一种硬土层预破碎三轴水泥搅拌桩钻具及其施工方法
【专利摘要】本发明涉及硬土层预破碎三轴水泥搅拌桩钻具，包括搅拌钻管、可收缩搅拌头、冲击钻钻杆和冲击钻钻头；可收缩搅拌头由矩形固定叶片和圆弧形活动叶片通过铰链连接而成，可伸缩搅拌头正向旋转时，活动叶片呈展开状态，反向旋转时活动叶片呈收缩状态；搅拌钻管上对称设置多排钻管叶片；冲击钻钻杆和冲击钻钻头置于搅拌钻管内部，搅拌钻管底部设置活动门不使用冲击钻时，冲击钻钻杆和冲击钻钻头被活动门封闭在搅拌钻管内，使用冲击钻时，冲击钻钻杆和冲击钻钻头伸出搅拌钻管。本发明的有益效果是：本发明三轴搅拌钻管内置一根冲击钻，遇到较坚硬的硬土层或孤石时可以利用冲击钻冲击破碎，从而减小三轴搅拌钻进难度。
【专利说明】
一种硬土层预破碎三轴水泥搅拌桩钻具及其施工方法
技术领域
[0001]本发明属于基坑围护和地基处理领域，特别涉及一种硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具及其施工方法，适用于有卵石层、风化岩层等硬土层的三轴水泥搅拌粧施工。
【背景技术】
[0002]水泥土搅拌粧止水帷幕符合绿色环保要求，相对性价比高，其工艺越来越多地被应用到基坑围护工程中。但是施工常遇到埋藏深、厚度大的卵石层、风化岩层等硬土层，往往造成三轴水泥搅拌粧钻进困难、成粧质量差，从而导致止水效果差。
[0003]中国专利CN104420462公开了一种超级三轴水泥搅拌粧设备，该专利增大钻齿间距和钻杆叶片间距并增大搅拌头动力来实现卵石层钻进，而实际上对于较致密的卵石层或遇到孤石时，仍然会钻进困难，甚至会扭矩过大损坏钻杆。中国专利CN102979095公开了一种超硬土层三轴水泥土搅拌粧施工方法，针对风化岩或卵石层等硬土层先进行引孔施工，然后再进行三轴搅拌施工，这种方法需要采用引孔钻进先引孔，增加了工序，施工效率较低，增加了成本。
[0004]综上所述可知，改进卵石层、风化岩层等硬土层的三轴水泥搅拌粧施工设备和施工方法十分必要，既要解决硬土层中遇到硬土层钻进困难的问题又要兼顾施工效率的问题，从而使得工程的效益最大化。
【发明内容】
[0005]为针对性地解决硬土层施工困难和成粧质量差的问题，本发明提出一种硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具及其施工方法。
[0006]为了实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案:
[0007]这种硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具，包括搅拌钻管、可收缩搅拌头、冲击钻钻杆和冲击钻钻头;可收缩搅拌头由矩形固定叶片和圆弧形活动叶片通过铰链连接而成，可伸缩搅拌头正向旋转时，活动叶片呈展开状态，反向旋转时活动叶片呈收缩状态;搅拌钻管上对称设置多排钻管叶片;冲击钻钻杆和冲击钻钻头置于搅拌钻管内部，搅拌钻管底部设置活动门不使用冲击钻时，冲击钻钻杆和冲击钻钻头被活动门封闭在搅拌钻管内，使用冲击钻时，冲击钻钻杆和冲击钻钻头伸出搅拌钻管。
[0008]作为优选:所述可收缩搅拌头上设置3片固定叶片，3片活动叶片。
[0009]作为优选:所述搅拌钻管底部的活动门通过活动门铰链与搅拌钻管底端连接，活动门与搅拌钻管外径尺寸一致，活动门上设置提拉钢丝绳，活动门通过冲击钻钻杆下压打开，通过提拉钢丝绳提拉关闭。
[0010]作为优选:所述固定叶片和活动叶片下部均设有钻齿。
[0011 ]作为优选:所述冲击钻钻头和钻齿均为钨钴钛合金材质。
[0012]作为优选:所述冲击钻钻头和钻齿形状均为倒四棱台形。
[0013]这种硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具的施工方法，包括以下步骤:
[0014]I)场地平整与测量放线:机械进场前对搅拌粧施工区域内进行清除及场地平整，做到地基坚实平整;根据坐标基准点，按设计图放出粧位，并设临时控制粧；
[0015]2)挖掘导槽:用挖掘机沿围护中心线平行方向开掘工作沟槽，沟槽宽度根据围护结构宽度确定；
[0016]3)钻具安装粧机就位:在三轴搅拌粧机的动力头上分别安装三根硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具，三根搅拌钻管安装于动力头的三个转动轴上，三根冲击钻钻杆通过钢丝绳连接三轴搅拌粧机架的液压提升装置，活动门的钢丝绳连接三轴搅拌粧机架的液压提升装置，安装完毕后操作人员根据确定的位置严格控制钻机粧架的移动，确保钻孔轴心就位不偏；;
[0017]4)制备水泥浆液及浆液注入:在施工现场布设水泥浆搅拌系统，附近安置水泥罐，在开机前按要求进行水泥浆液的搅制;将配制好的水泥浆送入贮浆桶内备用；
[0018]5)—般土层搅拌:对一般土层采用正向旋转喷浆搅拌施工，活动叶片呈扩展状态搅拌钻进，活动门呈关闭状态，防止土壤挤压入搅拌钻管；
[0019]6)冲击破碎硬土层:遇到卵石层、风化岩等硬土层或孤石，难以正常搅拌钻进时，首先提升搅拌钻管和冲击钻钻杆一定高度，为活动门打开预留一定空间，用冲击钻钻杆下压打开活动门，然后提升冲击钻钻杆至一定高度，利用冲击钻钻头向下冲击破碎硬土层或孤石，多次反复冲击破碎，冲击破碎完成后，提拉钢丝绳，关闭活动门，然后利用搅拌钻钻头钻进；
[0020]7)硬土层收缩搅拌预破碎:对经过冲击钻冲击破碎后的卵石层、风化岩等硬土层或孤石，或者不需冲击破碎的较松散卵石层和强风化岩，反向旋转搅拌钻管，活动叶片在土壤阻力下收缩，减小搅拌范围和搅拌阻力，在活动叶片呈收缩状态下不喷浆搅拌钻进，对硬土层进行预破碎，预破碎松动硬土层后将搅拌钻管改为正向旋转，活动叶片在土壤阻力下扩展，正常搅拌范围下喷浆搅拌，在硬土层形成水泥搅拌粧。
[0021]本发明的有益效果是:
[0022]1、本发明三轴搅拌钻管内置一根冲击钻，遇到较坚硬的硬土层或孤石时可以利用冲击钻冲击破碎，从而减小三轴搅拌钻进难度。
[0023]2、本发明三轴搅拌钻管底部有一个活动门可以在不使用冲击钻时封堵钻管底部开口，防止泥土挤压进入搅拌钻管，使用冲击钻时可打开。
[0024]3、本发明搅拌钻头改进为固定叶片连接活动叶片的形式，遇到硬土层时可以通过反向旋转钻管，在土压力下使活动叶片收缩，从而减小了搅拌范围，也就减小了钻进阻力，减小了三轴搅拌钻进难度，通过活动叶片收缩状态下预破碎之后再正常搅拌钻进施工，所需搅拌动力较小，施工难度较小。
[0025]4、本发明采用冲击预破碎和收缩搅拌预破碎结合，在正常搅拌之前先对硬土层进行预破碎，解决了硬土层三轴搅拌钻进困难的难题，提高了施工效率和施工质量。
[0026]5、本发明避免了硬土层引孔施工工序，采用一台粧机连续施工即可完成施工，施工效率高，施工工期短。
[0027]6、本发明提高了硬土层的三轴搅拌粧成粧质量，提高了硬土层水泥搅拌粧止水帷幕的抗渗性能，止水效果好，在各类基坑工程止水帷幕施工均可使用，应用范围广。
[0028]7、本发明施工简便，安全可靠。本发明通过冲击钻钻头提前对硬土层进行冲击破碎以及收缩叶片预搅拌松动硬土层后即可正常施工水泥搅拌粧，施工简便，减少了卡钻、掉钻的风险，施工安全可靠。
【附图说明】
[0029]图1为活动门开启状态本发明结构示意图；
[0030]图2为活动门封闭状态本发明结构示意图；
[0031 ]图3为可收缩搅拌头的活动叶片收缩状态图；
[0032]图4为可收缩搅拌头的活动叶片扩展状态图；
[0033]附图标记说明:搅拌钻管(I)、钻管叶片(2)、注浆管(3)、冲击钻钻杆(4)、固定叶片
(5)、活动叶片(6)、钻齿(7)、冲击钻钻头(8)、铰链(9)、活动门(10)、钢丝绳(11)、活动门铰链(12)。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0035]本发明用于三轴水泥搅拌粧止水帷幕，一般用于粧长范围内含有卵石层或风化岩层的工程。
[0036]如图1至图4所示，这种硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具，包括搅拌钻管1、可收缩搅拌头、冲击钻钻杆4、冲击钻钻头8。可收缩搅拌头由固定叶片5和活动叶片6通过铰链9连接而成，固定叶片5为矩形，活动叶片6为弧形，可伸缩搅拌头正向旋转时，活动叶片6呈展开状态，属于正常搅拌范围，在展开状态搅拌出的粧径为设计粧径，反向旋转时活动叶片在土壤阻力下收缩，三片圆弧形的活动叶片6收缩后在一个圆弧内，搅拌范围变小，从而减小了搅拌阻力，可以用来预破碎或预松动硬土层。固定叶片5和活动叶片6下部均设置一个倒四棱台形状的钻齿7，对破碎硬土层较为有效。搅拌钻管I上对称设置多排钻管叶片2，每排钻管叶片2为一对叶片，不采用常规的螺旋叶片而采用成对叶片可以减小钻进阻力，并且能够充分搅拌硬土层提高成粧质量。冲击钻杆和冲击钻头置于搅拌钻管I内部中心位置，三轴搅拌钻具的三根钻管中均设置一个冲击钻，遇到较致密的硬土层或孤石时可以采用冲击钻预先破碎，冲击破碎完成之后再用收缩状态的搅拌钻头搅拌再次破碎和松动。冲击钻对解决致密硬土层和孤石处理十分有效。为了防止在正常钻进过程中泥土挤压进钻管内，在搅拌钻管I底部设置了一个活动门10，不使用冲击钻时，活动门10关闭，使用冲击钻时活动门10打开。活动门10通过冲击钻杆4下压打开，通过钢丝绳11提拉关闭。
[0037]实施例:施工某基坑围护工程中直径为100mm的三轴水泥搅拌粧止水帷幕，粧长范围内地层中含较致密卵石层。
[0038]采用搅拌钻管I直径400mm，搅拌钻头的固定叶片5长度为150mm，活动叶片6弧长170mm，圆弧半径为150mm，活动叶片6扩展开后叶片6顶端至铰链9距离为150mm。搅拌钻管I壁厚20cm，搅拌钻管I内内置的冲击钻钻杆4直径为280mm。搅拌钻管I底部的活动门10直径与搅拌钻管I外径相同。施工时按照下述工序施工。
[0039]I)场地平整与测量放线:机械进场前对搅拌粧施工区域内进行清除及场地平整，做到地基坚实平整。根据坐标基准点，按设计图放出粧位，并设临时控制粧。
[0040]2)挖掘导槽:用挖掘机沿围护中心线平行方向开掘工作沟槽，沟槽宽度Im-1.5m。[0041 ] 3)钻具安装粧机就位:在三轴搅拌粧机的动力头上分别安装三根硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具，三根搅拌钻管I安装于动力头的三个转动轴上，三根冲击钻钻杆4通过钢丝绳连接三轴搅拌粧机架的液压提升装置，活动门10的钢丝绳连接三轴搅拌粧机架的液压提升装置，安装完毕后操作人员根据确定的位置严格控制钻机粧架的移动，确保钻孔轴心就位不偏。
[0042]4)制备水泥浆液及浆液注入:在施工现场布设水泥浆搅拌系统(自动搅拌站)，附近安置水泥罐，在开机前按要求进行水泥浆液的搅制。将配制好的水泥浆送入贮浆桶内备用。
[0043]5)—般土层搅拌:对一般土层采用正向旋转喷浆搅拌施工，活动叶片6呈扩展状态搅拌钻进，叶片搅拌范围为1000mm，一般土层水泥浆水灰比为1.5，按水泥掺量20 %喷浆。一般土层施工过程中活动门10呈关闭状态，防止土壤挤压入搅拌钻管I。
[0044]6)冲击破碎硬土层:遇到卵石层、风化岩等硬土层或孤石，难以正常搅拌钻进时，首先提升搅拌钻管I和冲击钻钻杆4 一定高度，提升高度需大于活动门10直径，为活动门10打开预留一定空间，用冲击钻钻杆4下压打开活动门，然后提升冲击钻钻杆4至一定高度，冲击钻钻杆4提升高度根据岩石冲击破碎情况试验确定，利用冲击钻钻头8向下冲击破碎硬土层或孤石，多次反复冲击破碎，冲击破碎完成后，提拉钢丝绳11，关闭活动门10，然后利用搅摔钻钻头钻进。
[0045]7)硬土层收缩搅拌预破碎:对经过冲击钻冲击破碎后的卵石层、风化岩等硬土层或孤石，或者不需冲击破碎的较松散卵石层和强风化岩，反向旋转搅拌钻管I，活动叶片6在土壤阻力下收缩，减小搅拌范围和搅拌阻力，在活动叶片6呈收缩状态下不喷浆搅拌钻进，对硬土层进行预破碎，预破碎松动硬土层后将搅拌钻管I改为正向旋转，活动叶片6在土壤阻力下扩展，正常搅拌范围下喷浆搅拌，在硬土层形成水泥搅拌粧。可根据地层情况选择是否需要采用冲击破碎，一般情况下孤石需要采用冲击破碎，较致密的卵石层和较坚硬的风化岩，一般需要先采用冲击破碎，冲击破碎后为收缩搅拌破碎创造了基础条件，然后采用活动叶片6呈收缩状态下搅拌充分破碎后再正常搅拌范围下正常钻进施工。对于较松散的卵石层和强风化岩，如果采用收缩搅拌可以破碎，则不需要采用冲击钻。
【主权项】
1.一种硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具，其特征在于:包括搅拌钻管(I)、可收缩搅拌头、冲击钻钻杆(4)和冲击钻钻头(8);可收缩搅拌头由矩形固定叶片(5)和圆弧形活动叶片(6)通过铰链(9)连接而成，可伸缩搅拌头正向旋转时，活动叶片(6)呈展开状态，反向旋转时活动叶片(6)呈收缩状态;搅拌钻管(I)上对称设置多排钻管叶片(2);冲击钻钻杆(4)和冲击钻钻头(8)置于搅拌钻管(I)内部，搅拌钻管(I)底部设置活动门(10)不使用冲击钻时，冲击钻钻杆(4)和冲击钻钻头(8)被活动门(1)封闭在搅拌钻管(I)内，使用冲击钻时，冲击钻钻杆(4)和冲击钻钻头(8)伸出搅拌钻管(I)。2.根据权利要求书I所述的硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具，其特征在于:所述可收缩搅拌头上设置3片固定叶片(5)，3片活动叶片(6)。3.根据权利要求书I所述的硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具，其特征在于:所述搅拌钻管(I)底部的活动门(10)通过活动门铰链(12)与搅拌钻管(I)底端连接，活动门(10)与搅拌钻管(I)外径尺寸一致，活动门上设置提拉钢丝绳(11)，活动门(10)通过冲击钻钻杆(4)下压打开，通过提拉钢丝绳(11)提拉关闭。4.根据权利要求书I所述的硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具，其特征在于:所述固定叶片(5)和活动叶片(6)下部均设有钻齿(7)。5.根据权利要求书4所述的硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具，其特征在于:所述冲击钻钻头(8)和钻齿(7)均为钨钴钛合金材质。6.根据权利要求书4所述的一种硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具，其特征在于:所述冲击钻钻头(8)和钻齿(7)形状均为倒四棱台形。7.—种如权利要求1所述的硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具的施工方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)场地平整与测量放线:机械进场前对搅拌粧施工区域内进行清除及场地平整，做到地基坚实平整;根据坐标基准点，按设计图放出粧位，并设临时控制粧； 2)挖掘导槽:用挖掘机沿围护中心线平行方向开掘工作沟槽，沟槽宽度根据围护结构宽度确定； 3)钻具安装粧机就位:在三轴搅拌粧机的动力头上分别安装三根硬土层预破碎三轴水泥搅拌粧钻具，三根搅拌钻管(I)安装于动力头的三个转动轴上，三根冲击钻钻杆(4)通过钢丝绳连接三轴搅拌粧机架的液压提升装置，活动门(10)的钢丝绳连接三轴搅拌粧机架的液压提升装置，安装完毕后操作人员根据确定的位置严格控制钻机粧架的移动，确保钻孔轴心就位不偏； 4)制备水泥浆液及浆液注入:在施工现场布设水泥浆搅拌系统，附近安置水泥罐，在开机前按要求进行水泥浆液的搅制;将配制好的水泥浆送入贮浆桶内备用； 5)—般土层搅拌:对一般土层采用正向旋转喷浆搅拌施工，活动叶片(6)呈扩展状态搅拌钻进，活动门(1)呈关闭状态，防止土壤挤压入搅拌钻管(I); 6)冲击破碎硬土层:遇到卵石层、风化岩等硬土层或孤石，难以正常搅拌钻进时，首先提升搅拌钻管(I)和冲击钻钻杆(4)一定高度，为活动门(10)打开预留一定空间，用冲击钻钻杆(4)下压打开活动门(10)，然后提升冲击钻钻杆(4)至一定高度，利用冲击钻钻头(8)向下冲击破碎硬土层或孤石，多次反复冲击破碎，冲击破碎完成后，提拉钢丝绳(II)，关闭活动门(1)，然后利用搅拌钻钻头(8)钻进； 7)硬土层收缩搅拌预破碎:对经过冲击钻冲击破碎后的卵石层、风化岩等硬土层或孤石，或者不需冲击破碎的较松散卵石层和强风化岩，反向旋转搅拌钻管(I)，活动叶片(6)在土壤阻力下收缩，减小搅拌范围和搅拌阻力，在活动叶片(6)呈收缩状态下不喷浆搅拌钻进，对硬土层进行预破碎，预破碎松动硬土层后将搅拌钻管(I)改为正向旋转，活动叶片(6)在土壤阻力下扩展，正常搅拌范围下喷浆搅拌，在硬土层形成水泥搅拌粧。
【文档编号】E21B4/16GK106088064SQ201610575078
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】何智钢, 李嘉, 刘洋, 谢作生, 姚磊
【申请人】浙江省交通工程建设集团有限公司