路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备及修复方法

技术领域

本发明涉及一种适用于路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备及修复方法，属于道路内部病害修复技术领域。

背景技术

高速公路路基疏松是指路基局部压实度、密度、土颗粒含量不足，最终造成局部承载力不足的情况。可能出现局部路面的沉降、龟裂破碎等反射破坏，影响驾驶体验；也可能在外界振动荷载和动水作用下，易形成不同规模的脱空区，并最终发展演化到空洞等病害体。服役多年的现有高速公路排水设施老化、重载反复碾压容易出现此类病害。

目前，路基疏松普遍采用注浆修复手段进行修复。注浆修复具有快捷性、避免大挖大填、对交通的影响较小，同时又能较好的解决路基内部病害、达到“标本兼治”的效果的优势。但是，采用注浆修复手段对路基疏松进行修复的过程中仍然存在着钻孔后易塌孔难以实现注浆修复、注浆过程中容易跑浆、分层注浆操作复杂等技术缺陷，影响注浆修复的效果和效率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的“采用注浆修复手段对路基疏松进行修复的过程中，钻孔后易塌孔”技术问题，提供一种适用于路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备及修复方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备，其特征在于，包括：钻注套管、浆液泵送系统、动力系统；

所述钻注套管包括：

外管，其上端开口，其下端密封；所述外管的密封端为钻头结构，所述钻头结构的钻孔方向沿所述外管的长度方向；所述外管的管壁上开设有注浆排孔；

若干螺旋刀片，设置于所述外管的外表面；

齿轮，设置于所述外管的开口端；

飞轮，套设于所述外管的外表面，与所述外管静连接，位于所述外管的开口端与最上方的所述螺旋刀片之间；

内管，其两端开口，套设于所述外管内，其长度方向与所述外管的长度方向一致；

活塞室，设置在所述外管内，位于所述内管与所述外管的密封端之间；所述活塞室，其一端与所述内管的一端连通，其另一端密封，其侧面不封闭；所述活塞室的两端面的边缘与所述外管的内壁之间密封；所述活塞室两个端面之间的距离大于等于所述注浆排孔的孔径；

齿条，沿所述内管长度方向设置于所述内管的外表面，位于所述内管的另一端，与所述齿轮咬合；

其中，所述浆液泵送系统的出浆口与所述内管的另一端连通、向所述内管输送浆液，所述动力系统驱动所述飞轮以所述外管长度方向的中心为轴转动。

根据本发明公开的一些实施例，所述螺旋刀片，其一端与所述外管的外表面连接，其另一端向所述外管的开口端倾斜。螺旋刀片向上与外管的外表面具有小于90°的夹角，可以在钻孔过程中将土体带出路面，使得外管到达病害所在的路基深处。

根据本发明公开的一些实施例，若干所述螺旋刀片，从所述外管的密封端开始向上呈螺旋状分布。

根据本发明公开的一些实施例，所述注浆排孔上设置有阻止浆液向所述外管内流动的止回阀。止回阀能够控制浆液只能从活塞室向外流出，防止浆液流回活塞室；同时，能够防止在钻孔过程中，土体进入外管内部，造成注浆排口堵塞。

根据本发明公开的一些实施例，所述活塞室包括第一活塞片、第二活塞片和连接件；所述第一活塞片，其中心开设通孔，作为所述活塞室的一端面；所述第二活塞片作为所述活塞室的另一端面；所述第一活塞片和第二活塞片之间通过连接件连接。

根据本发明公开的一些实施例，所述动力系统包括发动机；所述发动机的动力传输杆下端与所述飞轮动连接，所述发动机带动所述飞轮转动。

根据本发明公开的一些实施例，路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备还包括楔形环状橡胶塞；所述楔形环状橡胶塞套设于所述外管的外表面，位于所述飞轮与最上方的所述螺旋刀片之间，能沿所述外管长度方向运动；所述楔形环状橡胶塞的靠近所述外管开口端的外径大于另一端的外径。

根据本发明公开的一些实施例，路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备还包括橡胶环；所述橡胶环，套设于所述内管的外表面，其外边缘与所述外管的内壁接触。

根据本发明公开的一些实施例，路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备还包括升降系统，所述动力系统和所述钻注套管沿所述升降系统升降；所述升降系统包括升降台、升降杆、旋转杆和顶部平台；所述升降台、顶部平台的中间设置有竖向螺纹通孔，所述旋转杆的表面设置有螺纹，所述旋转杆从下而上依次穿过所述升降台的螺纹通孔、所述顶部平台的螺纹通孔形成螺纹连接；所述升降杆，穿过所述升降台，其顶部与所述顶部平台静连接。

根据本发明公开的一些实施例，路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备还包括平板车；所述升降系统设置于所述平板小车的后部，所述浆液泵送系统设置于平板小车的前部。

路基疏松的修复方法，采用上述的路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备，包括以下步骤：

S1：定位病害所在位置及深度，将钻注一体及分层注浆修复设备固定在病害位置；

S2：启动动力系统，动力系统驱动钻注套管开始钻孔；当钻注套管到达预定深度位置，关闭动力系统；

S3：通过转动齿轮驱动内管上、下运动，使活塞室到达病害位置、且使活塞室的侧面面对至少一个注浆排孔；将浆液泵送系统的出浆口与内管的另一端连通，开始注浆；当注浆量达到预期指标后，停止注浆；

S4：浆液泵送系统的出浆口与内管的另一端解除连通，启动动力系统，动力系统驱动钻注套管上升；待钻注套管完全离开地面，关闭动力系统，封堵注浆口，完成注浆。

本发明的有益效果是：

采用钻注套管，其外管代替钻杆实现钻孔功能；外管完成钻孔后，无需将外管抽出，通过调整套设在外管内部的内管的位置即可直接对路基疏松区域进行注浆修复。通过外管和内管的结合，完成了注浆管和钻杆结合，实现了钻注一体，避免了疏松土体在钻孔结束后因为钻杆的拔出而出现松散土体散落到注浆孔底部，造成塌孔的弊端。

二、现有技术中钻孔和注浆分布进行，在插入注浆管后，可能会使得钻孔和注浆管贴合不紧密而存在缝隙，传统注浆时会提拉注浆管进行分层注浆，也会造成导致钻孔和注浆管贴合不紧密，而造成的浆液外溢。本发明通过钻注一体以及调整内管位置进行分层注浆的办法，解决了需要移动注浆管位置的问题，钻孔和注浆管贴合紧密贴合，并且用楔形环状橡胶塞封堵住外管和孔壁的空隙，解决了浆液外溢的问题。

三、现有技术中，设备散乱放置，需要人力搬运；钻孔和注浆分布进行操作步骤繁琐；这都影响了注浆的质量和效果。本发明整合了注浆设备，集成在一部平板车上，避免人力搬运；统一了钻孔和注浆的步骤，简化流程，提高注浆工程的效率和准确性，减少劳动力投入。

附图说明

图1是采用本发明实施例提供的路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备进行注浆修复的示意图；

图2是本发明实施例提供的路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备的钻注套管的剖面结构示意图；

图3是高速公路路基疏松病害采用本发明实施例提供的路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备进行下层病害注浆修复的示意图；

图4是高速公路路基疏松病害采用本发明实施例提供的路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备进行上层病害注浆修复的示意图；

其中，1、内螺纹，2、齿条，3、齿轮，5、定位轴承，6、钻头，7、飞轮， 8、橡胶环，9、外管，10、螺旋刀片，11、注浆排孔，12、活塞室，13、连杆，14、内管，15、楔形环状橡胶塞，16、止回阀，17、皮带，18、固定螺栓，19、旋转手柄，20、齿轮室，21、注浆软管接头，22、注浆软管，23、旋转杆手柄，24、顶部平台，25、升降杆，26、升降台，27、动力系统，28、电机，32、注浆泵，35、压力控制手柄，37、出浆口，38、压力表，39、平板车，40、万向轮，41、车轮固定装置，42、把手，43、路面面层，44、路面基层，45、路面底基层，46、路基，47、路基病害区，48、路槽。

实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备包括钻注套管、浆液泵送系和动力系统27。

如图1、2所示。钻注套管包括外管9、齿轮3、若干螺旋刀片10、飞轮7、内管14、活塞室12和齿条2。

如图1、2所示。外管9是一端开口另一端密封的管状结构。外管9的顶端开口，外管9的底端是一钻头6，钻头6的钻孔方向沿外管9的长度方向向下。外管9底端的钻头6可以为锥形钻头6；锥形钻头6的锥底（平面端）与外管9的主体连接，锥形钻头6的锥顶（尖锐端）朝下。外管9底端的钻头6可以为实心结构。外管9的尺寸可以根据实际工况确定，可以采用下述尺寸：外径约10厘米，内径约8厘米，长度约180厘米。

如图1、2所示。外管9表面设置有若干螺旋刀片10。螺旋刀片10的一端与外管9的外表面静连接，螺旋刀片10的另一端向外管9的开口端倾斜。螺旋刀片10与外管9外表面的连接处具有一连接位置，该连接位置呈线状，该连接位置与外管9长度方向中心线垂直或具有一定夹角。螺旋刀片10向上与外管9的外表面具有小于90°的夹角，可以在钻孔过程中将土体带出路面，使得外管9到达病害所在的路基深处。若干螺旋刀片10从外管9的钻头6顶端开始沿外管9的外表面向上螺旋状上升地分布。螺旋刀片10的厚度可以为0.5cm。

如图1、2所示。外管9的管壁上开设有若干注浆排孔11。注浆排孔11为通孔，连通外管9内外。注浆排孔11分布在螺旋刀片10的间隙间。注浆排孔11在外管9管壁上均匀分布。上下两层螺旋刀片10之间可以设置四个注浆排孔11，四个注浆排孔11沿外管9周围均匀分布。注浆排孔11的孔径可以为2cm。

浆液通过注浆排孔11进入病害区域。为了防止进入病害的浆液倒流回注浆排孔11内，也为了防止土体进入注浆排孔11内，如图1、2所示，可以在注浆排孔11上设置止回阀16。止回阀16能控制浆液只能从注浆排孔11向外流出，防止浆液流回注浆排孔11。

如图1、2所示。飞轮7套设于外管9的外表面，与外管9静连接。飞轮7位于外管9的开口端与最上方的螺旋刀片10之间。飞轮7的表面开设有用于安装皮带17的凹槽，凹槽绕外管9一圈。外管9上的飞轮7通过皮带17与动力系统27连接。动力系统27通过皮带17带动飞轮7转动，进而带动外管9转动（以外管9长度方向的中心为轴转动），实现外管9钻孔。

如图1、2所示。齿轮3设置于外管9的开口端。具体的，齿轮3可以通过传动杆、齿轮室20实现该设置。齿轮室20的一端套设于外管9顶端，与外管9静连接；齿轮室20的另一端（与一端相对）具有能使内管14穿管的开口。齿轮室20的内径大于外管9的外径。传动杆穿过齿轮室20的箱壁，传动杆的一端与齿轮3静连接，传动杆的另一端与齿轮室20上的旋转手柄19连接。通过转动旋转手柄19控制内部齿轮3的转动。

为了防止在钻孔注浆时浆液沿外管9与土体之间缝隙溢出；如图1、2所示，可以在外管9上设置括楔形环状橡胶塞15。楔形环状橡胶塞15套设于外管9的外表面，位于飞轮7与最上方的螺旋刀片10之间；楔形环状橡胶塞15能沿外管9长度方向运动；楔形环状橡胶塞15的靠近外管9开口端的外径大于另一端的外径。在钻孔时，楔形环状橡胶塞15随外管9下降塞入孔壁与外管9间的空隙之中，防止浆液沿缝隙溢出。

如图1、2所示。内管14的两端开口，内管14套设于外管9内，内管14的长度方向与外管9的长度方向一致。内管14具有上端和下端。相对于内管14的上端，内管14的下端靠近外管9的钻头6端。内管14的上端的内壁上可以设置内螺纹1，用于与注浆软管22螺纹连接。内管14的尺寸可以根据实际工况确定，具体的，可以采用下述尺寸：外径约为7厘米，内径6厘米，管长约200厘米。

为了防止设置在外管9内的内管14发生晃动，如图1、2所示，还可以增设橡胶环8。橡胶环8套设于内管14的外表面，橡胶环8的外边缘与外管9的内壁接触。橡胶环8的外边缘与外管9的内壁抵接。橡胶环8的外边缘全部与外管9的内壁接触，或者，橡胶环8的外边缘部分与外管9的内壁接触具有两个以上接触位置。

如图1、2所示。齿条2设置在内管14的上端、设置在内管14的外表面。齿条2沿内管14长度方向设置。齿条2与设置于外管9开口端的齿轮3咬合；齿轮3转动，通过与其咬合的齿条2带动内管14沿内管14长度方向运动，实现内管14进出外管9。

如图1、2所示。活塞室12设置在外管9内，位于内管14下端与外管9的密封端之间，与内管14下端连接；即，在内管14靠近外管9底端的一端与外管9底端之间设置活塞室12。活塞室12的一端与内管14的一端（下端）连通，活塞室12的另一端密封，活塞室12的侧面不封闭。活塞室12的两端面（与内管14连通的一端的端面、密封的一端的端面）的边缘与外管9的内壁之间密封；活塞室12这两个端面之间的距离大于等于注浆排孔11的孔径。沿垂直于外管9长度中心线的方向对外管9进行切割形成一横截面；该横截面呈环形。活塞室12的两个端面与该环形截面的内环形状、尺寸一致。活塞室12这两个端面之间的距离可以为20cm。

如图1、2所示。活塞室12的其中一具体结构为：活塞室12包括第一活塞片、第二活塞片和连接件；第一活塞片，其中心开设通孔，作为活塞室12的一端面；第一活塞片的通孔与内管14的下端开口连通。第二活塞片作为活塞室12的另一端面（密封的一端的端面）。第一活塞片和第二活塞片之间通过连接件连接。连接件可以为连接杆。第一活塞片和第二活塞片之间为活塞室12的侧面。第一活塞片和第二活塞片之间相隔可以为约20厘米；第一活塞片和第二活塞片的直径可以为8厘米；第一活塞片和第二活塞片的厚度可以为2厘米；第一活塞片中间开孔的孔径可以为6厘米。第一活塞片和第二活塞片与外管9内壁紧密相连，防止浆液外溢至外管9内的其他部位。

浆液泵送系统的出浆口37与内管14的上端连通、向内管14输送浆液。具体的，如图1所示，浆液泵送系统可以包括电机28、注浆泵32、注浆软管22、压力控制手柄35、压力表38等。电机28驱动注浆泵32送浆液。注浆泵32的出浆口37连接有注浆软管22，注浆软管22与内管14螺纹相连。注浆泵32的出浆口37下端安装压力计，可以实时监测注浆压力，并且通过压力控制手柄35调节压力大小。

动力系统27驱动飞轮7以外管9长度方向的中心为轴转动。具体的，如图1所示，动力系统27可以包括发动机；发动机的动力传输杆下端与飞轮7动连接，发动机带动飞轮7转动。发动机的动力传输杆下端与飞轮7之间可以通过皮带17动连接；发动机带动动力传输杆转动，动力传输杆通过皮带17带通飞轮7转动，飞轮7带动外管9转；实现外管9钻孔。

外管9钻孔过程中，外管9向下移动，外管9上的飞轮7向下移动，相应的，动力系统27应当向下移动。可以通过升降系统实现动力系统27随外管9移动。具体的，如图1所示，升降系统包括升降台26、升降杆25、旋转杆和顶部平台24；升降台26、顶部平台24的中间设置有竖向螺纹通孔，旋转杆的表面设置有螺纹，旋转杆从下而上依次穿过升降台26的螺纹通孔、顶部平台24的螺纹通孔形成螺纹连接；升降杆25，穿过升降台26，其顶部与顶部平台24静连接。

为了方便运输、施工，可以将钻注套管、浆液泵送系统和动力系统27设置在一平板车39；如图1所示，升降系统设置于平板车39的后部，浆液泵送系统设置于平板车39的前部。

实施例

如图1、2所示。一种路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备，包括钻注套管、浆液泵送系统、动力系统27、升降系统和平板车39；钻注套管固定在升降系统前端，升降系统的另一侧固定动力系统27，通过皮带17连接钻注套管和动力系统27，升降系统固定在平板车39的后部，浆液泵送系统固定在小车的前部。平板车39通过把手42人力推动，其轮子可以为可向任意方向转动的万向轮40，轮子有车轮固定装置41，用以固定平板车39位置。

钻注套管包括外管9、内管14、齿轮室20。升降系统包括升降台26、升降杆25、旋转杆、顶部平台24。

外管9外径10厘米、内径8厘米，从下至上依次有锥形钻头6、螺旋刀片10、楔形环状橡胶塞15、飞轮7、定位轴承5。锥形钻头6为实心长10厘米，螺旋刀片10厚0.5厘米，螺旋刀片10自锥形钻头6开始沿外管9外壁螺旋上升至楔形环状橡胶塞15，形环状橡胶塞高5厘米上部宽5厘米，飞轮7长10厘米有两个皮带17槽，定位轴承5两侧分别是外管9和齿轮室20外壁。内管14外径7厘米、内径6厘米、全长180厘米，内管14底端是一个活塞室12，活塞室12有上下两片相隔20厘米的、直径8厘米、厚2厘米的活塞片以及两个连杆13，上部的活塞片中心开直径6厘米的孔洞；两个连杆13连接在上下两片活塞片之间，活塞片与外管9内壁紧密相连。活塞室12上方、内外管9之间有外径8厘米、内径7厘米、厚度为1厘米的橡胶环8。内管14顶端设置有内螺纹1，内管14顶端与注浆软管22螺纹连接。内管14上端外壁有齿条2，齿条2带动内管14在齿轮3的控制下沿外管9内壁上下滑动。

齿轮室20通过固定螺栓18固定在升降台26上，下部通过定位轴承5与外管9顶部相连，齿轮室20外部有两个旋转手柄19，通过传动杆控制内部双齿轮3的转动，双齿轮3与内管14外壁齿条2紧密咬合，控制内管14的升降。升降台26左右两侧分别固定有钻注套管和动力系统27，升降杆25穿过升降台26的两侧孔洞，升降台26、升降杆25、顶部平台24形成门式结构，旋转杆表面有螺纹，穿过升降台26中间螺纹孔。

动力系统27包括发动机与升降台26固定的框架，发动机包括油箱、空气过滤器、油门、风门、档位控制杆、动力传出杆，动力传输杆下端有飞轮7与外管9通过皮带17相连，发动机固定在框架之内。

浆液泵送系统包括电机28、注浆泵32、高压罐、压力控制手柄35、压力计。电机28通过皮带17带动注浆泵32泵送浆液，出浆口37连接有注浆软管22，最终与内管14相连，出浆口37下端有压力计，可以实时监测注浆压力，并且通过压力控制手柄35调节压力大小。

公路从上而下依次为：路面面层43、路面基层44、路面底基层45、路基46和路槽48；路基疏松病害存在于路基46。路基疏松的修复方法，如图3、4所示，采用上述任意一种路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备，包括以下步骤：

S1：定位病害所在位置及深度，将钻注一体及分层注浆修复设备固定在病害位置。具体的，通过前期GPR技术对高速公路路基内部病害进行检查，确定病害的位置及深度。将路基疏松的钻注一体及分层注浆修复设备运输到现场，移动平板车39将钻注套管对准病害所在的路面上方，锁死车轮固定装置41，固定小车位置。

S2：启动动力系统27，动力系统27驱动钻注套管开始钻孔；当钻注套管到达预定深度位置，关闭动力系统27。具体的，启动动力系统27，通过皮带17带动外管9飞轮7顺时针转动，控制旋转杆手柄23使升降台26下降，钻注套管下降，钻头6接触并破碎路面，外管9顺时针旋转下降，在螺旋刀片10和路面结构的相互作用下，外管9持续钻深，观察钻注套管外管9上的刻度，楔形环状橡胶塞15随外管9下降，封堵在孔壁和外管9之间，钻注套管到达预定深度位置，关闭动力系统27。

S3：通过第一动力系统27驱动内管14上、下运动，使活塞室12到达病害位置、且使活塞室12的侧面面对至少一个注浆排孔11；将浆液泵送系统的出浆口37与内管14的另一端连通，开始注浆；当注浆量达到预期指标后，停止注浆。具体的，钻注套管到达预定深度位置，旋转齿轮3旋转手柄19，带动齿轮室20内的齿轮3旋转，内管14外壁齿条2竖向移动，观察齿轮室20上方内管14外壁的刻度，使活塞室12到达下层病害的注浆孔位置，锁定齿轮3旋转手柄19，连接注浆软管接头21和内管14螺纹接口，启动注浆泵32，观察压力表38，通过压力控制手柄35控制注浆压力。当注浆量达到预期指标后，停止注浆，解除齿轮3旋转手柄19锁定，外管9注浆排孔11有止回阀16，使得浆液无法回流。旋转手柄19使得内管14上升，活塞到达上层病害的注浆孔位置，启动注浆泵32，观察压力表38，通过压力控制手柄35控制注浆压力。当注浆量达到预期指标后，停止注浆。

S4：浆液泵送系统的出浆口37与内管14的另一端解除连通，启动动力系统27，动力系统27驱动钻注套管上升；待钻注套管完全离开地面，关闭动力系统27，封堵注浆口，完成注浆。具体的，解除注浆软管22和内管14的连接，启动动力系统27通过皮带17带动外管9飞轮7逆时针转动，控制旋转杆手柄23使升降台26上升，钻注套管上升。待钻注套管完全离开地面，关闭动力系统27，封堵注浆口，完成注浆。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。