专利名称：长螺旋二重管高压搅喷桩施工方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及建筑工程中的一种新型的高压喷射搅拌水泥土桩施工方法及其装置， 主要用于止水帷幕及地基处理工程，适用于在各种土层中施工，尤其是在腐殖土、硬粘土、 砂土和碎石土层等地层中更具有优越性。
背景技术：
基于普通旋喷桩和搅拌桩形成的截水帷幕技术及其设备虽然已广泛应用于基坑 止水工程，但由于其在腐殖土、硬粘土、中密 密实砂类土和卵石地层中受到的限制，如存 在搅不动、喷不动或者所成桩上粗下细、邻桩穿裆或质量不均勻等问题，从而使得截水帷幕 桩有漏水现象发生。而近年来来基于长螺旋钻机而形成的新型旋喷桩或搅喷技术，由于其存在以下几 方面的原因，而使其受到限制1、均采用单重管施工，成桩直径受到限制，再加上长螺旋钻机施工垂直度控制不 是很好，特别是在砂卵石层中，根据已开挖的效果看，部分帷幕桩与护坡桩桩身偏离较大， 从而形成同向的渗漏间隙，帷幕止水效果不是很理想，漏水现象发生较多；2、旋喷过程中钻机提升或下钻速度与旋喷速度不匹配，提升速度过快，而容易形 成螺纹状帷幕桩，连通的螺纹宜形成漏水通道；虽通过调整滑轮组而使得钻机钻进或提升速度得到控制，但一是由于改进后滑轮 组过多，容易脱落，脱落后维修时间长，宜造成埋钻事故；二是使得长螺旋钻机功能单一化 (只可进行旋喷桩施工)，尚需其它钻机来协助引孔，施工效率低下，造成资源浪费，施工成 本较高。
发明内容
本发明相对于现有技术有如下优点，一是使得成桩直径明显扩大，其成桩直径是 现有单重管长螺旋喷搅技术的1. 3 2. 5倍，特别是在砂卵石等硬地层中的施工效果更加 明显；二是采用专用调速控制系统来控制、切换钻机的提升、钻进速度，充分发挥了长螺旋 钻机与二重管技术各自的优点，从而最终使得长螺旋钻机二重管高压喷射搅拌桩技术能够 更广泛地应用于止水帷幕及地基处理施工中。三是简化了施工过程，使得造孔与喷射注浆 工序合二为一，降低了施工成本，提高了功效。本发明所提到的高压喷射搅拌桩可以与护坡桩形成复合型止水帷幕，也可单独旋 喷咬合形成柱列式帷幕，也可旋喷与定喷结合形成柱墙式帷幕，可同时用于地基处理与加 固工程中。本发明的技术方案包括以下步骤1)根据设计要求，确定每个桩的位置，当与护坡桩形成复合型帷幕时，喷搅桩桩位 可自相邻两护坡桩轴线向基坑外偏移100 200mm，然后按附图一所示施工工艺施工成桩；2)将改装并装置有二重管高压喷搅系统的长螺旋钻机对准有地基土的钻孔中心， 一边回转钻进，一边高压喷射水流，即边钻进边用高压水流切削土体，并进行水土搅拌，形成泥浆护壁，必要时，可同时喷射水泥浆，直至设计深度。在钻进过程中，也可根据需要不进 行水和水泥浆的喷射而是直接钻进。3)调整钻杆位置及方向，开动高压水泥浆及高压水泵，提升钻具，在提升过程中采 用旋喷或定喷或摆喷技术，直至成桩。4)重复2)、3)步骤直至满足施工工艺要求。其中所述步骤1)中的成桩可以是地基处理桩、护坡桩或截水帷幕桩。其特征在于 采用改装后的长螺旋钻机与二重管技术相结合的高压旋喷或定喷或摆喷、搅拌水泥土桩的 施工方法。本发明所述步骤1)中的成桩用于截水帷幕桩时，可以与土钉支护、桩锚支护相结 合形成截水帷幕。与土钉支护相结合时该桩连续而且相互切割IOOmm至300mm ；与桩锚支护 相结合时每相邻两颗护坡桩之间施工一颗长螺旋二重管高压喷搅桩且与护坡桩相切IOOmm 至 300mm。本发明所述步骤2)中的所提到的施工设备，由改装后的长螺旋钻机、搅浆系统、 二重管高压喷搅系统三部分组成。其中改装后的长螺旋钻机其特征在于由变速控制系统 控制的钻机能在成孔与旋喷两个过程中进行有效的切换，即能使得钻机提升钻进速度在 3. Om/min左右与1. 2 1. 5m/min或0. 2m/min之间进行快速切换。本发明所述步骤2)中二重管高压喷搅系统包括中空钻杆、高压输浆管、高压水 管、搅拌叶片、二重管旋喷搅拌钻头、二重管旋转注浆接头、水泥浆输送管、高压水输送管、 高压水泥注浆泵、高压水泵等。其特征如下中空钻杆通过连接于其顶部的二重管旋转注浆接头固定在长螺旋钻 机动力头上，在中空钻杆内附着高压输浆管及高压水管，其底部与固定在中空钻杆端部的 二重管旋喷搅拌钻头连接，顶部通过二重管旋转注浆接头，一方面与水泥浆输送管、高压水 泥注浆泵连接，另一方面与高压水输送管、高压水泵连接。二重管旋喷搅拌钻头侧面装有上下两组喷嘴其上部喷嘴用于喷射高压水流，下 部喷嘴用于喷射高压水泥浆，喷嘴布置形式可采用” K”字形、“X”形或“一”字形布置等，钻 头底部及侧面焊有搅拌叶片。本发明所述步骤2)中施工设备采用的中空钻杆，即可采用无叶片钻杆，也可采用 长螺旋钻杆。本发明所述步骤2)中的成桩过程，其特征如下钻机在钻进成孔时，水流通过高压水泵加压后经高压水输送管、二重管旋转注浆 接头、再经附着于中空钻杆内的高压水管至二重管旋喷搅拌钻头上部的高压水射流喷嘴， 以不低于15MPa的压力喷出，用于切削土体，同时经搅拌叶片将切削下的土体与水进行搅 拌形成泥浆护壁，直至成孔。在此过程中，还可有如下两种选择一是钻进过程中不注水而 直接钻进；二是钻进过程中边高压注水边注浆，具体根据施工要求进行选择。钻机在提升钻具进行旋喷或定喷时，通过变速控制系统来调节提升速度至1. 2 1. 5m/min或更慢的速度，同时启动高压水泥注浆泵及高压水泵，水流经加压后按如上所述 通道以不低于15MPa的压力喷出以切削土体；同时水泥浆由高压水泥注浆泵加压后经水泥 浆输送管、二重管旋转注浆接头、再经附着于中空钻杆内的高压输浆管至二重管旋喷搅拌 钻头下部的高压水泥浆喷嘴以不低于15MPa的压力喷出。在高压浆液流和高压水流的共同
4作用下，破坏土体的能量显著增大，当喷嘴一面旋转和提升或钻机，同时通过搅拌叶片对土 体和浆液进行搅拌，从而使得固结体的直径明显增加。本发明所述步骤3)中所使用的水泥浆其特征在于水灰比1. 0 1. 8本发明所述步骤3)，其特征在于针对不同的地质条件及水文条件，采用相应的加 强措施。必要时，可针对砂卵石等含水量大的土层需进行复喷，以确保施工质量。本发明所述步骤3)，也可根据施工要求，以低于15MPa的常压的方式注水泥浆。本发明及其装置以改装后的长螺旋钻机为施工机械，采用二重管高压喷射注浆搅 拌技术，其有益效果如下1、相对传统搅拌桩及旋喷桩，其不仅适用于软土、松散 稍密的砂类土，还适用于 硬粘土、砂卵石、腐殖土等各类土层，尤其在砂卵石层中效果更加突出；2、相对现有单重管长螺旋喷搅或搅喷技术，由于采用二重管高压喷射注浆搅拌技 术，使得成桩直径明显扩大，其成桩直径是单重管技术的1. 3 2. 5倍，特别是在砂卵石，其 喷射范围的扩大，大大减缓了因喷搅桩垂直度偏差太大而造成的止水帷幕渗漏问题。3、采用专用调速控制系统来控制、切换钻机的提升、钻进速度，充分发挥了长螺旋 钻机与二重管技术各自的优点，从而最终使得长螺旋钻机二重管高压喷射搅拌桩技术能够 更广泛得到应用于止水帷幕及地基处理施工中。4、施工过程省去了引孔的环节，使得造孔与喷射注浆工序不间断的合二为一，降 低了施工成本，提高了功效。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型 作进一步的详细描述，其中图1是长螺旋二重管高压喷搅桩施工工艺流程图；图2是长螺旋二重管高压喷搅桩施工装置的结构示意图；图3是图2中二重管旋喷搅拌钻头的截面图；图4是长螺旋二重管高压喷搅桩施工装置中的中空钻杆与高压输浆管、高压水管 的连接关系的截面图。1变速控制系统、2中空钻杆、3高压输浆管、4高压水管、5搅拌叶片、6 二重管旋喷 搅拌钻头、7 二重管旋转注浆接头、8水泥浆输送管、9高压水输送管、10高压水泥注浆泵、11 高压水泵、12长螺旋钻机动力头、13喷嘴
具体实施例方式本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体 的实施方式。如图所示长螺旋二重管高压搅喷桩施工设备，由改装后的长螺旋钻机、搅浆系统、 二重管高压喷搅系统三部分组成。其中改装后的长螺旋钻机上装有变速控制系统控制(1)，使得钻机能在成孔与旋 喷两个过程中进行有效的切换，即能使得钻机提升钻进速度在3. Om/min与1. 2 1. 5m/min 之间或0. 2m/min进行快速切换。
二重管高压喷搅系统包括中空钻杆(2)、高压输浆管(3)、高压水管(4)、搅拌叶片 (5)、二重管旋喷搅拌钻头(6)、二重管旋转注浆接头(7)、水泥浆输送管(8)、高压水输送管 (9)、高压水泥注浆泵(10)、高压水泵(11)等。其中中空钻杆(2)通过连接于其顶部的二重 管旋转注浆接头(7)固定在长螺旋钻机动力头(12)上，在中空钻杆(2)内附着高压输浆管 (3)及高压水管(4)，其底部与固定在中空钻杆(2)端部的二重管旋喷搅拌钻头(6)连接， 顶部通过二重管旋转注浆接头(7)，一方面与水泥浆输送管(8)、高压水泥注浆泵(10)连 接，另一方面与高压水输送管(9)、高压水泵(11)连接。二重管旋喷搅拌钻头(6)侧面装有 上下两组喷嘴(13):其上部喷嘴用于喷射高压水流，下部喷嘴用于喷射高压水泥浆，喷嘴 布置形式可采用“K”字形、“X”形或“一”字形布置等，钻头底部及侧面焊有搅拌叶片(5)。 中空钻杆(2)，即可采用无叶片钻杆，也可采用长螺旋钻杆。图1为长螺旋二重管高压搅喷桩施工工艺图，根据该工艺，其施工步骤如下1)根据设计要求，确定每个桩的位置，当与护坡桩形成复合型帷幕时，喷搅桩桩位 可自相邻两护坡桩轴线向基坑外偏移100 200mm，然后按附图1所示施工工艺施工成桩；2)将改装并装置有二重管高压喷搅系统的长螺旋钻机对准有地基土的钻孔中心， 一边回转钻进，一边高压喷射水流，即边钻进边用高压水流切削土体，并进行水土搅拌，形 成泥浆护壁，必要时，可喷射水泥浆，直至设计深度。3)调整钻杆位置及方向，开动高压水泥浆及高压水泵，提升钻具，在提升过程中采 用旋喷或定喷或摆喷技术，直至成桩。施工案例某工程为筏板基础，基础埋深7. 0m。其地质条件为1、地形地貌拟建场地在地貌上位于温榆河冲洪积扇中部，第四纪地层厚度大于50米。地形基 本平坦，钻孔孔口处地面标高为40. 49 40. 67m,高差0. 18米。2、地层岩性根据勘察单位现场钻探与原位测试及室内土工试验成果的综合分析，最大勘探深 度范围内所分布的土层按沉积年代、成因类型可分为人工堆积层和第四纪沉积层二大类， 按地层岩性及工程特性进一步划分为9个大层，现分述如下人工堆积层 该层分布于地表(标高38. 87 40. 67)人工堆积之粘质粉土填土①层房渣土①1层。第四纪沉积层该层分布于(标高15. 60 39. 72)第四纪沉积之重粉质粘土、粉质粘土②层砂质 粉土、粘质粉土③层粉质粘土③1层砂质粉土、粘质粉土④层重粉质粘土、粉质粘土④1层 细砂⑤层中砂⑥层粉质粘土⑦层砂质粉土⑧层粉质粘土⑨层。关于上述土层的分布情况、特征综述和土工试验与原位测试的综合统计结果，详 见勘察报告“工程地质剖面图”与“地层岩性及土的物理力学性质综合统计表”。3、水文地质概况根据勘查时水位观测材料，勘察期间(2008年12月23日2008年12月26日)于 钻孔中实测两层地下水，其静止位水量测结果详见下表。
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序号地下水类型钻孔内静止水位水位埋 深(m)水位标 高(m)H 丄1层间潜水3. 038. Om2微承压水7. 90 9. 8030. 81 32. 70本场区50年代最高水位曾接近地表，近3 5年地下水埋深在3米左右。支护降水的方案是，由于本工程施工场地回填土埋深3 5m，层间潜水丰富，周围 水源补给不断，支护方案采用桩锚支护体系，降水采用帷幕桩，桩间布置。护坡桩采用桩径为Φ 600mm的钢筋混凝土灌注桩，桩间距为1200mm ；桩顶设计标 高为-1. 55m，桩底设计标高为-10. 55m，桩长9. 00m，凿除桩头后，桩顶设置一道钢筋混凝土 联梁，联梁顶标高-1. 55m，联梁断面尺寸为600X400mm，护坡桩、联梁混凝土强度C25。连 梁上设置一排预应力锚杆，三桩一锚，锚杆长15. Om,自由段5. 0m，锚固段10. 0m，锁定值为 210KN，锁在联梁上，锚杆杆体均采用2 Φ 15. 2钢绞线(1860级)。桩间止水帷幕采用长螺旋二重管搅喷桩，设计参数如下1)搅喷桩桩长9. Om,桩顶设计标高为-1. 55m,桩底设计标高为-10. 55m,成孔直径 400mm，旋喷桩成桩设计直径不小于800mm，桩间距1. 2m，与护坡桩交错布置；2)搅喷桩采用二重管双高压旋喷技术，注水、注浆压力均不低于15MPa ；3)水泥浆水灰比1. 5 1，水泥标号P. S. A32. 5 ；具体的施工步骤1、测放桩位帷幕桩在护坡桩施工后进行，为保证帷幕桩测放 桩位的准确性，原则上，应挖开护坡桩桩头后再进行帷幕桩桩位的测放；2、施工准备1)将改装后的长螺旋搅喷钻机与高压水泥浆系统、高压水系统连接好，钻机就 位；2)水泥浆搅拌用专用搅拌桶将水泥浆搅拌均勻，水泥浆水灰比为1. 5 1，在搅 拌桶上做好标尺，按照标尺高度加入施工用水；再加入配比计算所得的水泥量(按包数来 控制)，采用高速搅拌电机，搅拌时间保证2min以上。同时配备储水桶和储浆桶，以保证连 续施工的需要；3、钻孔钻机就位，将调速控制系统调高档(3m/min)，钻头下沉至设计帷幕底标 高，下钻过程中，同时启动高压水泵系统加压至设计压力，边下钻边旋喷；4、成桩下钻至帷幕设计底标高后，将调速控制系统调低档(1. 2 1. 5m/min)，启 动高压水泥浆泵(不关闭高压水泵)，再采用旋喷方式上提钻杆，至帷幕设计定标高后，指 挥后台高压泵停止高压供应，即可成桩。成桩效果根据现场开挖情况，发现帷幕施工效果比单重管效果理想，成桩直径可 达1200mm，是单重管直径2倍，帷幕桩与护坡桩之间衔接紧密，几乎未发现渗漏现象。可见，长螺旋二重管搅喷桩由于成桩直径大，可有效的降低长螺旋钻机用于帷幕
7施工时因垂直度偏差大而引起的渗漏问题。并且本工程中，具有调速系统的长螺旋钻机可 充分的发挥作用，不再利用其它钻机引孔，较普通钻机施工时间缩短约1/3 1/2，极大地 提高了施工效率。 另外，在施工过程中，根据不同的地质情况，可有选择地对局部区段加强高压喷 射，可采取调整喷射压力、调整提升下沉速度、调整喷射往复次数、调整喷嘴直径以及调整 喷射方式(旋喷或定喷、摆喷)等多种方法进行合理施工，以保证止水帷幕桩与护坡桩之间 的有效搭接。
权利要求
一种长螺旋二重管搅喷桩的施工方法，其特征在于，第一，根据设计要求，确定每个桩的位置，当与护坡桩形成复合型帷幕时，喷搅桩桩位可自相邻两护坡桩轴线向基坑外偏移100～200mm；第二，将装置有二重管高压喷搅系统的长螺旋钻机对准钻孔中心，一边回转钻进，一边高压喷射水流，即边钻进边用高压水流切削土体，并进行水土搅拌，形成泥浆护壁，直至设计深度。第三，调整钻杆位置及方向，开动高压水泥浆泵及高压水泵，提升钻具，在提升过程中采用旋喷或定喷或摆喷技术，直至成桩。
2.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，在第二步骤中，在高压喷射水流的同时 还高压喷射水泥浆。
3.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，在第二步骤中，可根据需要不进行水或 水泥浆的喷射而是直接钻进。
4.如权利要求1-3之一所述的施工方法中使用的施工装置，其特征在于，该施工装置 由长螺旋钻机、搅浆系统、二重管高压喷搅系统三部分组成，其中长螺旋钻机上装有变速控 制系统(1)，二重管高压喷搅系统包括中空钻杆(2)、高压输浆管(3)、高压水管(4)、搅拌叶 片(5)、二重管旋喷搅拌钻头(6)、二重管旋转注浆接头(7)、水泥浆输送管(8)、高压水输送 管(9)、高压水泥注浆泵(10)、高压水泵(11)，其中中空钻杆(2)通过连接于其顶部的二重 管旋转注浆接头(7)固定在长螺旋钻机动力头(12)上，在中空钻杆(2)内附着高压输浆管 (3)及高压水管(4)，其底部与固定在中空钻杆(2)端部的二重管旋喷搅拌钻头(6)连接， 顶部通过二重管旋转注浆接头(7)，一方面与水泥浆输送管(8)、高压水泥注浆泵(10)连 接，另一方面与高压水输送管(9)、高压水泵(11)连接，钻头底部及侧面焊有搅拌叶片(5)。
5.如权利要求4所述的施工装置，其特征在于，二重管旋喷搅拌钻头(6)侧面装有上下 两组喷嘴(13)，其上部喷嘴用于喷射高压水流，下部喷嘴用于喷射高压水泥浆。
6.如权利要求5所述的施工装置，其特征在于，喷嘴布置形式采用“K”字形、“X”形或 “一”字形布置。
7.如权利要求4或5所述的施工装置，其特征在于，中空钻杆(2)采用无叶片钻杆或采 用长螺旋钻杆。
8.如权利要求4所述的施工装置，其特征在于，变速控制系统(1)使得钻机能在成孔与 旋喷两个过程中进行有效的切换，即能使得钻机提升钻进速度在3. Om/min与1. 2 1. 5m/ min之间或0. 2m/min进行快速切换。
全文摘要
本发明涉及一种长螺旋二重管高压搅喷桩施工方法和装置，该方法为根据设计要求，确定每个桩的位置，然后边钻孔边高速喷射水流，形成泥浆护壁，必要时可喷水泥浆；也可直接钻进；然后提钻搅喷，在提升过程中采用旋喷或定喷或摆喷技术，直至成桩。长螺旋二重管高压搅喷桩的装置中包括中空钻杆、高压输浆管、高压水管、搅拌叶片、二重管旋喷搅拌钻头、二重管旋转注浆接头、水泥浆输送管、高压水输送管、高压水泥注浆泵、高压水泵等。相对传统搅拌桩及旋喷桩，其不仅适用于软土、松散～稍密的砂类土，还适用于硬粘土、砂卵石、腐殖土等各类土层，尤其在砂卵石层中效果更加突出。
文档编号E02D5/22GK101962949SQ20091008955
公开日2011年2月2日 申请日期2009年7月23日 优先权日2009年7月23日
发明者吴剑波, 王立建, 贺再球 申请人:北京中岩大地工程技术有限公司