既有建筑低净空下旋喷静压复合桩施工方法及应用装置与流程

1.本发明属于建筑施工技术领域，特别涉及既有建筑低净空下旋喷静压复合桩施工方法及应用装置。


背景技术：

2.我国既有建筑体量已经达到400亿平方米（2018年），其中由于各种原因需要加固改造的既有建筑，数量庞大，既有建筑加固改造市场体量巨大。在既有建筑下进行地下空间开发，是对既有建筑建筑面积扩增或下部土体加固，对既有建筑功能进行提升的重要方式，采用各种地下空间开发形式对既有建筑实现地下扩容市场需求及市场容量巨大。
3.既有建筑地下空间拓展与加固改造，需要解决好既有建筑结构的荷载传递或转换、加固改造过程中既有建筑的变形控制、新老结构连接等一系列问题，确保结构具有很好的安全性能、使用性能和耐久性能。且对于不良地质或含有地下水的地层在地下室这个狭小空间内如何对应的便捷施工也缺乏相应设计。


技术实现要素：

4.本发明提供了既有建筑低净空下旋喷静压复合桩施工方法及应用装置，用以解决既有建筑加固改造或地下增层中的桩基的设计施工问题。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：既有建筑低净空下旋喷静压复合桩施工方法，既有建筑包含原基础、位于原基础上方的楼板或地下室顶板，拟建建筑开挖层和/或加固土体位于原基础以下；具体步骤如下：步骤一、结合原地勘报告、补充勘察报告，对既有建筑内拟建场地或加固土体在勘察深度范围内的土层按其成因分为大层及亚层，明确桩身设计范围各土层主要物理力学指标、桩侧摩阻力及桩端阻力，由此明确复合桩的设计长度；补充勘察期间进一步探明地下水位和地下水类型；步骤二、对拟建场地进行三通一平，并对应施工作业面开槽，在原基础上设计复合桩位置并测量放线，采用静力开孔；复合桩桩端伸入的持力层对应复合桩所需嵌入长度，或为复合桩伸入设计加固土体底部深度；步骤三、正式施工前，为了调试设备、获取现场施工参数，开展试桩试验；复合桩的桩孔采用旋压一体机中旋喷组件进行引孔，旋喷桩根据工程需要和土质条件选用高压旋喷形成旋喷孔，通过喷射水泥浆、气和水形成旋喷桩旋喷桩，而后再通过旋压一体机进行芯桩的静压；其中，旋喷桩和芯桩的施工可分为独立的两步施工或分段交替进行，旋压一体机的高度小于原基础顶部至楼板或至地下室顶板的高度，旋压一体机包含门式架和门式架上可拆卸连接有旋喷子组件和静压子组件；步骤四、芯桩就位必须保持垂直，芯桩与旋喷桩同心同轴；保持同一垂直线上，不得偏压，压桩时套上钢桩帽再进行压桩；同时，最后一节芯桩采用送桩器控制桩顶标高；
步骤五、待复合桩安装完毕后进行封桩，而后对原基础下部的土体进行开挖，直至挖至拟建的基础底面；或逐步对下部土体从中间向四周进行复合桩的施工直至加固土体符合设计要求。
6.进一步的，对于步骤三中，旋压一体机通过底连锚杆与原有基础连接，锚杆数量、直径及锚固长度按计算确定，采用成孔埋设；锚杆在施工前进行3根抗拔试验，单根极限抗拔力满足设计要求，一般大于80kn；锚杆孔严格定位，成孔应垂直，确保锚固力，采用水钻方法成孔，注入植筋胶，再安放钢筋，待植筋胶强度达到设计要求后，将旋压一体机的门式架固定在锚栓上并锁紧螺母。
7.进一步的，安装旋压一体机时，根据测放的桩位进行桩机对位，其中旋喷子组件中钻杆垂直度靠钻机自身配备的双线锤和钻机上的水平尺进行双控，必要时用经纬仪双向90
°
进行校正，垂直度偏差不大于1%。进一步的，钻机就位后，开动动力头旋动钻杆，通过钻头水平或钻头底部方向的喷射高压水或者不喷射高压水，钻进至设计桩底标高。
8.进一步的，钻进设计桩底标高后，动力头旋动钻杆，启动高压注浆泵、向钻杆底部的钻头提供高压空气及浆液，通过钻头水平或钻头底部方向的高压喷射流一边切割土体一边提升，同时喷射浆液；控制高压注浆泵压力，喷至旋喷设计桩顶标高。
9.进一步的，对于步骤四中，复合桩顶部嵌入原基础内，其中，旋喷桩有效桩径为400
‑
1000mm或按计算确定，浆液采用水泥净浆，水泥用量满足设计要求，不小于140kg/m，水灰比为0.6~1.2；旋喷桩设计参数，喷水压力≥20mpa；喷浆压力≥10mpa；气流压力≥0.7mpa；提升速度≤300mm/min；芯桩31按每节长度根据净高确定并分段压入，芯桩接头采用对接焊加管片焊。
10.进一步的，对于步骤四中，芯桩顶标高不得低于设计桩顶标高，芯桩内水泥浆液应灌注至设计桩顶标高以上不少于200mm；待水泥浆硬化后，进行截桩头施工，将芯桩桩头截至设计桩顶标高；芯桩内部还设置有钢筋笼或竖向加强件，钢筋笼和竖向加强件顶部锚入加固承台，或分别与加固承台内筋连接。
11.进一步的，既有建筑低净空下旋喷静压复合桩施工方法的应用装置，包含原基础开孔用开槽机和复合桩用旋压一体机；所述旋压一体机包含门式组件、连接于门式组件与底部基础之间的底连组件、连接于门式组件两侧的伸缩组件、连接于门式组件中上部的动力组件、与动力组件连接且位于门式组件横向内中部的旋压安装连部以及连接门式组件中下部的定位组件；所述旋压安装组件包含连接于门式组件横部下方的旋压安装顶部、连接于顶部正下方的旋压安装连部、连接于旋压安装连部旋喷子组件或静压子组件；所述旋喷子组件包含钻杆、钻头和注浆管；静压子组件包含压连杆和压件；所述定位组件包含可拆卸连接门式组件两侧的定位横板、连接于定位横板和门式组件之间的定位连板、水平垂直连接于两定位横板中部的之间的定位连杆、连接于定位连杆外端部的定位筒；所述定位筒对应旋喷子组件中钻杆或静压子组件中压连杆设置。
12.进一步的，所述底连组件包含底连板和连接于底连板和设置在原基础中的底连锚杆，所述底连锚杆竖向间隔布置和/或斜向布置；所述底连组件分别连接于门式组件底部；所述门式组件包含两竖向平行的门立柱和连接于两门立柱顶部的门横梁，所述门立柱竖向上设置有门立柱滑槽，所门立柱滑槽对应伸缩组件设置且高度对应伸缩组件高度上伸缩
量。
13.进一步的，所述伸缩组件包含分别连接在底连板上的伸缩底座、每个伸缩底座上安装有立式千斤顶、两千斤顶顶部连接有水平伸缩横梁，所述伸缩横梁穿过门立柱滑槽；所述动力组件包含电动机、电动齿轮、连接于电动齿轮和电动机之间的传输带、以及连接电动机和伸缩横梁之间的电机安装基座；所述电动齿轮对应连接于旋压安装顶部和伸缩横梁之间的旋喷子组件或静压子组件对应的杆件上。
14.所述芯桩是钢管桩，或是管桩、方桩等预制混凝土桩，或者h形、工字形等型钢桩；芯桩其直径为108
‑
400mm，钢材强度不低于q235；所述原基础和原柱是钢筋混凝土结构，或原基础是混凝土基础、砖基础、毛石混凝土基础、灰土基础等无筋扩展基础、扩展基础、柱下条形基础、筏形基础或箱形基础。
15.本发明的有益效果体现在：1）本发明通过复合桩为旋喷桩内加设芯桩的结构形式，一方面利于对既有建筑下不同地质条件下增层进行桩基设计，另一方面通过复合桩设计为增层下部桩基的设置可进一步利用复合桩，做到一桩两用，节省施工工序和成本；2）本发明通过旋压一体机的应用，利于在狭小的空间内进行施工，且在不移位的情景下对旋喷桩和芯桩进行综合施工，既可适应复杂的现场施工条件，又便于减少施工工序和节省施工成本；3）本发明施工方法和应用装置，易于实施和便于在既有建筑这个特殊工况下进行地下增层和加固，可极大的适应地下土层状况和不同的基础工况；本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解；本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
16.图1复合桩施工主要施工流程图；图2是旋压一体机和复合桩施工示意图；图3是旋压一体机和复合桩施工局部示意图；图4是带旋喷子组件旋压一体机立体示意图一；图5是带旋喷子组件旋压一体机立体示意图二；图6是带旋喷子组件旋压一体机正面示意图；图7是旋压一体机侧面示意图；图8是旋压一体机侧向剖面示意图；图9是带静压子组件的旋压一体机侧向剖面示意图；图10是拆除加固基础和部分复合桩施工示意图；图11是施工复合桩施工布置分布俯视图。
17.附图标记：1
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土体、2
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旋喷孔、3
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复合桩、31
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芯桩、32
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旋喷桩、4
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原基础、5
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原垫层、6
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旋压一体机、61
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底连组件、611
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底连板、612
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底连锚杆、62
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门式组件、621
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门立柱、622
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门横梁、623
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门立柱滑槽、63
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伸缩组件、631
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伸缩底座、632
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千斤顶、633
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伸缩横梁、64
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动力组件、641
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电动机、642
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电动齿轮、643
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传输带、644
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电机安装基座、65
‑
旋压安装组
件、651
‑
旋压安装顶部、652
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旋压安装连部、653
‑
旋喷子组件、654
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静压子组件、66
‑
定位组件、661
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定位横板、662
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定位连板、663
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定位筒、664
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定位连杆、7
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加固承台、8
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原柱、9
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新基础、10
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新柱、11
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垫层、12
‑
新柱预留筋、13
‑
护坡桩。
具体实施方式
18.以拟建某中庭项目为例，拟建中庭项目位于北京市区某回字型建筑，周边a、b、c、d、e、f座商业楼均有1
‑
3层地下室，中庭部分原无地下室。拟于中庭位置新增1层下沉广场，拓展地下空间，与周边建筑功能联通。拟建项目为商业，地下1层，框架结构，筏板基础，平面尺寸长为148m，宽为36m，基础埋深为6.0m。北侧长边方向紧临a座商业楼，新增中庭下沉广场与地下室部分连通，a座商业楼基础埋深为6.0m，中间部分通向内庭的门头，基础埋深为2m，需要托换加固设计、施工。
19.如图11所示，本次拟托换的范围为门头四个独立柱基础，原基础4埋深约2m，净空约3.5m，单柱最大荷载约170t，且在一侧设置有护坡桩13。该工程加固工期紧迫，且对噪音、环境污染的控制要求高，不能影响地上部分的正常营业，另外由于施工场地平面空间、施工净高的限制，地质条件复杂需要作出针对性设计。
20.本工程在设计和施工时，需同时兼顾以下几点：一是既有基础板尺寸不大，应尽可能不损伤原来的主筋，所以要求在基础板上开孔直径尽可能小，但成桩后的直径又需要尽可能大，以得到较高单桩承载力；二是基础下方有杂填土以及原来a
‑
f座既有基坑未知的土钉或锚杆等水平向支护结构，桩位基本没有调整的空间，需要钻机对地层适应能力强，确定能一次性成桩；三是场地空间有限，还要求设备尽可能小巧，满足低净空和有限空间作业的要求；综合考虑以上要求采用旋喷静压桩进行托换，用以增层和后续加固。
21.应用既有建筑低净空下旋喷静压复合桩施工方法，既有建筑包含原基础4、位于原基础4下方的原垫层5、位于原基础4上方的楼板或地下室顶板，拟建建筑开挖层和/或加固土体位于原基础4以下。图1中的复合桩3施工主要施工流程图。结合图1至图11所示，进一步的说明既有建筑低净空下旋喷静压复合桩施工方法，本实施例中，芯桩31是钢管桩。或是管桩、方桩等预制混凝土桩，或者h形、工字形等型钢桩；芯桩31其直径为108
‑
400mm，钢材强度不低于q235；这些实施方式都需确保芯桩31与旋喷水泥土桩共同作用；芯桩31采用钢管桩，其直径一般为108
‑
400mm，钢材强度不低于q235。基础是钢筋混凝土结构，作为变形例也可以是混凝土基础、砖基础、毛石混凝土基础、灰土基础等无筋扩展基础、扩展基础、柱下条形基础、筏形基础或箱形基础。具体步骤如下：步骤一、结合原地勘报告、补充勘察报告，对既有建筑内拟建场地在勘察深度范围内的土层按其成因分为大层及亚层，明确桩身设计范围各土层主要物理力学指标、桩侧摩阻力及桩端阻力，由此明确复合桩3的设计长度；补充勘察期间进一步探明地下水位和地下水类型。
22.结合原地勘、补充勘察报告，拟建场地在勘察最深为自然地面以下60.0m深度范围内的土层按其成因可分为8个大层及亚层，典型地质桩身设计范围各土层主要物理力学指标、桩侧摩阻力。位于肥槽内的填土厚度深为11.10m。通过现场挖探、周边深基坑开挖等发现，在门头基础下方有杂填土以及原来a
‑
f座既有基坑未知的土钉或锚杆等水平向支护结构。补充勘察期间在现状地面下25.0m深度范围内实测到1层稳定地下水。稳定水位埋深为
9.50～9.60m，地下水类型为层间水。
23.步骤二、对拟建场地进行三通一平，并对应施工作业面开槽，在原基础4上设计复合桩3位置并测量放线，采用静力开孔；复合桩3桩端伸入的持力层对应复合桩3所需嵌入长度，或为复合桩3伸入设计加固土体底部深度。
24.步骤三、正式施工前，为了调试设备、获取现场施工参数，开展试桩试验；复合桩3的桩孔采用旋压一体机6中旋喷组件进行引孔，旋喷桩32采用三重管高压旋喷形成旋喷孔2，而后通过喷射水泥浆、气和水形成旋喷桩32旋喷桩32，而后再通过旋压一体机6进行芯桩31的静压；其中，旋喷桩32和芯桩31的施工可分为独立的两步施工或分段交替进行，旋压一体机6的高度小于原基础4顶部至楼板或至地下室顶板的高度，旋压一体机6包含门式架和门式架上可拆卸连接有旋喷子组件653和静压子组件654。
25.本实施例中，正式施工前，为了调试设备、获取现场施工参数，开展1组试桩试验。试桩终止压桩力为2025kn。当荷载达到设计值时，桩身沉降约为3mm，满足承载力设计要求及对门头柱托换后的沉降控制要求。本实施例中，复合桩3布置于各个独立基础内，为了通过新增的支承上部结构荷载，从荷载传递的角度，新增的桩基离原结构柱越近越好，但在桩位布置中还要考虑复合桩3的施工空间及与原柱8的间距。同时让桩位形心与荷载重心位置尽量接近；另原基础4开孔也需要越小越好，结合考虑到下方芯桩31外径为245mm，静力开孔直径为400mm。
26.本实施例中，应用的装置包含原基础4开孔用开槽机和复合桩3用旋压一体机6；其中，开槽机用于对应施工作业面开槽；旋压一体机6用于不移位施工芯桩31。芯桩31包含临撑桩体、连接于临撑桩体内部临撑桩筋、以及在临撑桩体顶部的临撑桩预留筋。其中，临撑桩体由旋喷桩32内设置芯桩31组成，临撑桩筋和临撑桩预留筋为钢筋笼，临撑桩筋位于芯桩31内侧，临撑桩预留筋锚入加固承台7。
27.如图2至图9所示，旋压一体机6包含门式组件62、连接于门式组件62与底部基础之间的底连组件61、连接于门式组件62两侧的伸缩组件63、连接于门式组件62中上部的动力组件64、与动力组件64连接且位于门式组件62横向内中部的旋压安装连部652以及连接门式组件62中下部的定位组件66。
28.本实施例中，旋压安装组件65包含连接于门式组件62横部下方的旋压安装顶部651、连接于顶部正下方的旋压安装连部652、连接于旋压安装连部652旋喷子组件653或静压子组件654；旋喷子组件653包含钻杆、钻头和注浆管；静压子组件654包含压连杆和压件。安装旋压一体机6，根据测放的桩位进行桩机对位，其中旋喷子组件653中钻杆垂直度靠钻机自身配备的双线锤和钻机上的水平尺进行双控，必要时用经纬仪双向90
°
进行校正，垂直度偏差不大于1%；钻进设计桩底标高后，开动动力头旋动钻杆，启动高压注浆泵、向钻杆底部的钻头提供高压空气及浆液，通过钻头水平及钻头底部两个方向的双高压喷射流，一边切割土体一边下沉钻进，同时喷射浆液；控制高压注浆泵压力，喷至旋喷设计桩顶标高。
29.本实施例中，旋喷桩32施工时按照设计水灰比对水和水泥重量进行计量，在搅浆桶里搅拌均匀后，经20目筛过滤，放入储浆桶中；储浆桶对水泥浆应进行不间断搅拌，防止水泥浆沉淀；注浆泵泵头用细目纱网罩罩住，防止吸入粗颗粒物而堵塞钻头喷嘴。钻进作业一遍水：钻机就位后，开动动力头旋动钻杆，向钻杆底部的钻头提供高压空气，通过钻头水平及钻头底部两个方向的双高压喷射流，一边切割土体一边下沉钻进，钻进设计桩底标高；
喷射高压水泥浆一遍浆：钻进设计桩底标高后，开动动力头旋动钻杆，启动高压注浆泵、向钻杆底部的钻头提供高压空气及浆液，通过钻头水平及钻头底部两个方向的双高压喷射流，一边切割土体一边下沉钻进，同时喷射浆液。控制高压注浆泵压力，喷至旋喷设计桩顶标高。
30.本实施例中，定位组件66定位横板661包含可拆卸连接门式组件62两侧的定位横板662、水平垂直连接于两定位横板662中部的之间的定位连杆664、连接于定位连杆664外端部的定位筒663；所述定位筒663对应旋喷子组件653中钻杆或静压子组件654中压连杆设置。
31.本实施例中，底连组件61包含底连板611和连接于底连板611和设置在原基础4中的底连锚杆612，所述底连锚杆612竖向间隔布置和/或斜向布置；所述底连组件61分别连接于门式组件62底部；所述门式组件62包含两竖向平行的门立柱621和连接于两门立柱621顶部的门横梁622，所述门立柱621竖向上设置有门立柱滑槽623，所门立柱滑槽623对应伸缩组件63设置且高度对应伸缩组件63高度上伸缩量。
32.本实施例中，伸缩组件63包含分别连接在底连板611上的伸缩底座631、每个伸缩底座631上安装有立式千斤顶632、两千斤顶632顶部连接有水平伸缩横梁633，所述伸缩横梁633穿过门立柱滑槽623。
33.本实施例中，所述动力组件64包含电动机641、电动齿轮642、连接于电动齿轮642和电动机641之间的传输带643、以及连接电动机641和伸缩横梁633之间的电机安装基座644；所述电动齿轮642对应连接于旋压安装顶部651和伸缩横梁633之间的旋喷子组件653或静压子组件654对应的杆件上。
34.对于步骤三中，旋压一体机6的通过底连锚杆612与原有地面连接，锚杆长度550mm锚固段不少于350mm，外露段不少于200mm，采用成孔埋设；底连锚杆612在施工前进行3根抗拔试验，单根极限抗拔力大于80kn；锚杆孔严格定位，成孔应垂直，确保锚固力，采用水钻方法成孔，注入植筋胶，再安放钢筋，待植筋胶强度达到设计要求后，将旋压一体机6的门式架固定在锚栓上并锁紧螺母。
35.步骤四、复合桩3就位必须保持垂直，芯桩31与旋喷桩32同心同轴；保持同一垂直线上，不得偏压，压桩时桩顶应套上钢桩帽再进行压桩；同时，最后一节芯桩31采用送桩器控制桩顶标高。
36.对于步骤四中，复合桩3顶部嵌入原基础4内，其中，旋喷桩32有效桩径不小于600mm，浆液采用水泥净浆，水泥用量≥140kg/m，水灰比为0.7；旋喷桩32设计参数，喷水压力≤3mpa；喷浆压力≥10mpa；气流压力≥0.7mpa；提升速度≤300mm/min；提升转速为18
‑
20转/min；芯桩31按每节2.5m分段压入，芯桩31接头采用对接焊加管片焊。
37.对于步骤四中，芯桩31顶标高不得低于设计桩顶标高，芯桩31内水泥浆液应灌注至设计桩顶标高以上不少于200mm；待水泥浆硬化后，进行截桩头施工，将芯桩31桩头截至设计桩顶标高；芯桩31内部还设置有钢筋笼或竖向加强件，钢筋笼和竖向加强件顶部锚入加固承台7，或分别与加固承台7内筋连接。
38.本实施例中，旋喷桩32采用旋压一体钻机引孔，旋喷桩32采用三重管高压旋喷，旋喷桩32有效桩径不小于600mm，旋喷后植入芯桩31。芯桩31外径245mm，芯桩31壁厚8mm，q345材质；有效桩长21m，以
⑥
层细砂为持力层，单桩承载力特征值375kn，共24根。
39.本实施例中，芯桩31成孔注浆水泥浆初凝前，在桩头埋设钢筋笼，钢筋笼下部插入芯桩311.5m，上部锚入加固承板不少于1.1m。
40.步骤五、待复合桩3安装完毕后进行封桩，而后在原基础4四周及竖向上间隔连接有基础植筋、在原柱8四周和竖向上连接基柱植筋，且对应原基础4设计加固承台7和加固承台7内筋；浇筑完成加固承台7和加固承台7内筋，对原基础4下部的土体1进行开挖，直至挖至拟建的基础底面；对于步骤五中，加固承台7和加固承台7内筋施工时，先将原基础4和原柱8四周凿毛，并对称设置基础植筋；其中加固承台7内筋至少包含有双层水平筋，且水平筋高度范围均与原柱8连接。加固承台7的设计需满足抗弯、抗冲切、抗剪切要求；经计算，加固承台7板厚至1100
‑
1300mm，混凝土设计强度为c30，双层双向配筋钢筋直径12mm，间距120mm，三级钢可满足设计要求。
41.如图10所示，在拟建的基础底面施工新垫层11、新基础9和新柱10，其中新柱10中轴线对应原柱8中轴线，复合桩3关于新柱10对称设置；新柱10顶部连接于原基础4底部，上部结构荷载通过原基础4传递入新柱10，待新柱10连接稳定后，荷载从复合桩3转移到新柱10子上，再将加固承台7和芯桩31切除。
42.原基础4与新增的加固承板的连接是保证芯桩31发挥作用的传力关键节点。本工程采用化学植筋的方式，实现原基础4与新增的加固承板的剪力和弯矩的传递。先对既有基础面层凿毛，然后钻孔、清孔后进行化学植筋、对基础面层进行清除并涂界面剂，基础钢筋绑扎完毕后、与芯桩31顶钢筋笼一起浇筑，该项目使用1年后，基础最大沉降约4mm、建筑最大倾斜率0.7
‰
，均满足设计要求。
43.此外，原柱8包含原柱体和原柱钢筋，原柱体底部为凿毛部，以便于新柱10连接；新柱10还设置有新柱预留筋12，以便于上部结构连接形成整体结构。上述施工流程应根据施工作业的分区逐步开展，并考虑工程结构与荷载的对称性，复合桩3施工作业面对称；在同一基础上一次只能施工一根桩，同一基础上相邻桩之间的施工时间间隔不少于1天。
44.以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。