專利名稱：四重管地層減壓式雙液旋噴的施工方法
技術領域：
本發明涉及的是一種建筑工程技術領域的施工方法，具體是一種四重管地層 減壓式雙液旋噴的施工方法。
技術背景高壓旋噴施工技術是以旋轉的噴頭噴出高速流體一邊切削土體一邊使水泥 漿液與切碎的土體混合，經化學反應后形成堅固的加固土柱，強度可達數兆帕以 上。該工法由日本NIT的中西涉博士發明，最初是簡單的單管法(也稱CCP法)， 僅噴射水泥漿液。其后又開發了二重管法、三重管法等；二重管法以壓縮空氣同 軸包裹高壓水泥漿液切割土體并兩者相互混合，使加固體直徑比單管法有較大的 提高；三重管法以壓縮空氣同軸包裹高壓水流首先切割土體，形成較大直徑的碎 土空隙，再以泥漿泵注入水泥漿填充與混合，使加固體直徑比前兩種方法有了極 大的提高。其后，還成功開發了超大直徑的RJP工法，直徑可達3米以上。RJP 工法以壓縮空氣同軸包裹高壓水流對土體進行第一次切割，形成較大直徑的碎土 空隙，再以壓縮空氣同軸包裹水泥漿作第二次切割，并作填充與混合，使加固體 直徑有了空前的提高。我國自70年代末開發成功高壓旋噴施工技術后，該工法 逐步水利工程防滲墻、城市地下工程、邊坡穩定、碼頭、橋梁基處等得到了廣泛 的應用。也逐步開發了各種直徑的旋噴樁施工方法。經對現有的技術文獻檢索發現，日本株式會社恩愛蒂(NIT)中西涉，在1995 年申請并獲得過一系列關于提高旋噴樁直徑與質量的施工設備與方法的專利 "ZL95116805. 3， ZL95115548.2， ZL95115553. 9, ZL95116907. 6， ZL95116806. 1"。 但是，中西涉發明的大直徑旋噴樁施工方法的共同特點是以超高壓的水流對土體 作第一次切割；這樣會產生如下幾個方面問題1)由于旋噴施工后的水泥土混 合物，處于流動性的泥漿狀態，其達到初凝并有一定的強度需數日以上；2)當 該法在地下水位以下的粉砂層中施工時，產生砂土液化，流砂等現象，這樣會使 土與水泥混合物在結硬前發生分離；從而產生質量問題；使旋噴技術不能在有地下水流動的土層中使用；3)如用于施工水平旋噴樁，則流態混合土會流出，使 加固失效；4)在大深度地下(〉25m)由于地層壓力較大，而且地層堅硬，這樣 會發生切削困難，難于形成大直徑樁體。為此中西涉博士發明了稱為MJS工法的 排泥裝置(ZL95115549.0)用射流產生的負壓吸取一部分土體。但MJS工法所需 設備較多，頗為煩雜，不便在狹小的地下洞室中施工，并使施工成本較高。這些 問題影響了旋噴技術的使用范圍。 發明內容本發明針對現有技術的不足和缺陷，提供一種四重管地層減壓式雙液旋噴的 施工方法。本發明通過噴射雙液漿體(水泥漿與速凝劑)使混合土瞬時固化來克 服上述旋噴施工的缺陷，使該技術可以在有地下水流動的土層中施工；通過采用 真空泵強制吸泥的辦法減小地層壓力，擴大深部的切割半徑或在水平旋噴時減小 對周圍地層的影響，使雙液旋噴能在大深度處施工，從而解決地下水流動情況下 難于進行旋噴固化的問題，以及大深度條件下難于生成大直徑旋噴樁與水平旋噴 加固體的問題。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟-①整平場地，安裝連接好各設備將真空泵、高壓泵、低壓泵、空氣壓縮 機通過分流器連接于鉆噴桿上，鉆噴桿由鉆機的支架支持連接，并由鉆機上的驅 動器控制旋轉與做進退運動，多功能噴頭的一端通過螺紋與鉆噴桿連接。高壓泵用于噴高壓水泥漿(或水)。真空泵用于吸出多余的廢泥水。低壓泵用于泵送速凝劑，低壓泵連接速凝劑桶，為低壓泵提供速凝劑。本發明中，鉆噴桿用于鉆孔與輸送高壓液流至多功能噴頭以及廢泥水由噴頭 的吸泥孔至真空泵排出，可以采用四重同軸鋼管構成的鉆噴桿。四重同軸鉆噴桿，內管連接于真空泵，廢泥水由位于噴頭上部的吸泥孔至四 重管內管再至真空泵排出；第二道連接于高壓泵，水流與高壓水泥漿流通過該管 通道到達多功能噴頭；第三道管連接于低壓泵，速凝劑通過該管通道到達多功能 噴頭；外管連接于空氣壓縮機，超高壓壓縮空氣通過該管通道到達多功能噴頭。本發明中多功能噴頭對外設有一個單向閥、兩個噴嘴與一個吸泥孔，其內部 設有通道分別對應于鉆噴桿的四重管道， 一端通過內螺紋接口與鉆噴桿相連接。吸泥孔設置于側面連接于第一個通道與鉆噴桿的內管相通，吸泥孔口部設鋼絲網 罩以防止塊石的吸入。單向閥設于多功能噴頭的頂端與多功能噴頭的第二個通道；單向閥用于在鉆孔時噴射水流。單向閥關閉用液體流量與壓力傳感器自動控制。兩個噴嘴設于多功能噴頭的側面上部和下部，上部噴嘴為復合式的同軸噴嘴 構造，內噴嘴連接于第二道管，噴高壓水泥漿液，外側噴嘴連接于第四道管，噴 壓縮空氣。下部噴嘴也為復合式的同軸構造，內噴嘴連接于第二道管，噴出高壓 水泥漿液，外側噴嘴連接于第三道管，噴速凝劑。吸泥孔應隔開一段距離位于噴 嘴的上方。② 定位將鉆噴桿移到樁位，確定垂直度或水平度后用鉆機的驅動器固定 鉆噴桿定位；③ 鉆孔定位后一邊使鉆孔管緩慢旋轉， 一邊按下列順序打開流體輸送設 備與閥門先是連通高壓泵的水流閥門，然后是連通真空泵的吸泥管道閥門。水 流用高壓泵通過第二道管注入并通過設于噴頭頂部的單向閥噴射水流切割土體 鉆孔。在深度較大時(大于15tn)打開真空泵通過吸泥孔與內管抽出部分水泥漿。 鉆孔時慢慢下降鉆噴桿直至設計標高。噴水壓力視土層的軟硬性質而定， 一般設 置于2 5MPa。當鉆噴桿上扭矩較大時可以增加噴水壓力預先使土體松弛。 旋噴注漿當鉆孔達到預定的設計深度時，停止噴水；通過壓力與流量 控制傳感器，關閉噴頭頂部的單向閥。 一邊使鉆噴管緩慢旋轉， 一邊按下列順序 打開流體輸送閥門首先打開壓縮空氣，然后開速凝劑，第三開高壓水泥漿，最后是抽真空的閥門。按設定的施工參數進行高壓旋噴施工。上部噴嘴同軸噴射壓縮空氣與高壓水泥漿，壓縮空氣外包水泥漿增加切割土體的能力；下部噴嘴同軸 噴出高壓水泥漿與低壓速凝劑(如水玻璃)漿液，低壓漿液外包高壓水泥漿，對 土體進行二次切割，并使兩種漿液與土同時混合，達到快速固化軟土地基的目的。 在深度較大時(大于15m)，為使噴射切割達到較大的范圍，打開真空泵通過吸 泥孔與內管抽出部分水泥漿并減小地層的壓力。所用速凝劑材料必須無毒并且不 會產生環境問題，可以是市售的任何速凝劑。本發明旋噴注漿中，具體施工參數根據目標直徑及土層特性、土體的現場強 度、現場應力狀態以及固化劑的用量確定，即水泥漿的壓力與流量、速凝劑的壓力與流量、壓縮空氣的壓力與流量、鉆噴桿的回拔速度與旋轉速度。噴射流體的 施工參數與旋噴樁半徑的關系由下列公式計算確定丄式中，U二切削距離二成樁半徑(cm) ; K二土性系數；&=土層的無側限抗壓強度；Pm^賁射壓力；d(T噴嘴內徑；N一盾環次數；Vtr = Dm7!Rs/60為噴嘴移動速率；Rs二旋轉速率(rpm) ; a, b, c， n， 111=回歸常數。 真空泵的真空壓根據需吸出的廢泥水的量來確定。⑤ 旋噴至設計樁體的上部標高，按下列順序分別關閉輸送流體的閥門首先關閉速凝劑，然后關高壓水泥漿，第三關壓縮空氣，最后關閉抽真空設備；關閉 各泵及其它設備，結束一根樁體的施工。⑥ 鉆機移位，重復步驟② ⑤，進行另外一根樁的施工。 本發明在施工之前，在將要進行旋噴施工的現場，以靜力觸探確定土層的類型與強度。勘察取土設備，鉆取土樣，以用于室內配合試驗確定水泥與水玻璃用 量。鉆探深度為設計深度下一米。然后根據加固設計的目標強度要求、現場土體 的構成與性質，利用上述取得的土樣進行室內配合比試驗確定水泥用量。根據初 凝時間要求、速凝劑種類，利用水泥漿、速凝劑與土樣進行室內配合比試驗確定 速凝劑的配合比。本發明在設備安裝就位后預先開機空轉確認各設備處于良好的狀態。 本發明利用兩種漿液(如水玻璃類速凝劑與水泥漿)在混合后可以在數秒至 數十秒內快速結硬并產生強度的原理，以高壓泵輸送超高壓的水泥漿流至多功能 噴頭的上下復合式噴嘴的中心通道噴出，對土體作二次切割混合；以低壓泵輸送 速凝劑漿液至多功能噴頭的下部復合式噴嘴的環繞通道噴出后與水泥漿液及第 一次切割產生的土體泥漿攪拌混合，從而達到快速固化軟土地基的目的。本發明通過使混合土可以在數妙(5 10秒)內的快速凝固來克服現有旋噴 施工后混合土處于流體狀態的缺陷；實現旋噴技術可以在有地下水流動的土層中 施工。同時，使用本發明使施工速度提高2 5倍，具有較強的經濟實用性；而 且，上下噴嘴同時噴射高壓水泥漿，對土體進行二次切割。用真空泵通過吸泥孔吸出部分泥漿減小地壓，使旋噴樁的直徑比傳統的三重管提高2倍以上。本發明 施工方法簡單可靠，經濟實用。本發明適用于任意方向的旋噴施工。
圖1為本發明中四重管雙液旋噴的設備構成圖。 圖2為本發明中鉆孔、吸泥與旋噴步驟圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于下述的實施例。實施例為韓國首爾地鐵某車站基坑基底加固的施工，該施工現場的地質條件 為洪積層，從上到下依次堆積的地層為第一層，深度0 3m,為粘質粉土，含 水量為26 48%不等，N值為5 10;第二層深度3 7. 0m，為含礫砂土，含水量 為17 28%， N值為10 30;第三層深度為7.0 10. 5m，粉質粘土，含水量29 36%， N值為5 10;第四層為砂土，深度從10.5ra 14.0m，含水量為20 29%， N值為15 25;第五層從14至25m深，粘質粉土，含水量為21 50%， N值為 15;第六層從-25至35m深，粉細砂土，含水量為25%， N值為10 20，該層為 承壓含水層，水頭為-1.0m。根據設計要求，基坑開挖深度為25米。為防管涌基底采用雙液旋噴樁滿堂 加固的方法施工，深度從一25.0m至一35.0m，約10.0m的范圍，在粉細砂層中 施工。要求直徑達1.5m以上，強度4. 5MPa以上。車站長X寬為250mX20m:旋 噴樁間距為1.3m，共施工三排約3100根樁。鉆孔取樣至40米深。施工中固化 劑為普通波特蘭水泥與無環境污染問題的硅酸鹽類速凝劑水玻璃。用所取土樣與水泥漿、水玻璃溶液在試驗室混合確定達到目標強度時的水灰 比為1: 1、水泥用量為C=760kg/m3;水泥漿液采用普通硅酸鹽水泥攪制，漿液 比重為1.57;初凝時間為20秒時的水玻璃用量為120 〃m3。根據土層特性、設計加固深度、現場應力狀態、固化劑的配比及目標直徑要 求確定各施工參數為水泥漿的壓力35 38MPa，流量Q=160L/min;速凝劑的噴 射壓力為2 3MPa，流量為30升/分；壓縮空氣壓力為0. 7MPa，氣量60 80mVh;鉆噴桿的回拔速度為22. 7cm/min (4.4分/米)，旋轉速度為6rpm，即每分鐘6 轉。旋噴樁的施工步驟，如圖2所示，具體說明如下① 整平場地，安裝好連接好各設備；主要設備如圖1所示，由高壓泵，低壓泵，真空泵，空氣壓縮機，分流器，四重管鉆噴桿，四通道多功能噴頭、水箱、拌漿設備與鉆機等組成。高壓泵用于噴高壓泥漿(或水)；低壓泵用于泵送速凝劑; 真空泵用于吸出廢泥漿液；鉆噴桿用于鉆孔與輸送高壓液流至噴頭，由四重同軸 鋼管構成。通過分流器將各泵連接于鉆噴桿真空泵連接于中管，鉆孔產生的泥 漿通過該管由真空泵抽出；高壓泵連接于第二道管，高壓水流與水泥漿流通過該 管通道到達噴頭；低壓泵連接于第三道管，速凝劑通過該管通道到達噴頭；空氣 壓縮機連接于第四道管，壓縮空氣通過該管通道到達噴頭。高壓泵用于噴高壓水泥漿(或水)，高壓泵通過軟管連接到拌漿站，拌漿站連 接水泥儲倉，高壓泵、拌漿站通過分叉閥連接到水箱，從而實現為高壓泵提供水 泥漿或水。多功能噴頭對外設有一個單向閥、兩個噴嘴與一個吸泥孔，其內部設有通道 分別對應于鉆噴桿的四重管道。所述兩個噴嘴間隔設置在多功能噴頭側面的上部和下部。上部噴嘴為復合式 的同軸噴嘴構造，其內噴嘴連接于第二道管，噴高壓水泥漿液，其外側噴嘴連接 于第四道管，噴壓縮空氣。下部噴嘴也為復合式的同軸構造，其內噴嘴連接于第 二道管，噴出高壓水泥漿液，其外側噴嘴連接于第三道管，噴射速凝劑。所述吸泥孔應隔開一段距離位于噴嘴的上方，吸泥孔與噴嘴隔開20cm以上 的距離。② 設備安裝就位后預先開機空轉確認各設備處于良好的狀態。③ 定位將鉆噴桿移到樁位，確定垂直度后用鉆機的驅動器固定，如圖2中 的①所示； 鉆孔如圖2中的②所示，定位后一邊使鉆孔管緩慢旋轉， 一邊按下列 順序打開流體輸送設備與閥門水流(高壓泵)=〉吸出泥漿(真空泵)。水流用 高壓泵通過第二道管注入并通過設于噴頭頂部的單向閥噴射水流切割土體鉆孔。 在大深度地下時打開真空泵通過吸泥孔與中管抽出部分水泥漿。鉆孔時慢慢下降鉆噴桿直至設計標高-35. 5米。⑤ 旋噴注漿如圖2中的③所示，當鉆孔達到預定的設計深度時，停止噴水; 通過壓力控制傳感器，關閉噴頂部的單向閥。 一邊使鉆噴管緩慢旋轉， 一邊按下 列順序打開流體輸送閥門壓縮空氣=〉速凝劑=〉高壓水泥漿。按設定的施工 參數，如注漿壓力、泥槳流量、鉆噴桿旋轉速度、回拔速度等進行邊回拔，邊轉 邊旋噴施工。上部噴嘴同軸噴射壓縮空氣與高壓水泥漿，壓縮空氣外包水泥漿增 加切割土體的能力；下部噴嘴同軸噴出高壓水泥漿與低壓速凝劑(如水玻璃)漿 液，低壓漿液外包高壓水泥漿，對土體進行二次切割，并使兩種漿液與土同時混 合，達到快速固化軟土地基的目的。在大深度地下施工時，為使噴射切割達到較 大的范圍，打開真空泵通過吸泥孔與中管抽出部分水泥漿并減小地層的壓力。⑥ 旋噴至-25.0米，按下列順序分別關閉輸送流體的閥門速凝劑(低壓 泵)=〉水泥漿(高壓泵)=>壓縮空氣(空氣壓縮機)=〉抽真空(真空泵)；順 上述次序關閉各泵及其它設備，結束一根樁體的施工，如圖2中的④所示。⑦鉆機移位，重復步驟③ ⑥，進行另外一根樁的施工。 用雙液旋噴施工的樁體的初凝時間為20秒，樁身質量良好，水泥漿液與軟粘土的混合均勻。現場取芯試驗結果顯示，養護28天后的樁身達5.0 6.0MPa。
權利要求
1、一種四重管地層減壓式雙液旋噴的施工方法，其特征在于，包括以下步驟①整平場地，安裝好各設備將真空泵、高壓泵、低壓泵、空氣壓縮機通過分流器連接于鉆噴桿上，鉆噴桿由鉆機的支架支持連接，并由鉆機上的驅動器控制旋轉與做進退運動，多功能噴頭與鉆噴桿連接；所述鉆噴桿采用四重同軸鋼管構成，內管連接于真空泵，廢泥水由位于噴頭上部的吸泥孔至四重管內管再至真空泵排出，第二道管連接于高壓泵，水流與高壓水泥漿流通過該管通道到達多功能噴頭，第三道管連接于低壓泵，速凝劑通過該管通道到達多功能噴頭，外管連接于空氣壓縮機，壓縮空氣通過該管通道到達多功能噴頭；所述多功能噴頭對外設有一個單向閥、兩個噴嘴與一個吸泥孔，其內部設有通道分別對應于鉆噴桿四重管道，兩個噴嘴安裝在噴頭側面上部和下部；②定位將鉆噴桿移到樁位，確定垂直度或水平度后用鉆機驅動器固定鉆噴桿定位；③鉆孔定位后一邊使鉆孔管緩慢旋轉，一邊按下列順序打開流體輸送設備與閥門先連通高壓泵的水流閥門，然后連通真空泵的吸泥管道閥門，水流用高壓泵通過第二道管注入并通過設于噴頭頂部的單向閥噴射水流切割土體鉆孔，在大深度地下時打開真空泵通過吸泥孔與內管抽出部分水泥漿，鉆孔時慢慢下降鉆噴桿直至設計標高；④旋噴注漿當鉆孔達到預定的設計深度時，停止噴水，關閉噴頭頂部的單向閥，使鉆噴管緩慢旋轉的同時按下列順序打開流體輸送閥門先打開壓縮空氣，后開速凝劑，再開高壓水泥漿，最后是抽真空的閥門，然后進行高壓旋噴施工，噴頭上部噴嘴同軸噴射壓縮空氣與高壓水泥漿，壓縮空氣外包水泥漿增加切割土體的能力，噴頭下部噴嘴同軸噴出高壓水泥漿與低壓速凝劑漿液，低壓漿液外包高壓水泥漿，對土體進行二次切割，并使兩種漿液與土同時混合，實現快速固化軟土地基，打開真空泵通過吸泥孔與內管抽出部分水泥漿并減小地層的壓力，以使噴射切割達到大的范圍；⑤旋噴至設計樁體的上部標高，按下列順序分別關閉輸送流體的閥門首先關閉速凝劑，然后關高壓水泥漿，再關壓縮空氣，最后關閉抽真空設備，關閉各泵及其它設備，結束一根樁體的施工；⑥鉆機移位，重復步驟②～⑤，進行另外一根樁的施工。
2、 根據權利要求1所述的四重管地層減壓式雙液旋噴的施工方法，其特征 是，所述上部噴嘴為復合式的同軸噴嘴構造，其內噴嘴連接于鉆噴桿第二道管， 噴高壓水泥漿液，外側噴嘴連接于第四道管，噴壓縮空氣。
3、 根據權利要求1所述的四重管地層減壓式雙液旋噴的施工方法，其特征 是，所述下部噴嘴為復合式的同軸構造，其內噴嘴連接于鉆噴桿第二道管，噴出 高壓水泥漿液，外側噴嘴連接于鉆噴桿第三道管，噴速凝劑。
4、 根據權利要求1或3所述的四重管地層減壓式雙液旋噴的施工方法，其 特征是，所述速凝劑采用水玻璃類速凝劑。
5、 根據權利要求l所述的四重管地層減壓式雙液旋噴的施工方法，其特征 是，所述單向閥設于多功能噴頭的頂端與多功能噴頭的第二個通道，單向閥用于 在鉆孔時噴射水流，單向閥關閉用液體流量與壓力傳感器自動控制。
6、 根據權利要求l所述的四重管地層減壓式雙液旋噴的施工方法，其特征 是，所述吸泥孔口部安裝鋼絲網罩以防止塊石的吸入，吸泥孔位于噴嘴的上方并 隔開一段距離。
7、 根據權利要求l所述的四重管地層減壓式雙液旋噴的施工方法，其特征 是，所述③中，噴水壓力設置于2 MPa 5MPa。
8、 根據權利要求l所述的四重管地層減壓式雙液旋噴的施工方法，其特征 是，所述 中，噴射流體施工參數與旋噴樁半徑的關系由下列公式確定-<formula>formula see original document page 3</formula>式中，1^=切削距離=成樁半徑，K二土性系數，&=土層的無側限抗壓強度，Pn^噴射壓力，do-噴嘴內徑，N—盾環次數，Vtr二Dm兀Rs/60為噴嘴移動速率，Rs二旋轉速率，a,b,c,n,n^回歸常數。
9、根據權利要求l所述的四重管地層減壓式雙液旋噴的施工方法，其特征 是，適用于任意方向的旋噴施工。
全文摘要
本發明公開一種建筑工程技術領域的四重管地層減壓式雙液旋噴的施工方法，步驟為①鉆噴桿由四重同軸鋼管構成，多功能噴頭內部設有通道分別對應于鉆噴桿四重管道，噴頭側面上部和下部安裝兩個噴嘴；②定位；③鉆孔；④旋噴注漿噴頭上部噴嘴同軸噴射壓縮空氣與高壓水泥漿，噴頭下部噴嘴同軸噴出高壓水泥漿與低壓速凝劑漿液，低壓漿液外包高壓水泥漿在噴出的瞬時使兩種漿液與土混合，以快速固化軟土地基；⑤旋噴至設計高度，關閉輸送流體的閥門；⑥鉆機移位。本發明解決了地下水流動情況下難于進行旋噴固化的問題，以及難于生成大直徑旋噴樁與水平旋噴加固體的問題。本發明在鉆孔與旋噴過程中通過吸出廢泥水給地層減壓減小對周圍的影響。
文檔編號E02D5/34GK101235640SQ200810033980
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月28日 優先權日2008年2月28日
發明者松 周, 彭少杰, 楊俊龍, 沈水龍, 云 白, 葛金科, 金龍縣, 陳立生 申請人:上海市第二市政工程有限公司;韓國基礎技術株式會社;上海交通大學;上海城建(集團)公司