CN111155934A - 圆砾层三轴搅拌机钻头及施工方法 - Google Patents

圆砾层三轴搅拌机钻头及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种圆砾层三轴搅拌机钻头及施工方法，该钻头包括内置有注浆钢管的钻杆，所述钻杆的尾部设有内插式接头，所所述钻杆的头部设有前进头，前进头后方的钻杆上设有钻头排，钻头排后方的钻杆上设有钻头护颈翼板，钻头排上布设有合金钻牙。该方法的步骤为：1)测量放样，2)开挖沟槽，3)三轴搅拌机组装后在桩位正确就位，4)拌制水泥浆液，开启空压机，送水泥浆液至桩机，5)三轴搅拌机钻头喷浆、搅拌定位下沉A并边喷桨边搅拌下沉B至设计桩底标高，6)三轴搅拌机钻头喷浆、搅拌提升C至设计桩顶标高，7)施工完毕后，进入下组桩施工D，8)施工全部完毕后进行残土处理和搅拌机械撤出。

Description

圆砾层三轴搅拌机钻头及施工方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌桩施工方法，尤其是一种三轴搅拌机钻头和三轴搅拌桩施工方法。
背景技术
随着现代化建筑物不断地向地下发展，对基坑的围护要求也越来越高。高层建筑深基坑支护止水帷幕，直接影响基坑支护结构的安全性稳定性，方式多样，常见的有深层水泥土搅拌桩、高压旋喷桩以及自带止水效果的钻孔咬合桩和地下连续墙等形式。钻孔咬合桩和地下连续墙基坑围护形式，施工周期长，而且造价也高。高压旋喷桩成本高，对于土质有要求，容易污染环境。而三轴搅拌桩相比上述支护止水形式，施工速度快，工程造价低，成桩质量和均匀性好。但普通三轴搅拌机施工也有局限，钻头遇到土层大粒径圆砾时施工比较困难。尤其近年来SMW工法桩的推广，对三轴搅拌桩工艺要求更高。
三轴搅拌桩施工原理是采用三轴搅拌桩机械在土层深部就地将水泥和土强制搅拌(两轴同向旋转喷浆与土拌合，中轴逆向高压喷气在孔内与水泥土充分翻搅拌合)，利用土和水泥水化物间的物理化学作用，形成有一定强度的水泥土固结体，从而改善土的强度、透水性、承载力等特性。目前，三轴水泥搅拌桩在止水结构中的应用越来越广泛，要求三轴水泥搅拌桩在不同地质条件下具有更强的适用性。然而在遇到较厚圆砾层时，由于普通的三轴搅拌桩桩机钻具(例如长螺旋形式或一般叶片式)扭矩不足，施工困难，成桩质量差，止水效果不理想。
1、传统螺旋式钻头局限：工程上在三轴搅拌桩的应用中，经常存在三轴搅拌桩桩机钻头，当遇到较厚砾石层时，扭矩不足，施工困难的问题。传统螺旋式钻头在钻进的时候容易对土体进行挤压，对于软土层螺旋式效果好，但是对于圆砾层卵石越挤压越紧，螺旋式钻头根本无法钻进，而且卵石对螺旋式前进头磨损较严重。实践中需要针对不同土体工况，对搅拌桩动力头、钻具形式等进行改进，以更加适应建筑基础止水围护要求。
2、叶片式钻头优势：叶片式钻头因为其切削功能强，扭矩足，对于圆砾层比较适用。
因此，需要通过对普通三轴搅拌桩机及三轴搅拌机钻头进行设计改造，形成强劲三轴搅拌桩机动力头，功能强大，更加适用于大粒径圆砾地质构造工况，以及采用改进的三轴搅拌桩机及三轴搅拌机钻头实施圆砾层三轴水泥搅拌桩施工，适用于黏性土、粉土、砂土、砂砾土、饱和黄土，特别适合粒径2-25cm的圆砾层。可用于河流改造中做防水围堰、大坝防渗墙、埋设管道时作保护墙等。特别适用于圆砾层地质条件的SMW工法桩施工。
发明内容
为解决三轴水泥搅拌桩在圆砾层中的施工技术难题，本发明提出了一种圆砾层三轴搅拌机钻头及施工方法，该施工技术克服了普通三轴水泥搅拌机在圆砾层中动力不足，难以成桩等施工难题，通过对搅拌机钻头进行改进，同时增大动力头功率，精准控制调整施工注浆参数，并使三轴搅拌桩机能够快速顺利切削圆砾，搅拌穿透圆砾层，搅拌效果及成桩止水质量好.
本发明的技术方案是：一种圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头，包括内置有注浆钢管的钻杆，所述钻杆的尾部设有内插式接头，所所述钻杆的头部设有前进头，前进头后方的钻杆上设有钻头排，钻头排后方的钻杆上设有钻头护颈翼板，钻头排上布设有合金钻牙。
进一步，所述钻头排为三片叶式钻头排，三片叶式钻头排的钻杆尾部倾斜并且入土角度为20度～25度，三片叶式钻头排与钻杆的轴心线成63度～68度的夹角。
进一步，所述三片叶式钻头排的入土角度a为22度时，所述三片叶式钻头排与钻杆的轴心线的夹角为65度。
进一步，所述合金钻牙之间的间距为150mm。
进一步，所述钻头排设置在距前进头410mm处的钻杆上，所术钻头护颈翼板与钻头排之间的间距为500mm。
进一步，所述前进头为叶片式锥形前进头，并围绕着钻杆的轴心线径向均分布，叶片的刃上设有两个前进头合金钻牙。
进一步，所述钻头护颈翼板为由两片翼板组成的叶式钻头护颈翼板，翼板向钻杆头部倾斜并且入土角度为15度～20度，翼板与钻杆的轴心线相对垂直。
一种叶片式三轴搅拌机，采用所述的圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头，所述圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头通过内插式接头安装在叶片式三轴搅拌机的打桩架上。
一种采用所述的叶片式三轴搅拌机的圆砾层三轴搅拌桩施工方法，包括以下步骤：
1)测量放样，2)开挖沟槽，3)三轴搅拌机组装后在桩位正确就位，4)拌制水泥浆液，开启空压机，送水泥浆液至桩机，5)三轴搅拌机钻头喷浆、搅拌定位下沉A并边喷桨边搅拌下沉B至设计桩底标高，6)三轴搅拌机钻头喷浆、搅拌提升C至设计桩顶标高，7)施工完毕后，进入下组桩施工D，8)施工全部完毕后进行残土处理和搅拌机械撤出。
进一步，所述水泥浆液的水灰比为1.5～2.0；所述叶片式三轴搅拌机的主电机功率为45×2kW，油泵电机功率为5kW，空压电机功率为2×3kW。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、土层适应性更强，最大钻孔深度可达55米。施工工艺简单，止水抗渗性能好，成桩速度快。
2、在圆砾层地质的基坑围护造价比传统的施工工艺大大降低。与钻孔咬合桩相比基坑围护的造价可降低30-40％。
3、根据不同土质选择增减安装钻头排数量，钻头排上合金钻牙数量，快速顺利成桩。钻切过程保证桩体水泥浆与周围土质反复充分搅拌，全长无裂缝。
4、适用范围广，适用于黏性土、粉土、砂土、砂砾土、饱和黄土，以及粒径最大达25cm的圆砾层。穿透圆砾层厚度可达到7米。
6、环保节能。施工过程无污染，噪声小，无需回收处理泥浆。
附图说明
图1是本发明的叶片式三轴搅拌机钻头结构立体示意图；
图2是本发明的叶片式三轴搅拌机钻头结构平面示意图；
图3是本发明的叶片式三轴搅拌机钻头安装结构示意图；
图4是本发明的圆砾层三轴搅拌桩施工流程框图；
图5是本发明的圆砾层三轴搅拌桩施工步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种叶片式三轴搅拌机钻头，包括内置有注浆钢管(通过注浆钢管对土体进行注浆)的钻杆1(钻杆为圆柱体，圆柱体中心为空心，用于安装注浆管)，并且钻杆1的尾部设有与三轴搅拌机的打桩架连接用的内插式接头2。钻杆1的头部设有前进头4，前进头4后方的钻杆1上设有钻头排5，钻头排5后方的钻杆1上设有钻头护颈翼板6。钻头排合金钻牙7之间的间距为150mm。
距前进头410mm处设置钻头排5，距钻头排500mm处设置钻头护颈翼板6。前进头4是叶片式锥形前进头，围绕着钻杆的轴心线径向均分布，叶片的刃上设有两个前进头合金钻牙3。
前进头4，设计成叶式就是为了防止对卵石的挤压，叶式前进头的合金钻牙也是针对卵石设计的，它能有效刨开颗粒状大小粒径的卵石钻进坚硬土层。钻头排5是三片叶式钻头排，排向钻杆尾部倾斜并且入土角度为20度～25度，钻头排与钻杆1的轴心线成63度～68度的夹角，钻头排的刃上设有合金钻牙7。叶式钻头排能有效将切割土体往返并均搅拌。叶式钻头排的入土角度a为22度时，且叶式钻头排与钻杆的轴心线的夹角为65度时，使用效果最佳。
钻头护颈翼板6是由两片翼板组成的叶式钻头护颈翼板，翼板向钻杆头部倾斜并且入土角度为15度～20度，翼板与钻杆1的轴心线相对垂直。这样设计是为了把上反土体控制在一定范围内,不至于土体上反到地面外形成孔洞从而增加水泥用量。且叶式钻头护颈翼板可对土体进行均匀搅拌，能将上返土体均搅拌并形成稳定圆柱体。
叶片式三轴搅拌机主要技术参数：
材质：含钨硬质合金钢；搅拌叶片外径：150-350mm；成桩直径：3×(150-350)mm；最大成桩深度:45m；揽拌轴转速：正(10、16、29、47、72)r/min；反(11、19、34、55、85)r/min；最大扭距：43×2kN.m；提升速度:正0.116-147m/min，反0.137-176m/min；纵向单步行程：1.2m，横向单步行程：0.5m；主电机功率：45×2kW，油泵电机功率:5kW，空压电机功率：2×3kW。
如图4，5所示，一种采用叶片式三轴搅拌机的圆砾层三轴搅拌桩施工方法，包括以下步骤：
1)测量放样，2)开挖沟槽，3)三轴搅拌机组装后在桩位正确就位，4)拌制水泥浆液，开启空压机，送水泥浆液至桩机，5)三轴搅拌机钻头喷浆、搅拌定位下沉A并边喷桨边搅拌下沉B至设计桩底标高，6)三轴搅拌机钻头喷浆、搅拌提升C至设计桩顶标高，7)施工完毕后，进入下组桩施工D，8)施工全部完毕后进行残土处理和搅拌机械撤出。
圆砾层三轴搅拌桩施工的操作要点及工艺参数：
(1)材料及计量装置准备
1)材料检测合格后方可使用；
2)搅拌设备应采用经国家计量部门认证的自动计量装置，计量分段浆量、总浆量、搅拌深度等指标，保证搅拌桩喷浆总量、喷浆均匀。
(2)浆液配制参数控制
1)主要参数：水泥标号、水灰比(参考配比范围为：1.5～2.0)、水泥浆比重、水泥掺入量。正式施工前应进行试验修正。
2)对储存在储浆桶内配置好的水泥浆液进行比重测试，以控制水泥浆液比重，浆液不得停置时间过长，超过两小时的浆液应降低强度等级使用。
(3)测量放线
根据坐标基准点，按图放出桩位，设立临时控制桩，做好技术复核单，提请业主和监理进行验收。
(4)开挖沟槽
根据基坑围护边线挖机开挖槽沟，并清除地下障碍物，开挖沟槽土体应及时处理，以保证搅拌桩的正常施工。
(5)钻机就位
由当班班长统一指挥桩机就位，移动前看清上、下、左、右各方面的情况，发现有障碍物应及时清除，移动结束后检查定位情况并及时纠正；桩机应平稳、平正，并用经纬仪或线锤进行观测以确保钻机的垂直度≤1/200。
钻机控制与压浆泵联动，一旦跳闸、埋钻等情况同步停止喷浆，施工时区间隧道内的量测应同步反馈隧道变形监测数据。由当班班长统一指挥桩机就位，移动前看清上、下、左、右各方面的情况，发现有障碍物应及时清除，移动结束后检查定位情况并及时纠正；桩机应平稳、平正，并用经纬仪或线锤进行观测以确保钻机的垂直度；三轴搅拌桩桩位定位后再进行复核，偏差值应小于5cm，桩身垂直度误差不得超过1/200的桩长。
(6)三轴搅拌桩施工要点及控制措施
1)施工现场应先进行场地平整，清除施工区域的表层硬物和地下障碍物，遇地表地层较弱时，铺设钢垫板，使地表承载力应满足重型桩机平移、行走稳定的要求，确保搅拌桩垂直度达到设计要求。
2)水泥搅拌桩应按设计要求进行试成桩，确定在本工程中实际采用的水泥浆液水灰比、成桩工艺和施工步骤，试桩不少于2组。
3)影响水泥搅拌桩强度及抗渗性能的主要因素有：地基土层性质、水泥用量、搅拌水泥土的均匀性、施工深度等。搅拌桩成桩采用二喷二搅的施工工艺，下钻喷浆，上提补浆喷浆。在桩体范围内必须做到水泥搅拌均匀。
4)施工采用标准连续方式，相邻桩施工时间不超过24h。
5)严格控制钻具下沉和提升速度，确保一定的泵送压力。搅拌提升时不应使孔内产生负压造成导坑周边地基沉降，在桩机筒身上做好明显标志，严格控制搅拌桩桩顶和桩底标高。使得形成的水泥土搅拌桩桩体满足设计所规定的强度和抗渗要求。
(7)搅拌桩施工注浆及参数控制
1)、水泥浆比重的计算
X＝3.1(n+1)/(3.1n+1)
当n取1.5时，得X＝1.37
当n取2.0时，得X＝1.29
2)根据水泥浆比重、桩径、桩长、提升与下沉速度、水灰比，计算泵量、浆液量、土体量等参数。
3)施工现场搭建拌浆桶，拌浆桶附近搭建水泥库，在开机前应进行浆液的搅制，开钻前对拌浆人员做好交底工作。
4)水泥浆液必须定量，不间断供应，喷浆提升的次数和速度必须符合规定的施工工艺，泵送应连续进行。
5)注浆参数控制
主要控制注浆压力、注浆流量、下沉速度、提升速度等；
(8)清理沟槽内泥浆
由于水泥浆液的定量注入搅拌桩内，将有一部分水泥土被置换出沟槽内，采用挖机将沟槽内的水泥土清理出沟槽，保持沟槽沿边的整洁，确保桩体的硬化成型和下道工序的继续，被清理的水泥土堆放在统一地点，24小时硬化后，运出场地。
本发明施工的主要机具：
序号 机具名称 规格
1 带合金钻牙的叶片式钻头 Ф500-Ф1000
2 履带式桩架 SF808Ⅲ
3 压浆泵 BW-250
4 挖掘机 EX-200
5 空压机 6m3/min
6 搅拌注浆系统 Z20
本发明的技术创新点：
1)钻具改进：普通三轴搅拌桩桩机钻头，当遇到较厚砾石层时，扭矩不足，施工困难。圆砾层三轴水泥搅拌桩施工技术，一是对搅拌机钻头进行改进，设计制作一种特殊叶片式钻头：前进头增加合金钻牙，钻杆上安装叶片式钻头排，钻头排上固定多个合金钻牙，可顺利快速穿透圆砾层，具有工艺简便、成本低的特点。
2)根据场地圆砾粒径厚度情况，可增大三轴搅拌机动力头功率，功率可在原基础上增大10％。
3)施工中精准控制调整注浆参数，使注浆操作与钻机钻进切削搅拌操作紧密配合。

Claims (10)

1.一种圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头，包括内置有注浆钢管的钻杆，其特征在于：所述钻杆的尾部设有内插式接头，所所述钻杆的头部设有前进头，前进头后方的钻杆上设有钻头排，钻头排后方的钻杆上设有钻头护颈翼板，钻头排上布设有合金钻牙。
2.根据权利要求1所述的圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头，其特征在于：所述钻头排为三片叶式钻头排，三片叶式钻头排的钻杆尾部倾斜并且入土角度为20度～25度，三片叶式钻头排与钻杆的轴心线成63度～68度的夹角。
3.根据权利要求2所述的圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头，其特征在于：所述三片叶式钻头排的入土角度a为22度时，所述三片叶式钻头排与钻杆的轴心线的夹角为65度。
4.根据权利要求1所述的圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头，其特征在于：所述合金钻牙之间的间距为150mm。
5.根据权利要求1所述的圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头，其特征在于：所述钻头排设置在距前进头410mm处的钻杆上，所术钻头护颈翼板与钻头排之间的间距为500mm。
6.根据权利要求1所述的圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头，其特征在于：所述前进头为叶片式锥形前进头，并围绕着钻杆的轴心线径向均分布，叶片的刃上设有两个前进头合金钻牙。
7.根据权利要求1所述的圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头，其特征在于：所述钻头护颈翼板为由两片翼板组成的叶式钻头护颈翼板，翼板向钻杆头部倾斜并且入土角度为15度～20度，翼板与钻杆的轴心线相对垂直。
8.一种叶片式三轴搅拌机，其特征在于：采用权利要求1-7任一所述的圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头，所述圆砾层叶片式三轴搅拌机钻头通过内插式接头安装在叶片式三轴搅拌机的打桩架上。
9.一种采用权利要求8所述的叶片式三轴搅拌机的圆砾层三轴搅拌桩施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)测量放样，2)开挖沟槽，3)三轴搅拌机组装后在桩位正确就位，4)拌制水泥浆液，开启空压机，送水泥浆液至桩机，5)三轴搅拌机钻头喷浆、搅拌定位下沉A并边喷桨边搅拌下沉B至设计桩底标高，6)三轴搅拌机钻头喷浆、搅拌提升C至设计桩顶标高，7)施工完毕后，进入下组桩施工D，8)施工全部完毕后进行残土处理和搅拌机械撤出。
10.根据权利要求9所述的圆砾层三轴搅拌桩施工方法，其特征在于：所述水泥浆液的水灰比为1.5～2.0；所述叶片式三轴搅拌机的主电机功率为45×2kW，油泵电机功率为5kW，空压电机功率为2×3kW。
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