CN110172970A - 一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线及其喷浆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线及其喷浆方法，包括压浆泵，还包括四通接头，四通接头的四个接口分别连接至压浆泵的泵送端、桩机上料管、空压机、水泵；四通接头与桩机上料管之间通过旋转接头连接；四通接头用于连接水泵的一端设置位于四通接头内部相对两侧壁的安装块、挡块，安装块上铰接隔片，隔片与四通接头内壁之间通过拉簧连接；当无外力作用时，拉簧将隔片拉至抵靠在挡块上，此时隔片封隔四通接头用于连接水泵的一端。本发明的目的在于提供一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，以解决现有技术中搅拌桩需要采用持续喷浆的方式来避免注浆管前端被堵塞、导致成本成倍增加的问题，实现降低成本同时避免喷头堵塞的目的。

Description

一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线及其喷浆方法

技术领域

本发明涉及旋喷桩领域，具体涉及一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线及其喷浆方法。

背景技术

我国软土分布广泛，在高速铁路建设中有很大一部分的软土地区，严重影响铁路建设，存在着一定的变形与稳定问题，影响着高速铁路的平稳性与安全性，需要进行铁路地基的加固处理，以满足铁路的行车安全。软土的鉴别方式有如下几种：(1)软土的外观一般是以灰色为主的细粒土；(2)采用铁路土工试验规定的方法测定天然含水量，将实验数据与35％的液进行比较；(3)天然孔隙比是指天然状态下土中孔隙体积与土粒体积之比。测定土粒比重、土的干密度、土的天然密度、土的含水量等指标来计算出土的天然孔比；(4)通过十字板剪切技术来测验土的强度。

铁路软基处理施工的常用技术主要分为以下几类：(1)表层处理法：表层处理法一般用于地表面极其软弱的情况，这种方法能够加强地表的强度，防止地基局部剪切变形，保证施工机械作业。属于表层处理法的有表层排水法、砂垫层法、添加剂法和敷设材料法；(2)袋装砂井法：袋装砂并法是施工时将袋装砂放进套管并内，填塞密实再逐节拔出套管，在顶面铺设水平的砂垫层或排水用的砂沟，这样一来在上部路基填土载荷的作用下，通过砂与水平的砂垫层或纵横相通的排水砂沟相互连通形成自动的排水通道，从而使软基中的水分排走，达到排水固结软基的目的；(3)换填法：换填法就是将基础底面以下一定范围内的软弱土层挖除，然后以质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填，同时以人工或机械方法进行分层压、夯、振动，使之达到要求的密实度，成为良好的人工地基。当地基软弱土层较薄，且上部荷载不大时，也可直接以人工或机械方法进行表层压、夯、振动等密实处理，同样可以达到换填加固地基的效果。换填法适用于浅层地基处理，包括淤泥、淤泥质土、松散素填土、杂填土、已完成自重固结的吹填土等地基处理以及暗塘、暗浜、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑；(4)强夯法：强夯法又名动力固结法或动力压实法。该方法是反复提升重锤(一般为10～40t)使其自由落下(落距一般为10～40m)，利用夯锤自由落下产生的冲击波使地基压实，从而提高地基的强度并降低其压缩性。强夯法适用于处理碎石土、砂土、粉土、粘性土、杂填土和素填土等地基。它不仅能提高地基土的强度、降低其压缩性，还能改善其抗振动液化的能力和消除土的湿陷性，所以常用于处理可液化砂土地基和湿陷性黄土地基等；(5)排水固结法：排水固结法的加固原理是:软土地基在附加荷载作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。在这个过程中，随着土体超孔隙水压力逐渐扩散，土的有效应力增加，并使沉降提前完成或提高沉降速度。通常，排水固结法由排水系统和加压系统两部分组成，两者缺一不可，在铁路软土地基处理中，对于高填路段利用路堤填土的荷载即可满足加压要求；对于低填方路段或地基土层为欠固结土时，就要考虑采用堆载预压来加速土层的固结。(6)复合地基法：复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体，并由原土和增强体共同承担由基础传来的建筑物荷载。按成桩后的桩体刚度，复合地基可分为散体桩、柔性桩、半刚性桩和刚性桩复合地基。(7)钢筋混凝土桩网结构。钢筋混凝土桩网复合地基在遂渝、武广高速铁路中均有采用。

其中，水泥搅拌桩法是利用水泥或石灰等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度额和增大变形模量。水泥深层搅拌桩加固机理是通过水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体。

在软基处理水泥搅拌桩工程中，水泥搅拌桩机钻进技术在国内外有很多对应的应用技术和机械设备，不过各类搅拌桩机从原理上来讲，都是要求钻杆的叶片将地下原状土充分搅拌松动。在实际施工过程中，因为注浆管前端的喷嘴与钻头相连，因此无论在钻进或提升的过程中，注浆管前端都不能被堵塞。对此，现场常用的解决方法是在施工过程中始终保持搅拌桩机持续的喷浆，避免钻淤泥的过程中堵塞喷浆孔，确保正常喷浆。然而若始终保持持续喷浆，则实质上已经是四喷四搅工艺了，喷浆量增加，会导致成本成倍增加；若始终保持持续喷水，不仅工序衔接复杂、效率低下，还会增加地基含水量，对成桩质量带来干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，以解决现有技术中搅拌桩需要采用持续喷浆的方式来避免注浆管前端被堵塞、导致成本成倍增加的问题，实现降低成本同时避免喷头堵塞的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，包括压浆泵，还包括四通接头，所述四通接头的四个接口分别连接至压浆泵的泵送端、桩机上料管、空压机、水泵；所述四通接头与桩机上料管之间通过旋转接头连接；所述四通接头用于连接水泵的一端设置位于四通接头内部相对两侧壁的安装块、挡块，所述安装块上铰接隔片，所述隔片与四通接头内壁之间通过拉簧连接；当无外力作用时，所述拉簧将隔片拉至抵靠在挡块上，此时隔片封隔四通接头用于连接水泵的一端。

针对现有技术中搅拌桩需要采用持续喷浆的方式来避免注浆管前端被堵塞、导致成本成倍增加的问题，本发明提出一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，四通接头的四个接口分别连接至压浆泵的泵送端、桩机上料管、空压机、水泵，即是在压浆泵与桩机的上料管之间设置了一个四通接头，并使得四通接头的另外两端分别与空压机、水泵相连。空压机用于向整个管路中通入压缩空气，水泵用于向整个管路中通水。本发明四通接头与桩机上料管之间通过旋转接头连接，从而使得在现场移动或转动桩机方位时，无需对压浆泵、空压机、水泵等设备进行移动，避免每次移机都要调整压浆泵、空压机、水泵等设备进行调整的问题，显著提高了现场使用的方便性。四通接头用于连接水泵的一端设置位于四通接头内部相对两侧壁的安装块、挡块，所述安装块上铰接隔片，所述隔片与四通接头内壁之间通过拉簧连接；当无外力作用时，所述拉簧将隔片拉至抵靠在挡块上，此时隔片封隔四通接头用于连接水泵的一端，所以在无外力作用时，即水泵不启动时，隔片封隔住四通接头用于连接水泵的一端，，此时无论是压浆泵输出的浆液还是空压机输出的空气都难以进入四通接头与水泵的连接管路中，确保该管路始终保持干净，确保在通过水泵泵送清水进行冲洗时，清水在进入四通接头之前不会受到任何污染。

申请人在研究过程中发现，现有技术中喷头在钻进或停机过程中被软质土体所堵塞，是由于软基质自身的流动性导致其对外所施加的压力接近于粘滞流体内部压力分布情况。与普通硬质地层通过上覆岩层压力和流体静压来向下施压不同，软基质的压力向四周同等程度扩散，该压力从四面八方直接施加至喷头处。而由于在搅拌桩常规的钻进与移机过程中，喷头内部不供压，因此软基土质在自身压力作用下不断进入喷头内部。而软基土质不仅仅是单纯的粘滞流体，无论是淤泥、淤泥质土、素填土，还是带有粉砂、细砂的粘性土，其内部都含有大量粒径不一的固体颗粒，这些固体颗粒中粒径较大的部分在喷头内部搭接形成骨架，而粒径较小的部分则进入骨架所形成的孔洞缝中，形成致密的充填，并借由软基质的压力进行压实，最终形成填充结构，此填充结构一旦形成，就需要较大的作用力才能够将其破坏。并且对于搅拌桩的施工过程而言，通过钻杆向钻头施加的压力除了要克服填充结构的自身内应力外，还需要克服软基质对该结构的外部作用力，这无疑导致了需要更大的作用力才能够由内向外的将软基质在喷头内部形成的填充结构破坏掉，一旦施工现场注浆过程中的压力无法满足该要求，则无法对其进行破坏，进而从宏观上表现为喷头的堵塞与不畅。而本发明能够通过持续供入的压缩空气来抵消软基质对进入喷头的充填物的压实作用，使其在钻进过程中始终无法形成稳定且致密的压实结构，从而避免了软土对喷头的堵塞。此外，本发明还能够通过水泵通入清水对整个管路进行清洗，在作业前、后均确保管路畅通。

所述四通接头相对的两个接头分别连接至压浆泵的泵送端、桩机上料管，另外两个接头分别连接至空压机、水泵。本方案中四通接头呈十字型，相对的两个接头分别连接至压浆泵的泵送端、桩机上料管，因此另外相对的两个接头则分别连接至空压机、水泵，从而使得水泥浆从压浆泵至桩机时无需拐外，能够尽量提高浇筑桩机过程中水泥浆的输出稳定性与连续性。

所述安装块位于靠近压浆泵的泵送端的一侧，所述挡块位于靠近桩机上料管的一侧；且挡块相较于安装块更靠近四通接头的中心。由于无外力作用时，拉簧将隔片拉至抵靠在挡块上，因此本方案中无外力作用时，拉簧使得隔片始终不垂直于四通接头该端部的截面，而是隔片一端铰接在安装块上，另一端搭设在挡块上，整个隔片倾斜布置，此种结构能够便于水泵供水时更快速的将隔片顶开，同时隔片在常态下也不会与四通接头的内壁接触，因此能够避免压浆泵内的水泥颗粒或其余杂物导致隔片与四通接头的内壁之间卡涩，确保隔片能够绕铰接点进行灵活的转动。

所述旋转接头包括轴承、套筒，所述轴承的内环与四通接头的端部相连，所述轴承的外环与套筒相连，所述套筒与四通接头同轴，且套筒伸出至四通接头外的部分设置螺纹。通过轴承使得套筒与四通接头的端部能够相对转动，套筒上设置的螺纹不限于内螺纹或外螺纹，用于与外部管路进行连接即可。本方案中的旋转接头能够使得四通接头不动而外部连接的管路随意转动，更加有利于减少水泵、压浆泵与气泵在现场的移位。当然，所述桩机上料管优选的使用软管。

所述四通接头与空压机、水泵的连接端也设置旋转接头。

所述隔片为表面包覆一层橡胶的金属片。隔片表面包覆橡胶，能够通过挤压橡胶提高隔片与四通内壁之间的封隔能力。

所述四通接头与压浆泵之间的距离，等于压浆泵至桩机总管道长度的1/3～2/3。此设置能够在压缩空气通入位置和压浆泵之间预留足够压浆管道，在压浆泵泵浆过程中出现通入压缩空气的误操作时，首先能够确保压浆泵的出口端有足够的憋压空间，避免压浆泵的动力部件憋卡甚至受损；其次还能够使得混有压缩空气的水泥浆需要克服较大的杨程阻力到达桩机顶部，为操作人员提供更长的反应时间与修正窗口。

一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线的喷浆方法，包括以下步骤：

(a)桩机就位，在桩机工作前，启动空压机送风扫线；

(b)截断四通接头与空压机之间的连接管路，启动水泵泵送清水进行冲洗，直至清水从桩机的钻头处流出；

(c)截断四通接头与水泵之间的连接管路，打开四通接头与空压机之间的连接管路，进行钻进作业至设计深度；钻进过程中空压机以0.2～0.4MPa的排气压力输出压缩空气；

(d)截断四通接头与空压机之间的连接管路，启动压浆泵喷浆、并搅拌上提至停浆面；复搅下沉并再次喷浆至设计深度，搅拌上提至停浆面之上至少10cm；

(e)桩机保持原地，打开四通接头与空压机之间的连接管路，空压机以0.1～0.2MPa的排气压力吹线至少1min；

(f)移桩机至脱离喷浆的桩体区域，打开四通接头与空压机之间的连接管路，启动水泵泵送清水进行冲洗，之后再次启动空压机吹线。

本方法中对各管路的截断与打开通过阀门实现即可。

步骤(d)中第二次搅拌上提的过程中，桩机的钻头转速调至100～120rpm。本申请在钻进施工过程中，喷头随钻头进行转动同时喷出压缩空气，此时喷头的运动轨迹呈螺旋状。常规认为压缩空气的喷出速率仅受空压机输出压力的控制，然而申请人研究过程中发现，压缩空气的喷出速率还与钻头转速直接相关，通过建立雷诺应力模型进行数值模拟，得到了喷头处的喷气速率与钻头转速之间的曲线关系：喷头处的压缩空气喷出速率随钻头转速的增大而增大，随着钻头转速的提高，单位时间内从喷头处喷出至软基质内的空气气量增大，因此当现场空压机因主观或客观原因而导致性能不足无法提供足够的喷气压力抵御软土向喷头内的作用力时，则可以采用增大钻机转速的方法来提高压缩空气对软土的抵御效果。本方案中钻头转速调至100～120rpm，即是在常规钻机的能力基础上，使得钻头转速始终保持在较高的水平，从而确保喷头处压缩空气的喷出速率也始终位置在较大的水平上，进而提高压缩空气对软土的抵御效果。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线及其喷浆方法，摈弃了传统的持续喷浆防堵工艺，采用压缩空气对压浆管道进行通风，使得压缩空气在喷头内部始终形成大于软基压力的高压，使得喷头内外压差反向，喷头内部的压力大于外部的压力，此时空气始终从喷头内部向软基地层中喷出，可以有效防止钻头的压浆喷头在钻进搅拌过程中因土体的包裹导致堵塞，避免了第一次钻进时边钻进边搅拌使土体凝结成块导致的搅拌不均匀；避免了软基进入喷头内部被压实而堵塞喷头；另一方面在停机的过程中，可将压浆管道内的残余浆液吹干净，防止管道堵塞；最后在移机过程中，仍然保持压缩空气始终从喷头内向外喷出，在防止喷头堵塞的同时也避免了环境污染和浆液浪费。

2、本发明一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线及其喷浆方法，在桩机工作前后都可以通过水泵对整个管线进行清洗，进而在工作前确保管路通常，在工作后及时快速的进行冲洗而避免水泥浆在管路内部凝结，为下次使用提前做好准备。

3、本发明一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线及其喷浆方法，钻头转速调至100～120rpm，即是在常规钻机的能力基础上，使得钻头转速始终保持在较高的水平，从而确保喷头处压缩空气的喷出速率也始终位置在较大的水平上，进而提高压缩空气对软土的抵御效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中旋转结构的示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-压浆泵，2-四通接头，3-桩机上料管，4-空压机，5-水泵，6-旋转接头，601-轴承，602- 套筒，7-安装块，8-挡块，9-隔片，10-拉簧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1与图2所示的一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，包括压浆泵1，还包括四通接头2，所述四通接头2的四个接口分别连接至压浆泵1的泵送端、桩机上料管3、空压机4、水泵5；所述四通接头2与桩机上料管3之间通过旋转接头6连接；所述四通接头2用于连接水泵5的一端设置位于四通接头2内部相对两侧壁的安装块7、挡块8，所述安装块7上铰接隔片9，所述隔片9与四通接头2内壁之间通过拉簧10连接；当无外力作用时，所述拉簧 10将隔片9拉至抵靠在挡块8上，此时隔片9封隔四通接头2用于连接水泵5的一端。

实施例2：

如图1与图2所示的一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，在实施例1的基础上，所述四通接头2相对的两个接头分别连接至压浆泵1的泵送端、桩机上料管3，另外两个接头分别连接至空压机4、水泵5。所述安装块7位于靠近压浆泵1的泵送端的一侧，所述挡块8位于靠近桩机上料管3的一侧；且挡块8相较于安装块7更靠近四通接头2的中心。所述旋转接头6包括轴承601、套筒602，所述轴承601的内环与四通接头2的端部相连，所述轴承 601的外环与套筒602相连，所述套筒602与四通接头2同轴，且套筒602伸出至四通接头2 外的部分设置螺纹。所述四通接头2与空压机4、水泵5的连接端也设置旋转接头6。所述隔片9为表面包覆一层橡胶的金属片。所述四通接头2与压浆泵1之间的距离，等于压浆泵1 至桩机总管道长度的1/2。

实施例3：

在上述任一实施例的基础上，一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线的喷浆方法，包括以下步骤：

a.桩机就位，在桩机工作前，启动空压机4送风扫线；

b.截断四通接头2与空压机4之间的连接管路，启动水泵5泵送清水进行冲洗，直至清水从桩机的钻头处流出；

c.截断四通接头2与水泵5之间的连接管路，打开四通接头2与空压机4之间的连接管路，进行钻进作业至设计深度；钻进过程中空压机4以0.4MPa的排气压力输出压缩空气；

d.截断四通接头2与空压机4之间的连接管路，启动压浆泵1喷浆、并搅拌上提至停浆面；复搅下沉并再次喷浆至设计深度，搅拌上提至停浆面之上20cm；

e.桩机保持原地，打开四通接头2与空压机4之间的连接管路，空压机4以0.1MPa的排气压力吹线3min；

f.移桩机至脱离喷浆的桩体区域，打开四通接头2与空压机4之间的连接管路，启动水泵 5泵送清水进行冲洗，之后再次启动空压机4吹线。

本实施例建立雷诺应力模型进行数值模拟，得到了喷头处的喷气速率与钻头转速之间的曲线关系，可以得出，喷头处的压缩空气喷出速率随钻头转速的增大而增大，随着钻头转速的提高，单位时间内从喷头处喷出至软基质内的空气气量增大，因此当现场空压机因主观或客观原因而导致性能不足无法提供足够的喷气压力抵御软土向喷头内的作用力时，则可以采用增大钻机转速的方法来提高压缩空气对软土的抵御效果。本实施例中优选的在步骤d中第二次搅拌上提的过程中，将桩机的钻头转速调至110rpm。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，包括压浆泵(1)，其特征在于，还包括四通接头(2)，所述四通接头(2)的四个接口分别连接至压浆泵(1)的泵送端、桩机上料管(3)、空压机(4)、水泵(5)；所述四通接头(2)与桩机上料管(3)之间通过旋转接头(6)连接；所述四通接头(2)用于连接水泵(5)的一端设置位于四通接头(2)内部相对两侧壁的安装块(7)、挡块(8)，所述安装块(7)上铰接隔片(9)，所述隔片(9)与四通接头(2)内壁之间通过拉簧(10)连接；当无外力作用时，所述拉簧(10)将隔片(9)拉至抵靠在挡块(8)上，此时隔片(9)封隔四通接头(2)用于连接水泵(5)的一端。

2.根据权利要求1所述的一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，其特征在于，所述四通接头(2)相对的两个接头分别连接至压浆泵(1)的泵送端、桩机上料管(3)，另外两个接头分别连接至空压机(4)、水泵(5)。

3.根据权利要求2所述的一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，其特征在于，所述安装块(7)位于靠近压浆泵(1)的泵送端的一侧，所述挡块(8)位于靠近桩机上料管(3)的一侧；且挡块(8)相较于安装块(7)更靠近四通接头(2)的中心。

4.根据权利要求1所述的一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，其特征在于，所述旋转接头(6)包括轴承(601)、套筒(602)，所述轴承(601)的内环与四通接头(2)的端部相连，所述轴承(601)的外环与套筒(602)相连，所述套筒(602)与四通接头(2)同轴，且套筒(602)伸出至四通接头(2)外的部分设置螺纹。

5.根据权利要求1所述的一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，其特征在于，所述四通接头(2)与空压机(4)、水泵(5)的连接端也设置旋转接头(6)。

6.根据权利要求1所述的一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，其特征在于，所述隔片(9)为表面包覆一层橡胶的金属片。

7.根据权利要求1所述的一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线，其特征在于，所述四通接头(2)与压浆泵(1)之间的距离，等于压浆泵(1)至桩机总管道长度的1/3～2/3。

8.基于权利要求1至7中任一所述的一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线的喷浆方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)桩机就位，在桩机工作前，启动空压机(4)送风扫线；

(b)截断四通接头(2)与空压机(4)之间的连接管路，启动水泵(5)泵送清水进行冲洗，直至清水从桩机的钻头处流出；

(c)截断四通接头(2)与水泵(5)之间的连接管路，打开四通接头(2)与空压机(4)之间的连接管路，进行钻进作业至设计深度；钻进过程中空压机(4)以0.2～0.4MPa的排气压力输出压缩空气；

(d)截断四通接头(2)与空压机(4)之间的连接管路，启动压浆泵(1)喷浆、并搅拌上提至停浆面；复搅下沉并再次喷浆至设计深度，搅拌上提至停浆面之上至少10cm；

(e)桩机保持原地，打开四通接头(2)与空压机(4)之间的连接管路，空压机(4)以0.1～0.2MPa的排气压力吹线至少1min；

(f)移桩机至脱离喷浆的桩体区域，打开四通接头(2)与空压机(4)之间的连接管路，启动水泵(5)泵送清水进行冲洗，之后再次启动空压机(4)吹线。

9.根据权利要求8所述的一种避免浆液倒灌的旋喷桩供浆管线的喷浆方法，其特征在于，步骤(d)中第二次搅拌上提的过程中，桩机的钻头转速调至100～120rpm。