复合帷幕桩施工钻具及其施工方法

技术领域

本发明涉及建筑地基基础施工技术领域，尤其是涉及一种复合帷幕桩施工钻具及其施工方法。

背景技术

截水帷幕是基坑地下水控制领域的重要结构措施。目前最常用的截水帷幕形式有水泥土搅拌桩、高压旋喷桩和高压定喷与摆喷帷幕。

水泥土搅拌桩是将预先配置的水泥浆注入孔内，通过转动搅拌叶片将水泥浆与周围软土强制拌和，形成水泥加固体。其优点是施工简便、成本低廉，成桩质量可靠。但是对于采用桩锚支护的基坑，由于搅拌叶片与混凝土支护桩冲突而无法实现帷幕桩与支护桩搭接，只能在支护桩外围另外施工一圈水泥土搅拌桩帷幕，造成材料和工期的浪费。

高压旋喷桩，是以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层，利用高压射流切削土体，使水泥浆与土体混合，形成连续搭接的水泥加固体。其优点是施工占地少、振动小、噪音较低，且地层适应性好。用于基坑桩锚支护的桩间帷幕时，其高压射流通过坚硬的混凝土支护桩时会冲刷桩体表面，使水泥土桩与支护桩形成有效搭接，适用性极好。但由于其高压射流出浆量巨大，浪费严重，成本较高，且容易污染环境。

高压定喷与摆喷帷幕只是在提钻过程中，钻头不转动或在一定角度范围内摆动，从而形成顶点相互连接的扇形固结体。该帷幕形式由于其成墙厚度小，在一定程度上改善了旋喷帷幕桩浆液浪费的弊端。但是，无论是高压定喷与摆喷帷幕，由于墙体是由扇形拼接而成，其扇形顶点位置厚度极小，而使帷幕的截水效果大打折扣。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合帷幕桩施工钻具及其施工方法，以缓解现有的水泥土搅拌桩施工受限，高压旋喷桩造成材料的浪费，高压定喷与摆喷帷幕墙体是由扇形拼接而成，其扇形顶点位置厚度极小，而使帷幕的截水效果大打折扣的技术问题。

本发明提供的复合帷幕桩施工钻具，包括搅拌机构和定喷机构；所述搅拌机构包括搅拌杆和连接在所述搅拌杆底端的叶片组件；

所述搅拌杆可转动的连接在所述定喷机构的中心，且所述搅拌杆能够随所述定喷机构一起上下移动；

所述定喷机构包括输送管道和喷头，所述喷头连接在所述输送管道的底部，所述喷头的高度大于所述叶片组件的高度，所述喷头上设有喷射方向远离所述搅拌杆的出浆口，所述喷头与所述搅拌杆的中心之间的距离小于所述叶片组件的旋转半径。

进一步的，所述喷头的数量为两个。

进一步的，沿所述搅拌杆的周向，两个所述喷头之间的夹角可调。

进一步的，每个所述喷头上的所述出浆口的数量为多个，且多个所述出浆口沿所述喷头的长度方向间隔设置。

进一步的，每个所述喷头上的所述出浆口为两个，两个所述出浆口的延伸方向在垂直于所述搅拌杆的长度方向的平面内的投影不重合，且两个所述出浆口的喷射路径在所述叶片组件的旋转半径之外相交。

进一步的，所述搅拌杆和所述定喷机构的相接处设有第一转动组件；

所述第一转动组件包括固定轴承，所述搅拌杆连接在所述固定轴承的内圈中，所述定喷机构与所述固定轴承的外圈连接。

进一步的，还包括套管，所述套管的内侧壁与所述固定轴承的外圈连接，所述定喷机构与所述套管的外侧壁连接。

进一步的，所述定喷机构还包括连接杆和高喷管；所述连接杆的一端与所述固定轴承的外圈连接，所述连接杆的另一端与所述高喷管连接，所述喷头连接在所述高喷管的底端，所述输送管道设置在所述高喷管内；

所述高喷管的延伸方向与所述搅拌杆的延伸方向相同。

进一步的，所述搅拌机构还包括驱动机构，所述驱动机构与所述搅拌杆远离所述叶片组件的一端连接，用于驱动所述搅拌杆和所述叶片组件转动。

本发明提供的复合帷幕桩施工钻具的施工方法，包括：

在相邻的两个支护桩之间测量放线确定复合帷幕桩的位置并安装复合帷幕桩施工钻具；

搅拌机构的搅拌杆带动叶片组件转动，向定喷机构的输送管道内通入水或者固结材料，所述复合帷幕桩施工钻具由上至下移动至预设深度；

向所述定喷机构的输送管道内通入固结材料，将所述复合帷幕桩施工钻具由预设深度提升至预设标高。

本发明提供的复合帷幕桩施工钻具，包括搅拌机构和定喷机构；所述搅拌机构包括搅拌杆和连接在所述搅拌杆底端的叶片组件，所述搅拌杆可转动的连接在所述定喷机构的中心，且所述搅拌杆能够随所述定喷机构一起上下移动；所述定喷机构包括输送管道和喷头，所述喷头连接在所述输送管道的底部，所述喷头的高度大于所述叶片组件的高度，所述喷头上设有喷射方向远离所述搅拌杆的出浆口，所述喷头与所述搅拌杆的中心之间的距离小于所述叶片组件的旋转半径。

使用时，在相邻的两个支护桩之间测量放线确定复合帷幕桩的位置并安装复合帷幕桩施工钻具，搅拌机构和定喷机构同时由上至下移动，搅拌杆带动叶片组件一起转动，同时，向定喷机构的输送管道内通入固结材料，例如水泥浆，固结材料从喷头的出浆口喷出，当通入的固结材料为高压状态时，能够切削土体，形成超出叶片组件旋转半径的侧向固结体结构，该固结体结构用于与支护桩搭接，同时，部分固结材料通过搅拌机构的叶片组件的搅拌，形成圆形的固结体，两种固结体能够相互搭接，从而形成复合帷幕桩，既解决了现有的水泥土搅拌桩无法与支护桩搭接的问题，又解决了定喷固结体中央薄弱的问题，几乎不产生废浆，节省材料，工作效率高，施工方便，节省工期。

本发明提供的复合帷幕桩施工钻具的施工方法，包括：在相邻的两个支护桩之间测量放线确定复合帷幕桩的位置并安装复合帷幕桩施工钻具；搅拌机构的搅拌杆带动叶片组件转动，向定喷机构的输送管道内通入水或者固结材料，所述复合帷幕桩施工钻具由上至下移动至预设深度；向所述定喷机构的输送管道内通入固结材料，将所述复合帷幕桩施工钻具由预设深度提升至预设标高。

本发明提供的复合帷幕桩施工钻具的施工方法，在复合帷幕桩施工钻具由上至下移动至预设深度时，搅拌机构的搅拌杆带动叶片组件转动的同时通过向定喷机构的输送管道内通入低压或者高压的水、低压或者高压的固结材料，然后，在复合帷幕桩施工钻具由预设深度提升至预设标高时，在输送管道内通入固结材料通入低压或者高压的固结材料，从而形成圆形的固结体或多种侧向固结体和圆形的固结体的组合形式，以适应各种复杂的工况，工作效率高，施工方便，节省工期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的第一种结构形式；

图2为本发明实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的出浆口的喷射示意图；

图3为图2中的A部放大图；

图4为图2中的俯视图；

图5为本发明实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的第二种结构形式；

图6为本发明实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的双向定喷搅拌桩的结构图；

图7为本发明实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的双向定喷搅拌桩的俯视图；

图8为本发明实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的单向定喷搅拌桩的结构图；

图9为本发明实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的常规搅拌桩的结构图；

图10为本发明实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的双向定喷搅拌桩与支护桩的第一种连接形式示意图；

图11为本发明实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的双向定喷搅拌桩与支护桩的第二种连接形式示意图；

图12为本发明实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的施工方法的流程图。

图标：10-圆形的固结体；20-侧向固结体；30-支护桩；111-搅拌杆；112-叶片组件；120-定喷机构；121-高喷管；122-连接杆；123-喷头；124-出浆口；130-固定轴承；131-套管。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图11所示，本实施例提供的复合帷幕桩施工钻具，包括搅拌机构和定喷机构120；所述搅拌机构包括搅拌杆111和连接在所述搅拌杆111底端的叶片组件112；所述搅拌杆111可转动的连接在所述定喷机构120的中心，且所述搅拌杆111能够随所述定喷机构120一起上下移动；所述定喷机构120包括输送管道和喷头123，所述喷头123连接在所述输送管道的底部，所述喷头123的高度大于所述叶片组件112的高度，所述喷头123上设有喷射方向远离所述搅拌杆111的出浆口124，所述喷头123与所述搅拌杆111的中心之间的距离小于所述叶片组件112的旋转半径。

需要说明的是，本实施例中，出浆口124的朝向可以背向搅拌杆111的方向，也可以朝向其他的方向，但是需要避开朝向搅拌杆111的方向。

使用时，在相邻的两个支护桩30之间测量放线确定复合帷幕桩的位置并安装复合帷幕桩施工钻具，搅拌机构和定喷机构120同时由上至下移动，搅拌杆111带动叶片组件112一起转动，同时，向定喷机构120的输送管道内通入固结材料，例如水泥浆，固结材料从喷头123的出浆口124喷出，当通入的固结材料为高压状态时，能够切削土体，形成超出叶片组件112旋转半径的侧向固结体20结构，该固结体结构用于与支护桩30搭接，同时，部分固结材料通过搅拌机构的叶片组件112的搅拌，形成圆形的固结体10，两种固结体能够相互搭接，从而形成复合帷幕桩，既解决了现有的水泥土搅拌桩无法与支护桩30搭接的问题，又解决了定喷固结体中央薄弱的问题，几乎不产生废浆，节省材料，工作效率高，施工方便，节省工期。

需要说明的是，本实施例中，固结材料为水泥浆，当然，使用其他可用于地下防渗墙的固结材料代替。

进一步的，所述喷头123的数量为两个，且两个喷头123在以搅拌杆111为中心的周向上间隔设置。

具体地，实际使用时，搅拌杆111带动其底部的叶片组件112转动，而定喷机构120的位置始终保持不变，输送管道远离喷头123的一端与高压水泥泵连接，当向输送管道风通放高压的水泥浆时，高压水泥浆从喷头123的出浆口124喷出，切削土体，形成超出叶片组件112回转半径的扇形水泥固结体，而部分的水泥浆通过搅拌机构的叶片组件112的搅拌，与土体形成圆形的水泥固结体，两种水泥固结体相互搭接形成复合帷幕桩，该复合帷幕桩为双向定喷搅拌桩，其中一个扇形水泥固结体远离圆形的水泥固结体的一端用于与一个支护桩30搭接，另一个扇形水泥固结体远离圆形的水泥固结体的一端用于与另一个支护桩30搭接。

需要说明的是，还可以在一个喷头123内通入高压水泥浆，另一个喷头123内通入低压或者不通水泥浆，这时，仅形成一个圆形的水泥固结体和在一个与之搭接的扇形水泥固结体，且该扇形水泥固结体位于该圆形的水泥固结体的一侧，即形成单向定喷搅拌桩。

当然，还可以在两个喷头123内均通入低压水泥浆，这时，仅形成一个圆形的水泥固结体，即形成常规搅拌桩。

实际使用时，通过复合帷幕桩施工钻具形成的上述三种搅拌桩形成可以任意组合使用，以适合不同的复杂工况。

进一步的，每个所述喷头123上的所述出浆口124的数量为多个，且多个所述出浆口124沿所述喷头123的长度方向间隔设置。

具体地，本实施例中，每个喷头123上设置有两个出浆口124，两出浆口124沿喷头123的长度方向，即竖直方向设置。

本实施例中，喷头123朝向叶片组件112的一端为锥形，且锥形尺寸较小的部分朝向叶片组件112，当复合帷幕桩施工钻具由上向下移动时，减小运动的阻力。

进一步的，每个所述喷头123上的所述出浆口124为两个，两个所述出浆口124的延伸方向在垂直于所述搅拌杆111的长度方向的平面内的投影不重合，且两个所述出浆口124的喷射路径在所述叶片组件112的旋转半径之外相交。

具体地，喷头123上的两个出浆口124可以沿竖直方向间隔设置，但两个出浆口124的延伸方向不同，即呈一定角度布置，两个出浆口124喷出的水泥浆在叶片组件112的旋转半径之外相交，且不存在间隙，保证密封性，同时，可以通过设置以使两个出浆口124喷出的水泥浆的远离出浆口124的一端的高度相同。

需要说明的是，由于两个出浆口124的高度不同，其靠近出浆口124的位置喷射出的水泥浆必然存在空隙，而由于喷头123距离搅拌杆111的中心的距离小于叶片组件112的旋转半径，这个空隙被叶片组件112的搅拌形成的圆形的水泥固结体所弥补，从而形成一个密封的复合帷幕桩结构。

进一步的，所述搅拌杆111和所述定喷机构120的相接处设有第一转动组件；所述第一转动组件包括固定轴承130，所述搅拌杆111连接在所述固定轴承130的内圈中，所述定喷机构120与所述固定轴承130的外圈连接。

需要说明的是，如图5所示，作为另一个实现形式，该第一转动组件还包括套管131，所述套管131的内侧壁与所述固定轴承130的外圈连接，所述定喷机构120与所述套管131的外侧壁连接。

优选地，本实施例中，所述定喷机构120还包括连接杆122和高喷管121；所述连接杆122的一端与所述固定轴承130的外圈连接，所述连接杆122的另一端与所述高喷管121连接，所述喷头123连接在所述高喷管121的底端，所述输送管道设置在所述高喷管121内；所述高喷管121的延伸方向与所述搅拌杆111的延伸方向相同。

具体地，所述定喷机构120包括两个高喷管121，高喷管121的延伸方向与所述搅拌杆111的延伸方向相同，且每个高喷管121通过一个连接杆122与固定轴承130的外圈连接，输送管道安装在高喷管121内，且喷头123连接在高喷管121的底端。

进一步的，一个所述连接杆122连接在所述固定轴承130的一侧，另一个所述连接杆122连接在所述固定轴承130上相对的另一侧。

具体地，两个连接杆122分别连接在固定轴承130的两侧，以使与之连接的一个高喷管121和连接在该高喷管121底部的喷头123与另一个高喷管121和连接在其底部的喷头123相对设置，从而使两个喷头123上的出浆口124喷出的水泥浆的方向相反，这时，该复合帷幕桩可以设置在两个支护桩30之间，以使两个喷头123的出浆口124喷出的水泥浆形成的扇形水泥固结体能够分别与两个支护桩30搭接。

进一步的，沿所述搅拌杆111的周向，两个所述喷头123之间的夹角可调。

优选地，沿所述固定轴承130的周向，两个所述连接杆122之间的夹角可调，这样设置的好处是，可以使两个喷头123的出浆口124喷出的水泥浆的延伸方向之间的夹角可变，可以将复合帷幕桩设置在两个支护桩30之间连线的一侧，使复合帷幕桩的设置位置更加灵活。

需要说明的是，为了实现两个连接杆122之间的夹角的调节，可以固定轴承130的外圈上设置多个连接部，连接杆122远离高喷管121的一端可折地连接在该连接部，通过拆卸并将其中的一个连接杆122连接在不同的连接部上，从而实现两个连接杆122之间角度的可调。

还可以将固定轴承130的外圈设置为能够以固定轴承130的中心相对转动的两部分，其中，一个连接杆122连接在其中一个部分上，另一个连接杆122连接以另一个部分上，通过两部分之间的转动，从而实现两个连接杆122之间角度的调节。

进一步的，所述搅拌机构还包括驱动机构，所述驱动机构与所述搅拌杆111远离所述叶片组件112的一端连接，用于驱动所述搅拌杆111和所述叶片组件112转动。

本实施提供的复合帷幕桩施工钻具具有如下优点：

1、将高压定喷与搅拌桩相结合，用定喷解决了水泥土搅拌桩无法与支护桩30搭接的问题，用搅拌桩解决了定喷固结体中央薄弱的问题；

2、定喷返回的水泥浆直接用于搅拌形成圆形的水泥固结体，几乎不产生废浆，节省材料。

3、搅拌杆111和叶片组件112与喷头123同钻具不同杆，即可同步上下移动又可相互独立转动，在定喷的同时可根据需要任意调节搅拌速率。

4、通过改变高喷管121的位置、出浆口124的数量及方向、叶片组件112的大小、高喷管121的出浆形式，可以形成多种扇形水泥固结体与圆形的水泥固结体的组合形式，以适应各种复杂的工况。

5、高压定喷与搅拌同步施工，工作效率高，施工方便，节省工期。

如图12所示，本实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的施工方法，依赖于上述的复合帷幕桩施工钻具，具体包括：在相邻的两个支护桩30之间测量放线确定复合帷幕桩的位置并安装复合帷幕桩施工钻具；搅拌机构的搅拌杆111带动叶片组件112转动，向定喷机构120的输送管道内通入水或者固结材料，所述复合帷幕桩施工钻具由上至下移动至预设深度；向所述定喷机构120的输送管道内通入固结材料，将所述复合帷幕桩施工钻具由预设深度提升至预设标高。

具体地，本发明提供的复合帷幕桩施工钻具的施工方法，在复合帷幕桩施工钻具由上至下移动至预设深度时，搅拌机构的搅拌杆111带动叶片组件112转动的同时通过向定喷机构120的输送管道内通入低压或者高压的水、低压或者高压的固结材料，然后，在复合帷幕桩施工钻具由预设深度提升至预设标高时，在输送管道内通入固结材料通入低压或者高压的固结材料，从而形成圆形的固结体10或多种侧向固结体20和圆形的固结体10的组合形式，以适应各种复杂的工况，工作效率高，施工方便，节省工期。

具体的，本实施例提供的复合帷幕桩施工钻具的施工方法能够形成三种单桩截面，即双向定喷搅拌桩、单向定喷搅拌桩和常规搅拌桩。

双向定喷搅拌桩的施工方法：首先，在相邻的两个支护桩30之间测量放线确定复合帷幕桩的位置并安装复合帷幕桩施工钻具，其次，搅拌杆111带动叶片组件112转动下沉，同时，可通过两个高喷杆双向喷射低压或高压水、低压或高压水泥浆；最后待下沉至设计深度后，通过两个高喷杆双向喷射高压水泥浆，同时转动搅拌杆111提升钻具至设计标高，必要时进行复搅。

单向定喷搅拌桩的施工方法：首先，在相邻的两个支护桩30之间测量放线确定复合帷幕桩的位置并安装复合帷幕桩施工钻具，其次，搅拌杆111带动叶片组件112转动下沉，同时，可通过两个高喷杆双向喷射低压水或者低压水泥浆；最后待下沉至设计深度后，通过预先设置好的一侧高喷杆单向喷射高压水泥浆，同时转动搅拌杆111提升钻具至设计标高，必要时进行复搅。

常规搅拌桩的施工方法：首先，在相邻的两个支护桩30之间测量放线确定复合帷幕桩的位置并安装复合帷幕桩施工钻具，其次，搅拌杆111带动叶片组件112转动下沉，同时，可通过两个高喷杆双向喷射低压水或者低压水泥浆；最后待下沉至设计深度后，通过两个高喷杆双向喷射低压水泥浆，同时转动搅拌杆111提升钻具至设计标高，必要时进行复搅。

综上所述，本发明提供的复合帷幕桩施工钻具，使用时，在相邻的两个支护桩30之间测量放线确定复合帷幕桩的位置并安装复合帷幕桩施工钻具，搅拌机构和定喷机构120同时由上至下移动，搅拌杆111带动叶片组件112一起转动，同时，向定喷机构120的输送管道内通入固结材料，例如水泥浆，固结材料从喷头123的出浆口124喷出，当通入的固结材料为高压状态时，能够切削土体，形成超出叶片组件112旋转半径的侧向固结体20结构，该固结体结构用于与支护桩30搭接，同时，部分固结材料通过搅拌机构的叶片组件112的搅拌，形成圆形的固结体10，两种固结体能够相互搭接，从而形成复合帷幕桩，既解决了现有的水泥土搅拌桩无法与支护桩30搭接的问题，又解决了定喷固结体中央薄弱的问题，几乎不产生废浆，节省材料，工作效率高，施工方便，节省工期。

本发明提供的复合帷幕桩施工钻具的施工方法，在复合帷幕桩施工钻具由上至下移动至预设深度时，搅拌机构的搅拌杆111带动叶片组件112转动的同时通过向定喷机构120的输送管道内通入低压或者高压的水、低压或者高压的固结材料，然后，在复合帷幕桩施工钻具由预设深度提升至预设标高时，在输送管道内通入固结材料通入低压或者高压的固结材料，从而形成圆形的固结体10或多种侧向固结体20和圆形的固结体10的组合形式，以适应各种复杂的工况，工作效率高，施工方便，节省工期。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。