专利名称：一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力的装置的制作方法
技术领域：
本发明属地下空间施工土体加固技术领域，确切地说是涉及一种水平旋喷 加固施工时可自动平衡周围土体压力、减少超高压水平旋喷加固施工引起地表 变形的技术。
背景技术：
旋喷加固是利用钻机等设备，将带有特殊喷嘴的注浆管，置入土层的预定 位置后，通过高压发生装置，使高压水泥浆液从喷射孔喷出，注浆管旋转切割 破坏土体，部分土体被喷射浆液所置换，另一部分与水泥浆混合形成水泥土， 其余土体在喷射动压、离心力和重力的共同作用下，在横断面上重新排列，周 围土体则被挤密压实，注浆管一边旋转并喷射高压水泥浆液， 一边朝孔口方向 逐渐退出，从而形成一个由水泥和岩土组成的桩体。
根据钻孔或成桩的方向， 一般分竖直旋喷和水平旋喷两种加固方式。随着 地下空间开发的不断深入，水平旋喷加固技术逐渐被应用于一些地下工程中。 但是，现有的水平旋喷加固技术如果要用于城市建筑物和地下管线密集的地 区，还有一些关键的技术问题需要解决，其中最为关键的问题就是水平旋喷加 固施工对地表变形、地下构筑物和地下管线的影响。
目前大部分的水平旋喷加固施工采用的方法是注浆管旋转并喷射高压水 泥浆液时，多余的水泥浆液和泥土的混合浆液，从注浆管和钻孔的间隙自然流 向孔口排出。这样会造成两种不利情况 一是在旋喷初期阶段，周围土体本身 存在的压力和旋喷施工挤压周围土体产生的压力，使注浆管和钻孔的间隙被逐 渐填实，在此过程中，钻孔上方的土体发生了一定的竖向向下位移，从而造成 地表沉降变形；二是一旦注浆管和钻孔的间隙被填实，旋喷施工挤压周围土体 产生的压力无法释放，将使钻孔上方的土体发生了一定的竖向向上位移，从而 造成地表隆起变形和土体水平位移。如果在加固体附近存在地面建筑物、地下 管线或地下构筑物等，很容易产生重大事故。
日本的中西涉发明的MJS工法考虑了水平旋喷施工时周围土体的压力平
衡问题，但MJS控制压力平衡的方法十分复杂。通过在喷头后部距离喷射点
20cm处设置一个压力传感器，认为该传感器测出的泥'浆'压力即为作用于周围
土体的压力，然后通过泥浆直空泵抽取该处的泥浆，使测得的压力数据始终与
该处周围土体压力保持一致。MJS法存在几大缺陷首先，喷头安装了压力传 感器，传感器测得的数据信号必须连接电缆，使旋喷施工时喷头和注浆管无法
连续旋转，只能在360度范围内摆动旋转，旋喷桩的断面形状是扇形而不是圆
形，施工效率非常低，旋喷桩间的搭接质量较难保证；第二，由于需要增加电
缆通道，使喷头和注浆管和水平钻机结构复杂，注浆管的直径较大，分节的注 浆管之间只能通过若干螺栓连接，而每次需要进行电缆的转接，安装注浆管时 间较长，而一般的旋喷施工，每节注浆管两端采用螺纹连接形式，每节注浆管的拆装可以通过机械装置完成；第三，旋喷施工时， 一方面喷射压力较高，对 周围土体扰动较大，另一方面注浆管是不断旋转的，因此，安装在喷头后部的 压力传感器所测得的泥衆压力波动很大，以此压力数据为依据控制泥浆压力， 较难达到理想的控制效果。第四，每节注浆管拆卸施工时，喷头后部的注浆管 与周围土体之间的泥浆，会通过注浆管内的管道，从后面断开的一节注浆管处 流出，使原先保持的泥浆压力突然释放，造成周围土体可能产生一定的位移， 在旋喷桩长度较长、注浆管拆卸操作次数较多的情况下，土体位移的累积将产 生较大的地表变形。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种水平旋喷加固施 工时可自动平衡周围土体压力的装置，该装置不需要在喷头和注浆管上安装压 力测量装置，可在水平旋喷加固施工的全过程中保证旋喷注浆管和周围土体之 间的泥浆压力与周围土体的压力始终自动保持平衡。
本发明目的实现由以下技术方案完成
一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力的装置，其特征在丁-该 装置包括喷头、注浆管、孔口密封装置、可调节开启压力的阀门、压力检测装 置，其中所述喷头的内部设置了止回装置；所述的孔口密封装置固定于工作井 壁，该孔口密封装置内部与喷头切割土体形成的泥浆相通，泥浆压力的大小通 过安装在孔口密封装置上的可调节开启压力的阀门控制，当泥桨压力高于可调 节开启压力的阀门设定的开启压力值，阀门自动开启，当泥浆压力低于可调节 开启压力的阀门设定的开启压力值，阀门自动关闭；所述孔口密封装置与喷头 和注桨管保持同心；所述注浆管沿所述孔口密封装置中心穿过；所述压力检测 装置安装在孔口密封装置上，实时测定泥浆的压力。
所述装置还包括泥浆箱和泥浆主动抽排装置，该抽^T装置包括泥浆抽吸泵 以及阀门和管道，所述泥浆箱与可调节开启压力的阀门接通，所述泥浆抽吸泵 与泥浆箱之间通过阀门、管道连通。
所述泥浆抽吸泵与孔口密封装置之间通过阀门、管道连通。
所述喷头至少包含了两种喷嘴1)高压水喷射切割土体扩孔并形成泥浆 的喷嘴；2)高压固化材料浆液的喷嘴。
所述压力检测装置是压力表、或者是压力传感器。
所述可调节开启压力的阀门是手动调节开启压力的法门、或者是通过控制 信号控制开启压力的阀门，通过控制信号控制开启压力的阀门时，采用压力传 感器测出的压力信号通过信号控制装置和PLC程序，控制可调节开启压力的阀 门的启闭或开启压力值，实现自动控制。
一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力的施工方法，其特征在 于该施工方法通过注浆管和喷头喷射而出的物质至少包括高压水、压縮空气和 高压固化材料浆液，且高压水喷射切割土体扩孔并形成泥浆始终领先于高压固 化材料浆液的喷射。
该施工方法所采用的可调节开启压力的阀门和泥桨箱，安装在工作井内， 所述可调节开启压力的阀门的开启压力值与旋喷孔位深度的土层中的实际土 体压力值保持一致。
该施工方法所采用的可调节开启压力的阀门和泥浆箱通过垂直管道连接 安装在地面，所述可调节开启压力的阀门的开启压力值等于旋喷孔位深度的土 层中的实际土体压力值减去垂直管道内上下泥浆压力差的绝对值。
本发明的优点是，控制方法合理、旋喷施工时周围土体压力始终自动保持 平衡、控制精度高，装置结构简单、施工速度快、安全性强、对环境影响小， 适合于各种土层条件的水平旋喷施工。本发明如果结合钻孔和旋喷一次性完成 的施工方法使用，对地表变形控制效果更好。
图1、实施例一装置总体示意图2、实施例一装置主体部分示意图3、实施例二装置总体示意图4、实施例三装置总体不意图。
具体实施例方式
以下结合附图通过实施例对本发明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1-4所示，标号l-35分别表示喷头l、注浆管2、可调节开启压力 的阀门3、压力检测装置4、阀门5、管道6、抽吸排浆泵7、管道8、管道9、 阀门IO、泥浆箱排泥接管1K泥浆箱12、压力阀排泥接管13、内置式止回装 置14、孔口壁平面密封圈15、平面法兰密封圈16、左法兰17、孔口密封五通 接管18、法兰连接螺栓螺母19、压力检测装置20、法兰连接螺栓螺母21、右 法兰22、平面法兰密封圈23、端部密封法兰24、端部旋转密封25、法兰连接 螺栓螺母26、法兰连接螺栓螺母27、孔口壁密封法兰28、膨胀螺栓螺母29、 喷嘴30、喷嘴31、孔口密封四通接管32、管道33、管道34、管道35。
下述实施方式描述的是水平旋喷加固施工的旋喷阶段，即注浆管回縮时， 喷头的压縮空气包裹高压水的喷嘴先导切割土体，喷头的压缩空气包裹固化材 料浆液的喷嘴高压喷射固化材料浆液，使之与泥土混合形成一定直径和强度的 旋喷桩体。
具有一定强度和平面平整度的孔口壁是采用下述实施例的条件。 本发明可以根据实际情况采用以下三种实施例的实施方式，其中实施例一 适用于所有的工况条件施工，实施例二适用于在含砂量小、泥浆中所含颗粒粒 径较小或在同一桩施工中土体压力变化不大的地层中施工，实施例三适用于在 含砂量大、泥浆中所含颗粒粒径较大或在同一桩施丄中十.体压力有一定变化的 地层中施工。 实施例一
涉及四个组成部分1)具有压縮空气包裹高压水切割土体形成泥桨的喷 嘴和内置止回装置的喷头装置；2)固定于孔口壁、注浆管在其中心穿过、内 部与喷头切割土体形成的泥浆相通的洞口密封装置；3)由压力检测装置、可 调节开启压力的阀门和泥浆箱组成的自动平衡周围土体压力装置；4)由抽吸 排浆泵、阀门和管道组成的泥浆主动抽排装置。
喷嘴30装在喷头1上，位于喷嘴31和注浆管之间，通过喷头、注浆管内 部的管道与高压水泵输出的高压水管路相通。喷头l内部的高压水管道、压縮 空气管道和固化材料浆液管道中间，分别装有内置式止回装置14，位于喷嘴 30、喷嘴31之后和第1节注浆管2之前，内置式止回装置14的允许通流方向 是朝向喷嘴。
孔口密封装置由孔口壁平面密封圈15、孔口壁密封法兰28、平面法兰密 封圈16、膨胀螺栓螺母29、左法兰17、孔口密封五通接管18、右法兰22、
端部密封法兰24、平面法兰密封圈23、法兰连接虫f栓lM21、端部旋转密封 25组成。
孔口密封五通接管18两端分别与左法兰17、右法兰22相焊接，中间开有 三个开口，分别通过法兰、法兰连接螺栓螺母19、法兰连接螺栓螺母27、法 兰连接螺栓螺母26与压力检测装置20、可调节开启压力的阀门3和阀门5相 连接。
管道8和管道6分别与抽吸排桨泵7的进泥口和出泥口通过法兰和若干数 量的螺栓螺母相连接，管道8的另一端通过法兰和若干数量的螺栓螺母与阀门 5相连接，管道8中间开口，通过一对法兰和若干数量的螺栓螺母与管道9连 接，管道9通过法兰和若干数量的螺栓螺母与阀门IO连接，阀门10通过法兰 和若干数量的螺栓螺母和泥浆箱排泥接管11连接，泥浆箱排泥接管11焊接于 泥浆箱12下部并与泥浆箱12内部相通，所有的连接法兰之间均装有平面密封 垫圈。
实施例二
涉及四个组成部分与实施例一相同。
喷嘴30装在喷头1上，位于喷嘴31和注浆管之间，通过喷头、注浆管内 部的管道与高压水泵输出的高压水管路相通。喷头l内部的高压水管道、压縮 空气管道和固化材料浆液管道中间，分别装有内置式止回装置14,位于喷嘴 30、喷嘴31之后和第1节注浆管2之前，内置式止回装置14的允许通流方向 是朝向喷嘴。
孔口密封装置由孔口壁平面密封圈15、孔口壁密封法兰28、平面法兰密 封圈16、膨胀螺栓螺母29、左法兰17、孔口密封四通接管32、右法兰22、 端部密封法兰24、平面法兰密封圈23、法兰连接螺栓螺母21、端部旋转密封 25组成。
孔口密封四通接管32两端分别与左法兰17、右法兰22相焊接，中间开有 两个开口，分别通过法兰、法兰连接螺栓螺母19、法兰连接螺栓螺母27与压 力检测装置20和可调节开启压力的阀门3相连接。
管道33和管道6分别与抽吸排浆泵7的进泥口和出泥口通过法兰和若干 数量的螺栓螺母相连接，管道33的另一端通过法兰和若干数量的螺栓螺母与 阀门IO连接，阀门10通过法兰和若干数量的螺栓螺母和泥浆箱排泥接管11 连接，泥浆箱排泥接管11焊接于泥浆箱12下部并与泥浆箱12内部相通，所 有的连接法兰之间均装有平面密封垫圈。
实施例一、实施例二中，可调节开启压力的阀门31^—端与孔口密封装置 相连接，另一端装有压力阀排泥接管13，可调节开启压力的阀门3溢流出来的
泥浆，通过压力阀排泥接管13，排放到泥浆箱12中。
实施例三
涉及三个组成部分1)具有压縮空气包裹高压水切割土体形成泥浆的喷 嘴和内置止回装置的喷头装置；2)固定于孔口壁、注浆管在其中心穿过、内 部与喷头切割土体形成的泥浆相通的洞口密封装置；3)由压力检测装置、抽 吸排浆泵、阀门和管道组成的自动平衡周围土体压力装置。
喷嘴30装在喷头1上，位于喷嘴31和注浆管之间，通过喷头、注浆管内 部的管道与高压水泵输出的高压水管路相通。喷头l内部的高压水管道、压缩
空气管道和固化材料浆液管道中间，分别装有内置式止回装置14，位于喷嘴 30、喷嘴31之后和第1节注浆管2之前，内置式止回装置14的允许通流方向 是朝向喷嘴。
孔口密封装置由孔口壁平面密封圈15、孔口壁密封法兰28、平面法兰密 封圈16、膨胀螺栓螺母29、左法兰17、孔口密封四通接管32、右法兰22、 端部密封法兰24、平面法兰密封圈23、法兰连接螺栓螺母21、端部旋转密封 25组成。
孔口密封四通接管32两端分别与左法兰17、右法兰22相焊接，中间开有 两个开口，分别通过法兰、法兰连接螺栓螺母19、法兰连接螺栓螺母27与压 力检测装置20和阀门5相连接。
管道35和管道34分别与抽吸排浆泵7的进泥口和出泥口通过法兰和若干 数量的螺栓螺母相连接，管道35的另一端通过法兰和若干数量的螺栓螺母与 阀门5相连接。
需要在系统中设置一套自动控制装置，压力检测装置4检测的实时泥浆压 力数据信号传输到自动控制装置，该装置中预设的PLC程序，将实时控制抽吸 排浆泵7的驱动变频电机的输入电流频率值，从而控制了抽吸排桨泵7的实时 排量，使土体、注浆管和孔口密封装置之间的泥浆压力始终保持与周围土体压 力一致。
实施例一、实施例二和实施例三中，孔口壁平面密封圈15、孔口壁密封法 兰28和左法兰17通过一端牢固置入孔口壁内、另一端是螺纹形式的若干数量 的膨胀螺栓螺母29相连接，孔口壁密封法兰28和左法兰17中间装有平面法 兰密封圈16。端部密封法兰24和右法兰22通过法兰连接螺栓螺母21相连接，
端部密封法兰24和右法兰22中间装有平面法兰密封圏23，注浆管2从端部 密封法兰24的内孔穿过，在注浆管2和端部密封法兰24中间、端部密封法兰 24内孔中的凹槽中装有端部旋转密封25。
上述实施例所用的喷头的内部设置的止回装置，使土体与注桨管之间的浆 液在任何情况下不会通过高压水、压縮空气和固化材料浆液管道中回流；所用 的孔口密封装置固定于工作井壁，与喷头和注浆管保持同心，使压縮空气包裹 高压水切削土体形成的土体和注浆管之间的泥浆，保持泥浆套的状态，并始终 不会从孔口的间隙流出，所用的泥浆主动抽排装置具有两个作用1)当泥浆 箱内自动排放的泥浆达到一定的容量时，开启泥浆抽吸泵，将泥浆箱内的泥浆 抽到地面的泥水处理装置进行泥水分离处理；2)作为可调节开启压力的阀门 的辅助，主动排放泥浆套内的泥浆。
对于泥浆主动抽排装置的使用，当水平旋喷加固土层属于砂性土、含有较 多易沉淀的固体颗粒、需要提高泥浆的流动性时，可以打开与孔口密封装置相 连接的阀门，启动抽吸排浆泵进行主动排浆。抽吸排浆泵的排浆流量应当始终 低于通过高压水泵压入喷头切割土体的高压水的进水流量。
权利要求
1. 一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力的装置，其特征在于该装置包括喷头、注浆管、孔口密封装置、可调节开启压力的阀门、压力检测装置，其中所述喷头的内部设置了止回装置；所述的孔口密封装置固定于工作井壁，该孔口密封装置内部与喷头切割土体形成的泥浆相通，泥浆压力的大小通过安装在孔口密封装置上的可调节开启压力的阀门控制，当泥浆压力高于可调节开启压力的阀门设定的开启压力值，阀门自动开启，当泥浆压力低于可调节开启压力的阀门设定的开启压力值，阀门自动关闭；所述孔口密封装置与喷头和注浆管保持同心；所述注浆管沿所述孔口密封装置中心穿过；所述压力检测装置安装在孔口密封装置上，实时测定泥浆的压力。
2. 根据权利要求1所述的一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力 的装置，其特征在于所述装置还包括泥浆箱和泥浆主动抽排装置，该抽排 装置包括泥浆抽吸泵以及阀门和管道，所述泥浆箱与可调节开启压力的阔 门接通，所述泥浆抽吸泵与泥浆箱之间通过阀门、管道连通。
3. 根据权利要求2所述的一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力 的装置，其特征在于所述泥浆抽吸泵与孔口密封装置之间通过阀门、管道 连通。
4. 根据权利要求1所述的一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力 的装置，其特征在于所述装置还包括泥浆主动抽排装置，该抽排装置包括 泥浆抽吸泵以及阀门和管道，所述泥桨抽吸泵与孔口密封装置之间通过阀 门、管道连通。
5. 根据权利要求1所述的一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力的装置，其特征在于所述喷头至少包含了两种喷嘴1)高压水喷射切割土 体扩孔并形成泥浆的喷嘴；2)高压固化材料浆液的喷嘴。
6. 根据权利要求1所述的一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力 的装置，其特征在于所述压力检测装置是压力表、或者是压力传感器。
7. 根据权利要求1所述的一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力 的装置，其特征在于所述可调节开启压力的阀门是手动调节开启压力的法 门、或者是通过控制信号控制开启压力的阀门，通过控制信号控制开启压力的阀门时，采用压力传感器测出的压力信号通过信号控制装置和PLC程 序，控制可调节开启压力的阀门的启闭或开启压力值，实现自动控制。
8. —种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力的施工方法，其特征在 于该施工方法通过注浆管和喷头喷射而出的物质至少包括高压水、压縮空 气和高压固化材料浆液，且高压水喷射切割土体扩孔并形成泥桨始终领先 于高压固化材料浆液的喷射。
9. 根据权利要求8所述的一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力的施工方法，其特征在于该施工方法所采用的可调节开启压力的阀门和泥 浆箱，安装在工作井内，所述可调节开启压力的阀门的开启压力值与旋喷 孔位深度的土层中的实际土体压力值保持一致。
10. 根据权利要求8所述的一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力 的施工方法，其特征在于该施工方法所采用的可调节开启压力的阀门和泥 浆箱通过垂直管道连接安装在地面，所述可调节开启压力的阀门的开启压 力值等于旋喷孔位深度的土层中的实际土体压力值减去垂直管道内上下泥 浆压力差的绝对值。
全文摘要
本发明属地下空间施工土体加固技术领域，具体涉及一种水平旋喷加固施工时可自动平衡周围土体压力的装置，该装置包括喷头、注浆管、孔口密封装置、可调节开启压力的阀门、压力检测装置，其中所述喷头的内部设置了止回装置；所述的孔口密封装置固定于工作井壁，该孔口密封装置内部与喷头切割土体形成的泥浆相通，且与喷头和注浆管保持同心，本发明控制方法合理、旋喷施工时周围土体压力始终自动保持平衡、控制精度高，装置结构简单、施工速度快、安全性强、对环境影响小，适合于各种土层条件的水平旋喷施工，如果结合钻孔和旋喷一次性完成的施工方法使用，对地表变形控制效果更好。
文档编号E02D3/00GK101387112SQ20081004291
公开日2009年3月18日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者彭少杰, 云 白 申请人:上海市第二市政工程有限公司