CN114508091A - 一种具有双向旋搅机构的智能钻机装备及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有双向旋搅机构的智能钻机装备及施工方法，包括悬挂组件、内钻杆单元、外钻杆单元，悬挂组件上还连接有用于分别驱动内钻杆单元、外钻杆单元的旋转的驱动组件；内钻杆单元的内部设有中心管单元，中心管单元、内钻杆单元以及外钻杆单元组成同心三管三通道结构；驱动组件上设有分别与三个通道连通的进料口；旋搅钻杆的下端连接有钻头组件，钻头组件上设有分别与三个通道连通的出料口；内钻杆单元的下端可拆卸的连接有短螺旋钻头。本发明公开的具有双向旋搅机构的智能钻机装备及施工方法，双向旋搅机构保障了被搅拌土体的相互剪切、揉搓破碎及均匀翻搅并实现搅拌桩的高品质施工，同时从根本上改变了深层搅拌桩的单向旋转搅拌施工工艺。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌钻机技术领域，具体地说是一种具有双向旋搅机构的智能钻机装备 及施工方法。
背景技术
作为地基处理工程技术领域中的一种主要工法，单向旋转搅拌的深层搅拌桩技术， 已于上世纪60年代起应用于工程建筑领域，包括土木工程、建筑工程、铁路工程、公 路工程、水利工程、市政工程及港口工程等领域。深层搅拌桩工程技术采用单轴或多轴 搅拌钻机将水泥等固化剂输入地下，通过与软硬土体进行搅拌混合，使固化剂与土体之 间产生一系列的物理与化学反应，生成强度高，水稳定性好，防渗性能强的桩体、墙体、 块体。从而有效解决了复合地基承载力、搅拌桩承载力、劲芯复合桩承载力、SMW工法 桩承载力、隔水墙抗渗力以及污染土、有毒物质填埋场的封隔墙与封隔层等实际工程问 题。
由于深层搅拌桩工程技术具有钻机装备简单、施工高效、成本低廉等优点，已经在土木建筑领域广泛应用。但是，在应用单向旋转搅拌的深层搅拌桩施工装备与工艺时， 经常产生土体与固化剂搅拌不均匀、固化土沿钻具与钻杆周边间隙向上排出、在黏性土 体施工中易成团抱钻、固化土整体强度低于设计值等严重的工程质量问题，并时常引发 严重的工程安全问题。特别在工程需要采用大直径、大深度的搅拌桩施工时，采用单向 旋转搅拌技术施工使得工程质量与工程安全风险尤为突显，甚至出现被行业行政部门及 地方政府封杀使用的现象。
再一方面，目前所应用的搅拌钻机钻具的注浆通道主要采用中心杆一个通道的方式 将浆液输送到钻头底部部位，并由喷射口喷入地层。由于受到钻具结构的限制，为了提高成桩质量和工作效率，通常喷射口在钻头底部和横向搅拌翼板部位各设置一个喷射口(双喷嘴)或多个喷射口(多喷嘴)，其存在两个弊端：一是当某个喷射口堵塞，地表 施工人员根本无法确知，从而影响地下搅拌桩注浆的连续性和均匀性，二是这种设置方 法只能喷射单一浆液，而对于要求采用多种介质或材料喷射时却无法实施。
目前的土木建筑市场急需解决上述工程技术难题，包括需要从搅拌桩工程机械装备 和搅拌桩施工工艺方面彻底解决上述技术缺陷，以便使深层搅拌桩工程技术能够在更广 泛的工程领域、更重要的土木建筑工程项目上得到可靠应用。
发明内容
本发明旨在较大程度上解决上述搅拌桩施工钻机的诸多技术问题：提供一种具有双 向旋搅机构的智能钻机装备及施工方法，通过引入新型双向旋搅机构及测控系统使搅拌 桩施工钻机获得更为强大和高效的功能，在双动力头的扭矩与钻压作用下，正反旋转的双向旋搅机构保障了被搅拌土体的相互剪切、揉搓破碎及均匀翻搅并实现搅拌桩的高品质施工，同时，从根本上改变了深层搅拌桩的单向旋转搅拌施工工艺。
本发明所采取的技术方案是：提供一种具有双向旋搅机构的智能钻机装备，包括可 升降的连接于主桅杆上的悬挂组件，所述悬挂组件上连接有旋搅钻杆，所述旋搅钻杆包括内外套装且可相对旋转的内钻杆单元和外钻杆单元，所述悬挂组件上还连接有用于分别驱动内钻杆单元、外钻杆单元的旋转的驱动组件；所述内钻杆单元的内部配装有中心 管单元，所述中心管单元为中空结构，以形成第一通道，所述中心管单元与所述内钻杆 单元之间形成第二通道，所述内钻杆单元与外钻杆单元之间形成第三通道；所述驱动组 件上设有分别与第一通道、第二通道、第三通道连通的进料口；所述旋搅钻杆的下端连 接有钻头组件，且所述钻头组件包括分别与所述内钻杆单元、外钻杆单元的下端连接且 可相对转动的旋搅单元，以形成双向旋搅机构；所述钻头组件上设有分别与第一通道、 第二通道、第三通道连通的出料口；所述内钻杆单元的下端可拆卸的连接有短螺旋钻头， 且所述短螺旋钻头的主杆侧壁上设有连续螺旋叶片或若干非连续螺旋叶片；还包括用于 自动监测控制所述钻机装备智能化运行的测控系统。
本发明的钻机装备与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的钻机结构中，采用双向旋搅机构替代了现有常规的单向旋搅机构，并且通过专用的驱动组件进行驱动，使得桩体搅拌时对于土体与固化剂的旋搅更加均匀、 高效，适用于各类软硬土地层，可实施大直径、大深度及复杂地层中的搅拌桩施工，并 且解决了传统单向搅拌桩钻机施工时固化土沿钻具与钻杆周侧间隙向上排出的技术难 题，根除了单向旋转搅拌桩钻机在黏性土地层施工中成团抱钻的无法解决的顽疾。
2、本发明中采用的短螺旋钻头设置有连续螺旋叶片或若干非连续螺旋叶片，以适用于各类的全风化、强风化、密实砂土或硬塑黏土等土体；利用短螺旋钻头强大的自攻 能力可以解决传统的单向搅拌钻具和现有的双向搅拌钻具无法在硬土地层中实施大直 径、大深度的搅拌桩施工难题。
3、本发明中在双向旋搅机构中设置了三管三通道结构，可以实现多种材料、多通道的送料，并且在驱动组件上分别设有与三个通道连通的进料口，在钻头组件上设有分 别与三个通道连通的出料口，从而能够及时发现某一输送通道的喷射口堵塞情况，地表 的施工人员可以通过输送管道的压力表马上确知问题所在，进而施工人员可以迅速解决 相关问题，保证搅拌桩的工程质量；并且在需要注入不同类型的介质或固化材料时，也 可以分别通过不同输送通道注入以满足不同施工工况的需要。
进一步的，所述驱动组件包括连接在悬挂组件上的上动力头、下动力头以及驱动所 述下动力头靠近或远离所述上动力头的升降组件；所述上动力头、下动力头分别用于驱动所述内钻杆单元、外钻杆单元周向旋转，且所述上动力头上连接有用于与所述内钻杆 单元上端连接的上输出轴，所述下动力头上连接有用于与所述外钻杆单元上端连接的下 输出轴；所述下输出轴为空心轴，所述上输出轴的下端滑动穿设在所述下输出轴的内孔 中。上述结构中，可相对移动的上动力头和下动力头，使得双向旋搅钻具的旋搅钻杆与 悬挂组件安装时，以先安装内钻杆单元再安装外钻杆单元的分步连接方式进行，并且在 切换安装部件的过程中，仅仅通过升降组件的驱动即可；即，安装双向旋搅钻具的内钻 杆单元时，通过升降组件驱使下动力头上行，驱使上动力头上的上输出轴的下端穿出于 下动力头上的下输出轴，从而使得上输出轴方便与内钻杆单元的上端连接，连接完成后， 升降组件反向运动，驱使下动力头下行，进而驱使下动力头上的下输出轴实现与外钻杆 单元的上端轴向插装，整个过程不需要人工对准，快速高效，节省劳动力。
作为改进的，所述悬挂组件包括分别滑动配合在竖向导轨上的上架体和下架体，所 述上动力头安装在所述上架体上，所述下动力头安装在所述下架体上，所述升降组件为两个，且两个所述升降组件对称的连接在所述上架体与下架体的外壁之间，用于驱动所 述下架体靠近或远离所述上架体。上述改进结构中，将悬挂组件分成上架体与下架体结 构，使得上动力头、下动力头结构以及升降组件的安装更加的方便，并且可以简化动力 头的结构，使得整体的空间布局更加的合理。
再改进的，所述旋搅钻杆包括多段沿竖向依次轴接的钻杆，且各所述钻杆均包括内 钻杆、外钻杆和第一中心管；多段所述钻杆的第一中心管沿竖向依次连接形成所述中心管单元，多段所述钻杆的内钻杆沿竖向依次连接形成所述内钻杆单元，多段所述钻杆的 外钻杆沿竖向依次连接形成所述外钻杆单元；所述钻头组件为双向搅拌钻头，且所述双 向搅拌钻头包括可相对转动的内管和外管，所述内管的内部还设有第二中心管；所述内 钻杆单元的下端与所述内管的上端连接，所述外钻杆单元的下端与所述外管的上端连 接，所述中心管单元的下端与所述第二中心管的上端连接。
再改进的，所述双向搅拌钻头还包括若干竖向外凸设置在所述外管周壁上的第一框 架，所述第一框架的径向内壁上设置有多个第一搅拌翼板；所述内管的下端伸出于所述外管的下端，且所述内管的下端超出于外管部分的侧壁上设置有多个第二搅拌翼板，所 述第二搅拌翼板与所述第一搅拌翼板互不干涉；至少一个所述第二搅拌翼板上或内管侧 壁上设有与第二通道连通的第二喷浆口，至少一个所述第一搅拌翼板上或第一框架的侧 壁上设有与第三通道连通的第三喷浆口。
再改进的，所述内管的下端超出于外管部分的侧壁上还连接有若干竖向外凸设置的 第二框架，若干所述第二框架位于所述第一框架的内部，所述第二框架的径向外壁上设置有多个第三搅拌翼板，且多个所述第三搅拌翼板与多个第一搅拌翼板之间可相对转 动；至少一个所述第三搅拌翼板上或第二框架的侧壁上设有与第二通道连通的第二喷浆 口；所述短螺旋钻头的主杆侧壁上设有与第一通道连通的第一喷浆口。
再改进的，所述上架体与下架体之间连接有用于对所述下架体的上下滑动进行导向 限位的导向组件；所述导向组件包括竖向延伸的导向杆，所述导向杆的下端连接在所述下架体上，所述上架体上连接有导向套，所述导向杆的上端滑动配合在对应的导向套中。上述改进结构中，导向组件的设置保证了上架体与下架体之间能够更加稳定、准确的相 对运动，从而使得外钻杆与内钻杆之间能够保证稳定的间隙，并且导向结构简单，限位 稳定，成本低。
再改进的，所述上架体包括两块对称设置的上托板，两块所述上托板之间连接有上 滑动导向板，所述上滑动导向板与所述竖向导轨滑动连接；所述下架体包括两块对称设置的下托板，两块所述下托板之间连接有下滑动导向板，所述下滑动导向板与所述竖向 导轨滑动连接。上述改进结构中，上架体与下架体均为分体式结构，方便相应的动力头 的安装与拆装，并且加工也更加方便。
再进一步的，所述测控系统包括数据输入屏显模块、中央控制平台、搅拌钻机运行模块、制浆供浆运行模块、施工数据采集模块、控制模块、反馈控制模块和数据存储评 价模块；
所述数据输入屏显模块用于将预设执行参数信息传输至所述中央控制平台，根据所 述预设执行参数信息所述中央控制平台通过所述控制模块对所述搅拌钻机运行模块、所 述制浆供浆运行模块进行控制；
所述施工数据采集模块用于采集桩位定位数据信息、桅杆倾角数据信息、钻具扭矩 数据信息、钻具给进力数据信息、钻具转速数据信息、钻具深度数据信息、供浆管道流量数据信息、供浆管道压力数据信息和桩体地内压力数据信息；
所述施工数据采集模块将采集的数据信息反馈给所述中央控制平台，根据预设比对 流程所述中央控制平台通过所述反馈控制模块对所述搅拌钻机运行模块、所述制浆供浆 运行模块的运行进行补偿控制，并得到补偿控制数据信息；
所述数据存储评价模块用于接收通过无线通信模块上传至后台服务器的所述预设 执行参数信息、所述施工数据采集模块采集的数据信息和所述补偿控制数据信息，所述数据存储评价模块用于搅拌桩施工质量进行评价。
相应的，本发明中还提供了一种具有双向旋搅机构的智能钻机装备的施工方法，具 体包括以下步骤：
S1、钻机装备组装；
将高压注浆泵或粉状固化剂粉喷设备的供料口通过外部材料供应管路与所述驱动 组件上的进料口连接；
S2：搅拌桩施工参数设定；
依据场地土层条件和工程设计要求，利用数据输入屏显模块输入钻机装备运行的预 设执行参数信息，通过制浆供浆运行模块启动后台搅拌站的固化剂搅浆或粉状固化剂准 备作业；
S3：钻机下行阶段施工；
钻机就位后启动钻机和后台供浆系统或粉喷系统，依据预设执行参数通过所述搅拌 钻机运行模块控制钻机装备的驱动组件，并分别对上下动力头施加顺时针与逆时针扭矩 和竖向钻压，进行钻机下行阶段的钻掘和搅拌作业；同时通过制浆供浆运行模块控制高压注浆泵或粉喷设备，并通过指定的喷浆口实施固化剂定量撒布；由于双向旋搅机构上 的各搅拌翼板的旋搅切割，被加固土体经过相互剪切及反复翻搅可实现固化土的充分均 匀拌合；直至监测到双向旋搅机构的下行作业达到设计桩底标高为止，完成了下行钻掘 和搅拌作业阶段的施工；
S4:钻机上行阶段施工；
依据预设执行参数通过所述搅拌钻机运行模块控制钻机装备的驱动组件，并对上下 动力头施加顺时针和逆时针扭矩与提拔力，进行钻机上行阶段的搅拌桩二次搅拌作业；同时通过制浆供浆运行模块控制高压注浆泵或粉喷设备，根据施工需要利用指定的喷浆口进行二次固化剂定量撒布；
在二次搅拌作业阶段，钻机可以提高双向搅拌钻头的旋转速度和提升速度，利用各 相邻搅拌翼板旋转切土作用，对土体与固化剂浆液或粉体进行二次充分的相互剪切与反 复搅拌，直至监测到双向旋搅机构的上行作业达到设计桩顶标高，完成了上行搅拌作业阶段的施工；对于采用一喷两搅或两喷两搅施工工艺的搅拌桩在本阶段已完成施工作 业；
S5：结束本搅拌桩的施工作业，并进行钻机装备移位。
本发明的具有双向旋搅机构的智能钻机装备及施工方法具有以下有益效果：
1、适用于各类软硬土地层，可用于大直径、大深度及复杂地层中的搅拌桩施工；
2、解决了传统搅拌桩钻机施工时固化土沿钻具与钻杆周侧间隙向上排出的技术难 题；
3、根除了单向旋转搅拌桩钻机在黏性土地层施工中易成团抱钻的无法解决的顽疾；
4、各类土体与固化剂整体搅拌均匀、拌合充分，可形成高强度的固化土体；
5、在固化土达到同等整体强度条件下，可以节约大量的固化剂材料；
6、确保深层搅拌桩的品质优良、工程安全、施工高效、工期缩短、成本下降。
附图说明
图1是本发明的具有双向旋搅机构的智能钻机装备的使用状态结构示意图。
图2是本发明中的悬挂组件的结构图。
图3是本发明中的悬挂组件的另一状态结构图。
图4是本发明中悬挂组件的爆炸结构图。
图5是本发明中的上托板、下托板以及升降组件、导向组件的连接结构图。
图6是本发明中的上滑动导向板的结构示意图。
图7是是本发明的具有双向旋搅机构的智能钻机装备与组合钻具连接结构的剖视图。
图8是图7中的X处放大结构图。
图9是本发明中钻杆吊装状态的半剖结构图。
图10是本发明的钻杆吊装时放置在钻杆定位架内的示意图。
图11是本发明的双向搅拌钻头吊装时放置在钻头定位架内的示意图。
图12图7中的Y处放大结构图。
图13是本发明中的钻杆的局部结构示意图。
图14是本发明中的双向搅拌钻头结构示意图。
图15是本发明实施例五中的双框架结构旋搅机构示意图。
图16是本发明实施例一的短螺旋钻头结构示意图。
图17是本发明实施例二的短螺旋钻头结构示意图。
图18是本发明实施例三中的双向搅拌钻头的俯视图。
图19是本发明实施例四中的双向搅拌钻头的俯视图。
图20是本发明实施例五中的双向搅拌钻头的俯视图。
图21是本发明中的第一中心管、内钻杆以及外钻杆的连接结构图。
图22是本发明中的扶正座环的半剖结构示意图。
图23是本发明中的扶正座环的俯视图。
图24是本发明中的扶正限位环的半剖结构示意图。
图25是本发明中的扶正限位环的俯视图。
图26是本发明中实施例四中的钻机装备结构示意图。
其中图中所示：
1、旋搅钻杆；1.1、钻杆；1.1.1、内钻杆；1.1.2、外钻杆；1.1.3、第一中心管； 1.2、上部凸台；2、双向搅拌钻头，2.1、内管；2.2、外管；2.3、第二中心管；3、竖 向导轨；4、上动力头；5、下动力头；6、上输出轴；7、下输出轴；8、上架体；8.1、 上托板；8.2、上滑动导向板；8.3、顶板；9、下架体；9.1、下托板；9.2、下滑动导 向板；10、升降组件；11、导向组件；11.1、导向杆；11.2、导向套；12、滑块组件； 13、动滑轮组；14、固定座；15、固定耳板；16、第一母接头；17、第一公接头；18、 第二公接头；19、第二母接头；20、定位支撑；21、吊装夹板；22、钻杆定位架；23、 钻头定位架；24、第三母接头；25、第三公接头；26、第四母接头；26.1、限位螺钉孔； 27、第四公接头；28、第一进料管；29、第二进料管；30、第三进料管，31、第一框架；32、第一搅拌翼板；33、第二搅拌翼板；34、第一通道；35、第二通道；36、第三通道； 37、第一喷浆口；38、第二喷浆口；39、第三喷浆口；40、第二框架；41、第三搅拌翼 板；42、短螺旋钻头；43、环形固定套；44、支撑轴承；45、高压注浆泵；46、固化剂 粉喷设备；47、外部材料供应管路；48、主杆；49、连续螺旋叶片；50、非连续螺旋叶 片；51、板齿；52、截齿；53、剪切板；54、钻尖；55、耐磨板，56、钻尖齿；57、扶 正座环；57.1、外环；57.2、十字型内环；58、扶正限位环；58.1、环形凹槽；59、第 一材料输送孔；60、限位块；61、中心管公接头；62、中心管母接头；63、重载卡簧； 64、第二材料输送孔；65、组合式钻机装备；66、液压支腿；67、桅杆；68、预制桩。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上端”、“下端”、“内、外”、“顶部”、“底部”、“内部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便 于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直 接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技 术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
基础实施例：
如图1、2所示，本发明提供了一种具有双向旋搅机构的智能钻机装备，包括可升降的连接于主桅杆上的悬挂组件，悬挂组件上连接有旋搅钻杆1，旋搅钻杆1包括内外 套装且可相对旋转的内钻杆单元和外钻杆单元，悬挂组件上还连接有用于分别驱动内钻 杆单元、外钻杆单元的旋转的驱动组件；内钻杆单元的内部配装有中心管单元，中心管 单元为中空结构，以形成第一通道34，中心管单元与所述内钻杆单元之间形成第二通道 35，内钻杆单元与外钻杆单元之间形成第三通道36；驱动组件上设有分别与第一通道 34、第二通道35、第三通道36连通的进料口；旋搅钻杆1的下端连接有钻头组件，且 钻头组件包括分别与所述内钻杆单元、外钻杆单元的下端连接且可相对转动的旋搅单 元，以形成双向旋搅机构；钻头组件上设有分别与第一通道34、第二通道35、第三通 道36连通的出料口。本实施例中，在内钻杆单元的下端可拆卸的连接有短螺旋钻头42， 且短螺旋钻头42的主杆48侧壁上设有连续螺旋叶片49；并且连续螺旋叶片49的直径 为等直径式或变直径式，且连续螺旋叶片49的螺距为等螺距式或不等螺距式；连续螺 旋叶片49的顶端设置有多个间隔排列的板齿51；连续螺旋叶片49的底端设置有多个间 隔排列的截齿52。
本实施例中，连续螺旋叶片49设置在主杆48的外壁上，通过连续螺旋叶片49能 够钻掘搅拌较硬的全风化、强风化、密实砂土或硬塑黏土等土体，并且采用控速反向旋 转上提搅拌工艺时，可以通过连续螺旋叶片49反压技术可实现固化土的进一步挤密增 强效果，提高固化土的密实性和强度。连续螺旋叶片49的直径为等直径式，且连续螺 旋叶片49的螺距为等螺距式。本实施例中，连续螺旋叶片49的直径为1100mm，螺距为 200mm；连续螺旋叶片49中的上下相邻的螺旋叶片之间设置有多根间隔排列的剪切板 53，剪切板53的截面形状优选为菱形，剪切板53的截面也可以采用其他形状；通过剪 切板53能够提升搅拌均匀度以及搅拌效果。
连续螺旋叶片49的顶部设置有多个间隔排列的板齿51；板齿51设置在连续螺旋叶片49顶部的弧形终止边缘，且板齿51的角度与连续螺旋叶片49顶部的弧形终止边缘 的角度相近；连续螺旋叶片49的下端设置有多个间隔排列的截齿52；所述截齿52设置 在连续螺旋叶片49底部的弧形起始边缘，且截齿52的角度为26°。本实施例中板齿 51和截齿52均采用合金材料，能够进一步提升钻掘搅拌能力以及进一步提升搅拌均匀 度。如图15和图17所示，在主杆48的底部还连接有钻尖54，连续螺旋叶片49的外边 缘焊接有耐磨板55，通过耐磨板55给连续螺旋叶片49增加一层保护，能够减少连续螺 旋叶片49的磨损，从而进一步提升连续螺旋叶片49的使用寿命。此结构中，钻尖54 整体呈十字形结构，且十字形结构的钻尖54上每个支杆的底部设置有多个钻尖齿56， 提升钻尖54的破土能力。该结构最为常用，能够适用于大多数场景。
搅拌桩施工中采用短螺旋钻头42能够钻掘搅拌较硬的全风化、强风化、密实砂土或硬塑黏土等土体，并且提升土体搅拌均匀度、防止在黏性土体中施工时产生糊钻抱钻 的问题、提升固化土整体均匀性和强度。利用短螺旋钻头42强大的自攻能力可以解决 传统的单向搅拌钻具和现有的双向搅拌钻头结构无法在全风化、强风化、密实砂土和硬 塑黏土等土体中实施大直径、大深度的搅拌桩难题。
另一方面的，本实施例中的驱动组件包括连接在悬挂组件上的上动力头4、下动力头5以及驱动下动力头5靠近或远离上动力头4的升降组件10；具体的，上动力头4、 下动力5头为液压或者电动驱动，驱动力为2x6tm～2x25tm扭矩，此结构中的具体驱动 结构主要由动力源、减速机机构以及齿轮传动结构组成，并且动力源可以是电机驱动或 者液压驱动。
另外的，本实施例中的旋搅钻杆1与钻头组件可拆卸连接；上动力头4上连接有用于与内钻杆单元上端连接的上输出轴6，下动力头5上连接有用于与外钻杆单元上端连 接的下输出轴7；并且此结构中，下输出轴7为空心轴，上输出轴6的下端滑动穿设在 下输出轴7的内孔中。此结构中该上输出轴6除了起到连接内钻杆单元的作用，同时还 能驱动内钻杆单元旋转；下输出轴7同样也是起到连接并驱动外钻杆单元的作用。并且 此结构中，内钻杆单元与外钻杆单元的旋转方向同向或相反，从而驱使相应的旋搅单元 同向或反向旋搅，使得土体通过相互剪切及均匀拌合实现固化土的整体均匀性。
本实施例中的旋搅机构配装了浆、粉、气多通道材料输送管路，具体的由内外钻杆单元与中心管单元共同组成的三个通道可以提供1～3种材料输送管路；更加具体的， 此结构中进料口包括上水龙头和下水龙头，其中上水龙头分别与第一通道34、第二通道 35连通，下水龙头与第三通道36连通。此结构中，具体的在旋搅机构旋转时上水龙头 和下水龙头均不随动。
上述结构中具体的，旋搅钻杆1包括多段沿竖向依次轴接的钻杆1.1，且各钻杆1.1均包括内钻杆1.1.1、外钻杆1.1.2和第一中心管1.1.3；多段钻杆1.1的第一中心管 1.1.3沿竖向依次连接形成中心管单元，多段钻杆1.1的内钻杆1.1.1沿竖向依次连接 形成内钻杆单元，多段钻杆1.1的外钻杆1.1.2沿竖向依次连接形成外钻杆单元。
另外的，本发明中的旋搅钻杆1为同心三管三通道结构；具体的，旋搅钻杆1的各内钻杆1.1.1的内部均穿设有中空的第一中心管1.1.3，该第一中心管1.1.3的内腔为 第一通道34，第一中心管1.1.3与内钻杆1.1.1之间的环状间隙为第二通道35，内钻 杆1.1.1与外钻杆1.1.2之间的环状间隙为第三通道36。
本实施例中的钻头组件为双向搅拌钻头2，且该双向搅拌钻头2的中心轴的结构与钻杆1.1的结构相同，分别由外管2.2、内管2.1和第二中心管2.3构成；各段钻杆1.1 轴向连接时，相邻的第一中心管1.1.3也是轴向连接。同样的，第二中心管2.3的内 腔形成第一通道34，第二中心管2.3与内管2.1之间的环形间隙为第二通道35，内管 2.1与外管2.2之间的环形间隙为第三通道36；并且旋搅钻杆1与双向搅拌钻头2轴向 连接时，最底部第一中心管1.1.3的下端与第二中心管2.3的上端密封连接，最底部内 钻杆1.1.1的下端与内管2.1的上端密封连接，最底部外钻杆1.1.2的下端与外管2.2 的上端密封连接，实现旋搅钻杆1与双向搅拌钻头2的各个通道一一对应相通，并可用 于气、水、浆或粉状固化剂的输送。另外的，双向搅拌钻头2开设有与各个通道对应的 出料口。
如图21所示本实施例中，更加具体的，内钻杆1.1.1上端的第一公接头17与中心管1.1.3的上端的中心管公接头61之间通过重载卡簧63连接，内钻杆1.1.1的下端靠 近第三母接头24的位置与中心管1.1.3下端的中心管母接头61外壁之间通过扶正座环 57连接，内钻杆1.1.1的下端的第三母接头24外壁与外钻杆1.1.2下端的第四母接头 26内壁之间通过扶正限位环58转动连接，内钻杆1.1.1与外钻杆11.1.2能够实现相对 转动。
如图22、23所示，扶正座环57包括外环57.1和十字型内环57.2；十字型内环57.2的外圈连接在外环57.1的内圈上，且十字型内环57.2与外环57.1之间形成四个第一 材料输送孔59，四个第一材料输送孔59与第二通道35连通；另外的，扶正限位环58 呈圆环状，扶正限位环58的外圈周向设置有环形凹槽58.1，第四母接头26的内圈设置 有限位螺钉孔26.1，限位螺钉孔26.1内设置限位螺钉，且限位螺钉的内端抵靠限位在 扶正限位环58外壁上的环形凹槽58.1底部。
另外的，如图24、25所示，扶正限位环58的内圈周向间隔排列设置有多个限位块60，限位块60与第三母接头24外壁相配合进行限位，便于将内钻杆1.1.1扶正，保证 同轴设置，同时，第三母接头24外壁与限位块60之间形成多个第二材料输送孔64。
再一方面的，如图2、7所示，在上动力头4的侧壁上连接有与第一通道34连通的 第一进料管28，与第二通道连通35的第二进料管29；在下动力头5的侧壁上连接有与 第三通道36连通的第三进料管30，从而使得各个通道均有对应的进料口进料，施工过 程中万一发生钻头端的出料口堵塞，即可及时的从相应的进料口压力变化判断出来。
更加具体的，如图8所示，上输出轴6的下端连接有第一母接头16，每一内钻杆1.1.1的上端对应的连接有第一公接头17，并且第一公接头17与第一母接头16相适配， 连接时，将第一母接头16与第一公接头17竖向插配，并通过横向的定位销锁定即可。 同样的，每一外钻杆1.1.2的上端连接有第二公接头18，在下输出轴7的下端连接有与 第二公接头18相适配的第二母接头19，连接方式同上输出轴6、内钻杆1.1.1的连接 方式一致，竖向插配安装结合横向的定位销锁定，结构简单，拆装方便。
如图2-5所示，悬挂组件包括分别滑动配合在竖向导轨3上的上架体8和下架体9，上动力头4安装在上架体8上，下动力头5安装在下架体9上，升降组件10为两个， 且两个升降组件10对称的连接在上架体8与下架体9的外壁之间，用于驱动下架体9 靠近或远离上架体8，并且能够对上架体8与下架体9之间的距离进行锁定。再一方面 的，为了保证上架体8与下架体9之间能够更加稳定的相对运动，在上架体8与下架体 9之间连接有用于对下架体9的上下滑动进行导向限位的导向组件11。更加具体的，导 向组件11包括竖向延伸的导向杆11.1，导向杆11.1的下端连接在下架体9上，上架体 8上连接有导向套11.2，导向杆11.1的上端滑动配合在对应的导向套11.2中。
如图3-5所示，上架体8包括两块对称设置的上托板8.1，两块上托板8.1之间连 接有上滑动导向板8.2，上滑动导向板8.2与竖向导轨3滑动连接；同样的，下架体9 包括两块对称设置的下托板9.1，两块下托板9.1之间连接有下滑动导向板9.2，下滑 动导向板9.2与竖向导轨3滑动连接。
如图2、6所示，本实施例中的上滑动导向板8.2、下滑动导向板9.2近竖向导轨3 的一侧均连接有滑块组件12，且滑块组件12与所述竖向导轨3滑动配合。再一方面的， 上滑动导向板8.2、下滑动导向板9.2远离竖向导轨3一侧的两端均设有固定座14，上 托板8.1、下托板9.1上分别设有与对应的固定座14铰接的固定耳板15，即两块对称 的上托板8.1的一侧与上滑动导向板8.2通过相应的销轴铰接配合；两块对称的下托板 9.1的一侧与下滑动导向板9.2通过相应的销轴铰接配合，从而实现上动力头4、下动 力头5与竖向导轨3之间是可以进行适当的角度调整，并保证两者之间呈900角度后通 过焊接方式固定；
由于上滑动导向板8.2、下滑动导向板9.2与竖向导轨3是竖向滑动配合，横向不会偏 转，所以上述结构可以使得相应的动力头与内外钻杆连接时，保证插装位置的准确性和方便性。
如图4所示，两块上托板8.1的顶部之间连接有顶板8.3，顶板8.3上连接有动滑 轮组13，用于与双向搅拌钻机的主桅杆上端鹅头通过卷扬组件悬挂连接。
再一方面的，本发明中的双向旋搅机构与悬挂机构的安装方法，具体的包括以下步 骤：
1)：在双向搅拌钻机进场后，首先组装上架体8和下架体9，然后安装上动力头4、下动力头5，进而连接升降组件10以及导向组件11；
2)：将悬挂机构通过上滑动导向板8.2、下滑动导向板9.2滑动配装在竖向导轨3上，并将顶板8.3上的动滑轮组13与主桅杆上端鹅头的主卷扬组件连接；
3)：将定位支撑20安装于钻杆1.1的底部并锁定，将吊装夹板21安装于钻杆1.1 的上部凸台1.2之下，并利用吊车将钻杆1.1垂直起吊，如图9所示，稳固放置于预先 放置在地面的钻杆定位架22中，如图10所示；此结构中为了防止在施工过程中，内钻 杆1.1.1、第一中心管1.1.3从外钻杆1.1.2中掉落，在钻杆1.1的底部设置了定位支 撑20，另外的，为了防止钻杆1.1和双向搅拌钻头2在安装过程中发生倾倒和方便对准 插接，须将钻杆1.1或双向搅拌钻头2垂直放置于相应的定位架中；
4)：钻杆1.1的内钻杆1.1.1与上动力头4连接：利用升降组件10的收缩促使下 架体9相对于上架体8上行运动，使得上输出轴6的下端穿过下输出轴7的内孔；然后 利用钻机主卷扬驱使悬挂装置总成下行至内钻杆1.1.1顶部的第一公接头17上方；再 通过钻机主卷扬微调下降，驱使上输出轴6下端的第一母接头16与第一公接头17对正 并插入连接，之后用定位销锁定；
5)：钻杆1.1的外钻杆1.1.2与下动力头5连接：通过升降组件10的伸长推动作 用，驱使下架体9朝着远离上架体8方向运行，直至下输出轴7下端的第二母接头19 与外钻杆1.1.2顶部的第二公接头18接近并对正，然后通过升降组件10伸长量的微调， 使第二母接头19与第二公接头18插装配合，然后通过对应的定位销锁定，拆下定位支 撑20、并放松起吊钢丝绳、拆除吊装夹板21；
6)：重复上述安装步骤3)至5)，完成多段钻杆1.1的内钻杆1.1.1、外钻杆1.1.2 的轴向连接；
7)：双向搅拌钻头2的内管2.1与最下端钻杆1.1的内钻杆1.1.1连接，利用吊车 将双向搅拌钻头2垂直起吊，稳固放置于钻头定位架23中，如图11所示；利用升降组 件10的收缩驱使下架体9相对上行，使得内钻杆单元最下端的第三母接头24穿出于外 钻杆单元的最下端，然后利用钻机主卷扬通过动滑轮组13驱使悬挂机构下行至第三母 接头24与内管2.1顶部的第三公接头25接近并对正，再通过钻机主卷扬微调下降，使 第三母接头24与第三公接头25插装配合，然后通过对应的定位销锁定，如图12所示；
8)：双向搅拌钻头2的外管2.2与最下端钻杆1.1的外钻杆1.1.2连接，通过升降 组件10的伸长推动作用，驱使下架体9朝着远离上架体8方向运行，直至外钻杆单元 最下端的第四母接头26与外管2.2顶部的第四公接头27对应，再通过升降组件10伸 长量的微调，驱使第四母接头26与第四公接头27对正并插装配合，然后通过对应的定 位销锁定，如图12所示，即完成整个搅拌机构与驱动机构、悬挂机构的安装。
上述结构中，第一公接头17、第二公接头18、第三公接头25以及第四公接头27 均为外六角凸柱结构；第一母接头16、第二母接头19、第三母接头24以及第四母接头 26均为内六角插装孔结构。
本实施例中的智能钻机装备还包括用于监测控制钻机装备自动化运行的测控系统，该 测控系统包括：
包括数据输入屏显模块、中央控制平台、搅拌钻机运行模块、制浆供浆运行模块、施工数据采集模块、控制模块、反馈控制模块和数据存储评价模块；
数据输入屏显模块用于将预设执行参数信息传输至所述中央控制平台，根据预设执 行参数信息中央控制平台通过控制模块对所述搅拌钻机运行模块、制浆供浆运行模块进 行控制；
施工数据采集模块用于采集桩位定位数据信息、桅杆倾角数据信息、钻具扭矩数据 信息、钻具给进力数据信息、钻具转速数据信息、钻具深度数据信息、供浆管道流量数据信息、供浆管道压力数据信息和桩体地内压力数据信息；
施工数据采集模块将采集的数据信息反馈给中央控制平台，根据预设比对流程中央 控制平台通过反馈控制模块对搅拌钻机运行模块、制浆供浆运行模块的运行进行补偿控 制，并得到补偿控制数据信息；
数据存储评价模块用于接收通过无线通信模块上传至后台服务器的预设执行参数 信息、施工数据采集模块采集的数据信息和补偿控制数据信息，数据存储评价模块用于搅拌桩施工质量进行评价。
实施例一：
本实施例结构与基础实施例结构中仅螺旋叶片、板齿51和截齿52存在不同，其他结 构相同。
如图14、16所示，连续螺旋叶片49的直径为变直径式，且由上至下直径逐渐减小，采用这种型式的短螺旋钻头42能够进一步提升钻掘搅拌能力以及破土能力，从而能够应对更坚硬的地层，同时也便于后续搅拌作业。连续螺旋叶片49顶部的板齿51采用常规的 合金材料，而连续螺旋叶片49底部的截齿52均采用强度硬度更高的合金材料。
该结构专门应对较为坚硬、搅拌困难的土层。并且在上下相邻的连续螺旋叶片之间 也可以设置有多根间隔排列的剪切板53，用以提升对固化土剪切搅拌的能力，也有利于提高固化土搅拌的均匀性。
实施例二：
本实施例结构与基础实施例结构中仅螺旋叶片存在不同，其他结构相同。
如图17所示，螺旋叶片由三个非连续螺旋叶片50组成；位于底部的非连续螺旋叶片 50的旋转扩展角度范围为0°～540°,形成1.5圈的螺旋叶片,且位于底部的非连续螺旋叶 片50螺距为250mm。上方的2个非连续螺旋叶片50的旋转扩展角度为从540°处开始，间隔设置180°无螺旋叶片区域及540°有螺旋叶片区域。三个非连续螺旋叶片50呈等直径式， 非连续螺旋叶片50直径为1800mm。非连续螺旋叶片50纵向间隔设置在主杆48的外壁上； 位于顶部的非连续螺旋叶片50的顶端可设置多个板齿51，仅需在位于底部的非连续螺旋 叶片50的底端设置多个截齿52即可。通过截齿52可提升钻掘搅拌效果和延长螺旋叶片的 寿命。通过分段式的非连续螺旋叶片50可以进一步提升钻头在复杂地层中的钻掘搅拌能 力。
实施例三：
在基础实施例或实施例一或实施例二的基础上，参照附图11、14，本实施例为施工支承多层建筑基础的搅拌桩，桩长为18m，桩径为800mm，单桩设计极限承载力为1500kN。 本实施例的基本情况：场地地基土为饱和黏性土，含水量为w＝60％，SPT＝6～9；固 化剂采用42.5号水泥，掺入量为12％，使用粉剂水泥喷射方法，利用第一通道34通道 和第一喷浆口37进行水泥干粉喷射；施工钻机采用电驱动的双动力头钻机，施工应用 一喷两搅施工工艺。
具体的，本实施例中的钻头组件为双向搅拌钻头2，双向搅拌钻头2包括中心轴，该中心轴包括可相对转动的内管2.1和外管2.2，内管2.1的下端连接内旋搅单元，外 管2.2的下端连接外旋搅单元；内钻杆单元的下端与内管2.1的上端连接，外钻杆单元 的下端与外管2.2的上端连接。此结构通过上动力头4、下动力头5的运行驱使内钻杆 单元、外钻杆单元独立旋转，从而驱动相应的双向搅拌钻头2转动，利用钻头双向旋转 技术，可以有效提高搅拌、切土的效率。在上述结构中，短螺旋钻头42的主杆48侧壁 上设有与第一通道34连通的第一喷浆口37。
另外的，如图11所示，该双向搅拌钻头2还包括多个外凸呈U型的第一框架31， 并且多个第一框架31与外管2.2连接，各第一框架31的内侧壁上均连接有若干第一搅 拌翼板32；另外的在内管2.1的外壁上连接有若干第二搅拌翼板33，并且若干第一搅 拌翼板32与若干第二搅拌翼板33相互错位，互不干涉，在内管2.1、外管2.2相对转 动时，若干第一搅拌翼板32与若干第二搅拌翼板33不会发生干涉，并通过相对旋转实 现固化土的切割、搅拌。此结构中，优选的第一搅拌翼板32、第二搅拌翼板33均为横 向设置的水平翼板。更加具体的，本实施例中的第一框架31为两个，且以180度对称 分布，如图19所示；并且各搅拌翼板的横截面为矩形结构。
本实施例中，第一框架31的上端与外管2.2的侧壁通过环形固定套43固定连接；第一框架31的下端与超出于外管2.2下端面的内管2.1的外侧壁通过支撑轴承44转动 连接，如图14所示。
具体的施工方法包括以下步骤：
S1：钻机装备组装；
将粉状固化剂粉喷设备46的供料口通过外部材料供应管路47与驱动组件上的进料 口连接；
S2：搅拌桩施工参数设定；
依据场地土层条件和工程设计要求，通过数据输入屏显模块输入控制钻机装备运行 的预设执行参数信息，通过制浆供浆运行模块启动后台粉状固化剂准备作业；具体的，预设执行参数信息包括：桩位横纵坐标、水灰比、固化剂掺量、钻掘搅拌速度、钻具提 升速度、上下动力头转速、搅拌桩施工深度，以及不同深度段的每延米桩长的固化剂使 用量；
S3：钻机下行阶段施工；
钻机就位后启动钻机和后台粉喷系统，依据预设执行参数通过所述搅拌钻机运行模 块控制钻机装备的驱动组件，并分别对上下动力头施加顺时针与逆时针扭矩和竖向钻压，进行钻机下行阶段的钻掘和搅拌作业；同时通过制浆供浆运行模块控制粉喷设备46，并通过第一喷浆口37实施固化剂定量喷射；由于双向旋搅机构上的各搅拌翼板的旋搅 切割，被加固土体经过相互剪切及反复翻搅可实现固化土的充分整体均匀拌合；直至监 测到双向旋搅机构的下行作业达到设计桩底标高为止，完成了下行钻掘和搅拌作业阶段 的施工；
S4:钻机上行阶段施工；
依据预设执行参数通过所述搅拌钻机运行模块控制钻机装备的驱动组件，并对上下 动力头施加顺时针和逆时针扭矩与提拔力，进行钻机上行阶段的搅拌桩二次搅拌作业；同时通过制浆供浆运行模块控制控制粉喷设备46，根据施工需要利用指定的喷浆口进行二次固化剂定量喷射；
在二次搅拌作业阶段，钻机可以提高双向搅拌钻头2的旋转速度和提升速度，利用各相邻搅拌翼板旋转切土作用，对土体与固化剂粉体进行二次充分的相互剪切与反复搅拌，直至监测到双向旋搅机构的上行作业达到设计桩顶标高，完成了上行搅拌作业阶段 的施工；对于采用两喷两搅施工工艺的搅拌桩在本阶段已完成施工作业；
S5：结束本搅拌桩的施工作业，并进行钻机装备移位。
实施例四：
本实施例为施工劲芯复合桩作为多层工业厂房的建筑基础桩，桩长为32m，搅拌桩桩径为1200mm，PHC管桩桩长为32m，桩径为800mm，劲芯复合桩桩顶埋深为1.0m，单 桩设计极限承载力为6000kN。
本实施例的基本情况，场地的双层地基土分别为：①黏性土，层厚14m，含水量为 w＝31％，SPT＝3～8，②粉土，层厚40m，含水量为w＝28％，SPT＝7～22；采用KD 固化剂产品，掺入量为15％，使用固化剂浆液喷射方法，施工钻机采用液压驱动的双动 力头结构的组合式钻机装备65，施工采用搅拌桩的一喷两搅施工工艺和PHC管桩抱压施 工工艺。
具体的，本实施例中的结构与实施例三大致相同，具体的区别为：本实施例中第一框架31为三个，且以120度对称分布，如图19所示；并且各搅拌翼板采用梯形横截面。 另外的，本实施例中，除了利用在短螺旋钻头42上设有与第一通道34的下端连通的第 一喷浆口37外，在第一框架31的侧壁上设有与第三通道36连通的第三喷浆口39。
本实施例的施工工艺步骤与实施例三的搅拌桩施工步骤相同，唯一的区别是本实施 例中在操作步骤S3、S4中喷浆的位置为第一喷浆口37、第三喷浆口39同时喷浆；另外的，本实施例中还需要在搅拌桩完成施工后，利用抱压钻机对PHC管桩进行对中抱压施 工。
具体的，本实施例中以劲芯复合桩施工所采用的搅拌桩与抱压桩一体化的组合式钻机 装备65的运行测控系统装置为例具体说明：劲芯复合桩是指在搅拌桩中插装有PHC管桩 形成的复合桩，如图26所示。
施工数据采集模块实时采集搅拌桩的九个传感器的施工过程信息；其中，九个传感 器分别为桩位北斗定位传感器、桅杆倾角传感器、钻具扭矩传感器、钻具给进力/提升力传感器、钻具转速传感器、钻具(编码器)深度传感器、供浆管道流量传感器、供浆 管道压力传感器和桩体地压传感器。
具体的，在劲芯复合桩施工过程中，放置于施工钻机、制浆供浆后台及供浆通道中的各种传感器会将实时采集的数据传送至中央控制平台，中央控制平台可通过无线通讯模块与网关和物联网平台进行信息互通；此外，这些施工数据将储存在数据存储评价模 块中，可随时调用，数据存储评价模块可根据每半延米浆液喷注量对劲芯复合桩施工质 量进行评价，当每半延米设计喷浆量与实际喷注量误差小于等于5％时，该桩施工质量为 优；当误差为6％～10％时，该桩施工质量为良；当误差在10％～15％时，该桩施工质量为 合格；误差大于15％，则认为该桩施工质量不合格。
其中，预设执行参数信息包括桩位横纵坐标、水灰比、固化剂掺量、钻掘搅拌速度、钻具提升速度、上下动力头转速、搅拌桩施工深度及PHC管桩的抱压深度；
其中，PHC管桩的抱压深度根据设计桩长和桩顶埋深选择33m。
具体的，劲芯复合桩施工的预设执行参数信息的设定可通过数据输入屏显模块手动 输入或是通过后台服务器直接调入。
其中，搅拌桩钻机运行模块对应的预设控制指令和对应的补偿控制分别包括：
第一控制单元：通过中央控制平台将桩位横纵坐标传递给搅拌桩钻机运行模块，根 据桩位定位数据信息控制调节桩位偏差；通过桅杆倾角数据信息调节钻机桅杆的垂直度；中央控制平台根据钻具的钻掘搅拌速度、钻具提升速度和搅拌桩施工深度控制搅拌 桩钻机运行模块；
下行阶段工作单元：用于将上下动力头转速及旋转方向传递给搅拌桩钻机运行模块；搅拌桩钻机运行模块根据预设执行参数信息控制钻机，对上下动力头施加相反方向 的扭矩，进行钻机下行阶段的钻掘和搅拌作业，通过在喷注口实施固化剂定量喷注，直 至监测到钻具深度数据信息达到搅拌桩的预设施工深度，完成下行钻掘和搅拌作业阶段 的施工；
地内压力反馈控制单元：用于根据桩体地内压力数据信息监测地压，当地压过大时， 通过反馈控制模块对钻掘搅拌速度和注浆泵喷注量进行控制；其中，当监测到的地压超 过原地压的20％时，则认定为地压过大；
浆液喷注量控制单元：根据钻具扭矩数据及桩体地内压力数据，利用反馈控制模块 调节注浆泵的频率，进而控制固化剂的设定浆液喷注量；
上行阶段工作单元：用于根据预设执行参数信息通过搅拌桩钻机运行模块控制钻机，并对上下动力头施加顺时针和逆时针扭矩与提拔力，进行钻机上行阶段的搅拌桩二 次搅拌作业，直至监测到钻具深度数据信息达到搅拌桩的预设桩顶施工标高，完成上行 搅拌作业阶段的施工。
具体的，搅拌桩钻机运行模块中还包括有动力回转机构、钻机给进机构、电控液压多路转向阀。制浆供浆运行模块中还包括有配料单元、制浆单元和供浆单元。中央控制 平台调取数据输入屏显模块的桩位横纵坐标传递给搅拌桩钻机运行模块，根据设定的桩 位横纵坐标移动组合式钻机装备65，在桩位北斗定位传感器的帮助下，可将桩位偏差控 制在2cm以内；利用桅杆倾角传感器测量数据，钻机的液压支腿66可将钻机桅杆调节 垂直，并保证倾斜误差不超过1％。
具体的，在钻机下行作业阶段，启动钻机和供料单元，中央控制平台调取预设的钻具钻掘搅拌速度、钻具提升速度、钻掘深度等施工参数传递给搅拌桩钻机运行模块的钻 机给进机构，调取上下动力头钻速参数传递给搅拌桩钻机运行模块的动力回转机构；搅 拌桩钻机运行模块依据预设的执行参数信息通过电控液压多路转向阀控制钻机，对上下 动力头施加相反方向的扭矩，进行钻机下行阶段的钻掘和搅拌作业，同时利用高压注浆 泵45通过喷注口实施固化材料定量喷注，直至钻具深度传感器监测数据达到设计钻掘 深度为止，完成了下行钻掘和搅拌作业阶段的施工。在施工过程中，由于钻头底部安装 了桩体地压传感器，能够提供实时地压量测数据，当检测到地压过大时，为减少对周边 环境的扰动，控制模块和反馈控制模块自动介入，按照设定的控制算法程序降低钻掘搅 拌速度和注浆泵喷注量，进而保证每半延米喷注量满足设计要求。
具体的，在钻掘搅拌过程中，控制模块和反馈控制模块会根据实时扭矩数据及实时 地压量测数据调整注浆泵的频率，调进而通过变频喷浆技术保障最优固化材料浆液的喷 注量。
具体的，在钻机上行作业阶段中，搅拌桩钻机运行模块继续依据预设执行参数信息 通过电控液压多路转向阀控制钻机，对上下动力头施加顺时针和逆时针扭矩与提拔力，进行钻机上行阶段的搅拌桩二次搅拌作业，直至钻具深度传感器监测到预设施工桩顶标高达到为止，完成了上行搅拌作业阶段的施工。
具体的，本监测控制系统能够在施工过程中实时采集动力头的输出扭矩，连续判断 地下土层的软硬性质，从而能够合理的指导组合式施工钻具的钻掘搅拌动作，利用短螺旋钻头强大的自攻能力可解决传统钻具无法克服的在全风化、强风化、密实砂土或硬塑 黏土层中实施大直径、大深度的搅拌桩难题；在施工过程中，本测控系统可以根据土层 的软硬性质调整钻具的钻掘速度，在施工数据采集模块、控制模块、反馈控制模块的支 持下，实现优化的变速施工，达到节省工时和固化材料的目的。在上行作业阶段，利用 组合式施工钻具实施控速反向旋转上提搅拌技术时，需要本测控系统的指令控制，并在 短螺旋钻头逆时针转动条件下，保持其每旋转一圈的组合式施工钻具的提升量要小于一 个螺距；在此前提下，能够通过螺旋叶片反压技术实现固化土的进一步挤密增强效果， 提高固化土的密实性和强度，从而确保劲芯复合桩的施工品质优良、工期缩短、材料节 约、成本下降。
其中，制浆供浆运行模块对应的预设控制指令和对应的补偿控制分别包括：
浆液喷注量运算单元：用于根据水灰比和固化剂掺量通过制浆供浆运行模块确定每 半延米桩长的固化材料用量与换算浆液喷注量，得到每秒时间间隔的喷浆量；
供浆单元：用于根据供浆管道流量数据信息和供浆管道压力数据信息通过制浆供浆 运行模块以每秒时间间隔的设定喷浆量向搅拌桩钻机供浆。
具体的，控制启动制浆供浆运行模块，中央控制平台调取水灰比、固化剂掺量等参数传递给制浆供浆运行模块，配料单元根据收到的施工参数对水、固化剂所需用量自动 计算并称重，数据输入屏显模块可以显示出搅拌桩所需要的固化材料用量、水用量及添 加剂用量；确定每半延米桩长的固化材料用量与换算浆液喷注量，并计算每秒时间间隔 的喷浆量；制浆单元可根据设定的搅拌时间及搅拌叶转速对水、固化材料与添加剂进行 搅拌混合；供浆单元可根据供浆量与输浆压力向搅拌桩钻机供浆；对于可能出现的突发 情况，还可以采用人工介入的方式，通过人工控制搅拌站后台制浆供浆。此外，数据输 入屏显模块还提供了搅拌站后台可视化呈现，可实时呈现出当前浆液水胶比、设定水胶 比、供浆流量及输送压力等信息。
其中，抱压钻机运行模块对应的预设控制指令和对应的补偿控制分别包括：
第二控制单元：通过中央控制平台将桩位横纵坐标传递给抱压钻机运行模块，根据 桩位定位数据信息控制调节桩位偏差，使PHC管桩的中心与搅拌桩的中心重合；通过PHC管桩倾角数据信息调节PHC管桩的垂直度；
植桩单元：用于对PHC管桩进行抱紧和抱压来实现植桩，直至施工数据采集模块监测到PHC管桩到达预设的抱压深度，完成劲芯复合桩的植桩施工。
具体的，抱压钻机运行模块中还包括预制桩抱紧机构、预制桩抱压机构和电控液压 多路转向阀。中央控制平台调取桩位横纵坐标传递给抱压钻机运行模块，抱压钻机的桩位北斗定位传感器可以保证PHC管桩中心与搅拌桩中心重合，偏差控制2cm以内；结合 倾角传感器的量测数据，通过矫正设备调整PHC管桩的垂直度，保证误差不超过1％。将 预制桩68吊起放入夹具中，根据抱压钻机的PHC管桩的倾角传感器实时监测倾角数据， 调整PHC管桩的垂直度，直至满足1％的要求。PHC管桩施工主要依赖预制桩抱紧机构和 预制桩抱压机构，抱压钻机运行模块按照预设的施工参数，通过电控液压多路转向阀对 PHC管桩进行抱紧和抱压来实现植桩，直至深度传感器监测到设计抱压深度达到为止， 完成劲芯复合桩的全部施工工作。
实施例五：
选用工程背景为施工小高层住宅建筑的基础桩劲芯复合桩进行说明，搅拌桩桩长为 24m，桩径为1100mm，桩顶距地面1m，PHC管桩桩长为24m，桩径为700mm，单桩设计极 限承载力为4600kN。
本实施方式中的基本情况：场地的三层地基土分别为黏性土，层厚12m，含水量为w＝36％，e＝1.35，SPT＝3～9；粉土，层厚9m，含水量为w＝27％，e＝1.1，SPT＝7～18；全 风化土层，层厚19m，含水量为w＝25％，SPT＝13～29；采用KD固化剂产品，掺入量为12％， 水灰比为0.5，采用单通道喷浆法进行固化剂撒布；施工钻机采用2x15tm液压驱动的 双动力头的组合式钻机装备65，施工应用搅拌桩的一喷两搅施工工艺和PHC管桩抱压施 工工艺。
施工前，首先利用数据输入屏显模块，输入本次所要施工的劲芯复合桩的坐标位置 (X,Y)、施工位置各土层性质、桩身固化剂掺量12％、固化剂浆液水胶比0.5、掘进速 度0.6～1.2m/min、提升速度1～1.5m/min、外钻杆转速15r/min、内钻杆转速18r/min、 钻掘搅拌深度25m，或直接调用后台服务器中已有的该工程的施工参数，中央控制平台 中的制浆供浆运行模块通过设定的参数进行自动运算，反馈出本次施工的劲芯复合桩所 需的固化剂用量约为5904kg，水用量为2952kg，沿桩身深度每延米的固化剂用量约为 205kg/m，再结合掘进速度即可得出每秒的固化剂用量约为3.42kg/s。
设定施工参数后启动设备移位，此时，钻机通过对桩位北斗定位传感器所获取的坐 标(X’,Y’)和桩位坐标(X,Y)进行对比，利用电控液压多路转向阀控制钻机自动移 动至所要进行施工的桩位，保证桩位偏差在2cm以内，并结合桅杆倾角传感器通过伸缩 油缸来控制桅杆67的垂直度，使垂直度误差不超过1％。
钻机就位后启动后台制浆供浆运行模块，通过配料单元中的称重装置对固化剂材料 与水的质量进行控制，配置水胶比0.5的固化剂浆液用量约为8856kg，在制浆单元控制下对固化材料浆液进行搅拌，到达设置的搅拌时间后高压注浆泵45启动执行供浆动作； 制浆供浆的操作流程在搅拌站后台的数据输入屏显模块上可以进行观察，若浆液制备与 供浆期间出现重大问题，系统将自动报警，介入人工干预或停机自检。
供浆开始后中央控制平台立即发出指令启动钻掘搅拌施工，在组合式钻机装备65的内管和短螺旋钻头保持顺时针转动而外管保持逆时针转动条件下，钻机依据设定的施工参数分别对搅拌桩钻机动力头施加正反向扭矩，其中短螺旋钻头利用自攻的特性，在 钻具的最底端进行强力钻掘工作。
在钻机下行阶段，由于施工地层性质的不同会使掘进阻力产生变化，进而会导致掘 掘速度和钻具转速发生改变；此时钻具给进力传感器、钻具钻速传感器会将实时施工数据反馈到中央控制平台，若钻具转速小于15r/min，钻掘速度小于1m/min，说明钻掘阻 力增大，此时，中央控制平台会根据预设的施工要求自动提升扭矩和给进力来维持需要 的钻具转速和钻掘速度，即按照事先输入的设定施工参数控制下行阶段的施工。
施工过程中，在不同影响因素叠加下，固化材料浆液的单位时间喷注量会产生不同 程度的波动变化，导致固化材料掺入量不均匀，沿桩身深度每延米的喷注量出现变动，从而造成搅拌桩承载力可能无法达到设计要求。此时，中央控制平台将根据钻具(编码 器)深度传感器、供浆管道流量传感器和供浆管道压力传感器提供的实时数据，指令数 据控制算法进行计算，以每延米固化剂用量205kg/m为基础依据，当固化剂用量小于或 大于3.42kg/s，控制模块和反馈控制模块将通过增减钻掘速度和注浆泵变频控制器自动 对喷浆量进行干预调整，即通过变频喷浆，使搅拌桩的固化剂用量维持在3.42kg/s左 右,以满足设计要求。在喷浆过程中，当喷注量偏差值超过报警值，中央控制平台会自 动报警，提示操作手进行人工干预，并查找问题产生的原因。
钻机上行阶段，在组合式钻机装备65的内管2.1和短螺旋钻头保持逆时针转动而外管保持顺时针转动条件下，并且短螺旋钻头每旋转一圈组合式钻具的提升量为0.5(75mm)个螺距的技术前提下，钻机依据设定提升速度与旋转速度，对搅拌桩钻机动力 头施加正反向扭矩与提拔力，并利用反向挤压技术在上行阶段对搅拌桩体进行挤密增强 作业。在此施工期间，中央控制平台指令数据控制算法依据钻具转速传感器、钻具提升 力传感器及钻具深度传感器采集的实时数据进行计算，并判断短螺旋钻头每旋转一圈施 工钻具的提升量为0.5(75mm)个螺距的要求是否已满足，若不满足则要调整钻具提升 速度与钻具转速，使上述施工设计参数要求达到满足，直至上行作业达到预设桩顶施工 标高，完成搅拌桩施工作业为止。
搅拌桩钻机移位后，启动抱压钻机，利用北斗定位传感器保证PHC管桩桩心与搅拌桩桩心重合，偏差要求在2cm以内；具体操作是利用电控液压多路转向阀控制抱压钻机 自动移行至施工桩位，将PHC管桩吊起放入夹具，此时抱压钻机依据倾角传感器的实时 数据控制PHC管桩的垂直度符合1％的要求。在PHC管桩抱压沉放过程中，深度传感器实 时采集沉桩深度数据并呈现在中央控制平台的数据输入屏显模块中，当PHC管桩桩端标 高达到设计标高时系统自动终止压桩动作，并结束劲芯复合桩施工。
施工过程结束后，数据存储评价模块会将整个施工中采集的数据汇总并存储，并通 过与设计目标进行对比，对各劲芯复合桩的施工质量进行评价，工程施工结束后可对本工程中的任意劲芯复合桩信息数据进行调阅。
实施例六：
本实施例为施工临湖隔水墙，搅拌桩长度为30m，搅拌桩直径为2500mm，搅拌桩的设计固化土的渗透系数要求为不大于10-7m/s，固化土体强度不低于1.2MPa。本实施例 的基本情况：场地为湖相深厚含有粉砂夹层的饱和软黏土地基，含水量为w＝50％，SPT ＝2～15；采用水泥和膨润土的双组分复合固化剂，水灰比为0.6，掺入量为14％，使用 固化剂浆液喷射方法；施工钻机采用大扭矩液压驱动的双动力头钻机，施工应用搅拌桩 的两喷四搅施工工艺。
具体的，本实施例中与实施例四大致相同，具体的区别为：
如图15所示，本实施例中的双向搅拌钻头2在实施例一的结构基础上，外管2.2 下端的侧壁上还连接有若干竖向外凸设置的第二框架40，若干第二框架40位于第一框 架31的内部，并且第二框架40的径向外壁上设置有多个第三搅拌翼板41，且多个第三 搅拌翼板41与多个第一搅拌翼板32在水平方向上相互嵌合且在竖直方向相互错位；本 实施例中，除了第一喷浆口37、第三喷浆口39外，至少一个第三搅拌翼板41上或第二 框架40的侧壁上设有与第二通道35连通的第二喷浆口38；并且第三搅拌翼板41上的 第二喷浆口38设置在靠近对应的第三搅拌翼板41转动方向的后侧壁上，以防止喷浆口 堵塞。此结构中，第二框架40的上端与外管2.2通过支撑轴承44转动连接，第二框架 40的下端与超出于外管2.2下端面的内管2.1的外侧壁通过环形固定套43固定连。本 实施例中的第一框架31、第二框架40均为四个，且以90度对称分布，并且四个第一框 架31与四个第二框架40相互错开，如图20所示；并且各横向设置的搅拌翼板的横截 面均为矩形。
本实施例的施工工艺步骤与实施例四的步骤基本相同，区别之处是本实施例中在步 骤S4、S5之间增加了一步两喷四搅工艺。具体的，两喷四搅工艺施工：对于大直径、 大深度或坚硬黏土地层中的搅拌桩施工，为了达到使固化土体搅拌更为均匀的目的，可 以采用两喷四搅施工工艺，即在不撒布固化剂的条件下，利用框架式的双向搅拌钻头2 以较高的旋转速度和升降速度，再一次重复进行钻机下行和上行阶段的固化土体的搅拌 作业，并完成搅拌桩的两喷四搅阶段施工作业；本实施例中喷浆的位置为第一喷浆口37、 第二喷浆口38、第三喷浆口39同时喷浆。
另外的本实施例中的测控系统与实施例四相比，省去了抱压钻机运行模块。
以上就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明 不局限于以上实施例，其具体结构允许有变化，凡在本发明权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种具有双向旋搅机构的智能钻机装备，包括可升降的连接于主桅杆上的悬挂组件，所述悬挂组件上连接有旋搅钻杆(1)，其特征在于：所述旋搅钻杆(1)包括内外套装且可相对旋转的内钻杆单元和外钻杆单元，所述悬挂组件上还连接有用于分别驱动内钻杆单元、外钻杆单元旋转的驱动组件；所述内钻杆单元的内部配装有中心管单元，所述中心管单元为中空结构，以形成第一通道(34)，所述中心管单元与所述内钻杆单元之间形成第二通道(35)，所述内钻杆单元与外钻杆单元之间形成第三通道(36)；所述驱动组件上设有分别与第一通道(34)、第二通道(35)、第三通道(36)连通的进料口；所述旋搅钻杆(1)的下端连接有钻头组件，且所述钻头组件包括分别与所述内钻杆单元、外钻杆单元的下端连接且可相对转动的旋搅单元，以形成双向旋搅机构；所述钻头组件上设有分别与第一通道(34)、第二通道(35)、第三通道(36)连通的出料口；所述内钻杆单元的下端可拆卸的连接有短螺旋钻头(42)，且所述短螺旋钻头(42)的主杆(48)侧壁上设有连续螺旋叶片(49)或多个非连续螺旋叶片(50)；还包括用于自动监测控制所述钻机装备智能化运行的测控系统。
2.根据权利要求1所述的具有双向旋搅机构的智能钻机装备，其特征在于：所述驱动组件包括连接在悬挂组件上的上动力头(4)、下动力头(5)以及驱动所述下动力头(5)靠近或远离所述上动力头(4)的升降组件(10)；所述上动力头、下动力头分别用于驱动所述内钻杆单元、外钻杆单元周向旋转，且所述上动力头(4)上连接有用于与所述内钻杆单元上端连接的上输出轴(6)，所述下动力头(5)上连接有用于与所述外钻杆单元上端连接的下输出轴(7)；所述下输出轴(7)为空心轴，所述上输出轴(6)的下端滑动穿设在所述下输出轴(7)的内孔中。
3.根据权利要求1或2所述的具有双向旋搅机构的智能钻机装备，其特征在于：所述旋搅钻杆(1)包括多段沿竖向依次轴接的钻杆(1.1)，且各所述钻杆(1.1)均包括内钻杆(1.1.1)、外钻杆(1.1.2)和第一中心管(1.1.3)；多段所述钻杆(1.1)的第一中心管(1.1.3)沿竖向依次连接形成所述中心管单元，多段所述钻杆(1.1)的内钻杆(1.1.1)沿竖向依次连接形成所述内钻杆单元，多段所述钻杆(1.1)的外钻杆(1.1.2)沿竖向依次连接形成所述外钻杆单元；所述钻头组件为双向搅拌钻头(2)，且所述双向搅拌钻头包括可相对转动的内管(2.1)和外管(2.2)，所述内管(2.1)内部还设有第二中心管(2.3)；所述内钻杆单元的下端与所述内管(2.1)的上端连接，所述外钻杆单元的下端与所述外管(2.2)的上端连接，所述中心管单元的下端与第二中心管(2.3)的上端连接。
4.根据权利要求3所述的具有双向旋搅机构的智能钻机装备，其特征在于：所述双向搅拌钻头(2)还包括若干竖向外凸设置在所述外管(2.2)外周壁上的第一框架(31)，所述第一框架(31)的径向内壁上设置有多个第一搅拌翼板(32)；所述内管(2.1)的下端伸出于所述外管(2.2)的下端面，且所述内管(2.1)的下端超出于外管(2.2)部分的侧壁上设置有多个第二搅拌翼板(33)，所述第二搅拌翼板(33)与所述第一搅拌翼板(32)互不干涉；至少一个所述第二搅拌翼板(33)上或内管(2.1)侧壁上设有与第二通道(35)连通的第二喷浆口(38)，至少一个所述第一搅拌翼(32)上或第一框架(31)的侧壁上设有与第三通道(36)连通的第三喷浆口(39)。
5.根据权利要求4所述的具有双向旋搅机构的智能钻机装备，其特征在于：所述内管(2.1)的下端超出于外管(2.2)部分的侧壁上还连接有若干竖向外凸设置的第二框架(40)，若干所述第二框架(40)位于所述第一框架(31)的内部，所述第二框架(40)的径向外壁上设置有多个第三搅拌翼板(41)，且多个所述第三搅拌翼板(41)与多个第一搅拌翼板(32)之间可相对转动；至少一个所述第三搅拌翼板(41)上或第二框架(40)的侧壁上设有与第二通道(35)连通的第二喷浆口(38)；所述短螺旋钻头的主杆(48)侧壁上设有与第一通道(34)连通的第一喷浆口(37)。
6.根据权利要求2所述的具有双向旋搅机构的智能钻机装备，其特征在于：所述悬挂组件包括分别滑动配合在钻具装备的竖向导轨(3)上的上架体(8)和下架体(9)，所述上动力头(4)安装在所述上架体(8)上，所述下动力头(5)安装在所述下架体(9)上，所述升降组件(10)为两个，且两个所述升降组件(10)对称的连接在所述上架体(8)与下架体(9)的外壁之间，用于驱动所述下架体(9)靠近或远离所述上架体(8)。
7.根据权利要求6所述的具有双向旋搅机构的智能钻机装备，其特征在于：所述上架体(8)与下架体(9)之间连接有用于对所述下架体(9)的上下滑动进行导向限位的导向组件(11)；所述导向组件(11)包括竖向延伸的导向杆(11.1)，所述导向杆(11.1)的下端连接在所述下架体(9)上，所述上架体(8)上连接有导向套(11.2)，所述导向杆(11.1)的上端滑动配合在对应的导向套(11.2)中。
8.根据权利要求6或7所述的具有双向旋搅机构的智能钻机装备，其特征在于：所述上架体(8)包括两块对称设置的上托板(8.1)，两块所述上托板(8.1)之间连接有上滑动导向板(8.2)，所述上滑动导向板(8.2)与所述竖向导轨(3)滑动连接；所述下架体(9)包括两块对称设置的下托板(9.1)，两块所述下托板(9.1)之间连接有下滑动导向板(9.2)，所述下滑动导向板(9.2)与所述竖向导轨(3)滑动连接。
9.根据权利要求1所述的具有双向旋搅机构的智能钻机装备，其特征在于：所述测控系统包括数据输入屏显模块、中央控制平台、搅拌钻机运行模块、制浆供浆运行模块、施工数据采集模块、控制模块、反馈控制模块和数据存储评价模块；
所述数据输入屏显模块用于将预设执行参数信息传输至所述中央控制平台，根据所述预设执行参数信息所述中央控制平台通过所述控制模块对所述搅拌钻机运行模块、所述制浆供浆运行模块进行控制；
所述施工数据采集模块用于采集桩位定位数据信息、桅杆倾角数据信息、钻具扭矩数据信息、钻具给进力数据信息、钻具转速数据信息、钻具深度数据信息、供浆管道流量数据信息、供浆管道压力数据信息和桩体地内压力数据信息；
所述施工数据采集模块将采集的数据信息反馈给所述中央控制平台，根据预设比对流程所述中央控制平台通过所述反馈控制模块对所述搅拌钻机运行模块、所述制浆供浆运行模块的运行进行补偿控制，并得到补偿控制数据信息；
所述数据存储评价模块用于接收通过无线通信模块上传至后台服务器的所述预设执行参数信息、所述施工数据采集模块采集的数据信息和所述补偿控制数据信息，所述数据存储评价模块用于搅拌桩施工质量进行评价。
10.一种基于权利要求1至9任意一项所述的具有双向旋搅机构的智能钻机装备的施工方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、钻机装备组装；并将高压注浆泵(45)或粉状固化剂粉喷设备(46)的供料口通过外部材料供应管路(47)与所述驱动组件上的进料口连接；
S2：搅拌桩施工参数设定；
依据场地土层条件，通过数据输入屏显模块输入控制钻机装备运行的预设执行参数信息，通过制浆供浆运行模块启动后台搅拌站的固化剂搅浆或粉状固化剂准备作业；
S3：钻机下行阶段施工；
钻机就位后启动钻机和后台供浆系统或粉喷系统，依据预设执行参数通过所述搅拌钻机运行模块控制钻机装备的驱动组件，并分别对上下动力头施加顺时针与逆时针扭矩和竖向钻压，进行钻机下行阶段的钻掘和搅拌作业；同时通过制浆供浆运行模块控制高压注浆泵(45)或粉喷设备(46)，并通过第一喷浆口(37)实施固化剂定量撒布；由于双向旋搅机构上的各搅拌翼板的旋搅切割，被加固土体经过相互剪切及反复翻搅可实现固化土的充分均匀拌合；直至监测到双向旋搅机构的下行作业达到设计桩底标高为止，完成了下行钻掘和搅拌作业阶段的施工；
S4:钻机上行阶段施工；
依据预设执行参数通过所述搅拌钻机运行模块控制钻机装备的驱动组件，并对上下动力头施加顺时针和逆时针扭矩与提拔力，进行钻机上行阶段的搅拌桩二次搅拌作业；同时通过制浆供浆运行模块控制控制高压注浆泵(45)或粉喷设备(46)，根据施工需要利用对应的喷浆口进行二次固化剂定量撒布；
在二次搅拌作业阶段，钻机可以提高双向搅拌钻头(2)的旋转速度和提升速度，利用各相邻搅拌翼板旋转切土作用，对土体与固化剂浆液或粉体进行二次充分的相互剪切与反复搅拌，直至监测到双向旋搅机构的上行作业达到设计桩顶标高，完成了上行搅拌作业阶段的施工；对于采用一喷两搅或两喷两搅施工工艺的搅拌桩在本阶段已完成施工作业；
S5：结束本搅拌桩的施工作业，并进行钻机装备移位。
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