CN115075231B - 一种用于软土地基加固的施工装置及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于软土地基加固的施工装置及施工方法，属于软土地基预加固的技术领域，解决了不能垂直打孔的建（构）筑物和不方便迁移管线（或不能占道）的道路下软土地基的加固的问题。钻杆上沿钻进方向设置有喷嘴和搅拌部，装置钻进时，搅拌部在环境压力下贴合于钻杆外壁，装置提升时，搅拌部在环境压力下由贴合状态转变为展开状态，喷嘴设置于搅拌部前后位置的钻杆上并与圆形孔道相连通。钻孔的过程中，土压阻力使搅拌部与钻杆贴合，钻进至设计位置；提升钻杆，土压阻力使搅拌部呈展开状态，注浆以及搅拌同步进行，水泥浆与地层充分搅拌融合，形成圆柱形桩体。本发明避免了建（构）筑物的拆迁或市政管线的迁移，实现软土层的加固治理。
Description
技术领域
本发明属于软土地基预加固的技术领域，具体涉及一种用于软土地基加固的施工装置及施工方法。
背景技术
当地基属于非承重地基时，需要进行地基的预加固处理，如果同时地面周边建筑耸立、以及地下工程的存在，会使地基加固施工难度增大。因此，为了防止地下工程，如地铁、综合管廊等工程施工时，导致地基产生地层沉降、坍塌等危害，破坏地下工程设施、管线等，同时甚至造成经济损失和人员伤亡，需要对软土地基进行十分必要的加固措施。
目前，我国软土地基加固常采用跟踪注浆和深层搅拌加固施工。跟踪注浆是将水泥注入土层颗粒间的缝隙，通过填充加密的形式进行土体加固。深层搅拌法加固是通过搅拌机翼片旋转，将石灰或水泥等固化剂与软土搅拌混合进行加固。具体可参考由中国港湾建设出版的《深层水泥搅拌桩控制技术改进及应用》。虽然这两种加固软地基，在一般地质环境条件下是最直接简单有效的方式，且造价低、施工工期短，但适用范围有限，都是采用地面垂直打孔的形式，必要时还进行小距离开挖，布孔比较困难，难以达到理想效果，施工需拆除加固范围内的地上构筑物，需占用道路并迁移地下管线，给交通和周边居民生活带来麻烦的同时，大大增加了前期工程费用。
因此，设计一种非开挖、水平定向的搅拌装置，解决不能垂直打孔的建（构）筑和不方便迁移管线（或不能占道）的道路下软土地基的加固，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种用于软土地基加固的施工装置及施工方法。
本发明采用如下的技术方案实现：一种用于软土地基加固的施工装置，包括钻杆，钻杆中心轴线方向设置有圆形孔道，钻杆上沿钻进方向设置有喷嘴和搅拌部，装置钻进时，搅拌部在环境压力下贴合于钻杆外壁，装置提升时，搅拌部在环境压力下由贴合状态转变为展开状态，喷嘴设置于搅拌部前后位置的钻杆上并与圆形孔道相连通。
优选地，搅拌部包括若干刀体，各个刀体一端与钻杆转动连接，并设有刀体向钻进方向转动的限制结构。
优选地，刀体包括一体结构的第一杆部以及相对第一杆部端垂直的第二杆部，第一杆部与钻杆转动连接，第一杆部与第二杆部的垂直连接形成的拐角为刀体向钻进方向转动的限制结构。
优选地，施工装置还包括支撑保护结构，支撑保护结构包括在刀体钻进方向一侧设置的支板和挡板。
优选地，支撑保护结构还包括设置在刀体提升方向一侧的刀托，刀托对应刀体自由端端部并支撑于自由端。
优选地，若干刀体均布于钻杆的圆周同一外壁上，刀体数量大于等于2个。
优选地，搅拌部包括沿钻进方向依次设置的第一搅拌部和第二搅拌部，第一搅拌部的搅拌半径小于第二搅拌部的搅拌半径，第一搅拌部和第二搅拌部的刀体交错设置。
本发明还提供了一种用于软土地基加固的施工方法，基于所述的用于软土地基加固的施工装置完成，通过定位、定向水平非开挖搅拌加固软土，实现非开挖远距离软土地基预加固，包括以下步骤：
S1、钻孔，
将用于软土地基加固的施工装置水平连接定向钻机，进行钻孔施工，钻孔包括造斜段和水平加固段；
钻孔的过程中，土压阻力使搅拌部与钻杆贴合，并进行转弯导向，钻进至设计位置；
S2、提升、注浆、搅拌，
提升钻杆，土压阻力使搅拌部呈展开状态，注浆以及搅拌同步进行，水泥浆与地层充分搅拌融合，形成圆柱形桩体；
S3、循环步骤S1和S2，完成加固软地基。
优选地，造斜段钻孔长度与水平加固段钻孔长度比为1：1.5，造斜段斜率为1-2°。
在施工过程中，用高压将浆液固化剂喷入被加固的软土中，凭借搅拌部的旋转，使固化剂与原位软土就地强制搅拌混合。固化剂使桩位原土由软变硬，形成整体性好、水稳性强和承载力高的桩体。这种桩体与桩间土相互作用形成比天然软土地基承载力有大幅度提高的复合地基。
本发明所述的施工方法可选择合适地面环境位置，使用钻机进行水平开挖钻孔，利用定向定位技术水平注浆，之后搅拌成桩，实现软土层的预先加固治理，提高其自稳定能力和减小地表不均匀沉降，过程中可有效防止注浆堵塞，可控性强，成桩方便快捷，同时节省材料，降低人力和物力成本，简化工艺，方便施工，缩短工期，避免了建（构）筑物的拆迁或市政管线的迁移，减少了前期资金的投入与使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的施工装置的结构示意图；
图2为钻杆结构示意图；
图3为刀托结构示意图；
图4为钻杆剖面图；
图5为搅拌部结构示意图；
图6为斜掌面导向钻头处的结构示意图；
图7为斜掌面导向钻头处的剖面图；
图8为本发明的施工方法工序图；
图9为搅拌部刀体的第二杆部远离拐角处的部分的断面图。
图中：1-钻杆；2-喷嘴；3-刀托；4-销轴；5-第一搅拌部；6-第二搅拌部；7-挡板；8-支板；9-导向仪传感器；10-斜掌面导向钻头；11-杂填土层；12-软土层；13-建(构)筑物；14-定向钻机；15-造斜段；16-水平加固段；17-施工装置；18-盾构隧道；19-圆柱形桩体。
具体实施方式
结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性地劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
本发明提供了一种实施例：
如图1所示，一种用于软土地基加固的施工装置，包括钻杆1，钻杆1中心轴线方向设置有圆形孔道，钻杆1上沿钻进方向设置有喷嘴2和搅拌部，装置钻进时，搅拌部在环境压力下贴合于钻杆1外壁，装置提升时，搅拌部在环境压力下由贴合状态转变为展开状态，喷嘴2设置于搅拌部前后位置的钻杆1上并与圆形孔道相连通。
如图4、图5所示，搅拌部包括沿钻进方向依次设置的第一搅拌部5和第二搅拌部6，第一搅拌部5的搅拌半径小于第二搅拌部6的搅拌半径，第一搅拌部5包括若干均布于钻杆1外壁的同一圆周上的刀体，第二搅拌部6包括若干均布于钻杆1外壁的另一位置的同一圆周上的刀体，并设有刀体向钻进方向转动的限制结构，第一搅拌部5和第二搅拌部6的刀体交错设置，能够达到切削土体充分搅拌浆液的目的。
刀体包括一体结构的第一杆部以及相对第一杆部端垂直的第二杆部，第一杆部通过销轴4与钻杆1转动连接，第一杆部与第二杆部的垂直连接形成的拐角与钻杆1上的槽体配合形成刀体向钻进方向转动的限制结构，其中第一杆部与第二杆部形成的拐角位于靠近钻杆1钻进方向一侧。
本实施例中，如图9所示，搅拌部刀体的第二杆部远离拐角处的部分的断面为六边形（且该部分沿远离拐角处的方向六边形断面面积呈渐变式减小），靠近拐角处的部分的断面为四边形；第二杆部远离拐角处的外端面为相对中心点对称的六边形，包括两直角边和连接两直角边的两斜边，其中两直边中两短边之间的距离为70mm，两长边之间的距离为50mm，第一搅拌部5的刀体的第二杆部长度为279mm，第二搅拌部6的刀体的第二杆部的长度为454mm；第一搅拌部5和第二搅拌部6处的刀体的数量大于等于2个，保证搅拌的效率和充分度；如图2所示，钻杆1内设的圆形孔道用于注浆。
施工装置的支撑保护结构包括在刀体钻进方向一侧设置的支板8、挡板7和设置在刀体提升方向一侧的刀托3，刀托3对应刀体自由端端部并支撑于自由端，对刀体进行卡位，如图3所示，刀托3为底面与刀体端部形状配合的凹槽结构；翼状的挡板7为两组，其中一组挡板7均布在钻杆1位于第二搅拌部6远离刀托3一侧外壁的同一圆周上，用于在提钻过程中对第二搅拌部6进行限位，另一组挡板7均布在钻杆1位于第一搅拌部5远离刀托3一侧外壁的同一圆周上，用于在提钻过程中第一搅拌部5进行限位，钻杆1上的槽体在提钻过程中对刀体起主要的限位作用，挡板7在提钻过程中对刀体起支撑保护的作用，能够增加刀体的受力点，避免刀体上对应槽体的位置所受的局部应力过大造成刀体的损坏，挡板7与刀体一一对应。
如图6、图7所示，钻杆1钻进方向的前端具有导向装置，导向装置包括沿远离钻杆1的方向依次设置的套筒、导向仪传感器9和斜掌面导向钻头10，可以保证施工装置17转向进行水平前进施工。
如图8所示，本发明还提供一种用于软土地基加固的施工方法，基于用于软土地基加固的施工装置完成，通过定位、定向水平非开挖搅拌加固软土，实现非开挖远距离软土地基预加固，包括以下步骤：
S1、钻孔，
将用于软土地基加固的施工装置17水平连接定向钻机14，安装在定向钻机14的机械钻头位置，根据要求规定进行钻孔施工，钻孔包括造斜段15和水平加固段16；
钻孔的过程中，土压阻力使搅拌部与钻杆1贴合，并进行转弯导向（为定向），钻进至设计位置（为定位）；
S2、提升、注浆、搅拌，
钻进至设计位置后，提升钻杆1喷浆搅拌，土压阻力使搅拌部呈展开状态，注浆以及搅拌同步进行，水泥浆与地层充分搅拌融合，形成水平的圆柱形桩体19；
S3、循环步骤S1和S2，完成加固软地基。
步骤S1中，钻孔前对定向钻机14所处位置的杂填土层11地面进行平整处理，定向钻机14为斜井导向型钻机，控制其入土角度为10～15°，同时用化学水泥浆进行护壁保护，无线测斜仪与导向装置配合使用，进行角度与方向控制纠正，到达规定要求位置后，方可调整钻头，水平钻进，保证整体要一次成孔。
造斜段15钻孔长度与水平加固段16钻孔长度比为1：1.5，造斜段15斜率为1-2°；水平加固段16钻孔注浆时轨迹的顶角度数约为90°，钻孔和隧道走向平行，在对既有隧道加固时，与隧道的距离2m。
步骤S2中，提钻过程中边旋转搅拌提升边进行水泥浆的喷射，出浆口压力控制在2MPa以上，水泥浆流量在80-100L/min以上；在进行注浆搅拌过程时，当水泥浆液到达出浆口后，应喷浆搅拌30s，使水泥和土进行充分拌合，而后旋转逐渐提升至停浆面后原位搅拌2min。
成桩过程中，当因故停浆继续施工时必须重叠接桩，接桩长度不得小于0.5m，若停机超过3h，应在原桩位旁边进行补桩处理，同时随时检查施工记录，评定成桩质量，如有不合格桩或异常情况，应及时采取补桩或其他处理措施。
本发明是涉及市政建(构)筑物13下和不方便迁移管线（或不能占道）的道路下大范围、长距离软土层12地基加固领域，尤其是对于新建盾构隧道18或重要地下建(构)筑物13，且不适合垂直进行搅拌桩软土加固的条件的，通过定位定向水平非开挖搅拌加固软土，实现非开挖远距离软土层12地基预加固，保障既有建(构)筑物13和新建盾构隧道18等施工的安全稳定。
本发明可适用于市政建(构)筑物13下、管线复杂不便迁改的市政道路下方以及新建盾构隧道18等工程下方大范围、长距离软土层12地基加固的非开挖水平定向搅拌装置，施工作业区可避开人员密集区域，也可进行远距离钻孔搅拌注浆，无需考虑地下管线和地下工程，同时保证了交通和附近居民的正常生活。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种用于软土地基加固的施工装置，其特征在于：包括钻杆（1），所述的钻杆（1）中心轴线方向设置有圆形孔道，所述的钻杆（1）上沿钻进方向设置有喷嘴（2）和搅拌部，装置钻进时，所述的搅拌部在环境压力下贴合于钻杆（1）外壁，装置提升时，所述的搅拌部在环境压力下由贴合状态转变为展开状态，所述的喷嘴（2）设置于搅拌部前后位置的钻杆（1）上并与圆形孔道相连通；搅拌部包括若干刀体，各个刀体一端与钻杆（1）转动连接，并设有刀体向钻进方向转动的限制结构；
所述的刀体包括一体结构的第一杆部以及相对第一杆部端垂直的第二杆部，第一杆部与钻杆（1）转动连接，第一杆部与第二杆部的垂直连接形成的拐角为刀体向钻进方向转动的限制结构，且拐角位于靠近钻杆（1）钻进方向一侧；
所述的搅拌部包括沿钻进方向依次设置的第一搅拌部（5）和第二搅拌部（6），第一搅拌部（5）的搅拌半径小于第二搅拌部（6）的搅拌半径，第一搅拌部（5）和第二搅拌部（6）的刀体交错设置；
还包括支撑保护结构，所述的支撑保护结构包括在刀体钻进方向一侧设置的支板（8）、挡板（7）和设置在刀体提升方向一侧的刀托（3），刀托（3）对应刀体自由端端部并支撑于自由端，对刀体进行卡位；刀托（3）为底面与刀体端部形状配合的凹槽结构；翼状的挡板（7）为两组，其中一组挡板（7）均布在钻杆（1）位于第二搅拌部（6）远离刀托（3）一侧外壁的同一圆周上，用于在提钻过程中对第二搅拌部（6）进行限位，另一组挡板（7）均布在钻杆（1）位于第一搅拌部（5）远离刀托（3）一侧外壁的同一圆周上，用于在提钻过程中第一搅拌部（5）进行限位，钻杆（1）上的槽体在提钻过程中对刀体起限位作用，挡板（7）在提钻过程中对刀体起支撑保护的作用。
2.根据权利要求1所述的一种用于软土地基加固的施工装置，其特征在于：所述的若干刀体均布于钻杆（1）的圆周同一外壁上，刀体数量大于等于2个。
3.一种用于软土地基加固的施工方法，基于如权利要求1或2所述的用于软土地基加固的施工装置完成，其特征在于：通过定位、定向水平非开挖搅拌加固软土，实现非开挖远距离软土地基预加固。
4.根据权利要求3所述的用于软土地基加固的施工方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、钻孔，
将所述的用于软土地基加固的施工装置水平连接定向钻机（14），进行钻孔施工，钻孔包括造斜段（15）和水平加固段（16）；
钻孔的过程中，土压阻力使搅拌部与钻杆（1）贴合，并进行转弯导向，钻进至设计位置；
S2、提升、注浆、搅拌，
提升钻杆（1），土压阻力使搅拌部呈展开状态，注浆以及搅拌同步进行，水泥浆与地层充分搅拌融合，形成圆柱形桩体（19）；
S3、循环步骤S1和S2，完成加固软地基。
5.根据权利要求4所述的用于软土地基加固的施工方法，其特征在于：所述的造斜段（15）钻孔长度与水平加固段（16）钻孔长度比为1：1.5，造斜段（15）斜率为1-2°。
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