往复式高压喷射灌浆地基防渗加固方法及其设备 【技术领域】
本发明涉及岩土工程的防渗处理和地基加固技术领域，尤其涉及一种往复式高压喷射灌浆地基防渗加固方法及其设备。
背景技术
目前岩土工程防渗加固处理的传统方法为先钻孔，后下喷射管进行高压喷射灌浆，该传统方法只在提升时才进行高压喷射，因此称为单程式高压喷射灌浆，由于是先钻孔然后下喷射管进行高压喷射，因此其钻孔时，不用高压射流的钻孔直径较小，大约在108毫米以内，并且高喷时水泥用量大，水泥浪费严重，而且由于单程式高压喷射灌浆采用钻机钻孔，然后再用高压喷射灌浆设备进行高压喷射，所以设备复杂，人员繁冗，提高了工程造价，从技术上来讲，单程式高压喷射的钻孔垂直度是通过先钻孔，然后用测斜仪下放至钻孔内进行斜度测量，工序复杂，如果测斜出现孔斜率过大，还需要洗孔纠偏，甚至重新造孔，当单程式高压喷射灌浆在摆喷时，其喷嘴部位的成墙较薄，不到10厘米，不能保证工程质量，另外，单程式高压喷射灌浆是先用钻机造孔，后移开钻机，将高压喷射台车移动至钻孔位置，然后下喷浆管进行高压喷射，这种操作存在的弊端在于当遇到卵石、砂及淤泥地层时，钻机的钻孔很难成孔，并且容易塌孔、埋钻杆，无法放置喷射管。
【发明内容】
为了解决上述现有技术中存在的技术问题，提供一种减少设备数量和操作人员数量、工序简单、钻进垂直精度高、节约水泥用量、缩短施工工期、工程造价低的往复式高压喷射灌浆地基防渗加固方法及其设备，该方法和设备将钻进和高压喷射融为一体，减少设备数量和操作人员数量，同时提高了工效和钻孔的垂直度，节约水泥用量，缩短施工工期，大大降低了施工成本。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
在钻杆内安装水或浆和气高压喷射管路，配备输送浆或水和气及提升设备，将钻灌一体的步履式台车移动至钻孔位置，进行钻进施工，钻进时高压泥浆泵输送高压介质，需要时打开空压机输送高压气体，高压介质对钻孔周围的原始地层进行喷射，切割、搅拌形成为0.2-1.0米甚至更大的钻孔直径，并制成混合液体，当钻至设计深度后，将高压介质换成水泥浆，同时关闭射水管，由下而上进行高压喷射灌浆。
本发明的又一个特征是将往复式高喷射台车移动至钻孔位置，开动高压泥浆泵输送高压液体介质切割地层，液体介质的压力为10-45Mpa，介质与地层的混合物对槽孔护壁，当钻至设计深度后，输送合乎要求高压水泥浆，即根据设计要求送高压水泥浆的压力为10-45Mpa，甚至更大，同时关闭射水管，由下而上进行喷射，直至设计高程，分序或连续施工形成水泥凝固体或帷幕。
本发明的又一个特征是高压喷射灌浆有旋喷灌浆方式，当旋喷灌浆时，高压水泥浆进一步扩大切割范围，制成符合要求的圆孔孔槽，同时水泥浆与地层的混合液体掺搅形成水泥混合体，水泥浆在高压作用下挤压喷嘴喷射区域内的液体，把混合液体从孔口置换出孔外，水泥浆留在地下充填圆形孔槽，形成凝固体。
本发明的又一个特征是高压喷射灌浆还有摆喷灌浆的形式，当摆喷时开动高压泥浆泵，在钻进切割地层的基础上高压水泥浆沿摆角方向进一步切割原地层，扩大切割区域，制成孔槽，水泥浆在高压作用下挤压喷嘴喷射区域内的混合体，把混合体置换出孔外，水泥浆留在地下形成水泥混合体帷幕。
本发明的又一特征是高压喷射灌浆还有定喷地形式，当定喷时根据设计要求选择施工参数，开动高压泥浆泵，在钻进切割地层的基础上高压水泥浆沿着固定的喷射方向进一步切割原地层，扩大切割区域，制成符合要求的孔槽，水泥浆在高压作用下挤压喷嘴喷射区域内的混合体，把混合体置换出孔外，水泥浆留于地下形成水泥混合体帷幕。
本发明的又一特征是为了实施本发明的往复式高压喷射灌浆地基防渗加固方法而专门设计的设备，用深层搅拌法的步履式台车代替钻机和高喷台车，在深层搅拌法的步履式台车的平台上安装调速电机，一连杆将调速电机和步履式台车上的磨盘连接，往复高压喷射台车由船体和支架两部分组成，船体上分布有供钻杆旋转的磨盘、为磨盘提供动力的电动机、摆动机构、提升机构，台车行走采用液压油缸，钻杆的提升和下落通过提升装置与支架连接的链条完成。
本发明的又一特征是钻杆内安装两根无缝钢管，一根为钻进和提升时用的高压水或浆管，另一根为输气管。
本发明的又一特征是钻杆的专用接头，接头为凹凸形结构，凹凸形接头分别焊接在钻杆的两端，钻杆内的无缝钢管与凹凸形接头插接形成密封连接。
本发明的又一特征是钻喷头是四翼钻头，高压喷嘴在钻头的上方15～20cm左右的两侧或一侧，其外径比钻杆旋转的直径大0.5厘米。
本发明的又一特征是钻头采用镶合金钻头或金刚石钻头或牙轮钻头。
采用本发明的往复式高压喷射灌浆，由于是在钻进时用高压射流钻孔，因此，造孔直径比较大，可达200-1000毫米，甚至直径更大，在高压喷射时和单程式高喷相比，如果利用同样的设计参数进行工作，较单程式高压喷射灌浆更能保证工程质量，如果采用相同的压力、摆角和提速，在相同时间里，往复式高压喷射灌浆比单程式高压喷射灌浆完成工作量大，如果采用相同的压力、摆角和完成相同的工作量，往复式高压喷射灌浆提速比单程式高压喷射灌浆快，工效高。
由于往复式高压喷射灌浆是采用造孔和高压喷射同时进行，因此，减少了机械设备数量，减少了施工人员数量，降低了工程造价。
从技术上讲，往复式高压喷射采用了钻进时扩孔的原理，所以钻杆钻进时就会在扩大孔内沿铅直方向自动纠偏，只要在钻进时随时测量钻机与钻杆的垂直度，保证其垂直精度就可以了，这样避免了单程式高压喷射中钻孔成孔后，经过测斜出现孔斜率过大需要洗孔纠偏，甚至重新造孔的问题。
往复式高压喷射灌浆将定喷、摆喷时喷嘴部位的成墙厚度较之单程高压喷射提高了一倍，保证了工程质量。
往复式高压喷射因为是钻喷一体，就很好地解决了塌孔、埋钻杆和下不去喷浆管的问题。
【附图说明】
图1是往复式高压灌浆地基防渗加固方法的示意图；
图2是图1中摆动机构15的正视立面剖面图；
图3是图1的摆动机构15的俯视平面示意图；
图4是接头示意图；
图5是钻喷头接头示意图；
图6是工程施工的工艺流程图。
其中，1-步履式台车，2-操纵台，3-变速机构，4-加压提升装置，5-转盘，6-钻(喷)杆，7-钻架，8-链条，9-空压机，10-高压泥浆泵，11-搅拌机，12-高压胶管，13-三通，14-软气管，15-摆动机构，16-水龙头，17-链轮，18-链轮，19-动力装置，20-传动装置，21-泥浆泵，22-储浆筒，23-水筒，24-钻头，25-连杆固定装置，26-摆动机构连杆，27-摆角选择装置，28-动力传动杆，29-摆动机构动力传动装置，30-减速机构，31-水(浆)管，6-钻杆，33-连接螺栓，35-气管，36-凹接头，37-凸接头。
【具体实施方式】
根据附图1-3，包括步履式台车1，钻架7，搅拌机11，高压泥浆泵10，动力装置19，传动装置20，变速机构3，转盘5，钻(喷)杆6，钻喷头24，加压提升装置4，摆动装置15等。
钻进时，通过操纵操纵台2移动步履式台车1到孔位，启动空压机9将压缩空气通过软气管14输至水龙头16，通过钻喷杆内6的气管35从高压气嘴39包裹着高压水泥浆(水)喷出，启动搅拌机11将搅拌的水泥浆由泥浆泵21输送到储浆筒22，启动高压泥浆泵10，水筒23内的水经过高压泥浆泵加压后通过高压胶管12输送至水龙头16，通过钻喷杆内6的浆(水)管31从高压浆(水)嘴38处，在高压气的包裹下高压喷出，动力装置19通过变速机构3及传动装置20使转盘5旋转，加压提升装置4通过链轮17、18传动链轮链条机构给钻(喷)杆6加压，同时高压泥浆泵10用高压水切割地层钻进。
提升时，通过三通13将水换成水泥浆液，加压提升装置4通过链轮17、18传动链轮链条机构提升水龙头16和钻(喷)杆6，由摆动机构15摆动，高压泥浆切割地层，边摆动边提升，重复进行，形成防渗帷幕；当高压泥浆切割地层时不用摆动机构15，而用转盘旋转时，边旋转边提升就形成旋喷桩。
附图4-5中，钻喷头24为镶合金的四翼钻头，上部与接头36连接，钻(喷)杆6内有两根密封的无缝钢管分别是浆(水)管31和35气管，分别焊接在钻喷杆上的接头上，钻喷头的上部15～20cm处的两侧或一侧安装着高压浆(水)嘴38和高压气嘴39。钻喷头的钻进、提升是通过水龙头16与钻(喷)杆连接形成密封构造，加压提升装置4通过链轮17、18传动链轮、链条机构，带动钻喷杆完成。
用深层搅拌法的步履式台车代替钻机和单程式高喷台车，再在台车的平台上安装调速电机，然后利用连杆将调速电机与步履式台车上的磨盘连接这样就制成了摆动角度可在0～60°调整的往复式高压喷射灌浆的步履式台车，往复高喷台车由船体和支架两大部分组成，船体长度6～8m不等，宽度2.4m，液压支腿两侧伸长量为2.8m，船体上分布着供钻杆旋转的磨盘、为磨盘提供动力的电动机、摆动机构、提升机构，台车行走采用液压油缸，可自由的左右前后、上下移动，钻杆的提升和下落通过提升装置利用与支架连接的链条完成；利用往复式高压喷射灌浆台车带动钻(喷)杆钻进、提升、旋转、摆动，钻杆采用方型，边长114cm或125cm、壁厚0.8cm或1cm，提升速度控制在5～30cm/min、旋转按顺时针，钻进时转速在20～50r/min、旋喷时转速在20～50r/min、摆动时摆动速度为6～10r/min，摆动结构见示意图3。钻杆内安装两根无缝钢管，无缝钢管的压力指标不小于50Mpa，壁厚不小于4mm，一根为钻进和提升时用的高压水(浆)管，高压水的压力范围为10～45Mpa、高压浆的压力范围为10～45Mpa，另一根为输气管，气的压力范围在0.6～0.8Mpa。钻杆的连接利用专用的接头，接头的外型尺寸与钻杆相同，结构见往复高喷接头示意图4，接头采用凹凸形插接，凹凸形的接头分别焊接在钻杆的两头，钻杆内的无缝钢管与凹凸接头对接时形成密封连续的高压水(浆)、气管路。钻杆下部与带高喷嘴的钻喷头连接，钻头可选用合金、金刚石钻头及牙轮钻头，钻头的外径比钻杆旋转的直径大0.5cm，以保护钻杆，高喷水嘴与钻头合金之间的距离越小越好，一般不超过20cm。高喷水嘴采用合金，喷嘴内径为0.6～2.5mm，钻喷头结构见示意图5，上部与高压水(浆)、气管路连接。高压水(浆)管路与高压泥浆泵连接，泥浆搅拌机通过管路与高压泥浆泵连接，气管路与空压机连接。高压泥浆泵喷射高压水泥浆和高压水时共用一根高压胶管，用三通连接。
将往复式高喷台车移至钻孔位置，开动机械设备输送高压液体介质切割地层，液体介质的压力为10～45Mpa，介质与地层的混合物对槽孔护壁，当钻至设计深度后，输送合乎要求的高压水泥浆(根据设计要求送高压气)，高压水泥浆的压力为10～45Mpa(高压气的压力为0.6～0.8Mpa)同时关闭射水管，由下而上进行高喷，直至设计高程，连续或分序施工形成水泥凝固体或帷幕。
本发明的优点是：钻进和高喷融为一体，减少了设备和操作人员，采用射流钻进提高了工效和钻孔的垂直度，采用往复式高喷施工速度快，节约水泥，大大降低了施工成本。
往复式高压喷射灌浆地基加固方法，其特征是：由单程式高喷变为往复式高喷，在钻杆内安装水(浆)、气高压喷射管路和钻进时的射水管路，配备输送浆、水、气及提升设备，将钻喷一体的步履式台车移至钻孔位置，连续或分序进行钻进施工，钻进时高压泥浆泵输送高压水或其它高压介质，需要时打开空压机输送高压气体，高压介质对钻头周围0.2～1.0m的原始地层进行喷射、切割，搅拌并制成混合液体，当钻至设计深度后，将高压介质换成水泥浆，需要时打开高压气管，同时关闭射水管，由下而上进行高喷灌浆。
高喷灌浆有旋喷、摆喷、定喷三种形式，旋喷灌浆时，高压水泥浆进一步喷射切割地层扩大切割范围，制成符合要求的圆形孔槽，同时水泥浆与地层的混合液体掺搅形成水泥混合体，水泥浆在高压作用下挤压喷嘴喷射区域内的液体，把混合液体从孔口置换出孔外，水泥浆留于地下充填圆形孔槽，形成凝固体
摆喷时根据设计要求选择施工参数，开动高压泥浆泵，高压水泥浆沿着摆角进一步切割原地层，扩大切割区域，制成符合要求的孔槽，水泥浆在高压作用下挤压喷嘴喷射区域内的混合体，把混合体置换出孔外，水泥浆留于地下形成水泥混合体帷幕。
定喷时根据设计要求选择施工参数，开动高压泥浆泵，高压水泥浆沿着固定的喷射方向进一步切割原地层，扩大切割区域，制成符合要求的孔槽，水泥浆在高压作用下挤压喷嘴喷射区域内的混合体，把混合体置换出孔外，水泥浆留于地下形成水泥混合体帷幕。
工程施工：
(1)造孔作业
①台车就位：将台车移至待钻孔位。
②台车调平：台车就位后，调平机台，使台车主轴垂直地面。
③造孔：钻孔深度应大于设计孔深0.2～0.5m。
(2)喷灌作业
1)浆液制备：应用设计需要的水泥等材料配制浆液，如425#硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，或水泥与粉煤灰配制材料等。
2)水泥浆采用高速搅拌机制浆，施工技术人员定期检查材料掺量及浆液比重，严格控制浆液质量。
3)施工工艺：
1、往复高喷灌浆建造防渗帷幕，一般采用两序法施工，两序孔间隔布置，两序孔间隔12～72小时，同序孔喷射方向相同，墙体采用折线形连接。
2、下喷射管：钻进同时下喷射管，到设计深度后，定好喷射方向、摆动角度，然后喷射灌浆。
3、喷射灌浆：当喷射管至设计深度后，送入合乎要求的气、浆，按规定的提升、摆动速度自下而上边喷射边提升，直至设计高程，停止送气，当浆液注满孔时，停止送浆。
4、回灌：喷射结束后，孔内浆液还在不断沉淀、析水，导致液面不断下降，因此喷射结束后，还要利用回浆向孔内补充浆液，直到液面不在下沉。
5、冒浆利用：高喷灌浆施工过程中产生的回浆不能随意排放，为保护生态环境，可有选择的利用回浆的办法。
6、清洗：一孔喷完后应迅速移到下一孔。如因移位或故障等原因停止灌浆1～3小时，应将各管路冲洗干净，不得留有残渣，以防堵塞。