微扰动地基加固装置及地下隧道围护结构施工方法与流程

本发明涉及地下围护施工设备及施工方法，具体涉及一种微扰动地基加固装置及地下隧道围护结构施工方法。

背景技术：

微扰搅拌桩施工方法有着优异的施工质量和可加工性，已被许多施工现场所采用。微扰搅拌桩施工方法一般利用水泥作为固化剂，利用搅拌桩机将水泥土浆液喷入土体并充分搅拌，形成水泥土搅拌桩的施工方法。目前的微扰搅拌桩施工方法所采用的搅拌桩机施工形成的水泥土搅拌桩呈圆柱状，其外径上下一致，不能够在施工中根据需要调节水泥土搅拌桩的外径，例如，形成下大上小的阶梯状水泥土搅拌桩，其无法满足一些特殊的地基加固施工需要，例如，施工地下隧道的围护，采用目前的微扰搅拌桩机就很不方便，其不仅要施工地下隧道左右两侧的侧围护墙，还要施工地下隧道下方的下围护墙，气施工操作不便，施工步骤复杂，效率低。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种能够根据需要调节同一水泥土搅拌桩的外径，施工形成阶梯状的水泥土搅拌桩，以满足不同的施工需求的微扰动地基加固装置及地下隧道围护结构施工方法。

本发明的技术方案是：

一种微扰动地基加固装置，包括：搅拌桩机，搅拌桩机包括钻杆，所述钻杆的下端设有钻头，所述钻杆的底部还设有至少两片搅拌桨；高压注浆系统，高压注浆系统包括设置在钻杆内的高压注浆通道及设置在其中一片搅拌桨内的高压喷射通道，所述高压喷射通道的一端与高压注浆通道相连通，高压喷射通道的另一端与搅拌桨的端部连通，并在该搅拌桨的端部形成高压喷口；低压注浆系统，低压注浆系统包括设置在钻杆内的低压注浆通道及设置在钻杆底部的低压注浆通道，所述低压注浆通道的一端与低压注浆通道相连通，低压喷射通道的另一端与钻杆侧面连通，并在钻杆侧面形成低压喷口。

如此，在通过搅拌桩机施工同一根水泥土搅拌桩时，可以先通过高压注浆系统进行注浆，即高压注浆系统通过高压注浆通道和高压喷射通道往地底喷射压强大于等于40mpa的水泥土浆液，以在地底形成高压水泥土搅拌桩；接着，高压注浆系统停止工作，低压注浆系统通过低压注浆通道往地底喷射压强小于等于20mpa的水泥土浆液，以在高压水泥土搅拌桩上方形成低压水泥土搅拌桩；由于高压注浆系统的注浆压强大于低压注浆系统的注浆压强，因而高压水泥土搅拌桩的外径大于低压水泥土搅拌桩的外径，如此可以根据需要形成下大上小的阶梯状水泥土搅拌桩，该水泥土搅拌桩尤其适用于地下隧道的地基加固施工；当然，在通过搅拌桩机施工同一根水泥土搅拌桩时，也可以始终通过高压注浆系统的注浆形成外径上下一致的水泥土搅拌桩，或者始终通过低压注浆系统的注浆形成外径上下一致的水泥土搅拌桩。

作为优选，还包括气水注压系统，气水注压系统包括设置在钻杆内的气水注入通道及设置在另一片搅拌桨内的气水喷射通道，所述气水喷射通道的一端与气水注入通道相连通，气水喷射通道的另一端与搅拌桨的端部连通，并在该搅拌桨的端部形成气水喷口。如此，在高压注浆系统的注浆形成水泥土搅拌桩的过程中，可以通过气水注压系统往地底注入气体，从而提高水泥土浆液与土体搅拌均匀性；同样的，在低压注浆系统的注浆形成水泥土搅拌桩的过程中，也可以通过气水注压系统往地底注入气体，从而提高水泥土浆液与土体搅拌均匀性。

作为优选，搅拌桨沿钻杆的径向延伸，所述高压喷射通道沿钻杆的径向延伸。如此，可以通过搅拌桨沿钻杆来延长高压喷射通道在钻杆的径向上的长度，从而进一步的的增大通过高压注浆系统的注浆形成的高压水泥土搅拌桩的外径。

作为优选，钻头包括呈三角形的刀架及若干设置在刀架上的刀齿。

作为优选，高压注浆系统的注浆压强大于等于40mpa。

作为优选，低压注浆系统的注浆压强小于等于20mpa。

作为优选，还包括地底破障装置，所述地底破障装置包括设置在钻杆内的注压通道、由钻杆的下端往下延伸形成的支撑柱体、设置在支撑柱体内的竖向腔体、滑动设置在支撑柱体内的上中下三个活塞、连接上活塞与中活塞的连杆、连接中活塞与下活塞的连杆、设置在支撑筒的内侧面上的限位块及设置在支撑柱体内的至少一个起爆装置，所述支撑柱体的下端位于钻头的下方，所述竖向腔体的下端与支撑柱体的下端面相连通，所述注压通道的下端与竖向腔体的上端相连通，所述上中下三个活塞与竖向腔体的内壁之间的摩擦力之和大于上中下三个活塞与连杆的重力之和，所述限位块位于上活塞与中活塞之间，当中活塞抵在限位块上时，所述下活塞位于竖向腔体内，所述起爆装置位于中活塞与下活塞之间，且起爆装置支持在下活塞上；当上活塞抵在限位块上时，所述下活塞位于支撑柱体的下方。

在搅拌桩机的钻杆的钻头往下钻入地底的过程中，经常会遇到钻头被地底岩石阻挡，无法顺利的钻入地底的深度深度，为了解决这一问题，本方案设置了地底破障装置，如此，在钻头被地底岩石阻挡，钻杆无法往下移动或者移动速度小于设定值时，搅拌桩机停止钻杆往下移动，并将钻杆和钻头上移设定高度（例如0.2米），接着，通过注压通道往竖向腔体内注入移动压力的气体，以克服上中下三个活塞与竖向腔体的内壁之间的摩擦力，使上中下三个活塞往下移动，直至上活塞抵在限位块上为止，此时，下活塞位于支撑柱体的下方，从而使起爆装置掉落到土层内；然后，将钻杆和钻头上移设定高度（例如2米）；再接着，控制起爆装置起爆，从而将地底岩石破坏；然后，搅拌桩机可以控制钻杆的钻头继续往下钻，并顺利穿过入地底岩石。

作为优选，支撑柱体内还设有吹气通道，吹气通道的上端与竖向腔体的内壁连通，并在竖向腔体的内壁上形成进气口，吹气通道的下端与支撑柱体的底面相连通，所述进气口位于限位块的上方，当上活塞在限位块上时，所述进气口位于上活塞的上方。如此，在上活塞抵在限位块上后，竖向腔体内的气体将通过吹气通道压入支撑柱体下方的土层内，将支撑柱体下方的土层挤开，从而使起爆装置能够顺利的由下活塞上掉落到土层内。

作为优选，下活塞的上端面设有往上延伸形成的导向锥体，导向锥体的内径自下而上组件减小，所述起爆装置支撑于导向锥体的侧面上。如此，在上活塞抵在限位块上，下活塞位于支撑柱体的下方后，可以进一步保证起爆装置能够顺利的由下活塞上掉落到土层内。

一种利用微扰动地基加固装置的地下隧道围护结构施工方法，依次包括以下步骤：在地下隧道的左右两侧施工隧道围护墙，隧道围护墙由若干个沿地下隧道的长度方向依次分布的水泥土桩形成，隧道围护墙的施工包括以下步骤：沿地下隧道的长度方向依次施工水泥土桩；隧道围护墙的水泥土桩的施工包括以下步骤：搅拌桩机就位，将钻杆的钻头往下钻入设定深度，然后将钻杆往上旋转提起，在这个过程中，高压注浆系统通过高压注浆通道和高压喷射通道往地底喷射压强大于等于40mpa的水泥土浆液，同时，通过气水注入通道和气水喷射通道在地底注入气体，从而提高水泥土浆液与土体搅拌均匀性，以在地底形成高压水泥土搅拌桩；接着，高压注浆系统停止工作，低压注浆系统通过低压注浆通道往地底喷射压强小于等于20mpa的水泥土浆液，同时，通过气水注入通道和气水喷射通道在地底注入气体，从而提高水泥土浆液与土体搅拌均匀性，以在高压水泥土搅拌桩上方形成低压水泥土搅拌桩；所述侧围护墙中任意一个水泥土桩均由下部的高压水泥土搅拌桩和上部的低压水泥土搅拌桩构成，且高压水泥土搅拌桩的外径大于低压水泥土搅拌桩的外径；

同一隧道围护墙中任意相邻的两个水泥土桩的低压水泥土搅拌桩咬合连接，以在地下隧道的左侧或右侧形成隧道侧围护墙；位于地下隧道左侧的隧道围护墙中的高压水泥土搅拌桩与位于地下隧道右侧的隧道围护墙中高压水泥土搅拌桩咬合连接，且高压水泥土搅拌桩位于地下隧道的下方，从而在地下隧道的下方形成由高压水泥土搅拌桩咬合形成的下围护墙。如此，仅通过在地下隧道的左右两侧施工隧道围护墙，就可以在地下隧道的左右两侧形成由低压水泥土搅拌桩咬合形成的隧道侧围护墙，在地下隧道的下方形成由高压水泥土搅拌桩咬合形成的下围护墙，从而有效的提高地下隧道的地基加固围护墙的施工效率。

本发明的有益效果是：能够根据需要调节同一水泥土搅拌桩的外径，施工形成阶梯状的水泥土搅拌桩，以满足不同的施工需求。

附图说明

图1是本发明的实施例一的微扰动地基加固装置一种局部结构示意图。

图2是图1中a-a处的一种剖面结构示意图。

图3是本发明的实施例二的微扰动地基加固装置一种局部结构示意图。

图4是本发明的实施例三的利用微扰动地基加固装置的地下隧道围护结构施工方法的具体施工过程中的一种剖面结构示意图。

图中：

钻杆1；

钻头2，刀架2.1，刀齿2.2；

搅拌桨3；

高压注浆系统4，高压注浆通道4.1，高压喷射通道4.2，高压注浆口4.3；

低压注浆系统5，低压注浆通道5.1，低压注浆通道5.2；

气水注压系统6，气水注入通道6.1，气水喷射通道6.2；

地底破障装置7，注压通道7.1，支撑柱体7.2，竖向腔体7.3，上活塞7.4，中活塞7.5，下活塞7.6，限位块7.7，起爆装置7.8，吹气通道7.9，进气口7.10，导向锥体7.11；

地下隧道8；

水泥土桩9，高压水泥土搅拌桩9.1，低压水泥土搅拌桩9.2；

隧道围护墙10；

隧道侧围护墙11；

下围护墙12。

具体实施方式

为使本发明技术方案实施例目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施例的技术方案进行清楚地解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，而不是全部实施例。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本方案，而不能解释为对本发明方案的限制。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定，“若干”的含义是表示一个或者多个。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体:可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：如图1、图2所示，一种微扰动地基加固装置，包括搅拌桩机、高压注浆系统与低压注浆系统。搅拌桩机包括钻杆1。钻杆的下端设有钻头2，本实施例中，钻头包括呈三角形的刀架2.1及若干设置在刀架上的刀齿2.2。钻杆的底部还设有两片搅拌桨3，本实施例中，搅拌桨沿钻杆的径向延伸。高压注浆系统4包括设置在钻杆内的高压注浆通道4.1及设置在其中一片搅拌桨内的高压喷射通道4.2，本实施例中，高压注浆通道沿钻杆的轴向延伸，并在钻杆的顶部形成高压注浆口4.3，高压注浆系统还包括注浆泵，该注浆泵的出口与高压注浆口连通，用于将水泥土浆液注入高压注浆通道内。高压喷射通道的一端与高压注浆通道相连通，高压喷射通道的另一端与搅拌桨的端部连通，并在该搅拌桨的端部形成高压喷口。低压注浆系统5包括设置在钻杆内的低压注浆通道5.1及设置在钻杆底部的低压注浆通道5.2，本实施例中，低压注浆通道沿钻杆的轴向延伸，并在钻杆的顶部形成低压注浆口，低压注浆系统还包括注浆泵，该注浆泵的出口与低压注浆口连通，用于将水泥土浆液注入低压注浆通道内。低压注浆通道的一端与低压注浆通道相连通，低压喷射通道的另一端与钻杆侧面连通，并在钻杆侧面形成低压喷口。

如此，在通过搅拌桩机施工同一根水泥土搅拌桩时，可以先通过高压注浆系统进行注浆，即高压注浆系统通过高压注浆通道和高压喷射通道往地底喷射压强大于等于40mpa的水泥土浆液，以在地底形成高压水泥土搅拌桩；接着，高压注浆系统停止工作，低压注浆系统通过低压注浆通道往地底喷射压强小于等于20mpa的水泥土浆液，以在高压水泥土搅拌桩上方形成低压水泥土搅拌桩；由于高压注浆系统的注浆压强大于低压注浆系统的注浆压强，因而高压水泥土搅拌桩的外径大于低压水泥土搅拌桩的外径，如此可以根据需要形成下大上小的阶梯状水泥土搅拌桩，该水泥土搅拌桩尤其适用于地下隧道的地基加固施工；当然，在通过搅拌桩机施工同一根水泥土搅拌桩时，也可以始终通过高压注浆系统的注浆形成外径上下一致的水泥土搅拌桩，或者始终通过低压注浆系统的注浆形成外径上下一致的水泥土搅拌桩。

进一步的，如图1、图2所示，一种微扰动地基加固装置，还包括气水注压系统6。气水注压系统包括设置在钻杆内的气水注入通道6.1及设置在另一片搅拌桨内的气水喷射通道6.2，本实施例中，气水注入通道沿钻杆的轴向延伸，并在钻杆的顶部形成气水入口，气水注压系统还包括泵体，该泵体的出口与气水入口连通，用于将空气或水注入气水注入通道内。气水喷射通道的一端与气水注入通道相连通，气水喷射通道的另一端与搅拌桨的端部连通，并在该搅拌桨的端部形成气水喷口。如此，在高压注浆系统的注浆形成水泥土搅拌桩的过程中，可以通过气水注压系统往地底注入气体，从而提高水泥土浆液与土体搅拌均匀性；同样的，在低压注浆系统的注浆形成水泥土搅拌桩的过程中，也可以通过气水注压系统往地底注入气体，从而提高水泥土浆液与土体搅拌均匀性。本实施例中，气水喷射通道沿钻杆的径向延伸。

进一步的，如图1所示，高压喷射通道沿钻杆的径向延伸。如此，可以通过搅拌桨沿钻杆来延长高压喷射通道在钻杆的径向上的长度，从而进一步的的增大通过高压注浆系统的注浆形成的高压水泥土搅拌桩的外径。

进一步的，高压注浆系统的注浆压强大于等于40mpa，本实施例中，高压注浆系统的注浆压强为40mpa。低压注浆系统的注浆压强小于等于20mpa，本实施例中，低压注浆系统的注浆压强为20mpa。

实施例二，如图3所示，一种微扰动地基加固装置，还包括地底破障装置7。地底破障装置包括设置在钻杆内的注压通道7.1、由钻杆的下端往下延伸形成的支撑柱体7.2、设置在支撑柱体内的竖向腔体7.3、滑动设置在支撑柱体内的上中下三个活塞、连接上活塞7.4与中活塞7.5的连杆、连接中活塞与下活塞7.6的连杆、设置在支撑筒的内侧面上的限位块7.7及设置在支撑柱体内的2个起爆装置7.8。本实施例中，注压通道沿钻杆的轴向延伸，并在钻杆的顶部形成注压口，地底破障装置还包括注压泵，该注压泵的出口与注压口连通，用于将一定压力的气体（空气）压入注压通道内。竖向腔体的上端往上延伸至钻杆内。本实施例中，起爆装置为遥控起爆装置，例如遥控炸弹。支撑柱体的下端位于钻头的下方。竖向腔体的下端与支撑柱体的下端面相连通。注压通道的下端与竖向腔体的上端相连通。上中下三个活塞与竖向腔体的内壁之间的摩擦力之和大于上中下三个活塞与连杆的重力之和。限位块位于上活塞与中活塞之间。当中活塞抵在限位块上时，下活塞位于竖向腔体内，起爆装置位于中活塞与下活塞之间，且起爆装置支持在下活塞上。当上活塞抵在限位块上时，所述下活塞位于支撑柱体的下方。

在搅拌桩机的钻杆的钻头往下钻入地底的过程中，经常会遇到钻头被地底岩石阻挡，无法顺利的钻入地底的深度深度，为了解决这一问题，本方案设置了地底破障装置，如此，在钻头被地底岩石阻挡，钻杆无法往下移动或者移动速度小于设定值时，搅拌桩机停止钻杆往下移动，并将钻杆和钻头上移设定高度（例如0.2米），接着，通过注压通道往竖向腔体内注入移动压力的气体，以克服上中下三个活塞与竖向腔体的内壁之间的摩擦力，使上中下三个活塞往下移动，直至上活塞抵在限位块上为止，此时，下活塞位于支撑柱体的下方，从而使起爆装置掉落到土层内；然后，将钻杆和钻头上移设定高度（例如2米）；再接着，控制起爆装置起爆，从而将地底岩石破坏；然后，搅拌桩机可以控制钻杆的钻头继续往下钻，并顺利穿过入地底岩石。

进一步的，如图3所示，支撑柱体内还设有吹气通道7.9。吹气通道的上端与竖向腔体的内壁连通，并在竖向腔体的内壁上形成进气口7.10。吹气通道的下端与支撑柱体的底面相连通。进气口位于限位块的上方。当上活塞在限位块上时，进气口位于上活塞的上方。如此，在上活塞抵在限位块上后，竖向腔体内的气体将通过吹气通道压入支撑柱体下方的土层内，将支撑柱体下方的土层挤开，从而使起爆装置能够顺利的由下活塞上掉落到土层内。

进一步的，如图3所示，下活塞7.6的上端面设有往上延伸形成的导向锥体7.11，导向锥体的内径自下而上组件减小，起爆装置支撑于导向锥体的侧面上。如此，在上活塞抵在限位块上，下活塞位于支撑柱体的下方后，可以进一步保证起爆装置能够顺利的由下活塞上掉落到土层内。

实施例三，如图4所示，一种利用微扰动地基加固装置的地下隧道围护结构施工方法，本实施例的微扰动地基加固装置的具体结构参照实施例一或实施例二。本实施例中的地下隧道是指各种位于地下的隧道，例如地铁隧道或管廊等。

如图4所示，一种利用微扰动地基加固装置的地下隧道围护结构施工方法依次包括以下步骤：在地下隧道8的左右两侧施工隧道围护墙10，隧道围护墙由若干个沿地下隧道的长度方向依次分布的水泥土桩9形成。隧道围护墙的施工包括以下步骤：沿地下隧道的长度方向依次施工水泥土桩。隧道围护墙的水泥土桩的施工包括以下步骤：搅拌桩机就位，将钻杆的钻头往下钻入设定深度，然后将钻杆往上旋转提起，在这个过程中，高压注浆系统通过高压注浆通道和高压喷射通道往地底喷射压强大于等于40mpa的水泥土浆液，同时，通过气水注入通道和气水喷射通道在地底注入气体，从而提高水泥土浆液与土体搅拌均匀性，以在地底形成高压水泥土搅拌桩9.1；接着，高压注浆系统停止工作，低压注浆系统通过低压注浆通道往地底喷射压强小于等于20mpa的水泥土浆液，同时，通过气水注入通道和气水喷射通道在地底注入气体，从而提高水泥土浆液与土体搅拌均匀性，以在高压水泥土搅拌桩上方形成低压水泥土搅拌桩9.2。侧围护墙中任意一个水泥土桩9均由下部的高压水泥土搅拌桩9.1和上部的低压水泥土搅拌桩9.2构成，且高压水泥土搅拌桩的外径大于低压水泥土搅拌桩的外径。

同一隧道围护墙中任意相邻的两个水泥土桩的低压水泥土搅拌桩咬合连接，以在地下隧道的左侧或右侧形成隧道侧围护墙11。位于地下隧道左侧的隧道围护墙中的高压水泥土搅拌桩与位于地下隧道右侧的隧道围护墙中高压水泥土搅拌桩咬合连接，且高压水泥土搅拌桩位于地下隧道的下方，从而在地下隧道的下方形成由高压水泥土搅拌桩咬合形成的下围护墙12。如此，仅通过在地下隧道的左右两侧施工隧道围护墙，就可以在地下隧道的左右两侧形成由低压水泥土搅拌桩咬合形成的隧道侧围护墙，在地下隧道的下方形成由高压水泥土搅拌桩咬合形成的下围护墙，从而有效的提高地下隧道的地基加固围护墙的施工效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。