一种自沉式混凝土桩与钢板桩组合围护墙

技术领域

本发明是一种适用于基坑围护工程中的全新围护墙做法-自沉式混凝土桩与钢板桩组合围护墙。

背景技术

城市向地下深度开发是今后城市建设的趋势，而围护工程是地下工程开挖建设顺利进行的关健。围护工程虽属地下建设中的临时辅助措施，但具有高风险、高造价等特点，但现有的基坑围护技术不能较好的适用于大量出现的各种地下工程建设项目，研发新型基坑围护技术对城市建设意义重大。

发明内容

本发明是一种适用于基坑围护工程中的全新围护墙做法-自沉式混凝土桩与钢板桩组合围护墙。这种组合围护墙是采用直接植入预制钢筋混凝土桩作为围护墙抗侧向水土压力的主构件，在预制钢筋混凝土桩间植入钢板桩进行桩间土的支挡，通过高压注浆对组合围护墙的密封止水进行加强，如此形成完整的围护墙。完成基坑工程后利用混凝土桩作为反推支撑，用改进的起拔机回收钢板桩。

本发明的有益效果是：新型组合围护墙适用于常见的各类土层中的基坑围护工程，不仅施工工艺简单、无特殊的施工精度要求、工效高、造价低、而且具有无泥浆污染环境、钢板桩回收重复使用等优点，属于低碳、环保的基坑围护新技术。

附图说明

图1.1为单孔空腹桩剖面图；

图1.2为双孔空腹桩剖面图；

图1.3为三孔空腹桩剖面图；

图2为钢板桩剖面图；

图3.1为单孔空腹桩组合围护墙平面图；

图3.2为双孔空腹桩组合围护墙平面图；

图3.3为三孔空腹桩组合围护墙平面图；

图4为组合围护墙的防水做法详图；

图5为预制钢筋混凝土空腹桩植入后的示意图；

图6为可伸缩钻头详图；

图7为预制钢筋混凝土空腹桩成桩后剖面图；

图8.1为预制钢筋混凝土空腹桩接头立面图；

图8.2为预制钢筋混凝土空腹桩接头平面图；

图8.3为预制钢筋混凝土空腹桩接头立体透视图；

图9为钢板桩边缘钢管中注浆示意图；

图10.1为组合围护墙成墙工艺图(一)——吊装第一节桩；

图10.2为组合围护墙成墙工艺图(二)——下降激振动力头与搅拌动力头准备植桩；

图10.3为组合围护墙成墙工艺图(三)——植入第一节桩；

图10.4为组合围护墙成墙工艺图(四)——吊装第二节桩；

图10.5为组合围护墙成墙工艺图(五)——接桩并下降激振动力头与搅拌动力头；

图10.6为组合围护墙成墙工艺图(六)——抽出内套钻杆；

图10.7为组合围护墙成墙工艺图(七)——下降搅拌动力头；

图10.8为组合围护墙成墙工艺图(八)——植入第二节桩；

图10.9为组合围护墙成墙工艺图(九)——提升激振动力头与搅拌动力头；

图10.10为组合围护墙成墙工艺图(十)——下降搅拌动力头回缩内套钻杆；

图10.11为组合围护墙成墙工艺图(十一)——提升搅拌动力头；

图11.1为组合式围护墙压顶梁平面图；

图11.2为组合式围护墙预制空腹桩处压顶围梁的剖面图；

图11.3为组合式围护墙钢板桩处压顶围梁的剖面图；

图12为钢板桩回收装置示意图；

图中：1-预制混凝土桩，2-钢板桩，3-高压注浆加固体，4-钢板桩端头的钢管，5-防碰撞弹簧，6-双轴旋喷搅拌钻杆，7-可伸缩搅拌钻头，8-激振动力头，9-搅拌动力头，10-振压冲桩抓头，11-加压长行程液压千斤顶，12-定位滑杆，13-升降机，14-步履式底座，15-主立柱，16-上固定头，17-上链杆，18-下链杆，19-下活动头，20-旋喷头，21-高压喷浆口，22-耐磨硬钢刀头，23-搅拌叶片回缩后的钻头范围，24-搅拌叶片伸展后搅拌松土的范围，25-旋喷射浆扩大后松动土的范围，26-端钢埋件，27-端预埋锚筋，28-侧钢埋件，29-侧预埋锚筋，30-包角角钢，31-压顶围梁，32-后半部分凿除后的预制钢筋混凝土桩，33-桩筋，34-受力钢筋，35-加强箍筋，36-加强筋，37-卡盘座，38-钢横梁，39-预留孔，40-钢绞线，41-高压注浆管，42-千斤顶。

具体实施方式

本发明可按以下步骤和方式来实施。

实施步骤一：制作预制钢筋混凝土桩1

预制钢筋混凝土桩1的截面形式为三种，分别是单孔(图1.1)、双孔(图1.2)和三孔(图1.3)，分别适用于承受不同的侧向水土压力的基坑工程。

单孔空腹预制钢筋混凝土桩截面(图1.1)的要点是：高度h＝600～800mm，宽度b＝300～400mm，翼宽b1＝400～500mm，肋壁厚b2＝60～90mm，靠坑外厚度h1＝80～120mm，靠坑内厚度h2＝80～100mm，翼边厚h4＝50mm，空腹高h3＝440～580mm，空腹宽b3＝200～240mm。适用于截面抗侧向力弯矩M＝500～1000kN·m，剪力V＝150～350kN的1～2层地下室基坑(软土土层中)或1～3层地下室基坑(相对好土层)。

双孔空腹预制钢筋混凝土桩截面(图1.2)的要点：高度h＝800～1200mm，宽度b＝350～450mm，翼宽b1＝400～550mm，肋壁厚b2＝80～100mm，靠坑外厚度h1＝100～150mm，靠坑内厚度h2＝100～120mm，翼边厚h4＝50mm，中横肋h5＝50mm，空腹高h3＝300～465mm，空腹宽b3＝290～350mm。适用于截面抗侧向力弯矩M＝1000～2500kN·m，剪力V＝350～650kN的2～4层地下室基坑(软土土层中)或3～5层地下室基坑(相对好土层)。

三孔空腹预制钢筋混凝土桩截面(图1.3)的要点：高度h＝1200～1500mm，宽度b＝400～500mm，翼宽b1＝500～600mm，肋壁厚b2＝80～120mm，靠坑外厚度h1＝150～200mm，靠坑内厚度h2＝120～180mm，翼边厚h4＝50mm，中横肋h5＝60mm，空腹高h3＝300～465mm，空腹宽b3＝290～350mm。适用于截面抗侧向力弯矩M＝2500～3500kN·m，剪力V＝650～900kN的深大地下空间建设开挖围护工程中。

实施步骤二：制作钢板桩2

钢板桩2形式要点是截面呈现折线八字状(图2)，在两端是两个钢管4，钢管4外侧沿长度方向钻有排列一串直径约2mm的注浆用小孔，孔距约100～200mm。钢板桩截面的宽度B1＝500～1000mm，B2＝200～500mm，钢板桩截面的高度H＝300～600mm，为标准化产品。本发明推出二种钢板桩截面，B1×B2×H是600×300×300mm和800×400×400mm。钢板桩两边的钢管内径40～60mm，采用钢板直接卷轧形成，也可用钢管与钢板焊接形成。

实施步骤三：利用改进的植桩机快速植入预制钢筋混凝土桩1

植入预制钢筋混凝土桩的重要步骤是利用下述改进的植桩机快速植桩。将植桩机上配备的双轴旋喷搅拌钻杆6穿过预制钢筋混凝土桩的空腔，通过高压旋喷结合可伸缩搅拌钻头7搅拌松动土层，同时利用预制钢筋混凝土桩的自重和桩顶带液压激振动力头8的振压，将制钢筋混凝土桩1植入到设计深度，激振动力头8上设有防碰撞弹簧5(图5)。

双轴旋喷搅拌钻杆6内套有多层可伸缩杆，一般内套一节可伸缩杆伸出后总长可植二节预制钢筋混凝土桩1，或内套二节可伸缩杆可植三节预制钢筋混凝土桩1。植桩机上配备搅拌动力头9、振压冲桩抓头10、加压长行程液压千斤顶11、激振动力头8和搅拌动力头9的定位滑杆12、搅拌动力头9的升降机13、植桩机的步履式底座14和主立柱15等，且松动土动力钻杆中心距d和搅拌头伸缩尺度可调节，如此适合各种截面大小预制钢筋混凝土桩的植入施工(图5)。

与双轴旋喷搅拌钻杆6配套的可伸缩搅拌钻头7，由上固定头16、上链杆17、下链杆18、下活动头19组成。上固定头16与双轴旋喷搅拌钻杆6是固定连接的，下活动头19沿双轴旋喷搅拌钻杆6可上下滑动但不能转动，上固定头16、上链杆17、下链杆18、下活动头19由铰连接形成活动构架，而上固定头16和上链杆17就是搅拌松动土叶片。当钻杆6连同钻头7向下钻进时，土向上阻力会推动下活动头19沿双轴旋喷搅拌钻杆6向上滑动，使上链杆17和下链杆18形成的搅拌叶片向外扩展，达到扩大搅拌范围之效。当双轴旋喷搅拌钻杆6连同可伸缩搅拌钻头7向上提升时，上链杆17受预制钢筋混凝土桩1空腹边缘向下挤压，上下链杆17、18连同下活动头19向下滑动达到收缩搅拌叶片之效(图6)。双轴旋喷搅拌钻杆6的最底端设有常规高压旋喷头20、上下链杆搅拌松动端也设有高压喷浆口21、下链杆18向下设有切割土耐磨硬钢刀头22(图6)。

旋喷可伸缩搅拌钻头7有下面几个特点：

①钻头搅拌叶片是由可伸缩的构架组成，回缩后的钻头范围23可顺畅穿过预制钢筋混凝土桩1的空腔；

②在钻头顶尖处设高压旋喷头20，起到先行高压旋喷射浆切割松土之效；

③可伸缩的构架搅拌叶片伸展后搅拌松土范围24几乎达到覆盖预制钢筋混凝土桩1的全截面；

④可伸缩的构架搅拌叶片上设有高压喷浆口21，可进一步边旋喷射浆边搅拌扩大松动土至范围25；

⑤可伸缩的构架搅拌叶片焊有切割土耐磨硬钢刀头22，遇高压旋喷射浆松土效果不佳土层，可通过强力切割土搅拌达松土范围，确保植桩到位(图7)。

⑥可伸缩的构架搅拌叶片的抗扭承载力满足搅拌土的抗阻力要求。

喷浆松土振压植桩中的高压旋喷和强力搅拌射浆施工有以下两种方式：

①常规方式，采用普通旋喷方式结合强力搅拌，有关配置的旋喷设备、旋喷射浆的压力、浆液配比参数、上下旋喷搅拌速度、等均采用现行旋喷常规做法。强力搅拌的动力头转速在20～50转/分，扭矩10～50kN·m。

②微扰动方式，采用现行微扰动旋喷搅拌方式，有关配置的旋喷设备、旋喷射浆的压力、浆液配比参数、上下旋喷搅拌速度、消除或减弱旋喷搅拌对土体扰动的措施等均采用现行做法(MJS工法)，强力搅拌的动力头转速和扭矩同上。

植入预制钢筋混凝土桩的方法是首先收缩两根钻杆上的可伸缩搅拌钻头7使双轴旋喷搅拌钻杆6穿过预制钢筋混凝土桩空腔，两根钻杆同步向下旋喷搅拌时，因钻进土阻力作用迫使可伸缩搅拌钻头7扩展，从而增加了旋喷松土达到的24和25的范围，有利将预制混凝土空腹桩在振压作用下植入土中。待植桩到位或需接桩时需用升降机13将搅拌动力头9连同双轴旋喷搅拌钻杆6同步提升，此时提升钻杆钻头的搅拌头7受混凝土桩空腔边挤压收缩，顺利的提升出双轴旋喷搅拌钻杆6和可伸缩搅拌钻头7。安装的两根钻杆的可伸缩搅拌钻头7是上下错开的，如此搅拌头可自由扩展，重叠的搅拌范围有利植桩(图5、图6)。用长行程液压千斤顶11提升激振动力头8，同步的用升降机13提升振压冲桩抓头10。

实施步骤四：预制钢筋混凝土空腹桩1的接桩施工

植入的预制钢筋混凝土桩1因制作、吊装、运输、和植入等原因桩长有限制，一般不超过17m。对深基坑工程，经常一节桩长已不能满足工程需求，需两节桩一个接头甚至三节桩两个接头。

作为抗侧向力的预制钢筋混凝土桩1，其接头应满足抗弯剪的强度要求。预制钢筋混凝土桩1的接头是在预制桩头截面两头预埋焊接有锚筋27的钢埋件26，在桩头截面中部两侧预埋焊有锚筋29的角钢28，利用上下桩预埋件焊接连成整体。具体依据承担抗侧弯剪力的大小，桩头两端钢埋件26和锚筋27的数量规格由设计计算确定，分如下三种做法(图8)：

①桩体接头承担的抗侧弯剪力相对较小时，钢埋件26采用普通槽钢切割成，槽钢规格及锚筋27的根数大小由受力确定。桩头对齐后上下钢埋件26满焊连接；

②桩体接头承担的抗侧弯剪力相对中等时，桩头截面面向基坑带翼缘侧钢埋件26采用钢板制作，截面另一侧钢埋件26仍采用普通槽钢，钢板或槽钢规格及锚筋27的根数规格均由受力确定。上下桩预埋件焊接后在受力大边缘外用角钢30包角焊接加强；

③桩体接头承担的抗侧弯剪力相对较大时，桩头两端的钢埋件26均采用钢板制作，钢板厚度及锚筋数量均由计算确定，并在桩头四边缘采用贴角角钢30焊接。

桩头截面中部两侧预埋焊有锚筋29的角钢28的大小也应依据抗侧弯剪力大小而适当调整。

实施步骤五：组合围护墙的施工

组合围护墙(图3.1、图3.2、图3.3)的施工要点是采用改进的植桩设备将预制钢筋混凝土桩1沿基坑边按设计间距植入土中，间隔将预制钢筋混凝土空腹桩植入几根后，可同时进行相邻两根预制钢筋混凝土桩间钢板桩2的振压植入施工，钢板桩接桩方法按常规焊接完成，接桩处除满足强度要求外还应满焊防水，钢板桩2植入完成后，再在预制钢筋混凝土桩1与钢板桩2接头处进行高压注浆加固体3的施工以加强封闭止水。

预制钢筋混凝土桩1中心间距B与采用的钢板桩2的宽B1相匹配，是由B1加上钢板桩与预制钢筋混凝土桩1预留的空隙δ所确定，空隙δ一般是25～50mm，在预制钢筋混凝土桩和钢板桩间留有空隙δ是因为考虑到现行打桩设备和施工成墙精度的局限性，如此针对各种复杂土层均能在现行施工垂直度误差要求下顺利成墙。

组合围护墙的成墙工艺如下(图10.1～图10.11)：

1)桩机就位后提升激振动力头8和搅拌动力头9连同双轴旋喷搅拌钻杆6到顶，吊装第一节预制钢筋混凝土桩1到位(图10.1)；

2)下降激振动力头8和振压冲桩抓头10抓住桩1的桩头，下降搅拌动力头9连同钻杆6和钻头7穿过桩1空腔露出桩底(图10.2)；

3)下降启动搅拌动力头9开始旋喷注浆搅拌，同步下降激振动力头8压桩1进入土中，直到第一节桩1下沉到位(图10.3)；

4)关闭喷浆，提升搅拌动力头9连同钻杆6到顶，同步回缩千斤顶提升激振动力头8。吊装第二节桩(图10.4)；

5)下降激振动力头8和振压冲桩抓头10抓住第二节桩头，焊接完成接桩到位，下降搅拌动力头9连同钻杆6和钻头7穿进第二节桩空腔(图10.5)；

6)打开钻杆6锁口，提升搅拌动力头9到顶抽出内套钻杆，关闭钻杆6锁口(图10.6)；

7)下降搅拌动力头9连同加长的钻杆6和钻头7穿过下面第一节预制桩底(图10.7)；

8)下降启动搅拌动力头9开始旋喷注浆搅拌，同步下降激振动力头8压第二节桩1进入土中到位(图10.8)；

9)关闭旋喷注浆，提升搅拌动力头9连同加长的钻杆6到顶，同步回缩千斤顶提升激振动力头8(图10.9)；

10)打开钻杆锁口，下降搅拌动力头9，回缩钻杆6，关闭钻杆锁口(图10.10)；

11)提升搅拌动力头9连同钻杆6到顶，完成第一根桩施工(图10.11)。

实施步骤六：组合围护墙的防水施工

组合围护墙的防水做法(图4)要点是防水分两道工序：

1)利用水泥搅拌旋喷成水泥土后植入预制钢筋混凝土桩，在水泥土未凝结前植入钢板桩，植入钢板桩后与预制钢筋混凝土桩间预留的空隙应充满水泥土，这对空隙起到封堵之效；

2)为强化留有空隙的封堵，尤其对地下水位高的透水土层，可在钢板桩边缘的钢管4内利用空隙定向高压注浆加固方法对预制钢筋混凝土桩与钢板桩接头处进行定向高压注浆，结合混凝土桩外挑翼缘的遮挡，达到对接头局部区域水泥土的高效加固。空隙定向高压注浆加固方法的要点是在钢板桩边缘钢管4中沿深度对缝隙一侧间隔钻有注浆小孔，钢管4内设有阻止浆液上升的活塞，在提升注浆过程中迫使浆液仅可从活塞下的注浆孔喷浆，结合混凝土桩挑出翼缘的阻挡，形成针对空隙的定向注浆加固体(图9)。空隙定向高压注浆加固方法的具体实施如下：先用普通的水管伸入钢板桩边钢管中进行高压水冲洗到底，拔出水管后插入带活塞32的特殊高压注浆管41到底，然后边提升边停下注浆5～15秒，每次提升应使活塞下注浆孔增加1～2个，如此边提升边停下注浆可确保缝隙加固质量。高压注浆加固的浆液的水泥掺合比、水灰比、注浆流量、注浆压力、等施工参数和注浆设备均采用常规做法(图9)。

实施步骤七：组合围护墙压顶梁31的施工

首先要对每根预制钢筋混凝土桩1的桩头进行凿桩处理，应将桩头的翼缘外挑部分和桩后半部分凿除，成台阶状32，桩头后半部分凿出的桩筋33弯曲锚入现浇的压顶梁31内。压顶梁31在每根钢板桩2处预留梯形形状空洞，为钢板桩2留出位置，为以后起拔回收钢板桩2提供便利。压顶梁31内配置统长受力钢筋34，数量大小由设计确定。每根预制钢筋混凝土桩1的两侧密设加强箍筋35，预留梯形状空洞边设加强筋36。每根预制混凝土台阶桩头前部分伸出压顶梁31面200mm，后半部分嵌入压顶梁31内50mm(图11.1、图11.2、图11.3)。基坑工程围檩梁的做法按常规。

实施步骤八：钢板桩2的回收

基坑工程完成后，组合式围护墙的钢板桩2可用下述简便的回收方法。长升降扬程(扬程可3m以上)千斤顶42的油缸顶部设有卡盘座37，千斤顶42的长油缸插入预制混凝土桩1的空腹中，并在千斤顶42的顶升轴顶安放钢横梁38，利用钢板桩2上预留孔39通过钢绞绳上拔钢板桩2。每次上拔量由千斤顶的扬程决定，预留孔39沿钢板桩2深度的位置根据千斤顶的扬程分布，如此一级级将钢板桩2拔出回收(图12)。