CN206956714U - 潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备。潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备包括：钻杆；潜孔冲击器，设置在所述钻杆的底端；搅拌装置，连接在所述钻杆或潜孔冲击器的侧向；喷嘴，设置在所述潜孔冲击器的侧向；其中，所述钻杆、喷嘴与潜孔冲击器之间具有连通的高压空气通路。本实用新型地层适应性强，减少了工业生产对环境产生的污染和影响。
Description
技术领域
本实用新型涉及岩土工程领域，具体涉及一种潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备。
背景技术
高压旋喷桩用于处理淤泥、粉土、填土、砂土等土体的的地基加固，更多用于基坑、水利、地铁等工程的止水。由于传统旋喷工艺其设备动力较小，在施工卵砾石层、漂石等坚硬地层时，成孔深度、垂直度、桩身直径等质量要素无法保证，止水效果一般且返浆量大，水泥利用率低，施工现场脏乱、清污工作量大。
水泥搅拌桩是用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、砂性土、泥炭土等各种成因的饱和软粘土地基的一种方法，利用水泥作为固化剂，通过搅拌机械将土和水泥强制搅拌，利用水泥和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的加固体。主要用于形成复合地基、支护结构、防渗帷幕等。由于目前我国搅拌机械的性能比较落后，成桩深度一般小于30m，且断桩现象极为常见。地层适用性差，仅适用于软粘性土、淤泥质土等一般地层，在砂层、卵砾石层等坚硬地层中搅拌困难，成桩深度较低。
就以上两种传统工法的不足进行分析：
1、成桩效果差：传统高压旋喷桩、水泥搅拌桩施工工艺，在成桩直径、成桩深度、垂直度等方面存在诸多问题。旋喷桩当前常用单管法、双重管法、三重管法，最大成桩直径小于1.0m，旋喷设备动力较小，有效成桩深度一般在20.0m～25.0m，在赋存承压水的砂层中受动水影响成桩效果极差，且动力位于钻杆顶部，垂直度受地层影响较大且不易控制；水泥搅拌桩常用的有单轴、双轴、三轴搅拌法，成桩直径一般为500～800mm，有效成桩深度小于30.0m。由于现采用的搅拌法在设备和工艺方面存在诸多不足，极易造成搅拌深度、桩身均匀性和连续性无法保证。表现为：a、出浆口位置在搅拌轴上，浆液多集中在喷浆口的桩轴附近，叶片外缘缺浆，形成水泥浆富集。b、喷浆方式不合理，当前有下沉喷浆和提升喷浆二种形式，下沉喷浆时土未搅碎，浆液不易向四周土体中扩散，出浆口处容易形成水泥浆芯柱；提升喷浆后缺少必要的搅拌次数，易造成水泥土强度过低。c、喷浆后水泥土搅拌次数不足，包括如下几种原因：喷浆提升速度过快、搅拌次数不足、叶片数量过少、电机功率偏低、搅拌轴上下循环的搅拌次数偏少。
2、钻进性差：以上两种工艺设备动力头均位于钻杆顶部且钻杆导向性差，不易垂直钻进，当遇到砂卵砾石层、漂石、人工填海地层、抛石、混凝土旧基础、基岩等复杂地层时则无法钻进或产生桩位偏移；当在支护桩间施工止水桩时，受支护桩扩径(“大肚子”)影响较大，造成无法钻进或需要补桩处理。搅拌桩在砂卵石地层，由于动力装置功率较低、叶片承载能力差，搅拌深度有限，一般无法在类似地层应用。
综上所述，现有技术中至少存在以下问题：现有的搅拌桩施工成桩效果差、钻进性差。
实用新型内容
本实用新型提供一种潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备，以解决现有的搅拌桩施工成桩效果差、钻进性差的问题。
为此，本实用新型提出一种潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备，所述潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备包括：
钻杆；
潜孔冲击器，设置在所述钻杆的底端；
搅拌装置，连接在所述钻杆或潜孔冲击器的侧向；
喷嘴，设置在所述潜孔冲击器的外侧；
其中，所述钻杆与潜孔冲击器之间具有连通的高压空气通路；所述潜孔冲击器还包括：与钻杆连接的高压浆液管路，所述高压浆液管路与高压空气通路相分隔；所述喷嘴连接所述高压浆液管路。
进一步地，所述搅拌装置为螺旋叶片或采用间隔设置的叶片。
进一步地，所述搅拌装置设置在所述钻杆或潜孔冲击器的外壁上。
进一步地，所述潜孔冲击器包括：上端口、下端口、位于上端口和下端口之间的中空内腔、包围所述中空内腔的侧壁、连接在所述下端口上的内筒、连接在所述内筒之外的套管、连接在所述内筒和套管底部的潜孔冲击器钎头、以及设置在所述套管外侧的喷嘴，其中，所述喷嘴位于所述潜孔冲击器钎头的上方并且设置在所述套管外侧，
所述喷嘴连接所述高压浆液管路，所述高压浆液管路连接所述套管。
进一步地，所述高压浆液管路包括：沿所述钻杆的轴线设置的第一段管路、设置在所述侧壁中并沿平行所述钻杆的轴线设置的第三段管路、以及连接在所述第一段管路和第三段管路之间的第二段管路，所述第二段管路沿所述钻杆的径向设置。
进一步地，所述喷嘴的喷射方向为水平或斜向下，所述喷嘴的数目为多个。
本实用新型与传统高压旋喷桩(单管法、双重管法、三重管法)和水泥搅拌桩(单轴、双轴、三轴)方法不同，其特点为：
(1)钻机机架结构简单，采用一次成孔成桩模式，钻杆无需拆卸、无需引孔。
(2)地层适应性强，适用于素填土、杂填土、粘性土、粉土及砂土等一般地层，且特别适用于软土地区的淤泥质土、高饱和粘性土以及难以钻进的卵砾石层、漂石、人工填海等复杂地层。
(3)提出新的工作机理，将潜孔冲击旋喷工艺与搅拌工艺有机结合，使之形成互补。在潜孔冲击器的高频振动、搅拌装置的旋切搅拌以及高压水(浆)、高压气的联动作用下，形成强度较高、均匀性好的水泥土桩。
(4)节能环保效果好，本工艺水泥利用率高，解决了传统旋喷工艺返浆量大，现场污染严重的问题，将潜孔冲击旋喷工艺与水泥搅拌工艺的有机结合减少了螺旋叶片倒土量。“潜孔冲击旋喷+旋切搅拌”的联合模式使水泥浆与土体的混合更为均匀，形成桩体的强度也较传统工艺要高，因此水泥利用率得以提高，而在同等强度和抗渗指标条件下，所需的水泥量要有所降低。通过减少水泥这样一种高能耗、高污染的材料用量可以有效降低能耗，减少工业生产对环境产生的污染和影响，为低碳经济和社会建设做出一定的贡献。
附图说明
图1为本实用新型的潜孔冲击旋喷搅拌桩施工工艺流程示意图；
图2为本实用新型的潜孔冲击旋喷搅拌桩施工工艺中的成桩过程流程图；
图3为本实用新型具体实施例的潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备的整体结构示意图；
图4为本实用新型的钻杆的俯视示意图；
图5为本实用新型第一具体实施例的搅拌装置的结构示意图；
图6为本实用新型第二具体实施例的搅拌装置的结构示意图；
图7为本实用新型的施工工艺用于支护结构止水帷幕的第一具体实施例的结构示意图；
图8为本实用新型的施工工艺用于支护结构止水帷幕的第二具体实施例的结构示意图；
图9为本实用新型的施工工艺用于复合地基的结构示意图；
图10为本实用新型的施工工艺用于基础桩的第一具体实施例的示意图；
图11为本实用新型的施工工艺用于基础桩的第二具体实施例的示意图；
图12为本实用新型的施工工艺用于抗浮锚杆的第一具体实施例的示意图；
图13为本实用新型的施工工艺用于抗浮锚杆的第二具体实施例的示意图；
图14为本实用新型的潜孔冲击器的结构示意图；
图15为图14中A-A处的剖视结构示意图。
附图标号说明：
1、潜孔冲击器 2、搅拌装置 3、喷嘴
4、钻杆 5、高压浆液管路 6、固定支架
7、高压空气通路 8、进气管 9、进水管
10、动力装置 11、冲击器润滑油储存容器 12、空压机
13、注浆泵 14、储水桶 15、搅浆桶
16、滤浆桶 17、储浆桶 18、钻机机架
19、支护桩 20、止水桩 21、基础垫层
22、褥垫层 23、水泥土桩 24、水泥土外桩
25、现浇钢筋砼芯桩(钢筋混凝土桩) 26、预制管桩 27、锚杆杆体
61侧壁 62、O形圈 65内筒
611、高压注浆管连接接头 612、锥形丝扣 613、第一段管路 614、第三段管路
615、第二段管路
631、锥形丝扣 632、环形凹槽 633、高压水(浆)管路 634、套管
635潜孔冲击器钎头
641、空心螺栓 642、内衬套
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型。
如图3所示，本实用新型的潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备包括：
钻杆4；
潜孔冲击器1，设置在所述钻杆4的底端；
搅拌装置2，连接在所述潜孔冲击器1的外侧；搅拌装置与所述潜孔冲击器同步工作；
喷嘴3，设置在所述钻杆的侧向；
如图4所示，钻杆4内部设有贯通的通道，分别连接至所述钻头或潜孔冲击器1的高压浆液管路5及高压空气通路7；高压浆液管路5与高压空气通路相分隔；高压空气通过钻杆内部的环空状高压空气通路7到达潜孔冲击器，驱动潜孔冲击器工作，高压水(浆)通过钻杆内部的高压浆液管路5到达喷嘴3。其中，所述钻杆4与潜孔冲击器1之间具有连通的高压空气通路7。钻杆端部的潜孔冲击器，在冲击下沉过程中产生的高频振动和高压空气对土体进行冲击破坏，潜孔冲击器工作的同时，搅拌装置同步旋转作业，结合高压水的切割作用，对土体进行旋切搅拌，为后续喷射水泥浆提供条件。本实用新型提出了“潜孔冲击旋喷+旋切搅拌”的全新工作机理，可提高桩身强度、均匀性以及桩身成型质量。
进一步地，如图5和图6所示，所述搅拌装置2为螺旋叶片或采用间隔设置的叶片，间隔设置的叶片即非连续搅拌叶片。叶片数量、尺寸、间距、位置根据实际需要进行布置。
进一步地，所述搅拌装置2可以通过焊接的方式设置在所述钻杆4或潜孔冲击器1的外壁上。搅拌装置可单独设置在钻杆或潜孔冲击器外壁，也可组合形式设置在钻杆及潜孔冲击器外壁，例如，在钻杆或潜孔冲击器外壁上都布置有搅拌装置。
本实用新型可以在潜孔冲击高压旋喷桩的成熟工艺的基础上，在钻杆4端部及钻头1上增加搅拌装置2，提出了“潜孔冲击旋喷+旋切搅拌”的全新工作机理，可提高桩身强度、均匀性以及桩身成型质量。其中，潜孔冲击器和喷嘴可以采用现有的成熟技术，也可以采用下面描述的结构：
如图14和图15所示，所述潜孔冲击器1包括：上端口(位于高压注浆管连接接头611处)、下端口(位于锥形丝扣631处)、位于上端口和下端口之间的中空内腔67、包围所述中空内腔的侧壁61、连接在所述下端口上的内筒65、连接在所述内筒之外的套管634、连接在所述内筒和套管底部的潜孔冲击器钎头635(即锤头)、以及设置在所述套管外侧的喷嘴3，其中，所述喷嘴3位于所述潜孔冲击器钎头635的上方；其中，所述喷嘴3为高压喷嘴；侧壁1与套管634连接；上端口的端部还设有高压注浆管连接接头611，以实现与高压注浆管的连接；
高压浆液管路5，用于输送高压水或高压浆液，高压浆液管路5连接所述钻杆并且高压浆液管路5连接所述套管634；这里所说的高压浆液是高压旋喷桩施工中所采用的高压，压力至少大于大气压，一般压力可达几个大气压，例如为15MPa；
套管634中设有高压水(浆)管路633，与高压浆液管路5连接，因而高压浆液管路5连接潜孔冲击器外套管634和高压水(浆)管路633，能够形成高压水(浆)的通路。高压水(浆)管路633到达潜孔冲击器底部高压喷嘴3，高压水(浆)从喷嘴3离开潜孔冲击器1。
进一步地，所述高压浆液管路5包括：沿所述钻杆的轴线设置的第一段管路613、设置在所述侧壁61中并沿平行所述钻杆的轴线设置的第三段管路614、以及连接在所述第一段管路和第三段管路之间的第二段管路615，所述第二段管路615沿所述钻杆的径向设置。第一段管路613采用高压无缝管，第三段管路614为设置在侧壁中的孔道，第二段管路615的一边为连接第一段管路613的高压无缝管，另一边为设置在侧壁中连接第三段管路614的孔道。这样，高压浆液管路5，即高压水(浆)管路，为折线设计，充分利用了筒状中空内腔67和侧壁，实现不同通道的分工。第三段管路例如为圆形，以便制作。
进一步地，所述喷嘴3由空心螺栓641制成，所述空心螺栓包括：螺帽和螺柱，所述螺帽和螺柱依次从外向内穿设在侧壁中，所述空心螺栓内设有合金制成的内衬套642，所述内衬套沿所述空心螺栓的轴向伸出所述螺帽的外侧，以实现较强的喷射效果。喷嘴3采用空心硬质高强螺栓641，且该喷嘴内镶嵌有硬质合金的内衬套642，所述内衬套642沿高压喷嘴3轴向伸出至高压喷嘴3外。内衬套642的壁厚不小于1mm，以保证承受足够的喷射压力。
潜孔冲击器1设有环形凹槽632，以对所述钻杆4实现定位连接。
进一步地，所述喷嘴3的喷射方向为水平或斜向下，以实现水平喷射或者斜向下喷射，所述喷嘴3的数目为多个，以实现高效旋喷。
进一步地，所述上端口设有外锥形丝扣，即与钻杆相连接的锥形丝扣612，第三段管路以实现连接钻杆。
进一步地，所述下端口设有内锥形丝扣，即锥形丝扣631，以实现连接潜孔冲击器1的内筒和套管。
进一步地，所述潜孔冲击器1的内筒和套管通过O型密封圈62连接在所述下端口上，以实现密封。
进一步地，如图3所示，本实用新型一个实施例的潜孔冲击旋喷桩施工设备包括钻机机架18、钻杆4、搅拌装置2、潜孔冲击器1、喷嘴3或高压水(浆)喷嘴；其中动力装置为长螺旋钻机动力头，潜孔冲击器选用110～1000mm，钻杆4支撑在固定支架6上，钻机机架18优选采用潜孔冲击旋喷钻机机架，钻杆为石油钻探钻杆，所述钻杆选用外径为89～1000mm，钻杆4其内部设有高压空气通路7以及贯通至的高压浆液管路5；高压浆液管路5连接至钻杆顶部用于将高压水(浆)通过设置在钻杆内部的管路到达喷嘴3。所述高压空气通路与钻杆顶部的进气管连接，且进气管8与空压机12连接，空压机12通过冲击器润滑油储存容器11进行润滑。所述高压空气具有不小于0.7MPa的压力。
可以根据实际需要设置搅拌装置2的位置、间距、数量和尺寸形状，较佳的外径选择400～1000mm，搅拌装置2沿钻杆4及潜孔冲击器1的侧向设置，较佳的采用连续螺旋叶片；当采用非连续搅拌叶片时，采用间隔均匀设置，使各叶片的轴向投影位置不相重合，以达到更佳的搅拌效果，使桩体更加均匀。
钻杆4内部的高压浆液管路5，通过进水(浆)管9与高压注浆泵13连接，且高压注浆泵13连接水泥浆制浆系统和供水系统14，水泥浆制浆系统具体包括搅浆桶15、滤浆桶16、储浆桶17通过浆水控制阀进入注浆泵13。高压水(浆)压力选用10～40MPa。
优选地，喷嘴3设于潜孔冲击器1端部两侧或底部；高压水(浆)穿过设置在钻杆4及潜孔冲击器1内部的高压浆液管路5送达高压水(浆)喷嘴3。
施工时，钻机就位，启动动力装置10，向钻头1提供高压空气,向喷嘴3提供高压水,潜孔冲击器在高压空气的驱动下振动冲击钻进,钻进的同时,搅拌装置2同时转动工作,结合喷嘴3喷射的高压水射流,对土体进一步旋切搅拌,达到设计标高后,将高压水切换为高压水泥浆,位于冲击器端部的高压水(浆)喷嘴3喷射水泥浆的同时，搅拌装置2对水泥浆液和流塑状态的土进行二次搅拌,使水泥浆和软化的土体充分混合,形成桩径较大、强度较高、均匀性较好的水泥土桩。
如图1、图2所示，本实用新型还提出一种潜孔冲击旋喷搅拌桩施工工艺，采用前面所述的潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备，所述潜孔冲击旋喷搅拌桩施工工艺包括以下步骤：
步骤A：利用位于钻杆底端的潜孔冲击器，在冲击下沉过程中产生的高频振动和高压空气对土体进行冲击破坏进行成孔；
步骤B：潜孔冲击器工作的同时，喷嘴喷出高压水进行侧向旋喷；
步骤C：潜孔冲击器工作的同时，搅拌装置同步旋转作业；结合所述高压水的切割作用，对土体进行旋切搅拌，使土体软化成流塑状态，为后续喷射水泥浆提供条件。
进一步地，成孔达到设计标高后将高压水切换为高压水泥浆，喷嘴喷射高压水泥浆的同时，搅拌装置将高压水泥浆和流塑状态的土进行二次搅拌，通过喷嘴的潜孔冲击旋喷、以及搅拌装置的旋切搅拌的联合作用，使流塑状态的土和高压水泥浆充分混合，形成水泥土桩。
进一步地，如图7、图8和图9所示，所述潜孔冲击旋喷搅拌桩施工工艺用于施工帷幕桩和复合地基时，所述潜孔冲击旋喷搅拌桩施工工艺具体包括：
(1)桩位测放：按照设计桩位，采用传统测量设备或GPS定位测量技术进行桩位测量及定位。
(2)钻进成孔作业：潜孔冲击旋喷搅拌桩机就位后，开启动力装置10驱动钻杆4转动，向钻杆4底部潜孔冲击器1提供高压空气，驱动冲击器开始工作。搅拌装置2在钻杆的驱动用下开始旋转作业，对土体进一步旋切搅拌；钻进的同时向钻杆提供不小于15MPa压力的高压水，进行切割软化土体。在高频振动、旋切搅拌、高压水(浆)、高压气共同作用下，一边破坏土体一边下沉钻进，当遇坚硬障碍物时，直接冲击破碎，利用搅拌装置2将破碎形成的块体与流塑状态的土体搅拌均匀。
(3)成桩作业：当成孔至设计深度后，将所喷射的高压水切换为高压水泥浆，通过高压水泥浆的高压射流及搅拌装置2的二次搅拌作用，将水泥浆与流塑状态的土混合均匀，可根据施工需要提升、下放钻头进行重复旋喷搅拌，形成直径较大、水泥土均匀的止水桩20的桩体、水泥土桩23的桩体。可以根据实际情况，再设置支护桩19，或者设置基础垫层21和褥垫层22。
进一步地，如图10、图11、图12、图13所示，所述潜孔冲击旋喷搅拌桩施工工艺用于施工桩基础和抗浮锚杆时，所述潜孔冲击旋喷搅拌桩施工工艺具体包括：
(1)桩位测放：按照设计桩位，采用传统测量设备或GPS定位测量技术进行桩位测量及定位。
(2)水泥土外桩24成孔作业：潜孔冲击旋喷搅拌桩机就位后，开启动力装置10驱动钻杆4转动，向钻杆4底部潜孔冲击器1提供高压空气，驱动冲击器1开始工作。搅拌装置2在钻杆4的驱动作用下开始旋转作业，对土体进一步旋切搅拌；钻进的同时向钻杆提供不小于15MPa压力的高压水，进行切割软化土体。在高频振动、旋切搅拌、高压水(浆)、高压气共同作用下，一边破坏土体一边下沉钻进，当遇坚硬障碍物(例如为石头)时，直接冲击破碎，利用搅拌装置2将破碎形成的块体与流塑状态的土体搅拌均匀。
(3)水泥土外桩24成桩作业：当成孔至设计深度后，将所喷射的高压水切换为高压水泥浆，通过高压水泥浆的高压射流及搅拌装置2的二次搅拌作用，将水泥浆与流塑状态的土混合均匀，可根据施工需要提升、下放钻头进行重复旋喷搅拌，形成直径较大、水泥土均匀的桩体。
(4)芯桩成桩作业：
①当芯桩为现浇钢筋混凝土25时，在水泥土外桩成桩4～6小时后,采用沉管钻机套管跟进冲击成孔,冲击成孔的同时,对水泥土外桩进行挤密加固,达到设计深度后下放钢筋笼,浇筑芯桩混凝土,提拔套管成桩；
②当芯桩为预制管桩时，在水泥土外桩成桩后，立即采用振动法、锤击法或静压法(即连续作业，不用在桩后再等待一段时间)将预制管桩26下放至设计标高；
③当用于抗浮锚杆施工时，水泥土桩成桩后，植入锚杆27。
以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。为本实用新型的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。
Claims (6)
1.一种潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备，其特征在于，所述潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备包括：
钻杆；
潜孔冲击器，设置在所述钻杆的底端；
搅拌装置，连接在所述钻杆或潜孔冲击器的侧向；
喷嘴，设置在所述潜孔冲击器的外侧；
其中，所述钻杆与潜孔冲击器之间具有连通的高压空气通路；所述潜孔冲击器还包括：与钻杆连接的：高压浆液管路，所述高压浆液管路与高压空气通路相分隔；所述喷嘴连接所述高压浆液管路。
2.如权利要求1所述的潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备，其特征在于，所述搅拌装置为螺旋叶片或采用间隔设置的叶片。
3.如权利要求1所述的潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备，其特征在于，所述搅拌装置设置在所述钻杆或潜孔冲击器的外壁上。
4.如权利要求1所述的潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备，其特征在于，
所述潜孔冲击器包括：上端口、下端口、位于上端口和下端口之间的中空内腔、包围所述中空内腔的侧壁、连接在所述下端口上的内筒、连接在所述内筒之外的套管、连接在所述内筒和套管底部的潜孔冲击器钎头、以及设置在所述套管外侧的喷嘴，其中，所述喷嘴位于所述潜孔冲击器钎头的上方；
所述喷嘴连接所述高压浆液管路，所述高压浆液管路连接所述套管。
5.如权利要求4所述的潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备，其特征在于，所述高压浆液管路包括：沿所述钻杆的轴线设置的第一段管路、设置在所述侧壁中并沿平行所述钻杆的轴线设置的第三段管路、以及连接在所述第一段管路和第三段管路之间的第二段管路，所述第二段管路沿所述钻杆的径向设置。
6.如权利要求4所述的潜孔冲击旋喷搅拌桩施工设备，其特征在于，所述喷嘴的喷射方向为水平或斜向下，所述喷嘴的数目为多个。
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