一种串珠状溶洞动水环境中的截水围堰装置及混凝土墩柱施工方法

技术领域

本发明属于地基与基础工程技术领域，具体为一种串珠状溶洞动水环境中的截水围堰装置及混凝土墩柱施工方法。

背景技术

溶洞是可溶性石灰岩中因喀斯特作用所形成的天然地下空间，溶洞发育规律性差，有些呈串珠状发育，溶洞规模差异巨大，在许多情况下，溶洞中充满流动的水，水泥类充填材料容易被水流冲走。中国是一个岩溶分布广泛的国家，中国的岩溶面积约占世界亚热带岩溶总面积的1/4。岩溶强烈发育地区，不适宜进行工程建设，但工程建设往往难以避开岩溶强烈发育场地，需要对其进行充填处理，以保证建筑物基础下溶洞顶板的稳定，避免溶洞坍塌，且保证处理后的溶洞顶板具有足够的承载力。目前常用的处理方式是在溶洞探测的基础上，钻孔将洞内填充灌满砂石和黏土、灌注水泥浆或混凝土，但在动水环境下，灌注的水泥浆、混凝土甚至是水泥和水玻璃配比的双液浆在未凝固前就被水流冲走了，对于充填的砂石和黏土等松散材料的细颗粒则更容易被水流冲走，材料消耗损失大，甚至达不到充填和固结效果。充填完成后，需要再重新钻机成孔，施工混凝土灌注桩，由于水流的冲刷，充填体的水泥浆等胶凝材料被冲走，充填体中留下的粗颗粒物呈松散状，钻孔易坍塌，桩的充盈系数大，灌注桩的混凝土材料消耗量大，成本不可控，施工工序多，工期较长。

发明内容

为解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种串珠状溶洞动水环境中的截水围堰装置及混凝土墩柱施工方法，通过该截水围堰装置可以实现动水环境中填充的灌浆材料在凝固前有一个局部范围内的静水环境，填充的灌浆材料在静水环境中完成初凝，进而不会被水流冲走；且通过该施工方法在设计布置的位置上形成独立的支承墩柱或一圈相互搭接支承墩柱形成的封闭围堰，而不需要将整个巨大的溶洞灌注充满填充材料。

本发明的第一个目的是提供一种串珠状溶洞动水环境中的截水围堰装置，包括由内到外依次同轴设置的混凝土输送钢管、环形水泥注浆管、环形水玻璃注浆管和挡水帘，其中：

挡水帘为由柔性材料制成的锥形筒结构，挡水帘的小口端固定套装在环形水玻璃注浆管的下端部，挡水帘的大口端向下延伸；

挡水帘内设置有伞形骨架，伞形骨架受压向外打开以撑开挡水帘或受拉向内收缩以回收挡水帘。

进一步的，伞形骨架包括沿挡水帘的内圆锥面周向间隔分布的多个上弦支撑杆、与每个上弦支撑杆中部铰接连接的下弦支撑杆，所有下弦支撑杆的下端铰接连接。

进一步的，上弦支撑杆和下弦支撑杆通过第一铰接点铰接，第一铰接点上还铰接有水平支撑杆，伞形骨架的中心还设有与水平支撑杆位于同一水平面的水平套筒，水平支撑杆的自由端滑动设置在水平套筒内；水平支撑杆上套装有弹簧，弹簧的一端固定在第一铰接点处，另一端固定在水平套筒内。

进一步的，上弦支撑杆包括第一支撑杆和第二支撑杆，第一支撑杆向挡水帘的小口端延伸，第二支撑杆向挡水帘的大口端延伸，第一支撑杆和第二支撑杆在第一铰接点处铰接。

进一步的，挡水帘的材料为橡胶皮或防水帆布。

本发明的第二个目的是提供一种混凝土墩柱施工方法，施工方法基于上述的截水围堰装置实现，包括以下步骤：

S1、测量放线，桩孔中心定位：将专用跟管钻机移到桩位，安装钢护筒，吊装钻杆并连接钻头。

S2、桩孔钻进：正转钻机动力头进行钻进，渣土通过钻杆的螺旋叶片带出孔口，同时清理孔口渣土，钢护筒在动力头和开口夹钳的夹持导向下随钻杆同步下沉，直至钻穿溶洞的顶板；

S3、截水围堰施工：反转钻头，提升钻杆，下放并接长混凝土输送钢管，同时将环形水泥注浆管、环形水玻璃注浆管及挡水帘收紧后固定在混凝土输送钢管上同步下放至溶洞底部，并将混凝土泵送车的橡胶管与混凝土输送钢管连接，环形水泥注浆管和环形水玻璃注浆管分别与其注浆泵连接；

S4、向混凝土输送钢管、环形水泥注浆管和环形水玻璃注浆管分别注入清水，在水压的作用下清洗管路，并对溶洞内的填充物进行清洗。

S5、伞形骨架接触溶洞底部后，向下对伞形骨架施压使挡水帘在溶洞中完全张开，启动混凝土泵，经混凝土输送钢管向溶洞内泵入混凝土，同时启动水泥浆注浆泵和水玻璃注浆泵向溶洞内泵入水泥浆和水玻璃，溶洞底泵出的混凝土向四周流动扩散，并与环形水泥注浆管喷出的水泥浆和环形水玻璃注浆管喷出的水玻璃在挡水帘边缘混合，向外流动一定距离后凝固，形成外壳先凝固、内芯后凝固的锥台形混凝土墩柱。

S6：向溶洞内连续泵送混凝土、水泥浆及水玻璃，同时提升混凝土输送钢管、环形水泥注浆管和环形水玻璃注浆管，当灌注混凝土达到溶洞顶板500mm～1000mm高度时，停止泵送混凝土，此时在溶洞内形成连续浇筑的锥台形混凝土墩柱。

S7、将混凝土输送钢管、环形水泥浆注浆管、环形水玻璃注浆管和挡水帘完全提升至地面，用清水冲洗干净。

S8、重复步骤S1-S7在溶洞内形成多个锥台形混凝土墩柱。

进一步的，当有上下两层溶洞时，在第一层溶洞中的混凝土墩柱初凝后，将钻头对准桩孔中心继续向下钻进，直至打穿第二层溶洞的顶板，重复步骤S1-S7，在第二层溶洞内形成多个锥台形混凝土墩柱的浇筑。

进一步的，锥台形混凝土墩柱呈双层结构，内芯为混凝土结构，外壳为混凝土及水泥浆、水玻璃的混合体结构。

优选的，当施工直径2.0m以上的大直径灌注桩时，在步骤S8中形成的多个锥台形混凝土墩柱环形布置，且相互搭接咬合形成中空封闭的截水围堰。

进一步的，在步骤S2中，开口夹钳包括两个铰接连接的弧形活动夹钳片、固定在弧形活动夹钳片内侧的硬橡胶夹片、以及驱动两个弧形活动夹钳片夹紧或松开钢护筒的伸缩油缸。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的串珠状溶洞动水环境中的截水围堰装置及混凝土墩柱施工方法，利用挡水帘局部封水，水泥浆和水玻璃双液注浆与混凝土在挡水帘周边混合形成快速凝固的混凝土锥台形保护外壳，保护从混凝土输送钢管中泵出的混凝土在压力作用下向四周扩散时不被水流冲走，而且不必将整个溶洞灌浆充填满，可以大幅度减少溶洞处理的材料消耗量；如果单个混凝土支承墩柱的直径比桩径大20％以上，在单个混凝土墩柱的中心施工灌注桩。对于大直径灌注桩，通过施工环形布置的多个相互咬合的锥台形混凝土墩柱，可以为直径2.0m以上的大直径灌注桩施工提供截水围堰。本发明可减少材料消耗，降低工程造价；同时，本发明施工设备机械化程度高，相比传统技术和已公开专利技术的溶洞处理方法，降低造价30％以上，缩短工期20％～30％。

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为本发明截水围堰装置的挡水帘收紧结构示意图。

图2为本发明截水围堰装置的挡水帘张开结构示意图。

图3为本发明步骤S2中带螺旋叶片的钻杆钻进的工况示意图；

图4为本发明步骤S2中带螺旋叶片的钻头打穿溶洞顶板的工况示意图；

图5为本发明步骤S3、S5中向上提升钻杆，下放安装混凝土输送钢管、环形水泥注浆管和环形水玻璃注浆管，并开始向溶洞底灌注混凝土的工况示意图；

图6为本发明步骤S6中混凝土已从溶洞底灌注至溶洞顶板面以上，且混凝土输送钢管、环形水泥注浆管和环形水玻璃注浆管提升至溶洞顶部以上形成双层结构混凝土墩柱的工况示意图；

图7为图6的溶洞中形成的多个双层结构混凝土墩柱剖面图；

图8为图6的溶洞中形成的多个双层结构混凝土墩柱平面图；

图9为本发明中将钻头对准孔中心继续向下钻进，打穿第二层溶洞顶板的工况示意图；

图10为本发明中重复以上S1～S7步骤，完成第二层溶洞混凝土墩柱截水围堰的浇筑。

图11为本发明步骤S5中，形成的快速凝固体包裹的锥台形混凝土墩柱平面示意图。

图12为在施工直径2.0m以上的大直径灌注桩时，快速凝固体包裹的锥台形混凝土墩柱相互咬合形成封闭的截水围堰平面示意图。

图13为本发明步骤S1中带螺旋叶片的钻杆。

图14为本发明步骤S2中开口夹钳示意图。

图15为本发明步骤S2中开口夹钳的伸缩油缸控制原理示意图。

图16为本发明步骤S3中钢箍结构示意图。

其中：1-钻机，2-钻杆，3-钢护筒，4-扩孔钻头，5-混凝土泵送车，6-橡胶管，7-钢箍，71-销轴，72-橡胶密封圈，73-螺栓，74-螺母，11-动力头，12-开口夹钳，121-弧形活动夹钳片，122-硬橡胶夹片，123-销轴，124-油缸，125-活塞杆，126-铰支座，127-夹片螺栓，128-夹片螺母，129-液压油，22-混凝土输送钢管，23-环形水泥注浆管，231-水泥注浆孔，232-水泥浆，24-环形水玻璃注浆管，241-水玻璃注浆孔，242-水玻璃，25-挡水帘，251-橡胶皮或防水帆布，252-上弦支撑杆、253-水平套筒、254-水平支撑杆、255-弹簧、256-下弦支撑杆，26-混凝土，261-快速凝固的混凝壳体，30-溶洞，50-混凝土墩柱，100-动水。

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16以及具体实施例详细论述本发明。

如图1-2所示，本发明提供一种串珠状溶洞动水环境中的截水围堰装置，包括由内到外依次同轴设置的混凝土输送钢管22、环形水泥注浆管23、环形水玻璃注浆管24和挡水帘25，混凝土输送钢管22的直径最小，其次是环形水泥注浆管23和环形水玻璃注浆管24，且环形水泥注浆管23固定套装在混凝土输送钢管22的外表面上，环形水玻璃注浆管24固定套装在环形水泥注浆管23的外表面上，而挡水帘25为由柔性材料制成的锥形筒结构，包括小口端和大口端，挡水帘25的小口端固定套装在环形水玻璃注浆管24的下端部，挡水帘25的大口端向下延伸，使用时通过提升或下放混凝土输送钢管22带动环形水泥注浆管23、环形水玻璃注浆管24和挡水帘25向上移动或向下移动；挡水帘25内设置有伞形骨架，施工时，混凝土输送钢管22向下移动对伞形骨架施加一定压力，由于伞形骨架的底端接触岩石，挡水帘25在压力的作用下向外打开，挡水帘25的作用是将溶洞30中的动水100挡在外面，内部形成局部的静水环境；当灌浆完成后，提升混凝土输送钢管22，伞状骨架在提升力的作用下向内收缩，进而使挡水帘25也向内收缩。

具体的，伞形骨架包括沿挡水帘25的内圆锥面周向间隔分布的多个上弦支撑杆252、与每个上弦支撑杆252中部铰接连接的下弦支撑杆256，上弦支撑杆252由挡水帘25的小口端向大口端延伸，所有下弦支撑杆256的下端铰接连接。本实施例中通过铰接连接的方式实现伞形骨架的张开与收缩，结构简单，实用性较强。

具体的，上弦支撑杆252和下弦支撑杆256通过第一铰接点铰接，第一铰接点上还铰接有水平支撑杆254，也即每个第一铰接点上均铰接有一个水平支撑杆254，伞形骨架的中心还设有与水平支撑杆254位于同一水平面的水平套筒253，可想而知，水平套筒253也有多个，且多个水平套筒253在中心处固定连接，多个水平套筒253组成圆形固定区域，水平套筒253与水平支撑杆254一一对应设置，水平支撑杆254的自由端滑动设置在相对设置的水平套筒253内；水平支撑杆254上还套装有弹簧255，弹簧255的一端固定在第一铰接点处，另一端固定在相对设置的水平套筒253内。挡水帘25收缩状态下，水平支撑杆254在弹簧255的弹力作用下部分位于水平套筒253内；在混凝土输送钢管22的下压作用下，伞形骨架撑开，水平支撑杆254向水平套筒253外滑动，使弹簧255处于拉伸状态，待下压作用力消失，向上提升挡水帘25，伞形骨架在提升力和弹簧力的作用下向内收缩，进而实现将挡水帘25提升至地面。

具体的，上弦支撑杆252包括第一支撑杆和第二支撑杆，第一支撑杆向挡水帘25的小口端延伸，第二支撑杆向挡水帘25的大口端延伸，第一支撑杆和第二支撑杆在第一铰接点处铰接。定义下弦支撑杆256的铰接点为第二铰接点，在挡水帘25收缩状态下，第二铰接点的位置低于第二支撑杆的最底端；在挡水帘25被撑开的状态下第二铰接点与第二支撑杆的最下端位于同一水平面，进而实现挡水帘25内部范围内的静水环境，动水100被阻挡在挡水帘25的外部。

具体的，挡水帘25的材料为橡胶皮或防水帆布251，无内部支撑的状态下处于下垂状态，只有在内部伞形骨架的支撑下才能张开实现挡水效果。

本发明的截水围堰装置通过挡水帘的设置可以实现动水环境中填充的灌浆材料在凝固前有一个局部范围内的静水环境，填充的灌浆材料在静水环境中完成初凝，进而不会被水流冲走，而不需要将整个巨大的溶洞灌注充满填充材料。

如图1-16所示，本发明还提供一种混凝土墩柱施工方法，施工方法基于上述的截水围堰装置实现，包括以下步骤：

S1、测量放线，桩孔中心定位：将专用钻机1移到桩位，安装钢护筒3，吊装钻杆2并连接扩孔钻头3，钻杆2为带螺旋叶片的钻杆，渣土通过钻杆2的螺旋叶片的旋转自动带出地面，如图3所示。

S2、桩孔钻进：正转钻机的动力头11进行钻进，扩孔钻头4在动力头11的压力作用下向下钻进，渣土通过钻杆2的螺旋叶片带出孔口，同时用钩机不断清理孔口渣土，钢护筒3在动力头11压力下和开口夹钳12的夹持导向下随钻杆2同步下沉，直至钻穿溶洞30的顶板；开口夹钳12通过伸缩油缸的活塞杆125夹紧或松开钢护筒3，钻进过程中开口夹钳12与钢护筒3之间保持1mm左右间隙，以保证钢护筒3与钻杆2的同步下沉，同时开口夹钳12对钻杆2起导向作用，控制钻孔的垂直度，在扩孔钻头4钻穿溶洞顶板时开口夹钳12夹紧钢护筒3，不会导致钢护筒3突然坠入溶洞内，如图4所示；

S3、截水围堰施工：反转扩孔钻头4，提升钻杆2，下放并接长混凝土输送钢管22，同时将环形水泥注浆管23、环形水玻璃注浆管24及挡水帘25收紧后固定在混凝土输送钢管22上同步下放至溶洞30底部，并将混凝土泵送车5的橡胶管6与混凝土输送钢管22用钢箍7连接，环形水泥注浆管23和环形水玻璃注浆管24分别与其注浆泵连接，环形水泥注浆管23的下端开设有水泥注浆孔231，环形水玻璃注浆管24上开设有水玻璃注浆孔241；钢箍7由两个半圆形钢箍通过销轴71铰接而成，两个半圆形钢箍的开口端通过螺栓73和螺母固定连接，使钢箍7成闭合的圆环状，钢箍7内套有橡胶密封圈72，使用时，混凝土输送钢管22的一端插入橡胶管6内，同时用钢箍7将其紧密连接，如图16所示。

S4、向混凝土输送钢管22、环形水泥注浆管23和环形水玻璃注浆管24分别注入清水，在水压的作用下清洗管路，并对溶洞30内的填充物进行清洗。

S5、伞形骨架接触溶洞底部后，向下对伞形骨架施压使挡水帘25在溶洞中完全张开，向混凝土泵送车5灌注混凝土26，启动混凝土泵，经混凝土输送钢管22向溶洞30内泵入混凝土，同时启动水泥浆注浆泵和水玻璃注浆泵向溶洞30内泵入水泥浆232和水玻璃242，溶洞30底泵出的混凝土向四周流动扩散，并与环形水泥注浆管23喷出的水泥浆232和环形水玻璃注浆管24喷出的水玻璃242在挡水帘25边缘混合，向外流动一定距离后凝固，形成快速凝固的混凝壳体261，而内芯后凝固的锥台形混凝土墩柱50，防止水流冲走混凝土，水泥浆和水玻璃的注浆压力为0.3MPa～3.0Mpa，如图7、图8、图11、图12所示；

S6：向溶洞30内连续泵送混凝土26、水泥浆232及水玻璃242，同时提升混凝土输送钢管22、环形水泥注浆管23和环形水玻璃注浆管24，当灌注混凝土达到溶洞顶板500mm～1000mm高度时，停止泵送混凝土，此时在溶洞内形成连续浇筑的锥台形混凝土墩柱50，如图6所示；

S7、将混凝土输送钢管22、环形水泥浆注浆管23、环形水玻璃注浆管24和挡水帘25完全提升至地面，用清水冲洗干净。

S8、重复步骤S1-S7在溶洞内形成多个锥台形混凝土墩柱50。

在其他实施例中，当岩土中有上下两层溶洞时，在第一层溶洞中的混凝土墩柱初凝后，将钻头对准桩孔中心继续向下钻进，直至打穿第二层溶洞的顶板，重复步骤S1-S7，在第二层溶洞内形成多个锥台形混凝土墩柱的浇筑。图9、图10所示，在溶洞内形成多个各自独立的锥台形混凝土墩柱，维持溶洞顶板的稳定，支承建筑物地下室基础；

具体的，如图7、图8所示，锥台形混凝土墩柱呈双层结构，内芯为混凝土结构，外壳为混凝土及水泥浆、水玻璃的混合体结构。

优选的，当施工直径2.0m以上的大直径灌注桩时，在步骤S8中形成的多个锥台形混凝土墩柱环形布置，且相互搭接咬合形成中空封闭的截水围堰，如图12所示。

具体的，在步骤S2中，如图14-15所示，开口夹钳12包括两个铰接连接的弧形活动夹钳片121、固定在弧形活动夹钳片121内侧的硬橡胶夹片122、以及驱动两个弧形活动夹钳片121夹紧或松开钢护筒3的伸缩油缸，伸缩油缸通过铰支座126与弧形活动夹钳片121铰接，硬橡胶夹片122通过夹片螺栓127和夹片螺母128与弧形活动夹钳片121固定连接，两个弧形活动夹钳片121通过销轴123铰接连接，弧形活动夹钳片121包括夹持端和施力端，伸缩油缸设置在施力端，伸缩油缸包括油缸124和活塞杆125，通过给油缸124的下端缸体注入液压油129加压，同时上端缸体回油泄压使活塞杆125伸长控制开口夹钳12松开钢护筒3或保持较小的间隙；泵送液压油给油缸124的上端缸体注液压油加压，同时下端缸体回油泄压，活塞杆125收缩使开口夹钳12抱紧钢护筒3，为钻机成孔导向。

本实施例利用挡水帘局部封水，水泥浆和水玻璃双液注浆与混凝土在挡水帘周边混合形成快速凝固的混凝土锥台形保护外壳，保护从混凝土输送钢管中泵出的混凝土在压力作用下向四周扩散时不被水流冲走，而且不必将整个溶洞灌浆充填满，可以大幅度减少溶洞处理的材料消耗量。对于大直径灌注桩，通过施工环形布置的多个相互咬合的锥台形混凝土墩柱，可以为直径2.0m以上的大直径灌注桩施工提供截水围堰。相比传统技术和已公开专利技术的溶洞处理方法，降低造价30％以上，缩短工期20％～30％。

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。