一种钻进喷射振捣搅拌的施工设备及地基基础的施工方法技术领域
本申请涉及土木工程领域，具体涉及一种钻进喷射振捣搅拌的施工设备，以及一
种地基基础的施工方法。
背景技术
目前在建筑工程领域的地基处理工程中，水泥加固法是被广泛采用的一种处理方
法，并且演变和派生出了很多种方法、工艺和设备，但基本上均是围绕并可以概括为深层搅
拌法和高压旋喷法，这两种方法也是最经常使用的，其优点是造价合理，适用范围广泛，特
别是能够较好利用原土，但这两种方法也有其局限性，比如深层搅拌法对土质要求较高，极
易因搅拌不均匀造成桩身强度差异从而影响承载力，高压旋喷法工艺控制严格且易造成浆
液浪费和环境污染，而且由于水泥加固后的桩体本身强度不高，因此这两种方法的整体承
载力有较大局限，因此比较适用于对承载力要求不高的复合地基。再有，且由于地基中土层
的分布、性质、硬度、以及深度的随时变化，对施工方法和施工设备提出更高的要求，否则就
比较容易造成桩的直径变化不一从而影响质量安全，特别是高压旋喷法更难控制桩身直径
的大小并做到上下一致，不仅造成了原材料的浪费，也极易造成桩身缺陷。
发明内容
本发明是为了解决上述的问题而提出的，目的在于提供一种可同时完成旋转钻
进、高压喷射、振捣搅拌等功能的施工设备，并且利用该施工设备提供一种地基基础的施工
方法，首先快速高效的形成质量优良且可控的水泥土桩，然后根据不同的地质条件和设计
要求，在水泥土桩的基础上进行不同方法的后续施工，形成各种形式的、能力各异的、满足
不同需求的地基基础，同时产生提高工效、节约环保的优异效果。
为了实现上述目的，本发明的一种钻进喷射振捣搅拌的施工设备，包括有机架、设
于机架前端立杆处的钻杆，其特征在于，钻杆上设有钻进装置、喷射装置、搅拌振捣装置，所
述钻进装置包括由内管（1）和外管（2）组成的双套管、钻杆上方的旋转动力头（3）、钻杆下方
的带有螺旋叶片的螺旋钻头（4），动力头（3）的传动轴和螺旋钻头（4）均与内管（1）连接固
定；所述喷射装置包括设于内管（1）内腔中的高压浆管（5）、设于螺旋钻头（4）上的与高压浆
管（5）相连通的多个高压喷嘴（6），且高压喷嘴（6）的喷射角度向下倾斜；所述搅拌振捣装置
包括设于螺旋钻头（4）上方的一排以上的横向搅拌叶片（7）、设于横向搅拌叶片（7）上方的
二个以上的小型振捣器（8），所述横向搅拌叶片（7）与内管（1）连接固定，且横向搅拌叶片
（7）的最大外径等于或者大于螺旋钻头（4）的最大直径，所述振捣器（8）通过电机或者液压
马达带动偏振转子旋转能够产生横向振动力，振捣器（8）以软连接方式围绕固定于外管（2）
的底端外部，且振捣器（8）的最大外径等于或小于横向搅拌叶片（7）的最大外径；钻进装置
中的动力头（3）通过内管（1）带动螺旋钻头（4）和横向搅拌叶片（7）同步同向旋转，外管（2）
和振捣器（8）不旋转。
上述的钻进喷射振捣搅拌的施工设备中，最好，所述机架为长螺旋钻机或者钻探
钻机的机架。
上述的钻进喷射振捣搅拌的施工设备中，最好，施工设备还包括驱动钻杆上升和
下沉的液压油缸或∕和卷扬机。
上述的钻进喷射振捣搅拌的施工设备中，最好，喷射装置的高压浆管（5）和高压喷
嘴（6）能够通过和喷射细砂。
上述的钻进喷射振捣搅拌的施工设备中，最好，上述的高压喷嘴（6）的喷射角度向
下倾斜，是指高压喷嘴（6）的喷射角度和地面垂直线的夹角角度不大于50°。
上述的钻进喷射振捣搅拌的施工设备中，最好，喷射装置中的高压浆管（5）与施工
设备外部的高压泵相连，高压泵与制浆设备或/和供水设备或/和供气设备相连。
本发明还包括一种地基基础的施工方法，该方法采用上述的钻进喷射振捣搅拌的
施工设备，其步骤为：
1）将上述钻进喷射振捣搅拌的施工设备的钻杆对准桩位，启动钻进装置在土体中向下
旋转钻进；
2）一边旋转钻进，一边向喷射装置中高压注入拌和好的水泥浆液，水泥浆液的材料成
份包括水泥和水或∕和砂或∕和粉煤灰或∕和外加剂，通过螺旋钻头的旋转切削和高压喷嘴
产生向下的高压冲击射流的联合作用，冲击破碎土体迅速成孔；在成孔过程中通过螺旋钻
头或∕和横向搅拌叶片限定和控制桩孔的直径；同时通过搅拌装置中横向搅拌叶片的连续
旋转和振捣器的横向振动的联合作用，对破碎的土体和注入的水泥浆液予以强制搅拌形成
水泥土；
3）重复进行上述步骤2）的旋转钻进、高压喷射、振捣搅拌的操作，直至预定的深度；
4）上提或者反转上提钻杆，在此过程中视桩孔中水泥土的坍落度和均匀度采用下述方
式之一或者组合予以调整，直至将钻杆提出地基表面，在地基中形成水泥土桩：
①水泥土的坍落度和均匀度均满足要求时，停止高压喷射和振捣搅拌，直接上提或者
反转上提钻杆；
②需增大水泥土的坍落度时，继续高压喷射和振捣搅拌并同时上下移动钻杆；
③需减小水泥土的坍落度时，停止高压喷射，继续振捣搅拌并持续上下移动钻杆，抽取
回收桩孔中的表层浆液或∕和在桩孔中回填水泥或∕和土；
④需提高水泥土的均匀度时，停止高压喷射，继续振捣搅拌并持续上下移动钻杆；
5）采用下述的方法之一进行后续施工：
方法A：形成连续止水帷幕墙，其步骤为：①在上述已经形成的水泥土桩硬化之前，在该
水泥土桩的一侧、距该桩中心点等于或者小于该桩桩径的位置，进行上述步骤1）的操作；②
进行上述步骤2）至步骤4）的操作，在该水泥土桩的一侧形成桩身相接或者咬合第二根水泥
土桩；③以相同的方向在第二根水泥土桩的一侧，按照上述步骤①、②进行持续操作，形成
第三根、第四根直至多根桩身相接或者咬合的水泥土桩，形成连续止水帷幕墙；
方法B：形成复合地基：①按照设定的间距，按照上述步骤1）至步骤4）进行持续操作，形
成第二根、第三根直至多根水泥土桩；②直至整个所需要的场地地基内布满所需要的水泥
土桩；③在全部水泥土桩的桩顶铺设褥垫层，形成复合地基；
方法C：形成预制桩身复合桩，其步骤为：在上述已经形成的水泥土桩硬化之前，在该水
泥土桩的中心位置，通过动力将预制桩身沉入到该水泥土桩身之中至设定深度，形成水泥
土桩中包含预制桩身的复合桩，更大程度的提高桩的整体强度和承载能力；
方法D：形成现浇钢筋混凝土复合桩，其步骤为：①在上述已经形成的水泥土桩硬化之
前，在该水泥土桩的中心位置，通过动力将底端带有预制桩尖或活瓣桩尖的护筒沉入到该
水泥土桩身之中至设定深度；②在护筒中放置钢筋笼并浇灌混凝土；③提出护筒，形成水泥
土桩中包含钢筋混凝土桩的复合桩，更大程度的提高桩的整体强度和承载能力；
方法E：形成载体复合桩，其步骤为：①在上述已经形成的水泥土桩硬化之前，在该水泥
土桩的中心位置，通过动力将底端带有预制桩尖或活瓣桩尖的护筒沉入到该水泥土桩身之
中至设定深度；②在护筒中填入加固料，加固料包括干硬性混凝土、砖、碎石、水泥砂浆的一
种或几种，在护筒中放置重锤，利用重锤的冲击动能夯击填入的加固料；③重复进行上述填
料和重锤夯击操作，使桩端下一定深度和范围内的土体被加固密实，并通过三击贯入度或
者设定的填料量检测控制密实度，从而在桩端形成由挤密的加固料和影响土体组成的桩端
载体；④在护筒中置入预制桩身，或者沉入钢筋笼后浇灌混凝土；⑤提出护筒，形成水泥土
桩中包含混凝土桩且底端带有载体的复合桩，更大程度的提高桩的整体强度和承载能力；
方法F：形成钢筋水泥土桩，其步骤为：在上述已经形成的水泥土桩硬化之前，在该水泥
土桩的中心位置，反插沉入钢筋笼。
上述的地基基础的施工方法中，最好，上述步骤2）中所述的水泥浆液能够采用土
壤固化剂浆液替代。
上述的地基基础的施工方法中，最好，上述步骤2）中所述的通过螺旋钻头（4）或∕
和横向搅拌叶片（7）限定和控制桩孔的直径，是指整个钻杆中直径最大的部分为螺旋钻头
（4）或∕和横向搅拌叶片（7），并且高压喷嘴（6）所产生高压冲击射流是倾斜向下的，因此所
形成的桩孔的直径取决于螺旋钻头（4）或∕和横向搅拌叶片（7）的最大直径。
上述的地基基础的施工方法中，最好，上述步骤4）中所述的振捣搅拌，包括使横向
搅拌叶片（7）和振捣器（8）的同时旋转与振动，还包括使横向搅拌叶片（7）单独旋转或者振
捣器（8）单独振动。
上述的地基基础的施工方法中，最好，上述步骤5）中的方法C、方法D中、方法E中，
上述的通过动力植入预制桩身或者沉入护筒，动力的方式包括锤击或者振动或者静压。
上述的地基基础的施工方法中，最好，上述步骤5）中的方法C、方法E中，预制桩身
包括预制的钢筋混凝土桩或者预应力管桩。
本发明的施工设备及施工方法的特点和优势在于：
①成孔速度快且成孔直径可控：利用旋转切削和高压冲击射流的联合作用冲击破碎土
体，即使遇到原本难以成孔穿透的较硬土层如砂层时，也可以使其硬度和密度得到降低从
而能够快速成孔，并且高压冲击射流的角度倾斜向下，因此螺旋钻头或∕和横向搅拌叶片即
可有效控制桩孔的直径，并且保证桩孔的直径上下相同，能够有效避免因土体的局部变化
造成的桩身缺陷。
②搅拌效果优桩身强度高：采用了深层搅拌和高压旋喷相结合的方式，并且与常
规深层搅拌和高压旋喷有显著区别的，一是高压旋喷的角度向下而非横向喷射，即提高了
成孔速度又使桩身直径可控；二是将喷嘴设于螺旋钻头上，使高压射流直接作用于钻头底
端土体，冲射效果和润滑效果显著；在此基础上，更重要的发明点是，螺旋钻头之上设搅拌
叶片，搅拌叶片之上再设多个小型振捣器，搅拌叶片和振捣器联合作用大大提升了强制搅
拌的效果和速度，特别是振捣器的强力的、连续的横向振动力，对于水泥土的混合和密实效
果，是普通的搅拌或者喷射法是无法比拟的，再加上钻、喷、搅、振的紧密联动，使得水泥土
桩体的均匀性和密实度大大提高，桩身质量显著增强。
③视桩孔中水泥土的混合搅拌效果，可采用多种方式对水泥土的坍落度和均匀度
进一步调整处理以达到设定要求。
④快速高效的形成质量优良且可控的水泥土桩之后，根据不同的地质条件和设计
要求，按照不同的方法进行后续施工，可形成各种形式的、能力各异的、满足不同需求的地
基基础，一桩多用，一桩多能，显著扩大适用范围。
⑤整个施工过程均不排土，即很好的利用原土也无需排土外弃环节，并能够在水
泥土桩中制作复合增强体、桩端载体以及施工过程的挤土效应，再加上水泥土桩身和周围
土体的固结硬化效果，能够有多种手段、在很多个方面显著提高桩的整体强度和抗压、抗剪
能力，因此具有极强的经济性和环保性，起到提高工效、节约建材的良好效果。
附图说明
图1是本发明的施工设备中钻进装置、喷射装置、搅拌振捣装置的一个较佳实施例
的结构示意图。
图2是利用本发明的施工设备和施工方法制作水泥土桩的一个较佳实施例的工序
示意图。
图3是本发明的施工方法中以图2为例的水泥土桩制作连续止水帷幕墙的后续施
工的一个较佳实施例的工序示意图。
图4是本发明的施工方法中对以图2为例的水泥土桩制作载体复合桩的后续施工
的一个较佳实施例的工序示意图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的施工设备中钻进装置、喷射装置、搅拌振捣装置的一个较佳实施例
的结构示意图，如图1所示，钻进装置包括：由内管1和外管2组成的双套管、位于钻杆上方的
旋转动力头3、位于钻杆下方的带有螺旋叶片的螺旋钻头4，动力头3的传动轴与内管1的顶
端连接固定，螺旋钻头4与内管1的底端连接固定；喷射装置包括：设于内管1内腔中的高压
浆管5、设于螺旋钻头4上的与高压浆管5相连通的二个高压喷嘴6，二个高压喷嘴6的喷射角
度均垂直向下；搅拌振捣装置包括：设于螺旋钻头4上方的二排横向搅拌叶片7、设于横向搅
拌叶片7上方的二个小型振捣器8，二排横向搅拌叶片7的规格尺寸相同并与内管1连接固
定，横向搅拌叶片7的外径等于螺旋钻头4的最大直径，振捣器8通过电机马达带动偏振转子
旋转从而能够产生横向振动力，振捣器8以左右对称方式设于外管2的底端外部并采用钢弹
簧软连接方式固定，振捣器8的最大外径小于横向搅拌叶片7的外径；钻进装置中的动力头3
通过内管1带动螺旋钻头4和横向搅拌叶片7同步同向旋转，外管2和振捣器8不旋转。
图2是利用本发明的施工设备和施工方法制作水泥土桩的一个较佳实施例的工序
示意图，首先，如图2中a所示，将施工设备的钻杆对准桩位，启动旋转动力头3使螺旋钻头4
在土体中向下旋转钻进；然后，如图2中b所示，一边旋转钻进，一边向喷射装置中高压注入
拌和好的水泥浆液，水泥浆液的材料成份包括水泥和水和砂和粉煤灰，水泥浆液在高压喷
嘴6处产生向下的高压冲击射流，通过螺旋钻头4的旋转切削和高压冲击射流的联合作用，
冲击破碎土体迅速成孔，在成孔过程中通过螺旋钻头4和横向搅拌叶片7控制桩孔的直径，
同时利用横向搅拌叶片7的连续旋转和振捣器8的横向振动的联合作用，对破碎的土体和注
入的水泥浆液予以强制搅拌形成水泥土；然后，如图2中c所示，重复进行上述旋转钻进、高
压喷射、振捣搅拌的操作，直至预定的深度；然后，如图2中d所示，反转上提钻杆一定高度后
再下压钻杆，在此过程中保持高压喷射和振捣搅拌的操作，重复三次上下移动钻杆并高压
喷射和振捣搅拌的操作，对桩孔中的水泥土进行重复振捣搅拌；然后，如图2中e所示，停止
高压喷射但保持振捣搅拌操作，反转上提钻杆；最后，如图2中f所示，将钻杆提出地基表面，
从而在地基中形成水泥土桩9。
图3是本发明的施工方法中以图2为例的水泥土桩制作连续止水帷幕墙的后续施
工的一个较佳实施例的工序示意图，首先，如图3中a所示，在水泥土桩9硬化之前，在水泥土
桩9的一侧且距离桩中心点小于水泥土桩9的桩径的位置，将施工设备的钻杆对准该位置并
启动旋转动力头3使螺旋钻头4在土体中向下旋转钻进；然后，如图3中 b所示，按照上述的
以图2为例的水泥土桩的制作方法，利用施工设备进行旋转钻进、高压喷射、振捣搅拌的操
作，形成与水泥土桩9的桩身咬合的另一根水泥土桩10；然后，如图3中c所示，以相同的方向
在水泥土桩10的一侧，利用施工设备按照上述相同步骤持续操作，形成更多的桩身咬合的
水泥土桩11和水泥土桩12；最后，如图3中d所示，最终形成一排由多根桩身咬合的水泥土桩
组成的连续止水帷幕墙。
图4是本发明的施工方法中对以图2为例的水泥土桩制作载体复合桩的后续施工
的一个较佳实施例的工序示意图，首先，如图4中a所示，在水泥土桩9硬化之前，在水泥土桩
9的中心位置，通过动力将底端带有预制桩尖或活瓣桩尖的护筒13沉入，护筒13的直径小于
水泥土桩9的直径，在沉入护筒13的过程中使水泥土桩9的直径向外部扩大；然后，如图4中b
所示，将护筒13沉入到与水泥土桩9相同的深度位置；然后，如图4中c所示，在护筒13中填入
加固料14，加固料14为水泥和砂和水拌合而成的水泥砂浆，在护筒13中放置重锤15，利用重
锤15的冲击动能对填入的加固料14进行夯击挤密；然后，如图4中d所示，重复进行上述的填
料和夯击操作，使桩端下一定深度和范围内的土体被加固密实，并通过三击贯入度或者设
定的加固料14的填料量检测控制密实度，从而在桩端形成由挤密的加固料14和影响土体16
组成的桩端载体；然后，如图4中e所示，在护筒13中沉入钢筋笼17后浇灌混凝土18；最后，如
图4中f所示，提出护筒13，形成水泥土桩中包含混凝土桩且底端带有载体的复合桩。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。