CN113431490A - 一种用于岩溶地区的大直径管桩施工设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土木与交通工程领域，具体涉及一种用于岩溶地区的大直径管桩施工设备及方法，施工设备包括钻机，钻机通过钻机动力头吊装有的螺旋钻杆，螺旋钻杆的末端固定有钻头，螺旋钻杆的外周套设有管桩，管桩通过动力头夹具与钻机动力头连接，动力头夹具夹紧或松开管桩；管桩的外周套设有控桩器夹具，控桩器夹具固定安装在预设桩位上，控桩器夹具夹紧或松开管桩；管桩的管壁外侧内嵌有环形橡胶气囊，管桩的管壁内设有至少一根与环形橡胶气囊连通的气囊注浆管。本发明采用预制管桩并配合相关掘进施工技术，能够起到较好的穿越溶洞嵌入岩层的效果，无需进行溶洞灌浆回填处理作业，且能保证桩侧和桩端阻力发挥，施工成本低，成桩质量可靠。
Description
技术领域
本发明属于土木与交通工程领域，具体涉及一种用于岩溶地区的大直径管桩施工设备及方法。
背景技术
岩溶地貌在我国南方地区广泛分布，地下水对可溶性岩石的破坏和改造作用往往导致岩溶地层存在诸多溶洞，进而影响到岩溶地区的工程建设。为满足上部结构对地基基础高承载力的要求，一般采用桩基础作为其基础形式，且需穿越溶洞至洞底到一定入岩深度。然而，岩溶地区大直径嵌岩桩施工一直都是工程界的技术难题。由于部分地区溶洞较大，若采用钻孔灌注桩施工，则需进行溶洞灌浆回填处理或全套筒护壁，这将导致施工成本较高；若采用基于锤击法或静压法PHC管桩施工，其直径通常小于600mm且桩底难以嵌入硬岩土层，因而单桩承载力难以满足设计要求。为此，提出一种适用于岩溶地区的大直径嵌岩PHC桩施工方法非常必要，将具有重要的工程应用价值。
随钻跟管桩是一种预钻成孔的大直径非挤土PHC管桩，其桩径通常控制在800～1400mm范围内，且具有施工速度快、成桩质量好、入岩能力强等优点，但是对于岩溶地区的大直径管桩基础，如果溶洞顶板上覆岩土层的桩侧摩阻力不足，管桩穿越溶洞时容易突然掉入溶洞，无法继续钻进沉桩。
发明内容
为解决上述背景技术中的问题，本发明的第一个目的是提供一种用于岩溶地区的大直径管桩施工设备，包括钻机，钻机通过钻机动力头吊装有的螺旋钻杆，螺旋钻杆的末端固定有钻头，螺旋钻杆的外周套设有管桩，管桩通过动力头夹具与钻机动力头连接，动力头夹具夹紧或松开管桩；管桩的外周套设有控桩器夹具，控桩器夹具固定安装在预设桩位上，控桩器夹具夹紧或松开管桩；管桩的管壁外侧内嵌有环形橡胶气囊，管桩的管壁内设有至少一根与环形橡胶气囊连通的气囊注浆管。
进一步的，管桩的侧壁内还设置有至少一根桩侧注浆管，管桩的外侧壁上设置有出浆口，出浆口位于环形橡胶气囊的上方，桩侧注浆管与出浆口连通。
进一步的，控桩器夹具铰接在控桩器底座上，控桩器底座固定在地面上。
进一步的，钻头的底部间断布置有用于掘进坚硬岩土层的钻头子弹头。
本发明的第二个目的是提供一种应用上述设备进行施工的方法，包括以下步骤：
S1、施工准备：将控桩器夹具固定在预设桩位上，钻机就位，活动吊装螺旋钻杆、钻头，操作动力头夹具夹紧管桩上部使管桩的下端与钻头的上端保持固定距离；
S2、钻孔：通过螺旋钻杆带动钻头旋挖出比管桩外径大的孔洞，将管桩同步沉入孔洞内，岩土渣在螺旋钻杆的作用下通过管桩内腔从管桩顶部排出；
S3、钻孔至溶洞顶部：钻至钻头距离溶洞顶部0.3米-0.8米时，松开动力头夹具，操作控桩器夹具夹紧管桩的桩身限制其下沉，同时转动钻头继续钻进至打穿溶洞顶部后停止钻进；
S4、钻孔至溶洞底部：操作钻机动力头上下移动，调整管桩与钻头的相对位置至固定距离，操作动力头夹具夹紧管桩上部，再逐渐松开控桩器夹具，同步下沉螺旋钻杆和管桩，直至钻头碰到溶洞底部岩土层；
S5、旋挖至设计标高：继续旋挖至设计标高，停止掘进，若桩身深度范围内存在多个溶洞，则重复S2-S4的施工步骤直到旋挖至设计标高；
S6、取出钻头：反转螺旋钻杆，钻头的扩孔翼板在岩土阻力作用下缩回，松开动力头夹具并逐渐反钻上提螺旋钻杆，取出钻头，此时，管桩下沉至桩底预定标高；
S7、向气囊内注浆：通过气囊注浆管向环形橡胶气囊内注入水泥浆，将上下桩土间隙隔开；
S8、向桩侧注浆：向桩侧注浆管注入水泥浆，水泥浆通过桩侧注浆管从出浆口流出，填充环形橡胶气囊位置以上桩侧的桩土间隙；
S9、灌注封底混凝土：清除管桩内腔的岩土渣，灌注封底混凝土。
进一步的，步骤S1中所述的管桩的下端与钻头上端的固定距离为0.4米-0.8米。
进一步的，所述环形橡胶气囊的位置在距离溶洞顶板上部1.0米-1.5米处。
进一步的，所述钻头为可伸缩钻头，可伸缩钻头在旋挖时顺时针旋转，张开扩孔翼板，从管桩内腔退出时，逆时针旋转时，扩孔翼板在岩土阻力作用下缩回扩孔翼板。
进一步的，在步骤S6中，管桩在自重作用下下沉至桩底预定标高，如果管桩未在自重作用下下沉至桩底预定标高，则在拆除螺旋钻杆后借助钻机动力头的振动力将管桩振至相应桩底预定标高。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明采用预制管桩并配合相关掘进施工技术，能够起到较好的穿越溶洞嵌入岩层的效果，无需进行溶洞灌浆回填处理作业，灌注稳定不易塌孔。
2)本发明采用在管桩的管壁内预先埋置有环形橡胶气囊，环形气囊位于溶洞顶板上部，向环形橡胶气囊内注入水泥浆使环形橡胶气囊增大，挤压和填充桩侧的桩土间隙，将上部桩和溶洞分隔开，在上部桩侧注入水泥浆液时，不会因桩土间隙的存在而流入到溶洞内部，使上部桩侧能够顺利注入水泥浆液，降低了成本，提高了成桩质量。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明随钻跟管桩正常施工时的示意图；
图2为本发明随钻跟管桩旋挖至达溶洞顶部时的施工示意图；
图3为本发明随钻跟管桩穿越溶洞时的施工示意图；
图4为本发明随钻跟管桩穿越溶洞至底部的施工示意图；
图5为本发明钻至桩底标高后螺旋钻杆退出施工的示意图；
图6为本发明管桩环形橡胶气囊注浆后的示意图；
图7为本发明管桩桩侧注浆后的示意图；
图8为本发明环形橡胶气囊注浆前的构造示意图；
图9为本发明环形橡胶气囊注浆后的构造示意图；
图10为环形橡胶气囊注浆后的构造示意图。
图中：1-钻机，2-钻机动力头，3-动力头夹具，4-螺旋钻杆，5-钻头，6-钻头子弹头，7-管桩，8-控桩器底座，9-控桩器夹具，10-土层，11-岩土层，12-溶洞，13-气囊注浆管，14-环形橡胶气囊，15-出浆口，16-桩侧注浆管，17-封底混凝土。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合附图1至附图10以及具体实施例详细论述本发明：
本发明实施例提供了一种用于岩溶地区的大直径管桩施工设备，如图1-10所示，包括钻机1，钻机1通过钻机动力头2吊装有的螺旋钻杆4，螺旋钻杆4的末端固定有钻头5，螺旋钻杆4的外周套设有管桩7，管桩7通过动力头夹具3与钻机动力头2连接，动力头夹具3夹紧或松开管桩7，动力头夹具3夹紧管桩7的上端，钻机动力头2可以带动螺旋钻杆4旋转，动力头夹具3通过夹紧或放松管桩7实现对管桩7的控制；管桩7的外周套设有控桩器夹具9，控桩器夹具9固定安装在预设桩位上，控桩器夹具9夹紧或松开管桩7，用于实现对管桩7的控制；管桩7的管壁外侧内嵌有环形橡胶气囊14，管桩7的管壁内设有至少一根与环形橡胶气囊14连通的气囊注浆管13，环形气囊14位于溶洞顶板上部，通过气囊注浆管13向环形橡胶气囊14内注入水泥浆使环形橡胶气囊14增大，挤压和填充桩侧的桩土间隙，将上部桩和溶洞分割开，在上部桩侧注入水泥浆液时，不会因桩土间隙的存在而流入到溶洞内部，使上部桩侧能够顺利注入水泥浆液，降低了成本，提高了成桩质量。
进一步的，管桩7的侧壁内还设置有至少一根桩侧注浆管16，管桩7的外侧壁上设置有出浆口15，出浆口15位于环形橡胶气囊14的上方，桩侧注浆管16与出浆口15连通，桩侧注浆管16用于向桩侧注浆。
进一步的，控桩器夹具铰接在控桩器底座上，控桩器底座固定在地面上；控桩器底座8用于将控桩器固定在底面上，能够承受管桩7较大的自重产生的竖向压力，控桩器夹具9可以根据不同的施工阶段夹紧或松开管桩7桩身，同时将管桩7的夹持力通过控桩器底座8传递至地面，确保管桩7不会因顶部的动力头夹具3的松开而偏移倾倒。
进一步的，钻头5的底部间断布置有用于掘进坚硬岩土层11的钻头子弹头6。
一种用于岩溶地区的大直径管桩施工方法，包括以下步骤：
S1、施工准备：将控桩器夹具固定在预设桩位上，钻机1就位，活动吊装螺旋钻杆4、钻头5，操作动力头夹具3夹紧管桩7上部使管桩7的下端与钻头5的上端保持固定距离，具体的，管桩的下端与钻头上端的固定距离为0.4米-0.8米；螺旋钻杆4安装在钻机动力头2上，钻头5安装在螺旋钻杆4上，管桩7套装在螺旋钻杆4外，操作动力头夹具3夹住管桩7的桩身顶部；具体的，控桩器包括控桩器底座8和控桩器夹具9，控桩器底座8与控桩器夹具9以单向铰链的方式相连；控桩器底座8与地面接触，能够承受较大的管桩7自重竖向压力，因此控桩器夹具9可将管桩7的夹持力通过控桩器底座8传递至地面，确保管桩7不会因顶部动力头夹具3的松开而偏移倾倒；控桩器夹具9可根据不同施工阶段夹紧或松开PHC管桩7桩身；控桩器夹具9的初始状态为松开状态；钻机动力头2为钻机1的重要组成部分，用于驱动螺旋钻杆4旋挖转动，动力头夹具3的一端与钻机动力头2活动相连，另一端通过油缸的伸缩控制其松开与缩紧管桩7桩身。
S2、钻孔：通过螺旋钻杆4带动钻头5旋挖出比管桩7外径略大的孔洞，操作动力头夹具3将管桩7同步沉入孔洞内，岩土渣在螺旋钻杆4的作用下通过管桩7内腔从管桩7顶部排出；具体的，掘进过程中动力头夹具3夹住管桩7桩身是为了保持钻头5的掘进速度与管桩7沉桩速度保持一致，避免管桩7因侧向摩阻力缺失或不足向下压紧卡住钻头5而导致无法继续旋挖掘进施工，因此管桩7的桩底与钻头5的顶部需保持一定间距。
S3、钻孔至溶洞12顶部：钻头5距离溶洞12顶部0.3米-0.8米时，操作控桩器夹具9夹紧管桩7的桩身限制其下沉，然后松开动力头夹具3，继续钻进至打穿溶洞12顶部后停止钻进；使用控桩器夹具9夹紧管桩7的目的是为了避免因溶洞12顶板突然被打穿，以致螺旋钻杆4和钻头5突然失去竖向岩土反力而侧向倾斜，进而引发安全事故；具体的，溶洞12顶部的大概深度根据桩位处的地质勘察报告和超前钻资料进行估计。
S4、钻孔至溶洞12底部：操作钻机动力头2上下移动，调整管桩7与钻头5的相对位置至固定距离，操作动力头夹具3夹紧管桩7上部，再逐渐松开控桩器夹具9，同步下沉螺旋钻杆4和管桩7，直至钻头碰到溶洞12底部岩土层11；
S5、旋挖至设计标高：继续旋挖至设计标高，停止掘进，若桩身深度范围内存在多个溶洞12，则重复S2-S4的施工步骤直到旋挖至设计标高；
S6、取出钻头：反转螺旋钻杆4，钻头5的扩孔翼板在岩土阻力作用下缩回，松开动力头夹具3并逐渐反钻上提螺旋钻杆4，取出钻头，此时，管桩7下沉至桩底预定标高；具体的，钻头5在旋挖时顺时针旋转，张开扩孔翼板，从管桩7内腔退出时，逆时针旋转时，扩孔翼板在岩土阻力作用下缩回扩孔翼板，钻头5的底部间断布置有钻头子弹头6，用于掘进坚硬的岩土层11；具体的，管桩7在自重作用下下沉至桩底预定标高，如果管桩7未在自重作用下下沉至桩底预定标高，则在拆除螺旋钻杆4后借助钻机动力头2的振动力将管桩7振至相应桩底预定标高。
S7、向气囊内注浆：向气囊注浆管13中注入水泥浆，水泥浆通过气囊注浆管13进入到环形橡胶气囊14内，环形橡胶气囊14在注浆压力作用下膨胀，体积增大，不断挤压和填充桩侧的桩土间隙，直到桩侧注浆压力和注浆量达到设计要求，此时环形橡胶气囊14周围的桩土间隙被封堵，上下桩土间隙被隔开；具体的，环形橡胶气囊14的埋设位置应根据现场溶洞12的具体高度选择，通常距离溶洞12顶板上部约1米处，其目的是为了在桩侧注浆时，具有流动性的注浆液不会因桩土间隙的存在而流进溶洞12内部，导致上部桩侧未能注入水泥浆液，从而影响桩侧摩阻力发挥；环形橡胶气囊14、注浆管和出浆口15均为预先埋置在管桩7的管壁内，具体的，注浆管的数量大于等于2根，包括气囊注浆管13和桩侧注浆管16，其中气囊注浆管13与环形橡胶气囊14连通，桩侧注浆管16与出浆口15连通。
S8、向桩侧注浆：向桩侧注浆管16注入水泥浆，水泥浆通过桩侧注浆管16从出浆口15流出，填充环形橡胶气囊14位置以上桩侧的桩土间隙，以达到提高桩侧摩擦力发挥的目的；为了让管桩7沉入钻孔内，施工时会旋挖出比管桩7外径大10-20mm的孔径，因而桩侧会存在一定的桩土间隙，如果间隙不进行填充，管桩7与岩土之间存在间隙，则无法发挥桩侧摩擦力的作用。
S9、灌注封底混凝土17：清除管桩7内腔的岩土渣，灌注封底混凝土17，以提高桩底承载力；具体的，清除管桩7内腔的岩土渣时，可采用旋挖钻斗清理，或者借助相关的高压水枪与泥浆泵配合清孔。
具体的，环形橡胶气囊14的埋设位置在距离溶洞顶板上部1.0米-1.5米处，用于将上部桩和溶洞分隔开，在上部桩侧注入水泥浆液时，不会因桩土间隙的存在而流入到溶洞内部，使上部桩侧能够顺利注入水泥浆液。
优选的，管桩7可以采用PHC管桩，PHC管桩即预应力高强度混凝土管桩，PHC管桩具有承载力大、抗拔性能和抗拔性能好、性价比高等特点。
本发明的施工方法可以提高桩基础的侧摩阻力和承载力，不会出现塌孔、断桩、夹泥、扩径、缩径等质量问题，且管桩内腔清渣彻底，该施工方法适用于多种岩土层和不同桩径的施工，可操作性高。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (9)
1.一种用于岩溶地区的大直径管桩施工设备，其特征在于：包括钻机，所述钻机通过钻机动力头吊装有的螺旋钻杆，所述螺旋钻杆的末端固定有钻头，所述螺旋钻杆的外周套设有管桩，所述管桩通过动力头夹具与所述钻机动力头连接，所述动力头夹具夹紧或松开所述管桩；
所述管桩的外周套设有控桩器夹具，所述控桩器夹具固定安装在预设桩位上，所述控桩器夹具夹紧或松开所述管桩；
所述管桩的管壁外侧内嵌有环形橡胶气囊，所述管桩的管壁内设有至少一根与所述环形橡胶气囊连通的气囊注浆管。
2.根据权利要求1所述的一种用于岩溶地区的大直径管桩施工设备，其特征在于：所述管桩的侧壁内还设置有至少一根桩侧注浆管，所述管桩的外侧壁上设置有出浆口，所述出浆口位于所述环形橡胶气囊的上方，所述桩侧注浆管与所述出浆口连通。
3.根据权利要求1所述的一种用于岩溶地区的大直径管桩施工设备，其特征在于：所述控桩器夹具铰接在控桩器底座上，所述控桩器底座固定在地面上。
4.根据权利要求1所述的一种用于岩溶地区的大直径管桩施工设备，其特征在于：所述钻头的底部间断布置有用于掘进坚硬岩土层的钻头子弹头。
5.一种用于岩溶地区的大直径管桩施工设备进行施工的方法，其中，用于岩溶地区的大直径管桩施工设备为权利要求1-4任意一项所述的用于岩溶地区的大直径管桩施工设备；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、施工准备：将控桩器夹具固定在预设桩位上，钻机就位，活动吊装螺旋钻杆、钻头，操作动力头夹具夹紧管桩上部使管桩的下端与钻头的上端保持固定距离；
S2、钻孔：通过螺旋钻杆带动钻头旋挖出比管桩外径大的孔洞，将管桩同步沉入孔洞内，岩土渣在螺旋钻杆的作用下通过管桩内腔从管桩顶部排出；
S3、钻孔至溶洞顶部：钻至钻头距离溶洞顶部0.3米-0.8米时，松开动力头夹具，操作控桩器夹具夹紧管桩的桩身限制其下沉，同时转动钻头继续钻进至打穿溶洞顶部后停止钻进；
S4、钻孔至溶洞底部：操作钻机动力头上下移动，调整管桩与钻头的相对位置至固定距离，操作动力头夹具夹紧管桩上部，再逐渐松开控桩器夹具，同步下沉螺旋钻杆和管桩，直至钻头碰到溶洞底部岩土层；
S5、旋挖至设计标高：继续旋挖至设计标高，停止掘进，若桩身深度范围内存在多个溶洞，则重复S2-S4的施工步骤直到旋挖至设计标高；
S6、取出钻头：反转螺旋钻杆，钻头的扩孔翼板在岩土阻力作用下缩回，松开动力头夹具并逐渐反钻上提螺旋钻杆，取出钻头，此时，管桩下沉至桩底预定标高；
S7、向气囊内注浆：通过气囊注浆管向环形橡胶气囊内注入水泥浆，将上下桩土间隙隔开；
S8、向桩侧注浆：向桩侧注浆管注入水泥浆，水泥浆通过桩侧注浆管从出浆口流出，填充环形橡胶气囊位置以上桩侧的桩土间隙；
S9、灌注封底混凝土：清除管桩内腔的岩土渣，灌注封底混凝土。
6.根据权利要求5所述的一种用于岩溶地区的大直径管桩施工方法，其特征在于：步骤S1中所述的管桩的下端与钻头上端的固定距离为0.4米-0.8米。
7.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于：所述环形橡胶气囊的位置在距离溶洞顶板上部1.0米-1.5米处。
8.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于：所述钻头为可伸缩钻头，可伸缩钻头在旋挖时顺时针旋转，张开扩孔翼板，从管桩内腔退出时，逆时针旋转时，扩孔翼板在岩土阻力作用下缩回扩孔翼板。
9.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于：在步骤S6中，管桩在自重作用下下沉至桩底预定标高，如果管桩未在自重作用下下沉至桩底预定标高，则在拆除螺旋钻杆后借助钻机动力头的振动力将管桩振至相应桩底预定标高。
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