CN109488333B - 一种水平搅喷内插管棚桩施工工法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平搅喷内插管棚桩施工工法。本发明首先用水平定向钻机将带有导向装置的引孔钻头钻进土层，贯穿加固土层后，换上搅拌钻头并连接管棚，启动水平定向钻机开始回拉，设置泄压孔并封堵洞口，接着开始回拉搅喷过程，在出洞段一定范围内停止搅喷，卸掉搅拌钻头，安置回灌孔，封堵洞口并回灌浆液，将管棚留在桩体内，形成水平搅喷内插管棚桩。本发明中施工工法能够在隧道外轮廓施作相互咬合的水平搅喷内插管棚桩形成连续墙，一次性贯穿加固土层成桩，具有地层适应性强、施工效率高、使用范围广、环境扰动小和加固止水效果好等优点。

Description

一种水平搅喷内插管棚桩施工工法

技术领域

本发明属于隧道施工工艺技术领域，具体涉及一种水平搅喷内插管棚桩施工工法。

背景技术

城市轨道交通工程修建过程中，经常穿越软弱、松散砂土地层，而软弱砂土层具有胶结能力差、粘聚力低和振动易液化等特点。在工程扰动和地下水作用下，直接开挖隧道，极易发生地表塌陷和隧道渗漏水问题。

现有技术一般是采用帷幕注浆在隧道周围形成加固止水圈或者在隧道周围轮廓施作水平旋喷桩连续墙来承载上覆土体并形成止水帷幕。但隧道穿越超浅埋软弱砂土层时，传统的土层加固工法除了设备占地大，施工周期长等问题外，帷幕注浆自身过大的注浆量和水平旋喷桩自身过大的注浆压力等都会导致地表开裂隆起和管线变形破坏。注浆过程中浆液易在软弱砂土层内发生跑浆，也使得浆液无法有效注入治理区域地层或者有效成桩。上述问题导致目标地层加固效果差，在隧道穿越超浅埋砂土层时更是无法适用。

随着施工技术的不断改进，管棚工法得到了普遍的利用。管棚工法是采用专用钻机将钢管沿隧道开挖轮廓线外一节一节地打入需支护的地层中的预定位置，然后进行注浆，通过浆液在围岩中的扩散，形成一个类似钢筋混凝土的拱形帷幕，从而达到支护开挖线外侧围岩的作用。但是传统管棚工法中采用的是成管后进行注浆加固，管棚与水泥、土的粘接性难以保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种水平搅喷内插管棚桩施工工法，本发明开始用水平定向钻机贯穿加固土层，设置泄压孔并封堵端口，回拉搅喷的同时安装管棚，使桩体一次性回拉成型，大幅度提高了桩体外侧地层密实度及抗剪强度、抗渗性，而且还具有地层适应性强、施工效率高、使用范围广等优点。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种水平搅喷内插管棚桩施工工法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）启动水平定向钻机，引孔钻头旋转钻进，同时引孔钻头上的出水口喷射高压水，直至贯穿加固土层；

（2）引孔钻头贯穿土层后，拆下引孔钻头，换上搅拌钻头，将搅拌钻头一端连接钻杆，另一端连接管棚；

（3）启动水平定向钻机开始回拉，同时搅拌土体并喷射注浆，在出洞段1-2m范围内停止喷射注浆，设置泄压孔并用速凝混凝土封堵洞口；

（4）回拉搅喷并内插管棚：先拌泥浆，然后开启喷射泥浆，孔口冒浆正常后开始回拉钻杆，搅拌钻头打碎土体，土体与泥浆混合填充，管棚随钻杆回拉内插入桩体，边回拉钻杆边连接管棚；

（5）在出洞段1-2m范围内停止喷射注浆，卸下搅拌钻头，安置回灌孔，封堵洞口并回灌浆液；

（6）一根桩施作完成后，根据预先设计的钻孔位置重复上述施作过程。

进一步的：所述步骤（1）中引孔钻头包括圆柱形钢管和钢管上焊接的呈长方体的旋转叶片，引孔钻头内安装有信号发射器。

进一步的：所述步骤（2）中搅拌钻头由呈风扇状排列的三片搅拌叶片组成，搅拌叶片上有浆液出浆口。

进一步的：所述步骤（3）中设置泄压孔的方法为：停止喷射注浆，待管棚到位后，人工清除出洞段1-2m范围内松动土体，将一根直径为5-15cm的L形管一端插入洞内的长度0.5-1m，另一端垂直向上，在洞外的垂直向上的部分长度为0.5-1m。

进一步的：所述步骤（3）中速凝混凝土的水泥：砂：碎石比为1:1:1，水玻璃质量比为30%。

进一步的：所述步骤（4）中钻杆回拉速度不大于0.3m/min，搅拌钻头的钻速应达到90-120r/min，水泥浆液流压力不大于2MPa。

进一步的：所述步骤（4）中相邻的管棚用连接钢管连接，连接钢管两端的直径与管棚的内径相同，两端口处设有100-200mm突出丝扣。

进一步的：所述步骤（5）中回灌浆液的方法为：卸下搅拌钻头后，迅速加入一个如步骤（3）中所述的L形管，一端插入出洞口0.5-1m，另一端垂直向上在洞外，用速凝混凝土封堵洞口后，从垂直向上的端口向内灌注浆液。

进一步的：钻孔间距小于桩体的直径。

与现有技术相比，本发明的优点和技术效果是：

（1）本发明通过搅拌打碎原有土体并喷射浆液，使浆液与打碎土体充分混合填充，形成安全稳定的加固止水桩体，成桩效果好；

（2）通过在搅喷回拉钻头处连接并拖曳管棚，将管棚插入桩内，支护结构的强度高，刚度大；

（3）本发明涉及的水平搅喷桩内插管棚施工工法是一次性贯穿加固土层成桩，施工效率高；

（4）本发明能够在隧道外轮廓施作相互咬合的水平搅喷内插管棚桩形成连续墙，加固隧道周围土层，同时挤密周围地层，大幅度提高桩体外侧地层密实度及抗剪强度、抗渗性，桩墙本身也起到止水帷幕的作用。

附图说明

图1是本发明所述的引孔钻头的结构图；

图中：1、钢管，2、信号发射器，3、出水口，4、旋转叶片。

具体实施方式

以下结合实施例将对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

在本实施例中，施工地区的主要地质条件为素填土、粉质黏土，局部地层换填砂土层，属于软弱地层，地层长度50m。该地质条件无法使用传统的方法一次完成加固，且常规的帷幕注浆和水平旋喷桩都不能控制地层变形，浆液在地层中的扩散也得不到有效控制，加固效果难以起到超前支护止水的作用。为了解决此技术问题，本发明采用了水平搅喷内插管棚桩施工工具及其施工工法。

所述水平搅喷内插管棚桩施工工具的施工工法流程如下：

1、引孔钻头钻进

正式施工前，需要清除施工场内障碍物，不能清除的需要做好保护措施，然后整平、压实；合理布置施工机械、输送管路和电力线路位置，确保施工场地的“三通一平”；另外还包括人员上场和材料购置及储备等工作。

钻机就位后，对钻机进行调平、对中，调整钻机的垂直度，保证钻杆与孔位一致，偏差应在10mm以内，高度误差小于10mm。钻孔前还应调试空压机、泥浆泵，确保设备运转正常。开钻前，把钻机移至钻孔位置，对准孔位，用水平尺掌握机台及钻杆水平，垫牢机架，经技术人员验测合格后方可开钻。如发现钻机倾斜，则停机找平后再开钻。

本发明中所述引孔钻头，包括圆柱形钢管1和钢管1上焊接的呈长方体的旋转叶片4，所述圆柱形钢管1和旋转叶片4为一体式结构，旋转叶片4焊接在圆柱形钢管1的一侧，圆柱形钢管1与旋转叶片4连接一侧设有出水口3，具体见图1。

钻进采用水冲法作业，钻机内配置高压泵，将引孔钻头连接到钻杆上进行钻进，引孔钻头上设有的信号发射器2配合地表的移动式信号接收器组成雷达定位系统，可以随时纠偏，土壤在高压水冲击及钻头推进力的作用下冲散成孔。钻杆直径为89mm，即引孔孔径89mm，引孔的钻孔垂直度允许偏差≤3.0%，钻孔位置允许偏差≤50mm。钻杆长度为4.5m，通过内外交错的连接方式一节一节钻进土层，钻进速度控制在50cm/min。

钻进过程中，遇到异常情况及时查明原因，采取相应措施，对地层变化、颗粒大小、硬度等要详细记录。钻孔结束后，由技术人员进行质量检查，合格后方可进行下道工序施工。

2、更换搅拌钻头并连接管棚

引孔钻头贯穿土层后，将引孔钻头拆下，换上搅拌钻头，将搅拌钻头一端连接钻杆，另一端连接管棚，钻杆与水平定向钻机连接。搅拌钻头的搅拌直径为600mm，搅拌钻头通过分动器丝扣与管棚连接，保证搅拌钻头转动的同时，管棚无需转动。

所述管棚为钢结构，直径为114mm，壁厚为6mm，内径为102mm，每根管棚长3m，管棚两端设有长度为150mm内丝扣。所述相邻管棚间用连接钢管连接，所述连接钢管两端的直径与管棚的内径相同，连接钢管中间部分直径为108mm。连接钢管的两端口处各有一个突出的丝扣，利用此丝扣与管棚内嵌的丝扣拧合以实现相邻管棚的连接。

3、设置泄压孔并封堵端口

搅拌钻头换置完毕并连接好管棚后，启动钻机开始回拉，回拉的同时搅拌土体并喷射注浆，搅拌钻头在出洞段1m范围内停止喷射注浆，待管棚到位后人工清除出洞段1m范围内松动土体，将一根直径为10cm的L形PVC管一端插入洞内1m，另一端出口垂直向上长度为0.5m，泄压孔的作用是保证搅喷过程中基本保持恒压0.05Mpa，孔内压力过大会导致地表隆起破坏，压力过小会导致地表塌陷破坏。

安置好泄压孔后，用速凝混凝土进行封堵。混凝土设计直径600mm，标号C20，混凝土通过水泥：砂：碎石比为1:1:1配制，加入质量比为30%的水玻璃，使其能够速凝。L形PVC管插入洞内的长度要不小于混凝土的填充厚度，防止混凝土灌入PVC管中，影响PVC管的泄压作用。用混凝土封堵洞口时，应在钢管棚周围缠绕几层塑料纺织袋，防止混凝土凝结后，管棚无法随着搅拌钻头回拉。另外需要注意混凝土回填的量必须充足，最好能完全填充洞口内1m，防止端口漏浆。

4、回拉搅喷并内插管棚

回拉搅喷过程是一个钻杆回拉、钻头搅拌和浆液喷射三者协调进行的过程，搅拌充分的同时将浆液与打碎的土体充分混合形成致密结实的水泥土。

开始先拌水泥浆，然后开启喷射泥浆，待达到设计参数，孔口冒浆正常后再开始回拉钻杆，边回拉边连接管棚，管棚不是一次性连接完成，可以防止管棚自重引起的挠度过大。钻杆回拉时，相邻两根管棚的首节钢管分别采用3m和1.5m长，其余钢管为每节3m，确保管棚钢管接头错开1.5m，以避免钢管接头在同一断面上。

水泥浆液流压力不大于2MPa，钻杆回拉速度不大于0.3m/min，搅拌钻头的钻速应达到100r/min。在注浆过程中出现压力骤然下降、上升或冒浆等异常情况时，查明产生的原因并及时采取措施。喷注中若遇故障等特殊情况时，喷管必须沿回拉方向的反向延伸10cm才能开始继续喷注，以保证加固体的水平连续性。喷射注浆完毕，迅速拔出注浆管。

本实施例中注浆材料为水泥单液浆，水灰比为1:1。采用P.O42.5普通硅酸盐水泥搅制浆，水泥为新鲜无结块，通过0.08mm方孔筛的筛余量为≤5%，每批次进场水泥必须有生产厂家产品合格证，并根据有关规定进行抽查检验。加固体每延米水泥含量大于170kg。加固体必须满足《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)，加固体用水满足《混凝土搅拌用水》(JGJ 63-2006)要求，水灰比为1：1。按设计配比进行浆液搅制，在制浆过程中应随时测量浆液比重，每孔搅旋结束后要统计该孔的材料用量。浆液用高速搅拌机搅制，拌制浆液必须连续均匀，搅拌时间不小于30s，一次搅拌使用时间亦控制在4h以内。

5、安置回灌孔并回灌浆液

搅拌钻头在出洞段1m范围内停止喷射注浆，卸下搅拌钻头，迅速加入一个如步骤3描述的L形PVC管，一端插入出洞口0.5m，另一端在洞外，垂直向上延伸0.5m，并用速凝混凝土进行封堵洞口，混凝土设计规格同步骤3。封堵完成后向L型PVC管露在外面的端口内灌浆，用搅喷加固层浆液填充密实。

6、重复施作

一根桩施作完成后，根据设计钻孔位置进行跳孔施作，施作过程重复上述操作。本例中钻孔间距为45cm，桩的直径为60cm，故两桩之间重合15cm，全部施工完毕后形成水平搅喷内插管棚桩连续墙。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种水平搅喷内插管棚桩施工工法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）启动水平定向钻机，引孔钻头旋转钻进，同时引孔钻头上的出水口喷射高压水，直至贯穿加固土层；所述步骤（1）中引孔钻头包括圆柱形钢管和钢管上焊接的呈长方体的旋转叶片，引孔钻头内安装有信号发射器；

（2）引孔钻头贯穿土层后，拆下引孔钻头，换上搅拌钻头，将搅拌钻头一端连接钻杆，另一端连接管棚；

（3）启动水平定向钻机开始回拉，同时搅拌土体并喷射注浆，在水平定向钻机的出洞段1-2m范围内停止喷射注浆，设置泄压孔并用速凝混凝土封堵洞口；

（4）回拉搅喷并内插管棚：封堵洞口以后，先拌泥浆，然后继续开启喷射泥浆，孔口冒浆正常后开始回拉钻杆，搅拌钻头打碎土体，土体与泥浆混合填充，管棚随钻杆回拉内插入桩体，边回拉钻杆边连接管棚；所述步骤（4）中钻杆回拉速度不大于0.3m/min，搅拌钻头的钻速应达到90-120r/min，水泥浆液灌浆压力不大于2MPa;

（5）在搅拌钻头的出洞段1-2m范围内停止喷射注浆，卸下搅拌钻头，安置回灌孔，封堵洞口并回灌浆液；

（6）一根桩施作完成后，根据预先设计的钻孔位置重复上述施作过程。

2.根据权利要求1所述的水平搅喷内插管棚桩施工工法，其特征在于：所述步骤（2）中搅拌钻头由呈风扇状排列的三片搅拌叶片组成，搅拌叶片上有浆液出浆口。

3.根据权利要求1所述的水平搅喷内插管棚桩施工工法，其特征在于：所述步骤（3）中设置泄压孔的方法为：停止喷射注浆，待管棚到位后，清除水平定向钻机的出洞段1-2m范围内松动土体，将一根直径为5-15cm的L形管一端插入洞内，插入洞内的长度0.5-1m，另一端垂直向上，在洞外的垂直向上的部分长度为0.5-1m。

4.根据权利要求1所述的水平搅喷内插管棚桩施工工法，其特征在于：所述步骤（3）中速凝混凝土的水泥：砂：碎石比为1:1:1，水玻璃质量比为30%。

5.根据权利要求1所述的水平搅喷内插管棚桩施工工法，其特征在于：所述步骤（4）中相邻的管棚用连接钢管连接，连接钢管两端的直径与管棚的内径相同，两端口处分别设有100-200mm突出丝扣。

6.根据权利要求3所述的水平搅喷内插管棚桩施工工法，其特征在于：所述步骤（5）中在搅拌钻头的出洞段回灌浆液的方法为：卸下搅拌钻头后，迅速加入一个如步骤（3）中所述的L形管，一端插入出洞口0.5-1m，另一端垂直向上在洞外，用速凝混凝土封堵洞口后，从垂直向上的端口向内灌注浆液。

7.根据权利要求1所述的水平搅喷内插管棚桩施工工法，其特征在于：钻孔间距小于桩体的直径。

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