本发明涉及基坑围护和地基处理领域，尤其涉及一种适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具及其应用方法，适用于有卵石层、风化岩层等硬土层的水泥搅拌桩施工。
背景技术：
搅拌桩施工速度快，工程造价较低，成桩质量和均匀性好，整体性和连续性强，止水效果好垂直度也容易保证，在软土、粉土以及含水量较高的粘性土中施工效果好。但是施工经常遇到埋藏深、厚度大的卵石层、风化岩层等硬土层，搅拌桩在硬土层中会产生钻进搅拌困难，难以成桩或成桩质量差等问题。
中国专利cn104420462公开了一种超级水泥搅拌桩设备，该专利增大钻齿间距和钻杆叶片间距并增大搅拌头动力来实现卵石层钻进，而实际上对于较致密的卵石层或遇到孤石时，仍然会钻进困难，甚至会扭矩过大损坏钻杆。中国专利cn102979095公开了一种超硬土层水泥土搅拌桩施工方法，针对风化岩或卵石层等硬土层先进行引孔施工，然后再进行搅拌施工，这种方法需要采用引孔钻进先引孔，增加了工序，施工效率较低，增加了成本。
综上所述可知，改进卵石层、风化岩层等硬土层的水泥搅拌桩施工设备和施工方法十分必要，既要解决硬土层中遇到硬土层钻进困难的问题又要兼顾施工效率的问题，从而使得工程的效益最大化。
技术实现要素：
为针对性地解决上述问题，本发明提出一种适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具及其应用方法。目的在于先对硬土层进行预爆破然后再进行水泥搅拌施工，解决硬土层施工困难和成桩质量差的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具，所述水泥搅拌桩钻具包括空心钻杆、钻管叶片、软钢尺、圆柱状铁块、炸药、活动板、活动板铰链、活瓣型螺纹钻头、钢丝绳和钢丝绳铰链；
所述空心钻杆上对称布置有多排钻管叶片，空心钻杆内部安装圆柱状铁块，所述圆柱状铁块上端部与软钢尺相连。所述活瓣型螺纹钻头由四片可张开、合拢的螺旋叶片组成；
所述活动板由四片四分之一圆板组成，活动板的每片四分之一圆板与活瓣形螺纹钻头的每片螺旋叶片位置对应并且固定在一起，然后通过活动铰链与钻管底端连接。活动板的每片四分之一圆板上均通过钢丝绳铰链连接有一根钢丝绳，通过钢丝绳的收缩放松控制活动板与活瓣型螺纹钻头的张开合拢。活动板与铁块之间预先放置炸药。
进一步地，所述圆柱状铁块直径与空心钻杆内径相适配。
进一步地，所述活瓣型螺纹钻头的螺旋叶片随着活动板的打开或关闭来实现张开或合拢，螺旋叶片在合拢状态时，空心钻杆呈尖头螺纹状。
进一步地，通过钢丝绳的拉紧控制活动板关闭，钢丝绳的放松控制活动板的打开。
进一步地，通过读取软钢尺上的读数来判断炸药的安放位置与空心钻杆的安全距离。
本发明还提供了一种适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具的应用方法，包括以下步骤：
1)场地平整与测量放线：机械进场前，预先对施工区域内进行杂物清除及场地平整。根据坐标基准点，按设计图放出桩位。
2)挖掘导槽：用挖掘机沿围护中心线平行方向开掘工作沟槽，沟槽宽度根据围护结构宽度确定。
3)桩机就位：操作人员根据确定的位置严格控制钻机桩架的移动，确保钻孔轴心就位不偏。
4)制备水泥浆液及浆液注入：在施工现场布设水泥浆搅拌系统(自动搅拌站)，附近安置水泥罐，在开机前按要求进行水泥浆液的搅制。将配制好的水泥浆送入贮浆桶内备用。
5)软土层搅拌：对软土层采用活瓣型螺纹钻头上的螺旋叶片合拢的状态下搅拌、喷浆。
6)预爆破硬土层：遇到硬土层，难以正常搅拌钻进时，首先提升空心钻杆到一定高度，通过钢丝绳的放松来控制活动板张开，从而带动活瓣型螺纹钻头上的螺旋叶片张开，然后炸药在重力作用下落到硬土层上，通过铁块上端连接的软钢尺读数估计炸药的深度，再提升调整空心钻杆及铁块至安全位置，引爆炸药，爆破松动硬土层。
7)完成水泥搅拌桩的施工：对硬土层预爆破以后，通过钢丝绳的收紧来控制活动板关闭，从而带动活瓣型螺纹钻头上的螺旋叶片合拢，继续搅拌、喷浆，最终完成在硬土层形成水泥搅拌桩。
本发明具有以下特点和有益效果：
1、本发明空心钻杆内置炸药，遇到较坚硬的硬土层或孤石时可以利用炸药进行预爆炸，实现硬土层的破碎，从而减小搅拌钻进难度。
2、本发明空心钻杆底部螺旋叶片可以在不使用炸药时合拢，防止炸药掉出以及泥土挤压进入空心钻杆，使用炸药时可通过钢丝绳放松使活动板打开从而带动活瓣型螺纹钻头张开。
3、本发明采用炸药爆炸预破碎，在正常搅拌之前先对硬土层进行预破碎，解决了硬土层搅拌钻进困难的难题，提高了施工效率和施工质量。
4、本发明避免了硬土层引孔施工工序，采用一台桩机连续施工即可完成施工，施工效率高，施工工期短。
5、本发明提高了硬土层的搅拌桩成桩质量，提高了硬土层水泥搅拌桩止水帷幕的抗渗性能，止水效果好，在各类基坑工程止水帷幕施工均可使用，应用范围广。
6、本发明施工简便，安全可靠。本发明通过深层爆破提前对硬土层进行爆炸破碎松动硬土层后即可下放钻杆进行正常施工水泥搅拌桩，施工简便，减少了卡钻、掉钻的风险，施工安全可靠。
附图说明
图1为活瓣型螺纹钻头打开状态水泥搅拌桩钻具示意图；
图2为活瓣型螺纹钻头合拢状态水泥搅拌桩钻具示意图；
图3为水泥搅拌桩钻具的活瓣型螺纹钻头叶片张开状态图；
图4为水泥搅拌桩钻具的活瓣型螺纹钻头叶片合拢状态图；
图中，1.空心钻杆；2.钻管叶片；3.注浆管；4.软钢尺；5.铁块；6.炸药；7.活动板；8.活动板铰链；9.活瓣型螺纹钻头；10.钢丝绳；11.钢丝绳铰链。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
本发明用于水泥搅拌桩止水帷幕，一般用于桩长范围内含有卵石层或风化岩层的工程。
如图1-4所示，本发明提供一种适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具，所述水泥搅拌桩钻具包括空心钻杆1、钻管叶片2、软钢尺4、圆柱状铁块5、炸药6、活动板7、活动板铰链8、活瓣型螺纹钻头9、钢丝绳10和钢丝绳铰链11；
所述空心钻杆1上对称布置有多排钻管叶片2，空心钻杆1内部具有注浆管3用于水泥浆液的注入，内部下方安装圆柱状铁块5，圆柱状铁块5直径与空心钻杆1内径相适配，用于固定炸药6，所述圆柱状铁块5上端部与软钢尺4相连。所述活瓣型螺纹钻头9由四片可张开、合拢的螺旋叶片组成；
所述活动板7由四片四分之一圆板组成，活动板7的每片四分之一圆板与活瓣形螺纹钻头9的每片螺旋叶片位置对应并且焊接固定在一起，然后通过活动铰链8与钻管底端连接，从而实现活动板7打开时活瓣型螺纹钻头9随之张开，活动板7关闭时活瓣型螺纹钻头9随之合拢。活动板7的每片四分之一圆板上均通过钢丝绳铰链11连接有一根钢丝绳10，通过钢丝绳10的拉紧控制活动板7与活瓣型螺纹钻头9关闭，钢丝绳10的放松控制活动板7与活瓣型螺纹钻头9的打开。活动板7与铁块之间预先放置炸药6。通过读取软钢尺4上的读数来判断炸药6的安放位置与空心钻杆1的安全距离。
所述活瓣型螺纹钻头9的螺旋叶片随着活动板7的打开或关闭来实现张开或合拢，螺旋叶片在合拢状态时，空心钻杆1呈尖头螺纹状。此时，炸药6位于活动板7之上，炸药6上边由圆柱形铁块5固定。钢丝绳10处于放松状态时，活动板7随之打开并且带动活瓣型螺纹钻头9张开，炸药6与铁块5在重力作用下落到硬土层上，通过拉紧软钢尺4，读取软钢尺4读数来判断炸药6深度，从而再提升空心钻杆1及铁块5至安全距离。
本发明还提供了一种适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具的应用方法，包括以下步骤：
1)场地平整与测量放线：机械进场前，预先对施工区域内进行杂物清除及场地平整。根据坐标基准点，按设计图放出桩位。
2)挖掘导槽：用挖掘机沿围护中心线平行方向开掘工作沟槽，沟槽宽度根据围护结构宽度确定。
3)桩机就位：操作人员根据确定的位置严格控制钻机桩架的移动，确保钻孔轴心就位不偏。
4)制备水泥浆液及浆液注入：在施工现场布设水泥浆搅拌系统(自动搅拌站)，附近安置水泥罐，在开机前按要求进行水泥浆液的搅制。将配制好的水泥浆送入贮浆桶内备用。
5)软土层搅拌：对软土层采用活瓣型螺纹钻头9上的螺旋叶片合拢的状态下搅拌、喷浆。
6)预爆破硬土层：遇到硬土层，难以正常搅拌钻进时，首先提升空心钻杆1到一定高度，通过钢丝绳10的放松来控制活动板7张开，从而带动活瓣型螺纹钻头9上的螺旋叶片张开，然后炸药6在重力作用下落到硬土层上，通过铁块5上端连接的软钢尺4读数估计炸药6的深度，再提升调整空心钻杆1及铁块5至安全位置，引爆炸药6，爆破松动硬土层。
7)完成水泥搅拌桩的施工：对硬土层预爆破以后，通过钢丝绳10的收紧来控制活动板关闭，从而带动活瓣型螺纹钻头9上的螺旋叶片合拢，继续搅拌、喷浆，最终完成在硬土层形成水泥搅拌桩。
实施例：
施工某基坑围护工程中直径为800mm的水泥搅拌桩止水帷幕，桩长范围内地层中含较致密卵石层。
采用空心钻杆1直径400mm，空心钻管的钻管叶片2长度为200mm。空心钻杆1壁厚200mm，空心钻杆1底部预先埋置炸药2kg，圆柱形铁块直径190mm。空心钻杆1底部的活动板7半径与空心钻杆1相适配。施工时按照下述工序施工。
1)场地平整与测量放线：机械进场前对搅拌桩施工区域内进行清除及场地平整，做到地基坚实平整。根据坐标基准点，按设计图放出桩位，并设临时控制桩。
2)挖掘导槽：用挖掘机沿围护中心线平行方向开掘工作沟槽，沟槽宽度0.8m-1.2m。
3)桩机就位：操作人员根据确定的位置严格控制钻机桩架的移动，确保钻孔轴心就位不偏。
4)制备水泥浆液及浆液注入：在施工现场布设水泥浆搅拌系统(自动搅拌站)，附近安置水泥罐，在开机前按要求进行水泥浆液的搅制。将配制好的水泥浆送入贮浆桶内备用。
5)一般土层搅拌：对一般土层采用活瓣型螺纹钻头9上的螺旋叶片合拢的状态下搅拌、喷浆。钻管叶片搅拌范围为800mm，一般土层水泥浆水灰比为1.5，按水泥掺量20％喷浆。一般土层施工过程中活动板7呈关闭状态，防止土壤挤压入空心钻杆1以及炸药6掉落。
6)冲击破碎硬土层：遇到卵石层、风化岩等硬土层或孤石，难以正常搅拌钻进时，首先提升空心钻杆1一定高度，提升高度需大于活瓣型螺纹钻头9长度，为活动板7以及活瓣型螺纹钻头9的张开大预留一定空间，放松钢丝绳10使炸药6和铁块5自由下落至硬土层。拉紧软钢尺4，读取软钢尺4读数，判断炸药深度，然后根据深度调整空心钻杆1的深度，使之距离大于安全距离。之后引爆炸药，使硬土层预爆破，预爆破完成后，提拉钢丝绳10，关闭活动板7，使活瓣型螺纹钻头9合拢，然后继续在活瓣型螺纹钻头9的叶片合拢状态下搅拌、喷浆。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
1.一种适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具，其特征在于：所述水泥搅拌桩钻具包括空心钻杆(1)、钻管叶片(2)、软钢尺(4)、圆柱状铁块(5)、炸药(6)、活动板(7)、活动板铰链(8)、活瓣型螺纹钻头(9)、钢丝绳(10)和钢丝绳铰链(11)；
所述空心钻杆(1)上对称布置有多排钻管叶片(2)，空心钻杆(1)内部安装圆柱状铁块(5)，所述圆柱状铁块(5)上端部与软钢尺(4)相连。所述活瓣型螺纹钻头(9)由四片可张开、合拢的螺旋叶片组成；
所述活动板(7)由四片四分之一圆板组成，活动板(7)的每片四分之一圆板与活瓣形螺纹钻头(9)的每片螺旋叶片位置对应并且固定在一起，然后通过活动铰链(8)与钻管底端连接。活动板(7)的每片四分之一圆板上均通过钢丝绳铰链(11)连接有一根钢丝绳(10)，通过钢丝绳(10)的收缩放松控制活动板(7)与活瓣型螺纹钻头(9)的张开合拢。活动板(7)与铁块之间预先放置炸药(6)。
2.根据权利要求书1所述的一种适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具，其特征在于：所述圆柱状铁块(5)直径与空心钻杆(1)内径相适配。
3.根据权利要求书1所述的一种适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具，其特征在于：所述活瓣型螺纹钻头(9)的螺旋叶片随着活动板(7)的打开或关闭来实现张开或合拢，螺旋叶片在合拢状态时，空心钻杆(1)呈尖头螺纹状。
4.根据权利要求书1所述的一种适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具，其特征在于：通过钢丝绳(10)的拉紧控制活动板(7)关闭，钢丝绳(10)的放松控制活动板(7)的打开。
5.根据权利要求书1所述的一种适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具，其特征在于：通过读取软钢尺(4)上的读数来判断炸药(6)的安放位置与空心钻杆(1)的安全距离。
6.一种基于权利要求1所述的适用于硬土层的预爆破水泥搅拌桩钻具的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)场地平整与测量放线：机械进场前，预先对施工区域内进行杂物清除及场地平整。根据坐标基准点，按设计图放出桩位。
2)挖掘导槽：用挖掘机沿围护中心线平行方向开掘工作沟槽，沟槽宽度根据围护结构宽度确定。
3)桩机就位：操作人员根据确定的位置严格控制钻机桩架的移动，确保钻孔轴心就位不偏。
4)制备水泥浆液及浆液注入：在施工现场布设水泥浆搅拌系统(自动搅拌站)，附近安置水泥罐，在开机前按要求进行水泥浆液的搅制。将配制好的水泥浆送入贮浆桶内备用。
5)软土层搅拌：对软土层采用活瓣型螺纹钻头(9)上的螺旋叶片合拢的状态下搅拌、喷浆。
6)预爆破硬土层：遇到硬土层，难以正常搅拌钻进时，首先提升空心钻杆(1)到一定高度，通过钢丝绳(10)的放松来控制活动板(7)张开，从而带动活瓣型螺纹钻头(9)上的螺旋叶片张开，然后炸药(6)在重力作用下落到硬土层上，通过铁块(5)上端连接的软钢尺(4)读数估计炸药(6)的深度，再提升调整空心钻杆(1)及铁块(5)至安全位置，引爆炸药(6)，爆破松动硬土层。
7)完成水泥搅拌桩的施工：对硬土层预爆破以后，通过钢丝绳(10)的收紧来控制活动板关闭，从而带动活瓣型螺纹钻头(9)上的螺旋叶片合拢，继续搅拌、喷浆，最终完成在硬土层形成水泥搅拌桩。
技术总结