CN109778835A - 一种置换式旋喷注浆地层加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种置换式旋喷注浆地层加固方法，施工机具是由旋喷钻机、高压泵、旋喷钻杆、旋喷钻头、喷嘴、压力传感器、液控阀门、吸浆口、废浆贮存处理罐和施工参数控制器等组成。通过在喷嘴的后面设置压力传感器，以监测旋喷区域的压力值；基于旋喷区域监测的压力值，来控制排浆口上阀门的大小和排浆量；吸排出的置换泥浆收集于废浆贮存处理罐中，做无害化处置。通过控制旋喷钻头与旋喷钻杆之间的弯折角度，将上浮的废泥浆排出，解决了在环境影响敏感区域的地层的加固方法，又确保了形成大直径加固体的质量，能使旋喷注浆加固体直径达到4.2m，对加固区域的已有建筑物和构筑物的扰动很小，是一种对地层加固的最有效的绿色施工方法。

Description

一种置换式旋喷注浆地层加固方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体来说是一种城市地铁隧道或高铁与公路隧道、基坑开挖和城市建(构)筑基础的加固维修与主动保护技术。

背景技术

在城镇化方针指引下，城市基础设施建设的飞速发展，地下空间的开发量越来越大。在一个密集分布管线和地铁、市政交通隧道、桥梁和建筑桩基的区域，建设新的建筑物或构筑物，需要对这些已有的设施进行保护。此外，大量运营的隧道，已经出现了不同程序的病害或损坏，如隧道结构裂缝、衬砌体露筋、剥落、腐蚀、错台、开裂、漏水及结构大变形等问题，直接影响结构使用功能和运行的安全。在对运营隧道的修复加固施工中，不能对原有结构安全造成直接影响或损坏，同时，还不能对邻近建(构)筑物产生有害性影响，必要时须采取有效的保护措施。

当对已建建筑物和构筑物进行主动性保护时，可采用地基注浆加固或高压旋喷注浆加固的措施进行修复。在施工过程中应满足这些建筑物或构筑物的安全运营和使用功能的要求。

目前，传统的注浆加固或高压旋喷注浆加固施工法，主要有普通注浆方法，如充填注浆、压密注浆和劈裂注浆等方法；高压旋喷注浆，如单重管、双重管高压旋喷注浆和三重管高压旋喷注浆方法。

普通的注浆方法是通过在加固位置钻孔埋设固定的注浆管，注浆管与引孔的孔壁间设有止浆塞，注浆喷嘴不移动和转动，定点喷浆，浆液由近及远向地层中流动，压力越大，浆液流动的范围越大，浆液的扩散路径呈脉状，不均匀扩散。由于没有置换，当注浆量和压力较大时，出现浆液向地层表面流动，或向地下沟槽内流动，浆液和消耗量大，对邻近构筑物的影响和损害大，加固效果不可控，质量较差。

高压旋喷方法是先在加固位置钻孔埋设旋喷注浆管，喷浆嘴安装在旋喷管的头部，喷浆嘴随喷浆管旋转和提升移动，旋喷管与引孔孔壁之间留有间隙，允许旋喷注射浆液产生的置换泥浆从这个间隙中排出。旋喷嘴喷射的是浆、水和气流体，压力越大，切削地基土的能力越强，能使加固浆液扩散一个较大的直径，形成一个大直径的加固体。由于气升效果，能使置换的泥浆能从钻杆与引孔孔壁之间的间隙排出，但是，随着施工深度的增加，气升效果会越来越弱，另外，当间隙堵塞的时候，加固区域的压力会不断增加，一方面造成高压喷嘴的喷射效率会下降，另外会造成地面隆起、挤压管线、损伤隧道结构等副作用。此外，沿钻杆与引孔孔壁之间的间隙随意排出的泥浆清理十分困难，对施工结束后快速恢复是无法实现的。传统高压旋喷注浆加固施工时，引孔和注浆压力等参数监测水平较低，导致形成的加固体质量难以达到设计要求。

可以说，传统的注浆加固或高压旋喷注浆加固施工法用于地层加固、已有建筑物和构筑物维修，无法灌足加固的质量、对邻近建筑物保护和施工过程安全规定的要求。因此，需要创新的技术来满足地基加固及对已有建筑物和构筑物保护的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有高压旋喷注浆加固地层及修复隧道和地下结构病害产生的副作用，如对相邻建(构)筑物的扰动与损伤，加固体质量差、施工过程产生的废弃物排放量大，施工周期长，提供一种置换式旋喷注浆地层加固方法。

为达到上述目的，本发明专利采用的技术方案是：一种置换式旋喷注浆的施工机具，是由旋喷钻机、高压泵、旋喷钻杆、旋喷钻头、喷嘴、压力传感器、吸排泥浆阀门、吸浆口、废浆贮存处理罐和施工参数控制器等组成。

所述的压力传感器是设置在旋喷钻头上，用于监测旋喷区内的泥水和泥浆的压力；

所述的吸排泥浆阀门是设置在旋喷钻头上的，根据压力传感器监测旋喷区域的压力值，来控制吸排泥浆阀门的大小和泥浆的吸出量；

所述的吸浆口是设置在旋喷钻头上的，其位置是针对浮浆区积聚的位置来布置的，以便高效排出泥浆；

所述的液控千斤顶是安装在旋喷钻头与旋喷钻杆相连处，千斤顶活塞的移动控制着旋喷钻头的弯折角度，使旋喷钻头偏移旋喷钻杆的轴线，将吸浆口移动到浮浆积聚区吸出浮浆，抽回旋喷钻杆时能使旋喷钻头复位以便从钻孔中拔出；

所述的施工参数控制器用于控制钻杆旋喷转动速度、钻进速度、旋转方式、提拔速度、喷浆、喷水和喷气压力与流量，吸排浆的压力与流量，实现对旋喷钻头的运动轨迹和旋喷加固体的尺寸的控制；

所述的废浆贮存处理罐与吸排置换泥浆的管道相连，用于收集排出的泥浆，并作无害化处理；

旋喷钻头旋转方式分为全圆旋转、半圆旋转和定角度旋转三种，全圆旋转为：正转360度后，反转360度；半圆旋转为：先正转180度，再反转180度，然后正转180～360度，再反转180～360度，这二种旋转方式形成的旋喷加固体为圆桩状；定角度旋转为，先正转α度，再反转α度，这种旋转方式形成一个截面弧度为α角的扇形旋喷加固柱体。

旋喷钻头轴线移动方式分为步进式移动或匀速移动；

所述的旋喷加固体是利用旋喷钻头侧面分布的喷嘴，喷出高压固化剂浆流、气流和水流，对地层的多次旋转切削、混合形成的。其特征是，形成旋喷加固体的同时吸排置换泥浆，以保持加固区内压力和体积的基本平衡，既加固了地层，又只对临近的建(构)筑物产生微扰动；

在利用结构上预埋注浆孔进行旋喷注浆加固时，钻杆的直径将受限于注浆管的内径，为此，需要将旋喷钻杆的内各种浆液输送管路布置在一个较小的断面内，加固区内的传感器和液控阀只能布置在钻孔外侧的钻杆中。

根据旋喷加固位置与孔口位置的标高关系，分为前推旋喷注浆地层加固方法和提拔旋喷注浆地层加固方法；

所述的前推旋喷注浆地层加固方法，是从孔口处将旋喷钻头由近向远处旋转推进，一边前推钻孔一边喷射注浆，高压射流切削地层，将粉碎的地层泥土与固化浆液拌合混和，上浮的泥浆位于喷嘴的上部，将吸浆口设置在喷嘴的上部，吸排浮浆的效率提高，适用于孔口标高低于加固区域的位置置换式旋喷注浆加固；

所述的提拔旋喷注浆地层加固方法，是使旋喷钻头由远向近处提拔的旋喷方法，将吸浆口设置在喷嘴的上部，随着旋喷钻杆的提拔，切削产生的废浆浮于上部，废浆被高效排出，适用于孔口标高高于加固区域位置的置换式旋喷注浆加固；

当钻孔穿越结构层进入较高的水压力区域进行加固时，需在结构层设置一个防喷护管，并在防喷护管的保护下才能打穿结构层进入加固区域。

喷射的加固浆液可以是单液浆，也可以是在喷嘴外混合的双液浆。

在旋喷钻头上安装超声探头，通过超声波测量喷射流的半径和密度，以控制旋喷加固体的尺寸和质量。

有益效果：本发明实现了高压旋喷注浆施工过程对被加固地层或保护对象的微扰动和加固质量完全可控的要求。本发明现场施工操作的自动化程度高，信息化监测监控技术水平高、作业效率高，能够保证加固施工质量，工程实施效果良好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为喷射浆液与气体的置换式提拔旋喷注浆地层加固方法示意图；

图2为喷射浆液、水与气体的置换式提拔旋喷注浆地层加固方法示意图；

图3为一种置换式水平提拔旋喷注浆加固地层的方法示意图。

图4为喷射浆液与气体的置换式前推旋喷机具与地层加固方法示意图；

图5为喷射浆液、水与气体的置换式前推旋喷机具与地层加固方法示意图；

图6为利用预留注浆管进行置换式旋喷注浆加固方法示意图；

图7为利用二个预留注浆管进行置换式旋喷注浆加固方法示意图。

图中：1—旋喷加固体、11--高压浆液、12—高压气、13—射流切削形成的泥浆、14—高压水射流、15—高压水与气切削区域、16—预加固区域、2—旋喷钻杆、21—旋喷钻头、22—高压浆液喷嘴、23—高压气喷嘴、24—高压水喷嘴、25—抽吸排泥浆口、26—液控阀门、27—压力监测传感器、28—液控千斤顶、29—预留注浆管、3—旋喷钻机、31—旋喷施工参数控制器、4—排泥浆管、41—废浆贮存处理罐、5—高压泵、6—旋喷钻孔、7--钻孔壁与钻杆间隙内的泥浆、8—防喷护管，81—防喷闸阀，82—密封圈，83—锚固螺栓，9—地下构筑物的衬砌结构(或隧道管片)。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，为了在预加固的区域16中形成旋喷加固体1，首先在旋喷钻杆2的底部安装有旋喷钻头21，使用旋喷钻机3驱动引孔到达加固区域的底部。

在旋喷钻头21上面分布有：加固浆液喷嘴22、高压气流喷嘴23、抽吸排泥浆口25、液控阀门26和压力监测传感器27。

当旋喷钻头到达预加固区域16的底部时，打开高压泵等高压发生装置，以20～40Mpa的压力将固化剂浆液，通过旋喷钻杆2中的分布的管道输送到浆液喷嘴22和中，形成高压射流11，同时由空气压缩机将0.5～1.5MPa压力的气体输送到高压气流喷嘴23中，在高压浆液射流11的四周喷出高压气流12形成气幕，该气幕能在效减少高压水射流14和高压浆液射流11在喷射过程中的能量消耗，从而保证加固体的直径。

旋喷钻杆2是由内向外方向移动的，如图1中箭头所示，实现提拔旋喷注浆加固。

在移动和旋转旋喷钻杆2时，喷射的高压浆液11和气体12在加固区域将使地层的体积膨胀和地压力的增加，此时，位于旋喷钻头21上的压力检测传感器27实时将该区域的压力测值送到控制器31中，当压力大于一定值时，开启抽吸排泥浆口25上的控制阀26，从抽吸排泥浆口25中吸取切削下来的泥浆13，从旋喷钻杆的中孔通道4中排出，并收集到废浆贮存处理罐41中。

旋喷注浆施工均是通过控制器31来控制旋喷钻杆2的运动轨迹和旋喷压力、喷浆量及抽吸浆口的工作，达到设计要求的旋喷注浆加固地层之效果。

所图2所示，为提高旋喷加固的效率，在旋喷钻头上增加了高压水流喷嘴24；

当旋喷钻头21到达预加固区域16的底部时，打开高压泵等高压发生装置，以20～40Mpa的压力将水和固化剂浆液，通过旋喷钻杆中的分布的管道分别输送到加固浆液喷嘴22和高压水流喷嘴24中，形成高压射流，同时由空气压缩机将0.5～1.5MPa压力的气体也输送到高压气流喷嘴23中，在高压加固浆液射流11的四周喷出高压气流12形成气幕，在高压水射流14的四周喷出高压气流12也形成了气幕，该气幕能在效减少高压水射流14和高压加固浆液射流11在喷射过程中的能量消耗，同时通过气动作用使加固浆液11与切割下来的岩土充分混合。

在移动旋喷钻杆2时，高压水流喷嘴24和气流喷嘴23形成的高压射流预先切削土体形成了泥浆体13，切削土体的范围与水流压力、循环切割次数有关。

从图2中可以看出，由高压水射流14和气流12切割地层岩土体，形成了流动性较大的泥浆13；当开启抽吸排阀门26，对外吸出部分泥浆后，能让出较多空间便于加固浆液的填充。

图3所示为一种置换式提拔旋喷注浆水平加固地层的方法，从图中可以看出，高压旋喷形成的水平状加固体1，在重力作用下，有明显的分层效应，射流切削形成的泥浆13浮于上层，如不能有效排除将，形成的加固体上层将出现严重的质量缺陷。为有效地吸排出废浆13，需要将抽吸排泥浆口25提高到废浆13的集聚区位置。为此，设置了一种可以弯折的旋喷钻头，在旋喷钻杆2与钻头21之间安装了一个液控千斤顶28，控制千斤顶18的活塞运动，能控制旋喷钻杆2与钻头21之间的夹角，从而抬升抽吸排泥浆口25到废浆13的集聚区位置，达到有效地吸排出废浆13的目的。

当旋喷钻孔的孔口标高低于加固区域的位置时，要实现置换式旋喷注浆加固地层，应采用前推旋喷注浆方法，如图4和图5所示。

图4和图5的区别在于，图5中增加了一个高压水射流14和气流12的预切削地层的功能。

从图4可看出，在旋喷钻孔前，先要在孔口位置安装一个防喷管8，防喷管8上装置有一个闸阀81和三道弹性密封圈82，通过锚固螺栓83将防喷管8固定在地下构筑物的衬砌结构9上。在防喷管8的保护下，引也钻穿衬砌结构9进入加固地层。

前推旋喷注浆地层加固方法，是从孔口处将旋喷钻头由近向远处旋转推进，一边前推钻孔一边喷射注浆，高压射流切削地层，将粉碎的地层泥土与固化浆液拌合混和，上浮的泥浆位于喷嘴的上部，将吸浆口25设置在喷嘴22的上部，有效地将浮浆13吸排掉，确保了旋喷注浆体1的质量。

该种加固技术主要用于对地下构筑物顶部或上半拱以上地层的加固。

置换式旋喷注浆机具及地层加固方法解决了在环境影响敏感区域的地层的加固方法，又确保了形成大直径加固体的质量，能使旋喷注浆加固体直径达到3m以上，对加固区域的已有建筑物和构筑物的扰动很小。

图6所示为利用隧道管片注浆管对隧道外地层进行置换式旋喷注浆加固方法示意图；从图中可以看出，置换式旋喷注浆钻杆需从隧道管片的注浆管通过，进行到管片外侧的地层中，需要钻杆2的直径应能穿过预埋的注浆管29，并与注浆管孔口设置一个密封装置81。

将加固区内的压力监测传感器27和阀门16安装在位于加固区以外的旋喷钻杆上。

图7所示为当需置换泥浆13时较大时，在旋喷孔附近的设置钻孔上安装一个专用吸排泥浆管4，在吸排泥浆4的前部装有吸浆嘴25，用于吸排泥浆13。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种置换式旋喷注浆地层加固方法，其施工机具是由旋喷钻机、高压泵、旋喷钻杆、旋喷钻头、喷嘴、压力传感器、吸排泥浆阀门、吸浆口、废浆贮存处理罐和施工参数控制器组成。其特征在于：所述的旋喷钻头上设置有吸浆口，用于吸排出高压射流切削产生的部分泥浆；所述的压力传感器设置于旋喷钻杆上，监测旋喷区域的压力值；所述的吸排泥浆阀门用于控制吸排泥浆量；所述的旋喷钻头与旋喷钻杆既可保持在一条轴线上，也可与旋喷钻杆形成夹角。

2.根据权利要求1所述的一种置换式旋喷注浆地层加固方法,其特征是：吸浆口设置在喷嘴的背面，使吸浆口位于旋喷产生的浮浆一种置换式旋喷注浆地层加固方法。

3.根据权利要求1所述的一种置换式旋喷注浆地层加固方法，其特征是：施工参数控制器能根据设置的钻杆旋喷转动速度、钻进速度、旋转方式、提拔速度、喷浆、喷水和喷气压力与流量，吸排浆的压力与流量，控制着旋喷钻头的运动轨迹、坐标位置和旋喷加固体的尺寸和材料用量。

4.根据权利要求1所述的一种置换式旋喷注浆地层加固方法，其特征是：在旋喷钻头上设置有喷浆、喷气的喷嘴一组；或旋喷钻头上再增设一个喷水喷嘴。

5.根据权利要求1所述的一种置换式旋喷注浆地层加固方法，其特征是：旋喷钻杆的旋转方式分为全圆旋转、半圆旋转和定角度旋转三种，全圆旋转为：正转360度后，反转360度；半圆旋转为：先正转180度，再反转180度，然后正转180～360度，再反转180～360度，这二种旋转方式形成的旋喷加固体为圆桩状；定角度旋转为，先正转α度，再反转α度，这种旋转方式形成一个截面弧度为α角的扇形旋喷加固体；旋喷钻杆移动方式有为步进式移动和匀速移动二种；地层加固方法分为前推旋喷注浆方法和提拔旋喷注浆方法。

6.根据权利要求1所述的一种置换式旋喷注浆地层加固方法，其特征是：所述的前推旋喷注浆方法是一边前推钻孔一边喷射注浆，高压射流切削地层，将粉碎的地层泥土与固化浆液拌合混和，上浮的泥浆位于喷嘴的上部，将吸浆口设置在喷嘴的上部，吸排浮浆的效率提高，适用于孔口标高低于加固区域的位置置换式旋喷注浆加固。

7.根据权利要求1所述的一种置换式旋喷注浆地层加固方法，其特征是：所述的提拔旋喷注浆方法是将吸浆口设置在喷嘴的上部，随着旋喷钻杆的提拔，切削产生的废浆浮于上部，废浆被高效排出，适用于孔口标高高于加固区域位置的置换式旋喷注浆加固。

8.根据权利要求1所述的一种置换式旋喷注浆地层加固方法，其特征是：利用结构上预留的注浆管，将旋喷钻头和钻杆从注浆管内进入到加固区的地层中进行置换式旋喷加固注浆；当置换泥浆量较大时，在旋喷孔附近安装一个专用吸排泥浆的中空钻杆，并随旋喷钻杆同步移动，专用于吸排泥浆。