆系统和供水管路。
4.如权利要求2所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述钻杆的外径为90mm 〜300mm。
5.如权利要求1所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述喷浆装置包括喷射器,所述喷射器设于所述潜孔锤冲击器的上端,所述喷射器包括沿轴向延伸的中心浆液管以及中心浆液管外围的环空状高压空气通路,所述中心浆液管上端与贯通所述钻杆组合结构的浆液管相通,所述喷射器侧壁开设有与中心浆液管相连通的侧向浆液喷口,所述喷射器的高压空气通路与钻杆组合结构内的高压空气通路相通,且另一端与冲击器相通,为冲击器提供驱动动力。
6.如权利要求1所述的潜·孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述钻杆组合结构由上而下包括同轴串接的所述长螺旋钻机动力头、气浆分离减震装置以及所述钻杆,所述气浆分离减震装置设有进气口,所述高压空气管路与该进气口相连,所述高压注浆管路连接到长螺旋钻机动力头,高压水泥浆或高压水经过贯通所述长螺旋钻机动力头、气浆分离减震装置、所述钻杆的浆液管路而由所述喷浆装置喷出。
7.如权利要求6所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述气浆分离减震装置包括管体,所述管体的上部为气浆分离部分,其下部为减震部分,所述浆液管路轴向贯通设于该气浆分离减震装置的管体内,所述管体的上部侧壁开有所述进气口,所述浆液管路与所述气浆分离减震装置的内壁间隔设置,二者间的环空部分与所述进气口相连形成高压空气通路;所述减震部分包括于所述管体外周套设的减震胶垫。
8.如权利要求6所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述分离减震装置通过位于管体上方的上部连接法兰盘与长螺旋钻机动力头的连接法兰盘螺纹连接,并通过位于管体下方的下部连接法兰盘与钻杆上端的连接法兰盘螺纹连接。
9.如权利要求7所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述气浆分离部分还包括所述进气口处设置的橡胶密封结构。
10.如权利要求7所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述管体的下部外周向外凸设有连接凸台,该连接凸台与下部连接法兰盘上设有对应的固定螺孔,所述管体的连接凸台与下方的下部连接法兰盘间形成凹槽,所述减震胶垫设于凹槽内而卡设于该连接凸台与下部连接法兰盘间。
11.如权利要求1所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述高压空气具有不小于2.0MPa的压力。
12.如权利要求5所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,贯设于钻杆组合结构及喷射器中的浆液管是采用高压软管或无缝钢管制成。
13.如权利要求8所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述气浆分离装置是利用锥形丝扣连接所述上部连接法兰盘;所述气浆分离装置与所述下部连接法兰盘是利用方块状的凹凸结构相连接。
14.如权利要求5所述的潜孔冲击高压旋喷注浆设备,其特征在于,所述喷射器的上、下端是分别利用锥形丝扣与钻杆下端、冲击器上端相连接。
15.一种潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺,其利用潜孔锤冲击器在冲击下沉过程中产生一定的振动冲击作用,通过高压空气驱动冲击器,利用振动和高压空气对土体结构产生破坏作用,同时,在冲击器上部利用高压水射流辅助的切割土体作用;利用高压水、气和振动对土体的切割破坏为后续喷射水泥浆提供条件,在潜孔冲击器的高频振动下,高压水、高压气、高频振动产生联动机理,使周围土体迅速软化,处于一种流塑状态,在高压泵转化为喷射高压水泥浆后,这种流塑状态的土和水泥浆充分混合,形成直径较大、混凝土均匀的水泥土桩。
16.如权利要求15所述的潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺,其特征在于,该施工工艺包括: (1)测量放线定桩位:在施工完毕后的护坡桩之间施放桩位,将旋喷帷幕桩布置在两根护坡桩之间的中心位置或该中心位置后的一定距离; (2)钻进作业:潜孔冲击高压旋喷钻机就位后,开动动力头旋动钻杆,向钻杆底部的潜孔锤冲击器提供高压空气,潜孔锤冲击器在高压空气驱动下开始工作,在冲击、振动和高压空气作用下,钻头部分·一边破坏土体一边下沉钻进,当遇到坚硬地层或块体时,直接冲击破碎; (3)喷射高压水:钻进的同时,向位于钻杆下方、冲击器上部的喷射器提供高压水,其喷头在不小于20MPa的压力下侧向喷射高压水流,切割软化土体,经过反复提钻下钻,使钻杆周围一定范围内的土体充分软化; (4)喷射高压水泥浆:当钻杆周围预定范围内的土体充分软化后,将所喷射的高压水切换为高压水泥浆,经过上下反复提钻下钻,形成水泥土桩。
17.如权利要求16所述的潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺,其特征在于,在步骤(4)后,还包括:根据地层土质情况结合试桩结果进行验收,必要时进行重复旋喷。
18.如权利要求16所述的潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺,其特征在于,在步骤(4)后,还包括对孔口进行补浆作业。
19.如权利要求16所述的潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺,其特征在于,在所述步骤(O中,若旋喷桩的用处为止水帷幕桩时,将旋喷帷幕桩布置于两护坡桩之间的中心位置或该中心位置向基坑外偏移一定距离,设计直径不小于700mm,与护坡桩搭接不小于100mm。
20.如权利要求16所述的潜孔冲击高压旋喷桩的施工工艺,其特征在于,钻具喷射注衆时的提升速度为0.3m/min〜1.5m/min。
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