CN1131222A - 全角度地基改良体形方法及其装置 - Google Patents

Abstract

全角度地基改良体形成装置及方法。该装置包括空心套管(10)、套管推进器(12)、套管推进器接纳-回收装置(18)、硬化剂注入杆(38)以及多管转动接头(27)。该硬化剂注入杆(38)包括粘泥抽吸孔(30)、硬化剂喷嘴(33)、监控器(44)、压力传感器(45)和金属小钻头(34)。它可在深层地下并且在各种条件和方位下全角度形成地基改良体。换句话说，在与地面所成任意角度上，粘泥都可从设在硬化剂注入杆上的粘泥抽吸孔吸入并排出，同时由于可保持地下喷射压力不变，因此可按要求形成均匀的地基改良体。

Description

全角度地基改良体形成方法及其装置

本发明涉及用来加固软弱化基、为建筑物打地基、支撑有限体积的地基的地基改良体形成方法及其装置，本发明特别涉及不仅能以垂直方向、而且能以作为主方向的水平方向以及以与地面成任何角度方向施工的地基改良体形成方法，也即本发明提出了全角度地基改良体形成方法及其装置。

在土木工程领域，随着大城市向深层发展、在深层地下建造地铁等等时代的来临，新地基改良体的开发显得特别迫切。对于座落在软弱冲积层上的大城市地下施工的土木工程，施工的成功与否取决于能否可靠地形成地基改良体。自从所谓的CCP法(商标名，1970年由中西涉提出)发明以来人们提出了种种形成地基改良体的方法，在CCP法的基础上人们发展出了十余种新方法。它们全都涉及到对CCP法的施工方法中的排出压力、排出量作出改动，或涉及是否使用空气，并且，它们的开发工作全都集中于更大直径的地基改良体。如上所述，我们已进入深层城市、深层地铁、在海滩上标划城市的时代，因此迫切需要有不仅能垂直施工，而且能水平施工的全角度施工方法来形成地基改良体，这对土木工程是一种挑战。

在形成地基改良体的现有方法中，所谓的垂直施工是基本的，在垂直施工中随着排出压力、排出量和所使用空气量的增加以及其它一些发展，使用了大量泥浆，从而造成更高的土壤压力，从而更难于应用需在深层且在水平面上施工的全角度地基改良体形成法。例如，在一项以水平方向或以与地面成斜角的实际施工试验中，施工开始后约4分钟，粘泥就不再从喷杆四周的间隙中排出，并且不久就在施工地区出现地面隆起现象，而且，几分钟后，粘泥在离施工区远处喷出。结果如图15(A)所示形成一形状不规则的地基改良图。造成此种结果的原因据信在于：相对于注入的泥浆量粘泥的排出量不足；粘泥液体中混有高压空气，该高压空气与普通的空气团不同，不是水平逸出，而是力图只向上逸出，并留驻在地下面成为高压气团，从而形成内部压力逐渐提高的空隙。

此外，在形成地基改良体之前的钻孔阶段，现有钻机没有保护装置，钻机机体、钻头等等在插入地下施工时会被损坏。当使用注入杆喷射硬化剂时，必需配备有用来钻孔的钻头，钻头在钻孔时必须把注入杆放入钻孔中。作为替代方案，也可使用把注入杆和合适的钻杆做成一体的装置。这就无法在注入杆的顶端使用压力传感器之类的专用装置。

本发明旨在消除上述现有施工法的缺点，同时试图对各种现有地基改良体形成方法作通盘考虑，从而对当前的木土工程业作出贡献。

本发明的一个目的是提供一种不但适用于软弱地基、而且适用于坚硬地基的地基改良体形成装置，它包括一钻机，该钻机实际上钻进到目标点，在目标点，该地基改良体形成装置清除存留的空气和粘泥，并使地下的粘泥压力保持不变，从而以与地面的任何角度形成均匀的大直径地基改良体。

本发明的另一个目的是提供一种顺利排出粘泥的装置。

用来达到这些目的的地基改良体形成方法下面一般称为“地铁灌浆系统(Metro-Jet System)”(缩写为MJS—本发明申请人的商标)。

为实现上述目的，先用钻岩机在土壤中钻孔，钻孔完成后，插入硬化剂注入杆。在以超高压喷射硬化剂的同时后退该注入杆，从而在地下形成一个或多个地基改良体。在这种形成地基改良体的方法中，其一端带有内钻头的套管推进器的后端与一可与该套管推进器连接且可伸缩的接纳—回收装置啮合，并且，把该套管推进器以钻孔方向压入一套管，直到到达设在该套管内壁上的一止挡。然后，该套管推进器随同套管顶端处的金属外钻头转动而钻进到指定地点，并当钻进到目的地后，套管留在地下。接着，把硬化剂注入杆插入留在地下的套管中。该注入杆装有硬化剂注入管、空气注入管、高压水注入管、粘泥排出管等等。一当该硬化剂注入杆到达套管顶端，套管后退，直到露出注入杆上的粘泥抽吸孔，从而为形成本发明地基改良体作好准备。然后，硬化剂喷嘴开始喷射硬化剂，同时一监控器监控地下的情况，然后，开始转动或摇动并上举硬化剂注入杆，同时用硬化剂注入杆顶端处的压力传感器测量硬化剂喷嘴处的粘泥压力，并按照该地下的粘泥压力调节用来排出粘泥的空气喷孔和/或净水喷孔的开合程度，从而使地下的粘泥压力基本保持不变。这就是用来形成地基改良体的MJS的梗概。

本发明具有下述优点。

由于使用了套管，钻机不会损坏，并且，在装在所述套管顶端的外金属钻和插入在套管中的套管推进器的顶端的内钻的配合工作下，确保形成钻孔；同时，由于使用了监控器、压力传感器、粘泥抽吸孔等，从而确保获得均匀的地下粘泥压力。

图1为按本发明插入套管中的套管推进器；

图2(A)为本发明套管推进器接纳—回收装置的一实施例；

图2(B)为本发明内钻的平面图；

图3为多管转动接头的示意图；

图4为多管转动接头的剖面图；

图5为硬化剂注入杆的示意图，其顶端部以套管顶端部露出；

图6为硬化剂注入杆顶端部第二部分的剖面图；

图7(A)为硬化剂注入杆顶端的示意剖面图；

图7(B)为沿图7(A)中线X-X′剖取的剖面图；

图8为测得的地下压力图；

图9为MJS施工法的流程图；

图10为本发明一实施例的施工次序图；

图11为形成锥形地基改良体的一施工例；

图12(A)为形成半锥形地基改良体的一施工例；

图12(B)为连续形成半锥形地基改良体的水平施工例的示意图；

图13为水平施工形成的平行锥形地基改良体的示意平面图；

图14为形成锥形地基改良体时所产生的压力与所形成的改良体的直径之间的关系图；

图15(A)为用现有技术形成的一地基改良体的示意剖面图；

图15(B)为作为本发明一实施例而形成的一地基改良体的示意剖面图。

下面结合附图说明本发明实施例。

图1表示其中插有套管推进器12的套管(外杆)10。

套管10的顶端有一外金属钻14，其后端有一套管连接部11，因此能按需要伸长。该套管10的长度制成便于运输和处置。另一方面，套管推进器12的顶端有一用来钻孔的内钻15和用来支撑并补充内钻15的副钻16，其后端有一箭头状啮合部分13。一机构用来只能以一选定方向转动整个套管推进器12或内钻头15及其支撑件。由于套管10有时可用支撑在地面上或外部空间中的钻机48的转动机构转动，因此可以只转动所述套管推进器12，也可以与套管一起转动所述套管推进器，从而边钻孔边推进。此时，它们可以以同一方向转动，也可以以相反方向转动。

因此，套管10和套管推进器12一起边钻孔边推进，从而形成一直达指定位置的钻孔。在此推进过程中，套管10与所述套管连接部恰当连接，并且，如图2(A)所示，在套管推进器12的后端部，啮合部13与套管推进器接纳—回收装置18连接，该装置18有一被装置18夹住的部分19它与啮合部13啮合。而且，由于推进器接纳—回收装置18包括主体部20和伸缩部21，因此它可与套筒10一起伸长到目的地。

套管推进器12顶端处的内钻15可取各种形状。作为例子，图2(A)和2(B)所示为一个三叶钻头。内钻15受到来自它的施工面的很大压力，因此它的支撑部须有牢固的结构。该支撑部除了克服压力的转动机构外，还装有O形环17。

此外，在钻孔时内部钻头15通常最好比顶端部处的外金属钻14稍稍突出。

图3为多管转动接头27的简图，它包括硬化剂注入口23、高压水注入口25、空气注入口A24、空气注入口B26和粘泥排出口22。因此，该多管转动接头27与硬化剂注入杆连接，在本实施例中，空气注入口A和B分别用于不同目的，因此它们接至不同注入管，因此转动接头27是一种五管复合管。也可使用四管、三管等等的复合管。

上述粘泥排出口22接至外部的粘泥排放管22′，然后粘泥通过橡皮管等等排放到粘泥处置机。

图4为与图3所示多管转动接头27相应的一转动接头的剖面图，尽管它们的形状不同。

图4中，标记23、24、25和26分别表示上述各注入口，标记22为粘泥排出口。此外，此多管转动接头27与图6的注入杆第二顶端部连通，并与图5和图7的硬化剂注入部连通。

图5简示出硬化剂注入杆的顶端露出在套管10的顶端部之外。

在图5中，硬化剂注入杆的顶端部包括带有金属小钻头34和喷嘴33的第一顶端部32和带有粘泥抽吸孔30的第二顶端部31。该第二顶端部31的后端部有一连接部29，从而该注入杆可伸长到所要求的任意长度。在图5中，硬化剂注入杆插入套管10中，钻孔由图1和图2所说明的钻机完成，套管10留在钻孔中；套管推进器由套管推进器接纳—回收装置18回收后把该注入杆28插入，以便注入硬化剂。当硬化剂注入杆38到达留在钻孔中的套管10的顶端部时，套管10后退直到露出粘泥抽吸孔10，从而做好硬化剂注入的准备。硬化剂注入杆38插入套管10中，也就是形成以套管10为外管、注入杆38为内杆的双杆，此时一般其端部细长而其根部粗壮，从而总的来说，形成一牢固的硬化剂注入杆或硬化剂注入装置。

装在硬化剂注入杆第一顶端部32上的金属小钻头34通常用来钻孔，但在插入套管10中时用来清除其中的障碍物，或者它具有边钻孔边前进一小段所需距离的作用。

粘泥抽吸孔30具有按粘泥生成量自由调节孔的大小的机构(未示出)。

图6为硬化剂注入杆顶端部31的剖面图。在该图中，硬化剂注入杆38的侧壁上开有粘泥抽吸孔30。它还包括与杆38连通的粘泥排出管47，以便把粘泥排放到杆内中央处。硬化剂注入杆38内部分别包括硬化剂注入管35、空气注入管36和高压水注入管37。

图6中所示本发明一实施例的杆为四管杆。图6未必与用来表示具有粘泥抽吸孔、喷嘴等等的其它实施例的图7相同。图6所示实施例中的粘泥抽吸孔30既无净水注入孔40，也无空气注入孔41。

图7(A)为硬化剂注入杆38顶端部的示意剖面图。

在图7(A)中，硬化剂注入杆38包括硬化剂注入管35、高压水注入管37、上述空气注入管A36和B39，从图中显然可见，粘泥排出管47位于硬化剂注入杆38的中央。从粘泥抽吸孔30吸入的粘泥流入该粘泥排出管47中。由于硬化剂和硬化剂四周的空气的注入压力而在粘泥中累积起来的地下压力能量使粘泥从粘泥吸入孔30吸入，接着，从位于侧壁上且在所述粘泥排出管47最下部处的净水喷射孔和/或空气喷射孔喷射的净水和/或空气把粘泥喷射到粘泥排出管47上方后排出到外部。

在地下压力能量无法顺利排出粘泥的更深地下，可在粘泥排出管侧壁的更多位置上另设辅助高压水和空气喷射孔(未示出)。

图7(B)为图7(A)的X-X′向剖面图。在图7(B)所示实施例中，在粘泥排出管47的最下部开有净水喷射孔40和空气喷射孔41。

当从抽吸孔30吸入的粘泥上升到高于喷射孔40和41时，粘泥从喷射孔下方被喷射到粘泥排出管47上方。此时不但粘泥向上喷射，而且地下压力能量得到喷射的补充，因此粘泥喷射力和粘泥量增加。

另一方面，硬化剂注入杆38的顶端部(对应于图5中的第一顶端部32)装有围绕在硬化剂喷嘴33周围的空气喷嘴43，而且，在喷嘴43的顶端装有监控器44、压力传感器45和全金属钻头34。不过，监控器44通常装在喷嘴33和43的位置上。

图8表示在1991年7月15日所作一项试施工中测得的地下压力。

在图8中，表示出从试施工开始直到结束所测得的一系列地下压力。与现有测试结果相比较，未发现极高幅值的压力。这是因为装在硬化剂注入杆38顶端的压力传感器45不断测量压力，并按照该地下压力调节硬化剂或空气的注入量，从而使地下的粘泥压力大体保持不变。若不能保持地下压力不变，就无法形成(图15(B)所示的)均质地基改良体53。在图8中，高压力幅值处代表更换注入杆、改变注入压力或其它变动。

图9为本发明MJS方法的流程图。

下面参照该流程图概略说明MJS法，以便理解本方法的整个过程。

首先，诸如一定量的水泥、水泥附加剂和水之类的基本材料放在灰浆搅拌机中搅拌后把该混合物从该搅拌机经称量机送至开关阀。打开开关阀，把该混合物送至硬化剂注入杆，即，该混合物用MJS超高压泵在压力下送到装有上述各种装置的多管MJS系统。在此操作中，不仅是MJS系统中的MJS超高压泵，而且多管注入杆、流量计、用于粘泥抽吸的净水喷射孔和/或空气喷射孔都受系统控制板的控制。在这一控制下，首先用钻机对要改良的地基钻孔，然后监控并测量地下压力，喷射硬化剂，抽吸粘泥。

会造成环境污染和其它问题的粘泥从排出管排出到粘泥罐中。在本发明MJS系统中，粘泥用商标名为“SIEBOL”的过滤机过滤，过滤生成的泥块送至于承包商，由他们处理。另一方面，用泵把该过滤出的水重新使用在本地基改良施工中。

图10为与地面成45°角的全角度地基改良体施工次序示意图。

图10(1)表示用插入在套管中、并由钻机支撑和转动的套管推进器钻孔。套管推进器和套管在一起钻孔时的转动情况上文已予说明，通常把水灌入钻孔中。

图10(2)表示用套管推进器接纳—回收装置接纳并回收套管推进器，但把套管留在地下。

图10(3)表示把装有压力传感器和监控器的硬化剂注入杆插入留在地下的套管中。在喷出硬化剂前先稍稍后退套管以便露出粘泥抽吸孔。接着，如图10(4)所示，装在硬化剂注入杆顶端的压力传感器测量地下压力而硬化剂喷射情况受到监控，随着粘泥从粘泥抽吸口的吸入不断均匀注入硬化剂。然后以指定方向边转动硬化剂注入杆和套管边把它们退出，直到它们到达地基改良体形成范围。

图10(5)表示在一地基改良体形成后退出套管和硬化剂注入杆、若要连续形成多个地基改良体，则必须进行一系列上述形成改良体的施工。

图11为一施工例，在此施工中形成锥形地基改良体49，而不是图10所示圆柱形地基改良体。

图12(A)表示形成半锥形地基改良体50的施工例。

此外，在图12(B)中，简示上连续形成若干半锥形地基改良体。本发明的形成地基改良体的方法用此能形成适合于其用途的地基改良体。

此外，在图12(B)所示两平行半锥形地基改良体51的重叠部中，施工试验证明，在其它部分也可以均匀强度形成改良体。

图13为表示平行形成锥形地基改良体的水平施工结果的示意平面图。

图13给出了上述重叠部分和地基改良体的形状、直径大小等等的大致情况。

图14表示在形成锥形地基改良体时压力与所形成地基改良体的直径之间的关系。

在图14的改良体形成过程中，空气注入量为每分钟1.2m³，管子退出速度为每50分钟1米。若在形成地基改良体时使用的压力高，则该改良体的直径一般来说大。为了形成能满足使用要求的均匀地基改良体，改良体形成过程中在形成压力与形成形状之间保持平衡，这一点不同于现有技术。

在上述实施例的施工中，所形成的地基改良体与图15(A)的现有技术形成的地基改良体52不同，而是与图15(B)所示均匀地基改良体53相同。

在图15(A)中，造成地基改良体52中央处下凹的原因在于，可能由于空气和粘泥仍留在那一区域而造成地下压力不均匀。

按照本发明，首先可在深层地下并在各种条件和方法下形成地基改良体，即为施工地基形成全角度地基改良体。

在任何角度上，都可使由粘泥抽吸口吸入并排出的粘泥量和地下注入压力保持不变，从而按要求形成地基改良体。在必须改良直接位于地基改良体形成装置上方的地基的极端情况下，可用一机构调节粘泥抽吸孔的开合程度，防止注入硬化剂后粘泥沾杆过量排放，即能保持粘泥的适当排放量。

如上所述，本发明全角度地基改良之所以可能，是因为配合套管使用了套管推进器；形成一定直径的钻孔；用来钻孔的套管仍留在钻孔中，以便在形成改良地基时注入硬化剂，这就是说，能确保形成一定直径的钻孔。

其次，抽吸并排走会降低地基改良体形成效果并造成环境污染的污泥而从地面上控制硬化剂的有效注入，本发明从而形成均匀、大直径地基改良体。

本发明提供了一种简单、迅捷、精确地形成地基改良体的方法，并且效率高、成本低。

Claims (11)

1.一种地基改良体形成方法，包括：用钻机在施工地基钻孔，钻孔完成后把硬化剂注入杆插入所述钻孔，在以高压从该杆喷射硬化剂的同时提升起硬化剂注入管，从而形成一个或多个地基改良体以改良所述地基，其特征在于该方法包括：

把其顶端具有内钻的套管推进器的后端与套管推进器接纳—回收装置啮合，所述套管推进器接纳—回收装置可在所述钻孔方向上伸缩并可连接到所述套管推进器上，从而可把该套管推进器插入一套管中；

与装在套管顶端部的外金属钻一起转动套筒推进器，使该套管推进器钻入施工地下；

在钻进到目标点后把套管留在钻孔中，用套管推进器接纳一回收装置回收套管推进器；

把至少包括硬化剂注入管、空气注入管、高压水注入管和粘泥排出管的硬化剂注入杆插入留在地下的套管中，一当硬化剂注入杆到达套管顶端部即后退该套管而为形成地基改良体作好准备并继续后退套管直到露出硬化剂注入杆上的粘泥抽吸孔；

然后硬化剂喷嘴开始喷射硬化剂，而用一监控器进行监控，同时开始转动、摇动和提升起硬化剂注入杆，而用装在硬化剂注入杆顶端部的压力传感器测量硬化剂喷嘴近旁的泥浆压力，并根据地下泥浆压力的变动调节粘泥排出管中空气喷射孔和/或净水喷射孔的大小而控制粘泥的排放量，从而使泥浆压力大致保持不变。

2.按权利要求1所述的地基改良体形成方法，其特征是，套管推进器接纳—回收装置顶端处的开合机构抓住套管推进器后端的啮合部而使该啮合部与该套管推进器接纳—回收装置连为一体，从而可接纳并回收该套管推进器。

3.按权利要求1所述的地基改良体形成方法，其特征是，在套管推进器接纳—回收装置的一伸缩部处，套管推进器接纳—回收装置的主体部与啮合部之间的中间部可按需要伸缩，同时该主体部可接至多个部件而伸长所需距离；所述套管推进器按需要被接纳和回收。

4.按权利要求1所述的地基改良体形成方法，其特征是：在钻孔时，装在所述套管顶端部的外金属钻与装在套管推进器顶端的内钻同方向或反方向转动。

5.按权利要求1所述的地基改良体形成方法，其特征是，粘泥抽吸孔内壁上的净水和/或空气喷射孔喷射高压净水和/或空气，以便通过所述粘泥排出管把从所述粘泥抽吸口顺利吸上来的粘泥排出，该粘泥抽吸口设在所述硬化剂注入杆的顶端部并位于设在硬化剂注入杆中央的所述粘泥排出管的最底部。

6.按权利要求1所述的地基改良体形成方法，其特征是，在硬化剂注入杆中的所述粘泥排出管的侧壁的一个或多个位置上，设有高压喷射净水和/空气的净水喷射孔和/或空气喷射孔，以便把从所述粘泥抽吸口吸入的粘泥排放到外部。

7.按权利要求1所述的地基改良体形成方法，其特征是，硬化剂注入杆的顶端部在硬化剂喷嘴和所述粘泥抽吸孔都从所述套管露出合适距离时才喷射硬化剂。

8.一种地基改良体形成装置，它在地下钻孔，钻孔后把一硬化剂注入杆插入该钻出的孔中，然后在高压喷射硬化剂的同时提升该硬化剂注入杆，从而在地下形成一个或多个地基改良体，其特征在于包括：

一空心外套管，其顶端装有外金属钻，其后端为套管连接部；

一套管推进器，其顶端包括一内钻以及一支撑该内钻的副钻，其后端包括箭头形啮合部；

一套管推进器接纳—回收装置，其顶端处有紧抓套管推进器的所述啮合部的啮合部，而在主体部与所述啮合部之间有一伸缩部；

由一根或多根空气注入管、一硬化剂注入管、一高压水注入管和一粘泥排出管构成的一硬化剂注入杆；

一多管转动接头，上有与所述硬化剂注入杆对应的硬化剂注入孔、一个或多个空气注入孔、一个高压水注入孔和一个粘泥排出孔；

在所述硬化剂注入杆顶端部的一粘泥抽吸孔、一硬化剂喷嘴、监控器、压力传感器和一金属小钻头。

9.按权利要求8所述的地基改良体形成装置，其特征是：

在所述粘泥抽吸孔底部侧壁上并在所述粘泥排出管的最底部处设有净水喷射孔和/或空气喷射孔，所述粘泥排出管设在硬化剂注入杆的中央部。

10.按权利要求8所述的地基改良体形成装置，其特征是：

所述粘泥抽吸孔可自由打开或关上，且该抽吸孔的打开大小可调。

11.按权利要求8所述的地基改良体形成装置，其特征是，硬化剂注入杆和顶端部包括第二顶端部和第一顶端部，第二顶端部上有粘泥抽吸孔，它从套筒中露出时即可使用；第一顶端部上在露出套筒之外更远处有一喷嘴；套管在硬化剂注入杆的第二顶端部的根部处的端部有一连接部，从而该硬化剂注入杆可按施工地基的深度伸长。

Images