CN103174131A - 地下工程暗挖导洞小直径桩施工成套设备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市地下工程暗挖导洞内小直径桩施工成套设备系统，主要包括钻孔系统、吊装系统、混凝土灌注系统。其中，钻孔系统又可细分为四个子系统，即钻进系统、排渣系统、泥水分离系统及补浆系统。本发明以现有小直径桩施工设备为基础，综合考虑暗挖导洞空间限界和施工环境特点，设计了一套暗挖导洞内小直径桩施工的改进设备系统，确保了狭小空间内边桩施工的成桩效率和成桩质量，有效地降低了城市地下工程施工对周边建(构)筑物、地表交通及地下管线的影响，具有显著的社会效益和经济效益。

Description

地下工程暗挖导洞小直径桩施工成套设备系统

技术领域

本发明涉及一种城市地下工程暗挖导洞内小直径桩施工成套设备系统，属于地下建筑工程机械领域。

背景技术

洞桩法是明挖框架结构施工方法和暗挖法相结合的一种施工方法，它具有对周边环境影响小及能有效控制地层变形等优点。洞桩法施工首先在先行暗挖的导洞内施作边桩、柱顶纵梁及顶拱，为后续施工提供支撑保护体系，最后形成由外层边桩、顶拱和内层二次衬砌组成的永久承载体系。因此，边桩施工是洞桩法施工的至为关键的技术之一。

随着城市建设的发展，城市地下工程的施工环境日趋复杂，降低地下工程施工对周边环境影响的要求越来越紧迫。常规钻孔灌注桩机械设备包括回转钻机、泥浆泵、吊车、混凝土运输车及各种管道等。由于洞桩法边桩施工是在暗挖导洞内进行成桩作业，常规设备不能满足导洞限界及复杂环境的要求。因此，有必要寻求一套合适的设备系统，能够适应暗挖导洞内小直径桩成桩效率和成桩质量的要求。根据施工环境特点对现有边桩施工设备进行改进，具有重要的现实意义，相关的研究工作尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂环境下城市地下工程暗挖导洞内小直径桩施工成套设备系统。它以现有边桩施工设备系统为基础，结合施工环境特点，设计了一套新的边桩施工设备系统。该系统能够适应暗挖导洞内小直径桩施工空间狭小、环境复杂的特点，确保了小直径桩施工的成桩效率和成桩质量。

本发明对设备系统的改进工作主要包括：

(1)设备系统布置。设备系统在导洞内自西向东依次布置渣浆车、反循环钻机、泥浆车、首灌车及龙门架，泥水分离机布置在到导洞外的地表面上，各种管线均沿导洞侧壁敷设。

(2)钻孔施工系统可细分为四个子系统，即钻进系统、排渣系统、泥水分离系统及补浆系统。

①钻进系统。钻进设备为反循环钻机，由于洞内空间有限，现有钻机无法同时满足自身尺寸要求及洞内成孔要求，故根据导洞尺寸对钻机进行了改装，改装后的反循环钻机长度为5.0m，宽度为2.2m，钻机主架子4.0m，钻杆成度1.2m，可以适应导洞的净空限制。

②排渣系统。排渣设备包括渣浆车、渣浆罐、渣浆泵及连接设备的泵管。改进后的渣浆车内部设置一根通长的长螺旋杆，长螺旋杆距渣浆车底部2cm，可以在15kw的电机带动下自由旋转，防止泥渣沉淀；长螺旋杆周身布满10cmx5cm的钢丝刷，防止钻机钻至砂层及卵石层时，粒径小的砂石卡住长螺旋，导致无法转动；在渣浆车出口处设置风管和水管，可以控制渣浆车内的渣浆沉淀速度，防止渣泥及渣石堵塞渣浆车的出口；在渣浆车顶部设置12cmx12cm的钢筋篦子和溢流口，防止大粒径卵石堵塞渣浆泵及在渣浆泵出现故障时渣浆车出现溢流。渣浆车与渣浆泵连接处设置喇叭形连接管道，可以增加砂石进入渣浆泵的通过速度，还可以防止砂石堵塞渣浆车出渣口。

③泥水分离系统。泥水分离系统为设置在竖井临时弃土坑内的2套ZX-250型泥浆净化装置。渣浆用竖井内的泥浆净化装置进行泥水分离处理，将分离出的泥饼及砂、卵石排入竖井内的临时弃土坑，采用门式起重机将泥饼及砂、卵石吊至地面土场并采用渣土车运走；将分离出的液态泥浆排入竖井旁边的泥浆池，施工过程中保证清孔后的泥浆性能不低于新鲜泥浆的性能，泥浆的厚度通过测绳测定。泥水分离机分离出的泥浆含水率在15％以内，比重在1.01-1.1之间，满足反循环钻机所需泥浆的要求。

④补浆系统。补浆系统为泥水泥浆车，泥浆车设置轨道行走系统，220v电力驱动，杜绝污染，适应导洞内复杂施工环境；泥浆车外侧设置水平管，可根据水平管的水头灵活控制泥浆车的泥浆输入量，保持桩孔内的泥浆液面平衡。

附图说明

图1为本发明的洞内小直径桩施工设备系统图。其中，1为反循环钻机，2为渣浆车，3为渣浆泵，4为泥水分离机，5为泥浆泵，6为泥浆车，7为移动式起重机，8为首灌车，9为输浆管，10为泥浆池，11为钻孔，12为围堰，13为初支底板，14初支顶板，15为基坑侧壁，16为隧道，17为竖井，18为地面。

图2为本发明的洞内打桩设备布置图。其中，1为反循环钻机，2为渣浆车，6为泥浆车，7为移动式起重机，8为首灌车，10为泥浆车。

图3为本发明的洞内钻孔示意图。其中，1为反循环钻机，2为渣浆车，6为泥浆车，8为首灌车，9为输浆管，11为钻孔。

图4为本发明的洞内灌灰示意图。其中，1为反循环钻机，2为渣浆车，6为泥浆车，8为首灌车，9为输浆管，11为钻孔。

图5为本发明的渣浆车构造示意图。其中，19为法兰，20为搅拌轴，21为出浆口，22为电机，23为过滤网，24为钢管拉杆。

图6为本发明的泥浆车构造示意图。其中，19为法兰，20为搅拌轴，21为出浆口，22为电机，23为过滤网，24为钢管拉杆，25为手动阀门，26为液面观察管。

图7为本发明的首灌车构造示意图。

具体实施方式

奥林匹克公园站是地铁15号线与8号线换乘车站。车站位于奥运中心区，大屯路城市隧道下方，预留公交节点的西侧，沿大屯路东西向布设。周边分布有国家会议中心、国家体育馆、水立方、鸟巢等奥运场馆。

车站主体结构为地下两层三跨平顶直墙结构，采用暗挖PBA工法施工。车站总长205.5m，总宽23.1m，车站顶板紧贴大屯路隧道，大屯路隧道上方覆土约为3.5m。车站主体结构设置4个导洞，车站边桩在2个边导洞内施工。边桩有两种规格，一种直径800mm，桩长约26m，另一种直径1000mm，桩长约26m。其中直径800mm的桩共约84颗，直径1000mm的桩共约198颗。

车站边桩施工计划采用3套编组设备。第1套设备施工第5导洞及第8导洞内的边桩，第2套设备施工第1导洞内的边桩，第3套设备施工第4导洞内的边桩。施工顺序均为自西向东，采用跳桩的方式施工，跳桩距离根据设备编组长度确定。

围护桩施工过程中产生的钻渣排放及泥浆补给均通过泵及管路实现。首先安装各导洞内的给水管线，给水管线采用φ50的镀锌钢管，沿导洞侧壁敷设。之后安装导洞内的泥浆管及渣浆罐。导洞内的设备安装就位后安装横通道内的管线。横通道内管线均沿导洞侧墙按5％0的坡度自西向东敷设，3号横通道西侧管线以西端降水导洞为最低点。

具体施工步骤为：

(1)测量放线。轨道铺设、格栅凿除、钻孔施工前均要进行测量放线。分包单位测量人员根据设计图纸中的平面控制网测放出控制点及桩位，测放结果经总包单位测量人员校核后，填写报验单，上报监理，经监理验收合格后方可使用。

每根桩施工前均需重新校核桩位。

(2)试桩。正式施工前在暗挖导洞内进行试桩施工，根据试桩时掌握的实际地质情况确定合理的施工参数，并对设备进行改进。

(3)钢筋笼加工。考虑洞内运输及吊装，钢筋笼在地面分节加工，每节长度2m～3m。钢筋笼制作步骤为：

①按设计尺寸作好加劲筋圈(箍筋)并在其上标出主筋位置。

②把主筋摆在平整的工作台上，在其上标明加劲筋的位置，主筋提前采用钢筋切断机切断。

③使加劲筋上任一主筋的标记对准主筋中部的加劲筋的标记，扶正加劲筋并使其与主筋垂直后进行点焊。依此，在一根主筋上焊好全部加劲筋。

④在骨架两端各让一人转动骨架，将其余主筋逐根照上法焊好。

⑤将骨架搁于支架上，套入螺旋盘筋，按设计位置布好螺旋筋，然后点焊牢固。在钢筋骨架下端主筋的端部加焊加强箍一道，以防止下端钢筋在骨架入孔时插入孔壁或在导管提升时卡挂导管。

(4)轨道铺设。边导洞贯通后，首先将边导洞、西端降水导洞及3号竖井上层横通道清理干净，然后采用C15细石混凝土找平。找平层厚度为5cm。轨道铺设长度范围内均设置找平层(约510m)。找平层铺设完成后铺设轨道，轨道采用38kg标准钢轨，每节长度3m，轨距为1250mm。相邻两节轨道采用标准夹板连接牢固，轨道与轨枕之间采用压板固定牢固。

(5)设备吊装。洞内打桩设备均由3号竖井吊入。吊装顺序为：

①第1套设备：钻机→泥浆车→首罐车→移动式起重机→三轮车→渣浆车；

②第2套及第3套设备：三轮车→移动式起重机→首罐车→泥浆车→钻机。

设备吊装过程中井上及井下均设置信号工全程指挥，安全员不间断旁站。

(6)护筒施工。本工程采用2m深的人工挖孔代替钢护筒施工。首先测量定位，放出桩心位置。之后破除导洞初衬底板。初衬底板破除直径1.1m的圆形开口，圆周预留15cm的格栅主筋及分布筋接头。沿圆周安装4根φ25钢筋加工的钢筋环。钢筋环与圆周预留的格栅主筋及分布筋焊接牢固后喷射混凝土，喷完混凝土后在初衬底板形成一个直径1000mm的圆形洞口。施工过程中用外径为1m的圆形通规控制人工挖孔的直径和椭圆度。采用人工向下开挖1m深，人工挖孔竖向配筋为20φ8，环向配筋为φ8200。

(7)钻孔施工。整个钻孔系统可细分为四个子系统，即钻进系统、排渣系统、泥水分离系统及补浆系统。

第5导洞及第8导洞内边桩钻进时，钻机从孔内抽出的渣浆排入3号竖井上层横通道下导洞洞口位置的渣浆罐内，经渣浆罐内叶轮搅拌后，采用渣浆泵将渣浆排至3号竖井地面弃土场内的泥浆净化装置中。泥浆净化装置将渣浆进行泥水分离。分离后固态的泥饼及砂、卵石排入3号竖井地面弃土场，采用渣土车运走；分离后液态的泥浆流入3号竖井内(3号竖井下层导洞及下层横通道回填后，将上层横通道下导洞底板以下的竖井作为泥浆池)。采用泥浆泵将泥浆池内的泥浆送入钻机旁边的泥浆车，通过泥浆车的排浆口将泥浆送入桩孔内，保持桩孔内的泥浆液面平衡。

第1导洞及第4导洞内边桩钻进时，钻机从孔内抽出的渣浆排入导洞西端头的渣浆车内，经渣浆车内叶轮搅拌并过滤掉大粒径卵石后采用渣浆泵将渣浆排至1号竖井地面存土场内的泥浆净化装置。泥浆净化装置将渣浆进行泥水分离。分离后固态的泥饼及砂、卵石排入1号竖井内的临时弃土场，采用门式起重机将泥饼及砂、卵石吊至地面土场并采用渣土车运走；分离后液态的泥浆流入1号竖井旁边的泥浆池。采用泥浆泵将泥浆池内的泥浆送入钻机旁边的泥浆车，通过泥浆车的排浆口将泥浆送入桩孔内，保持桩孔内的泥浆液面平衡。

(8)钢筋笼安装。北侧导洞及南侧导洞的钢筋笼、钢套筒分别采用1号竖井门式起重机及3号竖井龙门架吊入洞内。洞内水平运输采用三轮车。孔口采用移动式起重机进行吊装作业。钢筋笼每节长度2m～3m，相邻两节钢筋笼主筋采用冷挤压套管连接。钢筋笼成型质量控制分别通过下料、加工、运输及安装四个环节进行控制。下料过程中保证每节钢筋笼主筋长度相同；加工过程中采用特制模具，保证加工完成的钢筋笼端头齐平；钢筋笼运输过程中要避免钢筋笼之间或钢筋笼与外界物体的挤碰而导致钢筋笼产生变形；安装过程中要保证上、下两节钢筋笼轴心对齐，相对应主筋间间隙相同，偏差不超过2mm。

(9)混凝土灌注。北侧导洞及南侧导洞桩身混凝土分别在1号竖井及3号竖井井口通过地泵泵送。混凝土输送采用φ125，t＝4mm泵管，北侧导洞最长泵送距离290m，南侧导洞最长泵送距离为160m。由于洞内长距离泵送混凝土无法满足水下灌注混凝土要求的首灌连续、快速，故每套打桩设备各设置一个首灌车进行首灌作业。灌注桩身混凝土之前，首先采用地泵将首灌车上的首灌罐内装满混凝土，然后打开首灌罐下方的阀门完成混凝土首灌。

(10)监控量测。在施工过程中应加强监控量测。一方面要及时了解灌注桩施工过程导洞初衬的实际状态；另一方面要及时了解灌注桩施工引起的大屯路隧道沉降变化，掌握灌注桩施工对周围环境的影响，为临近建筑物及地下管线的安全提供保证；同时通过接受反馈信息，科学合理安排下一步的施工工序，使施工更加安全，工程质量更好。

以上所述仅为本发明的一个具体应用案例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种城市地下工程暗挖导洞内小直径桩施工成套设备系统，包括反循环钻机(1)、渣浆车(2)、渣浆泵(3)、泥水分离机(4)、泥浆泵(5)、泥浆车(6)、移动式起重机(7)、首灌车(8)及连接各设备的输浆管(9)，其特征在于：根据导洞内施工环境特点，依次布置渣浆车(3)、反循环钻机(1)、泥浆车(6)、首灌车(8)及移动式起重机(7)，泥水分离机(4)位于导洞外的地表面上，各种管线均沿导洞侧壁敷设；

钻进设备为反循环钻机(1)，洞内吊装设备为移动式起重机(7)，由于洞内空间有限，现有钻机无法同时满足自身尺寸要求及洞内成孔要求，故根据导洞尺寸对钻机进行了改装，改装后的反循环钻机可以适应导洞的净空限制；

渣浆车内部设置一根通长的搅拌轴(20)，搅拌轴(20)距渣浆车底部一定距离，可以在电机(22)带动下自由旋转，防止泥渣沉淀；搅拌轴(20)周身布满钢丝刷，防止钻机钻至砂层及卵石层时，粒径小的砂石卡住搅拌轴(20)，导致无法转动；在渣浆车出浆口(21)处设置风管和水管，可以控制渣浆车(2)内的渣浆沉淀速度，防止渣泥及渣石堵塞渣浆车(2)的出口；在渣浆车(2)顶部设置过滤网(23)和溢流口，防止大粒径卵石堵塞渣浆泵(3)及在渣浆泵(3)出现故障时渣浆车(2)出现溢流。渣浆车(2)与渣浆泵(3)连接处设置喇叭形连接管道，可以增加砂石进入渣浆泵的通过速度，还可以防止砂石堵塞渣浆车出浆口(21)：

渣浆用竖井内的泥浆净化装置进行泥水分离处理，将分离出的泥饼及砂、卵石排入竖井内的临时弃土坑，采用龙门架将泥饼及砂、卵石吊至地面土场并采用渣土车运走；将分离出的液态泥浆排入竖井旁边的泥浆池(10)，施工过程中保证清孔后的泥浆性能不低于新鲜泥浆的性能，泥浆的厚度通过测绳测定。泥水分离机(4)分离出的泥浆含水率控制在要求含量内，比重控制在要求值，满足反循环钻机(1)所需泥浆的要求；

补浆系统为泥浆车(6)，泥浆车(6)设置轨道行走系统，电力驱动，杜绝污染，适应导洞内复杂施工环境；泥浆车外侧设置液面观察管，可根据液面观察管(26)的水头灵活控制泥浆车(6)的泥浆输入量，保持桩孔内的泥浆液面平衡。

2.根据权利要求1所述的一种城市地下工程暗挖导洞内小直径桩施工成套设备系统，其特征在于：所述的边桩施工成套设备系统在导洞内自西向东依次布置渣浆车(2)、反循环钻机(1)、泥浆车(6)、首灌车(8)及移动式起重机(7)。

3.根据权利要求1所述的一种城市地下工程暗挖导洞内小直径桩施工成套设备系统，施工过程包括：

测量放线，轨道铺设、格栅凿除、钻孔施工前均要进行测量放线。分包单位测量人员根据设计图纸中的平面控制网测放出控制点及桩位，测放结果经总包单位测量人员校核后，填写报验单，上报监理，经监理验收合格后方可使用，每根桩施工前均需重新校核桩位，

试桩，正式施工前在暗挖导洞内进行试桩施工，根据试桩时掌握的实际地质情况确定合理的施工参数，并对设备进行改进。

4.根据权利要求3所述的一种城市地下工程暗挖导洞内小直径桩施工成套设备系统，施工过程还包括：

钢筋笼加工，考虑洞内运输及吊装，钢筋笼在地面分节加工，每节长度2m～3m，

①按设计尺寸作好加劲筋圈(箍筋)并在其上标出主筋位置。

②把主筋摆在平整的工作台上，在其上标明加劲筋的位置，主筋提前采用钢筋切断机切断。

③使加劲筋上任一主筋的标记对准主筋中部的加劲筋的标记，扶正加劲筋并使其与主筋垂直后进行点焊。依此，在一根主筋上焊好全部加劲筋。

④在骨架两端各让一人转动骨架，将其余主筋逐根照上法焊好。

⑤将骨架搁于支架上，套入螺旋盘筋，按设计位置布好螺旋筋，然后点焊牢固。在钢筋骨架下端主筋的端部加焊加强箍一道，以防止下端钢筋在骨架入孔时插入孔壁或在导管提升时卡挂导管。

5.根据权利要求4所述的一种城市地下工程暗挖导洞内小直径桩施工成套设备系统，施工过程还包括：

轨道铺设，边导洞贯通后，首先将边导洞、西端降水导洞及3号竖井上层横通道清理干净，然后采用C15细石混凝土找平，找平层厚度为5cm，轨道铺设长度范围内均设置找平层，找平层铺设完成后铺设轨道，轨道采用38kg标准钢轨，每节长度3m，轨距为1250mm，相邻两节轨道采用标准夹板连接牢固，轨道与轨枕之间采用压板固定牢固，

设备吊装，洞内打桩设备均由3号竖井吊入，吊装顺序为：

①第1套设备：钻机→泥浆车→首罐车→移动式起重机→三轮车→渣浆车，

②第2套及第3套设备：三轮车→移动式起重机→首罐车→泥浆车→钻机，

设备吊装过程中井上及井下均设置信号工全程指挥，安全员不间断旁站。

6.根据权利要求5所述的一种城市地下工程暗挖导洞内小直径桩施工成套设备系统，施工过程还包括：

护筒施工，本工程采用2m深的人工挖孔代替钢护筒施工，首先测量定位，放出桩心位置，之后破除导洞初衬底板，初衬底板破除直径1.1m的圆形开口，圆周预留15cm的格栅主筋及分布筋接头。沿圆周安装4根φ25钢筋加工的钢筋环。钢筋环与圆周预留的格栅主筋及分布筋焊接牢固后喷射混凝土，喷完混凝土后在初衬底板形成一个直径1000mm的圆形洞口。施工过程中用外径为1m的圆形通规控制人工挖孔的直径和椭圆度。采用人工向下开挖1m深，人工挖孔竖向配筋为20φ8，环向配筋为φ8200。

钻孔施工，整个钻孔系统可细分为四个子系统，即钻进系统、排渣系统、泥水分离系统及补浆系统，

钢筋笼安装，北侧导洞及南侧导洞的钢筋笼、钢套筒分别采用1号竖井门式起重机及3号竖井龙门架吊入洞内，

混凝土灌注，北侧导洞及南侧导洞桩身混凝土分别在1号竖井及3号竖井井口通过地泵泵送，

监控量测，在施工过程中应加强监控量测。

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