钻机、盾构机旋喷护壁装置及施工方法与流程

本发明属于土木工程中土层成孔领域，尤其涉及钻机、盾构机钻进与旋喷护壁综合成孔方法。

背景技术：

在土层中实施灌注桩、锚杆、地质勘查、各类管线穿越等项目成孔时，经常会遇到塌孔现象。由于塌孔造成浇筑的桩体质量不合格、钻孔不能继续实施、工期延长的情况也屡见不鲜。为了防止塌孔发生，常见的方法有：在塌孔部位现浇砼，凝固后从新钻孔，这种方法浪费大、造价高，且延长工期；采用孔护臂筒体方法，这种方法需要将护壁植入孔内和拔出的设置，在孔径大的情况下成本很高，且常出现无法取出的情况，工期影响大；采用泥浆护壁，这种方法对场地污染大，费用高，近年来也很少采用。总之，土层成孔的塌孔问题一直没有令人满意的解决方法，对工程建设影响很大。

在隧道盾构机成孔时，也存在孔顶坍塌或地下水流失引起地面沉降事故，经济损失和社会影响极大。目前，为了避免这种情况发生，多采用土层冷冻法防止坍塌和地下水流失。这种方法成本极高，且一旦停电后果严重。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：由于钻孔过程中，孔壁处的土体不稳定经常导致塌孔；即使钻孔形成后，在混凝土浇筑过程中也经常出现塌孔，导致质量事故发生；盾构机成孔时，防止孔顶坍塌和地下水从孔壁流失。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种旋喷护壁装置，在钻机和盾构机成孔时分别为：

钻机旋喷护壁装置，旋喷护壁装置依附于钻机钻头上，钻头上有刀具，其特征在于：包括高压水泥浆管、速凝剂管、高压水泥浆喷头和护壁筒；所述高压水泥浆管和速凝剂管并行，设置在钻机自带的钻机主轴中，在钻机自带的钻具筒体尾端与压水泥浆喷头相连；所述高压水泥浆喷头设置在钻具筒体尾端边沿，内设速凝剂空腔、面对孔壁土体的高压水泥浆出口和多个分布在高压水泥浆喷头内侧壁上的速凝剂出口，高压水泥浆由高压水泥浆出口喷出，速凝剂进入速凝剂空腔由速凝剂出口喷出；所述护壁筒为圆筒状，设置在钻头自带的钻具筒体后部，在高压水泥浆喷头部分留有让高压水泥浆喷出的孔。

盾构机旋喷护壁装置，旋喷护壁装置依附于盾构机刀盘上，其特征在于：包括高压水泥浆和速凝剂输入装置、高压水泥浆管、速凝剂管、旋转转换接头、高压水泥浆喷头和护壁筒；所述高压水泥浆、速凝剂输入装置设置在盾构机后部；所述高压水泥浆管和速凝剂管并行，连接高压水泥浆、速凝剂输入装置，在盾构机刀盘后面旋转转换接头处分为多根管道与压水泥浆喷头相连；所述高压水泥浆喷头设置在盾构机刀盘尾端边沿，内设速凝剂空腔、面对孔壁土体的高压水泥浆出口和多个分布在高压水泥浆喷头内侧壁上的速凝剂出口，高压水泥浆由高压水泥浆出口喷出，速凝剂进入速凝剂空腔由速凝剂出口喷出；所述护壁筒为筒状，设置在盾构机刀盘后部，在高压水泥浆喷头部分留有让高压水泥浆喷出的孔，盾构机刀盘上有刀具。

采用上述技术方案，高压水泥浆管和速凝剂管并行，可以将水泥浆和速凝剂同时分别输送至高压水泥浆喷头。水泥浆在高压水泥浆喷头处高速喷出，对分布在高压水泥浆喷头内侧壁上的速凝剂出口产生负压，吸出速凝剂空腔中的速凝剂与水泥浆混合。这样可以保证水泥浆不在管道内凝结，保持畅通，提高装置的工作稳定性和寿命。

采用上述技术方案，高压水泥浆喷头固定在钻具筒体或盾构机刀盘尾部边沿，面对孔壁。钻头旋转向前钻孔时，高压水泥浆射流侵入孔周一定范围土体，进行搅拌，使其形成水泥和土混合体，最后固结成为筒形的钻孔护壁。根据土层条件，调整水泥浆压力，增加高压水泥浆射流初速度，可保证和增加钻孔护壁厚度，满足不同孔径钻孔的孔壁稳定。

采用上述技术方案，护壁筒的作用是保证旋喷形成的水泥和土混合体在凝结前的临空面形状。根据土层钻孔速度，选择速凝剂凝结时间，确定护壁筒的长度，可确保水泥浆和土的混合体在露出护壁筒后部时已经固结达到基本稳定的强度。考虑到速凝剂只影响水泥的后期强度，钻孔护壁是一个临时稳定问题，后期强度没有意义。因此，可适当增加速凝剂的用量，加快凝结时间。

采用上述技术方案，调整速凝剂出口在高压水泥浆喷头内壁上的数量、分布形式、孔径，可控制速凝剂用量和尽量与高压水泥浆出口喷出的水泥浆均匀混合。在必要时，在高压水泥浆射流产生负压吸出速凝剂的同时，辅助施加速凝剂压力，使其混合均匀。此外，在高压水泥浆射流搅拌孔周土体时，速凝剂也可以得到进一步搅拌，达到均匀化目的。

在隧道盾构中采用上述技术方案，由于高压旋喷水泥桨止水效果很好，可以防止盾构过程中洞顶坍塌和地下水从洞壁流失，避免地面沉降。

由以上技术方案及其作用可见，钻孔护壁是以水泥浆作为固结材料形成的，不主要依赖土层条件。因此可以在粘质土、沙土、碎石土、砂卵石土等几乎所有土层中形成钻孔护壁，并防止地下水从孔壁渗流。所以，该技术方案能够解决土层钻孔在成孔和混凝土浇灌期间的塌孔问题。

旋喷护壁实施方法，其步骤特征在于：a.钻孔时，动力机构带动刀具旋转破土成孔；b.高压水泥浆和速凝剂通过高压水泥浆管和速凝剂管进入高压水泥浆喷头，并在此形成添加速凝剂后的高压水泥浆射流进入孔壁土体一定深度；c.高压水泥浆喷头与刀具一起旋转运动，高压水泥浆射流搅拌孔壁土体，形成添加速凝剂后的水泥和土混合体；d.护壁筒保持水泥和土混合体为圆筒形状，并开始凝结，当水泥和土混合体从护壁筒露出时，水泥和土混合体已经凝结达到自稳强度，最终形成钻孔护壁。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构正立面和纵剖面示意图；

图2为本发明实施例2的剖面示意图；

图3为本发明实施例1、2的高压水泥浆喷头示意图；

图4为本发明实施例1的横剖面示意图。

图中：1、钻机主轴；2、高压水泥浆管；3、速凝剂管；4、高压水泥浆喷头；5、钻机主轴与钻头连接装置；6、护壁筒；7、钻具筒体；8、刀具；9、高压水泥浆射流；10、速凝剂空腔；11、速凝剂出口；12、高压水泥浆出口；13、高压水泥浆，速凝剂输入装置；14、旋转转换接头；15、盾构机刀盘；16、盾构机其它装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

在钻机成孔时，使用带旋喷护壁装置如图1、图3、图4所示的钻机钻头。旋喷护壁装置由：钻机主轴1通过钻机主轴与钻头连接装置5连接钻具筒体7，钻具筒体7前端有钻头刀具8；高压水泥浆管2通过钻机主轴1内部到达钻具筒体7，然后(可分为多根管道)在钻具筒体7边沿与高压水泥浆喷头4连接；速凝剂管3设置在高压水泥浆管2内部，与之同行；高压水泥浆喷头4位于在钻具筒体7尾部边沿指向孔壁，水泥浆通过高压水泥浆出口12喷出，形成高压水泥浆射流9；速凝剂管3在高压水泥浆喷头4部位连接速凝剂空腔10，速凝剂通过速凝剂出口11喷出；护壁筒6设置在钻具筒体7尾部，在高压水泥浆喷头4部位设有让高压水泥浆射流9喷出的孔。

所述速凝剂出口11设置在高压水泥浆喷头4内部，速凝剂利用高压水泥浆射流9产生的负压喷出与水泥浆混合，也可以施加一定辅助压力。

所述护壁筒6的长度由水泥浆凝结速度和钻孔速度确定，保证水泥浆和土的混合体在露出护壁筒6后部时已经固结达到基本稳定的强度。

应用旋喷护壁装置的成孔方法：

(1)钻孔时钻机主轴1驱动钻具筒体7和下端钻头刀具8旋转向下破土成孔；

(2)高压水泥浆和速凝剂通过高压水泥浆管2和速凝剂管3进入高压水泥浆喷头4，并在喷出时形成高压水泥浆和速凝剂混合体；

(3)高压水泥浆和速凝剂混合体喷入孔壁形成高压水泥浆射流9；

(4)由于高压水泥浆喷头4与钻具筒体7一起旋转向下运动，高压水泥浆射流9搅拌孔壁土体，形成添加速凝剂后的水泥和土混合体；

(5)钻具筒体7继续旋转向下运动时，护壁筒6保持水泥和土混合体为圆筒形状，同时水泥和土混合体快速凝结；

(6)当水泥和土混合体从护壁筒6上部露出时，已经达到基本凝结强度，可以自稳；

(7)随着钻孔继续向下，水泥和土混合体继续凝结，最终形成钻孔护壁。

实施例2

隧道盾构机成孔时，使用带旋喷护壁装置的盾构机，如图2和图3所示。盾构机旋喷护壁装置包括高压水泥浆和速凝剂输入装置13、高压水泥浆管2、速凝剂管3、旋转转换接头14、高压水泥浆喷头4和护壁筒6。高压水泥浆、速凝剂输入装置13设置在盾构机后部。高压水泥浆管2和速凝剂管3并行，连接高压水泥浆、速凝剂输入装置13，在盾构机刀盘15后面旋转转换接头14处分为多根管道与压水泥浆喷头4相连。旋转转换接头14的功能是将不旋转的管道转换为可以旋转的管道。高压水泥浆喷头4设置在盾构机刀盘15尾端边沿，内设速凝剂空腔10、面对孔壁土体的高压水泥浆出口12和多个分布在高压水泥浆喷头4内侧壁上的速凝剂出口11。高压水泥浆由高压水泥浆出口12喷出，速凝剂进入速凝剂空腔10由速凝剂出口11喷出。护壁筒6为筒状，设置在盾构机刀盘15后部，在高压水泥浆喷头4部分留有让高压水泥浆喷出的孔，盾构机刀盘15上有刀具8。盾构机刀盘15后部还有盾构机其它装置16。

速凝剂出口11设置在高压水泥浆喷头4内部，速凝剂利用高压水泥浆射流9产生的负压喷出与水泥浆混合，也可以施加一定辅助压力。

护壁筒6的长度由水泥浆凝结速度和钻孔速度确定，保证水泥浆和土的混合体在露出护壁筒6后部时已经固结达到基本稳定的强度。

应用旋喷护壁装置的成孔方法：

(1)盾构机后部装置驱动盾构机刀盘15和其上盾构机刀具8旋转向前破土成孔；

(2)高压水泥浆和速凝剂通过高压水泥浆管2和速凝剂管3进入高压水泥浆喷头4，并在喷出时形成高压水泥浆和速凝剂混合体；

(3)高压水泥浆和速凝剂混合体喷入洞壁形成高压水泥浆射流9；

(4)由于高压水泥浆喷头4与盾构机刀盘15一起旋转向前运动，高压水泥浆射流9搅拌洞壁土体，形成添加速凝剂后的水泥和土混合体；

(5)盾构机刀盘15继续旋转向前运动时，护壁筒6保持水泥和土混合体为圆筒形状，同时水泥和土混合体快速凝结；

(6)当水泥和土混合体从护壁筒6后部露出时，已经达到基本凝结强度，可以自稳；

(7)随着盾构继续向前成孔，水泥和土混合体继续凝结，最终形成钻孔护壁。

根据盾构隧道洞直径大小和地质条件，调整喷射水泥浆压力，可以形成保证洞室临时稳定和防止地下水从洞壁渗入的护壁厚度。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。