一种处治采空区的管桩结构和方法

技术领域

本发明涉及采空区路基工程技术领域，尤其是涉及一种处治采空区的管桩结构和方法。

背景技术

采空区塌陷是矿区施工中常见的复杂病害，严重影响上部构筑物的正常使用及运营安全。随着经济的发展，道路规划规避采空区的难度日益增大，在煤矿采空区上方建设道路的需求已无法回避，但是直接在采空区上方修建道路，作用路面、行车等荷载，会加速采空区沉降，使路面面临沉降、开裂等问题，严重威胁采空区道路的运营安全。目前针对采空区常用的处治方法主要有注浆加固法，充填法，钻孔灌注桩等，然而这些方法在应用时均存在一定问题，例如：注浆加固法仅依靠注入浆体来加固土层，难以充分提高孔隙率较大的土层的承载力，导致工后沉降大；充填法充填能力低，无法用于规模较大的采空区处理；普通钻孔灌注桩存在孔壁溃坍、回填困难等技术问题，治理效果较差。可见，现有各种采空区处治方法在应用中均存在一定问题和缺陷，难以有效改善采空区上覆土层的力学性质，无法兼顾施工复杂程度和沉降控制效果，解决复杂的采空区塌陷问题。

因此，亟需提出一种能够兼顾施工复杂程度和沉降控制效果问题的采空区处治方法和管桩结构，用于高效处理复杂的采空区塌陷问题，实现对复杂采空区塌陷的有效控制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种处治采空区的管桩结构和方法，通过在管桩侧壁和底部锥形头上设置多个射浆孔，并借助管桩和水泥注浆共同作用，有效提高上覆土层的承载力，减小采空区的沉降，实现采空区经济高效的处治。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种处治采空区的管桩结构，包括管身和锥形头，所述管身的一端设有锥形头，另一端与压力注浆装置螺接；

所述管身上设有若干个第一射浆孔，所述第一射浆孔的周围设有加强钢筋；

所述锥形头上设有第二射浆孔。

进一步地，所述第一射浆孔为圆台形孔洞，所述第一射浆孔的外侧直径为20-50mm，内侧直径为40-100mm，以供浆液流动；

若干个所述第一射浆孔沿所述管桩轴线方向设置，每两个所述第一射浆孔为一组，并对称设于所述管桩的管身上；

相邻两组的轴线之间呈90°角偏置，以实现周向覆盖。

进一步地，所述加强钢筋呈螺旋状布置，所述加强钢筋的螺旋截面内径与所述第一射浆孔底部的直径一致，所述加强钢筋的螺距为30-50mm。

进一步地，所述锥形头上沿圆周方向均匀设置3-6个第二射浆孔，所述锥形头采用铸铁材质。

进一步地，所述管桩直径为400-1200mm，所述管桩壁厚为80-150mm。

进一步地，所述压力注浆装置的注浆接口的中心与所述管桩轴线一致，且采用QD型快速锁紧接口；

所述压力注浆装置采用45号钢。

本发明还提供一种处治采空区的方法，包括以下步骤：

S1：采用模具制备管桩，随后脱去模具外模，内模保留在管桩内；

S2：将S1中制得的管桩采用静压法或锤击法将管桩打入采空区上覆地层内预定位置；

S3：通过末节管桩顶端的压力注浆装置向S2中打入地层的管桩内压入水泥浆，使水泥浆从射浆孔喷射后压入土层；

S4：完成注浆后保持压力，待压力稳定后卸下末节管桩顶端的注浆装置。

进一步地，S1中，所述模具包括内模和外模，所述内模厚度为2mm，并采用Q235钢材制成；

所述内模的外径与管桩的内径一致，所述内模的外壁设有若干个中空圆台形的突起，用于在管桩侧壁上形成圆台形的射浆孔；

所述外模为两片组装式半圆柱钢模板，所述外模的内径与管桩外径一致。

进一步地，S2中，当打入多节管桩时，首节管桩的一端安装锥形头，另一端安装钢柱帽，中间节管桩两端均安装钢柱帽，末节管桩一端安装钢柱帽，另一端设有螺纹，用于连接压力注浆装置。

进一步地，在S3中，逐步增加注浆压力，使压力最终保持在5-7MPa；

采用流量计实时监测注浆流量，当监测到的注浆流量小于或等于1L/min时，继续注浆30min后结束注浆。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明通过在管桩侧壁设置射浆孔，将管桩和水泥注浆相结合，打入桩基的同时实现了对土层的高压注浆强化，有效提高了土层的承载力，增强了管桩的整体稳定性，保证了采空区路基的承载力和整体稳定性。

2、本发明根据注浆作用覆盖面和流动性对射浆孔的尺寸和布置形式进行了设计，使浆体与土层充分接触，实现对土层的全面增强。

3、本发明采用预制管桩，无需现场开孔，施工方便快捷，有效适应不同采空区的地质条件，缩短施工周期。

4、本发明的处治方式过程可控，且能够高效治理复杂的采空区塌陷问题，对改善软弱路基性能具有重要的工程意义，同时具有良好的工程应用前景。

附图说明

图1为一种处治采空区的方法的施工流程图；

图2为一种处治采空区的管桩结构的结构示意图；

图3为图2中管桩内模的结构示意图；

图4为图2中第一射浆孔的俯视图；

图5为图2中第一射浆孔的侧视图；

图6为实施例1中加强钢筋的布置示意图；

图7为实施例1中顶部钢柱帽与压力注浆装置的配合示意图。

图2中的标记说明：

1-内模，2-钢柱帽，3-管身，4-第一射浆孔，5-锥形头，6-第二射浆孔；

图3中的标记说明：

1-内模；

图4中的标记说明：

4-第一射浆孔，A-第一射浆孔内侧直径60mm，B-第一射浆孔外侧直径20mm，C-管桩内壁直径380mm，D-管桩外壁直径600mm；

图5中的标记说明：

4-第一射浆孔，E-相邻两组第一射浆孔间距500mm，F-单节管桩长度10000mm；

图6中的标记说明：

7-加强钢筋，G-加强钢筋螺旋截面直径80mm；

图7中的标记说明：

8-压力注浆装置，H-注浆接口内径60mm，I-注浆接口外径100mm。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的具体实施方式作详细说明，这些实施例在以本发明所述方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

下面结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步阐述。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

实施例1

本实施例提供一种处治采空区的管桩结构，如图2所示，包括管身3和锥形头5，所述管身3的一端设有锥形头5，另一端与压力注浆装置8螺接；管身3上设有若干个第一射浆孔4，所述第一射浆孔4的周围设有加强钢筋7；锥形头5上设有第二射浆孔6。如图4所示，管桩内壁直径C为380mm，管桩外壁直径D为600mm，并采用C80混凝土进行预制浇筑。

如图4所示，第一射浆孔4为圆台形孔洞，其外侧直径B为20mm，内侧直径A为60mm，以供浆液流动。第一射浆孔4沿管桩轴线方向每间隔500mm设置一组，如图5所示，管壁相邻两组第一射浆孔间E为500mm；单节管桩长度F为10000mm。一组包含两个第一射浆孔4，两个第一射浆孔4对称设于管桩的管身3上，且相邻两组的轴线之间呈90°角偏置，以实现周向覆盖。第一射浆孔4的周围设有加强钢筋7，所述加强钢筋7为带肋钢筋，以提高射浆孔周围强度。带肋钢筋呈螺旋状布置，其螺旋截面内径与第一射浆孔4底部的直径一致，相邻所述带肋钢筋之间的间距为30-50mm。如图6所示，加强钢筋7的螺旋截面直径G为80mm。

锥形头5上沿圆周方向均匀设置3-6个第二射浆孔6，锥形头5采用铸铁材质。压力注浆装置8的注浆接口的中心与管桩轴线一致，且采用QD型快速锁紧接口；压力注浆装置8采用45号钢，如图7所示，注浆接口内径H为60mm，注浆接口外径I为100mm。

本实施例还提供一种处治采空区的方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：加工模具。模具包括内模1和外模，所述内模1采用厚度为2mm、外径为380mm的Q235钢材，其外壁上设有多个中空圆台形的凸起，如图3所示，用于在管桩侧壁上形成圆台形的射浆孔。圆台形凸起的顶面直径为20mm，底面直径为60mm。所述圆台形凸起沿内模1轴线方向每间距500mm设置一组，每组包含两个对称的中空圆台形的突起，位于内模1横截面上的对称位置，相邻两组中空突起的轴线之间呈90°角偏置；外模采用两片组装式半圆柱钢模板，内径为600mm，采用预制管桩，无需现场开孔，施工方便快捷，有效适应不同采空区的地质条件，缩短施工周期。

S2：预埋桩帽。首节管桩一端安装设置底部射浆孔的金属锥形头5，另一端安装钢柱帽2；中间节管桩两端均安装钢柱帽2；末节管桩一端安装钢柱帽2，一端安装螺纹钢柱帽2，以便连接压力注浆装置8。

S3：浇筑管桩。内模1内侧插入实心木模具，木模具外径匹配内模1内径，起支撑内模1作用，内模1外侧安装绑扎钢筋网及钢柱帽2预埋钢筋，在每个中空圆台形的突起周围螺旋布设加强钢筋7；所述加强钢筋7采用直径8mm的带肋钢筋，螺距为30mm，带肋钢筋的螺旋截面直径为80mm，以提高局部强度。完成后拼装两个组装式半圆柱钢模板，浇筑混凝土强度不低于C80，浇筑完成后，脱去外模，内模1作为管桩整体一部分，随管桩一起打入地层。通过在管桩侧壁设置射浆孔，将管桩和水泥注浆相结合，打入桩基的同时实现了对土层的高压注浆强化，有效提高了土层的承载力，增强了管桩的整体稳定性，保证了采空区路基的承载力和整体稳定性。

S4：放线定桩位。根据设计图纸编制管桩测量定位图，并保证轴线控制点不受打桩时振动和挤土的影响。

S5：桩机就位。打桩机就位，钻头对准桩位，将静压桩机调至水平、稳定，在施工中不发生倾斜、移动。

S6：吊桩就位。将吊桩用的钢丝绳及索具拴在设置金属锥形头5的管桩距桩头0.29L位置处，启动吊车吊桩，将预制管桩吊至静压桩机夹具中，使桩尖垂直对准桩位中心，夹紧并放入土中，移动静压桩机调节桩垂直度，符合要求后将静压桩机调至水平并稳定。

S7：压桩。压桩前，在桩侧或桩架上设置标尺，压桩过程中测量桩身的垂直度。启动压桩油缸，将每根管桩一次性连续压到底，严格控制达到压桩力及持荷稳定要求。

S8：接桩。若桩长不够，在下节管桩顶部钢柱帽2距地面0.5-1m时进行接桩，在下节管桩桩头处设置导向箍，上节管桩和下节管桩的钢柱帽2之间采用电焊焊牢，确保满足强度和密封性要求；将管桩压入预设位置后，留出0.5-1m用于连接压力注浆装置8。

S9：连接压力注浆装置8。待管桩打入目标土层后，顶部压力注浆装置8连接末节管桩钢柱帽2，确保密闭后接通注浆接口。

S10：压力注浆。打开注浆泵，从桩端顶部注浆孔向管桩内压入水泥浆，水泥浆从第一射浆孔4和第二射浆孔6处压出，在压浆过程中，逐步增加注浆压力，最终保持在5-7MPa，记录压力变化曲线，同时，通过流量计实时监测注浆流量，当注浆流量小于或等于1L/min后，继续注浆30min后结束注浆；随后关闭注浆泵，维持压力10分钟，待压力基本稳定后释放。

通过根据注浆作用覆盖面和流动性对射浆孔的尺寸和布置形式进行设计，使浆体与土层充分接触，实现对土层的全面增强；处治方式过程可控，且能够高效治理复杂的采空区塌陷问题，对改善软弱路基性能具有重要的工程意义，同时具有良好的工程应用前景。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。