CN103074887A - 钻喷一体化地基处理方法及专用钻具组件 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种钻喷一体化地基处理方法，钻孔前，高压水和高压空气向下切割钻孔位置的地层，钻孔时，高压水和高压空气向下和延钻头的径向方向切割地层，灌浆时，高压水泥浆液向钻头径向方向喷射，高压空气向下和延钻头的径向方向切割地层的方法，不用钻先导孔后更换设备再进行灌浆作业，所以是一种工序简单、节约时间、降低成本、加速钻孔，而且能减少钻头磨损的钻喷一体化地基处理方法；本发明还涉及钻喷一体化地基处理方法的专用钻具组件，专用钻具组件在钻孔时喷射高压空气和高压水,在钻孔结束后提升钻具组件时喷射高压水泥浆液和高压空气,实现了钻孔和灌浆一道工序完成，不仅方便钻孔作业而且增加了钻头寿命的钻具组件。

Description

钻喷一体化地基处理方法及专用钻具组件

技术领域

本发明涉及一种高压喷射灌浆施工方法和采用钻喷一体化地基处理方法的专用钻具组件。

背景技术

目前岩土工程防渗加固处理的传统方法为先钻先导孔，后下喷射管进行高压喷射灌浆，该传统方法只在提升时才进行高压喷射，因此称为单程式高压喷射灌浆，由于是先钻孔然后下喷射管进行高压喷射，因此其钻孔时，不用高压射流的钻孔直径较小，并且高喷时水泥用量大，水泥浪费严重，而且由于单程式高压喷射灌浆采用钻机钻孔，然后再用高压喷射灌浆设备进行高压喷射，所以设备复杂，人员繁冗，提高了工程造价，从技术上来讲，单程式高压喷射的钻孔垂直度是通过先钻孔，然后用测斜仪下放至钻孔内进行斜度测量，工序复杂，如果测斜出现孔斜率过大，还需要洗孔纠偏，甚至重新造孔，当单程式高压喷射灌浆在摆喷时，其喷嘴部位的成墙较薄，不能保证工程质量，另外，单程式高压喷射灌浆是先用钻机造孔，后移开钻机，将高压喷射台车移动至钻孔位置，然后下喷浆管进行高压喷射，这种操作存在的弊端在于当遇到卵石、砂及淤泥地层时，钻机的钻孔很难成孔，并且容易塌孔、埋钻杆，无法放置喷射管，使用时，需要10位熟练操作人员（现场约6～7人，后场3人）进行操作，费时费力。

目前，所使用的钻具组件通常是简单的、没有其他功能的单纯钻具，利用钻孔台车的电机带动钻杆及钻头旋转钻孔作业，采用普通的钻头实际使用深度小于1600m,所以钻头在日常使用时磨损大，需要经常更换。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工序简单、节约时间、降低成本、加速钻孔，而且能减少钻孔磨损的钻喷一体化地基处理方法，本发明还提供一种实施上述方法的专用钻具组件，不仅要使钻孔作业更方便而且需要增加钻头寿命的钻具组件。

为解决上述技术问题，本发明供了一种钻喷一体化地基处理方法，包括以下步骤：

a)使钻喷一体台车移动至钻孔位置，将钻头设置在钻孔位置上方3～5cm处；

b) 通过钻杆内的水管和气管分别输送高压水和高压空气，使得高压水和高压空气延钻头前端的喷水孔和喷气孔向下切割钻孔位置的地层，高压空气以0.6～0.8Mpa的压强向下喷射,高压水以20～40Mpa的压强向下喷射。

c) 驱使传动系统带动钻杆及钻头以15～30cm/min、20～40r/min的速度水平旋转下沉，在此过程中，高压水以20～40Mpa的压强分别延钻头前部的喷水孔向下和延钻头后部的喷水孔向钻头径向方向切割地层, 高压空气以0.6～0.8Mpa的压强分别延钻头前部的喷气孔向下和延钻头后部的喷气孔向钻头径向方向切割地层,直至预定深度形成钻孔，停止输送高压水，钻孔的孔位误差不大于20毫米，钻孔的垂直度的不大于0.3%；

d)钻杆内的浆管输送高压水泥浆液，高压水泥浆液以20～40Mpa的压强延钻头后部的喷浆孔向钻头径向方向喷射，高压水泥浆液静止喷射30秒后,驱使传动系统带动钻杆及钻头以6～20cm/min、20～40r/min的速度向上提升； 

e)钻头上升至高出钻孔处，停止输送高压空气，当水泥浆液充满钻孔时，停止输送高压水泥浆液，工序结束。

采用这种方法后，钻喷一体台车移动至钻孔位置，利用高压水与高压空气先对钻孔位置的地层进行垂直喷射、切割，使土层松化，方便钻孔作业，也减少钻头磨损；

然后启动传动系统驱使钻杆及钻头水平旋转下沉，在此过程中，高压水与高压空气直接对钻孔周围原始地层进行旋喷切割，高压水冲切钻杆周围的土层成流塑状，使钻杆连同钻头垂直下沉，避免了所成墙体开叉现象,直至预定深度形成钻孔，停止输送高压水；

最后通过钻杆内的浆管输送高压水泥浆液，高压水泥浆液延钻头前端的喷浆孔向钻头周围方向喷射水泥浆液，先高压水泥浆液静止喷射30秒,使得钻孔底部充满水泥浆液,防止因为地层的渗透、钻孔的塌方，钻孔内没有充满水泥浆液的情况，也避免因浆液排水固结引起防渗墙塌陷，传动系统驱使钻杆及钻头向上提升，提升时高压水泥浆液二次喷射、切割钻孔内壁的土层，使钻孔内壁的土层更均匀、密实度得以提高，同时高压空气从钻头喷气孔中喷出，使高压水泥浆液与钻孔时产生的土粒强制混合，钻头上升至高出钻孔处，先停止输送高压空气，向孔内不断注入水泥浆，直到浆液不下沉为止，再停止输送高压水泥浆液，工序结束。

将钻先导孔工序与灌浆工序有序的合二为一，使得灌浆施工作业更为简单、安全，不用担心因为钻孔周围的土质疏松造成塌孔，影响灌浆质量。

本发明还涉及钻喷一体化地基处理方法专用的钻具组件，钻具组件包括钻头和钻杆，钻杆径向截面投影小于钻头径向截面投影，钻杆内含有气管、水管、浆管；

此钻具组件的钻头内有喷气管，喷气管分别与钻头前部设置轴向方向的第一喷气孔和钻头后部径向方向上的第二喷气孔相连；钻头内有喷水管，喷水管分别与钻头前部轴向方向的第一喷水管和钻头后部径向方向的第二喷水孔相连；钻头内有喷浆管，喷浆管与钻头径向上的喷浆孔相连；

钻头的后部与钻杆固定连接，钻头的喷气管与钻杆的气管对应连通，钻头的喷水管与钻杆的水管对应连通，钻头的喷浆管与钻杆的浆管对应连通。

采用这种结构，钻杆为内含三个输送管，三个输送管是输气管、输水管、输浆管，分别用来输送高压空气、高压水、高压水泥浆液；将输水管与输浆管分离可以保证在灌浆过程中水泥浆液的浓度，而且可以防止输送管内堵塞。

钻头中喷气管分别与钻头前部设置轴向方向的第一喷气孔和钻头后部径向方向上的第二喷气孔相连，使得高压空气可以分别延钻头轴向方向向下和延钻头径向方向喷射；同样喷水管分别与钻头前部设置轴向方向的第一喷水孔和钻头后部径向方向上的第二喷水孔相连，使得高压水可以分别延钻头轴向方向向下和延钻头径向方向喷射；喷浆管与钻头后部径向方向上的喷浆孔相连，使得高压水泥浆液延钻头径向方向喷射，达到上述钻喷一体化地基处理方法中要求的特定效果。

上述钻喷一体化地基处理方法专用的钻具组件，钻杆的截面为方形优点在于方形的钻杆在旋转过程中与钻孔之间有空隙，方便使钻头第一喷气孔和第二喷气孔喷射出的高压空气排出钻孔，而且加速水泥浆液与土层的混合。

以下为了方便理解将钻喷一体化地基处理方法专用的钻具组件简略称为钻具组件。

附图说明

图1是本发明钻具组件的主视图。

图2是本发明钻具组件延A-A方向的剖视图。

图3是本发明钻具组件延B-B方向的剖视图。

图4是本发明钻喷一体化地基处理方法的工艺流程图。

具体实施方式

如图1-3所示，钻具组件包括钻头2和钻杆1，钻杆1的截面为方形，钻杆1内含有分离的三个输送管，三个输送管是输送高压空气的气管11、输送高压水的水管12、输送高压水泥浆液的浆管13，高压空气与高压水和高压水泥浆液输送压强不同，因此将气管11必须要与水管12和浆管13分离，水管12与浆管13分离可以保证在灌浆过程中水泥浆液的浓度，而且可以防止输送管内堵塞。

此钻具组件的钻头2内有喷气管21，喷气管21分别与钻头2前部设置轴向方向的第一喷气孔21a和钻头2后部径向方向上的第二喷气孔21b相连；钻头2内有喷水管22，喷水管22分别与钻头2前部轴向方向的第一喷水孔22a和钻头2后部径向方向的第二喷水孔22b相连；钻头2内有喷浆管23，喷浆管23分别与钻头2径向上的第一喷浆孔23a和第二喷浆孔23b相连。

钻头2的后部与钻杆1通过螺纹固定连接，钻头2的喷气管21与钻杆1的气管11对应连通，钻头2的喷水管22与钻杆1的水管12对应连通，钻头2的喷浆管23与钻杆1的浆管13对应连通，钻杆1径向截面投影小于钻头2径向截面投影。

如图4所示的工艺流程图，使用上述钻具组件来实施钻喷一体化地基处理方法，具体方法如下：

    实施例一

钻喷一体化地基处理方法，包括以下步骤：

a)使钻喷一体台车移动至钻孔位置，将钻头2设置在钻孔位置上方3～5cm处，达到定位的效果；

b) 通过钻杆1内的水管12和气管11分别输送高压水和高压空气，使得高压水和高压空气分别延钻头2前端的第一喷水孔22a和第一喷气孔21a向下切割钻孔位置的地层，高压空气以0.6～0.8Mpa的压强向下喷射,高压水以20Mpa的压强向下喷射，利用高压水与高压空气对钻孔位置的地层进行垂直喷射、切割，使土层松化，方便钻孔作业，也减少钻头2磨损。

c) 驱使传动系统带动钻杆1及钻头2以15cm/min、20r/min的速度水平旋转下沉，在此过程中，高压水以20Mpa的压强分别延钻头2前部的第一喷水孔22a向下切割地层和延钻头2后部的第二喷水孔22b向钻头2径向方向切割地层, 高压空气以0.6～0.8Mpa的压强分别延钻头2前部的第一喷气孔21a向下切割地层和延钻头2后部的第二喷气孔21b向钻头2径向方向切割地层,高压水与高压空气对地层进行垂直喷射、切割，使土层松化，高压水与高压空气直接对钻孔周围原始地层进行旋喷切割，冲切钻杆1周围的土层成流塑状，避免了所成墙体开叉现象, 钻头直至一定深度形成钻孔，钻孔的有效深度应超过设计深度的0.3m～0.5m，停止输送高压水，钻孔的孔位误差不大于20毫米，钻孔的垂直度的不大于0.3%；

d)钻杆1内的浆管13输送高压水泥浆液，高压水泥浆液以20Mpa的压强延钻头2后部的第一喷浆孔23a和第二喷浆孔23b向钻头2径向方向喷射，高压水泥浆液静止喷射30秒后钻孔底部充满水泥浆液,防止因为地层的渗透、钻孔的塌方，导致钻孔内没有充满水泥浆液的情况，也避免因浆液排水固结引起防渗墙塌陷，驱使传动系统带动钻杆1及钻头2以6cm/min、40r/min的速度向上提升, 提升时高压水泥浆液二次喷射、切割钻孔内壁的土层，使钻孔内壁的土层更均匀、密实度得以提高，此过程中高压空气分别从钻头2第一喷气孔21a和第二喷气孔21b中喷出，使高压水泥浆液与钻孔时产生的土粒强制混合；

e)钻头2上升至高出钻孔处，先停止输送高压空气，再向孔内不断注入水泥浆，直到浆液不下沉为止，停止输送高压水泥浆液，工序结束，水泥浆液留于地下形成水泥土混合体帷幕。

喷射完毕，及时用清水冲洗输浆管道，输浆泵内不得残存水泥浆，以防堵塞。

本方法一共使用人工5人（现场2人，后场3人），在岩石与砂卵石层中使用钻孔，钻头实际使用深度约为1984～2004m。

实施例二

钻喷一体化地基处理方法，包括以下步骤：

a)使钻喷一体台车移动至钻孔位置，将钻头2设置在钻孔位置上方3～5cm处，达到定位的效果；

b) 通过钻杆1内的水管12和气管11分别输送高压水和高压空气，使得高压水和高压空气分别延钻头2前端的第一喷水孔22a和第一喷气孔21a向下切割钻孔位置的地层，高压空气以0.6～0.8Mpa的压强向下喷射,高压水以40Mpa的压强向下喷射，利用高压水与高压空气先对钻孔位置的地层进行垂直喷射、切割，使土层松化，方便钻孔作业，也减少钻头2磨损。

c) 驱使传动系统带动钻杆1及钻头2以30cm/min、40r/min的速度水平旋转下沉，在此过程中，高压水以40Mpa的压强分别延钻头2前部的第一喷水孔22a向下切割地层和延钻头2后部的第二喷水孔22b向钻头2径向方向切割地层, 高压空气以0.6～0.8Mpa的压强分别延钻头2前部的第一喷气孔21a向下切割地层和延钻头2后部的第二喷气孔21b向钻头2径向方向切割地层,高压水与高压空气对地层进行垂直喷射、切割，使土层松化，高压水与高压空气直接对钻孔周围原始地层进行旋喷切割，冲切钻杆1周围的土层成流塑状，避免了所成墙体开叉现象，钻头直至一定深度形成钻孔，钻孔的有效深度应超过设计深度的0.3m～0.5m，停止输送高压水，钻孔的孔位误差不大于20毫米，钻孔的垂直度的不大于0.3%；

d)钻杆1内的浆管13输送高压水泥浆液，高压水泥浆液以40Mpa的压强延钻头2后部的第一喷浆孔23a和第二喷浆孔23b向钻头2径向方向喷射，高压水泥浆液静止喷射30秒后钻孔底部充满水泥浆液,防止因为地层的渗透、钻孔的塌方，导致钻孔内没有充满水泥浆液的情况，也避免因浆液排水固结引起防渗墙塌陷，驱使传动系统带动钻杆1及钻头2以20cm/min、20r/min的速度向上提升, 提升时高压水泥浆液二次喷射、切割钻孔内壁的土层，使钻孔内壁的土层更均匀、密实度得以提高，此过程中高压空气分别从钻头2第一喷气孔21a和第二喷气孔21b中喷出，使高压水泥浆液与钻孔时产生的土粒强制混合；

e)钻头2上升至高出钻孔处，先停止输送高压空气，再向孔内不断注入水泥浆，直到浆液不下沉为止，停止输送高压水泥浆液，工序结束，水泥浆液留于地下形成水泥土混合体帷幕。

喷射完毕，及时用清水冲洗输浆管道，输浆泵内不得残存水泥浆，以防堵塞。

本方法一共使用人工5人（现场2人，后场3人），在岩石与砂卵石层中使用钻孔，钻头实际使用深度约为2012～2028m。

实施例三

钻喷一体化地基处理方法，包括以下步骤：

a)使钻喷一体台车移动至钻孔位置，将钻头2设置在钻孔位置上方3～5cm处，达到定位的效果；

b) 通过钻杆1内的水管12和气管11分别输送高压水和高压空气，使得高压水和高压空气延钻头2前端的第一喷水孔22a和第一喷气孔21a向下切割钻孔位置的地层，高压空气以0.6～0.8Mpa的压强向下喷射,高压水以30Mpa的压强向下喷射，利用高压水与高压空气先对钻孔位置的地层进行垂直喷射、切割，使土层松化，方便钻孔作业，也减少钻头2磨损。

c) 驱使传动系统带动钻杆1及钻头2以20cm/min、28r/min的速度水平旋转下沉，在此过程中，高压水以30Mpa的压强分别延钻头2前部的第一喷水孔22a向下切割地层和延钻头2后部的第二喷水孔22b向钻头2径向方向切割地层, 高压空气以0.6～0.8Mpa的压强分别延钻头2前部的第一喷气孔21a向下切割地层和延钻头2后部的第二喷气孔21b向钻头2径向方向切割地层,高压水与高压空气对地层进行垂直喷射、切割，使土层松化，高压水与高压空气直接对钻孔周围原始地层进行旋喷切割，冲切钻杆1周围的土层成流塑状，避免了所成墙体开叉现象, 钻头直至一定深度形成钻孔，钻孔的有效深度应超过设计深度的0.3m～0.5m,停止输送高压水，钻孔的孔位误差不大于20毫米，钻孔的垂直度的不大于0.3%；

d)钻杆1内的浆管13输送高压水泥浆液，高压水泥浆液以30Mpa的压强延钻头2后部的第一喷浆孔23a和第二喷浆孔23b向钻头2径向方向喷射，高压水泥浆液静止喷射30秒后钻孔底部充满水泥浆液,防止因为地层的渗透、钻孔的塌方，导致钻孔内没有充满水泥浆液的情况，也避免因浆液排水固结引起防渗墙塌陷，驱使传动系统带动钻杆1及钻头2以15cm/min、35r/min的速度向上提升, 提升时高压水泥浆液二次喷射、切割钻孔内壁的土层，使钻孔内壁的土层更均匀、密实度得以提高，此过程中高压空气分别从钻头2第一喷气孔21a和第二喷气孔21b中喷出，使高压水泥浆液与钻孔时产生的土粒强制混合；

e)钻头2上升至高出钻孔处，先停止输送高压空气，再向孔内不断注入水泥浆，直到浆液不下沉为止，停止输送高压水泥浆液，工序结束，水泥浆液留于地下形成水泥土混合体帷幕。

喷射完毕，及时用清水冲洗输浆管道，输浆泵内不得残存水泥浆，以防堵塞。

本方法一共使用人工5人（现场2人，后场3人），在岩石与砂卵石层中使用钻孔，钻头实际使用深度约为2000～2014m。

从上述的施工结果，根据不同的地质，（地层内分布的粘土、砂壤、岩石与砂卵石层不同），每次钻孔作业的时间不同，采用钻喷一体化地基处理方法及专用钻具组件相对原有施工法工序时间至少减少40%以上，很容易得出钻喷一体化地基处理方法相对现有技术工序简单、节约时间、降低成本、加速钻孔，而且能减少钻头的磨损。

上述水泥浆液按确定的水灰比配置水泥浆液。一般制浆机需搅拌3分钟，快速制浆机需搅拌1.5分钟；水泥浆的水灰比根据地基土质情况确定，一般控制在1.0:1.0～0.8:1.0范围内。制备好的浆液不得离析。

此外从孔口冒出的多余部分浆液，含有土层颗粒和水泥浆液，将返浆引入沉淀池，经沉淀后重复利用，既节约了材料，又保护了环境；返出的浆液和沉淀池里不能利用的浆液，排放到设定地点。

工程施工完毕后，应对施工进行检测，应对以下项目进行检查：

开挖测量桩墙的垂直度、桩位偏差、桩顶高程、桩间搭接状况、缺损；取样钻孔取芯做水泥土抗压强度、渗透系数和渗透破坏比降试验（取样不少于三点）、也可现场做注水试验检查水泥土渗透系数和渗透破坏比降等，以保证施工的质量和安全。

Claims (7)

1.钻喷一体化地基处理方法，包括以下步骤：

a)将钻喷一体台车移动至钻孔位置，将钻头设置在钻孔位置上方；

b) 通过钻杆内的水管和气管分别输送高压水和高压空气，使得高压水和高压空气延钻头前部的喷水孔和喷气孔向下切割钻孔位置的地层；

c) 驱使传动系统带动钻杆及钻头水平旋转下沉，在此过程中，高压水分别延钻头前部的喷水孔向下和延钻头后部的喷水孔向钻头径向方向切割地层, 高压空气分别延钻头前部的喷气孔向下和延钻头后部的喷气孔向钻头径向方向切割地层,直至预定深度形成钻孔，停止输送高压水；

d)钻杆内的浆管输送高压水泥浆液，高压水泥浆液延钻头后部的喷浆孔向钻头径向方向喷射，驱使传动系统带动钻杆及钻头向上提升；

e)钻头上升至高出钻孔处，停止输送高压空气，当水泥浆液充满钻孔时，停止输送高压水泥浆液，工序结束。

2.根据权利要求1所述的钻喷一体化地基处理方法，其特征在于：所述的步骤a)中钻头设置在钻孔位置上方的3～5cm处。

3.根据权利要求1所述的钻喷一体化地基处理方法，其特征在于：所述的步骤b)中高压空气以0.6～0.8Mpa的压强向下喷射,高压水以20～40Mpa的压强向下喷射。

4.根据权利要求1所述的钻喷一体化地基处理方法，其特征在于：所述的步骤c) 中钻杆与钻头以15～30cm/min、20～40r/min的速度水平旋转下沉；高压空气以0.6～0.8Mpa的压强向下及钻头周围方向切割地层，高压水以20～40Mpa的压强向下及钻头周围方向切割地层，钻孔的孔位误差不大于20毫米，钻孔的垂直度的不大于0.3%。

5.根据权利要求1所述的钻喷一体化地基处理方法，其特征在于：所述的步骤d) 中高压水泥浆液以20～40Mpa的压强延钻头后部的喷浆孔向钻头径向方向喷射, 高压水泥浆液静止喷射30秒后，再使传动系统驱使钻杆及钻头以6～20cm/min、20～40r/min的速度向上提升。

6.一种实现权利要求1所述的钻喷一体化地基处理方法专用的钻具组件，钻具组件包括钻头和钻杆，钻杆径向截面投影小于钻头径向截面投影，其特征在于：

所述的钻杆内含有气管、水管、浆管；

所述的钻头内有喷气管，喷气管分别与钻头前部设置轴向方向的第一喷气孔和钻头后部径向方向上的第二喷气孔相连；钻头内有喷水管，喷水管分别与钻头前部轴向方向的第一喷水管和钻头后部径向方向的第二喷水孔相连；钻头内有喷浆管，喷浆管与钻头径向上的喷浆孔相连；

钻头的后部与钻杆固定连接，钻头的喷气管与钻杆的气管对应连通，钻头的喷水管与钻杆的水管对应连通，钻头的喷浆管与钻杆的浆管对应连通。

7.根据权利要求6所述的钻喷一体化地基处理方法专用的钻具组件，其特征在于：所述的钻杆的截面形状为方形。

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