管箍绗架围护桩及其附属施工设备的制作方法

本发明涉及土木工程中基坑工程技术领域内的基坑围护(支护)桩(墙)，具体是指一种管箍绗架围护桩及附属施工设备。

背景技术：

目前，建筑工程和其它土木工程中的基坑围护(也称基坑支护)工程中，在坑侧壁用来挡土挡水的围护桩(也称围护桩墙、支护桩、支护结构等)，通常为钢板桩、钢管桩、型钢桩、SMW工法桩(型钢水泥土搅拌桩)、混凝土灌注桩、地下连续墙等。当基坑较浅、地下水位较深时，钢板桩、钢管桩、型钢桩作为围护桩使用不仅快捷方便，而且经济实用；而SMW工法桩与前几种相比，不仅刚度较大、基坑变形较小，而且止水效果更好，适合较高水位基坑围护工程；混凝土灌注桩(加止水帷幕)和地下连续墙与前几种相比，刚度更大、基坑变形更小，适合更深的基坑围护工程，但工程成本也大大上升。钢板桩、钢管桩、型钢桩、SMW工法桩虽然经济方便，但是由于钢板桩、钢管、型钢等是租赁的，其工程费用与工期有很大关系，当基坑工程工期超过三个月后，租赁费用显著增加，很快会接近或超过混凝土灌注桩的工程成本。而混凝土灌注桩和地下连续墙不仅施工工艺复杂，对施工人员的要求更高，而且这两种工法会产生大量的废弃泥浆。在大城市，泥浆外排的费用愈来愈高而且趋势愈来愈强，并且当前在上海等大城市的泥浆外排不仅是费用高的问题，而且已经出现无处可排的难题。

针对此种情况，专利(ZL201410035322.X)和专利(ZL201420047588.1)(二者属于同一项专利技术)提供的预应力钢管混凝土绗架支护结构技术，相比于混凝土灌注桩，不仅显著降低了工程成本，而且减少了大量的泥浆外排，废浆量相当于相同功能的混凝土灌注桩的1/20，绿色环保，为大城市及中小城市的基坑工程施工带来了极大的便利。但是，由于时间和实践的局限，该项技术仍有许多不足之处，需要进一步改进和提高。

技术实现要素：

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，通过引入一种带外肋板管箍的绗架技术，提出了一种管箍绗架围护桩技术，不仅克服了混凝土灌注桩的缺点，绿色环保，也同时增加了围护桩的刚度，减少基坑变形，显著降低工程成本。经过实际工程的比较和计算可知，本发明提供的管箍绗架围护桩在同刚度比较的前提下，不仅可以完全替代混凝土灌注桩，而且其抗弯刚度可以达到地下连续墙的抗弯刚度，在特定情况下也可以替代地下连续墙，另一方面也可以替代一部分工期较长的SMW工法桩进行基坑围护。另外，本发明与传统围护桩(墙)相比，在结构安全度和止水效果方面更加可靠，并且施工速度也明显优于混凝土灌注桩。

为达到上述目的，本发明提供的管箍绗架围护桩及其附属施工设备采用以下技术方案：

该管箍绗架围护桩包含管箍绗架、填料、围料、受力杆体四部分。受力杆体位于管箍内，可通过张拉施加预应力；填料充填在管箍内，与管箍共同作用；围料在管箍外，范围及水平截面形状根据工程情况而定，不受限制。所述的管箍绗架围护桩，是竖向设置在基坑侧壁的土体中的结构构件，其一侧是土体，另一侧是开挖的基坑。所述的管箍绗架围护桩相当于竖向设置的弹性地基梁，其受力特点是梁的受力特点。

所述的管箍绗架围护桩，其主要特点是，所述的管箍绗架为两根管箍弦杆构成的平面管箍绗架平行设置于围料中，绗架平面垂直于基坑边线；或者，三根管箍弦杆构成的三角形的空间管箍绗架，正反交错设置于围料中；或者，至少四根的偶数根管箍弦杆构成的矩形的空间管箍绗架，平行于基坑边线，设置于围料中。

上述的管箍绗架，是以管箍为弦杆，通过腹杆连成的绗架。

所述的管箍，是指在基坑侧壁内竖向设置的管材或带外肋板的管材，因管材包裹着填料和受力杆体，并且与填料和受力杆体相互作用、共同受力，管材箍着填料，故本发明称其为管箍。所述的管箍，分为普通管箍和带外肋板管箍，二者根据工程情况设置于绗架的不同区段，弯矩和变形较大的区段采用带外肋板管箍。所述的普通管箍是指简单的通长管材；所述的带外肋板管箍是指普通管箍在靠近绗架腹杆的一侧连接一块长条形的板，因板在管箍外，故称其为外肋板。该外肋板平面与管箍轴线平行设置，外肋板与管箍一体，属于管箍的一部分，一起承受管箍受到的拉力、压力和剪力，因而将其设置在绗架的整体弯矩较大的区段，增强了绗架的抗弯承载力和抗弯刚度，在绗架的整体弯矩较小的区段不设置，减少材料用量，做到了材料的优化使用，并且该外肋板可以与腹杆直接连接，省掉了节点板，因此这一项材料起到了多项使用功能，更节省了材料。因此，带外肋板管箍的使用，达到了只使用约1/3的材料而完成相同的预定功能的目的，是本发明具有创造性的有益效果之一。

所述的管箍，下端以端板封闭，受力杆体的力通过锚具传到端板上，端板传到管箍上。管箍上端分为封闭式、开口式两种形式，封闭式的做法和管箍下端的做法相同；开口式的做法是在管箍内侧壁上连接传力环，受力杆体的力通过锚具传到传力环上，传力环将力直接传到管箍上。或者不设置传力环，将锚具直接连接到管箍内侧壁上，受力杆体的力通过锚具直接传到管箍内侧壁上。上端开口式的管箍，适合各种填料的施工充填，是本发明的另一个具有创造性的有益效果之一。

可选的，所述的管箍的材料可以是钢管、铝管、合金管、塑料管等，其它合适的材料也适用作为管箍。管箍材料的可多选性，扩展了管箍绗架围护桩的适用工况和适用范围，是本发明的又一个具有创造性的有益效果之一。

可选的，所述的管箍的横断面形状可以是圆形、椭圆形、矩形、菱形、三角形，或者是带外肋板的圆形、椭圆形、矩形、菱形、三角形。其它合适的管状物也适用作为管箍。

可选的，上文所述的管箍绗架的腹杆可以是型钢、钢管、扁钢、钢筋、钢管混凝土、铝型材、合金型材或塑料杆件，所述的绗架腹杆与管箍弦杆斜向连接、垂直连接或者斜向垂直组合连接。

可选的，所述的填料可以是水泥浆、水泥砂浆、混凝土等粘结性材料，其它合适的粘结性材料也适用作为填料。填料位于管箍内并与管箍粘结在一起，填料与受力杆体可粘结也可不粘结；填料和管箍、受力杆体相互作用，共同受力，形成增强弦杆。一般的，管箍和受力杆体一起承受拉力，或者管箍和填料一起承受压力。

可选的，所述围料可以是混凝土、水泥土、灰土、三合土或土等粘结性材料，围料辅助管箍绗架，相互作用，共同受力。围料强度一般小于填料的强度，使得较高强度的填料和较低强度的围料各得其所，好钢用在刀刃上，充分发挥材料的受力机能。另外，围料还承担着挡土挡水的作用，并且在其未凝固时，提供插入管箍绗架的机会和条件。围料形成的水平截面形状，可根据工程实际情况具体确定，不受限制。其它合适的粘结性材料也适用作为围料。围料的可多选性，使得管箍绗架围护桩的适用工况和适用范围更加广阔，是本发明的又一个具有创造性的有益效果之一。

上文所述的增强弦杆和腹杆构成的绗架，本文称为增强绗架。增强绗架是所述的管箍绗架围护桩在承载状态的受力构件，围料对其的作用可以考虑，也可以不考虑，影响不大。当不考虑围料对绗架承载力和刚度的影响时，所述增强绗架就是纯结构构件，此时围料只是辅助提供增强绗架平面外稳定(通常情况下，围料完成此功能的能力富富有余)、把水土压力传递给增强绗架、提供插入管箍绗架的条件等三项功能。

可选的，上文所述受力杆体与管箍轴线平行设置，所述的受力杆体可以是预应力筋、普通钢筋、碳纤维、化学纤维或玻璃纤维，所述的预应力筋包含但不限于钢丝、钢绞线或预应力螺纹钢筋。一般情况下，受力杆体受拉(特定情况下也可受压)，且可以施加预应力。受力杆体可以是刚性的也可以是柔性的，且每个管箍内至少一根。其它合适的杆体材料也适用作为受力杆体。

上文所述的围料，可以采用各种工法施工完成。

当围料为混凝土时，可采用传统的地下连续墙施工工艺，先成槽，后在槽内插入管箍绗架，再在槽内浇筑混凝土，管箍内填入填料，形成管箍绗架围护桩(墙)。

当围料为水泥土时(围料为土、灰土、三合土时也可采用)，目前已有的水泥土施工机械各式各样，均可用来完成水泥土的施工。本发明提出一种配合多轴搅拌桩施工的附属施工设备，是一种利用传统的多轴搅拌桩机(至少为两轴，下文同此)，在其搅拌轴上附加至少一个附加转轮，来优化水泥土的搅拌工艺。具体做法为：

当采用多轴搅拌桩机施工、制作围料时，在多轴搅拌桩机的搅拌轴的单侧或双侧，设置附加转轮，所述的附加转轮附设于桩机搅拌轴上，可拆卸、可组装，所述的附加转轮的动力来自于所附设的桩机搅拌轴。所述的桩机搅拌轴上有固定齿轮环，所述的固定齿轮环是在搅拌轴外围固定一个齿轮环，该齿轮环外围是放射形的齿板；所述的附加转轮是在转轮支架上套上一个环，环外是放射形的叶片，环和叶片统称附加转轮。所述的附加转轮的叶片和固定齿轮环的齿板交错啮合。所述的附加转轮通过转轮支架安装在桩机搅拌轴上的活动环上。所述的活动环是套在搅拌轴上的相对于搅拌轴而言能活动的环。该活动环上下各有一个固定环，通过固定环限制活动环沿搅拌轴轴线方向的运动。所述的固定环是指和搅拌轴固定在一起的圆环。每一个转轮支架至少有三个点和搅拌轴连接，且至少连接到两个不同的搅拌轴上，这是转轮支架相对于搅拌轴保持稳定的措施。

附加转轮的作用，是在桩机搅拌原状土时，如果在搅拌轴的单侧或双侧存在已经搅拌过的未凝固的水泥土浆液，通过固定齿轮环将搅拌轴的转动动力传到附加转轮上，从而带动附加转轮的转动，利用附加转轮搅拌、切削原有的未凝固的水泥土浆液。这样的附加转轮的使用，可以推迟延缓水泥土的凝固时间，并且可以增加多轴搅拌桩两排桩之间的重叠咬合范围，搅碎多轴搅拌桩两排桩之间可能存在未搅拌到的原状土块，使得搅拌桩的施工质量更好更均匀，便于插入管箍绗架，不仅提高工效，也同时提高了水泥土的止水效果。

由于多轴搅拌桩机的几个轴一般都比较重，每增加一个搅拌轴都使得设备变得更庞大、更笨重，本发明使用简单的附加转轮，其对搅拌桩机的自重影响可以忽略不计。而且可以在搅拌完全的原状土时不安装附加转轮，对搅拌桩机的运行不产生任何影响，而在多排搅拌桩咬合施工时，尤其是跳打时，当新打搅拌桩单侧或双侧已经搅拌过但水泥土未凝固，此时新打的搅拌桩只是搅拌较少的一部分原状土，桩机动力有富余，这时可以安装上附加转轮，利用搅拌桩机的富余动力，使附加转轮对单侧或双侧的水泥土进行复搅，而不用搅拌轴另外再去复搅，因此提高了工效。这也是本发明的又一个具有创造性的的有益效果。

本发明的有益效果是，与同类技术相比，管箍绗架围护桩具有以下优点：

1、绿色环保，几无泥浆外排(以混凝土作围料的除外)，极大改善大中城市的基坑施工条件；

2、结构安全性能提高，承载力富余度大，且管箍绗架围护桩具有极好的延性性能；

3、带外肋板管箍的引入，极大优化了材料的利用效果，节省材料；

4、上端开口的管箍制作，显著改善了填料的施工便捷性；

5、围料和管箍材料的可多选性，使该技术适用工况和范围更广泛；

6、工艺简单、可靠，便于操作；

7、提高施工速度，减少工期；

8、管箍绗架围护桩可以按纯结构构件考虑，与土层特点没有关系，适应性强；

9、显著降低工程成本，与混凝土灌注桩(加止水帷幕)相比，至少节约1/3成本；

10、由于管箍绗架围护桩(墙)的厚度大于传统的止水帷幕厚度，因此止水效果更好，且其重力坝效应可以减少撑锚的轴力，基坑更安全；

11、附属施工设备以较低的代价，充分利用传统施工设备完成围料施工的优化，且提高了工效。

附图说明

图1a至图1c为本发明的管箍绗架围护桩的横剖面图，其中图1a为平面管箍绗架，图1b为三角形空间管箍绗架，图1c为矩形空间管箍绗架。

图2为本发明图1中管箍绗架围护桩(受力平面内)的A-A剖视位置的纵剖面图。

图3为本发明图1中管箍绗架围护桩(受力平面外)的B-B剖视位置的纵剖面图。

图4为本发明图2、3中增强弦杆(普通管箍)的C-C剖视位置的横剖面图。

图5为本发明图2、3中增强弦杆(带外肋板管箍)的D-D剖视位置的横剖面图。

图6为本发明的管箍(上端为封闭式)、受力杆体的纵剖面图。

图7为本发明的管箍(上端为开口式)、受力杆体的纵剖面图。

图8为本发明的管箍上端(开口式)的俯视图。

图9为本发明的管箍上端(封闭式)的俯视图。

图10为本发明的搅拌轴单侧有附加转轮的侧立面图。

图11为本发明的搅拌轴双侧有附加转轮的侧立面图。

图12为本发明的图10中的搅拌轴单侧有(一个)附加转轮的E-E剖视位置的水平剖面图。

图13为本发明的图11中的搅拌轴双侧有(一个)附加转轮的F-F剖视位置的水平剖面图。

图14为本发明的图10中的搅拌轴单侧有(三个)附加转轮的E-E剖视位置的水平剖面图。

图15为本发明的图11中的搅拌轴双侧有(三个)附加转轮的F-F剖视位置的水平剖面图。

附图标记：

1 管箍

2 腹杆

3 围料

4 填料

5 受力杆体

6 增强弦杆

7 外肋板

8 普通管箍

9 带外肋板管箍

10 锚具

11 端板

12 传力环

13 开口空腔

14 桩机搅拌轴

15 固定环

16 活动环

17 转轮支架

18 附加转轮

19 固定齿轮环

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅附图所示，普通管箍8在需要的区段(围护桩弯矩和变形最大的区段)增设外肋板7变成带外肋板管箍9，普通管箍8和带外肋板管箍9一起构成管箍1；管箍1和腹杆2连在一起构成管箍绗架，在管箍1内安装锚具10、端板11或传力环12、受力杆体5并张拉锁定受力杆体5。

围料3施工制作，如果以水泥土作围料3，则先以搅拌机械在预定的基坑边侧的土体中进行水泥土搅拌，然后立即快速插入带有锚具10、端板11或传力环12、受力杆体5的管箍绗架到预定位置；如果以混凝土作围料3，则在预定的基坑边侧取土成槽，然后快速插入带有锚具10、端板11或传力环12、受力杆体5的管箍绗架到预定位置，之后将拌好的混凝土浇筑在沟槽内，混凝土包覆管箍绗架；如果以土、灰土、三合土作围料3，则先以搅拌机械在预定的基坑边侧的土体中进行搅拌，搅拌完成即快速插入带有锚具10、端板11或传力环12、受力杆体5的管箍绗架到预定位置(低水位地区等泥浆中的水份疏干后就形成了土围料；在搅拌时掺入生石灰粉就形成了灰土围料；在搅拌后的灰土中掺入砂石就形成了三合土围料)。

填料4施工，在管箍内填入填料4即完成管箍绗架围护桩的施工工序。上端为封闭式的管箍1适合使用水泥浆或水泥砂浆作填料4，实施方式是直接在管箍上端的端板或管箍的侧壁预留小孔，孔内插入注浆管注入水泥浆或水泥砂浆；上端为开口式的管箍1，水泥浆、水泥砂浆和混凝土均适合作为填料4，实施方式是直接从管箍上端的开口内向管箍内浇筑水泥浆、水泥砂浆或混凝土。对于以混凝土作填料4的工况，还可以先在管箍1内注入水泥浆或水泥砂浆，在水泥浆或水泥砂浆初凝前快速在浆液中投入细石，形成混凝土填料4。填料4的施工充填，也可以在地面完成后，等填料4凝固达到一定的强度后再将增强绗架插入沟槽内，但此种做法优势不足。

附属施工设备的实施方式为，当多排搅拌桩施工时：如果顺打，在用传统的普通搅拌桩机施工完第一幅搅拌桩后，先在桩机搅拌轴14上安装活动环16(请参阅图10至图15所示)，然后在已经搅过的一侧，将附加转轮18通过转轮支架17安装在活动环16上，开始进行后续的搅拌桩施工；如果跳打，在用传统的普通搅拌桩机施工完第一幅和跳打的第二幅搅拌桩后，先在桩机搅拌轴14上安装活动环16(请参阅图10至图15所示)，然后在桩机搅拌轴14的双侧，将附加转轮18通过转轮支架17安装在活动环16上，进行后续奇数幅的搅拌桩施工，每一个奇数幅搅拌桩施工完成，就取下附加转轮18，进行后续偶数幅需要跳打的搅拌桩的施工，依次交错进行。固定环15和活动环16可以始终安装在桩机搅拌轴14上，不会对搅拌桩施工造成任何不利影响。

管箍绗架围护桩的具体实施方式如下：

实施例1

第一步：(请参阅图1至图9所示)按上文所述加工制作管箍绗架，安装锚具10、端板11或传力环12、受力杆体5。

第二步：按上文所述施工制作水泥土围料。

第三步：在水泥土初凝前，快速插入带有锚具10、端板11或传力环12、受力杆体5的管箍绗架到预定位置。

第四步：按上文所述施工填充填料。

第五步：围料和填料凝固并达到一定的龄期，即形成管箍绗架围护桩。

实施例2

第一步：同实施例1。

第二步：按上文所述施工制作灰土围料。

第三步：在灰土浆液初凝前，快速插入带有锚具10、端板11或传力环12、受力杆体5的管箍绗架到预定位置。

第四步：按上文所述施工填充填料。

第五步：围料和填料凝固并达到一定的龄期，即形成管箍绗架围护桩。

实施例3

第一步：同实施例1。

第二步：按上文所述施工制作灰土围料。

第三步：在灰土浆初凝前，快速插入带有锚具10、端板11或传力环12、受力杆体5的管箍绗架到预定位置。并在灰土浆中拌入砂石，形成三合土围料。

第四步：按上文所述施工填充填料。

第五步：围料和填料凝固并达到一定的龄期，即形成管箍绗架围护桩。

实施例4

第一步：同实施例1。

第二步：按上文所述，以搅拌机械搅拌原状土，施工制作土围料。

第二步：在泥浆沉淀变稠前，快速插入带有锚具10、端板11或传力环12、受力杆体5的管箍绗架到预定位置。然后疏干泥浆中的水份。

第三步：按上文所述施工填充填料。

第四步：填料凝固并达到一定的龄期，围料变硬后，即形成管箍绗架围护桩。

实施例5

第一步：同实施例1。

第二步：用成孔桩机在原状土体中施工制作适合管箍绗架断面形状的绗架桩孔。

第二步：在原状土体的桩孔中快速插入带有锚具10、端板11或传力环12、受力杆体5的管箍绗架到预定位置。然后在管箍绗架和原状土体的间隙中填充水泥土浆、水泥浆、水泥砂浆或混凝土等围料。

第三步：按上文所述施工填充填料。

第四步：填料凝固并达到一定的龄期，围料变硬后，即形成管箍绗架围护桩。

本发明提出的管箍绗架围护桩，在安全性、经济性、施工便利、绿色环保、适用范围等方面都比传统同类围护桩具有显著的创造性和有益性，将会在基坑工程领域带来巨大的经济效益和社会效益。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。