一种大直径超深高压喷射注浆装置及其注浆工艺的制作方法

本发明属于地基施工技术领域，具体涉及一种大直径超深高压喷射注浆装置及其注浆工艺。

背景技术

传统高压注浆法施工中，泥浆是通过钻杆周边的间隙，在地面上自然排出。但深处的排泥却很困难，因为超深处的钻杆与高压喷射口四周的地内压力增大，往往会导致喷射效率下降，因此，加固效果及可靠性减小。另外，在施工过程中，地内压力增大，会导致周围地表隆起。

mjs工法(metrojetsystem)又称全方位高压喷射工法，mjs工法在传统高压喷射注浆工艺的基础上，采用了独特的多孔管和前端造成装置(习惯称之为monitor)，实现了孔内强制排浆和地内压力监测，并通过调整强制排浆量来控制地内压力，使深处排泥和地内压力得到合理控制，使地内压力稳定，也就降低了了在施工中出现地表变形的可能性，大幅度减少对环境的影响，而地内压力的降低也进一步保证了成桩直径。和传统旋喷工艺相比，mjs工法减小了施工对周边环境的影响。

但通过大量的现场施工的实际情况发现：排泥吸口容易被较大的土块堵塞，有时由于泥浆密度较大也容易造成吸泥口堵塞，造成排泥不畅，影响施工质量和施工进度。故需要提供一种高效排泥的大直径超高压喷射的注浆工艺，以有效控制地内压力的稳定，使排泥达到最佳效果。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种大直径超深高压喷射注浆装置及其注浆工艺，该注浆工艺采用水切削段向外喷射高压切削水对周围土体进行切削并进行稀释，同时利用地压测试段监测到的地层压力系数来控制反浆段集中排泥浆的速率，在高效排泥的同时可有效控制地内的压力，并通过控制喷浆段的喷浆压力及流量以保证喷浆成桩的质量。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种大直径超深高压喷射注浆装置，其特征在于所述注浆装置包括设置于钻具底端的注浆组件，所述注浆组件自上而下依次设置有水切削段、返浆段、地压测试段、喷浆段以及钻头；所述水切削段包括至少一个水切削段主体，所述水切削主体上设置有至少一个切削喷嘴，所述喷浆段包括至少一个喷浆段主体，所述喷浆段主体上设置有至少一个水泥浆喷嘴。

所述水切削段主体内设置有切削段水道，所述切削段水道的一端与所述切削喷嘴相连通、另一端与高压水体输送管道相连通；所述水切削段主体内还设置有一气道，每个所述切削喷嘴的周缘均设置有气帽，所述气道的一端与所述气帽相连通、另一端与高压气体输送管道相连通。

所述喷浆段主体内设置有喷浆通道，所述喷浆通道的一端与所述水泥浆喷嘴相连通、另一端与高压水泥浆输送管道相连通；所述喷浆段主体内还设置有一气道，每个所述水泥浆喷嘴的周缘均设置有气帽，所述气道的一端与所述气帽相连通、另一端与高压气体输送管道相连通。

至少一所述切削喷嘴呈倾斜向下设置，所述水泥浆喷嘴呈倾斜向上设置。

一种根据权利要求1-4任一所述的大直径超深高压喷射注浆装置的注浆工艺，涉及直径为2000mm-5000mm的旋喷桩体的施作，其特征在于所述注浆工艺包括以下步骤：将旋喷机械的钻具下放至一孔底，所述钻具的下端部具有水切削段和喷浆段，所述水切削段位于所述喷浆段的上部，运行所述旋喷机械，在回转上提所述钻具的同时使其上的所述水切削段以5-30mpa的压力向外喷射切削水，以对所述钻具周围的土体进行切削成泥浆，所述喷浆段以5-40mpa的压力、85-100l/min的流量向外喷射水泥浆，以在所述钻具周围形成所述旋喷桩体。

所述水切削段与所述喷浆段之间设置有返浆段，在回转上提所述钻具的同时，利用所述返浆段进行真空倒吸泥，倒吸泥压力为0-20mpa，倒吸泥流量为0-60l/min。

所述返浆段与所述喷浆段之间还设置有地压测试段，在回转上提所述钻具的过程中，所述地压测试段实时监测所述钻具周围的地层压力系数，若地层压力系数介于1.3-1.6之间，则保持所述返浆段的倒吸泥压力和倒吸泥流量参数不变；若地层压力系数大于1.6，则所述返浆段提高倒吸泥压力和倒吸泥流量以提高泥浆的抽排速率；若地层压力系数小于1.3，则所述返浆段降低倒吸泥压力和倒吸泥流量以降低泥浆的抽排速率。

所述水切削段上具有水平设置的切削喷嘴，所述喷浆段上具有水平设置的水泥浆喷嘴，在所述水切削段水平喷射切削水、所述喷浆段水平喷射水泥浆的过程中，所述水切削段以0.7～1.2mpa的压力同步向外喷射高压空气，所述喷浆段以0.7～1.2mpa的压力和1.0～2.0m3/min的流量同步外喷射高压空气，以对所述钻具周围的土体进行切割破碎。

所述水切削段上具有倾斜向下设置的切削喷嘴，所述喷浆段上具有倾斜向上设置的水泥浆喷嘴，通过分别调节所述切削喷嘴与所述水泥浆喷嘴的倾斜设置角度，以控制所述水泥浆喷嘴向外喷射的水泥浆与所述切削喷嘴向外喷射的高压水流交汇于设计直径位置处，以在所述钻具周围形成设计直径的旋喷桩体。

所述水切削段上还具有呈水平向设置的切削喷嘴。

本发明的优点是：通过设置水切削段向外喷射高压切削水可对周围土体进行切削并进行稀释，同时利用地压测试段监测到的地层压力系数来控制反浆段集中排泥浆的速率，在高效排泥的同时可有效控制地内的压力，并通过控制喷浆段的喷浆压力及流量可保证喷浆成桩的质量，对周围的环境影响小。

附图说明

图1为本发明中钻具下端部各功能段的结构组成示意图；

图2为本发明中具有水平切削喷嘴的水切削段结构示意图；

图3为本发明中直吸式返浆段结构示意图；

图4为本发明中水冲式返浆段结构示意图；

图5为本发明中具有水平水泥浆喷嘴的喷浆段结构示意图；

图6为本发明中利用引孔钻机进行引孔的施工步骤示意图；

图7为本发明中钻具利用两个水平水泥浆喷嘴进行初始喷浆工作的状态示意图；

图8为本发明中钻具利用两个水平水泥浆喷嘴进行喷浆施作形成旋喷桩体的施工示意图；

图9为本发明中旋喷桩体施作完成的示意图；

图10为本发明中具有倾斜角的水泥浆喷嘴的喷浆段结构示意图；

图11为本发明中具有倾斜角的切削喷嘴和水泥浆喷嘴的钻具结构示意图；

图12为本发明中具有水平和倾斜角设置的切削喷嘴以及具有倾斜角的水泥浆喷嘴的钻具结构示意图；

图13为本发明中切削喷嘴与水泥浆喷嘴的倾斜角、两者之间的距离以及旋喷桩体直径的关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-13，图中标记1-18分别为：水切削段1、水切削段本体101、气道102、切削段水道103、环形槽104、切削喷嘴105、气帽106；返浆段2、返浆口201、真空返浆通道202、返浆段本体203、日字挡板204、高压水通道205、倒吸水开启阀206；地压测试段3；喷浆段4、喷浆段本体401、喷浆通道402、水泥浆喷嘴403、气道404、气帽405；钻头5；引孔钻机6、旋喷机械7、泥浆箱8、钻具9、薄壁引孔管10、排泥管11、压缩空气12、水泥浆13、切削空气14、切削水15、旋喷桩体16、切削泥浆17、喷射面18。

实施例1：如图1-9所示，本实施例涉及2000mm-5000mm的旋喷桩体的注浆工艺，具体涉及一种大直径超深高压喷射注浆装置及其注浆工艺，该注浆装置包括一钻具9，钻具9的底端自上而下依次设置有水切削段1、返浆段2、地压测试段3、喷浆段4以及钻头5，该注浆工艺主要通过水切削段1对土体进行水切削并利用返浆段2对泥浆进行真空抽排，同时利用喷浆段4上水平设置的水泥浆喷嘴403向钻具9的外围旋转喷射水泥浆形成旋喷桩体16，达到高效排泥的同时可有效控制地内的压力，从而保证喷浆成桩的质量。

如图1、2所示，水切削段1包括呈圆柱体状的水切削段本体101，在水切削段本体101的外壁面上水平设置有至少一个切削喷嘴105，当然也可设置两个、三个或多个切削喷嘴105，上述切削喷嘴105与水切削段本体101内的环形槽104相连通，而环形槽104则同水切削段水道103相连通，在实际应用中，高压水从a口打入，并依次经水切削段水道103和环形槽104，最后从切削喷嘴105中高压喷射而出对土体进行水切削。此外，在水切削段本体101的外壁面上对应于切削喷嘴105的位置设置有气帽106，气帽106同气道102相连通，在实际应用中，高压空气自b口打入，并经气道102后从气帽106中高压喷射而出以辅助切削水对土体进行切削，并对切削水形成环形保护包围在水柱周围，以减少切削水在喷射过程中受到的空气阻力，保证切削水的切削强度。

如图1、3所述，返浆段2包括呈圆柱体状的返浆段本体203，返浆段本体203的外壁面上开设有一返浆口201，该返浆口201与真空返浆通道202相连通，为了防止大直径的土块或石块被吸入真空返浆通道202中，在返浆口201处还设置有日字挡板204，当然也可以是网格状或其他限制大直径颗粒的结构。

如图4所示，为了进一步提升真空返浆通道202对泥浆的输送性能与效率，在真空返浆通道202的始端部设置有一倒吸水开启阀206，该倒吸水开启阀206中的喷水喷嘴正对真空返浆通道202，且该倒吸水开启阀206同一高压水通道205相连通，通过倒吸水开启阀206可将高压水通道205内的高压水沿真空返浆通道202内泥浆的输送方向喷射，从而提高泥浆在真空返浆通道202中的流动性并通过高压水施力使泥浆更快排出。

如图1所示，地压测试段3主要用于测试其周围土体的压力，并将所监测到的地层压力信号通过信号传输线传输至地面。

如图1、5所示，喷浆段4包括呈圆柱体状的喷浆段本体401，在喷浆段本体401上水平设置有至少一个水泥浆喷嘴403，当然也可设置两个、三个或多个水泥浆喷嘴403，水泥浆喷嘴403与喷浆通道402相连通并由喷浆通道402输送高压水泥浆；此外，在水泥浆喷嘴403对应位置处还设置有气帽405，气帽405与气道404相连通，压缩空气通过气道404输送到气帽405处时可将其顶开并向外输送压缩空气。

如图1所示，钻头5设置于钻具9的前端部，主要用于在钻具9下方至引孔过程中的导向或钻进。

如图1-9所示，本实施例中旋喷桩体16的设计直径选定为2600mm，则本实施例中大直径超深高压喷射注浆施工方法包括以下步骤：

（1）如图6所示，确定注浆点的中心位置，采用引孔钻机6进行引孔，引孔直径在200-300mm之间，待引孔至设计深度后拔除引孔钻机6的钻杆；

在引孔过程中，应采用优质泥浆护壁，泥浆粘度≥20s,比重1.20-1.25；

在引孔过程中，若遇到砂层、碎石地层或卵石层时可能会发生塌孔，因此在对这些地层进行引孔时需设置护筒护壁；且对于这些可能造成塌孔的孔段，在拔除引孔钻机6的钻杆之后在孔内设置薄壁引孔管10，例如是薄壁pvc管，上述薄壁引孔管10应可在高压切削水的冲击下破碎，从而不影响后续的水切削和泥浆喷射；

（2）如图7、8所示，待完成引孔后，将旋喷机械7移动就位，下放钻具9至孔底，随后运行旋喷机械7并高速旋转上提钻具9，钻具9的提升速度为33min/m，转速为3-4rpm；在钻具9上提的过程中，位于钻具9注浆组件最上部的水切削段1经切削喷嘴105首先向外高压喷射切削水15，并通过气帽106向外高压喷射切削空气14，其中，切削水15的喷射压力为5-30mpa，切削空气14的喷射压力为0.7mpa-1.2mpa，通过高压切削水15对钻具9的外围土体进行前期切割，形成一个较大的圆柱体切削范围，降低了喷浆作业切削土体的损耗，且切削水15与其切削下来的泥土混合稀释形成切削泥浆17，当然，切削水15的切削直径控制在旋喷桩体16的设计直径范围之内；其中，高压的切削水15由a口打入并依次经切削段水道103、环形槽104以及切削喷嘴105向外喷射出；

在通过水切削段1将土体切削稀释为泥浆之后，位于水切削段1下方的返浆段2对泥浆进行真空抽排，倒吸泥压力为0-20mpa，倒吸泥流量为0-60l/min；即，在真空抽吸作用下，泥浆经返浆口201进入真空返浆通道202，真空返浆通道202始端部的倒吸水开启阀206利用其喷水喷嘴向真空返浆通道202内喷射水流进一步提高泥浆向上的流动性，在进入真空返浆通道202之后，泥浆经排泥管11抽排入位于地面上的泥浆箱8，以进行进一步的泥浆处理；

在此过程中，地压测试段3实时监测钻具周围土体的地压并由此换算为地层压力系数；（a）当钻具9周围的地层压力系数介于1.3-1.6之间时，表明钻具9周围的土体处于压力平衡的状态，则保持返浆段2内的倒吸泥压力以及倒吸泥流量参数不变；（b）当钻具9周围的地层压力系数小于1.3时，表明钻具9周围土体的压力过小，降低返浆段2内的倒吸泥压力和倒吸泥流量参数，以降低泥浆抽排速率，使地层压力系数逐渐回升至1.3-1.6之间；（c）当钻具9周围的地层压力系数大于1.6时，表明钻具9周围土体的压力过大，提高返浆段2内的倒吸泥压力和倒吸泥流量参数，以提高泥浆抽排速率，使地层压力系数逐渐降低至1.3-1.6之间，从而有效保持地层的压力平衡；

与此同时，在钻具9上提的过程中，喷浆段4同时向外以5-40mpa的压力、85-100l/min的流量喷射水泥浆13，并以0.7-1.2mpa的压力以及1.0-2.0m³/min的流量喷射压缩空气12，在水泥浆13和压缩空气12共同作用下对已混有水质的泥土进行冲击混合，从而形成混合水泥浆；且由于钻具9是回转上提的，因此高速旋转的钻具9可在向外喷射水泥浆13的过程中形成旋喷桩体16；如此往复，直至钻具9回转上提到地面，最终施作形成如图9所示的旋喷桩体16。

本实施例的有益效果为：（1）可以“全方位”进行高压喷射注浆施工；（2）有效保证桩径大，桩身质量好；（3）对周边环境影响小，超深施工有保证；（4）有专门的排泥管进行集中排浆，使得泥浆污染少，同时对地层压力的调控，也减少了泥浆“窜”入土壤、水体或是地下管道的现象。

实施例2：如图10、11、13所示，本实施例与实施例1的区别在于本实施例中切削喷嘴105向下倾斜设置，而水泥浆喷嘴403则向上倾斜设置，两者处于同一竖直线上，且两者喷射出来的切削水15与水泥浆13交汇于喷射面18上，通过分别调节切削喷嘴105和水泥浆喷嘴403的倾斜设置角度，便可控制交汇处的喷射面18的位置，即交汇于设计直径位置处，从而在钻具9的周围形成设计直径的旋喷桩体16。

在实际应用中，根据所需施作的旋喷桩体16的设计直径，调整钻具9上切削喷嘴105和水泥浆喷嘴403之间的间距以及各自的倾斜角度，从而使两者在喷射切削水15和水泥浆13时的交汇位置处于旋喷桩体16的设计半径位置，具体的计算公式为：；

其中，d为水泥浆喷嘴403喷射水泥浆13以及切削喷嘴105喷射切削水15在交汇位置处所形成的旋喷桩体16的直径；l为切削喷嘴105和水泥浆喷嘴403之间的间距；α为切削喷嘴105或水泥浆喷嘴403与竖直方向之间的夹角，即倾斜角度。

为了验证本实施例中在注浆施工时所采用的各项操作参数的合理性，以下进行了效果比对（本实施例中本实施例中旋喷桩体16的设计直径选定为2600mm）：

（a）本实施例中旋喷桩体16的设计直径为2600mm，其在不同操作参数下，地层压力系数如下：

由此可见，当将切削水的喷射压力控制在5-30mpa、切削空气的喷射压力控制在0.7-1.2mpa之间，将倒吸泥压力控制在0-20mpa、倒吸泥流量控制在0-60l/min之间，将水泥浆喷射压力控制在5-40mpa、喷射流量控制在85-100l/min之间，将压缩空气的喷射压力控制在0.7-1.2mpa、喷射流量控制在1.0～2.0m³/min之间时，可以将地层压力系数控制在1.3-1.6的正常值之间，避免钻具9周围的土体出现失衡；

且最佳的注浆操作工艺参数为：切削水的喷射压力为19mpa，切削空气的喷射压力为0.95mpa，倒吸泥压力为12mpa、倒吸泥流量为31l/min，水泥浆喷射压力为23mpa、喷射流量为92l/min，压缩空气的喷射压力为0.95mpa、喷射流量为1.5m³/min。

（b）本实施例中旋喷桩体16的设计直径为2600mm，其在不同操作参数下，施作获得的旋喷桩体实际直径如下：

由此可见，当将切削水的喷射压力控制在5-30mpa、切削空气的喷射压力控制在0.7-1.2mpa之间，将倒吸泥压力控制在0-20mpa、倒吸泥流量控制在0-60l/min之间，将水泥浆喷射压力控制在5-40mpa、喷射流量控制在85-100l/min之间，将压缩空气的喷射压力控制在0.7-1.2mpa、喷射流量控制在1.0～2.0m³/min之间时，可以将实际获得旋喷桩体直径与设计直径偏差不超过20mm；

且最佳的注浆操作工艺参数为：切削水的喷射压力为19mpa，切削空气的喷射压力为0.95mpa，倒吸泥压力为12mpa、倒吸泥流量为31l/min，水泥浆喷射压力为23mpa、喷射流量为92l/min，压缩空气的喷射压力为0.95mpa、喷射流量为1.5m³/min。

（c）本实施例中旋喷桩体16的设计直径为2600mm，其在不同操作参数下，周围地层受扰动变化如下：

由此可见，当将切削水的喷射压力控制在5-30mpa、切削空气的喷射压力控制在0.7-1.2mpa之间，将倒吸泥压力控制在0-20mpa、倒吸泥流量控制在0-60l/min之间，将水泥浆喷射压力控制在5-40mpa、喷射流量控制在85-100l/min之间，将压缩空气的喷射压力控制在0.7-1.2mpa、喷射流量控制在1.0～2.0m³/min之间时，在注浆过程中，能够将对于周边地层的扰动影响施加到最低程度；

且最佳的注浆操作工艺参数为：切削水的喷射压力为19mpa，切削空气的喷射压力为0.95mpa，倒吸泥压力为12mpa、倒吸泥流量为31l/min，水泥浆喷射压力为23mpa、喷射流量为92l/min，压缩空气的喷射压力为0.95mpa、喷射流量为1.5m³/min。

本实施例的有益效果为：（1）可根据施工要求有效控制旋喷桩体的直径；（2）可以“全方位”进行高压喷射注浆施工；（3）有效保证桩身质量好；（4）对周边环境影响小，超深施工有保证；（5）有专门的排泥管进行集中排浆，使得泥浆污染少，同时对地内压力的调控，也减少了泥浆“窜”入土壤、水体或是地下管道的现象。

实施例3：如图12所示，本实施例与实施例2的区别在于本实施例中水切削段1上还增加有水平设置的切削喷嘴105，该水平设置的切削喷嘴105可对钻具9周围的土体进行更为充分的切削，在可根据施工要求有效控制旋喷桩体直径的同时，还可确保旋喷桩体16直径足够大。