CN108222005A - 一种钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统及工艺。所述钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统包括钻、灌、喷、挤机具组，地质回转钻机，高压脉冲灌浆泵，高压喷射灌浆泵，管道增压泵，以及制浆机与储浆桶；所述储浆桶分别与高压脉冲灌浆泵的进浆口和管道增压泵的进浆口连通，所述管道增压泵的出浆口与所述高压喷射灌浆泵的进浆口连通，所述高压喷射灌浆泵的出浆口与喷挤灌浆供浆管相连，所述高压脉冲灌浆泵的出浆口与钻灌一体供浆管相连；所述喷挤灌浆供浆管和钻灌一体供浆管通过浆液切换开关分别与钻、灌、喷、挤机具组相连。所述钻、灌、喷、挤一体复合灌浆工艺，就是将钻、灌、喷、挤多种工法集成于一体的复合灌浆工艺。本发明极大地拓展与提升了现有常规的高压喷射灌浆机理与效果，而且消除了常规的高压喷射灌浆孔口返浆弃浆问题。

Description

一种钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统及工艺

技术领域

本发明涉及一种钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统及工艺，其主要用于各种粗细颗粒互层结构的复杂松软地层防渗与加固灌浆处理，可广泛用于水电、市政、铁道与公路桥梁、港口、机场等建筑工程松软基础防渗与加固灌浆处理技术领域。

背景技术

对于松软地层防渗与加固灌浆处理，目前我国多采用静压注浆、搅拌注浆、高压喷射注浆等工法。所有这些工法对松软地层灌浆防渗或加固处理，均存在着一定的工艺局限性。静压注浆劈裂跑浆可控性与有效性极差；搅拌注浆对粗颗粒地层的应用完全受限；而高压喷射注浆虽然可应用于小砾径粗颗粒地层，但对于较大砾径的卵石地层难以有效喷射切割，因而多采用密孔高压喷射注浆辅以静压注浆组合应用。另一方面，目前国内外现有高压喷射注浆均采用孔内或孔口无封阻敞开式喷射灌注，从而造成孔口返浆弃浆量达到30%以上，不仅污染环境，且造成资源浪费。

发明内容

本发明旨在提供一种钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统及工艺，在进行松软地层防渗与固结灌浆处理时，可有效的实施一种钻、灌、喷、挤一体复合灌浆工艺，以及一种孔内局部封闭式高压喷射与高压挤劈复合灌浆机理，可极大地拓展与提升现有常规的高压喷射灌浆机理与效果，而且可消除常规的高压喷射灌浆孔口返浆弃浆问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统，其结构特点是，包括：

钻、灌、喷、挤机具组，用作自上而下钻灌一体与自下而上高压喷挤复合灌浆作业的机具；

地质回转钻机，其用于驱动钻、灌、喷、挤机具组进行自上而下钻灌一体与自下而上高压喷挤灌浆作业；

高压脉冲灌浆泵，其用于自上而下钻灌一体高压冲挤灌浆时向孔内脉冲泵送钻灌浆液，或遇到漏失地层时向孔内脉冲泵送堵漏浆液；

高压喷射灌浆泵，其用于自下而上高压喷挤灌浆时向孔内泵送触变膏浆；

管道增压泵，其用于高压喷射灌浆泵压送触变膏浆时辅助进浆；

制浆机与储浆桶，其用于联合制备钻、灌、喷、挤一体复合灌浆时所用的稳定浆液与触变膏浆；

所述储浆桶通过管道分别与高压脉冲灌浆泵的进浆口和管道增压泵的进浆口连通，所述管道增压泵的出浆口通过管道与所述高压喷射灌浆泵的进浆口连通，所述高压喷射灌浆泵的出浆口与喷挤灌浆供浆管相连，所述高压脉冲灌浆泵的出浆口与钻灌一体供浆管相连；所述喷挤灌浆供浆管和钻灌一体供浆管通过浆液切换开关分别与钻、灌、喷、挤机具组相连。

本发明的高压冲挤灌浆压力是指≥3.0MPa的进浆压力；高压喷射灌浆压力是指≥20MPa的进浆压力。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

为了方便钻灌一体作业过程中对回浆进行二次利用，钻灌孔口设有回浆沉淀过滤盆以及回浆抽送泵。

优选地，所述钻、灌、喷、挤机具组包括浆液导流器、立轴钻杆、钻杆、与钻杆同级封阻的圆管、与钻杆同级的高压喷射灌浆头、与钻杆同级的高压冲挤单向接头、以及与钻杆同级的全断面金刚石或复合片钻头。更优选地，所述高压喷射灌浆头为带有钢球阀座的单个喷嘴高压喷射灌浆头；所述高压冲挤单向接头为一种N型下顶上出钢球重力单向封闭接头。所述高压冲钻、灌、喷、挤机具为直径Φ59mm或Φ75mm的小口径全长同径钻、灌、喷、挤机具组。

所述高压脉冲灌浆泵为能泵送膏状浆液且脉冲量≥1L/冲次、脉冲压力≥5MPa的可变频、变量的膏浆泵。

所述高压喷射灌浆泵，为泵量≥80L/min，灌浆压力≥30MPa，能灌注水灰比≤0.5：1水泥浓浆的灌浆泵。

所述管道增压泵为扬程5-15m，排量80-150L/min，能抽排流动度≤150mm触变膏浆的排污泵。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用上述的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统，用来进行松软地层防渗与加固处理的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆工艺，其包括如下步骤：

S1、通过浆液切换开关将钻灌一体管路连通于钻、灌、喷、挤机具组，使用地质回转钻机驱动钻、灌、喷、挤机具组，同时启动高压脉冲灌浆泵，经钻灌一体管路与钻、灌、喷、挤机具组，向钻灌孔内脉冲压入由制浆机与储浆桶联合制备的钻灌稳定浆液，对全孔进行自上而下、钻灌一体、高压沖挤灌浆；

S2、单向封闭钻、灌、喷、挤机具组中喷射灌浆头内的向下出浆通道；

S3、通过浆液切换开关将喷挤灌浆管路连通于钻、灌、喷、挤机具组，使用地质回转钻机驱动钻、灌、喷、挤机具组，同时启动管道增压泵与高压喷射灌浆泵，经喷挤灌浆管路与钻、灌、喷、挤机具组，向钻灌孔内压入由制浆机与储浆桶联合制备的喷挤触变膏浆，按照自下而上分段回转高压喷挤灌浆的工艺要求，自下而上依次逐段进行高压喷挤复合灌注，直至全孔段喷挤复合灌浆结束。

所述小口径是指直径Φ59mm或Φ75mm。

优选地，通过向钻、灌、喷、挤机具组内投放钢球来单向封闭所述喷射灌浆头内的向下出浆通道，来实现自上而下钻灌一体与自下而上高压喷挤灌浆两种工况的条件转换。

优选地，所述触变膏浆为初始流动度小于150mm，且具有高压触变降粘与高压泌水固结双重特性的膏浆。

本发明充分利用触变膏浆所具有的高压触变降粘与高压泌水固结双重特性，并配合采用一种钻灌一体高压冲挤灌浆新工艺对松软地层全孔钻灌固孔作用，以及钻、灌、喷、挤机具组与钻灌固孔形成的致密孔壁贴合封阻作用，确保了整过高压喷挤灌浆施工过程中孔内局部全封闭无返浆灌注，使得触变膏浆经高压喷嘴射流喷出后，一方面按照常规的高压喷射灌浆机理对松软地层进行高压喷射冲搅灌注；另一方面沿着高压喷射流方向对松软地层复合进行强压挤扩与劈楔灌注，形成一种全新的对松软地层钻、灌、喷、挤复合灌浆机理，以及由此钻、灌、喷、挤复合灌浆机理所形成的触变膏浆高压喷搅体、强压挤扩体、强压挤劈体等复合灌浆体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对粗细颗粒互层结构的复杂松软地层特性，创造性地提供一种钻、灌、喷、挤一体复合灌浆工艺，完全突破了传统单管高压喷射灌浆对浆液浓度的限制，创新采一种触变膏浆作为高压喷射灌浆浆液，实施一种孔内局部封闭式高压喷射与高压挤劈复合灌浆机理，极大地拓展与提升了现有常规的高压喷射灌浆机理与效果，而且可消除常规的高压喷射灌浆孔口返浆弃浆问题。为使得普通的高压喷射灌浆泵压送触变膏浆成为可能，本发明在高压喷射灌浆泵进浆管增设安装了管道增压泵，可有效的辅助高压喷射灌浆泵对触变膏浆的正常泵送。

本发明进行松软地层防渗或固结灌浆施工时，集钻、灌、喷、挤多种工法于一体，可用于各种松软地层防渗或固结灌浆处理，尤其适用于各种粗细颗粒互层结构的复杂松软地层防渗或固结灌浆处理，可形成一种钻灌渗固体、高压喷射体、高压挤扩体与高压挤劈体等组成的复合灌浆体，质量效果明显优于其他静压注浆、搅拌注浆、高压喷射注浆等工法灌浆效果，工效快，成本低，更环保。

工程实践成果表明，对于各种粗细颗粒互层结构的复杂松软地层，采用本发明的系统与工艺进行防渗或固结灌浆处理后，检查孔取心获得率可达到80%以上，灌浆体基本成了水泥砂浆体或素混凝土体。同时，检查孔压水试验透水率可达到≤3.0Lu，抗渗强度大于0.5Mpa。

附图说明

图1是本发明一个实施例的系统组成与工艺原理图；

图2是图1中钻、灌、喷、挤机具组的结构原理图；

图3是应用本发明进行松软地层灌浆防渗工程实例质量检查孔取心照片，其中a）为同一检查孔第一箱芯样，b）为同一检查孔第二箱芯样，c）为同一检查孔第三箱芯样。

在图中：

1-制浆机；2-储浆桶；3-管道增压泵；4-高压喷射灌浆泵；5-高压脉冲灌浆泵；6-钻灌一体供浆管；7-喷挤灌浆供浆管；8-地质回转钻机；9-钻、灌、喷、挤机具组；10-浆液切换开关；11-回浆沉淀过滤盆；12-回浆抽送泵。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种钻、灌、喷、挤一体复合灌浆工艺，应用于某堤防防渗灌浆工程，该工程地层主要为细沙～中砂层、砂卵砾石层，其中砂层、砂卵砾石层厚11～20m，最厚达27m，属粗细颗粒互层结构的强透水复杂地层。

如图1所示，本发明在进行松软地层防渗或固结灌浆施工时包括如下设备与机具：

如图2所示，钻、灌、喷、挤机具组9，用作自上而下钻灌一体与自下而上高压喷挤复合灌浆的机具。其中所述钻、灌、喷、挤机具组包括浆液导流器、立轴钻杆、钻杆15、与钻杆同级封阻圆管16、与钻杆同级的高压喷射灌浆头17、与钻杆同级的高压冲挤单向接头13、以及与钻杆同级全断面金刚石或复合片钻头14。所述高压喷射灌浆头为带有钢球阀座的单个喷嘴高压喷射灌浆头。所述高压冲挤单向接头为一种N型下顶上出钢球重力单向封闭接头。

地质回转钻机8，用于驱动钻、灌、喷、挤机具组具自上而下钻灌一体与自下而上高压喷挤作业。所述地质回转钻机8为与钻、灌、喷、挤一体复合灌浆施工能力相匹配的全液压动力头式地质回转钻机。当然也可采用常规的地质回转钻机。

高压脉冲灌浆泵5，用于自上而下钻灌一体冲挤灌浆时向孔内脉冲泵送钻灌浆液；或遇到漏失地层时脉冲泵送堵漏浆液。所述高压脉冲灌浆泵5选用能泵送膏状浆液且脉冲量≥1L/冲次、脉冲压力≥5MPa的一种可变频、变量的膏浆泵。

高压喷射灌浆泵4，用于自下而上高压喷挤灌浆时向孔内泵送触变膏浆。所述高压喷射灌浆泵4为泵量≥80L/min，灌浆压力≥30MPa，能灌注水灰比≤0.5：1水泥浓浆的高压喷射灌浆泵。

管道增压泵3，用于高压喷射灌浆泵泵送触变膏浆时辅助进浆。所述管道增压泵为扬程5-15m，排量80-150L/min，能抽排流动度≤150mm触变膏浆的排污泵。

高速制浆机1与双层储浆桶2，用于钻、灌、喷、挤一体复合灌浆时浆液的快速拌制与储备。所述高速制浆机为制浆能力≥400L/min的高速涡流制浆机，当然也可采用其他高速搅拌结构的高速制浆机；所述双层储浆桶为上下双层低速搅拌桶，其中下层搅拌桶可拌制触变膏浆。

本实施例的要点如下：

1、钻、灌、喷、挤一体复合灌浆防渗按照单排布置，孔间距1.0m，孔深进入基岩1.0m；防渗标准透水率≤3Lu，抗渗强度≥0.5MPa。

2、钻灌一体脉冲浆量≥1.0L/脉冲，脉冲压力≥3.0MPa；

3、高压喷挤灌浆采用单个喷嘴，喷嘴直径2.5mm-3.0mm，设计喷射灌浆压力≥30MPa，设计单位喷挤灌入量500L/m。

4、机具与设备配置如下表：

某堤防采用本发明进行灌浆防渗主要机具设备配置表

名称	规格	单位	数量
				地质回转钻机	XY-2	台	1
脉冲灌浆泵	MCGJ 150/10	台	1
				高压喷射灌浆泵	XPB-90	台	1
管道泵	ISG25-110	台	1
				高速制浆机	ZJ400	台	1
双层搅拌桶	GJJB200/200	台	1
				钻、灌、喷、挤机具组	自制	一组	1

5、本实施例的钻灌一体高压冲挤灌浆浆液配比为

水：水泥：膨润土=1：1：0.3；

6、本实施例的高压喷挤灌浆触变膏浆配比为

水：水泥：膨润土：植物胶：纯碱=1：1：0.2：0.05：0.01；

本发明的触变膏浆为市售产品，本发明要求的触变膏浆为初始流动度小于150mm，且具有高压触变降粘与高压泌水固结双重特性的膏浆。

本实施例的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆施工包括如下步骤：

1）通过浆液切换开关将钻灌一体管路连通于钻、灌、喷、挤机具组，使用地质回转钻机驱动钻、灌、喷、挤机具组，启动高压脉冲灌浆泵，经钻灌一体管路与钻、灌、喷、挤机具组，向钻灌孔内脉冲压入由制浆机与储浆桶联合制备的钻灌稳定浆液，全孔自上而下脉冲高压、钻灌一体，对松软地层进行有效的高压冲挤充填与渗透性灌注。钻进过程中每钻进一个立轴行程，上下回转活动钻具组对已钻孔段进行反复冲挤灌注与冲抹固孔。

2）经立钻机轴钻杆上部导流器或孔口钻杆卸扣接头，向钻、灌、喷、挤机具组内投放钢球，单向封闭钻、灌、喷、挤机具组中喷射灌浆头内的向下出浆通道。

3）、通过浆液切换开关将喷挤灌浆管路连通于钻、灌、喷、挤机具组，使用地质回转钻机驱动钻、灌、喷、挤机具组，同时启动管道增压泵与高压喷射灌浆泵，经喷挤灌浆管路与钻、灌、喷、挤机具组，向钻灌孔内压入由制浆机与储浆桶联合制备的喷挤触变膏浆，按照自下而上分段回转喷挤复合灌浆工艺依次逐段进行触变膏浆喷挤复合灌注，直至全孔段喷挤复合灌浆结束。喷挤复合灌浆分段段长≤1.0m，喷挤复合灌浆工艺参数主要包喷射灌浆浆量、喷射灌浆压力、单位喷挤复合灌入量等，可根据工程要求结合地层条件试验研究确定。

8、质量效果

1）如图3所示，质量检查孔取心获得率89%，上部砂层完全水泥固结，深部砂卵砾石层经喷搅、挤扩与挤劈复合灌注后基本水泥胶结成素混凝土；

2）检查孔压水试验透水率均小于3.0Lu；抗渗强度大于0.5Mpa。

本实施例采用一种钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统及工艺，对某堤防松软基础进行防渗灌浆处理后，明显形成了一种高压喷射体、高压挤扩体与高压挤劈体等组成的复合防渗墙体，质量效果完全满足该堤防工程防渗灌浆所要求的各项性能指标。工程质量评定为优良工程。

本发明集钻、灌、喷、挤多种工法于一体，大大拓展与提升现有常规的高压喷射灌浆机理与灌浆效果，而且消除了常规的高压喷射灌浆孔口返浆弃浆问题，可广泛用于水电、市政、铁道与公路桥梁、港口、机场等建筑工程，对各种粗细颗粒互层结构的松软地层基础进行防渗或灌浆处理。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统，其特征在于，包括：

钻、灌、喷、挤机具组（9），用作自上而下钻灌一体与自下而上高压喷挤复合灌浆作业的机具组；

地质回转钻机（8），其用于驱动钻、灌、喷、挤机具组（9）进行自上而下钻灌一体与自下而上高压喷挤复合灌浆作业；

高压脉冲灌浆泵（5），其用于自上而下钻灌一体冲挤灌浆时向孔内脉冲泵送钻灌浆液，或遇到漏失地层时向孔内脉冲泵送堵漏浆液；

高压喷射灌浆泵（4），其用自下而上于高压喷挤灌浆时向孔内泵送触变膏浆；

管道增压泵（3），其用于高压喷射灌浆泵压送触变膏浆时辅助进浆；

制浆机（1）与储浆桶（2），用于联合制备钻、灌、喷、挤一体复合灌浆时所用的稳定浆液与触变膏浆；

所述储浆桶（2）通过管道分别与高压脉冲灌浆泵（5）的进浆口和管道增压泵（3）的进浆口连通，所述管道增压泵（3）的出浆口通过管道与所述高压喷射灌浆泵（4）的进浆口连通，所述高压喷射灌浆泵（4）的出浆口与喷挤灌浆供浆管（7）相连，所述高压脉冲灌浆泵（5）的出浆口与钻灌一体供浆管（6）相连；所述喷挤灌浆供浆管（7）和钻灌一体供浆管（6）通过浆液切换开关（10）分别与钻、灌、喷、挤机具组（9）相连。

2.根据权利要求1所述的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统，其特征在于，钻灌孔口处设有回浆沉淀过滤盆（11），以及回浆抽送泵（12）。

3.根据权利要求1所述的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统，其特征在于，所述钻、灌、喷、挤机具组（9）包括浆液导流器、立轴钻杆、钻杆、与钻杆同级的封阻圆管、与钻杆同级的高压喷射灌浆头、与钻杆同级的高压冲挤单向接头、以及与钻杆同级的全断面金刚石或复合片钻头。

4.根据权利要求3所述的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统，其特征在于，所述高压喷射灌浆头为带有钢球阀座的单个喷嘴高压喷射灌浆头；所述高压冲挤单向接头为一种N型下顶上出钢球重力单向封闭接头。

5.根据权利要求1所述的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统，其特征在于，所述高压脉冲灌浆泵（5）为能泵送膏状浆液且脉冲量≥1L/冲次、脉冲压力≥5MPa的可变频、变量的灌浆泵。

6.根据权利要求1所述的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统，其特征在于，所述高压喷射灌浆泵（4），为泵量≥80L/min，灌浆压力≥30MPa，能灌注水灰比≤0.5：1水泥浓浆的灌浆泵。

7.根据权利要求1所述的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统，其特征在于，所述管道增压泵（3）为扬程5-15m，排量80-150L/min，能抽排流动度≤150mm触变膏浆的排污泵。

8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆成套系统用来进行松软地层防渗或固结处理的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过浆液切换开关（10），将钻灌一体管路（6）连通于钻、灌、喷、挤机具组（9），使用地质回转钻机（8）驱动钻、灌、喷、挤机具组（9），同时启动高压脉冲灌浆泵（5），经钻灌一体管路（6）与钻、灌、喷、挤机具组（9）向钻灌孔内脉冲压入由制浆机（1）与储浆桶（2）联合制备的钻灌稳定浆液，对全孔进行自上而下、钻灌一体、高压沖挤灌浆；

S2、单向封闭钻、灌、喷、挤机具组（9）中喷射灌浆头内的向下出浆通道；

S3、通过浆液切换开关（10），将高压喷挤管路（7）连通于钻、灌、喷、挤机具组（9），使用地质回转钻机（8）驱动钻、灌、喷、挤机具组（9），同时启动管道增压泵（3）与高压喷射灌浆泵（4），经高压喷挤灌浆管路（7）与钻、灌、喷、挤机具组（9），向钻灌孔内压入由制浆机（1）与储浆桶（2）联合制备的喷挤触变膏浆，按照自下而上分段回转高压喷挤复合灌浆的工艺要求，自下而上依次逐段进行高压喷挤复合灌注，直至全孔段喷挤复合灌浆结束。

9.根据权利要求8所述的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆工艺，其特征在于，所述触变膏浆为初始流动度小于150mm，且具有高压触变降粘与高压泌水固结双重特性的膏浆。

10.根据权利要求8所述的钻、灌、喷、挤一体复合灌浆工艺，其特征在于，通过向钻、灌、喷、挤机具组（9）内投放钢球来单向封闭所述喷射灌浆头内的向下出浆通道。