CN114086558B - 一种采空区成桩装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种采空区成桩装置及监测方法，不仅能对采空区地层进行加固，而且还能对不良地层进行快速补强并提供足够承载力，同时不需要换填或传统挖孔成桩等手段来提高深部地层的承载力，该方案能满足工程设计及运行安全要求的足够承载力及变形要求前提下使得工期较传统处治方法缩短，同时还能够对地层扰动程度小，其解决的技术方案包括承载车，其特征在于，承载车上固定连接有竖向布置的导轨，导轨上滑动连接有钻探杆，钻探杆为中空结构，钻探杆上端连接供料管一端，供料管另一端连接压力供料器，钻探杆下端可拆卸连接有钻探头，钻探头前后两侧面上分别开设有对称布置的出料孔，钻探头下端固定连接有钻探齿，钻探头上套设有植入检测装置。

Description

一种采空区成桩装置

技术领域

本发明涉及一种采空区处置装置，特别是一种采空区成桩装置。

背景技术

采空区深成桩技术一直是困扰人们技术难题，若在采空区地区直接兴建工程构筑物难免会导致沉降及不均匀沉降问题，直接关系着工程能否具有预期的实际效用，而在采空区塌陷问题的处理上往往伴具有许多难题，现有处治采空区塌陷主要是利用塌陷过程中上覆岩土体空隙的增大，从而减少采空区产生过多的塌陷，由此往往导致采空区地表出现大量凹陷，而此种方法仅能适用于地下已经采空的工况，而在采空区建造构筑物过程中还会遇到地面已发生不同程度的深陷，但是在压实过程中往往只能对上部地层进行压实处理，长时间仍会出现沉降及不均匀沉降工程问题，若完全采用先成深孔再用混凝土来成桩不仅消耗大量材料，还延误工期，而且在成孔过程中还容易卡钻塌孔等工程难题，所以需要一种能快速补强处治采空区的加固装置，并在进行处治过程中还需要根据采空区不同深度的地层沉陷裂隙等程度的不同而进行调节不同的注浆压力及注浆材料颗粒大小。深部开采区由于上覆地层的垮落，具有大孔隙，在对此冒落带进行注浆过程中需要首先需要较小的压力和较粗的砂浆，使得砂浆与冒落带内的垮落岩块进行填充，并形成一定锥形加固区，然后逐级向上进行注浆，随着上部地层裂隙的减少，注浆压力逐渐升高，同时注入的浆液粒度变细，依据注浆压力以及注浆量来控制最终可以形成满足工程要求的桩径。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种采空区成桩装置，不仅能对采空区地层进行加固，满足采空区构筑物对地层承载性能及沉降要求，而且还能对不良地层进行快速补强并提供足够承载力，同时不需要换填或传统挖孔成桩等手段从而达到提高深部地层的承载力，该方案能满足工程设计及运行安全要求的足够承载力及变形要求前提下使得工期较传统处治方法大大缩短，同时还能够对地层扰动程度较小，有利于环保绿色节能。

其解决的技术方案是，包括承载车，其特征在于，承载车上固定连接有竖向布置的导轨，导轨上滑动连接有钻探杆，钻探杆为中空结构，钻探杆上端连接供料管一端，供料管另一端连接压力供料器，钻探杆下端可拆卸连接有钻探头，钻探头前后两侧面上分别开设有对称布置的出料孔，钻探头下端固定连接有钻探齿。

还包括固定连接在导轨下端的支撑片、支撑片上固定连接的放线盒、钻探完成后固定连接在钻探头上的植入检测装置，所述植入检测装置包括套设在钻探头上的可拆卸连接的连接环，钻探头下端设有锥形件，锥形件上端转动连接有多个保护板，各个保护板上端与连接环之间通过连接卡扣进行连接，各个保护板内侧面上均固定连接有压缩弹簧。

作为优选，所述钻探头上端与钻探杆之间可拆卸连接，钻探头前后两端分别固定连接有环形保护片，各个环形保护片内分别开设有出料孔，各个出料孔分别联通到钻探杆内部，钻探头下端固定连接有多个钻探齿，各个钻探齿沿钻探头均匀间隔布置。

作为优选，所述钻探头下端为中空结构，钻探齿与出料孔之间开设有对称布置的导向槽，导向槽联通到钻探头下端的中空结构内。

作为优选，所述钻探齿伸出钻探头长度大于环形保护片伸出钻探头长度。

作为优选，所述压力供料器包括储料罐，储料罐下端连接出料通道，出料通道伸出端朝向斜上方伸出，储料罐下端与出料通道之间经出料电机连接，出料通道伸出端固定连接有出料软管，出料软管下方设有拌料装置，拌料装置出料口连接加压装置，物料在加压后输送到钻探杆上端。

作为优选，所述拌料装置中设有搅拌叶片，始终保持搅拌器内的物料处于均匀混合状态。

作为优选，所述储料罐内储存有多种不同的物料，且按照设定比例将相应的物料输送到拌料装置内。

作为优选，所述连接卡扣包括固定连接在各个保护板内侧面上的L形连接块，连接块上端为开口状，连接环与各个连接块位置相对应处分别固定连接有向下伸出的连接杆。

作为优选，所述放线盒内卷绕有检测电线，检测电线上均匀间隔固定连接有多个位置传感器，检测电线上端卷绕在放线盒内下端向下伸出并穿过保护板内侧面连接在锥形件上。

本发明有益效果是：

1.对地层破坏程度小，施工工作周期短，同时该设备对作业面适应能力强；

2.与传统施工相比，工作简单，仅需要少量工人操控，使用工人较少；

3.高度自动化，仅需要将指定材料放置在储料罐内，在使用时自动搅拌，自动送料；

4.仅需要将机器开到指定地点，然后将钻探头伸入到地面，然后将搅拌好的材料送入即可。

5.注浆根据各地层孔隙大小确定浆液浓度及压力，不仅可避免浆液浪费，而且可以形成满足工程承载力与变形要求的成桩桩径。

6.注浆时通过在浆液柱内安装位置传感器来检测浆液柱的实时变化情况。

附图说明

图1为本发明主视图。

图2为本发明主视图局部放大图。

图3为本发明主视图第二视角。

图4为本发明主视图第二视角局部放大图。

图5为本发明主视图中钻探头结构示意图。

图6为本发明主视图第二视角中钻探头结构示意图。

图7为本发明植入检测装置安装示意图。

图8为本发明植入检测装置安装示意图中局部放大图。

图9为本发明植入检测装置安装示意图收缩状态示意图。

图10为本发明植入检测装置展开状态示意图。

图11为本发明注浆部位地层结构状态示意图

附图标记

1.承载车，2.导轨，3.钻探杆，4.钻探头，5.出料孔，6.钻探齿，7.环形保护片，8.导向槽，9.储料罐，10.出料通道，11.出料软管，12.拌料装置13.支撑片，14.放线盒，15.连接环，16.锥形件，17.保护板，18.连接卡扣，19.压缩弹簧。

具体实施方式

以下结合附图1-11对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明。

该实施例在使用时，先将需要的物料在压力供料器内准备好，经由压力供料器内的各个部件协同工作，先将需要的各种物料存储在储料器内，储料器将各种物料在使用时将设定比例的物料输送到拌料装置12内，在拌料装置12内对各种物料进行均匀混合，混合好的物料需要满足以下条件，能够在地层内进行凝固，凝固后能达到设计强度要求，在无氧环境下能够进行凝固，然后将混合好的物料放在拌料装置12内等待使用，同时驱动承载车1达到指定地点，驱动承载车1上端的导轨2并调整姿态为竖向，将钻探杆3竖向滑动连接在导轨2上并随着导轨2保持竖直状态，调整钻探杆3位置，使得钻探杆3下端的钻探头4位置与设定位置重合，然后将高压水管暂时连接在中空钻探杆3的上端并联通，在开始钻探前先对高压水管进行供水，然后控制钻探杆3在转动过程中向下运动，在钻探杆3向下运动过程中控制高压水管保持供水，位于中空的钻探杆3内的高度液体会从出料孔5向外进行喷射，利用注浆压力使得地层在钻探过程中把浆液压入微裂隙，一部分浆液流会进入到地层内，同时由于压力状态，会通过地层内的空隙向外扩散，使得地层内空隙被浆液充填，而喷射出的多余的浆液会从钻探杆3侧面回流到地面，在钻探头4转动过程中持续向下匀速运送，然后到达设定深度后停止施加压力注浆，然后降低钻探杆3转速的同时将钻探杆3从地面内取出，在取出过程中为了防止钻探的空洞形成负压，导致钻探杆3取出困难的现象，此时应将供料管内继续供应低压浆液，在将钻探杆3取出后停止继续供应，然后将钻探杆3上端连接压力供料器，压力供料器将物料加压后输送到钻探杆3上端并从钻探头4上的出料孔5内向外喷射，然后驱动钻探杆3在转动过程中向下运动，保证在钻探过程中始终有物料从出料孔5内进行高压喷出，在将物料高压喷出的过程中物料会进入到水流高压冲出的缝隙处并将地面内的缝隙进行填补，然后在将缝隙填补过程中通过物料将缝隙填满，然后在钻探头4向下运动过程中，钻探头4喷出的高压物料形成螺旋形圆柱体，而物料组成的螺旋形圆柱体密度由钻探头4下降时的转动速度决定，钻探头4在以相同的速度向下运动时转动速度越快形成的螺旋形圆柱体密度越高，反之，螺旋形圆柱体的密度相对降低，根据地面所需的强度不同来选择适当的转速，直到将钻探头4向下伸出到设定位置后停止，在完成填补后将钻探杆3取出并进行下一个需要填补的地点采用同样的方式来进行填补。

在进行填补过程中钻探杆3始终保持转动，钻探头4上的环形保护片7起到对出料孔5的防堵塞作用，在钻探头4转动过程中会通过环形保护片7将出料口外的岩土体进行推动，然后在钻探齿6进行转动过程中防止岩土体堵塞出料孔5，防止钻探杆3无法拔出，同时环形保护片7向外伸出钻探杆3的直径小于钻探齿6，这样环形保护片7相互作用的岩土体为已经经过钻探齿6进行松土后的岩土体，这样能有效防止岩土体对环形保护片7的损坏。

钻探头4在进行向下钻探过程中，钻探齿6会将下方的岩土体切割为环形，而位于钻探齿6中部的岩土体会在压力作用下从到导向槽8内向外挤压，而在岩土体被挤压过程中被高压水流渗透并变为流体，这样使得钻探杆3钻探部位的岩土体不是直接挤压到周围从而生成钻探孔，而是将钻探部位的岩土体切割并在压力与高压水流的作用下变为流体，并从钻探杆3侧面的缝隙处流到地面上，能防止钻探杆3周围的岩土体被挤压从而变硬，防止在高压水流对岩土体进行冲击时造成额外阻力，影响渗透效果。

储料罐9内的物料从上端进行添加，通过在储料罐9下端连接的出料软管11将物料输送到拌料装置12内，拌料装置12将物料进行搅拌并保持，使得在使用时物料的供应始终保持充足，而搅拌过程中各种添加材料均按照相应比例添加，并在混合均匀后才能进行输出，在进行新一部添加物料时暂停供料，而在钻探过程中需要先检查物料是否充足，只有在满足当前成桩的基础上才能进行成桩，不允许成桩过程中途暂停，所以在成桩时需要先检查当前物料是否能支持本次使用，如若材料不够需要等比例添加各种材料并在混合均匀后才能使用。

在进行填补的过程中还需要根据填埋层的深度来适当的调节不同的注浆压力，同时在进行注浆过程中需要相对采空区底部进行注浆，此时需要较小的压力和较粗的砂浆，使得砂浆在采空区形成锥形堆积层，较大的粒度能保证尽量少的浪费材料，因为最下层的采空区多为空隙结构，此处填料时不能进行填满，此时应用小压力注浆，浆液中粒度较大的情况下流动性会降低，这样会很快的形成锥形堆，方便堵住注浆口，而越往上层需要的压力会逐渐增大，同时为了保证支撑力，上层注入的浆液中水泥的比例升高，浆液粒度变细，这样能保证很好的支撑力的前提下尽量降低成本，在堵住注浆孔后逐层向上进行移动的过程中进行注浆，上层的注浆的压力相应升高，同时注浆的浆液粒度变细，此过程不能反向，最下层注浆层不能使用较细的粒度的砂浆的原因为下部为冒落带，要在此大孔隙内形成锥形堆或是桩体则需要更多的砂浆，同时越细的砂浆流动性越好，这样会导致浆液过量使用造成浪费。

在将注浆时若需要实时观测该地点的成型的浆柱的情况，为避免因地质内部运动导致的浆柱断裂或地底地层变动在上层地面无法观测的情况，在注浆前先将植入检测装置植入到浆柱内再进行注浆，安装植入检测装置有两种方法，第一种为在注浆前将植入检测装置安装在钻探头下端，然后将植入检测装置随着钻探头向下进行按压，直到植入检测装置向下运动到设定深度后停止动作并将植入检测装置与钻探杆进行分离，此时植入检测装置位于钻探头钻探的空洞最底端，在钻探头向上进行抽离过程中进行注浆，注浆时植入检测装置下端高度不变而钻探杆上升，第二种安装植入检测装置的方法为在进行注浆完成后将植入检测装置固定连接在钻探头上，然后控制钻探杆向下按压将植入检测装置向下穿过注浆柱安装到设定位置，然后控制植入检测装置分离然后打开并定位，此时钻探杆向上运动进行脱离，在向上运动过程中注入相应的计量的浆液防止钻探杆在向上运动过程中浆柱内产生负压，直到将钻探杆完全取出。

在将植入检测装置向下输送到设定位置需要打开时，由于植入检测装置上的各个保护板均通过连接卡扣与连接环之间连接，而各个保护板内侧面均通过连接弹簧与钻探杆之间进行连接，意味着各个保护板在常态应该是打开装置，而此时各个保护板上的压缩弹簧均为压缩状态，而各个保护板上端均通过连接卡扣与连接环进行连接，在松开连接卡扣后各个保护板均在压缩弹簧的作用下沿与锥形件转动连接部位进行转动，各个保护板上端均固定连接有斜向布置的导向板，使得各个保护板在向下运动时通过锥形件对浆料进行挤压分散，而在分离植入检测装置后，各个保护板上端的导向板会起到增大阻力的作用，帮助各个保护板在压缩弹簧的作用下进行打开，连接卡扣与保护板需要进行分离时，通过转动钻探杆转动相应角度，此时由于钻探杆与连接环为固定连接，所以在钻探杆进行转动过程中会带动连接环进行转动，而连接环进行转动过程中会使得连接杆与连接块进行分离，然后使得各个传感器处于相应位置来对浆柱的位置以及倾斜度进行检测，在将植入检测装置植入完成后，植入检测装置中的检测电线上端伸出地面，然后检测电线可以接通电源或信号传输装置，在浆柱中的各个传感器位置发生变化时将信号及时进行传输，能起到及时预防踩空起内部塌方以及地质变动的情况。

Claims (8)

1.一种采空区成桩装置，包括承载车（1），其特征在于，承载车（1）上固定连接有竖向布置的导轨（2），导轨（2）上滑动连接有钻探杆（3），钻探杆（3）为中空结构，钻探杆（3）上端连接供料管一端，供料管另一端连接压力供料器，钻探杆（3）下端可拆卸连接有钻探头（4），钻探头（4）前后两侧面上分别开设有对称布置的出料孔（5），钻探头（4）下端固定连接有钻探齿（6）；

还包括固定连接在导轨下端的支撑片（13）、支撑片上固定连接的放线盒（14）、钻探完成后固定连接在钻探头上的植入检测装置，所述植入检测装置包括套设在钻探头（4）上的可拆卸连接的连接环（15），钻探头（4）下端设有锥形件（16），锥形件上端转动连接有多个保护板（17），各个保护板上端与连接环之间通过连接卡扣（18）进行连接，各个保护板内侧面上均固定连接有压缩弹簧（19）；

所述放线盒内卷绕有检测电线，检测电线上均匀间隔固定连接有多个位置传感器，检测电线上端卷绕在放线盒内下端向下伸出并穿过保护板内侧面连接在锥形件上。

2.根据权利要求1所述一种采空区成桩装置，其特征在于，所述钻探头（4）上端与钻探杆（3）之间可拆卸连接，钻探头（4）前后两端分别固定连接有环形保护片（7），各个环形保护片（7）内分别开设有出料孔（5），各个出料孔（5）分别联通到钻探杆（3）内部，钻探头（4）下端固定连接有多个钻探齿（6），各个钻探齿（6）沿钻探头（4）均匀间隔布置。

3.根据权利要求2所述一种采空区成桩装置，其特征在于，所述钻探头（4）下端为中空结构，钻探齿（6）与出料孔（5）之间开设有对称布置的导向槽（8），导向槽（8）联通到钻探头（4）下端的中空结构内。

4.根据权利要求3所述一种采空区成桩装置，其特征在于，所述钻探齿（6）伸出钻探头（4）长度大于环形保护片（7）伸出钻探头（4）长度。

5.根据权利要求1所述一种采空区成桩装置，其特征在于，所述压力供料器包括储料罐（9），储料罐（9）下端连接出料通道（10），出料通道（10）伸出端朝向斜上方伸出，储料罐（9）下端与出料通道（10）之间经出料电机连接，出料通道（10）伸出端固定连接有出料软管（11），出料软管（11）下方设有拌料装置（12），拌料装置（12）出料口连接加压装置，物料在加压后输送到钻探杆（3）上端。

6.根据权利要求5所述一种采空区成桩装置，其特征在于，所述拌料装置（12）中设有搅拌叶片，始终保持搅拌器内的物料处于均匀混合状态。

7.根据权利要求5所述一种采空区成桩装置，其特征在于，所述储料罐（9）内储存有多种不同的物料，且按照设定比例将相应的物料输送到拌料装置（12）内。

8.根据权利要求1所述一种采空区成桩装置，其特征在于，所述连接卡扣包括固定连接在各个保护板内侧面上的L形连接块，连接块上端为开口状，连接环与各个连接块位置相对应处分别固定连接有向下伸出的连接杆。

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