专利名称：三重管双高压旋喷注浆加固施工方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种地基注浆加固施工方法，特别是一种三重管旋喷注浆加固施工方法及其设备，属于建筑工程领域。
背景技术：
高压喷射注浆是将高压水力喷射切割技术和化学注浆技术相结合用于建筑地基加固的一种施工工艺。其原理是利用钻机等设备，把安装在注浆管最底端的带有喷嘴的喷射器置于土层预定的深度，以高压水流和压缩空气流切碎地下的软弱土体后再注入水泥浆，使之与切碎的土体混合形成加固桩体。
上述施工工艺首先由日本专家用于地基加固和防水帷幕施工，从而形成一种新的地基加固技术。该技术最初于1968年由日本化学注浆协会开发而成，其逐步由单重管工法(Chemical Churning Pile)通过二重管工法(JamboSpecial Pile)发展为三重管旋喷注浆工法(Column Jet Pile)。三种施工方法对土体的破碎能量依次不断增大，形成的加固桩体直径也相应不断增大，由0.6～1.0m之间增大至1.5m左右，最大加固深度也达到了30m。三重管旋喷注浆工法是通过在高压水流外部环绕压缩空气形成复合式高压喷射流对土体切割破碎，再注入水泥浆与切碎的土体混合形成加固桩体。
旋喷注浆加固施工方法于上世纪70年代末期被引入到国内，对现有文献资料检索表明由刘建航、候学渊主编的《基坑工程手册》在第661～702页中介绍了该方法，其内容包括旋喷加固的基本原理与概念、国内外一些实验室与现场的试验成果以及旋喷桩的设计，在工艺方面主要涉及到单重管、双重管和三重管三种施工方法。三重管旋喷注浆工法的三种喷注介质分别为高压水、压缩空气及水泥浆，在气膜的保护下高压水喷射流对土体进行破坏切割，低压水泥浆与土体搅拌充填形成加固桩体。牛虹撰写的论文《高压旋喷法的施工特性及设备》收录于期刊《工业建筑》2002年32卷第10期，在第52-59页中对该工艺的设备体系进行了介绍，主要包括应用于单重管法、双重管法以及三重管法中的送水器、旋喷管和喷射器等装置的结构形式。
随着地下空间开发向大深度方向发展，上述三重管高压旋喷注浆工艺已无法满足当今地基加固的要求，主要表现为①加固深度相对较小，均在30m范围内；②形成的加固桩体直径相对较小，最大桩径为1.5m。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有三重管旋喷注浆加固施工方法对土体破碎能量不足的缺点，提供一种三重管双高压旋喷注浆加固施工方法，其所形成的高压喷射流喷射能量大、对土体的破碎作用强，可形成大直径、大深度的加固桩体，以满足大深度地下空间开发的需要。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下一种三重管双高压旋喷注浆加固施工方法，首先以压缩空气与高压水形成的复合喷射流对土体进行切割破碎，然后以水泥浆与土体搅拌充填形成地基加固体，其特征在于在高压水流切割之后、充填加固体之前，以压缩空气与高压水泥浆形成的高压喷射流对土体进行二次扩大切割破碎。
本发明所述的三重管双高压旋喷注浆加固施工方法的具体工艺操作步骤如下(1)构筑由地面通入地下的旋喷先导孔，并满足下列要求桩位偏差控制在5cm以内、旋喷先导孔保证顺畅且垂直度控制在1％以内；(2)按设计比例准确配制注浆用水泥浆液，搅拌时间不少于5分钟；(3)将通入高压水、压缩空气和高压水泥浆的旋喷机下部的旋喷管置入旋喷先导孔内土层预定的深度，调整施工工艺参数到符合要求后开启旋喷机，边旋转边喷注边提升旋喷管，提升过程中卸管后继续喷浆时至少复喷10cm，最后提升旋喷管直至设计顶标高；施工过程中相关的工艺参数是高压水的压力为35～38MPa，流量为75l/min；高压水泥浆的压力为20～25MPa，流量为90～95l/min；压缩空气的压力为0.5～0.7MPa，流量为6m3/min；旋喷管的提升速度为4～6cm/min，转速为5～7r/min。
本发明申请还包括一种用于实施上述施工方法的旋喷设备，其包括有旋喷机、连接于该旋喷机下部并可通入高压水、压缩空气、高压水泥浆的旋喷管以及连接于旋喷管底端的喷射器，其特征在于所述喷射器的上部设置有用以一次切割破碎土体的高压水嘴，其下部设置有用以二次扩大切割破碎土体的高压浆嘴。
当进行地基注浆加固施工时，本发明将包裹压缩空气的高压水流和包裹压缩空气的高压水泥浆流分别通过旋喷管底端的喷射器上、下部的喷嘴喷出，分两个阶段对土体进行切割搅拌，位于上部的高压水喷射流对土体进行先行的一次切割破碎，位于下部的高压水泥浆喷射流对土体进行二次扩大切割破碎，之后水泥浆与土体搅拌混合形成加固桩体，从而达到地基加固的目的。与现有三重管旋喷注浆加固施工方法相比，本发明中改变了以往使用低压水泥浆的做法，采用与压缩空气共同形成的高压水泥浆喷射流对土体进行二次扩大切割破碎，提高了喷射能量，增强了对土体的破碎作用，可以在高压水流进行初次切割破碎的基础上进一步扩大桩体孔，形成大直径、大深度的加固桩体。为实施所述的三重管双高压旋喷注浆加固施工方法，本发明对现有旋喷设备进行了改进，主要在连接于旋喷管底端的喷射器的上部和下部分别设置高压水嘴和高压浆嘴，以适应一次和二次切割破碎工艺的实现。应用本发明所述方法所形成的加固桩体较普通的大而深，最大加固深度可达到40m，最大桩径可达到2m。
图1为本发明施工设备体系图。
图2为本发明施工原理图。
图3为本发明施工设备喷射器的结构示意图。
图中，1为旋喷机，2为送水器，3为旋喷管，4为喷射器，5为高压管路，6为高压水泵，7为高压泥浆泵，8为空压机，9为水池，10为泥浆池，11为储气罐，12为加固桩体，13为压缩空气，14为高压水喷射流，15为高压水泥浆喷射流，16为旋喷管接头，17为高压水嘴，18为高压浆嘴，19为旋喷先导孔，a为一次切割桩体腔的高度，b为二次扩大切割桩体腔的高度，d为加固桩体的直径，H为先导孔深度，h为加固深度。
具体实施例方式
下面结合具体的实施例和附图对本发明作进一步说明。
某超深基坑工程最大开挖深度达到41m，基坑的维护体系为地下连续墙和钢筋混凝土支撑，地下连续墙的厚度为1.2m，深度达到65.5m。考虑到地下连续墙接缝对止水的要求较高的特点，在地下连续墙接缝处外侧施工高压旋喷桩进行止水加固。根据设计要求最大加固深度达到50m，加固桩体的直径大于1.8m，单轴无侧限抗压强度不低于1.2MPa，在接缝处按两排布置，根据地下连续墙施工的质量情况分三根、五根以及整排布置三种情况，桩的排距为1.4m，桩的间距为1.3m。
该工程运用了本发明所述的三重管双高压旋喷注浆加固施工方法及其设备进行地下加固桩体的施工。所述施工的旋喷设备如图1所示，其包括有旋喷机1、连接于该旋喷机1上的送水器2、连接于送水器2下部的旋喷管3以及连接于旋喷管3底端的喷射器4；其还包括有高压水泵6、高压泥浆泵7、空压机8、水池9、泥浆池10和储气罐11。高压管路5依次将水池9、高压水泵6和送水器2串联连接起来，从而把高压水通入旋喷管3；同样地，高压管路5依次将泥浆池10、高压泥浆泵7和送水器2串联连接起来，从而把高压水泥浆通入旋喷管3；高压管路5依次将储气罐11、空压机8和送水器2串联连接起来，从而把压缩空气通入旋喷管3。再请参考图3喷射器4的结构示意图，所述喷射器4通过旋喷管接头16固接于旋喷管3的底端，其上部设置有喷射高压水的高压水嘴17、下部设置有喷射高压水泥浆的高压浆嘴18。
请参阅图1，图示本发明所述的三重管双高压旋喷注浆加固施工方法在该工程实施例中的具体工艺操作步骤和施工工艺参数说明如下(1)旋喷先导孔施工首先构筑由地面通入地下的旋喷先导孔19。旋喷桩桩位应按设计图纸进行准确放样，桩位偏差应控制在5cm以内；旋喷先导孔19的孔径比旋喷管3的直径略大以保证旋喷过程中返浆顺畅，并且其垂直度应控制在1％以内，旋喷先导孔19的深度H超过最大加固深度的设计值50m。
(2)注浆用水泥浆液制备按设计比例配制注浆用水泥浆液，配制时要依配比准确计量，浆液的搅拌时间不得少于5分钟，搅拌配制完成的水泥浆液注入泥浆池10。
(3)旋喷注浆，构筑加固桩体先将旋喷机1下部的旋喷管3及其底端的喷射器4置入已钻通的旋喷先导孔19内，一直达到土层预定的深度，即设计底标高的深度，然后开启高压水泵6、高压泥浆泵7和空压机8，使高压水、压缩空气和高压水泥浆通入旋喷管3到达喷射器4，并按如下范围调整施工工艺参数高压水压力35～38MPa、流量为75l/min，高压水泥浆压力20～25MPa、流量90～95l/min，压缩空气压力0.5～0.7MPa、流量6m3/min。
符合要求后开启旋喷机1，边旋转边喷注边提升旋喷管3，旋喷管3的提升速度为4～6cm/min、转速为5～7r/min。在提升过程中卸管后继续喷浆时至少复喷10cm，以确保桩身搭接质量，最后提升旋喷管3直至设计顶标高。
加固桩体12在旋喷注浆中的形成过程结合图2和图3说明如下高压水、压缩空气和高压水泥浆通入旋喷管3之后，高压水由喷射器4上部的高压水嘴17(见图3)中喷出形成高压水喷射流14，其外周包裹着压缩空气13，该高压水喷射流14对土体进行初次切割破碎，在土体内形成直径较小的高度为a的一次桩体腔(见图2)；与此同时，通入旋喷管3的高压水泥浆由喷射器4下部的高压浆嘴18(见图3)中喷出，形成高压水泥浆喷射流15，其外周亦包裹着压缩空气13，该高压水泥浆喷射流15在已形成的一次桩体腔内进一步对土体进行二次扩大切割破碎，从而扩大桩体腔的直径以达到预定值d，并形成高度为b的二次桩体腔；随后喷出的水泥浆与已粉碎的土体搅拌混合形成加固桩体12(见图2)；随着旋喷管3的提升，喷射器4边旋转边喷注，通过一次和二次切割破碎，分两个阶段对土体进行切割搅拌，最终自下而上地构筑成直径为d、深度为h的加固桩体12。
旋喷注浆完成后，将旋喷管3提出地表，及时清洗旋喷管3，以免被水泥浆凝固后堵塞管路，然后将旋喷机1移至下一桩位。
为了验证该施工方法的实施效果，专门在基坑内布设三根通长试验桩，试验桩的最大加固深度h为46m，随基坑开挖对试验桩进行逐段暴露，并进行强度和加固桩直径等项目的检测。暴露开挖后的监测结果为开挖深度35m时，加固桩体直径d超过2.0m，深度对加固桩体直径d影响不大，单轴无侧限抗压强度超过4.0Mpa，表明加固桩体12满足设计要求。基坑继续开挖深达38m，过程中未发现接缝漏水的情况，说明本发明所述的三重管双高压旋喷注浆加固施工方法应用效果良好。
本发明采用与压缩空气共同形成的高压水泥浆喷射流对土体进行二次扩大切割破碎，提高了喷射能量，增强了对土体的破碎作用，在高压水流进行初次切割破碎的基础上进一步扩大桩体孔，从而达到构筑大直径、大深度加固桩体的目的，最大限度地满足了大深度地下空间开发地基加固的需要。本发明所述的三重管双高压旋喷注浆加固施工方法先后在上海地区的多项市政工程中得到应用，效果都达到了预定设计要求。
权利要求
1.一种三重管双高压旋喷注浆加固施工方法，首先以压缩空气与高压水形成的复合喷射流对土体进行切割破碎，然后以水泥浆与土体搅拌充填形成地基加固体，其特征在于在高压水流切割之后、充填加固体之前，以压缩空气与高压水泥浆形成的高压喷射流对土体进行二次扩大切割破碎。
2.根据权利要求1所述的三重管双高压旋喷注浆加固施工方法，其特征在于其具体工艺操作按如下步骤进行(1)构筑由地面通入地下的旋喷先导孔，并满足下列要求桩位偏差控制在5cm以内、旋喷先导孔保证顺畅且垂直度控制在1％以内；(2)按设计比例准确配制注浆用水泥浆液，搅拌时间不少于5分钟；(3)将通入高压水、压缩空气和高压水泥浆的旋喷机下部的旋喷管置入旋喷先导孔内土层预定的深度，调整施工工艺参数到符合要求后开启旋喷机，边旋转边喷注边提升旋喷管，提升过程中卸管后继续喷浆时至少复喷10cm，最后提升旋喷管直至设计顶标高。
3.根据权利要求2所述的三重管双高压旋喷注浆加固施工方法，其特征在于旋喷注浆施工过程中相关工艺参数满足如下要求高压水的压力为35～38MPa，流量为75l/min；高压水泥浆的压力为20～25MPa，流量为90～95l/min；压缩空气的压力为0.5～0.7MPa，流量为6m3/min；旋喷管的提升速度为4～6cm/min，转速为5～7r/min。
4.一种用于实施权利要求1所述的三重管双高压旋喷注浆加固施工方法的旋喷设备，包括有旋喷机、连接于该旋喷机下部并可通入高压水、压缩空气、高压水泥浆的旋喷管以及连接于旋喷管底端的喷射器，其特征在于所述喷射器的上部设置有用以一次切割破碎土体的高压水嘴，其下部设置有用以二次扩大切割破碎土体的高压浆嘴。
全文摘要
本发明公开了一种三重管双高压旋喷注浆加固施工方法，其将包裹压缩空气的高压水流和包裹压缩空气的高压水泥浆流分别通过喷射器上、下部的喷嘴喷出，上部的高压水喷射流先对土体进行一次切割破碎，以下部的高压水泥浆喷射流再对土体进行二次扩大切割破碎，之后水泥浆与土体搅拌混合形成地基加固桩体；本发明还公开了一种实施所述方法的旋喷设备，其喷射器的上部和下部分别设置高压水嘴和高压浆嘴，以实现对土体的一次和二次切割。本发明所形成的高压喷射流喷射能量大、对土体的破碎作用强，可形成大直径、大深度的加固桩体，满足大深度地下空间开发的需要，可广泛用于建筑地下地基的加固施工。
文档编号E02D15/00GK1944809SQ200610117589
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月26日 优先权日2006年10月26日
发明者余暄平, 肖晓春, 朱卫杰, 王吉望, 郭亮, 蔡兴华 申请人:上海隧道工程股份有限公司