CN1986974A - 软土地层减压水平加固工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种软土地层减压水平加固工艺，具体步骤是：1.施工准备，2.水平钻孔，3.水平旋喷加固。施工时，硬化材料及压缩空气分别从硬化材料及压缩空气管喷嘴喷出，钻杆作180°摆喷切削土体；高压水喷嘴同时进水，并高速回流，在出浆管口形成真空，把水泥浆置换出来的泥浆从出浆管排出。本发明加固工艺的喷浆过程中产生的压力能及时有效地释放，水泥浆置换出来的泥浆能及时排出，达到有效加固且能有效减小对周边环境影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下建筑地层加固工艺，尤其是一种软土地层水平加固工艺。
背景技术
目前，在城市隧道施工，根据城市隧道工程中对开挖面加固的要求和隧道内作业条件而开发的旋喷法，欧洲在八十年代已有工程应用。在城市地铁工程中，也已有不少成功的应用，如意大利米兰地铁为开挖旁通道在导洞预先形成拱形水平旋喷加固，在那不勒斯轻轨建设中，当隧道穿过大楼基础时，在隧道工作面超前形成代插入钢管的拱形水平旋喷桩加固体。
日本开发全方位MJS工法由于在城市隧道施工中显著减少地面变形而受到重视。MJS工法是九十年代初日本开始开发的，1991年开始试验，1992年11月日本成立MJS工法协会，于1991-1993年间在东京都、横滨等地隧道、线路工程中实施。
我国采用最多的是单管法。单管法用喷射管钻进，喷射管与孔壁紧密接合，没有排浆间隙，并且单管法只采用水泥浆一种喷射介质，浆液较稠，废浆很难排出孔外。因此单管法产生的废浆很少，大部分废浆在较高的孔内压力下被压入周围土层空隙内。因此，单管法水平旋喷施工过程中会对周围地面道路、建筑物、地下管线等产生较大的影响，很容易造成地面抬升、建筑物及虽然单管法排浆难，但当喷至距离孔口较近的位置时，排浆变得容易起来，如不采取措施会有大量的泥浆(包括加固区的浆液)流出孔口，造成孔内空洞。目前，其工艺也只是将原有的单管旋喷改为水平旋喷。其最大的缺点是喷浆过程中产生的压力不能及时有效地释放，故对加固区域的土体不可避免产生隆起，对周边构筑物及环境产生不利影响。
如何有效地释放水平旋喷产生的压力，将是该工艺成功与否的关键。一是降低喷浆压力，这样就达不到加固的目的；二是将由水泥浆置换出来的泥浆排出，达到有效加固且能有效减小对周边环境影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种软土地层减压水平加固工艺，该加固工艺的喷浆过程中产生的压力能及时有效地释放，水泥浆置换出来的泥浆能及时排出，达到有效加固且能有效减小对周边环境影响。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术工艺方法如下：
1.施工准备
(1)复合管水平旋喷机安装就位，根据不同的地质条件选择不同的高压水压力及喷嘴直径，并配备注浆管、高压送浆管、操控电箱设备。
(2)水平钻机调试
高压清水泵、高压泥浆泵及空压机设备进行空载磨合及准工作状态磨合。
(3)水平旋喷机械组合调试
将注浆管及外套管安装在水平旋喷机上，连接水平旋喷机与动力站，连接高压水泵、高压注浆泵、空压机设备，在地面上进行水平旋喷设备的整体试运转。
2.水平钻孔
钻孔采用麻花钻头钻进，护套管同时跟管钻进，并进行水平度检测，及时调整钻进的速度和修正钻进方向。
3.水平旋喷加固
钻孔至预定深度后，将麻花钻杆取出，再放入水平旋喷管至预定深度后，开启高压泥浆泵，空压机，高压清水泵，按确定的喷浆量、喷浆压力进行施工；
施工时，硬化材料及压缩空气分别从硬化材料及压缩空气管喷嘴喷出，钻杆作180°摆喷切削土体；高压水喷嘴同时进水，并高速回流，在出浆管口形成真空，把水泥浆置换出来的泥浆从出浆管排出；
同时在地面布置监测点并进行同步监测，根据监测结果及实际效果分析，调整高压水压力和出浆量。
复合管水平旋喷机水平旋喷：(1)高压灰浆：流量为：80-100L/Min；压力：35-40Mpa；(2)高压清水：流量：60-70L/Min；压力：20-30Mpa；(3)压缩空汽：流量：6-9立方/h；压力：0.7Mpa。
本发明采用复合管法水平旋喷强制排浆工艺，即通过高压水的真空吸力被强制排出孔外。可以大大减小施工对周围环境的影响，并可以通过调节高压水压力和流量控制废浆排出量，并进一步控制地表沉降或抬升。
具体实施方式
1.本发明采用复合管水平旋喷的工作原理：
复合管水平旋喷即水平喷管内四根复合式管道共同作用来完成作业。其中一根为硬化材料喷嘴，一根为压缩空气喷嘴，一根为高压水喷嘴，一根为出浆管。
当水平旋喷作业时，硬化材料及压缩空气分别从硬化材料及压缩空气管喷嘴喷出，此时钻杆作180°摆喷切削土体。与此同时，高压水喷嘴同时进水，并高速回流，以在出浆管口形成真空，从而把水泥浆置换出来的泥浆从出浆管排出。
2.本发明的工艺步骤：
一.施工准备
(1)复合管水平旋喷机安装就位，根据不同的地质条件选择不同的高压水压力及喷嘴直径，并配备注浆管、高压送浆管、操控电箱设备。
(2)水平钻机调试
高压清水泵、高压泥浆泵及空压机设备进行空载磨合及准工作状态磨合。
(3)水平旋喷机械组合调试
将注浆管及外套管安装在水平旋喷机上，连接水平旋喷机与动力站，连接高压水泵、高压注浆泵、空压机设备，在地面上进行水平旋喷设备的整体试运转。
二.水平钻孔
钻孔采用麻花钻头钻进，护套管同时跟管钻进，并进行水平度检测，及时调整钻进的速度和修正钻进方向。
三.水平旋喷加固
钻孔至预定深度后，将麻花钻杆取出，再放入水平旋喷管至预定深度后，开启高压泥浆泵，空压机，高压清水泵，按确定的喷浆量、喷浆压力进行施工；
施工时，硬化材料及压缩空气分别从硬化材料及压缩空气管喷嘴喷出，钻杆作180°摆喷切削土体；高压水喷嘴同时进水，并高速回流，在出浆管口形成真空，把水泥浆置换出来的泥浆从出浆管排出；
同时在地面布置监测点并进行同步监测，根据监测结果及实际效果分析，调整高压水压力和出浆量。
3.本发明采用的复合管水平旋喷工艺说明：
(1)施工准备
施工准备主要包括二方面的准备，即技术及人、机、物的准备。由于水平旋喷除了达到加固的目的以外，还要将置换的泥浆排出，为了有效达到上述目的，故在准备阶段，对加固区域的地质情况必须了解清楚，根据不同的地质资料选择不同的高压水压力及喷嘴直径。由于目前的工程实践较少，起步阶段除必须的理论资料、计算外，还需在现场进行必要的修正，使各项参数更贴近施工的实际情况，并在实践中进一步积累第一手资料。
(2)水平钻孔
水平钻孔是保证水平加固质量的一个重要工序，因此操作时必须严格控制以下环节：
a.钻机的就位必须正确；
b.钻杆的安装必须顺直；
c.钻进的速度要均匀，发现问题要及时停钻，修正；
d.钻杆安装必须可靠、规范。
(3)旋喷加固
旋喷加固是整套工艺的关键，操作过程中，需要根据现场的实际情况进行调整。
首先根据技术准备阶段，对加固区域的土质作详细了解，通过理论分析、计算，得出的一个喷浆量、喷浆压力，然后按确定的数据进行作业。同时在地面布置监测点并进行同步监测。根据第一阶段实施的所有数据，监测结果及实际效果分析，确定是否需对原确定的各项实施参数作必要的修改，如需修改则重复上述步骤，否则进行正常施工。加固所需的水泥浆配比及掺量基本同垂直旋喷。
(4)质量检验
水平旋喷的质量检验与垂直旋喷的方法基本相似，即在施工过程中，主要对各施工参数及水泥用量、排出的浆量进行控制，施工结束后，根据需要可进行抽芯或开挖进行成桩状况及强度检验。
4.本发明采用的复合管旋喷机的主要技术参数为：
(1)钻孔直径：180mm
(2)钻进深度：30M
(3)钻孔角度：0-90度
(4)前动力头：回转速度：9转/分
通孔直径：186mm
(5)后动力头：回转速度：10.20.50.100.r/Min
通孔直径：95MM
(6)给进装置：采用单油缸---链条倍增机构给进行程：2.5M
(7)配备动力：
电机 45+2.2KW
(8)外形尺寸：
主机：5.2×1.6×1.3M
泵站：2.2×1.1×1.7M
复合管专用喷射管由导流器，钻杆，喷头及钻头等几部分组成。
(1)水平旋喷喷射介质有三种：
a、高压灰浆：
流量：80-100L/Min
压力：35-40Mpa
b、高压清水：
流量：60-70L/Min
压力：20-30Mpa
c、压缩空汽：
流量：6-9立方/h
压力：0.7Mpa
水平旋喷成功与否，与水平喷射管的设计参数息息相关。简要分析如下：
复合管法水平旋喷加固仍然从喷头的硬化材料喷嘴处喷射超高压的硬化材料来切削加固地基，影响喷射切削特性的因素有以下几点：
①硬化材料的喷射流量
②硬化材料的流速
③喷嘴的直径
④硬化材料的密度
⑤喷嘴出口处的水压力
⑥喷射距离
⑦加固土体的特性
⑧喷嘴的移动速度
上述①-③有以下的关系：Q＝V*A
上式中Q：流量
A：喷嘴的断面积
V：流速
此外，如切削时必要的破坏力为F，硬化材料的密度为P，则
F＝P*Q*V
从上式中可看出，为了得到较大的切削力，如果喷嘴的直径一定时，那么要使流速变大，即要使出口处的压力上升，流量变大。
如果仅仅使④的硬化材密度变大，应该也能得到较大的切削力，但是，实际上由于管路阻力的变大等使喷出量降低，不能如愿得到切削力的增加。
一般来说，在评价高压泵的性能时，要确认输出量和输出压力，但是输出量的极限由泵的最大回转数所左右。而且，回转数由相应的电动机的输出能力或减速机构所决定。因此，高压喷射切削用的泵较多采用了回转数可变的形式。如果先端喷头中设置的喷嘴的直径一定时，那么慢慢增大回转数，使输出流量增大，输出压力也将逐渐上升。
⑤、⑥，是硬化材料喷射压力能量降低的主要原因，在大深度喷射时，喷嘴出口处越是有密度较高的液体存在，动压力越是降低。此外，从喷嘴处喷射的硬化材的能量，一般来说，离喷嘴距离越远，能量的衰减越明显，这已从各种试验中得到了确认。
对于⑦，喷嘴切削的特性由切削对象的地基特性所决定，这一点也是很明显的。即地基强度越高，抵抗动压力能量破坏的力越强，切削量降低。⑧钻杆旋转使喷嘴移动或钻杆的提升速度与切削力有关，这也跟地基强度有很大的相关性。从喷嘴出来的喷射流随着间隔距离的增大，动压力降低，同时喷射流也有动压扩散的趋势。加固的地基如果属于非常易于水流切割的场合，即使是微小的动压力也有可能破坏地基。地基强度较大，切削达到一定深度后，即使在费时间进行喷射，因为间隔距离已增大，由于动压力的衰减，故切削深度不可能有明显的增大。
5.水平旋喷机具的调试与组合
(1)水平钻机调试
水平旋喷机械首先需进行调试，使设备达到最佳工作状态。高压清水泵、高压泥浆泵及空压机等新设备要先进行空载磨合及准工作状态磨合，及时更换润滑油。
配备注浆管、高压送浆管、操控电箱等配套设备。
水平旋喷注浆管为多孔管，内部构造复杂，密封要求高，需提前进行注浆管连接。尤其是水龙头结构精密，连接不好易出现密封不良。
(2)旋喷机械组合调试
将注浆管及外套管安装在水平旋喷机上，连接水平旋喷机与动力站。测试水平旋喷机的工作状况，完成钻进、提升、换管、等工作流程。检验水平旋喷在水平、倾斜及垂直状态下的工作情况。
连接高压水泵、高压注浆泵、空压机等设备，在地面上进行水平旋喷设备的整体试运转
6.水平旋喷的地面试验
在地面上进行旋喷试验的目的是检验强制排浆装置的可靠性、输送三种高压介质的管路的密封性以及整体设备运转的协调性。同时初步判断泥浆比重、高压水压力、喷嘴直径与排浆量的关系。连接水平旋喷各种机具。
旋喷机具连接完成后，在泥浆箱内用粘土配制成一定比重的泥浆。在吸浆孔一定的情况下，分别改变泥浆比重ρ、高压水压力P及喷嘴直径d，观察强制排浆装置的排浆情况。
7.水平旋喷桩成桩试验
(1)钻孔
复合管法水平旋喷采用Φ180麻花钻头钻进，Φ200的护套管同时跟管钻进。同时由于复合管法采用护套管跟管钻进，成孔质量及直线度较好，这对于较长水平旋喷桩的施工质量是一个有利因素。
(2)水平旋喷
复合管法钻孔至预定深度后，需首先将麻花钻杆取出，再放入水平旋喷管。单管法采用喷管直接钻进至预定深度后，即可进行旋喷施工。
喷管放至预定深度后，开启高压泥浆泵，空压机，高压清水泵即可进行施工。
水平旋喷机分前后两个动力头，驱动钻杆钻进及喷管的摆动及提升和驱动护套管的钻进、旋转及提升。由于复合管法喷射管作180度摆动，所形成的桩为180度摆喷桩，而单管法为360度旋喷桩。
复合管法水平旋喷采用强制排浆工艺，即通过高压水的真空吸力被强制排出孔外。该工艺可以大大减小施工对周围环境的影响，并可以通过调节高压水压力和流量控制废浆排出量，并进一步控制地表沉降或抬升。
废浆排至储浆池后，通过泥浆泵二次排放至预定泥浆堆放区域(距离较近时也可以直接排至堆浆区)。由于排出的废浆含有部分水泥，凝固后可以以土方的形式外运出场。
复合管法水平旋喷桩施工完成后应及时封堵孔口，预埋注浆管，并待封孔水泥凝固后进行注浆，确保加固区内不会也现空隙
(3)水平旋喷桩检测
水平旋喷桩检测采用现场开挖的方法进行，开挖区域为长边与水平旋喷桩垂直的矩开区域。
根据开挖情况，复合管法水平旋喷，提升速度为20cm/min时，桩直径一般在1.0米左右；提速为15cm/min时，桩直径一般在1.3米左右；提速为10cm/min时，桩直径可达到1.5米。
在相同的提升速度下，单管法水平旋喷桩桩径较小，但当提升速度为5cm/min时，桩径也可达到1.0米左右。由于单管法在施工过程中废浆不易排出孔外，孔内压力较大，很大一部分废浆被压入周围土层内，致使在开挖过程中，桩周围出现脉状水泥固结体。
8、本发明的成果及创新
(1)在总结多年高压旋喷成功经验的基础上，借鉴定管及沉井下沉水力出泥的原理，自主开发的复合管法水平旋喷施工工艺，填补了我国水平旋喷的空白。
(2)自行研制开发的水平旋喷的钻机及钻杆，能进行垂直、倾斜及水平方向钻进，并能根据不同的设计参数进行作业，达到研发要求。
(3)根据不同工况及参数进行的工艺试验，成功解决了旋喷泥浆强制返出地面的工艺，各项参数均符合要求。经开挖检验，成桩直径1.0～1.3m，强度达到8.0MPa。
Claims (2)
1.一种软土地层减压水平加固工艺，其特征在于，具体步骤如下：
1)施工准备
(1)复合管水平旋喷机安装就位，根据不同的地质条件选择不同的高压水压力及喷嘴直径，并配备注浆管、高压送浆管、操控电箱设备；
(2)水平钻机调试
高压清水泵、高压泥浆泵及空压机设备进行空载磨合及准工作状态磨合；
(3)水平旋喷机械组合调试
将注浆管及外套管安装在水平旋喷机上，连接水平旋喷机与动力站，连接高压水泵、高压注浆泵、空压机设备，在地面上进行水平旋喷设备的整体试运转；
2)水平钻孔
钻孔采用麻花钻头钻进，护套管同时跟管钻进，并进行水平度检测，及时调整钻进的速度和修正钻进方向；
3)水平旋喷加固
钻孔至预定深度后，将麻花钻杆取出，再放入水平旋喷管至预定深度后，开启高压泥浆泵，空压机，高压清水泵，按确定的喷浆量、喷浆压力进行施工；
施工时，硬化材料及压缩空气分别从硬化材料及压缩空气管喷嘴喷出，钻杆作180°摆喷切削土体；高压水喷嘴同时进水，并高速回流，在出浆管口形成真空，把水泥浆置换出来的泥浆从出浆管排出；
同时在地面布置监测点并进行同步监测，根据监测结果及实际效果分析，调整高压水压力和出浆量。
2.根据权利要求1所述的软土地层减压水平加固工艺，其特征在于，所述复合管水平旋喷机水平旋喷：(1)高压灰浆的流量为：80-100L/Min；压力：35-40Mpa；(2)高压清水的流量为：60-70L/Min；压力：20-30Mpa；(3)压缩空气的流量：6-9立方/h；压力：0.7Mpa。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |