全角度地基改良體形方法及其裝置的製作方法
2023-05-31 04:21:51
專利名稱：全角度地基改良體形方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用來加固軟弱化基、為建築物打地基、支撐有限體積的地基的地基改良體形成方法及其裝置，本發明特別涉及不僅能以垂直方向、而且能以作為主方向的水平方向以及以與地面成任何角度方向施工的地基改良體形成方法，也即本發明提出了全角度地基改良體形成方法及其裝置。
在土木工程領域，隨著大城市向深層發展、在深層地下建造地鐵等等時代的來臨，新地基改良體的開發顯得特別迫切。對於座落在軟弱衝積層上的大城市地下施工的土木工程，施工的成功與否取決於能否可靠地形成地基改良體。自從所謂的CCP法(商標名，1970年由中西涉提出)發明以來人們提出了種種形成地基改良體的方法，在CCP法的基礎上人們發展出了十餘種新方法。它們全都涉及到對CCP法的施工方法中的排出壓力、排出量作出改動，或涉及是否使用空氣，並且，它們的開發工作全都集中於更大直徑的地基改良體。如上所述，我們已進入深層城市、深層地鐵、在海灘上標劃城市的時代，因此迫切需要有不僅能垂直施工，而且能水平施工的全角度施工方法來形成地基改良體，這對土木工程是一種挑戰。
在形成地基改良體的現有方法中，所謂的垂直施工是基本的，在垂直施工中隨著排出壓力、排出量和所使用空氣量的增加以及其它一些發展，使用了大量泥漿，從而造成更高的土壤壓力，從而更難於應用需在深層且在水平面上施工的全角度地基改良體形成法。例如，在一項以水平方向或以與地面成斜角的實際施工試驗中，施工開始後約4分鐘，粘泥就不再從噴杆四周的間隙中排出，並且不久就在施工地區出現地面隆起現象，而且，幾分鐘後，粘泥在離施工區遠處噴出。結果如圖15(A)所示形成一形狀不規則的地基改良圖。造成此種結果的原因據信在於相對於注入的泥漿量粘泥的排出量不足；粘泥液體中混有高壓空氣，該高壓空氣與普通的空氣團不同，不是水平逸出，而是力圖只向上逸出，並留駐在地下面成為高壓氣團，從而形成內部壓力逐漸提高的空隙。
此外，在形成地基改良體之前的鑽孔階段，現有鑽機沒有保護裝置，鑽機機體、鑽頭等等在插入地下施工時會被損壞。當使用注入杆噴射硬化劑時，必需配備有用來鑽孔的鑽頭，鑽頭在鑽孔時必須把注入杆放入鑽孔中。作為替代方案，也可使用把注入杆和合適的鑽杆做成一體的裝置。這就無法在注入杆的頂端使用壓力傳感器之類的專用裝置。
本發明旨在消除上述現有施工法的缺點，同時試圖對各種現有地基改良體形成方法作通盤考慮，從而對當前的木土工程業作出貢獻。
本發明的一個目的是提供一種不但適用於軟弱地基、而且適用于堅硬地基的地基改良體形成裝置，它包括一鑽機，該鑽機實際上鑽進到目標點，在目標點，該地基改良體形成裝置清除存留的空氣和粘泥，並使地下的粘泥壓力保持不變，從而以與地面的任何角度形成均勻的大直徑地基改良體。
本發明的另一個目的是提供一種順利排出粘泥的裝置。
用來達到這些目的的地基改良體形成方法下面一般稱為「地鐵灌漿系統(Metro-Jet System)」(縮寫為MJS—本發明申請人的商標)。
為實現上述目的，先用鑽巖機在土壤中鑽孔，鑽孔完成後，插入硬化劑注入杆。在以超高壓噴射硬化劑的同時後退該注入杆，從而在地下形成一個或多個地基改良體。在這種形成地基改良體的方法中，其一端帶有內鑽頭的套管推進器的後端與一可與該套管推進器連接且可伸縮的接納—回收裝置嚙合，並且，把該套管推進器以鑽孔方向壓入一套管，直到到達設在該套管內壁上的一止擋。然後，該套管推進器隨同套管頂端處的金屬外鑽頭轉動而鑽進到指定地點，並當鑽進到目的地後，套管留在地下。接著，把硬化劑注入杆插入留在地下的套管中。該注入杆裝有硬化劑注入管、空氣注入管、高壓水注入管、粘泥排出管等等。一當該硬化劑注入杆到達套管頂端，套管後退，直到露出注入杆上的粘泥抽吸孔，從而為形成本發明地基改良體作好準備。然後，硬化劑噴嘴開始噴射硬化劑，同時一監控器監控地下的情況，然後，開始轉動或搖動並上舉硬化劑注入杆，同時用硬化劑注入杆頂端處的壓力傳感器測量硬化劑噴嘴處的粘泥壓力，並按照該地下的粘泥壓力調節用來排出粘泥的空氣噴孔和/或淨水噴孔的開合程度，從而使地下的粘泥壓力基本保持不變。這就是用來形成地基改良體的MJS的梗概。
本發明具有下述優點。
由於使用了套管，鑽機不會損壞，並且，在裝在所述套管頂端的外金屬鑽和插入在套管中的套管推進器的頂端的內鑽的配合工作下，確保形成鑽孔；同時，由於使用了監控器、壓力傳感器、粘泥抽吸孔等，從而確保獲得均勻的地下粘泥壓力。
圖1為按本發明插入套管中的套管推進器；圖2(A)為本發明套管推進器接納—回收裝置的一實施例；圖2(B)為本發明內鑽的平面圖；圖3為多管轉動接頭的示意圖；圖4為多管轉動接頭的剖面圖；圖5為硬化劑注入杆的示意圖，其頂端部以套管頂端部露出；圖6為硬化劑注入杆頂端部第二部分的剖面圖；圖7(A)為硬化劑注入杆頂端的示意剖面圖；圖7(B)為沿圖7(A)中線X-X′剖取的剖面圖；圖8為測得的地下壓力圖9為MJS施工法的流程圖；圖10為本發明一實施例的施工次序圖；圖11為形成錐形地基改良體的一施工例；圖12(A)為形成半錐形地基改良體的一施工例；圖12(B)為連續形成半錐形地基改良體的水平施工例的示意圖；圖13為水平施工形成的平行錐形地基改良體的示意平面圖；圖14為形成錐形地基改良體時所產生的壓力與所形成的改良體的直徑之間的關係圖；圖15(A)為用現有技術形成的一地基改良體的示意剖面圖；圖15(B)為作為本發明一實施例而形成的一地基改良體的示意剖面圖。
下面結合
本發明實施例。
圖1表示其中插有套管推進器12的套管(外杆)10。
套管10的頂端有一外金屬鑽14，其後端有一套管連接部11，因此能按需要伸長。該套管10的長度製成便於運輸和處置。另一方面，套管推進器12的頂端有一用來鑽孔的內鑽15和用來支撐並補充內鑽15的副鑽16，其後端有一箭頭狀嚙合部分13。一機構用來只能以一選定方向轉動整個套管推進器12或內鑽頭15及其支撐件。由於套管10有時可用支撐在地面上或外部空間中的鑽機48的轉動機構轉動，因此可以只轉動所述套管推進器12，也可以與套管一起轉動所述套管推進器，從而邊鑽孔邊推進。此時，它們可以以同一方向轉動，也可以以相反方向轉動。
因此，套管10和套管推進器12一起邊鑽孔邊推進，從而形成一直達指定位置的鑽孔。在此推進過程中，套管10與所述套管連接部恰當連接，並且，如圖2(A)所示，在套管推進器12的後端部，嚙合部13與套管推進器接納—回收裝置18連接，該裝置18有一被裝置18夾住的部分19它與嚙合部13嚙合。而且，由於推進器接納—回收裝置18包括主體部20和伸縮部21，因此它可與套筒10一起伸長到目的地。
套管推進器12頂端處的內鑽15可取各種形狀。作為例子，圖2(A)和2(B)所示為一個三葉鑽頭。內鑽15受到來自它的施工面的很大壓力，因此它的支撐部須有牢固的結構。該支撐部除了克服壓力的轉動機構外，還裝有O形環17。
此外，在鑽孔時內部鑽頭15通常最好比頂端部處的外金屬鑽14稍稍突出。
圖3為多管轉動接頭27的簡圖，它包括硬化劑注入口23、高壓水注入口25、空氣注入口A24、空氣注入口B26和粘泥排出口22。因此，該多管轉動接頭27與硬化劑注入杆連接，在本實施例中，空氣注入口A和B分別用於不同目的，因此它們接至不同注入管，因此轉動接頭27是一種五管複合管。也可使用四管、三管等等的複合管。
上述粘泥排出口22接至外部的粘泥排放管22′，然後粘泥通過橡皮管等等排放到粘泥處置機。
圖4為與圖3所示多管轉動接頭27相應的一轉動接頭的剖面圖，儘管它們的形狀不同。
圖4中，標記23、24、25和26分別表示上述各注入口，標記22為粘泥排出口。此外，此多管轉動接頭27與圖6的注入杆第二頂端部連通，並與圖5和圖7的硬化劑注入部連通。
圖5簡示出硬化劑注入杆的頂端露出在套管10的頂端部之外。
在圖5中，硬化劑注入杆的頂端部包括帶有金屬小鑽頭34和噴嘴33的第一頂端部32和帶有粘泥抽吸孔30的第二頂端部31。該第二頂端部31的後端部有一連接部29，從而該注入杆可伸長到所要求的任意長度。在圖5中，硬化劑注入杆插入套管10中，鑽孔由圖1和圖2所說明的鑽機完成，套管10留在鑽孔中；套管推進器由套管推進器接納—回收裝置18回收後把該注入杆28插入，以便注入硬化劑。當硬化劑注入杆38到達留在鑽孔中的套管10的頂端部時，套管10後退直到露出粘泥抽吸孔10，從而做好硬化劑注入的準備。硬化劑注入杆38插入套管10中，也就是形成以套管10為外管、注入杆38為內杆的雙杆，此時一般其端部細長而其根部粗壯，從而總的來說，形成一牢固的硬化劑注入杆或硬化劑注入裝置。
裝在硬化劑注入杆第一頂端部32上的金屬小鑽頭34通常用來鑽孔，但在插入套管10中時用來清除其中的障礙物，或者它具有邊鑽孔邊前進一小段所需距離的作用。
粘泥抽吸孔30具有按粘泥生成量自由調節孔的大小的機構(未示出)。
圖6為硬化劑注入杆頂端部31的剖面圖。在該圖中，硬化劑注入杆38的側壁上開有粘泥抽吸孔30。它還包括與杆38連通的粘泥排出管47，以便把粘泥排放到杆內中央處。硬化劑注入杆38內部分別包括硬化劑注入管35、空氣注入管36和高壓水注入管37。
圖6中所示本發明一實施例的杆為四管杆。圖6未必與用來表示具有粘泥抽吸孔、噴嘴等等的其它實施例的圖7相同。圖6所示實施例中的粘泥抽吸孔30既無淨水注入孔40，也無空氣注入孔41。
圖7(A)為硬化劑注入杆38頂端部的示意剖面圖。
在圖7(A)中，硬化劑注入杆38包括硬化劑注入管35、高壓水注入管37、上述空氣注入管A36和B39，從圖中顯然可見，粘泥排出管47位於硬化劑注入杆38的中央。從粘泥抽吸孔30吸入的粘泥流入該粘泥排出管47中。由於硬化劑和硬化劑四周的空氣的注入壓力而在粘泥中累積起來的地下壓力能量使粘泥從粘泥吸入孔30吸入，接著，從位於側壁上且在所述粘泥排出管47最下部處的淨水噴射孔和/或空氣噴射孔噴射的淨水和/或空氣把粘泥噴射到粘泥排出管47上方後排出到外部。
在地下壓力能量無法順利排出粘泥的更深地下，可在粘泥排出管側壁的更多位置上另設輔助高壓水和空氣噴射孔(未示出)。
圖7(B)為圖7(A)的X-X′向剖面圖。在圖7(B)所示實施例中，在粘泥排出管47的最下部開有淨水噴射孔40和空氣噴射孔41。
當從抽吸孔30吸入的粘泥上升到高於噴射孔40和41時，粘泥從噴射孔下方被噴射到粘泥排出管47上方。此時不但粘泥向上噴射，而且地下壓力能量得到噴射的補充，因此粘泥噴射力和粘泥量增加。
另一方面，硬化劑注入杆38的頂端部(對應於圖5中的第一頂端部32)裝有圍繞在硬化劑噴嘴33周圍的空氣噴嘴43，而且，在噴嘴43的頂端裝有監控器44、壓力傳感器45和全金屬鑽頭34。不過，監控器44通常裝在噴嘴33和43的位置上。
圖8表示在1991年7月15日所作一項試施工中測得的地下壓力。
在圖8中，表示出從試施工開始直到結束所測得的一系列地下壓力。與現有測試結果相比較，未發現極高幅值的壓力。這是因為裝在硬化劑注入杆38頂端的壓力傳感器45不斷測量壓力，並按照該地下壓力調節硬化劑或空氣的注入量，從而使地下的粘泥壓力大體保持不變。若不能保持地下壓力不變，就無法形成(圖15(B)所示的)均質地基改良體53。在圖8中，高壓力幅值處代表更換注入杆、改變注入壓力或其它變動。
圖9為本發明MJS方法的流程圖。
下面參照該流程圖概略說明MJS法，以便理解本方法的整個過程。
首先，諸如一定量的水泥、水泥附加劑和水之類的基本材料放在灰漿攪拌機中攪拌後把該混合物從該攪拌機經稱量機送至開關閥。打開開關閥，把該混合物送至硬化劑注入杆，即，該混合物用MJS超高壓泵在壓力下送到裝有上述各種裝置的多管MJS系統。在此操作中，不僅是MJS系統中的MJS超高壓泵，而且多管注入杆、流量計、用於粘泥抽吸的淨水噴射孔和/或空氣噴射孔都受系統控制板的控制。在這一控制下，首先用鑽機對要改良的地基鑽孔，然後監控並測量地下壓力，噴射硬化劑，抽吸粘泥。
會造成環境汙染和其它問題的粘泥從排出管排出到粘泥罐中。在本發明MJS系統中，粘泥用商標名為「SIEBOL」的過濾機過濾，過濾生成的泥塊送至於承包商，由他們處理。另一方面，用泵把該過濾出的水重新使用在本地基改良施工中。
圖10為與地面成45°角的全角度地基改良體施工次序示意圖。
圖10(1)表示用插入在套管中、並由鑽機支撐和轉動的套管推進器鑽孔。套管推進器和套管在一起鑽孔時的轉動情況上文已予說明，通常把水灌入鑽孔中。
圖10(2)表示用套管推進器接納—回收裝置接納並回收套管推進器，但把套管留在地下。
圖10(3)表示把裝有壓力傳感器和監控器的硬化劑注入杆插入留在地下的套管中。在噴出硬化劑前先稍稍後退套管以便露出粘泥抽吸孔。接著，如圖10(4)所示，裝在硬化劑注入杆頂端的壓力傳感器測量地下壓力而硬化劑噴射情況受到監控，隨著粘泥從粘泥抽吸口的吸入不斷均勻注入硬化劑。然後以指定方向邊轉動硬化劑注入杆和套管邊把它們退出，直到它們到達地基改良體形成範圍。
圖10(5)表示在一地基改良體形成後退出套管和硬化劑注入杆、若要連續形成多個地基改良體，則必須進行一系列上述形成改良體的施工。
圖11為一施工例，在此施工中形成錐形地基改良體49，而不是圖10所示圓柱形地基改良體。
圖12(A)表示形成半錐形地基改良體50的施工例。
此外，在圖12(B)中，簡示上連續形成若干半錐形地基改良體。本發明的形成地基改良體的方法用此能形成適合於其用途的地基改良體。
此外，在圖12(B)所示兩平行半錐形地基改良體51的重疊部中，施工試驗證明，在其它部分也可以均勻強度形成改良體。
圖13為表示平行形成錐形地基改良體的水平施工結果的示意平面圖。
圖13給出了上述重疊部分和地基改良體的形狀、直徑大小等等的大致情況。
圖14表示在形成錐形地基改良體時壓力與所形成地基改良體的直徑之間的關係。
在圖14的改良體形成過程中，空氣注入量為每分鐘1.2m3，管子退出速度為每50分鐘1米。若在形成地基改良體時使用的壓力高，則該改良體的直徑一般來說大。為了形成能滿足使用要求的均勻地基改良體，改良體形成過程中在形成壓力與形成形狀之間保持平衡，這一點不同於現有技術。
在上述實施例的施工中，所形成的地基改良體與圖15(A)的現有技術形成的地基改良體52不同，而是與圖15(B)所示均勻地基改良體53相同。
在圖15(A)中，造成地基改良體52中央處下凹的原因在於，可能由於空氣和粘泥仍留在那一區域而造成地下壓力不均勻。
按照本發明，首先可在深層地下並在各種條件和方法下形成地基改良體，即為施工地基形成全角度地基改良體。
在任何角度上，都可使由粘泥抽吸口吸入並排出的粘泥量和地下注入壓力保持不變，從而按要求形成地基改良體。在必須改良直接位於地基改良體形成裝置上方的地基的極端情況下，可用一機構調節粘泥抽吸孔的開合程度，防止注入硬化劑後粘泥沾杆過量排放，即能保持粘泥的適當排放量。
如上所述，本發明全角度地基改良之所以可能，是因為配合套管使用了套管推進器；形成一定直徑的鑽孔；用來鑽孔的套管仍留在鑽孔中，以便在形成改良地基時注入硬化劑，這就是說，能確保形成一定直徑的鑽孔。
其次，抽吸並排走會降低地基改良體形成效果並造成環境汙染的汙泥而從地面上控制硬化劑的有效注入，本發明從而形成均勻、大直徑地基改良體。
本發明提供了一種簡單、迅捷、精確地形成地基改良體的方法，並且效率高、成本低。
權利要求
1.一種地基改良體形成方法，包括用鑽機在施工地基鑽孔，鑽孔完成後把硬化劑注入杆插入所述鑽孔，在以高壓從該杆噴射硬化劑的同時提升起硬化劑注入管，從而形成一個或多個地基改良體以改良所述地基，其特徵在於該方法包括把其頂端具有內鑽的套管推進器的後端與套管推進器接納—回收裝置嚙合，所述套管推進器接納—回收裝置可在所述鑽孔方向上伸縮並可連接到所述套管推進器上，從而可把該套管推進器插入一套管中；與裝在套管頂端部的外金屬鑽一起轉動套筒推進器，使該套管推進器鑽入施工地下；在鑽進到目標點後把套管留在鑽孔中，用套管推進器接納一回收裝置回收套管推進器；把至少包括硬化劑注入管、空氣注入管、高壓水注入管和粘泥排出管的硬化劑注入杆插入留在地下的套管中，一當硬化劑注入杆到達套管頂端部即後退該套管而為形成地基改良體作好準備並繼續後退套管直到露出硬化劑注入杆上的粘泥抽吸孔；然後硬化劑噴嘴開始噴射硬化劑，而用一監控器進行監控，同時開始轉動、搖動和提升起硬化劑注入杆，而用裝在硬化劑注入杆頂端部的壓力傳感器測量硬化劑噴嘴近旁的泥漿壓力，並根據地下泥漿壓力的變動調節粘泥排出管中空氣噴射孔和/或淨水噴射孔的大小而控制粘泥的排放量，從而使泥漿壓力大致保持不變。
2.按權利要求1所述的地基改良體形成方法，其特徵是，套管推進器接納—回收裝置頂端處的開合機構抓住套管推進器後端的嚙合部而使該嚙合部與該套管推進器接納—回收裝置連為一體，從而可接納並回收該套管推進器。
3.按權利要求1所述的地基改良體形成方法，其特徵是，在套管推進器接納—回收裝置的一伸縮部處，套管推進器接納—回收裝置的主體部與嚙合部之間的中間部可按需要伸縮，同時該主體部可接至多個部件而伸長所需距離；所述套管推進器按需要被接納和回收。
4.按權利要求1所述的地基改良體形成方法，其特徵是在鑽孔時，裝在所述套管頂端部的外金屬鑽與裝在套管推進器頂端的內鑽同方向或反方向轉動。
5.按權利要求1所述的地基改良體形成方法，其特徵是，粘泥抽吸孔內壁上的淨水和/或空氣噴射孔噴射高壓淨水和/或空氣，以便通過所述粘泥排出管把從所述粘泥抽吸口順利吸上來的粘泥排出，該粘泥抽吸口設在所述硬化劑注入杆的頂端部並位於設在硬化劑注入杆中央的所述粘泥排出管的最底部。
6.按權利要求1所述的地基改良體形成方法，其特徵是，在硬化劑注入杆中的所述粘泥排出管的側壁的一個或多個位置上，設有高壓噴射淨水和/空氣的淨水噴射孔和/或空氣噴射孔，以便把從所述粘泥抽吸口吸入的粘泥排放到外部。
7.按權利要求1所述的地基改良體形成方法，其特徵是，硬化劑注入杆的頂端部在硬化劑噴嘴和所述粘泥抽吸孔都從所述套管露出合適距離時才噴射硬化劑。
8.一種地基改良體形成裝置，它在地下鑽孔，鑽孔後把一硬化劑注入杆插入該鑽出的孔中，然後在高壓噴射硬化劑的同時提升該硬化劑注入杆，從而在地下形成一個或多個地基改良體，其特徵在於包括一空心外套管，其頂端裝有外金屬鑽，其後端為套管連接部；一套管推進器，其頂端包括一內鑽以及一支撐該內鑽的副鑽，其後端包括箭頭形嚙合部；一套管推進器接納—回收裝置，其頂端處有緊抓套管推進器的所述嚙合部的嚙合部，而在主體部與所述嚙合部之間有一伸縮部；由一根或多根空氣注入管、一硬化劑注入管、一高壓水注入管和一粘泥排出管構成的一硬化劑注入杆；一多管轉動接頭，上有與所述硬化劑注入杆對應的硬化劑注入孔、一個或多個空氣注入孔、一個高壓水注入孔和一個粘泥排出孔；在所述硬化劑注入杆頂端部的一粘泥抽吸孔、一硬化劑噴嘴、監控器、壓力傳感器和一金屬小鑽頭。
9.按權利要求8所述的地基改良體形成裝置，其特徵是在所述粘泥抽吸孔底部側壁上並在所述粘泥排出管的最底部處設有淨水噴射孔和/或空氣噴射孔，所述粘泥排出管設在硬化劑注入杆的中央部。
10.按權利要求8所述的地基改良體形成裝置，其特徵是所述粘泥抽吸孔可自由打開或關上，且該抽吸孔的打開大小可調。
11.按權利要求8所述的地基改良體形成裝置，其特徵是，硬化劑注入杆和頂端部包括第二頂端部和第一頂端部，第二頂端部上有粘泥抽吸孔，它從套筒中露出時即可使用；第一頂端部上在露出套筒之外更遠處有一噴嘴；套管在硬化劑注入杆的第二頂端部的根部處的端部有一連接部，從而該硬化劑注入杆可按施工地基的深度伸長。
全文摘要
全角度地基改良體形成裝置及方法。該裝置包括空心套管(10)、套管推進器(12)、套管推進器接納-回收裝置(18)、硬化劑注入杆(38)以及多管轉動接頭(27)。該硬化劑注入杆(38)包括粘泥抽吸孔(30)、硬化劑噴嘴(33)、監控器(44)、壓力傳感器(45)和金屬小鑽頭(34)。它可在深層地下並且在各種條件和方位下全角度形成地基改良體。換句話說，在與地面所成任意角度上，粘泥都可從設在硬化劑注入杆上的粘泥抽吸孔吸入並排出，同時由於可保持地下噴射壓力不變，因此可按要求形成均勻的地基改良體。
文檔編號E02D27/10GK1131222SQ9510240
公開日1996年9月18日 申請日期1995年3月10日 優先權日1995年3月10日
發明者中志朗, 中西涉 申請人:中志朗, 株式會社N.I.T.