CN103306276A - 钻(冲)孔灌注桩在泥浆包围中的干施工新法 - Google Patents

Abstract

一种《钻(冲)孔灌注桩在泥浆包围中的干施工新法》(简称干法，下同)，该干法采取简易技术措施，一举克服了由国外传入我国数十年沿用至今的《钻(冲)孔桩水下灌注混凝土施工方法》(简称湿法，下同)给钻(冲)孔桩造成的五大弊端。干法凭借在钻(冲)孔泥浆重重包围中，构建一个由塑料薄膜制作的外模和内囊所组成，既无泥浆也无水分的清洁干净空间(简称无浆区，下同)，在该无浆区这里可以实现与地面上施工相同的程序和操作，因而得以灌注制成优质无缺陷的钻(冲)孔桩，与上部结构(墩、柱、梁、塔)共同经历百年以上的使用寿命。

Description

钻(冲)孔灌注桩在泥浆包围中的干施工新法

所属技术领域：

本发明属于土木工程桩基基础施工技术领域。 

钻(冲)孔灌注桩(简称钻(冲)孔桩，下同)，起源于国外，上世纪五十年代传入我国，得到了很大发展，是当今国内外重要、大型或特大型工程建筑物，首选或不可替代的主流桩基础结构形式。被广泛应用于公路、铁路桥梁、水利、港口、石油、化工、冶金、工业民用建筑及航空、航天等诸多领域。 

背景技术：

钻(冲)孔桩具有承载力大、适应复杂地质，陆域、水上均可简便施工等多方面的优点。但是，由于传统施工方法的不完善周密，给钻(冲)孔桩造成了五大弊端：1、身残(先天性缺陷：钢筋遭腐蚀、混凝土保护层质量低劣)、2、体弱(桩体强度不高)、3、断桩隐患(超软土层缩颈、砂层塌孔引发断桩)、4、高碳耗能，多用水泥、5、施工操作均在黑暗的钻(冲)孔中进行，施工事故不易发现，质量失控)。上述这些弊端所造成的后果是给工程建筑物埋下安全隐患，缩短使用寿命(一般设计使用50年)，而且不能做到低碳减排。 

鉴于钻(冲)孔桩在建筑物中占具的重要位置，不能让其身负重病在恶劣的环境中承担巨大的上部结构荷重，应当想方设法予以克服。 

发明内容：

本发明所要解决的技术问题如下： 

1、彻底消除桩体先天性质量缺陷(钢筋笼受腐蚀、混凝土保护层质量低劣)； 

2、消除断桩隐患； 

3、大幅度提升桩体质量等级，与上部结构(墩、柱、梁、塔)同一水平； 

4、降低桩体水泥用量及损耗，达到低碳减排效果； 

5、将施工操作从黑暗中暴露于强光之下，采用摄像等仪器设备，全程跟踪，监控施工质量并留下影像记录，作为处理质量事故及验收的原始资料。 

采用的技术方案： 

在钻(冲)孔施工作业中、泥浆既有维护孔壁稳定不塌孔的重要作用，却也是产生上述五大弊端的根本原因。利、害并存，而泥浆又不能弃之不用。 

因此，本技术方案的主导思路是在施工全过程中，继续保留对泥浆的利用， 扬其护壁之所长，避其产生弊端之所短。具体技术措施如下： 

1、首选塑料(PVC)薄膜(或其他材质薄膜)制成专用圆柱形囊体为钻(冲)孔桩配置外模(9)及内囊(10)。外模(9)相当于桩体施工所采用的模板，内囊(10)则是内储泥浆用来平衡外模(9)所承受的泥浆压力，消除压差。外模(9)套在内囊(10)外面，串连固定密封于导管(5)的下端处，形成一个在泥浆包围之中而无泥浆的清洁干净环境(简称无浆区，下同)(如图3所示)，这是本技术方案的核心技术举措，成败的关键所在。 

2、在无浆区内，钢筋笼(4)安居其中，不与泥浆、孔壁接触、摩擦，桩体混凝土亦在此灌注，不与泥浆(3)、孔壁(7)接触、摩擦。两者均不受泥浆及其他有害物质的污染，因而彻底消除了先天性的质量缺陷(钢筋受腐蚀、保护层质量低劣)。 

3、在无浆区内，因滑移钢护筒(2)和外模(9)的遮挡作用，超软土层缩颈，砂层塌孔可能引发的断桩隐患，将可以得到消除。 

4、在无浆区内，由于能够使用高频振捣器(17)，因而可以小塌落度半干硬性混凝土替代高流动度混凝土，调动现代一切制作优质钢筋混凝土的技术手段，将桩体质量等大幅度提升(C₅₀、C₆₀、……)，与上部结构(墩、柱、梁、塔)同一质量水平，共同经历百年以上的使用寿命。 

5、在无浆区内，由于使用了低流动度的混凝土以及减少其他施工损耗，水泥用量被节约下来，使得钻(冲)孔桩的制作成本降低，更能取得低碳减排的效果。 

6、在无浆区内，虽仍然处于水下地层钻(冲)孔的泥浆包围中，却有了设置强光灯(11)、摄像头(12)和渗漏监测仪(13)的条件，因而可以将全部施工操作暴露于强光照射之下，施工人员可以全程跟踪，从视频中看到所有的施工作业情况，并留下影像资料，作为评估、处理、质量事故、验收的原始记录。 

总而言之，钻(冲)孔泥浆中无浆区的实现，一举解决了上述的五大技术问题，具有“四两拨千斤，一石多鸟、一箭多星”的技术先进性。而且不因干、湿施工方法的更迭增加工程成本，取得多项效益而不需投入，具有极其良好的经济性。 

在此还必须强调指出，由塑料(PVC)薄膜制成的外模(9)、内囊(10)，两者所构建而成的无浆区，具有可靠的工作安全性。因为无浆区在灌注施工之前，半飘半沉于孔内泥浆之中，除了受泥浆压力之外，不受其他外力作用，而且当沉放入钻(冲)孔时，有滑动钢护筒(2)护送，相伴而下，直达桩体设计标高，其中过程不与孔壁产生过大摩擦，以致磨破外模(9)，或尖锐锋利之物 刺破外模(9)，造成无浆区漏浆而失效。但是这种事故发生的机率极小，因为，滑动钢护筒(2)相伴相随，起到很好的保护作用，内囊(10)处于外模(9)、钢护筒(4)之内，施工中除了受回收囊体提升作用之外，受其他外力作用的机会几乎为零，因此受损破囊漏浆的事故，其产生机率更低。 

塑料(PVC)具有很好的物理力学特性(详见附录)，其膜厚虽然只有0.1～0.144mm，但在正常情况下，完全可以承受由于施工操作产生的外力作用，故而以塑料(PVC)薄膜为主要构建材料的无浆区，其工作性能是非常安全的，即使万一有渗漏事故发生，预案中也早有应急措施应对。 

本发明的有益效果 

1、一举解决了传统湿法施工给钻(冲)孔桩造成的五大弊端； 

2、打破洋框框，自主创新，结束了钻(冲)孔桩长期以来受泥浆困扰，只能进行泥浆下湿式施工的历史，改变为水下地层深处钻(冲)孔泥浆重重包围中的干式施工，是桩基施工技术上一大突破与进步； 

3、本发明研发费用极低，转化成生产力后，并不增加成本； 

4、本发明适用于钻(冲)孔桩，具有全国、全球钻(冲)孔桩施工领域推广意义，经济、社会效益非常广阔。 

附图说明：

图1是钻(冲)孔桩现有施工法(湿法)示意图。 

图1-1：钻(冲)孔、泥浆循环排碴、护壁； 

图1-2：吊钢筋笼(4)入钻(冲)孔，浸泡在泥浆(3)里，受污染而遭腐蚀； 

图1-3：采用导管(5)灌注水(泥浆)、混凝土，与泥浆、孔壁接触、摩擦遭受污染，受污染了的混凝土沿桩长集聚于桩体保护层部位； 

图1-4：受污染了的混凝土沿桩长从底至顶分布，挥之不去，无法消除更换，凝固后成为桩体保护层，组织疏松，强度低劣； 

图1(A-A)剖面：桩体(A-A)横断面显示，保护层不同程度地产生先天性质量缺陷(组织疏松，大面积剥落，强度低劣)，不耐久，最终缩短建筑物使用寿命。 

图1中的数字表示：(1)钢护筒、(2)、钻(冲)头、(3)泥浆、(4)钢筋笼、(5)导管、(6)混凝土保护层、(7)孔壁、(8)采用现有施工方法(湿法)制成带有先天性质量缺陷的钻(冲)孔桩。 

图2是钻(冲)孔桩泥浆包围中的干施工新法示意图。 

图2-1：制作钢筋笼(4)，将内囊(10)绑扎固定在导管(5)下端口以上2.0m处，强光灯(11)、摄像头(12)安装在内囊(10)绑扎点以下，渗漏监测仪(13)放置于钢筋笼(4)底，将上述物件放入钢筋笼内，并架置于笼中央； 

图2-2：用外模(9)将钢筋笼(4)等各物套入模内，将模下端口固定于导管(5)呈锥度的下端口，用相同锥度的外套夹紧密封； 

图2-3：吊起第一节钢筋笼(4)及其他各物缓缓插入钻(冲)孔中，泥浆(3)经出浆口(14)进入内囊(10)，囊体逐渐膨胀张开； 

图2-4：钢筋笼(4)等各物沉放至桩底时，将其全重搁置于钢护筒(1)顶端，扯直整平外模(9)、内囊(10)，并将两者的剩余长度翻扣于钢护筒(1)顶端，用绳索(15)绑扎固定，两者排浆短管插入钢护筒(1)的排浆口内，便于泥浆(3)排出孔外； 

图2-5：将混凝土倒入震动储料斗(16)先行振捣，打开截门(18)混凝土经导管(5)坠落，与此同时提升导管(5)迅速使外模(9)与内囊(10)分离，混凝土进入无浆区并逐渐填充形成桩体； 

图2-6：高频振捣器(17)从导管(5)中吊入进行再振捣，滑动钢护筒(2)伴随保护外模(9)不受损坏，同时也保护孔壁不因受震动而坍塌； 

图2-7：灌注混凝土与振捣交替进行，滑动钢护筒(2)相随保护，提升、拆卸导管(5)与回收囊体也适时穿插进行，强光灯(11)、摄像头(12)、渗漏监测仪(13)全程跟踪监控，桩体逐渐增长形成； 

图2-8：当桩体灌注结束至混凝土初凝时，对潮差段(或水位变动区)进行密集二次振捣，以便进一步提高桩体混凝土强度和密实度； 

图2-9：拆除钢护筒(1)，一根采用干施工新法制成的优质钻(冲)孔桩诞生问世。 

图2中的数字表示：(1)钢护筒、(2)滑动钢护筒、(3)泥浆、(4)钢筋笼、(5)导管、(7)孔壁、(9)外模、(10)内囊、(11)强光灯、(12)摄像头、(13)渗漏监测仪、(14)出浆口、(15)、绳索、(16)震动储料斗、(17)高频振捣器、(18)截门。 

图3是零部件结构示意图。 

图3-1：外模(9)外形； 

图3-2：内囊(10)外形； 

图3-3：导管(5)下端出浆口门(20)开启后用U形卡铁(21)卡住。灌注混凝土时，混凝土塞子(19)自由坠落将U形卡铁(21)砸掉，弹簧(22)收缩自动将出浆口门(20)关闭密封。导管(5)下端口略带锥度，并有相同锥 度的外套(23)相配，两者将外模(9)下端口夹紧密封。滑动钢护筒(2)口径略小于桩径，长度3～10m不等，视吊架有效高度及砂层厚度而定。 

图3中的数字表示：(2)滑动钢护筒、(5)导管、(9)外模、(10)内囊、(11)强光灯、(12)摄像头、(13)渗漏监测仪、(14)出浆口、(19)混凝土塞子、(20)出浆口门、(21)U形卡铁、(22)弹簧、(23)锥形外套。 

具体实施方式：

第一步：定制模、囊 

1、根据桩体设计尺寸，外模(9)、内囊(10)口径等于桩径，长度为桩长+2～3m(施工操作长度)。口径1.8m以下直接吹塑成圆柱形长带无接缝。1.8m以上至任何口径、电热粘合成形，现场少量粘合和修补，采用胶水粘合(图3-1、图3-2所示)。 

第二步：装配外模、内囊，构建无浆区。 

1、在地面或工程船舶甲板上制作钢筋笼(4)；将内囊(10)下端口绑扎固定密封在导管(5)下端1.5～2.0m处，将强光灯(11)摄像头(12)安装在导管(5)上，渗漏监测仪(13)设置于钢筋笼(4)底部，将上述物件送入钢筋笼(4)，架置于笼中央位置，导管(5)下端口伸出钢筋笼(4)底(图2-1所示)； 

2、用外模(9)将钢筋笼(4)及笼内各物套入，其下端口涂抹少许废机油润滑并固定于导管(5)下端口处(图2-2所示)。 

第三步：外模(9)、钢筋笼(4)、内囊(10)、导管(5)、强光灯(11)、摄像头(12)、渗漏监测仪，吊入钻(冲)孔。 

1、先将滑动钢护筒(2)置于钢护筒(1)上端口，吊起第一节钢筋笼(4)等各物插入其中，两者相伴相随同步向下沉放，钢筋笼(4)外的外模(9)不与孔壁(7)产生接触、摩擦因而始终受到保护，泥浆经导管(5)下端口进入，从出浆口流入内囊(10)，逐渐膨胀张开(图2-3所示)； 

2、依次接长钢筋笼(4)及其他需要接长的各物，继续沉放直达桩底，将钢筋笼(4)等的重量搁置在钢护筒(1)上，扯直整理外模(9)及内囊(10)并将其剩余长度翻扣于钢护筒(1)顶端，用绳索(15)绑孔固定(图2-4所示)； 

第四步：灌注、振捣制作桩体、回收内囊，拆卸导管 

1水泥砂浆、混凝土各半入震动储料斗(16)振捣拌合成大塌落度(20～22CM)混凝土，打开截门(18)，剪断悬挂混凝土塞子(19)的铅丝，斗内混凝土压着塞子自由坠落，将导管(5)内的泥浆(3)排除，当塞子(19)经过出浆口(14) 将卡住出浆口门(20)的卡铁(21)砸掉，弹簧(22)收缩自动将门(20)关闭，塞子(19)与混凝土直落到导管(5)下端口，此时迅速提升导管(5)使导管(5)下端口与外模(9)分离，混凝土从管中涌出瞬间将外模(9)下端口堵死并填满横断面逐渐形成桩体(图2-5、图3所示)； 

2、高频振捣器(17)吊入进行钻(冲)孔内再振捣、密实，滑动钢护筒(2)逐渐提升滑动，相伴相随在灌注、振捣影响范围区段，自始自终保护着外模(9)不受损伤，孔壁(7)不坍塌。强光灯(11)、摄像头(12)、渗漏监测仪(13)启动工作，全程跟踪监控(图2-5所示)； 

3、灌注、振捣交替进行，适时提升、拆卸导管(5)，收紧内囊(10)上段将泥浆(3)排挤出孔外，回收内囊(10)的操作奕在穿插进行(图2-6所示)； 

第五步：二次振捣 

1、整根桩体灌注、振捣结束，等待混凝土开始初凝时，为进一步提高桩体质量，对潮差段(或地下水变动区)的桩体进行密集二次振捣； 

2、拆除钢护筒(1)，回收清理内囊(10)检查后周转使用，整理视频影像资料； 

3、钢护筒(1)拆除后进行必须的养护，至此一根采用《泥浆包围中干施工新法制作的优质钻(冲)孔桩顺利完成。 

附录 

塑料(PVC)薄膜与制成的外模、内囊，其技术特性及规格，表列如下： 

塑料(PVC)薄膜技术特性(表一) 

厚度：0.1～0.4mm
	拉伸强度：(纵/横)≥20/18.5Mpa
断裂伸长率：(纵/横)≥220/200％
	撕裂强度(纵/横)≥60KN/M
顶破强度：≥150N
	渗透系数：≤10-11cm/s
低温弯折性：(-20℃)无裂纹
	颜色：黑色(可抗日光紫外线)，其他颜色可选择

塑料(PVC)外模、内囊规格(表二) 

项目	参数	备注
			口径	0.6-3.0m	与桩体设计直径等同
长度	桩底到钢护筒顶长度	另加富裕2-3M
			厚度	0.14mm(0.1-0.2mm)	可根据情况增减厚度
重量	170-200g/m2	可根据情况增减
			粘接方式	电热合搭接，胶水粘接	大量搭接应首选电热粘合
下端封口	用绳索绑牢	如回收，下端口应松开

外模、内囊可以回收再利用，非一次性耗材，其由工厂予制，造价便宜，但外模回收利益不大。不如留在孔中紧紧包裹桩身，要经若干年才降解消失，无异于给桩身增加了一层保护，延长了桩的使用寿命，其利远大于回收。

监测装备型号(表三) 

名称	型号	单位	数量
				强光灯	S-108	套	2
摄像头	HY1680	套	2
				渗漏监测仪	DA500	套	1
电缆	各种规格	M	根据需要

Claims (6)

1.一种《钻(冲)孔灌注桩在泥浆包围中的干施工新法》(简称干法，下同)，其特征是：钻(冲)孔形成并清孔之后在钻(冲)孔的泥浆中构建一个既无泥浆，也无水分存在的清洁干净空间(简称无浆区，下同)，让钢筋笼置于其中不与泥浆、孔壁接触、摩擦，免遭污染受腐；灌注桩身混凝土亦在无浆区内进行，同样不遭受污染。

2.权利要求1所述的无浆区，其特征是由塑料(PVC)薄膜制的外模(相当于混凝土构件浇注施工时配置的模板)和内囊所组成的密封袋子，两者串连固定在导管下端。

3.权利要求2所述的外模，其特征是轻质柔软，密封而不渗漏，内囊的特征为轻质柔软，不渗漏，储存泥浆，平衡外模所受的泥浆压力，两者均采用塑料(PVC)薄膜制成。

4.在权利要求1所述的无浆区里，可进行与在地面施工相同的工序和相应的操作。

5.采用滑动钢护筒全程保护外模安全，使其不受意外损伤，并预防超软土层缩颈、砂层塌孔引发的断桩事故。

6.在权利要求1所述的无浆区里，设置视频摄像装备，实现全程监控施工作业情况并留下记录备查，使钻(冲)孔桩在泥浆重重包围中的全部施工工序及操作从黑暗中走向光明。

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