CN118187042A - 一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下工程施工机械装备技术领域，一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备及施工方法，该装备包括钻机主体、供料后台和控制模块，供料后台通过控制模块对各电控开关的控制及对各传感器的实时监测。利用气料管道可向施工钻机持续均匀供应固化剂粉料，固化剂粉料通过高压气体喷射和气力输送方式形成气固两相流体介质经过钻杆的气料通道由多层互剪搅拌钻头上设置的气料喷口高压喷射到地基土体中，多层互剪搅拌钻头的错层剪切搅拌作用使固化剂粉料与原位土体充分搅拌混合形成桩体搅拌均匀，桩身强度高的干喷搅拌桩。

Description

一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备及施工方法

技术领域

本发明涉及地下工程施工机械装备技术领域，尤其涉及一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备及施工方法。

背景技术

在我国的沿海地区、河流湖泊沉积区以及内陆平原和低洼地区分布有大量的软土，其特点是含水量高、压缩性大、强度低、透水性差，具有明显的蠕变性和触变性。在工程实践中，软土的处理是一个重要问题，需要进行地基处理以提高其承载力和稳定性。而干喷搅拌桩适合于加固各种成因的饱和软粘土，国内外常用于加固淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高的粘性土。干喷搅拌桩工法是以水泥或石灰等粉体作为加固材料，通过专用的施工机械设备，用压缩空气将粉体加固材料以雾状旋转喷入地基中，凭借钻具叶片的旋转，使粉体加固材料与原位地基士的强制混合搅拌使软土硬结加固，形成具有整体性强、水稳性好和承载力高的桩体。采用该施工方法，采用干喷搅拌桩技术具有振动小、无污染、速度快、施工机械简单、施工效率高和造价相对较低等优点。

针对干喷搅拌桩的施工，国内外开发出了一系列的施工机械，但现有施工钻机装备仍然存在以下一些影响施工质量的技术弊病：

1、由于干喷搅拌桩施工技术要求比较高、难度大，需要专业技术人员进行操作，此外，现有供料速度与供料量一般由施工人员手动控制，使得现场施工难以满足设计要求，甚至会出现断料及堵管的现象。

2、通常施工场地地质条件差、地耐力低，故大型干喷搅拌桩施工装备容易出现地面凹陷、钻机重心不稳的现象，甚至发生钻机倾倒的安全事故。

3、目前工程中应用的干法搅拌桩钻头普遍采用与湿法搅拌桩钻头相同的结构形式，在干喷施工中无法对加固土体达到理想状态下的充分均匀搅拌，故成桩质量难以保证。

4、由于固化剂粉料在输送管路中呈气固两相混合流体状态，当固化剂粉料喷口位置过深、地压过大时极易发生粉料堵塞管道情况，导致固化剂粉料喷射中断，出现成桩质量事故。

发明内容

针对现有的干喷搅拌桩施工装备的特点及所面临的技术问题，本发明提出了一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备及施工工艺，采用该施工装备可以使内外钻杆的上下动力装置分开设置，降低了设备的重心，提高了钻机装备施工安全系数。采用多层互剪搅拌钻头可对加固土体搅拌更加均匀，利用控制模块对供料后台的监测与控制保证了干喷搅拌桩在施工过程中固化材料的持续稳定供应，并能够定量均匀地喷注在地基土体内，保证了干喷搅拌桩的整体施工质量。

为本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，包括钻机主体、供料后台和控制模块；所述钻机主体包括钻杆和多层互剪搅拌钻头；所述多层互剪搅拌钻头连接在钻杆的底部，且多层互剪搅拌钻头用于对土体进行错层剪切搅拌；所述钻杆包括外杆和内杆；所述内杆呈同轴且转动连接在外杆内；且内杆内设置有气料通道；所述气料通道的下端延伸至多层互剪搅拌钻头处并设置有气料喷口；所述外杆的外周壁上设置有辅助管道；辅助管道的下端延伸至所述气料喷口处并设置有辅助喷口；所述辅助喷口喷射介质将所述气料喷口喷出的料体进一步分散混合并增大喷射半径；所述外杆的外周壁上位于辅助管道外设置有用于将辅助管道包裹的第一保护罩，所述第一保护罩与外杆旋转半径之差所形成的区域为排气空间；所述排气空间用于降低高压气体注入地下后产生的地内压力；所述外杆的外周壁上且位于辅助管道相对的一侧设置有用于保持装备平衡的配重模块结构；所述控制模块与供料后台电连接，通过所述控制模块对供料后台进行供料控制，使钻机主体上的气料喷口持续均匀地供应固化剂粉料。

作为优选，所述多层互剪搅拌钻头包括了搅拌外框、第一搅拌叶片、第二搅拌叶片和掘进叶片；所述搅拌外框上部与所述外杆下部固定连接，所述搅拌外框底部通过轴套与所述内杆转动连接，所述第一搅拌叶片分层固定连接在搅拌外框内侧，所述第二搅拌叶片分层固定连接在所述搅拌外框内部的所述内杆上，所述第一搅拌叶片与第二搅拌叶片上下间隔错位布置，所述外杆带动所述搅拌外框与第一搅拌叶片转动，所述内杆带动所述第二搅拌叶片转动；所述内杆底部穿过所述搅拌外框与所述掘进叶片连接；所述气料喷口位于搅拌外框与掘进叶片之间；所述辅助管道的辅助喷口穿过所述搅拌外框其中一个搅拌翼的顶部且沿着所述搅拌翼的内侧壁延伸，并从同一个搅拌翼的底部穿出，所述辅助喷口位于所述搅拌外框的所述搅拌翼的下方，且辅助喷口位于气料喷口的上方；所述气料喷口和辅助喷口均采用缩口结构，且所述辅助喷口的喷射范围和气料喷口的喷射范围之间形成重叠区域，使辅助喷口的高压喷射对气料喷口喷出的固化剂粉料产生进一步分散混合，并扩大喷射半径。

作为优选，所述配重模块包括降阻剂管道和第二保护罩；所述降阻剂管道设置在外杆的外周壁上，且降阻剂管道与辅助管道以外杆的轴心为对称轴呈对称设置，所述降阻剂管道的下端延伸至多层互剪搅拌钻头处并设置有降阻剂喷口；所述第二保护罩设置在外杆的外周壁上，并将所述降阻剂管道包裹在内；所述第二保护罩与第一保护罩以外杆的轴心为对称轴呈对称设置。

作为优选，所述降阻剂管道的降阻剂喷口穿过所述搅拌外框另一个搅拌翼的顶部并沿着所述搅拌翼的内侧壁竖向延伸，降阻剂喷口设置在所述搅拌翼的底部内侧，且降阻剂喷口呈径向朝外杆方向喷射。

作为优选，所述钻机主体还包括塔架桅杆、斜拉支撑、设备平台、上置动力装置和下置动力装置；所述塔架桅杆竖向设置在所述设备平台上，所述斜拉支撑将所述塔架桅杆与所述设备平台固定连接，所述钻杆通过升降滑轮吊装在所述塔架桅杆前侧，所述上置动力装置悬挂在所述塔架桅杆顶部，通过升降滑轮驱动所述钻杆的下降与提升，所述下置动力装置安装在设备平台前侧，所述上置动力装置与下置动力装置处在同一竖直轴线上。

作为优选，所述上置动力装置包括驱动机构、减速机、升降滑轮和水龙头；所述驱动机构为电机或液压马达形式，所述驱动机构与减速机传动配合为所述内杆提供旋转动力；所述水龙头设置在所述钻杆顶端，所述水龙头上设置有气料入口；所述下置动力装置采用磨盘钻形式，所述外杆穿过所述下置动力装置的中心孔，中心孔的截面与所述钻杆截面相同，所述下置动力装置为所述外杆提供旋转动力，并通过限位滚轮对所述钻杆进行固定限位。

作为优选，当装备中为双通道结构时，所述气料入口包括进料口和辅助进口；所述进料口与气料通道的顶端连通；所述辅助进口与辅助管道的顶端连通；当装备中为三通道结构时，气料入口还包括降阻剂进口；所述降阻剂进口与降阻剂管道的顶端连通。

作为优选，供料后台包括供料装置、空压机A、空压机B、竖向增压管道、气料管道和气路管道；所述供料装置利用高压罐体盛装固化剂粉料，经过螺旋输送装置将固化剂粉料按设定参数稳定均匀地输送至罐体底部的喷射机***内，并利用空压机A产生的高压气体在喷射机***内与固化剂粉料充分混和形成气固两相流体由气料管道进行输送；所述气料管道与所述钻机主体上的所述进料口连接供应固化剂粉料，同时在气料管道垂直上升部位增设由空压机A供气的竖向增压管道；所述供料后台的空压机B通过气路管道与所述钻机主体上的所述辅助进口连接供应辅助高压气体；降阻剂通过单独设置的管路进行降阻剂的供应。

作为优选，控制模块控制所述供料后台设备的监测、控制与运行；通过所述控制模块的PLC测控程序实现对罐体内压力的测控，对螺旋输送装置的设计旋转速度和设计固化剂粉料下料量的控制，以及对所述供料后台中的开关阀、压力表、调节阀、流量计的有效测控，持续稳定定量均匀地通过所述气料管道、气料通道、气料喷口向地基土体内喷射固化剂粉料。

一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备的施工工艺，应用上述多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，包括如下步骤：

S1、施工开始前，钻机主体通过定位***将多层互剪搅拌钻头对准施工桩位，利用电子调平仪调节各液压支腿使塔架桅杆及钻杆垂直度维持在1.5％以内；将所需固化剂粉料注入供料装置的高压罐体内，并关闭高压罐体上各进料排气开关。

S2、开启空压机A供气，升降滑轮通过卷扬机或链条对钻具产生下压力以设定下钻速度向下钻掘搅拌，利用上置动力装置驱动内杆旋转，下置动力装置驱动外杆旋转；使多层互剪搅拌钻头上第一搅拌叶片与第二搅拌叶片按照设定的旋转速度产生相对搅拌对地基土体进行剪切搅拌混合；当多层互剪搅拌钻头入土时立即开启供料装置的螺旋输送装置向喷射机***内稳定定量输送固化剂粉料，在高压气体喷射作用下，将固化剂粉料通过气料管道、气料通道输送到气料喷口，再由气料喷口向地基土内喷射固化剂粉料；同时，辅助喷口喷射的高压气体有利于料体的顺利喷出和均匀混合并增大喷射半径；降阻剂喷口喷射降阻剂可降低钻头的搅拌阻力；施工至设计桩底标高停止供料。

S4、钻具向上提升搅拌阶段，外杆与内杆实施反向旋转，以设定的提钻速度向上提升旋转钻杆，在此过程中，高压气体与降阻剂持续通过气料喷口、辅助喷口与降阻剂喷口进行少量喷射，保证各喷口不会被土体堵塞，直至多层互剪搅拌钻头提出地表，停止供气及供料，此时结束该干喷搅拌桩的施工。

S5、移机到下一个新桩位，重复以上工艺步骤进行下一根干喷搅拌桩施工。

综上所述，本发明所带来的有益技术效果：

1、本发明一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备采用了上下分离式动力装置，上置动力装置与下置动力装置分别驱动内外钻杆，减少了传动装置，结构更加简单，维保方便；同时降低了钻机重心，使钻机在施工中更加稳定，不易发生倾斜倾倒，提高了钻机装备施工的安全性，同时，可以增大钻机的施工输出扭距，以便施工更大直径的干喷搅拌桩。

2、本发明中采用了多层互剪搅拌钻头，相邻叶片之间的错位剪切搅拌可使固化剂干料与地基土搅拌混合得更加均匀并可以提高固化土强度，同时保证了干喷搅拌桩的成桩质量。

3、本发明中供料后台增设了竖向增压管道，可增加固化剂粉料在垂直输送管道中的动力，防止在此部位产生粉料堆积或堵塞，同时也增设了独立的辅助管道，通过独立的辅助管道的高压介质输送可提高固化剂粉料的喷射均匀性，并有效增大了干喷搅拌桩的喷射直径。

4、方形钻杆外侧设置有降阻剂通道，降阻剂在施工过程中可有效降低钻具搅拌阻力的10％至15％，同时两侧的保护罩与钻杆扫略半径之差形成的区域可为降低地内压力提供排气空间，从而减少了地下的侧向变形和地表的竖向变形，有利于近旁的建构筑物保护。

5、控制模块能够在施工中根据施工参数实时监测与自动控制设备中的各种监测仪器仪表以及多种阀门与开关的启闭，从而安全有效地控制了施工全过程，保证了高效率、高质量的喷搅拌桩施工。

附图说明

图1为本发明的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备结构示意图。

图2为本发明钻机主体结构示意图。

图3为本发明上置动力装置结构示意图。

图4为本发明水龙头结构示意图。

图5为本发明钻机主体设备平台结构俯视图。

图6为本发明钻杆结构侧视图。

图7为本发明钻杆结构剖面图。

图8为本发明实施例一钻杆结构截面图。

图9为本发明实施例二钻杆结构截面图。

图10为本发明另一种钻杆结构截面图。

图11为本发明多层互剪搅拌钻头结构示意图。

图12为本发明多层互剪搅拌钻头结构剖面示意图一。

图13为本发明多层互剪搅拌钻头结构剖面示意图二。

其中：100、钻机主体；110、塔架桅杆；120、斜拉支撑；130、设备平台；140、钻杆；141、外杆；142、内杆；143、气料通道；144、降阻剂管道；145、辅助管道；146、连接管；147、第一保护罩；148、第二保护罩；149、排气空间；150、上置动力装置；151、驱动机构；152、减速机；153、升降滑轮；154、水龙头；155、进料口；156、辅助进口；157、降阻剂进口；160、下置动力装置；161、限位滚轮；170、多层互剪搅拌钻头；171、搅拌外框；1711、搅拌翼；172、第一搅拌叶片；173、第二搅拌叶片；174、掘进叶片；175、气料喷口；176、辅助喷口；177、降阻剂喷口；200、供料后台；210、供料装置；221、空压机A；222、空压机B；231、竖向增压管道；232、气料管道；233、气路管道；300、控制模块。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1至图13所示，一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，包括钻机主体100、供料后台200和控制模块300；钻机主体100包括塔架桅杆110、斜拉支撑120、设备平台130、钻杆140、上置动力装置150、下置动力装置160和多层互剪搅拌钻头170。供料后台200通过控制模块300对各电控开关的控制及对各传感器的实时监测，并通过气料管道232向钻机主体100持续均匀供料，固化剂粉料以气力输送方式将形成的气固两相流体通过钻杆140上设置的气料通道143，并经由多层互剪搅拌钻头170上设置的气料喷口175高压喷射到地基土中，多层互剪搅拌钻头170的错层剪切搅拌作用使固化剂粉料与原状土体充分搅拌混合形成高质量干喷搅拌桩。

如图1和图2所示，塔架桅杆110垂直树立在设备平台130上，斜拉支撑120将塔架桅杆110与设备平台130连接，斜拉支撑120用于固定塔架桅杆110的结构稳定性，防止其倾倒；钻杆140通过升降滑轮153吊装在塔架桅杆110前侧，上置动力装置150悬挂在塔架桅杆110顶部，通过升降滑轮153驱动钻杆140的下降与提升，下置动力装置160安装在设备平台130前部位置，上置动力装置150与下置动力装置160处在同一竖直轴线上，这种上下动力装置分离的结构形式可将下置动力装置160安装于设备平台130上，大大降低了钻机主体100的重心，有利于钻机整体的施工稳定性，有效的降低了其倾倒的可能性；钻杆140穿过下置动力装置160预留通孔可在底部连接多层互剪搅拌钻头170，多层互剪搅拌钻头170连接在钻杆140的底部，且多层互剪搅拌钻头170用于对土体进行错层剪切搅拌，使得干喷搅拌桩的搅拌均匀性和强度连续性得到大大提高。

如图6至图10所示，钻杆140包括外杆141和内杆142；内杆142采用圆形截面可保证其在外杆141内旋转，外杆141采用方形设计，可利用其棱角面卡套在下置动力装置160预留通孔中，保证了下置动力装置160对外杆141的有效驱动并提供较大的施工扭矩。内杆142呈同轴且转动连接在外杆141内；且内杆142内设置有气料通道143；气料通道143用于输送固化剂粉料与高压气体所形成的气固两相流体。气料通道143的下端延伸至多层互剪搅拌钻头170处并设置有气料喷口175；外杆141的外周壁上设置有辅助管道145；辅助管道145能够实现输气或者输液的功能，本实施方式中，辅助管道145用于输送高压气体，并通过高压气体输送协助固化剂粉料在地基土内部喷射均匀。辅助管道145的底部设置有辅助喷口176，且辅助喷口176依次穿过搅拌外框171其中一个搅拌翼1711的顶部并沿着搅拌翼1711内侧壁延伸，最后从该搅拌翼1711的底部且靠近外杆141一侧穿出，辅助喷口176位于搅拌外框171的搅拌翼1711的下方，且辅助喷口176位于气料喷口175的上方，辅助喷口176径向水平朝外喷射，辅助喷口176和气料喷口175喷出的区域重叠，实现辅助喷射均匀的效果。外杆141的外周壁上位于辅助管道145外侧设置有用于将辅助管道145包裹的第一保护罩147，第一保护罩147可采用方管、角钢等形式，并与外杆141固定连接。第一保护罩147的扫略半径大于外杆141的扫略半径，第一保护罩147与外杆141旋转半径之差所形成的区域为排气空间149；排气空间149有助于降低高压气体注入地下后产生的地内压力。通过第一保护罩147进行保护防止辅助管道145在钻具施工过程中损坏，形成的排气空间149有助于地内高压气体顺利排出，防止地内压力聚集影响固化剂粉料喷射范围。外杆141的外周壁上且位于第一保护罩147相对的一侧设置有用于保持装备平衡的配重模块结构；钻杆140呈分段连接组成，相邻的两节钻杆140通过公母六方接头及销轴连接，相邻的两根辅助管道145通过连接管146固定连接。

如图6至图10所示，配重模块结构包括降阻剂管道144和第二保护罩148；降阻剂管道144设置在外杆141的外周壁上，且降阻剂管道144与辅助管道145以外杆141的轴心为对称轴呈对称设置，降阻剂管道144的下端延伸至多层互剪搅拌钻头170处并设置有降阻剂喷口177；第二保护罩148设置在外杆141的外周壁上，并将降阻剂管道144包裹在内，第二保护罩148可采用方管、角钢等形式，并与外杆141固定连接。配重模块结构也可以只有第二保护罩148，第二保护罩148内可不设置降阻剂管道144。第二保护罩148与第一保护罩147以外杆141的轴心为对称轴呈对称设置，这种对称结构避免了钻杆140钻进过程中的偏心受力所导致的抖动，所形成的排气空间149有利于地内高压气体的排出，防止地内压力过大、高压喷粉不顺畅以及地内压力聚集影响固化剂粉料喷射范围。

如图1至图5所示，上置动力装置150包括驱动机构151、减速机152、升降滑轮153和水龙头154。上置动力装置150通过升降滑轮153悬挂在塔架桅杆110上，驱动机构151采用电机或液压马达，驱动机构151与减速机152配合为内杆142提供旋转扭矩。上置动力装置150利用升降滑轮153实现在塔架桅杆110上竖向移动并提供垂直钻压，驱动机构151根据干喷搅拌桩的长度和直径确定所需的驱动动力，内杆142由上置动力装置150提供动力。水龙头154设置在钻杆140顶端，水龙头154上设置有气料入口，下置动力装置160采用磨盘传动结构，方形外杆141穿过下置动力装置160的中心孔，中心孔的截面尺寸比钻杆140截面尺寸略大，下置动力装置160可为外杆141提供足够大的旋转扭矩，并利用限位滚轮161对钻杆140进行限位。采用下置动力装置160，可将钻具置于设备平台130的前部，从而降低钻机整体的重心，有效减小钻机晃动，提高钻机施工安全系数，限位滚轮161可降低钻杆140在升降过程中与中心孔的摩擦。当装备中为双通道结构时，气料入口包括进料口155和辅助进口156；当装备中为三通道结构时，气料入口还包括降阻剂进口157；水龙头154的进料口155与气料管道232和气料通道143相连通，辅助进口156与气路管道233和辅助管道145相连通，降阻剂进口157与降阻剂管道144相连通。

如图11至图13所示，多层互剪搅拌钻头170包括了搅拌外框171、第一搅拌叶片172、第二搅拌叶片173和掘进叶片174；搅拌外框171上部与外杆141下部固定连接，搅拌外框171底部通过轴套与内杆142转动连接，第一搅拌叶片172分层固定连接在搅拌外框171内侧，第二搅拌叶片173分层固定连接在搅拌外框171内部的内杆142上，第一搅拌叶片172与第二搅拌叶片173上下间隔错位布置，外杆141带动搅拌外框171与第一搅拌叶片172转动，内杆142带动第二搅拌叶片173转动；内杆142底部穿过搅拌外框171与掘进叶片174连接。气料通道143延伸至内杆142底部，且气料喷口175位于搅拌外框171与掘进叶片174之间。辅助管道145的下端先穿过搅拌外框171其中一个搅拌翼1711的顶板，并沿着搅拌翼1711的竖板内侧延伸至搅拌翼1711的底板，最后从搅拌翼1711的底板靠近外杆141一侧穿出，且辅助喷口176位于搅拌外框171上述搅拌翼1711的下方，且辅助喷口176位于气料喷口175的上方；气料喷口175和辅助喷口176均径向朝向远离外杆141的一侧水平喷射，且辅助喷口176的喷射范围和气料喷口175的喷射范围之间形成重叠区域，使辅助喷口176的高压喷射对气料喷口175喷出的固化剂粉料产生进一步分散混合并增加喷射半径。气料喷口175和辅助喷口176均采用缩口结构，缩径喷口结构有助于粉料与高压气体在喷射时的压力和速度提升。降阻剂管道144下端的降阻剂喷口177穿过搅拌外框171另一个搅拌翼1711的顶板并沿着搅拌翼1711内侧壁竖向布置，最终降阻剂喷口177位于搅拌翼1711的竖板底部内侧，且降阻剂喷口177呈径向朝外杆141方向喷射。三路通道结构相互独立设置互不干扰，当搅拌阻力较大时，降阻剂喷口177用于喷洒降阻剂，以便有效减小钻具的搅拌阻力。

如图1所示，供料后台200包括供料装置210、空压机A221、空压机B222、竖向增压管道231、气料管道232和气路管道233；供料装置210将高压罐体内的固化剂粉料，经由螺旋输送装置按设定施工参数稳定地运至罐体底部的喷射机***内，并利用空压机A221产生的高压气体喷射作用，在喷射机***内与固化剂粉料充分混合并形成气固两相流体由气料管道232进行输送。螺旋输送装置可针对设计固化剂掺量自动匹配落料速度，保证干喷搅拌桩的单位桩长的固化剂用量稳定。空压机A221为固化剂粉料的运输提供高压气体；气料管道232与钻机主体100上的进料口155连接供应固化剂粉料，同时在气料管道232垂直上升部位增设由空压机A221供气的竖向增压管道231。竖向增压管道231的设置有效增加了固化剂粉料的竖向运输能力，保证固化剂粉料能够被携带至钻机顶部。供料后台200可另外增设所述空压机B222通过气路管道233与钻机主体100上的辅助进口156连接供应助吹高压气体；降阻剂通过单独设置的管路进行降阻剂的供应。气路管道233与辅助喷口176连接，使高压气体对固化剂粉料喷出后提供进一步的材料混合均匀性提供帮助。

如图1所示，控制模块300控制供料后台200设备的监测、控制与运行；通过控制模块300的PLC测控程序实现对罐体内压力的测控，对螺旋输送装置的设计旋转速度和设计固化剂粉料下料量的控制，以及对供料后台200中的开关阀、压力表、调节阀、流量计的有效测控，持续稳定定量均匀地通过气料管道232、气料通道143、气料喷口175向地基土体内喷射固化剂粉料。

一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备的施工工艺，应用上述多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，包括如下步骤：

S1、施工开始前，钻机主体100通过定位***将多层互剪搅拌钻头170对准施工桩位，利用电子调平仪调节各液压支腿使塔架桅杆110及钻杆140垂直度维持在1.5％以内；将所需固化剂粉料注入供料装置210的高压罐体内，并关闭高压罐体上各进料排气开关。S2、开启空压机A221供气，按照拟定的供气压力和供气量使气料管道232、气料通道143及竖向增压管道231供气通畅，与此同时，开启空压机B222对气路管道233、辅助管道145及辅助喷口176供气。

S3、钻具向下钻掘喷射搅拌阶段，升降滑轮153通过卷扬机或链条对钻具产生下压力以设定下钻速度向下钻掘搅拌，利用上置动力装置150驱动内杆142旋转，下置动力装置160驱动外杆141旋转；使多层互剪搅拌钻头170上第一搅拌叶片172与第二搅拌叶片173按照设定的旋转速度产生相对搅拌对地基土体进行剪切搅拌混合；当多层互剪搅拌钻头170入土时立即开启供料装置210的螺旋输送装置向喷射机***内稳定定量输送固化剂粉料，在高压气体喷射作用下，将固化剂粉料通过气料管道232、气料通道143输送到气料喷口175，再由气料喷口175向地基土内喷射固化剂粉料；同时，辅助喷口176喷射的高压气体有利于料体的顺利喷出和均匀混合并增大喷射半径；降阻剂喷口177喷射降阻剂可降低钻头的搅拌阻力；施工至设计桩底标高停止供料。

S4、钻具向上提升搅拌阶段，外杆141与内杆142实施反向旋转，以设定的提钻速度向上提升旋转钻杆140，在此过程中，高压气体与降阻剂持续通过气料喷口175、辅助喷口176与降阻剂喷口177进行少量喷射，保证各喷口不会被土体堵塞，直至多层互剪搅拌钻头170提出地表，停止供气及供料，结束该干喷搅拌桩施工。

S5、移机到下一个新桩位，重复以上工艺步骤进行下一根干喷搅拌桩施工。

实施例1

下面结合如图1～8、图11～13对本发明做进一步阐述说明，本实施例的工程背景为河流入海口两侧堤坝加固工程，采用干喷搅拌桩对堤坝软土地基进行加固处理，桩长19m，桩径800mm，桩间距2000mm，对搅拌桩28天无侧限抗压强度要求不小于1.6MPa。

本实施例地基土条件：地表以下30米范围内含三层土层，①杂填土，层厚1～2m；②淤泥质土，层厚20～25m，含水率78％，孔隙比1.424，标贯击数1～2；③淤泥质黏土，层厚5～10m，含水率54％，孔隙比0.875，标贯击数5～7。干喷搅拌桩采用P.O 42.5水泥，水泥掺量17％，施工采用本发明的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，施工工艺应用两搅一喷，下钻喷粉工艺。

如图1图2所示，多层互剪干喷搅拌桩钻机装备包括钻机主体100、供料后台200和控制模块300。控制模块300通过对供料后台200监测与控制保证水泥持续稳定地供应，控制模块300通过对钻机主体100施工过程的监测确保每延米搅拌桩的水泥掺量，从而保证干喷搅拌桩的整体施工质量。钻机主体100包括塔架桅杆110、斜拉支撑120、设备平台130、钻杆140、上置动力装置150、下置动力装置160和多层互剪搅拌钻头170。斜拉支撑120将塔架桅杆110固定在设备平台130上，保证塔架桅杆110的稳定，钻杆140悬挂在塔架桅杆110前侧，上置动力装置150设置在内钻杆142的顶部，下置动力装置160设置在设备平台130上，两个动力装置分别为内外钻杆提供旋转动力，多层互剪搅拌钻头170安装在钻杆140底端。

如图6～8所示，本实施例的钻杆140分节组装，内杆142为圆形截面，外杆141为矩形截面，气料通道143位于内杆中部，外杆141的两外侧分别设置有辅助管道145和降阻剂管道144，辅助管道145与降阻剂管道144外部利用角钢包裹形成第一保护罩147和第二保护罩148，保护罩与外杆141旋转半径之差所形成的区域为排气空间149，该空间可有效降低高压气体注入地下后产生的地内压力，辅助管道145和降阻剂管道144采用连接管146连接，并在连接部位设置角钢保护罩防止钻进过程中被损害。

如图3～5所示，上置动力装置150的驱动机构151采用电机驱动，功率为55kW，减速机152与驱动机构151配合为内杆142提供动力，升降滑轮153利用链条将钻杆140悬挂在塔架桅杆110上并为其提供下压力与提升力。在上置动力装置150上端与钻杆140连接的水龙头154上设有进料口155、辅助进口156和降阻剂进口157分别用于输送水泥、高压气体和降阻剂。下置动力装置160采用功率为75kW的磨盘钻结构并置于设备平台130的前部位置，方形截面外杆141穿过磨盘中心孔，利用相互卡接的结构为外杆141提供扭矩，限位滚轮161有助于外杆141顺利下降与提升，采用动力下置方式有效降低了钻机整体重心，使装备更加稳定，钻机施工的安全系数也得到显著提升。

如图11～13所示，本实施例中的钻头采用多层互剪搅拌钻头170，其中搅拌外框171上端与外杆141固定连接，搅拌外框171底部通过轴套与内杆142转动连接，搅拌外框171内侧设置有第一搅拌叶片172，外杆141带动搅拌外框171与第一搅拌叶片172旋转，内杆142上设置有第二搅拌叶片173，内杆142带动第二搅拌叶片173旋转，其中第一搅拌叶片172与第二搅拌叶片173沿钻杆140间隔分布，形成错层相互剪切效果。掘进叶片174设置在钻头底部，搅拌外框171底部的内杆142上设置有气料喷口175，搅拌外框171底部其中一个搅拌翼1711下设置有辅助喷口176，搅拌外框171底部另一个搅拌翼1711上方设置有降阻剂喷口177，辅助喷口176设置在气料喷口175的上方，两喷口喷射范围可重叠。重叠的喷射范围，可以将喷出的固化剂粉料在地基土体内部进一步的吹散均匀，更有利于固化剂的撒布，提高桩身整体的均匀性。气料喷口175和辅助喷口176，均采用缩口结构形式，缩径喷口结构有助于粉料与气体在喷射时的压力和速度提升。降阻剂喷口177用于喷洒降阻剂以减小钻具搅拌阻力约16％。

如图1所示，供料后台200包括供料装置210、空压机和输送管道。供料装置210采用高压罐体盛装水泥，通过罐体内部加压并利用螺旋输送装置将水泥运送至罐体底部的喷射机***，并利用空压机A221提供的高压气体将水泥粉料通过气料管道232、进料口155、气料通道143和气料喷口175喷射到土体中；同时竖向增压管道231设置在气料管道232垂直上升部位，增加了水泥干粉的垂直输送能力并防止粉料聚集造成管道堵塞。空压机B222通过气路管道233、辅助进口156、辅助管道145及辅助喷口176为水泥粉料的喷撒均匀提供帮助。

如图1所示，控制模块300负责整体供料后台200设备的监测、控制与运行；通过控制模块300的PLC测控程序实现对罐体内压的测控，对螺旋输送装置的设计旋转速度和设计水泥下料量的控制，以及对供料后台200中各开关阀、压力表、调节阀、流量计的有效测控，持续稳定均匀地通过气料管道232、气料通道143、气料喷口175向地基土中注入水泥粉料。

本实例中的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备的施工方法，具体包括以下工艺步骤：

S1.施工前，钻机主体100通过定位***精准将多层互剪搅拌钻头170对准拟施工桩位，利用电子调平仪调节各液压支腿使塔架桅杆110及钻杆140的垂直度保持在1.5％以内；将水泥注入供料装置210的高压罐体内，关闭高压罐体上各进料、排气开关，每次注入水泥的质量可保证至少2根干喷搅拌桩的施工。

S2.开启空压机A221供气，按照拟定的供气压力和供气量使气料管道232、气料通道143及竖向增压管道231供气通畅；与此同时，开启空压机B222对气路管道233、辅助管道145及辅助喷口176供气。

S3.钻具向下钻进搅拌过程，升降滑轮153通过卷扬机或链条对钻具产生下压力，并以设定下行速度向下钻进，利用上置动力装置150驱动内杆142旋转，下置动力装置160驱动外杆141旋转，使多层互剪搅拌钻头170上第一搅拌叶片172与第二搅拌叶片173按照设定的旋转速度产生相对旋转实现对地基土体搅拌。当多层互剪搅拌钻头170入土后立即开启供料装置210的螺旋输送装置向喷射机***内定量输送固化剂粉料，在高压空气喷射下使水泥通过气料管道232、气料通道143由气料喷口175向地基土内喷射，同时，辅助喷口176供应高压气体对料体的顺利喷出和均匀混合提供帮助，降阻剂喷口177喷射降阻剂以降低钻头的搅拌阻力，施工至设计桩底标高停止供料。

S4.钻具向上提钻搅拌过程，外杆141与内杆142实施反向旋转，以设定的提钻速度向上提升钻杆140，在此过程中，高压气体与降阻剂持续通过气料喷口175、辅助喷口176与降阻剂喷口177进行少量喷射，保证各喷口不会被土体堵塞，施工直至多层互剪搅拌钻头170提出地表，停止供气供料并结束该干喷搅拌桩施工。

S5.移动钻机到下一个新桩位，重复以上工艺步骤进行下一根干喷搅拌桩施工。

实施例2

下面结合如图1～7、9、图11～13对本发明做进一步阐述说明，本实施例的工程背景为港口集装箱堆集场地的地基加固处理工程，采用干喷搅拌桩施工，桩长25m，桩径900mm，桩间距2400mm，复合地基设计极限承载力为350kPa，对搅拌桩28天无侧限抗压强度要求不小于1.2MPa。

本实施例地质情况：①填土，层厚0～1m；②淤泥质黏土，层厚10～14m，含水率70％，孔隙比1.356，标贯击数1～2；③饱和软黏土，层厚10～15m，含水率64％，孔隙比1.875，标贯击数3～6。干喷搅拌桩采用KD固化剂作为固化材料，掺量17％，采用本发明多层互剪干喷搅拌桩钻机装备进行施工，施工应用两搅一喷下钻喷粉工艺。

本实施例中的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备结构与实施例1中相似，不同之处在于：

1、由于本实施例的施工桩径与桩长较大，故上置动力装置150中的驱动机构151采用液压马达形式，功率75kW，采用液压马达可以减小上置动力装置150的体积及重量，有利于钻机的整体稳定，而下置动力装置160采用电动磨盘钻形式，功率选用75kW。

2、本实施例中的外杆141外侧设置有辅助管道145并利用第一保护罩147进行保护，另一侧不设置降阻剂管道144，但仍设置第二保护罩148以保证钻杆140在钻进旋转中的平衡防止抖动。

3、水龙头154上配套设置有进料口155和辅助进口156，未设置降阻剂进口157。

4、如图11～13所示，本实施例中取消了降阻剂喷口177，固化剂粉料通过气料喷口175喷射，利用辅助喷口176喷射出的高压介质将固化剂粉料进一步均匀吹散，使桩身布料均匀。

本实施例中的施工工艺同实施例1，不再赘述。

综上所述，本发明所带来的有益技术效果：

1、本发明一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备采用了上下分离式动力装置可以为施工钻机提供更大的施工扭矩；上置动力装置150与下置动力装置160分别驱动内外钻杆，减少了传动装置，结构更加简单，维保方便；同时降低了钻机重心，使钻机在施工中更加安全稳定，不易发生倾斜倾倒。

2、本发明中采用了多层互剪搅拌钻头170，相邻叶片之间的错位剪切可使固化剂干料与地基土搅拌更加均匀并提高固化土强度，同时保证了干喷搅拌桩的成桩质量。

3、本发明中供料后台200增设了竖向增压管道231，可增加固化剂粉料在垂直输送上的动力，防止在此部位产生粉料堆积或管道堵塞，同时也增设了独立的辅助管道145，提高了固化剂粉料的喷射均匀性，有效增大了搅拌桩的喷射直径。

4、钻杆140外侧设置有降阻剂通道，降阻剂在施工过程中可有效降低钻具搅拌阻力，同时两侧的保护罩与钻杆140扫略半径之差形成的区域为降低地内压力提供了排气空间149，从而减少了地下与地表的变形。

5、控制模块300能够在施工中根据施工参数实时监测与自动控制设备中的各种监测仪器仪表以及多种阀门与开关的启闭，从而安全有效地控制了施工全过程，保证了高效率、高质量的干喷搅拌桩施工。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，其特征在于，包括钻机主体(100)、供料后台(200)和控制模块(300)；所述钻机主体(100)包括钻杆(140)和多层互剪搅拌钻头(170)；所述多层互剪搅拌钻头(170)连接在钻杆(140)的底部，且多层互剪搅拌钻头(170)用于对土体进行错层剪切搅拌；所述钻杆(140)包括外杆(141)和内杆(142)；所述内杆(142)呈同轴且转动连接在外杆(141)内；且内杆(142)内设置有气料通道(143)；所述气料通道(143)的下端延伸至多层互剪搅拌钻头(170)处并设置有气料喷口(175)；所述外杆(141)的外周壁上设置有辅助管道(145)；辅助管道(145)的下端延伸至所述气料喷口(175)处并设置有辅助喷口(176)；所述辅助喷口(176)的介质喷射有利于将所述气料喷口(175)喷出的料体进一步分散混合；所述外杆(141)的外周壁上位于辅助管道(145)外设置有用于将辅助管道(145)包裹的第一保护罩(147)，所述第一保护罩(147)与外杆(141)旋转半径之差所形成的区域为排气空间(149)；所述排气空间(149)用于降低高压气体注入地下后产生的地内压力；所述外杆(141)的外周壁上且位于辅助管道(145)相对的一侧设置有用于保持装备平衡的配重模块结构；所述控制模块(300)与供料后台(200)电连接，所述控制模块(300)控制对供料后台(200)供料，使钻机主体(100)上的气料喷口(175)持续均匀地供应固化剂粉料。

2.根据权利要求1所述的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，其特征在于，所述多层互剪搅拌钻头(170)包括了搅拌外框(171)、第一搅拌叶片(172)、第二搅拌叶片(173)和掘进叶片(174)；所述搅拌外框(171)上部与所述外杆(141)下部固定连接，所述搅拌外框(171)底部通过轴套与所述内杆(142)转动连接，所述第一搅拌叶片(172)分层固定连接在搅拌外框(171)内侧，所述第二搅拌叶片(173)分层固定连接在所述搅拌外框(171)内部的所述内杆(142)上，所述第一搅拌叶片(172)与第二搅拌叶片(173)上下间隔错位布置，所述外杆(141)带动所述搅拌外框(171)与第一搅拌叶片(172)转动，所述内杆(142)带动所述第二搅拌叶片(173)转动；所述内杆(142)底部穿过所述搅拌外框(171)与所述掘进叶片(174)连接；所述气料喷口(175)位于搅拌外框(171)与掘进叶片(174)之间；所述辅助管道(145)的辅助喷口(176)穿过所述搅拌外框(171)其中一个搅拌翼(1711)的顶部且沿着所述搅拌翼(1711)的内侧壁竖向延伸，并从同一个搅拌翼(1711)的底部穿出，所述辅助喷口(176)位于所述搅拌外框(171)的所述搅拌翼(1711)的下方，且辅助喷口(176)位于气料喷口(175)的上方；所述气料喷口(175)和辅助喷口(176)均采用缩口结构，且所述辅助喷口(176)的喷射范围和气料喷口(175)的喷射范围之间形成重叠区域，使辅助喷口(176)的高压喷射对气料喷口(175)喷出的固化剂粉料产生进一步分散混合，并扩大喷射半径。

3.根据权利要求2所述的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，其特征在于，所述配重模块结构包括降阻剂管道(144)和第二保护罩(148)；所述降阻剂管道(144)设置在外杆(141)的外周壁上，且降阻剂管道(144)与辅助管道(145)以外杆(141)的轴心为对称轴呈对称设置；所述降阻剂管道(144)的下端延伸至多层互剪搅拌钻头(170)

处并设置有降阻剂喷口(177)；所述第二保护罩(148)设置在外杆(141)的外周壁上，并将所述降阻剂管道(144)包裹在内；所述第二保护罩(148)与第一保护罩(147)

以外杆(141)的轴心为对称轴呈对称设置。

4.根据权利要求3所述的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，其特征在于，所述降阻剂管道(144)的降阻剂喷口(177)穿过所述搅拌外框(171)另一个搅拌翼(1711)的顶部并沿着所述搅拌翼(1711)的内侧壁竖向延伸，降阻剂喷口(177)设置在所述搅拌翼(1711)的底部内侧，且降阻剂喷口(177)呈径向朝外杆(141)方向喷射。

5.根据权利要求3所述的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，其特征在于，所述钻机主体(100)还包括塔架桅杆(110)、斜拉支撑(120)、设备平台(130)、上置动力装置(150)

和下置动力装置(160)；所述塔架桅杆(110)竖向设置在所述设备平台(130)上，所述斜拉支撑(120)将所述塔架桅杆(110)与所述设备平台(130)固定连接，所述钻杆(140)通过升降滑轮(153)吊装在所述塔架桅杆(110)前侧，所述上置动力装置(150)悬挂在所述塔架桅杆(110)顶部，通过升降滑轮(153)驱动所述钻杆(140)的下降与提升，所述下置动力装置(160)安装在设备平台(130)前侧，所述上置动力装置(150)与下置动力装置(160)处在同一竖直轴线上。

6.根据权利要求5所述的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，其特征在于，所述上置动力装置(150)包括驱动机构(151)、减速机(152)、升降滑轮(153)和水龙头(154)；所述驱动机构(151)为电机或液压马达形式，所述驱动机构(151)与减速机(152)

传动配合为所述内杆(142)提供旋转动力；所述水龙头(154)设置在所述钻杆(140)

顶端，所述水龙头(154)上设置有气料入口；所述下置动力装置(160)采用磨盘钻形式，所述外杆(141)穿过所述下置动力装置(160)的中心孔，中心孔的截面与所述钻杆(140)截面相同，所述下置动力装置(160)为所述外杆(141)提供旋转动力，并通过限位滚轮(161)对所述钻杆(140)进行固定限位。

7.根据权利要求6所述的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，其特征在于，当装备中为双通道结构时，所述气料入口包括进料口(155)和辅助进口(156)；所述进料口(155)与气料通道(143)的顶端连通；所述辅助进口(156)与辅助管道(145)的顶端连通；当装备中为三通道结构时，气料入口还包括降阻剂进口(157)；所述降阻剂进口(157)与降阻剂管道(144)的顶端连通。

8.根据权利要求7所述的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，其特征在于，供料后台(200)包括供料装置(210)、空压机A(221)、空压机B(222)、竖向增压管道(231)、气料管道(232)和气路管道(233)；所述供料装置(210)利用高压罐体盛装固化剂粉料，经过螺旋输送装置将固化剂粉料按设定参数稳定均匀地输送至罐体底部的喷射机***内，并利用空压机A(221)产生的高压气体在喷射机***内与固化剂粉料充分混和形成气固两相流体由气料管道(232)进行输送；所述气料管道(232)与所述钻机主体(100)上的所述进料口(155)连接供应固化剂粉料，同时在气料管道(232)垂直上升部位增设由空压机A(221)供气的竖向增压管道(231)；所述供料后台(200)的空压机B(222)通过气路管道(233)与所述钻机主体(100)上的所述辅助进口(156)连接供应辅助高压气体；降阻剂通过单独设置的管路进行降阻剂的供应。

9.根据权利要求8所述的多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，其特征在于，控制模块(300)控制所述供料后台(200)设备的监测、控制与运行；通过所述控制模块(300)的PLC测控程序实现对罐体内压力的测控，对螺旋输送装置的设计旋转速度和设计固化剂粉料下料量的控制，以及对所述供料后台(200)中的开关阀、压力表、调节阀、流量计的有效测控，持续稳定定量均匀地通过所述气料管道(232)、气料通道(143)、气料喷口(175)向地基土体内喷射固化剂粉料。

10.一种多层互剪干喷搅拌桩钻机装备的施工工艺，其特征在于，应用权利要求9任一所述多层互剪干喷搅拌桩钻机装备，包括如下步骤：

S1.施工开始前，钻机主体(100)通过定位***将多层互剪搅拌钻头(170)对准施工桩位，利用电子调平仪调节各液压支腿使塔架桅杆(110)及钻杆(140)垂直度维持在1.5％以内；将所需固化剂粉料注入供料装置(210)的高压罐体内，并关闭高压罐体上各进料排气开关。

S2.开启空压机A(221)供气，按照拟定的供气压力和供气量使气料管道(232)、气料通道(143)及竖向增压管道(231)供气通畅，与此同时，开启空压机B(222)对气路管道(233)、辅助管道(145)及辅助喷口(176)供气。

S3.钻具向下钻掘喷射搅拌阶段，升降滑轮(153)通过卷扬机或链条对钻具产生下压力以设定下钻速度向下钻掘搅拌，利用上置动力装置(150)驱动内杆(142)旋转，下置动力装置(160)驱动外杆(141)旋转；使多层互剪搅拌钻头(170)上第一搅拌叶片(172)与第二搅拌叶片(173)按照设定的旋转速度产生相对搅拌对地基土体进行剪切搅拌混合；当多层互剪搅拌钻头(170)入土时立即开启供料装置(210)的螺旋输送装置向喷射机***内稳定定量输送固化剂粉料，在高压气体喷射作用下，将固化剂粉料通过气料管道(232)、气料通道(143)输送到气料喷口(175)，再由气料喷口(175)向地基土内喷射固化剂粉料；同时，辅助喷口(176)喷射的高压气体有利于料体的顺利喷出和均匀混合并增大喷射半径；降阻剂喷口(177)喷射降阻剂可降低钻头的搅拌阻力；施工至设计桩底标高停止供料。

S4.钻具向上提升搅拌阶段，外杆(141)与内杆(142)实施反向旋转，以设定的提钻速度向上提升旋转钻杆(140)，在此过程中，高压气体与降阻剂持续通过气料喷口(175)、辅助喷口(176)与降阻剂喷口(177)进行少量喷射，保证各喷口不会被土体堵塞，直至多层互剪搅拌钻头(170)提出地表，停止供气及供料，此时结束该干喷搅拌桩的施工。

S5.移机到下一个新桩位，重复以上工艺步骤进行下一根干喷搅拌桩施工。