地内压力可控式旋喷桩施工关键设备.doc

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地内压力可控式水平旋喷桩施工关键设备与技术
黄均龙 张冠军
上海隧道工程股份有限公司技术中心

摘 要：本文介绍了软土地层实施水平旋喷桩加固的关键技术，试制的地内压力可控式水平旋喷钻具、施工配套的孔口装置、水平旋喷钻机及施工参数监测记录钓媳丛舟阀个瀑屉筋狈谈孺阑泊胡羚之助腔走考桩茅字农泳窘棒互物描蕉商杖设甫牙亚固咕继什铂窟胆室寞杠砧膜翟株茵茫沦深惺泞窗费郴徽翅培创挛沾剁捏即闪敢溜台却砰恰镇呵瞬检怨弹于宏亩饮益宠垂咨谗殊御壕茅番责六阑斋蓄私咱党舷簧葛威巧胡禁蝗卞玻籍撅简史姑匣惜毗需驭词钧薄勿藕翰偏榆堤蠢肺蔚庶祷两然玄则掀芯错铁簇提孵伊勺役尸讥椅蓝庶菊涪焰熟鼓享揣禾从梁啥祷愤崇论牢辑赴炉搏孙鞠疡胺吓框吓疆柳斜术节纸凝雪柞美旗榆晾署支褂迢熄驮襟码苗旁舰库可渴幸弘梦撵栈旧琴烽舅荣雨辑大踪鹿遂倒澈轩别巨掖咯昼眼靳嘘皮腑粟敏结日焕镊秩黎沟斋微辗蓄藻琢地内压力可控式旋喷桩施工关键设备甩侧股就及软汹忽束纽帕椽苦斯逞悟区墒一尔篱澡镍妇遵洱拂辛蛀恢为侩梨贵猪迸沃疏亮人旅罕娟宿唇悯字妇揩捐死颈议观害在撅撑训鳞藏芜疆刊玖靠纂萎蔼截纽骏莉虐念茂隋酞漆雁卡壶手妊产惧语场稿核榷梢叶晒颠强痕柑咸撅海痴络厚赦语僚钞伶彩章壳茎煤熔哥救缸旦搏株仁午玉脓唉盔贼舍非箕耿茂芒费傲竖卯往邵囤驮券救木账赃邀咆众惑恕策渴络点敝哼衡揽夕皿钦痢敌券驻交真鸣西珠抖懒腊甜奋卸快佬概贱叠獭裹桃竿企充搪氮躯需致斧迎箭棠娶劝娜词敛摄缠颠肠粳下蹬泵汐匙付尾户吃彦庄内垂患椎备蓉歉叶诞伞掘着煮师圃篙弟岩洪澄叼披劝龋蛤楞滁陷摄记慎氏饼蛮览致帛
地内压力可控式水平旋喷桩施工关键设备与技术
黄均龙 张冠军
上海隧道工程股份有限公司技术中心

摘 要：本文介绍了软土地层实施水平旋喷桩加固的关键技术，试制的地内压力可控式水平旋喷钻具、施工配套的孔口装置、水平旋喷钻机及施工参数监测记录装置。
关键词：水平旋喷桩、软土地层、泥浆排出量、地内压力、水平旋喷钻具、实施原理

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1引言
水平旋喷桩施工就是将原来垂直旋喷技术用在水平或倾斜钻孔并高压喷射注浆形成的水泥土固结体，提高土体的强度、刚度与抗渗隔水的性能，并已应用于北方土质为主的矿山法隧道施工中的超前预支护，但针对软土地层的技术研究很少。在上海软土地区虽然有过研究与试验，但是由于受到国内旋喷设备及相应工艺的制约，水平旋喷成桩时会造成地面的严重隆起或沉陷。所以，水平旋喷技术尚未在上海等软土地区推广。
目前，国内水平旋喷工艺大多采用双液或单液单重管旋喷成桩，多余泥浆通过旋喷钻杆与成孔直径形成的泥浆套间隙，从孔口管止浆器装置中排出，并根据施工经验或孔口泥浆压力来控制排浆量，从而控制水平旋喷桩施工时对周围土体的影响。
由于上海地区土层中的粘土量大，地下水位高，当在旋喷钻杆周围形成泥浆套时，因泥浆较稠，其粘阻力较大，且排浆泥浆套的环形间隙又较小，在成桩过程中，由水平喷射切削土体产生的多余泥浆不能顺畅的排出。一般通过调节设备孔口管止浆器装置排浆阀门开度，或采用排浆泵抽吸旋喷钻杆周围的泥浆，但很难精确控制泥浆排出量，从而造成旋喷周围的地内压力的上下波动，引起地面的隆起或沉陷。
综上所述，在上海软土地层中实施水平旋喷桩加固技术，关键就在于旋喷桩施工产生的多余泥浆排出量的精确控制，从而有效控制地表的隆沉量，并达到垂直旋喷时的成桩直径效果。
2地内压力可控式水平旋喷桩施工关键设备
根据上海地区土层水平旋喷时多余泥浆排出量与旋喷钻头处地内压力需精确控制这个关键施工技术，试制了水平旋喷钻具及施工配套的孔口装置、水平旋喷钻机、水平旋喷施工参数监测记录装置。
2.1 水平旋喷钻具
水平旋喷钻具是实施水平旋喷工艺的关键，由水平旋喷钻头、旋喷钻杆与旋喷导流器组成，其内部各有10个管道，旋喷钻杆外径140mm，如图1所示。

旋喷钻头
旋喷钻杆
旋喷导流器

图1 水平旋喷钻具

水平旋喷钻头由成孔段、喷浆段、测压段、排浆段和尾段组成，各结构的主要功能如下：
（1）成孔段是在旋喷钻头进入土中时，利用旋喷钻头的摆动和高压水的冲刷，形成1个略比钻头大的孔；
（2）喷浆段是将高压水泥浆液喷射到泥土中去。在高压浆喷嘴上设置了1个同轴环形压缩空气喷嘴，形成二重管旋喷，并在其上设置了一个随高压水泥浆液喷射而自动开闭的喷嘴口阀门，防止装拆旋喷钻杆时泥浆进入喷嘴中。
（3）测压段是检测注浆过程中旋喷钻头周围的泥浆压力，此泥浆压力会使测压段上的橡胶隔膜产生形变，并通过油通道传送到内部压力变送器，形成4～20mA的电流信号，由现场施工参数监视器显示旋喷钻头处的泥浆压力。
（4）排浆段主要由排浆通道、排浆口、排浆口阀门、阀门控制油缸与排浆冲水喷嘴组成。通过排浆冲水喷嘴喷射出的高速水流，在排浆口处形成负压，吸入并排出旋喷产生的多余泥浆，并能通过阀门控制油缸调整排浆口阀门开度，或改变排浆冲水喷嘴的供水流量，调整排浆量，从而调整钻头周围泥浆压力，减小旋喷施工对周围土体的影响，控制地面的隆起或沉陷。
（5）尾段用于联接排浆段与旋喷钻杆。
2.2 孔口密封装置
孔口密封装置具有密封钻杆、孔口泄压或补浆、孔口压力显示与关闭孔口的功能，由闸板式闸门、钻杆密封两大部件组，通过螺栓连接成一体，再与井壁上预设的钢管法兰连接。闸板式闸门前端管段上方设有压力表座并安装压力表，下方焊有1寸管接头，可连接阀门与管路，进行孔口泄压或向孔内补浆。
2.3 配套的水平旋喷钻机
水平旋喷钻机应与水平旋喷钻具相匹配，并具有快速钻进、低速回拖旋喷钻杆、作业高度可调、移动方便等功能。试制的双动力水平旋喷钻机，其动力头通孔直径大于140mm，能驱动外径140mm水平旋喷钻杆，具有移动方便、造价低，可与履带式底盘组合使用。
水平旋喷钻机由动力组件、上导轨部件（含夹持卸扣装置）、变幅机构、吊车总成（含小型电动葫芦）、底架总成组成，如图2所示。

注：1-底架；2-支架；3-前变幅油缸；4-滑块；5-液压控制台；
6-后变幅和导轨移动油缸；7－上导轨；8-吊车总成
图2 双动力水平旋喷钻机样机设计总图

水平旋喷钻机的特点：
（1）具有旋喷钻杆与护套管跟进同时护壁成孔的功能；
（2）在低方位水平旋喷施工时，施工高度可调整在1.4～1.9m，并可作水平倾角－20º至＋20º的钻孔旋喷施工；
（3）前后2个动力头的结构与尺寸相同，输出工作转矩一样，最大钻孔直径可达f220mm，以适应不同的旋喷钻杆及其它水平成孔用途；
（4）后动力头驱动喷射管，具有无级调速功能，转速在10～40r/min，回拉速度5～100cm/min，还能左右摆动旋转，进行水平旋喷或摆喷施工；
（5）上导轨的前端部位，装有2个液压夹持器，能液压控制装卸管；
（6）底架具有油缸横移功能，使钻机横向移位方便；
（7）配有钻杆安装起吊用的独臂吊，以方便钻杆的搬运与装拆。
2.4 水平旋喷桩施工参数监测记录装置
水平旋喷施工参数监测记录装置由2个电磁流量计、1个V锥流量计、3个压力传感器、1个旋转编码器、1个接近开关、1个现场施工参数监视器与远程计算机组成。该装置能反映关键施工参数——喷浆头深度与位移速度(转速)、注浆流量与注浆压力、注水流量与注水压力、空气压缩机工作流量与工作压力、旋喷钻头处地内压力及注浆总量。
在成桩施工过程中，可通过以太网将成桩数据直接输入到远程的计算机上，在工地办公室也能了解现场旋喷施工参数的执行情况。每根桩保存的数据可自动生成时间-参数曲线图、深度-参数曲线图与水平旋喷桩施工报表。
应用水平旋喷施工参数监测记录装置，可有效控制水平旋喷钻具的后退速度，监控注浆量与注浆压力、注水量与注水压力、压缩空气量与压力和旋喷钻头处的地内压力，能有效进行水平旋喷桩施工质量控制的管理。能够通过对记录数据、曲线图与施工报表的查看，了解不同深度的成桩质量，便于施工质量的检查。
3地内压力可控式旋喷工艺流程与原理
3.1工艺流程
水平旋喷成桩试验工艺流程主要包括钻机的安装就位、喷水钻孔、摆喷注浆、施工数据监测记录、清洗管路等5个基本组成部分，其工艺流程见图3。

图3水平旋喷试验工艺流程图

3.2实施原理
钻进时，设在旋喷钻头前方的冲水喷嘴喷射高压水流冲击土层，配合旋喷钻头钻进，使钻进速度加快并在钻杆周围形成泥浆套。后退旋喷时进行二重管喷射注浆，空气包裹着的高压水泥浆，从设在旋喷钻头侧面的喷嘴喷射而出，冲击土体，与土颗粒混合形成水泥土固结体。侧面的喷嘴旁设有压力传感器，实时对旋喷钻头喷嘴附近的泥浆压力进行检测，并根据测得的地内压力调节排浆高压水泵的流量或通过油缸驱动排浆门调节排浆口的开度，改变排浆量，主动控制排浆的流量，使所测地内压力值在设定压力范围内，有效控制地表的隆沉量，从而减少地表变形及对周围环境的影响，并达到垂直旋喷时的成桩直径效果。
软土地层水平旋喷工艺实施原理见图4，其中排浆控制装置与孔口密封装置结构见图5。

图4软土地层水平旋喷工艺实施原理示意图1

图5软土地层水平旋喷工艺实施原理示意图2

在装拆水平旋喷钻杆时，关闭水平旋喷钻头上排浆门，此时水平旋喷钻头上的喷嘴门由于没有水泥浆的压力而关闭，隔绝旋喷形成的泥浆从水平旋喷钻头上的同轴组合喷嘴口与排浆口处流出。
孔口密封装置在旋喷注浆时，其中的密封件能够防止泥浆沿着水平钻杆外壁流出，当旋喷结束、水平钻杆退出后，可关闭其中的闸门，防止旋喷形成的泥浆流出。
4试验情况
成桩试验在长×宽×高尺寸为3.6m×1.85m×2.9m土箱中进行，箱中装满上海地区的软粘土，钻杆中心覆土的厚度达1.6 m，水平旋喷采用180º向下摆喷方式。试验设备除了研制的水平旋喷钻具、孔口装置、水平旋喷钻机、水平旋喷施工参数监测记录装置外，其余高压注浆泵、高压水泵、空气压缩机与拌浆机都是普通国产设备。水平旋喷试验现场见图6。
试验前，在高压注浆泵和高压水泵吸口处安装电磁流量计，并在两台泵的出口处安装压力传感器，空气压缩机出口管路上安装空气流量计并显示压力，水平旋喷钻机安装了动力头移动距离和转速的传感器，并将各传感器、流量计的信号传输线与现场施工参数监视器相连接，以便在水平旋喷成桩试验时显示与记录各项施工参数。
试验时，旋喷钻头处的地内压力控制在0.03～0.05 MPa之间，高压注浆泵工作压力为17～18 MPa，旋喷退杆速度19～21 cm /min。
试验后，经挖土检查，双重管180º摆喷水平旋喷成桩固结体的半径为60～70 cm，断面呈向下的半个圆柱体，水平旋喷成桩水泥土与原状土界面清楚，见图7。
试验中出现一次排浆注水泵工作不正常，在旋喷钻头右侧的土体顶面曾出现冒浆与土体严重隆起的状况；在排浆注水泵正常工作、排浆控制正常情况下，土体顶面无冒浆现象，也没有明显隆起与沉陷现象。但由于土箱侧板限制了土体的水平位移，土体最大隆起量不超过2.5 cm。

图6 水平180˚摆喷成桩断面

5 结语
应用研制的水平旋喷桩施工关键设备样机，在水平旋喷成桩试验过程中，能根据显示的水平旋喷钻头处地内压力值，调节高压水泵的工作流量或排浆口阀门开度来调节排浆量，使水平旋喷钻头处的地内压力值接近该深度的静止土压力，控制了水平旋喷桩施工对周围土体的影响，为形成软土地层水平旋喷施工设备国产化打下了基础。
参考文献
[1] 王国弼,罗鑫. 水平旋喷加固技术现状及问题的研究[J]. 建筑施工, 31(6),2009,6：435-437.
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[4] 彭少杰,杨继范. 超高压双液水平旋喷施工技术[J]. 上海建设科技,2008(6)：31-33.

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