CN118148117A - 一种斜喷式高压喷射系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种斜喷式高压喷射系统及施工方法，包括高压供气、供料、高压喷射系统、气料输送及施工钻机五个单元，斜喷式高压喷射系统集中高压气体的喷射能量通过直接喷射冲击和引射引流作用，把高压气体与固化剂粉料在混合器中混合压缩形成旋流，增强了气力输送能力，降低了管道压力损失，收缩管、混合管和扩散管构成的混合器利用缩径—等径—扩径的空间结构变化及几何尺寸优化设计，可利用混合器中气固两相旋流的生成提升管道内气固两相流体的动压力；本发明可有效防止气力输送管道中的固化剂粉料堵塞，提高地下气料喷射束的喷射力，增大干喷搅拌桩的喷射直径，且施工质量可控可靠，市场竞争力强。

Description

一种斜喷式高压喷射系统及施工方法

技术领域

本发明属于软土地基加固处理施工机械设备技术领域，尤其涉及一种用于干喷搅拌桩和浅层软土地基板块加固处理施工后台的固化剂粉料斜喷式高压喷射系统及施工方法。

背景技术

我国的软土地基分布广泛，特别是在海湖江河区域的地基土含水率高、空隙比大、压缩性高，针对这类软土地基，国土开发需要进行大量的软土地基处理工程。上世纪欧洲成功开发干喷搅拌桩技术和浅层软基板块加固处理技术，其利用石灰或水泥等固化剂干粉料加固饱和软土或淤泥地基。该项技术凭借固化剂吸水和固化改良双重技术功能，能够大幅度提高加固地基的强度与承载能力，土木建筑工程中应用上述两项技术可以获得良好的软弱地基加固处理效果。然而，现有施工后台主要采用人工控制的压力料罐、通用斜向喷射器及输料管道设备，在施工过程中，粉体下料与斜向喷射器操作都是采用人工方式，完全凭工人经验实施。由于施工人员的技能水平与熟练程度的差异，常会导致粉料供料与喷射输送出现非均匀且不稳定的状态，特别容易造成固化材料的输送管道堵塞，从而使干喷搅拌施工中的固化剂粉料的供料、喷射与输送不连续，施工钻具底部喷射的固化剂喷射量不均匀不稳定，施工质量难以保证。产生上述技术缺陷的主要原因是斜向喷射器和混合器的结构设计不合理，固化剂粉料喷射稳定连续性差，无法为气固两相流提供足够的气力输送能力。

现有技术中存在如下具体技术缺陷：

(1)干喷施工技术使用的压力料罐的供料方式有多种，但供料速度与供料量通常依赖施工人员手动控制，无法满足设计供料量准确控制要求，甚至出现时断时续的供料问题。

(2)粉料斜向喷射器的结构设计不合理，如工作喷嘴的放置位置、安装角度和结构设计问题，混合器的空间结构与几何尺寸问题导致气固两相流不能充分混合压缩生成气固两相旋流，影响固化剂粉料的气力输送能力，甚至出现输送管道堵塞现象。

(3)由于输入搅拌钻具进料通道的气固两相流体的流速小压力低，无法平衡深部地层的侧土压力，导致搅拌钻具底部喷射速度和压力过小，限制了固化剂粉料的喷射距离，从而严重影响了干喷搅拌技术的施工质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有干喷搅拌桩技术设备存在的不足，而提供一种斜喷式高压喷射系统及施工方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，这种斜喷式高压喷射系统包括高压供气单元、高压喷射系统单元、供料单元、气料输送单元和施工钻机单元，所述高压喷射系统单元与所述高压供气单元连通并由所述高压供气单元供应高压气体，所述高压喷射系统单元位于所述供料单元的下方并连通，在智能控制器监测与控制下，所述高压喷射系统单元利用高压气体喷射技术将所述供料单元供应的固化剂粉料实现气固两相流体的混合压缩流化及远距离输送，所述气料输送单元与所述高压喷射系统单元和所述供料单元连通，并通过气力输送方式将气固两相流体介质输送到所述施工钻机单元内；所述高压喷射系统单元包括接受室、喷射器和混合器，所述混合器与所述接受室连通，所述喷射器斜向安装固定在所述混合器上，且所述喷射器位于所述混合器的下方，所述混合器位于所述接受室的右侧。

作为优选，所述喷射器包括喷射管和工作喷嘴，所述工作喷嘴与所述喷射管连接固定，所述工作喷嘴的喷射端面与所述喷射管横截面平行且低于所述混合器的混合管道内壁；所述混合器的混合管道中部的下方设有套管，所述套管与所述混合管道之间呈10°～45°的夹角设置，所述喷射管插入所述混合管的套管中，并与所述混合管固定密封连接。

作为优选，当所述接受室采用六面体形结构，且所述接受室顶端与所述供料单元内置竖向螺旋输送机的压力料罐的底端口固定连接；所述混合器包括依次相连的收缩管、混合管和扩散管，所述收缩管与所述接受室的右侧壁上所设有的圆形通孔相连接，所述扩散管右侧与所述气料输送单元相连接；所述混合器采用缩径、等径及扩径的变化空间结构，所述收缩管的直径沿所述接受室至所述混合器方向由大变小并呈圆台形，所述混合管的直径为等内径管，所述扩散管的直径沿所述接受室至所述混合器方向由小变大并呈圆台形；且所述混合管的中点左侧安装有气动进料开关阀门。

作为优选，当所述供料单元的压力料罐的底端固定连接有斜向下卧式所述螺旋输送机，横向圆柱筒结构的所述接受室位于所述螺旋输送机的外壳正前方的无螺旋叶片空间处并设有运料阀门，所述混合器包括依次相连的收缩管、混合管和扩散管，所述收缩管与所述接受室的右侧壁上所设有的圆形通孔相连接，所述扩散管右侧与所述气料输送单元相连接；所述混合器采用缩径、等径及扩径的变化空间结构，所述收缩管的直径沿所述接受室至所述混合器方向由大变小并呈圆台形，所述混合管的直径为等内径管，所述扩散管的直径沿所述接受室至所述混合器方向由小变大并呈圆台形；且所述混合管的中点左侧安装有气动进料开关阀门。

作为优选，当所述接受室采用弯管形结构，在所述供料单元的压力料罐的底端安装有旋转给料器，所述旋转给料器由活动转子和固定外壳所组成，所述旋转给料器的下端设有开关阀门，所述混合器包括依次相连的收缩管和混合管，所述收缩管与所述接受室的右侧壁上所设有的圆形通孔相连接，所述混合管右侧与所述气料输送单元相连接；所述混合器采用缩径和等径结构的变化空间，所述收缩管的直径沿所述接受室至所述混合器方向由大变小并呈圆台形，所述混合管的直径为等内径管，且所述混合管的中点左侧安装有气动进料开关阀门。

作为优选，当所述接受室采用牛角结构，且与所述供料单元的压力料罐的底端固定连接，所述压力料罐底端设有开关阀门，所述混合器包括依次相连的收缩管、混合管和扩散管，所述收缩管与所述接受室的右侧壁上所设有的圆形通孔相连接，所述扩散管右侧与所述气料输送单元相连接；所述混合器采用缩径、等径及扩径的变化空间结构，所述收缩管的直径沿所述接受室至所述混合器方向由大变小并呈圆台形，所述混合管的直径为等内径管，所述扩散管的直径沿所述接受室至所述混合器方向由小变大并呈圆台形；且所述混合管的中点左侧安装有气动进料开关阀门和气动出料开关阀门。

作为优选，所述接受室的顶端自上而下依次设有开关阀门和进料口，并分别用于进粉料通道的开关与固化剂粉料的接收；所述气料输送单元连接于所述混合器的出口处并用于继续向前输送由所述混合器喷出的气固两相混合旋流。

作为优选，所述施工钻机单元包括搅拌桩钻机及安装在所述搅拌桩钻机上的搅拌钻具，所述搅拌钻具内设有进料通道，所述搅拌钻具的底部设有喷射机构，所述喷射机构包括气料喷管，所述气料喷管与所述进料通道相连通并横向喷射高压气体与固化剂粉料的混合流体；所述搅拌钻具内可设置成双通道结构，分别为进料通道和高压气通道，所述搅拌钻具的底部设有喷射机构，所述喷射机构包括气料喷管和高压气喷管，所述气料喷管与所述进料通道相连通并横向喷射高压气体与固化剂粉料的混合流，所述高压气喷管与所述高压气通道相连通并横向喷射高压气体。

作为优选，所述高压供气单元包括依次相连的空气压缩机、储气罐、干燥机和高压供气管，所述高压供气管与所述喷射器相连通，所述高压供气管上依次安装有气源开关、安全阀和调节阀；所述供料单元采用压力料罐和螺旋输送机为所述接受室持续定量输送固化剂粉料，所述气料输送单元由水平输送管道、垂直或斜向分布的输送管道、斜向助推器及助推器开关阀门组成，并通过气力输送方式将气固两相流体介质输送到所述施工钻机单元内。

作为优选，所述的的斜喷式高压喷射系统在施工中应用智能控制器4的PLC控制程序，可分别实现对压力料罐81的内部设定增压、螺旋输送机82的设计转速、粉料固化剂连续定量下料以及工作喷嘴22的高压气体流量与压力的调节控制，同时负责对各种计量传感器、气源开关74和各开关阀门的测量与启闭控制，在施工期间，智能控制器4的使用涵盖了整体设备各机构的量测、控制和运行。

一种采用如上述任意一项所述的斜喷式高压喷射系统的施工方法，该施工方法包括如下步骤：

S1：利用智能控制器打开所述空气压缩机、所述储气罐、所述干燥机、所述气源开关和所述调节阀，为所述压力料罐上料和增压；之后，开启所述进料口，开启所述螺旋输送机将固化剂粉料输送到所述接受室内；

S2：通过所述高压供气管向所述喷射管和所述工作喷嘴供应高压气体，通过所述工作喷嘴的高压气体喷射和引射流技术将高压气体与固化剂粉料喷入所述收缩管、所述混合管和所述扩散管，在所述混合器内部进行混合压缩和流化；

S3：高压气体和固化剂粉料在所述混合器内部经过混合压缩和流化形成气固两相旋流，随后经过所述扩散管出口射入所述水平输送管道和所述输送管道，再以气力输送方式将气固两相流体介质运送到钻具进料通道内；

S4：启动所述搅拌桩钻机，通过搅拌钻具在地下的旋转喷射搅拌施工，并利用所述搅拌钻具底部喷射机构通过气料喷管将固化剂粉料喷入地基土中，形成圆柱形高质量干喷搅拌桩；

S5：搅拌桩施工结束后，使用所述智能控制器停止供料供气、关闭所有气动开关阀门；移机到下一个新桩位，重复以上工艺步骤进行下一根干喷搅拌桩施工。

本发明的有益技术效果：

1、本发明的斜喷式高压喷射系统优点是能够集中高压气体的喷射能量进行喷射冲击取得良好的引射流效果，有利于将高压气体与固化剂粉料混合压缩形成旋流，通过增加动压力提高气力输送能力，降低管道压力损失，实现气固两相流体介质的远距离输送。

2、不同于现有技术采用的等直径混合器，本发明通过收缩管、混合管和扩散管顺序连接构成混合器，混合器采用倒圆台筒形、圆柱筒形和正圆台筒形的组合管结构，通过缩径-等径-扩径的空间结构变化，以及几何尺寸的优化设计，能够将气固两相流的初始非均匀流场经过混合压缩转变为后期的均匀流场，较快生成有利于远距离气力输送的气固两相旋流。

3、应用本发明的斜喷式高压喷射系统及使用工艺，可以通过设计和智能控制技术实现干喷搅拌桩的每延米桩长喷灰量调节，增加气固两相流的输送距离与输送速度，同时避免发生堵管事故；有益技术效果体现在高压喷射系统的高效定量供料、增加搅拌桩喷射直径和长度、提高施工质量、缩短工期、减少污染。

4、本发明的斜喷式高压喷射系统结构简单、使用方便、易于维修，同时，也降低了工程施工成本、提高了干喷搅拌桩技术和浅层软基板块加固处理技术的市场竞争力并拓展了两种技术的工程应用范围。

附图说明

图1为本发明一种斜喷式高压喷射系统应用场景示意图；

图2为本发明一种斜喷式高压喷射系统后台结构示意图

图3为本发明实施例1、实施例5的供料单元及高压喷射系统结构示意图；

图4为本发明实施例2的供料单元及高压喷射系统结构示意图；

图5为本发明实施例3的供料单元及高压喷射系统结构示意图；

图6为本发明实施例4的供料单元及高压喷射系统结构示意图；

图7为本发明实施例1、实施例5的接受室与斜向喷射器组合结构示意图；

图8为本发明实施例2的接受室与斜向喷射器组合结构示意图；

图9为本发明实施例3的接受室与斜向喷射器组合结构示意图；

图10为本发明实施例4的接受室与斜向喷射器组合结构示意图；

图11为本发明实施例1、2、4、5的搅拌钻具底部喷射机构结构示意图；

图12为本发明实施例3的搅拌钻具底部喷射机构结构示意图；

图13为本发明实施例5的斜喷式高压喷射系统应用场景示意图。

附图中的标号分别为：1、接受室；11、进料口；12、开关阀门；121、运料阀门；13、圆形通孔；2、喷射器；21、喷射管；22、工作喷嘴；3、混合器；31、收缩管；32、混合管；33、扩散管；34、气动进料开关阀门；35、气动出料开关阀门；36、旋转给料器；37、活动转子；38、固定外壳；39、套管；4、智能控制器；6、高压喷射系统单元；7、高压供气单元；71、空气压缩机；72、干燥机；73、储气罐；74、气源开关；75、安全阀；76、调节阀；77、高压供气管；8、供料单元；81、压力料罐；82、螺旋输送机；9、气料输送单元；91、水平输送管道；92、输送管道；93、斜向助推器；94、助推器开关阀门；10、施工钻机单元；101、搅拌桩钻机；102、进料通道；103、喷射机构；104、高压气通道；105、气料喷管；106、高压气喷管；107、锥形喷嘴；108、空压机；109、气流管道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：本发明包括高压供气单元7、高压喷射系统单元6、供料单元8、气料输送单元9和施工钻机单元10；高压喷射系统单元6与高压供气单元7连通并由高压供气单元7供应高压气体，高压喷射系统单元6位于供料单元8的下方并连通，高压喷射系统单元6利用高压气体喷射技术将供料单元8供应的固化剂粉料实现气固两相流体的混合压缩流化及远距离输送；气料输送单元9与高压喷射系统单元6和供料单元8连通，并通过气力输送方式将气固两相流体介质输送到施工钻机单元10内；高压喷射系统单元6包括接受室1、喷射器2和混合器3，混合器3与接受室1连通，喷射器2斜向安装固定在混合器3上，且喷射器2位于混合器3的下方，混合器3位于接受室1的右侧。

喷射器2包括喷射管21和工作喷嘴22，工作喷嘴22与喷射管21连接固定，工作喷嘴22的喷射端面与喷射管21横截面平行且低于混合器3的混合管道32内壁5mm～30mm；混合器3的混合管道32中部的下方设有套管39，套管39与混合管道32之间呈10°～45°的夹角设置，喷射管21插入混合管32的套管39中，并与混合管32固定密封连接。

当接受室1采用六面体形结构，且接受室1顶端与供料单元8内置竖向螺旋输送机82的压力料罐81的底端口固定连接；混合器3包括依次相连的收缩管31、混合管32和扩散管33，收缩管31与接受室1的右侧壁上所设有的圆形通孔13相连接，扩散管33右侧与气料输送单元9相连接；混合器3采用缩径、等径及扩径的变化空间结构，收缩管31的直径沿接受室1至混合器3方向由大变小并呈圆台形，构成的圆台筒的收缩锥角为20°～45°且圆台筒收口内径与等内径混合管32内径相同，混合管32为等内径管，其采用25mm～45mm内径且长度不小于600mm，扩散管33沿接受室1至混合器3方向由小变大并呈圆台形，其扩展锥角为2°～15°且扩散管33的前端出口与内径相同的气料输送单元9固定连接；气料输送单元9的内径为40mm～60mm，其用于继续向前气力输送由混合器3喷射出的气固两相混合旋流；且混合管32的中点左侧安装有气动进料开关阀门34；喷射管21以10°～45°的夹角斜向密封插入混合管32的套管39，工作喷嘴22与喷射管21旋转连接，工作喷嘴22的前端面低于混合管32管道内壁6mm～33mm。

当供料单元8的压力料罐81的底端固定连接有斜向下卧式螺旋输送机82，横向圆柱筒结构的接受室1位于螺旋输送机82的外壳正前方的无螺旋叶片空间处并设有运料阀门121，混合器3包括依次相连的收缩管31、混合管32和扩散管33，收缩管31与接受室1的右侧壁上所设有的圆形通孔13相连接，扩散管33右侧与气料输送单元9相连接；混合器3采用缩径、等径及扩径的变化空间结构，收缩管31的直径沿接受室1至混合器3方向由大变小并呈圆台形，收缩管31的收缩锥角为18°～32°且圆台筒收口内径与混合管32的内径相同，混合管32为等内径管，混合管32的内径选用24mm～48mm且长度不小于650mm，扩散管33沿接受室1至混合器3方向由小变大并呈圆台形；扩散管33的后端口内径与混合管32内径相同，扩散管33的扩展锥角为2°～8°且其前端面与内径相同的气料输送单元9固定连接，气料输送单元9的内径为40mm～60mm，其用于继续向前气力输送由混合器3喷射出的气固两相混合旋流；且混合管32的中点左侧安装有气动进料开关阀门34；喷射管21以8°～42°的夹角斜向密封插入混合管32的套管39，工作喷嘴22与喷射管21旋转连接，工作喷嘴22的前端面低于混合管32管道内壁8mm～45mm。

当接受室1采用弯管形结构，在供料单元8的压力料罐81的底端安装有旋转给料器36，旋转给料器36由活动转子37和固定外壳38所组成，旋转给料器36的下端设有开关阀门12，旋转给料器36具有向述弯管形接受室1输入固化剂粉料的功能；混合器3包括依次相连的收缩管31和混合管32，收缩管31与接受室1的右侧壁上所设有的圆形通孔13相连接，混合管32右侧与气料输送单元9相连接；混合器3采用缩径和等径的变化空间结构，收缩管31沿接受室1至混合器3方向由大变小并呈圆台形，收缩管31的收缩锥角为10°～30°且圆台筒收口内径与混合管32内径相同，混合管32为等内径管，混合管32的内径为28mm～60mm且长度不小于860mm；且混合管32的中点左侧安装有气动进料开关阀门34；喷射管21的斜向夹角为12°～36°，工作喷嘴22与喷射管21旋转连接，工作喷嘴22的前端面低于混合管32管道内壁15mm～42mm；混合管32与内径相同的气料输送单元9固定连接，气料输送单元9用于继续向前气力输送由混合器3喷出的气固两相混合旋流。

当接受室1采用牛角结构，压力料罐81的内压值设定为0.3MPa～0.7MPa，罐内固化剂粉料在高压气体的压力作用下向牛角形接受室1内流动，并被气动进料开关阀门34阻挡；混合器3包括依次相连的收缩管31、混合管32和扩散管33，收缩管31与接受室1的右侧壁上所设有的圆形通孔13相连接，扩散管33右侧与气料输送单元9相连接；混合器3采用缩径、等径及扩径的变化空间结构，收缩管31沿接受室1至混合器3方向由大变小并呈圆台形，其收缩锥角为15°～45°且收口内径与混合管32内径相同，混合管32为等内径管并采用24mm～40mm内径且长度不小于900mm；扩散管33沿接受室1至混合器3方向由小变大并呈圆台形；且混合管32的中点左侧安装有气动进料开关阀门34和气动出料开关阀门35；这两个开关阀门的距离不大于250mm；喷射管21以12°～38°的夹角斜向密封插入混合管32上的套管39中，工作喷嘴22与喷射管21旋转连接；扩散管33的后端面与内径相同的混合管32固定连接，扩散管33内径逐渐增大，其扩展锥角为1°～7°且扩散管33前端口与内径相同的气料输送单元9固定连接。

当斜喷式喷射管21的工作喷嘴22产生0.3MPa～0.8MPa的高压气体喷射束后，以连续喷射的方式斜向喷入混合管32内，同时，在混合管32的左部管段中产生负压区；而智能控制器4按先后顺序和设定频率控制启闭气动进料开关阀门34和气动出料开关阀门35；具体的，在施工过程中，气动进料开关阀门34的间隔开启与闭合时间设定为：开启时间设定为1S～2S，关闭时间设定为2S～4S；而相距150mm～240mm的气动出料开关阀门35在气动进料开关阀门34开启时保持关闭；在气动进料开关阀门34保持关闭时间内，气动出料开关阀门35则按照设定频率间隔启闭，且其开关间隔时间为0.3S～0.4S。当气动进料开关阀门34打开时固化剂粉料会被罐体内的高压气体推送到气动出料开关阀门35的位置，即在两个气动开关阀门之间的管道空间充满了固化剂粉料，在气动进料开关阀门34关闭且气动出料开关阀门35频繁启闭操作期间，处于两阀门之间的固化剂粉料会以引射流方式从负压区吸入混合管32的前部管段，并在其中混合压缩和流化形成气固两相混合旋流，再利用气力输送方式通过气料输送单元9向施工设备的进料通道102输入气固两相混合旋流。

接受室1的顶端自上而下依次设有开关阀门12和进料口11，并分别用于进粉料通道的开关与固化剂粉料的接收；气料输送单元9连接于混合器3的出口处并用于继续向前输送由混合器3喷出的气固两相混合旋流。

施工钻机单元10包括搅拌桩钻机101及安装在搅拌桩钻机101上的搅拌钻具，搅拌钻具内设有进料通道102，搅拌钻具的底部设有喷射机构103，喷射机构103包括气料喷管105，气料喷管105与进料通道102相连通并横向喷射高压气体与固化剂粉料的混合流；搅拌钻具内可设置成双通道结构，分别为进料通道102和高压气通道104，搅拌钻具的底部设有喷射机构103，喷射机构103包括气料喷管105和高压气喷管106，气料喷管105与进料通道102相连通并横向喷射高压气体与固化剂粉料的混合流，高压气喷管106与高压气通道104相连通并横向喷射高压气体。

施工钻机单元10由搅拌桩钻机101、钻具进料通道102、高压气通道104及搅拌钻具底部喷射机构103组成，其利用搅拌钻具底部喷射机构103向土体内部喷射固化剂粉料及高压气体并通过钻具旋转喷射搅拌工艺在地基土中形成圆柱形高质量干喷搅拌桩。

高压供气单元7包括依次相连的空气压缩机71、储气罐73、干燥机72和高压供气管77，高压供气管77与喷射器2相连通，高压供气管77上依次安装有气源开关74、安全阀75和调节阀76；供料单元8采用压力料罐81和螺旋输送机82为接受室1持续定量输送固化剂粉料，从而确保工作喷嘴22的高压气体喷射功能与引射流功能实现；气料输送单元9由水平输送管道91、垂直或斜向分布的输送管道92、斜向助推器93及助推器开关阀门94组成，并通过气力输送方式将气固两相流体介质输送到施工钻机单元10内。

在施工中应用智能控制器4的PLC控制程序，可分别实现对压力料罐81的内部设定增压、螺旋输送机82的设计转速、粉料固化剂连续定量下料以及工作喷嘴22的高压气体流量与压力的调节控制，同时负责对各种计量传感器、气源开关74和各开关阀门的测量与启闭控制，在施工期间，智能控制器4的应用涵盖了整体设备各机构的量测、控制和运行。

供料单元8和高压喷射系统单元6可使用的固化材料包括有，粉体材料：石灰、水泥、固化剂、粉煤灰、矿碴粉，以及颗粒材料：粉细砂、中砂等干料；并且这种斜喷式高压喷射系统适用于各种干喷施工方法，包括干喷搅拌桩施工和浅层软基板块加固处理施工，具体的固化剂材料可以根据工程要求和地基土条件加以选用。

一种采用斜喷式高压喷射系统的施工方法，该施工方法包括如下步骤：

S1：利用智能控制器4打开空气压缩机71、储气罐73、干燥机72、气源开关74和调节阀76，为压力料罐81上料和增压；之后，开启进料口11，开启螺旋输送机82将固化剂粉料输送到接受室1内。

S2：通过高压供气管77向喷射管21和工作喷嘴22供应高压气体，通过工作喷嘴22的高压气体喷射和引射流技术将高压气体与固化剂粉料喷入收缩管31、混合管32和扩散管33内，气固两相流体在混合器3内部进行混合压缩和流化。

S3：高压气体和固化剂粉料在混合器3内部经过混合压缩和流化形成气固两相旋流，随后经过扩散管33出口射入水平输送管道91和输送管道92，再以气力输送方式将气固两相流体介质运送到进料通道102内。

S4：启动搅拌桩钻机101，通过搅拌钻具在地下的旋转喷射搅拌施工，并利用搅拌钻具底部喷射机构103通过气料喷管105将固化剂粉料喷入地基土中，形成圆柱形高质量干喷搅拌桩。

S5：搅拌桩施工结束后，使用智能控制器4停止供料供气、关闭所有气动开关阀门；移机到下一个新桩位，重复以上工艺步骤进行下一根干喷搅拌桩施工。

实施例1

下面结合实施例1和附图1、附图2、附图3、附图7和附图11对本发明作进一步阐述，本实施例的工程背景为某临海港口地坪干喷搅拌桩地基处理工程，干喷搅拌桩的设计桩长为20m，桩径为800mm，搅拌桩28d设计强度为1.6MPa。场地基本地质条件：下覆地基土为淤泥质黏性土层，层厚35m，含水量为w＝67％，e＝1.7,SPT＝2～8。固化剂采用KD 1号，固化剂掺入量为18％，采用两搅一喷下钻喷粉的施工工艺，利用单通道多层互剪搅拌桩钻机实施旋转喷射搅拌成桩；施工要求气固两相流在水龙头进口的喷射压力不得小于0.44MPa，气源提供的初始压缩空气的压强不小于0.75MPa。

在本工程中，斜喷式高压喷射系统单元6主要包括接受室1、喷射器2、混合器3及智能控制器4四部分。接受室1采用六面体形结构，接受室1顶端与带有内置竖向螺旋输送机82的压力料罐81的底端口固定连接，接受室1的右端侧壁直径为60mm的圆形通孔13与收缩管31大径端面相连。

在混合管32的中点左侧安装了气动进料开关阀门34，而斜向喷射器2与混合管32斜向相交并固定连接，喷射管21以32°的夹角斜向密封插入混合管32中段的套管39中，工作喷嘴22与喷射管21旋转连接，工作喷嘴22的前端面低于混合管32管道内壁16mm。

混合器3由收缩管31、混合管32、扩散管33顺序连接构成，混合器3采用缩径—等径—扩径的组合管结构，收缩管31的内径逐渐变小，收缩锥角角度为34°；混合管32为等内径管，内径为30mm且长度为950mm；扩散管33的内径逐渐变大且扩展锥角角度为4°；气料输送单元9与内径相同的扩散管33的出口固定连接，气料输送单元9的内径为50mm，气固两相混合流体被喷入气料输送单元9后再以气力输送方式输送到钻具进料通道102内，并通过钻具旋转喷射搅拌工艺在地基土中形成圆柱形高质量干喷搅拌桩。

本工程采用如下工艺步骤：

S1：利用智能控制器4和上料机为压力料罐81上料和增压，之后开启螺旋输送机82将固化剂粉料输送到接受室1内。

S2：通过高压供气管77向工作喷嘴22供应高压气体，利用工作喷嘴22的高压气体喷射与引射流技术将固化剂粉料吸入混合器3内并进行混合压缩和流化。

S3：经过混合器3内部混合压缩和流化形成气固两相旋流，再经过水平输送管道91和输送管道92运送到进料通道102内。

S4：启动搅拌桩钻机101，通过搅拌钻具在地下的旋转喷射搅拌施工，同时利用搅拌钻具底部喷射机构103通过气料喷管105将固化剂粉料喷入地基土中，形成圆柱形高质量干喷搅拌桩。

S5：搅拌桩施工结束后，使用智能控制器4停止供料供气、关闭所有开关阀门；移机到下一个新桩位，重复以上工艺步骤进行下一根干喷搅拌桩施工。

实施例2

实施例2为本发明的另一种实现方式，下面结合实施例2和附图4、附图8和附图11对本发明作进一步阐述。本实施例的工程背景为台州某小高层建筑干喷搅拌桩基工程，干喷搅拌桩的设计桩长为22m，桩径为700mm，搅拌桩28d设计强度为1.8MPa，单桩极限承载力为960kN。场地地基土为粉质黏土层，层厚31m，含水量为w＝54％，e＝1.3,SPT＝5～11。固化剂采用425号水泥，掺入量为19％，施工采用两搅一喷下钻喷粉的工艺和单通道多层互剪搅拌桩钻机成桩；施工要求气固两相流在水龙头进口的喷射压力不得小于0.46MPa，气源提供的初始压缩空气的压强不小于0.76MPa。

在本工程中，斜喷式高压喷射系统采用了另一种结构形式，接受室1采用横向圆柱筒形结构，供料单元的压力料罐81的底端固定连接有斜向下15°的卧式螺旋输送机82，螺旋输送机82的正前方设有横向圆柱筒形的接受室1，其前方侧壁圆形通孔13与收缩管31的大径端口固定连接。喷射管21以23°的夹角斜向密封插入混合管32中部的套管39中，工作喷嘴22与喷射管21旋转连接，工作喷嘴22的前端面低于混合管32管道内壁25mm；

混合器3的空间结构采用缩径—等径—扩径组合管形式，其中，收缩管31的圆台筒收缩锥角为25°且圆台筒收口内径与混合管32内径相同，混合管32内径为32mm且长度为1200mm，在混合管32的中点左侧安装有气动进料开关阀门34；扩散管33的小径端内径与混合管32的内径相同，扩散管33的圆台筒形扩展锥角为4°且其前端出口与内径相同的气料输送单元9固定连接，气料输送单元9的内径为55mm，其用于继续向前输送由混合器3喷出的气固两相混合旋流至钻具进料通道102内。

本工程采用的施工工艺步骤同实施例1。

实施例3

实施例3为本发明的又一种实现方式，下面结合实施例3和附图5、附图9和附图11对本发明作进一步阐述。本工程背景为高层住宅劲芯复合桩基工程，搅拌桩设计桩长19m，桩径850mm，PHC管桩桩长22m，管桩桩径600mm，单桩设计极限承载力为2000kN。场地为双层地基，①为饱和软黏土层，层厚16m，含水量为w＝62％，e＝1.4,SPT＝7～11，②为粉土层，层厚12m，含水量为w＝42％，e＝1.0,SPT＝12～18；采用425标号水泥作为固化材料，掺入量为20％。施工要求气固两相流在水龙头进口的输送压力为0.42MPa，气源压缩空气压强为0.68MPa。干喷搅拌桩施工采用两搅一喷下钻喷粉的工艺，PHC管桩采用抱压工艺，搅拌桩施工使用双通道多层互剪搅拌桩钻机。

本实施例中，接受室1采用弯管形结构，在压力料罐81的底端固定安装有旋转给料器36和开关阀门12，旋转给料器36具有向接受室1输入固化剂粉料的功能；混合器3的空间结构为缩径—等径组合管形式，接受室1右侧壁圆形通孔13与收缩管31大径端固定连接，收缩管31的收缩锥角为18°且收口内径与混合管32内径相同，混合管32内径为33mm且长度为1540mm；在混合管32的中点左侧安装有气动进料开关阀门34，在混合管32中部的套管39上固定安装有斜向夹角为30°的斜向喷射管21，工作喷嘴22与喷射管21旋转连接；混合管32与内径相同的气料输送单元9固定连接，气料输送单元9用于继续向前气力输送由混合器3喷出的气固两相混合旋流。

本实施例中，如附图12所示，搅拌桩钻机101的钻具设有双通道结构，一为钻具进料通道102，通道内径为50mm，作为气固两相流体的输送通道，二为钻具高压气通道104，通道内径为20mm，作为高压气流输送通道。当钻具旋转喷射搅拌施工时，搅拌钻具底部喷射机构103通过气料喷管105横向喷射高压气料混合流体的同时，利用另一台空压机108通过气流管道109的喷射机构103的高压气喷管106横向喷射高压气流束。内径为20mm的高压气喷管106采用锥形喷嘴107进行水平方向喷射，其出口位置与气料喷管105具有相同深度位置，但其平面角度错开180°。应用这种双通道喷射技术可降低气料喷射流束的喷射阻力，同时可增大搅拌桩的喷射半径。

本工程采用的施工工艺步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于增加了一台空压机108和用于喷射高压气流的高压气喷管；并在搅拌桩施工完成后利用静压桩机将管桩植入搅拌桩内。

实施例4

实施例4为本发明的再一种实现方式，下面结合实施例4和附图6、附图10和附图11对本发明作进一步阐述。本工程背景和地质条件与实施例1相同。

本实施例中，接受室1采用牛角结构，其顶端与压力料罐81的底端口固定连接，压力料罐81内部设定的气压值为0.5MPa，罐内粒径为80μm的水泥粉在高压气体压力作用下向接受室1内流动，并被气动进料开关阀门34阻挡。混合器3采用缩径—等径—扩径的空间组合管结构，收缩管31的直径由大变小，其收缩锥角为32°且圆台筒收口内径与混合管32内径相同，混合管32采用28mm内径且长度为960mm，在混合管32的中点左侧安装有气动进料开关阀门34和气动出料开关阀门35。喷射管21以31°的夹角斜向密封插入混合管32中部的套管39，工作喷嘴22前端面低于混合管32管道内壁18mm。扩散管33小径端与内径相同的混合管32固定连接，扩散管33直径由小变大，其扩展锥角为5°且扩散管33的大径端出口与内径相同的气料输送单元9固定连接。

当斜喷式喷射管21的工作喷嘴22产生的0.7MPa的高压气体喷射束，以连续喷射的方式斜向喷入混合管32内，同时，在混合管32的左部管段中产生负压区；而智能控制器4按先后顺序和设定频率启闭气动进料开关阀门34和气动出料开关阀门35。在施工过程中，气动进料开关阀门34间隔开启与闭合，开启时间设定为2S，关闭时间为4S；而相距200mm处的气动出料开关阀门35在气动进料开关阀门34开启时保持关闭，在气动进料开关阀门34关闭的时间内按照设定频率间隔启闭，且开关间隔时间为0.25S。当气动进料开关阀门34打开时水泥粉会被罐体内的高压气体推送到气动出料开关阀门35的位置，即在两个气动开关阀门之间的管道空间充满了水泥粉，在气动进料开关阀门34关闭且气动出料开关阀门35频繁启闭操作期间，处于两阀门之间的水泥粉会因引射流从负压区吸入到混合管32的前部管段，并在其中混合压缩和流化形成气固两相混合旋流，再利用气力输送方式通过气料输送单元9向施工设备的进料通道102输入气固两相混合旋流。

本工程采用的施工工艺步骤同实施例1。

实施例5

实施例5为本发明另一种应用场景，工程背景为沿海区域某拟建工业厂房，厂房基础采用预制桩，由于场地内普遍分布有深厚的淤泥层，该层具有极高含水量、低强度、高压缩性等特点，且部分范围淤泥直接出露地表，为满足厂区建筑场地打桩机等施工机械现场行走的要求，需对场地内软土层进行浅层地基加固处理。浅层软基板块加固处理施工采用挖机携带强力搅拌头将固化材料和软土在原位进行搅拌、喷射、混合，固化材料采用KD固化剂，掺量为10％，利用本发明的斜喷式高压喷射系统进行干粉固化剂的喷射供料。

如附图13所示，本实施例中的斜喷式高压喷射系统结构同实施例1，施工工艺步骤类似，不同之处是将固化剂粉料喷射至浅层地基土体内并由强力搅拌头将原位土体与固化剂搅拌均匀，从而形成4m厚度的强度较高的加固土体板块，所形成硬壳表层可供施工机械安全行走和施工。

本发明不局限于上述实施方式，不论在其结构、形状或材料构成上作任何变化，凡是采用本发明所提供的结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种斜喷式高压喷射系统，包括高压供气单元(7)、高压喷射系统单元(6)、供料单元(8)、气料输送单元(9)和施工钻机单元(10)，其特征在于：所述高压喷射系统单元(6)与所述高压供气单元(7)连通并由所述高压供气单元(7)供应高压气体，所述高压喷射系统单元(6)位于所述供料单元(8)的下方并连通，在智能控制器(4)监测与控制下，所述高压喷射系统单元(6)利用高压气体喷射技术将所述供料单元(8)供应的固化剂粉料实现气固两相流体的混合压缩流化及远距离输送，所述气料输送单元(9)与所述高压喷射系统单元(6)和所述供料单元(8)连通，并通过气力输送方式将气固两相流体介质输送到所述施工钻机单元(10)内；所述高压喷射系统单元(6)包括接受室(1)、喷射器(2)和混合器(3)，所述混合器(3)与所述接受室(1)连通，所述喷射器(2)斜向安装固定在所述混合器(3)上，且所述喷射器(2)位于所述混合器(3)的下方，所述混合器(3)位于所述接受室(1)的右侧。

2.根据权利要求1所述的斜喷式高压喷射系统，其特征在于：所述喷射器(2)包括喷射管(21)和工作喷嘴(22)，所述工作喷嘴(22)与所述喷射管(21)连接固定，所述工作喷嘴(22)的喷射端面与所述喷射管(21)横截面平行且低于所述混合器(3)的混合管道(32)内壁；所述混合器(3)的混合管道(32)中部的一侧设有套管(39)，所述套管(39)与所述混合管道(32)之间呈10°～45°的夹角设置，所述喷射管(21)插入所述混合管(32)的套管(39)中，并与所述混合管(32)固定密封连接。

3.根据权利要求1所述的斜喷式高压喷射系统，其特征在于：当所述接受室(1)采用六面体形结构，且所述接受室(1)顶端与所述供料单元(8)内置竖向螺旋输送机(82)的压力料罐(81)的底端口固定连接；所述混合器(3)包括依次相连的收缩管(31)、混合管(32)和扩散管(33)，所述收缩管(31)与所述接受室(1)的右侧壁上所设有的圆形通孔(13)相连接，所述扩散管(33)右侧与所述气料输送单元(9)相连接；所述混合器(3)采用缩径、等径及扩径的变化空间结构，所述收缩管(31)的直径沿所述接受室(1)至所述混合器(3)方向由大变小并呈圆台形，所述混合管(32)的直径为等内径管，所述扩散管(33)的直径沿所述接受室(1)至所述混合器(3)方向由小变大并呈圆台形；且所述混合管(32)的中点左侧安装有气动进料开关阀门(34)。

4.根据权利要求1所述的斜喷式高压喷射系统，其特征在于：当所述供料单元(8)的压力料罐(81)的底端固定连接有斜向下卧式所述螺旋输送机(82)，横向圆柱筒结构的所述接受室(1)位于所述螺旋输送机(82)的外壳正前方的无螺旋叶片空间处并设有运料阀门(121)，所述混合器(3)包括依次相连的收缩管(31)、混合管(32)和扩散管(33)，所述收缩管(31)与所述接受室(1)的右侧壁上所设有的圆形通孔(13)相连接，所述扩散管(33)右侧与所述气料输送单元(9)相连接；所述混合器(3)采用缩径、等径及扩径的变化空间结构，所述收缩管(31)的直径沿所述接受室(1)至所述混合器(3)方向由大变小并呈圆台形，所述混合管(32)为等内径管，所述扩散管(33)的直径沿所述接受室(1)至所述混合器(3)方向由小变大并呈圆台形；且所述混合管(32)的中点左侧安装有气动进料开关阀门(34)。

5.根据权利要求1所述的斜喷式高压喷射系统，其特征在于：当所述接受室(1)采用弯管形结构，在所述供料单元(8)的压力料罐(81)的底端安装有旋转给料器(36)，所述旋转给料器(36)由活动转子(37)和固定外壳(38)所组成，所述旋转给料器(36)的下端设有开关阀门(12)，所述混合器(3)包括依次相连的收缩管(31)和混合管(32)，所述收缩管(31)与所述接受室(1)的右侧壁上所设有的圆形通孔(13)相连接，所述混合管(32)右侧与所述气料输送单元(9)相连接；所述混合器(3)采用缩径和等径的变化空间结构，所述收缩管(31)的直径沿所述接受室(1)至所述混合器(3)方向由大变小并呈圆台形，所述混合管(32)为等内径管，且所述混合管(32)的中点左侧安装有气动进料开关阀门(34)。

6.根据权利要求1所述的斜喷式高压喷射系统，其特征在于：当所述接受室(1)采用牛角结构，且与所述供料单元(8)的压力料罐(81)的底端固定连接，所述压力料罐(81)底端设有开关阀门(12)，所述混合器(3)包括依次相连的收缩管(31)、混合管(32)和扩散管(33)，所述收缩管(31)与所述接受室(1)的右侧壁上所设有的圆形通孔(13)相连接，所述扩散管(33)右侧与所述气料输送单元(9)相连接；所述混合器(3)采用缩径、等径及扩径的变化空间结构，所述收缩管(31)的直径沿所述接受室(1)至所述混合器(3)方向由大变小并呈圆台形，所述混合管(32)为等内径管，所述扩散管(33)的直径沿所述接受室(1)至所述混合器(3)方向由小变大并呈圆台形；且所述混合管(32)的中点左侧安装有气动进料开关阀门(34)和气动出料开关阀门(35)。

7.根据权利要求1所述的斜喷式高压喷射系统，其特征在于：所述接受室(1)的顶端自上而下依次设有开关阀门(12)和进料口(11)，并分别用于进粉料通道的开关与固化剂粉料的接收；所述气料输送单元(9)连接于所述混合器(3)的出口处并用于继续向前输送由所述混合器(3)喷出的气固两相混合旋流。

8.根据权利要求1所述的斜喷式高压喷射系统，其特征在于：所述高压供气单元(7)包括依次相连的空气压缩机(71)、储气罐(73)、干燥机(72)和高压供气管(77)，所述高压供气管(77)与所述喷射器(2)相连通，所述高压供气管(77)上依次安装有气源开关(74)、安全阀(75)和调节阀(76)；所述供料单元(8)采用压力料罐(81)和螺旋输送机(82)为所述接受室(1)持续定量输送固化剂粉料，所述气料输送单元(9)由水平输送管道(91)、垂直或斜向分布的输送管道(92)、斜向助推器(93)及助推器开关阀门(94)组成，并通过气力输送方式将气固两相流体介质输送到所述施工钻机单元(10)内。

9.根据权利要求1所述的斜喷式高压喷射系统，其特征在于：所述施工钻机单元(10)包括搅拌桩钻机(101)及安装在所述搅拌桩钻机(101)上的搅拌钻具，所述搅拌钻具内设有进料通道(102)，所述搅拌钻具的底部设有喷射机构(103)，所述喷射机构(103)包括气料喷管(105)，所述气料喷管(105)与所述进料通道(102)相连通并横向喷射高压气体与固化剂粉料的混合流；所述搅拌钻具内可设置成双通道结构，分别为进料通道(102)和高压气通道(104)，所述搅拌钻具的底部设有喷射机构(103)，所述喷射机构(103)包括气料喷管(105)和高压气喷管(106)，所述气料喷管(105)与所述进料通道(102)相连通并横向喷射高压气体与固化剂粉料的混合流，所述高压气喷管(106)与所述高压气通道(104)相连通并横向喷射高压气体。

10.一种采用如权利要求1至9任意一项所述的斜喷式高压喷射系统的施工方法，其特征在于：该施工方法包括如下步骤：

S1：利用所述智能控制器(4)打开所述空气压缩机(71)、所述储气罐(73)、所述干燥机(72)、所述气源开关(74)和所述调节阀(76)，为所述压力料罐(81)上料和增压；之后，开启所述进料口(11)，开启所述螺旋输送机(82)将固化剂粉料输送到所述接受室(1)内；

S2：通过所述高压供气管(77)向所述喷射管(21)和所述工作喷嘴(22)供应高压气体，通过所述工作喷嘴(22)的高压气体喷射和引射流技术将高压气体与固化剂粉料喷入所述收缩管(31)、所述混合管(32)和所述扩散管(33)，在所述混合器(3)内部进行混合压缩和流化；

S3：高压气体和固化剂粉料在所述混合器(3)内部经过混合压缩和流化形成气固两相旋流，随后经过所述扩散管(33)出口射入所述水平输送管道(91)和所述输送管道(92)，再以气力输送方式将气固两相流体介质运送到进料通道(102)内；

S4：启动所述搅拌桩钻机(101)，通过搅拌钻具在地下的旋转喷射搅拌施工，并利用所述搅拌钻具底部喷射机构(103)通过气料喷管(105)将固化剂粉料喷入地基土中，形成圆柱形高质量干喷搅拌桩；

S5：搅拌桩施工结束后，使用所述智能控制器(4)停止供料供气、关闭所有气动开关阀门；移机到下一个新桩位，重复以上工艺步骤进行下一根干喷搅拌桩施工。