[0001] 本发明涉及冻土地基处理技术领域，具体为一种气融式冻土地基加固智能化施工方法。

[0002] 我国的季节冻土主要分布在华北、西北和东北地区。随着纬度和底面高度的增加冬季的气温越来越低，季节冻土的厚度越来越大。季节冻土对建筑物的危害表现在冻胀和融沉两个方面。土层发生冻胀的原因有两个，水分冻结成冰时体积要增大9%个还包括土层冻结时，周围未冻结区中的水分会向表层冻结区集聚，使冻结区土层中的水分增加，冻结后的冰晶体不断变大，土体也随之发生膨胀隆起。

[0003] 冻土的冻胀会使路基隆起使柔性路面鼓包、开裂，使刚性路面错缝或折断；冻胀还使修建在其上的建筑物抬起，引起建筑物开裂、倾斜，甚至倒塌。

[0004] 冻融也会使房屋、桥梁、涵管发生大量下沉或不均匀下沉引起建筑物开裂破坏。因此，季节冻土的冻胀及冻融都会给工程带来危害，必须引起注意，并采取必要的防护措施。

[0005] 目前经常采用处理冻土的方法分为两种：（1）保持冻结：就是始终保持地基处于冻结状态的设计方法，一般来说，当冻土厚度较大，土温比较稳定，或者是坚硬的和融陷性很大的冻土，采用保持冻结法比较合理，特别是对送电线路基础，如能采取措施，保证基础周围冻土地基温度不比天然状态高时，可按保持冻结法进行设计。

[0006] 保持冻结状态的设计宜用于下列之一的情况：a）多年冻土的年平均地温低于零下1摄氏度的地基；
b）持力层范围内的地基土处于坚硬的冻结状态；
c）最大融化深度范围内，存在融沉、强融沉、融陷性土及其夹层的地基。

[0007] 通常采用以下几种方法处理：1、桩基础法；2、垫层法；3、通风基础法；4、热管基础法；5、人工冻结法。

[0008] （2）允许融化：利用正在融化或融化后的土地作为地基，融陷的承载力很高的土层埋深较浅；不连续分布的小块岛状冻土融陷量不大的冻土则采取允许融化的原则较为合理。特别是对上部结构刚度较好或对不均匀沉降不敏感的结构物按允许融化原则进行设计。当预估融陷量超过地基容许变形值时，也可采取人工予融法将冻土融化后再建基础。或者适当加固地基（如换填融性不大的土等）按容许融化的原则设计时，要盐酸地基的强度（包括持力层和下卧层）。在确定地基的承载力值时，所采用物理力学性质指标应尽量模拟以后地基的实际受力状态。除强度验算外，还必须计算地基的变形，地基变形的计算方法和容许变形值与一般天然地基一样，仅需将压缩性指标换成正在融化中土或已融土的变形性质指标，以便将融陷变形考虑进去。

[0009] 通过大量工程实践发现，采用传统方法，均没有将冻土中的水分去掉，还存在着病害，且施工成本较大。

[0030] 以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

[0031] 实施例1，参照图1，一种气融式冻土地基加固智能化施工方法，采用双向搅拌桩机1下钻，桩机的钻杆为内外双层钻杆，内钻杆2的底端伸出外钻杆3并设置有喷孔4，外钻杆3与内钻杆2之间形成抽吸通道且在外钻杆3的底端设置有抽吸孔5，抽吸孔5的数量可设置有多个，在外钻杆3的抽吸孔5处设置有滤网，滤网目数大小根据土颗粒直径决定，防止土颗粒被吸出，当土颗粒吸附在滤网上时，用高压空气进行脉冲反滤将吸附在滤网上的土颗粒冲掉，即反冲作业；
下钻时，由喷孔4向钻孔内间断式喷送饱和蒸汽，饱和蒸汽间断喷送的时间间隔为
3‑5s，饱和蒸汽温度为140‑170℃，饱和蒸汽喷送压力为0.4‑0.8Mpa，饱和蒸汽温度与下钻速度成反比，下钻速度为0.2‑0.5m/min，边喷送边搅拌，通过抽吸孔5对融化后形成的冰水进行抽吸，期间通过高压气体对抽吸孔5进行反冲；另外，下钻时，因冻土的溶解程度反映出钻进时电流值的大小，依据电流值的大小自动控制下钻速度，即双向搅拌桩机1用于驱动钻杆钻进的电机电流值大于35A时，则降低钻杆的下钻速度，直至电机电流值恢复正常电流值时即可恢复下钻速度，正常电流值为35A；
提钻时，由喷孔4向钻孔内喷高压气体，高压气体间断喷送的时间间隔为2‑4s，高压气体喷送压力为0.4‑0.7Mpa，边喷送边搅拌，期间保持抽吸孔5抽吸冰水，并采用高压气体进行反冲；
下钻与提钻时，抽吸冰水与反冲交替进行，交替的间隔时间为40‑60s；
在内钻杆2和外钻杆3的底部外周面上均设置有搅拌叶片7，内钻杆2的搅拌叶片7
上安装有电加热片8，电加热片8的温度控制在300‑500℃，具体可为PTC，即正温度系数热敏电阻，用以进行加热，其安装数量可根据使用需求自行选择；另外，可依据冻土的冻结程度，自动调整电加热片的温度，例如下钻速度降低时，可增大电加热片8的温度，其具体温度值的调节可根据使用需求自行选择。

[0032] 实施例2，参照图2‑5，实施例1所述的一种气融式冻土地基加固智能化施工方法，还包括饱和蒸汽系统和回收系统；饱和蒸汽系统包括储气罐9、高温水汽罐10、空压机11和水泵12，空压机11通过管道与储气罐9相接，储气罐9通过管道连接至高温水汽罐10的底部，水泵12与高温水汽罐10相接，在高温水汽罐10内设置有加热器13，在高温水汽罐10的顶部设置有高压高温气体输送管14，在储气罐9上设置有高压气体输送管15，高压气体输送管15与高压高温气体输送管
14相接；
回收系统包括储水罐16、真空泵17和抽真空输送管18，抽真空输送管18的端部通
过真空泵17与储水罐16相接，储水罐16的底部通过管道与水泵12相接，在抽真空输送管18与储气罐9之间设置有反吹管19，在储水罐16的顶部设置有排气阀20；
双向搅拌桩机1的钻杆上设置有进料口21和出料口22，高压气体输送管15与进料
口21相接，抽真空输送管18与出料口22相接。

[0033] 实施例3，实施例2所述的一种气融式冻土地基加固智能化施工方法，还包括饱和蒸汽罐，所述的高压高温气体输送管14的一端与双向搅拌桩机1的钻杆进料口21相接、另一端与饱和蒸汽罐的顶部相接。

[0034] 实施例4，实施例3或2所述的一种气融式冻土地基加固智能化施工方法，在高温水汽罐10和饱和蒸汽罐上安装有压力传感器和温度传感器。

[0035] 实施例5，实施例4所述的一种气融式冻土地基加固智能化施工方法，在真空泵17的进气端设置有气动阀Ⅰ24，在真空泵17与储水罐16之间的管道上设置有气动阀Ⅱ25，在气动阀Ⅱ25与真空泵17之间的管道上设置有气水分离器26，在储水罐16与水泵12之间的管道上设置有气动阀Ⅲ27，在气动阀Ⅲ27与水泵12之间的管道上设置有外部水源管道28，在外部水原管道28上设置有气动阀Ⅳ29，在高温水汽罐10与储气罐9之间的管道上设置有气动阀Ⅴ30，在高压高温气体输送管14与高温水汽罐10相接的端部上设置有气动阀Ⅵ31，在高压气体输送管15上设置有气动阀Ⅶ32，在水泵12与高温水汽罐10之间的管道上设置有气动阀Ⅷ33，在反吹管19上安装有气动阀Ⅸ6。

[0036] 实施例6，实施例4所述的一种气融式冻土地基加固智能化施工方法，双向搅拌桩机1的钻杆包括所述的内钻杆2和套设在内钻杆2外周面上的所述的外钻杆3；内钻杆2的顶端与设置在双向搅拌桩机1顶部的动力头23传动配合，在内钻杆2的
中部预留有供料通道，供料通道的一端与所述的进料口21相接、另一端靠近内钻杆搅拌叶片7设置并与所述的喷孔4相连通；
外钻杆3的顶端与设置在双向搅拌桩机1顶部的动力头23通过换向锥齿轮传动连
接，以此使得外钻杆3的旋向与内钻杆2的旋向相反，并由此对溶解的冻土进行两个方向的搅拌，使土颗粒重新排列组合，并使其受热表面积增大，提高对冻土的溶解速度；所述内钻杆2内周面与外钻杆3外周面之间的空间形成所述的抽吸通道，抽吸通道的一端与所述的出料口22相接、另一端靠近外钻杆搅拌叶片7设置并与所述的抽吸孔5相连通。

[0037] 融化后的冰水参与饱和蒸汽的制备。

[0038] 一、工作原理如下：点击智能化控制柜开始键，气动阀Ⅳ29、气动阀Ⅷ33打开，水泵12开启进水，当高温水气罐里的水达到设定重量值时，水泵12自动关闭，同时气动阀Ⅳ29、气动阀Ⅷ33关闭（当水的重量低于设定值 30kg时，水泵12自动补水），同时高温水气罐里的加热器13即电加热器开始工作，当水温达到设定值时（温度传感器测定），电加热器13停止工作（当水温低于设定值2℃时，电加热器13自动启动，维持水温的设定值）；空压机11自动启动，当储气罐9的压力值达到设定值时，空压机11停止工作（当气压低于设定值0.1Mpa时，空压机11自动启动，维持气压的设定值）；气动阀Ⅴ30打开，高压空气进入高温水气罐，经高温水的加热，形成高压高温水气；电加热钻头上的PTC（正温度系数热敏电阻）电加热板开始启动（根据地勘资料的冻土不同土层的数据，智能化控制柜里温控器将PTC电加热板温度设定在300‑500度)，当PTC电加热板达到设定的温度时，先启动内钻杆2，后启动外钻杆3，进行正、反两个方向旋转，启动传动系统，电加热钻头开始下钻，当其入土时，气动阀Ⅵ31打开，高压高温水气经高压高温气体输送管14进入内钻杆2中，并从内钻杆2上的喷孔4喷出，此时冻土在 PTC电加热板高温和高压高温水气共同作用下开始溶解，溶解的程度可通过下钻时的电流值反映出来，根据冻土的溶解程度，下钻速度一般控制在 0.2‑0.4m/min，当下钻过程中电流值过大时，传动系统自动降低钻进速度，以满足冻土的溶解，高压高温水气的喷出采用脉冲方式工作，间隔时间依据冻土的溶解程度，一般控制在3‑5秒；此时真空泵17启动，气动阀Ⅰ24打开，将冻土溶解后产生的水和水汽通过设置在外钻杆3上的抽吸孔5、内外钻杆3之间的通道、抽水气装置、抽真空输送管18吸到气水分离器，气动阀Ⅱ25打开，气水分离器将气体分离后，吸出的水进入到储水罐16;当冻土溶解后的土颗粒在抽真空过程中吸附到外钻杆3上的抽吸孔5时，气动阀Ⅰ24关闭，气动阀Ⅸ6打开，高压空气将吸附在外钻杆3上的抽吸孔5的土颗粒吹掉，抽真空与吹气交替工作，根据土颗粒吸附情况，交替工作时间一般设定在40‑
60秒之间;当打设到设计深度后，传动系统反转，开始提升，气动阀Ⅵ31关闭，气动阀Ⅶ32开启，此时经内钻杆2喷孔4喷出的仅为高压气体，其目的是减少冻土中的含水量（下钻时喷的是高压高温水气，此时高压气体中含有一定水分利于溶解冻土，当冻土溶解后，不宜喷入水分），此时喷入的高压气体也采用脉冲式工作，一般间隔时间设定为2‑4秒，较下钻时的脉冲间隔时间缩短一些，增加一部分气量，便于在抽真空时，将溶解后的冻土中的水分带出；在施工过程中，通过安装在高温水气罐和储水罐16上的重量传感器，对喷入的水和吸出的水进行计量，通过量差，对照地勘资料，用于判别冻土的加固效果；当储水罐16中的存储的水量达到设定的上限值时，气动阀Ⅳ29关闭，气动阀Ⅲ27打开，水泵12将储水罐16中的水输送到高温水气罐中，起到环保节能作用（冻土一般分布在高海拔地区，水水资源相对匮乏）。

[0039] 二、监控及管理系统（参照图5）：该设备由以下部分组成：现场巡查、现场监控管理、监控中心组成；
（1）手机、平板、PC 电脑、平台监控中心、现场巡查设备等互联网终端设备获取数据时，通过调度服务器到应用服务器，应用服务器直接从缓存数据库读取数据，可大大减轻数据库服务器的读取压力，更能快速返回数据结果。

[0040] （2）因模块传输数据的频率是1‑3秒一次，数量较多，数据量庞大；我们将采集的实时数据，写入至文件，并存入附件服务器，附件服务器在条件允许的情况下，可以采用多台进行集群；附件服务器中存储的文件，包含了所有打桩机的打桩过程数据，因此在应用系统中，可以调用这个存储数据，对原始作业动态过程进行模拟。

[0041] （3）数据页面展示平台中，集成了摄像头视频监控系统，视频流数据通过在线直播的方式，实时展示施工作业现场情况；同时，从物联网模块传输过来的数据归集后，集成 websocket 技术，实时同步至各个终端设备，动态展示施工作业进度。

[0042] （4）现场监控管理和监控中心通过接收到的现场施工参数，自动生成现场原始施工记录，并生成统计表格，杜绝人为因素，保证了数据的真实性，并大幅度降低人力成本。

[0043] （5）对已完成的松散土加固地基，经检测有争议，可以回放施工过程，找出问题所在。

[0044] （6）对现场不规范操作以及特殊情况，可以发出指令至气融式冻土地基智能化加固搅拌桩机的控制柜，终止现场施工，减小损失。