專利名稱：水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工設備與方法
技術領域：
本發明涉及一種建筑工程技術領域的施工設備與方法，具體是一種水平旋 噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工設備與方法。
技術背景1969年日本NIT公司的中西涉博士，將水力采煤中的高壓水射流技術的原 理與化學注漿技術相結合，以高壓水泥漿噴射并沖擊土體，漿液與土粒相互拌 和，在地層中經化學反應后形成堅固的圓柱狀固結體。這種方法最初被稱為CCP 法，以單管施工，由于在施工中以旋轉的噴頭噴出高壓射流，我國稱之為髙壓 旋噴注漿法。為了不斷滿足大直徑、低成本和快速施工的要求，在20世紀70 年代中期，日本又開發出了 JSG工法，我國稱為二重管法，通過在管底部側面 的一個同軸雙重噴嘴，同時噴射出高壓漿液和空氣兩種介質的噴射流沖擊破壞 土體，噴嘴一面噴射一面旋轉和提升，形成的圓柱型固結體直徑明顯增加；三 重管法是使用三重注漿管分別輸送水、氣、水泥漿三種流體，以高壓泵等高壓 發生裝置產生20MPa以上的高壓水噴射流，其周圍環繞一股0. 7MPa左右的圓筒 狀氣流，進行高壓水噴射流和氣流同軸噴射沖切土體，形成較大的空隙，由泥 漿泵注入壓力為2 5MPa的漿液填充，使加固體直徑比前兩種方法有了極大的 提高，日本稱這種方法為CJP工作法；其后成功開發的超級旋噴的RJP工法以 壓縮空氣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(達3米以上)。我國自70年代末開發成功高壓旋噴施工技術后，該工 法已廣泛應用于工業與民用建筑、地鐵、市政、水利和礦山建設中，也逐步開 發了能夠生成各種固結體直徑的旋噴工法。經對現有的技術文獻檢索發現，中國專利"軟土地層減壓水平加固工藝 (專利申請號200610147753.0)"。該專利自述為"鉆孔采用麻花鉆頭鉆進， 護套管同時跟管鉆進，并進行水平度檢測，及時調整鉆進的速度和修正鉆進方向；鉆孔至預定深度后，將麻花鉆桿取出，再放入水平旋噴管至預定深度后， 開啟高壓泥漿泵，空壓機，高壓清水泵，按確定的噴漿量、噴漿壓力進行施工; 施工時，硬化材料及壓縮空氣分別從硬化材料及壓縮空氣管噴嘴噴出，鉆桿作 180°擺噴切削土體"。該發明專利雖然給出了在一定條件進行水平鉆孔與噴射 后生成水平旋噴固結體的施工方法。但是該發明的施工方法有如下幾個不足1) 鉆桿與旋噴桿分離，設備復雜，經濟性差；2)護套管同時鉆孔與旋噴，使施工 工藝復雜，效率低；3)鉆桿只能做18(T擺噴切削土體，減小了加固體的范圍。 發明內容本發明針對現有技術的不足和缺陷，提出一種水平旋噴施工中的一次性成 孔與旋噴的施工設備與方法，通過一次成孔設備和工藝來克服上述旋噴施工的 缺陷，從而提高施工效率，加大加固范圍，節約施工開支。本發明通過安裝有 單向閥的多功能噴頭在地下進行水平方向的旋噴施工，通過單向項閥實現水平 旋噴施工中鉆進和旋噴兩道施工工序的自行轉換，從而來克服上述背景技術中 的水平旋噴施工的缺陷，鉆孔與旋噴過程中不需要使用護套管，鉆噴桿到達預 定位置后不用取出，可以直接進行旋噴施工。本發明的設備和工藝能夠大大提 高了施工效率和加固范圍，并可以盡量避免對周圍環境的影響。本發明是通過以下技術方案實現的本發明所涉及的設備包括多功能噴頭、鎢鋼合金鉆頭、單向閥。多功能噴 頭通過螺紋一端與鎢鋼合金鉆頭相連， 一端與鉆噴一體桿相連，并通過其連接 水平旋噴施工的其他外部設備。單向閥通過外部螺紋單向閥安裝在多功能噴頭 的底部中間位置，并與高壓(水)泥漿通道直接相連。所述鉤鋼合金鉆頭是由圓柱形耐磨合金鋼管以及其端部的三棱柱型鉤金合 鋼刀頭組成，用于在鉆進過程中加速對土體的切割，提高了施工效率，使得水 平旋噴技術適用于不同硬度的地層。所述單向閥包括閥門、第一彈簧、第二彈簧、支托架、底部噴嘴、螺栓、 連接桿、水平插鞘、水平連接導桿、豎直連接導桿、按鈕，其中閥門通過連 接桿設置在支托架上部，連接桿穿過第一彈簧通過螺栓與支托架相連，底部噴 嘴設置在支托架底部，水平插鞘設置在之托架內部，底部與第二彈簧相連，中 部與設置在支托架內部的豎直連接導桿通過銷釘相連，豎直連接導桿通過銷釘 固定在支托架內部并能以銷釘為中心在一定范圍內自由旋轉，水平連接導桿設置在支托架內部并通過銷釘與豎直連接導桿的尾部相連，按鈕設置在水平連接 導桿外側端部。所述單向閥的作用就是在鉆進過程中導出高壓水，施工時，水 (漿液)的壓力在短時間內(1 2秒)達到10 15MPa時，單向閥自行關閉鎖 緊，使得漿液(水泥漿+速凝劑)從多功能噴頭的噴嘴噴出，施工完成后，人 工按動按鈕，通過兩個傳動連接導桿使得水平插鞘從閥門的水平插口中拔出， 釋放閥門，進而進行下一根水平旋噴樁的施工，實現噴水鉆進和旋噴時高壓噴 漿施工兩道施工工序的自行轉換。所述底部噴嘴共由6個直徑為2mm的出水孔組成。所述閥門，是一個倒圓臺形閥門，在其側面設有兩個水平插口，在旋噴鉆 進階段閥門處于開啟狀態，旋噴施工時，通過水平插鞘在第二彈簧的作用下自 行插入水平插口，將閥門鎖住。所述支托架，是一個半封閉式圓柱形中空支托架。上部為凹槽，下部為底 部噴嘴，內部上下設有四個對稱的水平導孔和兩個對稱的豎直導槽。上部水平 導孔內設置有水平插鞘、下部水平導孔內設置有水平連接導桿，在水平導孔外 側各設有一個0形密封墊圈，其作用是防在施工過程中漿液進入水平導孔內部， 支托架外部設有螺紋，并通過螺紋與多功能噴頭的高壓水(泥漿)通道相連。所述第一彈簧，根據噴嘴內徑和設計壓力為單向閥匹配不同勁度系數的彈 簧，其中勁度系數S^F/S，其中，F為作用在單向閥的力，S為單向閥在關閉過程中豎向移動的距離，F為作用在倒圓臺形閥門上的最小漿液壓力；本發明所涉及的水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工方法，具體步 驟如下① 設備匹配；并根據噴嘴內徑與設計壓力為單向閥匹配相適應勁度系數的 第二彈簧，其勁度系數按下式計算SE=F/S,其中，F為旋噴階段為作用在倒 圓臺形閥門上的最小漿液壓力；S為閥門在關閉過程中移動的距離。② 噴水鉆孔；在高壓水(水泥漿)通道輸入壓力為2 5MPa，流量為30 60升/分的高壓清水，髙壓清水通過開啟的閥門進入單向閥并從底部噴嘴噴出，對鎢鋼合金鉆頭起到潤滑作用，使得鉆進速度提高2~3倍。③ 單向閥關閉；鉆孔達到預定位置后，提高清水壓力在1 2秒內達到10 25MPa，流量達100升/分以上，在高壓作用下，閥門順著連接桿方向向下移動 并于支托架的凹槽吻合，此時水平插鞘在第二彈簧的作用下插入閥門的水平插口中，將閥門鎖住，防止在變參數施工條件下，水泥漿液進入單向閥，造成單 向閥的磨損。④ 旋噴施工；單向閥關閉后，在水泥漿通道直接輸入10 40MPa的水泥漿 液，旋轉并以20 70cm/min的速度回拔鉆噴桿，直至第一根樁施工完成，從而 完成了噴水鉆孔和旋噴施工的自行轉換，提高了施工效率，節省了護套管，綜 合施工成本降低30%。⑤ 單向閥第一彈簧復位； 一根樁施工完成后，按動單向閥底部按鈕使得水 平插鞘從閥門插口中拔出，在第一彈簧的作用下，閥門再次開啟，并輸入高壓 清水對內部通道及單向闊清洗。⑦鉆機移位、后續施工；重復步驟① ⑤直至施工全部完成。 施工前對場地做現場勘査，以確定施工地層的物理性質，根據設計要求選 擇合理的施工參數，并確保各設備之間連接密封良好，并正常運轉；施工準備 完畢后開始進行水平旋噴施工，在鉆進過程中， 一邊使鉆噴一體桿緩慢旋轉， 使多功能噴頭上的鎢鋼合金鉆頭對土體進行切割，同時，在多功能噴頭的中間 通道輸入水流，使之在多功能噴頭單向閥上的底部噴嘴噴出，松弛和軟化土體， 并對鎢鋼合金鉆頭在切割土體時起潤滑作用，從而大大加快了鉆噴一體桿的鉆 進速度，當鉆孔達到預定的設計位置后，通過控制水平旋噴施工的外部設備高 壓泵，使高壓清水(水泥漿)通道的漿液流壓力驟然升高，通過作用在倒圓臺 形閥門上的壓力來關閉單向閥，此時水平插鞘將自動插入倒圓臺形閥門的水平 插口中，將閥門鎖住，防止在變參數情況下施工時閥門再次開啟，使液流從側 面兩個噴嘴噴出，回拔并旋轉鉆噴一體桿，從而實現了水平旋噴施工的鉆進和 旋噴兩個施工工序的自行轉換，從而達到快速加固土體的目的。施工完畢后， 人工按動單向閥下部按鈕，通過傳動連接導桿使水平插鞘從倒圓臺閥門上的水平插口中拔出，使得閥門再次開啟，進而進行第二根水平旋噴樁的施工。與現有技術相比，本發明的設備需在現有設備的基礎上在多功能噴頭的底 部安裝鎢鋼合金鉆頭與單向閥，設備加工可靠，經濟實用。使用本發明的設備 進行水平旋噴施工具有如下優點1)通過在多功能安裝鎢鋼合金鉆頭，從而使 鉆進速度大大提高；2)從單向閥噴出的的水流起到了松弛土體和潤滑鉆頭的作 用，使鉆進阻力大大減小；3)通過漿液壓力控制單向閥的關閉來實現水平旋噴 鉆進和旋噴施工兩道工序的自行轉換，使旋噴施工速度提高二倍以上，從而大大提高了施工效率，綜合施工成倍大大降低；4)節省護套管，通過水平旋噴一 次成孔與旋噴施工設備與工藝能夠防止鉆孔的坍塌，增大了水平旋噴施工的加 固范圍，5)本發明設備可以在單管法、二重管法、三重管法、四重管法等多種 旋噴工法中使用，大大提高了水平旋噴工法的施工效率和應用范圍。
圖1為本發明中多功能噴頭在鉆進與旋噴過程中的流體通道圖。 圖2為本發明中多功能噴頭、單向閥安裝正視圖。 圖3為本發明中單向閥裝置構造的縱斷面圖。圖中多功能噴頭l、第一通道2、第二通道3、第三通道4、后部噴嘴5、 前部噴嘴6、單向閥7、鎢鋼合金鉆頭8。單向閥7的部件闊門9、第一彈簧IO、連接桿ll、支托架12、底部噴嘴 13、螺栓14、第二彈簧15、水平插鞘16、豎直連接導桿17、水平連接導桿18、 按鈕19、水平插口20、外部螺紋21、兩個0型密封橡膠圈22和23。
具體實施方式
下面以三重管法為例結合
本發明的實施例的設備與工藝本實施 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操作 過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。圖1顯示了多功能噴頭1在鉆進過程中雙液水平旋噴的流體輸送方式，包 括第一通道2、第二通道3、第三通道4、前部噴嘴5、后部噴嘴6、單向閥7、 鎢剛合金鉆頭8，第一通道2輸入壓縮空氣；第二通道3輸入速凝劑(如水玻璃 等)，第三通道4輸入水泥漿或清水。多功能噴頭通過螺紋一端與鴇鋼合金鉆 頭8相連， 一端與鉆噴一體桿相連，并通過其連接水平旋噴施工的其他外部設 備，單向閥7通過外部螺紋21安裝在多功能噴頭的底部中間位置，并與第一通 道2直接相通。圖2、圖3顯示了多功能噴頭1、鎢鋼合金鉆頭8和單向閥7的安裝方式。 如圖3所示，單向閥7包括閥門9、第一彈簧IO、連接桿IO、支托架12、 底部噴嘴13、螺栓14、第二彈簧15、水平插鞘16、豎直連接導桿17、水平連 接導桿18、按鈕19、水平插口20、外部螺紋21、 0型密封橡膠圈22和23。其 中閥門9設置在支托架12上部，連接桿12穿過第一彈簧10通過螺栓14與支 托架12相連，底部噴嘴13設置在支托架12底部，底部噴嘴13共6個直徑為2mm的出水孔，所述單向閥7的作用就是在水(漿液)的壓力在短時間內(1 2 秒)分別達到10 15MPa時自行關閉，此時，水平插鞘16插入閥門9上的水平 插口20中，將閥門9鎖住，使得漿液(水泥漿+速凝劑)從多功能噴頭的側面 噴嘴噴出，實現噴水鉆進和旋噴施工的自行轉換，固定于單向閥上的兩個O形 密封橡膠圈22和23分別設置在水平插鞘16與水平連接導桿17的外部，其作 用為防止在施工過程中雜物(或漿液)進入兩個連接導桿17和18及水平插鞘 16的活動空間，造成堵塞，影響正常使用。施工完畢后，按動單向閥7下部的 按鈕19，通過兩個連接導桿17和18將水平插鞘16從水平插口20中拔出，繼 而進行第二根水平旋噴樁的施工。試驗性施工現場為上海地鐵11號線白麗新村站盾構出洞口的地基加固工 程。經地質勘察，確認該區基礎多為軟弱土層，上部土層多由雜填土、素填土、 淤泥質填土組成，這部分土結構松散，天然含水量高，壓縮性大，抗剪強度低， 物理狀態多呈軟塑至流塑，因此工程性能極差。在7米 15米為淤泥質粘土， 含水量在45 50%，為上海地區的第④層土，無側限抗壓強度為34.5MPa。水 平旋噴在該土層中實施，深度為-10米 -14米，設計水平旋噴樁長為15米， 目標直徑為0800mm,設計目標強度為1.0MPa。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。使用鉆噴一體桿及一次成孔與 施工工藝。施工前對場地做現場勘察，以確定施工地層的物理性質， 根據設計要求選 擇合理的施工參數，并確保各設備之間連接密封良好，并正常運轉； 具體施工步驟如下① 設備匹配；并根據噴嘴內徑與設計壓力為單向閥匹配相適應勁度系數的 第二彈簧，其勁度系數按下式計算SE=F/S=0.5kN/mm.，其中，F—作用在倒 圓臺形閥門上的作用力，F=10MPaXA=12.56 kN。 S—閥門在關閉過程中移動 的距離(25mm)。② 噴水鉆孔；在高壓水(水泥漿)通道輸入壓力為3MPa，流量為40升/分 的高壓清水，高壓清水通過開啟的閥門進入單向閥并從底部噴嘴噴出，對鎢鋼合金鉆頭起到潤滑作用，使得鉆進速度提高2 3倍。③ 單向閥關閉；鉆孔達到預定位置后，提高清水壓力在1 2秒內達到15 MPa，流量達110升/分以上，在高壓作用下，閥門順著連接桿方向向下移動并于支托架的凹槽吻合，此時水平插鞘在第二彈簧的作用下插入閥門的水平插口 中，將閥門鎖住，防止在變參數施工條件下，水泥漿液進入單向閥，造成單向 閥的磨損。④ 旋噴施工；單向閥關閉后，在水泥槳通道直接輸入15MPa的水泥漿液， 旋轉并以50cm/min的速度回拔鉆噴桿，直至第一根樁施工完成，從而完成了噴 水鉆孔和旋噴施工的自行轉換，提高了施工效率，節省了護套管，綜合施工成 本降低30%。⑤ 單向閥第一彈簧復位； 一根樁施工完成后，按動單向閥底部按鈕使得水 平插鞘從閥門插口中拔出，在第一彈簧的作用下，閥門再次開啟，并輸入高壓 清水對內部通道及單向閥清洗。⑦鉆機移位、后續施工；重復步驟① ⑤直至施工全部完成。本實施例利用安裝在鉆噴桿端部的多功能噴頭在雙液水平旋噴施工過程中 實現鉆進和旋噴施工一次性完成的原理，以髙壓泵輸送高壓清水至多功能噴頭 的單向閥配合旋轉的鎢鋼合金鉆頭對土體進行快速切割，達到預定深度后通過 壓力控制關閉單向閥，進行旋噴施工，從而達到鉆噴一體化的目的，大大提高 了施工效率和加固范圍。用鉆噴一次成孔工藝與設備進行水平旋噴施工的水平加固體，大大提高了 施工效率，節約了施工成本，在施工后14天靜力觸探試驗和現場取芯試驗結果 顯示，抗壓強度達1.0 1.2MPa，樁徑達LO米以上。本實施例克服了現有水平旋噴技術效率低下、加固范圍小等缺陷實現了旋 噴技術鉆進和旋噴兩道施工工序的自行轉換，大大提高了施工效率，節約了施 工成本；同時，使用本實施例使鉆噴桿能夠實現360°回轉，大大增大了加固范 圍；本發明施工方法簡單可靠，經濟實用。
權利要求
1、一種水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工設備，包括多功能噴頭、鎢鋼合金鉆頭、單向閥，多功能噴頭通過螺紋一端與鎢鋼合金鉆頭相連，一端與鉆噴一體桿相連，單向閥安裝在多功能噴頭的底部中間位置，其特征在于，所述單向閥包括閥門、第一彈簧、第二彈簧、支托架、底部噴嘴、螺栓、連接桿、水平插鞘、水平連接導桿、豎直連接導桿、按鈕，其中閥門通過連接桿設置在支托架上部，連接桿穿過第一彈簧與支托架相連，底部噴嘴設置在支托架底部，水平插鞘設置在支托架內部，水平插鞘底部與第二彈簧相連，水平插鞘中部與設置在支托架內部的豎直連接導桿通過銷釘相連，豎直連接導桿通過銷釘固定在支托架內部并能以銷釘為中心自由旋轉，水平連接導桿設置在支托架內部與豎直連接導桿尾部相連，按鈕設置在水平連接導桿外側端部。
2、 根據權利要求1所述的水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工設備， 其特征是，所述底部噴嘴共由6個直徑為2mm的出水孔組成。
3、 根據權利要求1所述的水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工設備， 其特征是，所述鎢鋼合金鉆頭是由圓柱型耐磨合金鋼管以及其端部的三棱柱型鎢金合鋼刀頭組成。
4、 根據權利要求1所述的水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工設備，其特征是，所述閥門，是一個倒圓臺形閥門，在其側面設有兩個水平插口，通 過水平插鞘自行插入水平插口，將閥門鎖住。
5、 根據權利要求1所述的水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工設備， 其特征是，所述支托架，是一個半封閉式圓柱形中空支托架，上部為凹槽，下 部為底部噴嘴，內部設有四個對稱的水平導孔和兩個對稱的豎直導槽，上部水 平導孔內設置有水平插鞘，下部水平導孔內設置有水平連接導桿。
6、 根據權利要求5所述的水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工設備， 其特征是，所述水平導孔外側內部各設有一個O形密封墊圈。
7、 根據權利要求1或5所述的水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工 設備，其特征是，所述支托架外部設有螺紋，通過螺紋與多功能噴頭的高壓水 通道相連。
8.根據權利要求1所述的水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工設備， 其特征是，所述第一彈簧，其効度系數Se-F/8，其中，F為作用在單向閥的力， 3為單向閥在關閉過程中豎向移動的距離。
9. 一種水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工方法，其特征在于，包 括步驟如下① 設備匹配；并根據噴嘴內徑與設計壓力為單向閥匹配相適應勁度系數的 第二彈簧，其勁度系數按下式計算SE=F/S，其中，F為旋噴階段為作用在倒 圓臺形閥門上的最小漿液壓力，S為閥門在關閉過程中移動的距離；② 噴水鉆孔；在高壓水通道輸入壓力為2MPa 5MPa，流量為30升/分 60 升/分的高壓清水，高壓清水通過開啟的閥門進入單向閥并從底部噴嘴噴出；③ 單向閥關閉；鉆孔達到預定位置后，提高清水壓力在1 2秒內達到10 MPa 25 MPa，流量達100升/分以上，在高壓作用下，閥門順著連接桿方向向下移動并于支托架的凹槽吻合，此時水平插鞘在第二彈簧的作用下插入閥門的 水平插口中，將閥門鎖住；④ 旋噴施工；單向閥關閉后，在水泥漿通道直接輸入10 40MPa的水泥漿 液，旋轉并以20cm/min 70cm/min的速度回拔鉆噴桿，直至第一根樁施工完成；⑤ 單向閥第一彈簧復位， 一根樁施工完成后，按動單向閥底部按鈕使得水 平插鞘從閥門插口中拔出，在第一彈簧的作用下，閥門再次開啟，并輸入高壓 清水對內部通道及單向閥清洗；⑦鉆機移位、后續施工，重復步驟① ⑤直至施工全部完成。
全文摘要
一種建筑工程技術領域的水平旋噴施工中的一次性成孔與旋噴的施工設備與方法，設備包括多功能噴頭、鎢鋼合金鉆頭、單向閥，單向閥中閥門通過連接桿設置在支托架上部，連接桿穿過第一彈簧與支托架相連，底部噴嘴設置在支托架底部，水平插鞘設置在支托架內部，水平插鞘底部與第二彈簧相連，水平插鞘中部與設置在支托架內部的豎直連接導桿通過銷釘相連，豎直連接導桿通過銷釘固定在支托架內部并能以銷釘為中心自由旋轉，水平連接導桿設置在支托架內部與豎直連接導桿尾部相連，按鈕設置在水平連接導桿外側端部。本發明的設備和方法能夠大大提高了施工效率和加固范圍，并可以盡量避免對周圍環境的影響。
文檔編號E02D3/12GK101275397SQ200810037410
公開日2008年10月1日 申請日期2008年5月15日 優先權日2008年5月15日
發明者彭少杰, 沈水龍, 領 王, 云 白, 金龍縣 申請人:上海交通大學