超大直径钻埋钢管空心基桩的制作方法

本实用新型涉及大跨桥梁和重型结构物的桩基础工程，特别地，涉及采用钻埋新工艺的超大直径钻埋钢管空心基桩。

背景技术：

近几十年来，随着我国社会经济的高速发展，修建了大量的跨江跨海桥梁工程。这些大型桥梁工程不可避免的会遇到深水基础的修建。深水基础中最为常见的为桩基础，普通管桩基础为预制结构，现场打入或静压施工。随着桥梁跨度的不断加大，基础承受的荷载也加大，需要基础有更大的承载能力和刚度。大直径的桩基础承载能力高、刚度大，可减少桩基总根数，缩短基础施工的周期。

1、钻孔桩的发展。1964年河南省利用民间打井的设备，开发了中国钻孔灌注桩基础，经过50多年的发展，钻孔桩已成了交通、土建基础工程中的首选型式。其直径从1m发展到了5m，深度达百余米。但是钻孔灌注桩本身始终存在两大缺陷：(1)桩身水下混凝土浇筑质量难以控制，桩身砼夹泥断桩的情况时有发生；(2)桩底存在软弱沉渣，影响桩底承载力。我国经济经过30余年快速发展，随着公路和铁路荷载逐级提高和超重车比重增大，对桥梁桩基础承载力和沉降量的要求越来越高，小直径钻孔桩已跟不上形势需要。众所周知桩径愈大，桩数就愈少、施工进度也愈快；但当桩径大于Φ3m后，桩身自重占桩的承载力比重大增，极大的降低了经济性，这就是大直径桩发展瓶颈所在。

2、大直径空心桩的提出和初步实践。1962年在南美委内瑞拉修建马开拉波斜拉桥(L＝235m)主塔基础中，率先使用钻埋预制空心桩新工艺。其特点一是用钻埋的方法解决了粗桩打入的困难、其二是用预制的方法解决了桩身质量问题；这样一举解决了钻孔灌注桩自身的两大缺陷。实践表明全长整体预制砼管桩桩径小(Φ1.5m左右)，满足不了大直径桩的要求；做成大直径砼空心桩重量大、分节预制的接头安装又十分困难，因此钻埋预制管桩方法推广受阻。与此同时，中国河南省公路局总工范磊和洛阳总段以及交通部科研院合作，开展了钻埋空心桩长达26年研究，终于取得《钻埋钢内模填石注浆空心桩》和《钻埋大直径预应力空心管桩》两项技术成果。其特点是底节用钢板封闭使预制桩壳形成浮筒，利用浮力承担管节自重，然后在桩壳内注水下沉再接高，这样解决了当时缺少大型吊装设 备的困难。该工艺在河南省修建近百桩空心桩，其中最大桩径达到Φ1.7m(洛阳光华路桥)，并在1992年通过交通部鉴定，成为交通部“七五”科研成果推广项目。1993年，湖南省公路设计公司在学习河南经验基础上，结合湖南无承台变截面大直径桩的优势，提出了具有湖南特色的无承台、变截面钻埋预制空心桩。在交通部“八五”行业科技计划的支持下，1999年底湖南省公路局在湘北干线哑巴渡、南华渡和石龟山三座大桥中已完成(Φ3m/Φ2.5m)、(Φ3.8m/Φ3m)、(Φ5m/Φ4m)三种无承台变截面钻埋空心桩84根(总长2293m)。实践表明：无承台变截面钻埋预制空心桩基础最突出的优点是取消了水中难于施工的大体积砼承台。变截面空心桩与(群桩+承台)相比在下部构造工程中，能减少砼体积30％，经济效益十分显著。但是大直径砼预制空心桩接头工序多、成桩速度慢，不能满足快速施工的要求。在停滞十多年的时间中，本发明人一直在进行钻埋预制大直径空心桩工艺总结和承载力的理论研究工作，为它的复兴作好技术准备。

中国专利申请201510796483.5公开了一种大直径空心沉桩基础的施工方法，用振动打桩锤打入外壁钢护筒，作为桩基混凝土浇筑的外模板；钢护筒内安装吸泥管，配合高压射水吸泥，清除钢护筒内覆盖层，在陆上绑扎桩身钢筋笼，在钢筋笼内穿入临时钢护筒，在桩位处起吊、安装钢筋笼和内部临时钢护筒，并固定在外壁钢护筒上；用水下混凝土浇筑工艺浇筑桩基混凝土；桩基混凝土强度到设计强度60％时，拔出临时钢护筒；继续桩基混凝土养护，直至达到设计强度值即可。钢筋笼和内部临时钢护筒采用分节制作，现场接长。采用本发明不需要特种机械设备，仅用常规技术手段即可完成，在满足受力要求的前提下，桩基混凝土用量少，工程造价低，施工安全可靠，适用范围广，成桩桩径可达20m以上。该专利方法仍需浇筑水下混凝土，桩身混凝土质量难以控制，利用钢筋笼和水下混凝土形成的钢筋混凝土结构作为受力结构，承载能力不高，且内部临时钢护筒的拔出过程复杂，容易对强度仍在发展中的混凝土结构产生损伤。

中国专利申请201610891760.5公开了一种海上夹心钢管基础，包括外钢桩和内钢管，内钢管安装于外钢桩内，内钢管外套接混凝土加固层，混凝土加固层为空心圆台结构，且空心圆台的直径从上往下依次减小，混凝土加固层外设有竹缠绕层，混凝土加固体与内钢管的外壁之间设有三七灰土层，竹缠绕层的外壁与外钢桩之间形成环绕空间，环形空间内浇筑形成钢筋砼，外钢桩的外壁上均匀抹有防腐蚀层。

3、新世纪大好形势。21世纪以来中国钢铁年产量持续在12亿吨级水平，占世界总量50％。随着国民经济的高涨，中国桥梁建造技术也突飞猛进地发展，在万里长江上先后修建了一百多座特大桥；在世界排名前十位的悬索桥、斜拉桥、钢拱桥和跨海长桥中，中国分别占6、6、7、6座；在大跨径桥梁领域中，中国钢桥发展的速度之快，举世瞩目。应当指出在世界大跨径桥梁的基础工程中，砼结构仍然是主角；因此在中国大直径钻埋预应力砼空心桩技术基础上创新性的提出超大直径钻埋钢管空心基桩是形势发展的必然。在21世纪的桩基础工程中，发展超大直径钻埋钢管空心基桩已经具备了以下重要条件：

(1)大扭矩、超大直径回旋钻机的拥有。经过近40年的引进、消化吸收、再创新发展的历程，中国的钻机研发制造企业所生产的“全液压超大直径钻机”，其扭矩高达450kNm、一次成孔直径可达5m、钻孔深度可达200m、入岩强度达200MPa、最大提升力350t，这些性能已达国际先进水平。目前已成功在福建平潭海峡大桥、海南铺前大桥等Φ4m～Φ5m桩基础中得到实际应用，并取得了很好的效果。由此可见，中国超大直径、全液压高性能钻机的拥有，为我国发展超大直径钻埋钢管空心基桩奠定了物质基础。

(2)大型浮吊等起吊装备的发展。大型浮吊是江河湖海中桥梁桩基的重要装备之一，随着桥梁装备制造业的发展，浮吊起升高度和起升重量有了大幅提升。例如在福建平潭海峡公铁两用大桥中施工的中铁大桥局，拥有三台浮吊，其中二台起重量1400t，另一台起重量3600t，起重高度超过了90m，它可将长70m钢管桩一次插入钻孔桩内，这种大型浮吊是我国发展超大直径钻埋钢管空心基桩不可或缺的重要装备。

(3)产业政策扶持。钢结构桥梁具有自重轻、各向强度均匀、质量稳定、易于工厂化制造、实现装配化施工和便于回收利用以及低碳环保等优点，为世界桥梁界所推崇。法国、日本、美国等国家的钢结构桥梁占比分别为85％、41％和35％，我国长期受经济社会发展水平和钢材产能制约，钢结构桥梁主要用于特大跨径桥梁。截止2015年底，我国公路钢结构桥梁占比不足1％。随着钢铁产能的提高和钢结构桥梁建设技术的进步，我国已经具备全面推广钢结构桥梁的物质基础和技术条件。我国每年新建桥梁近3万座，特大桥百余座，其中桩基础数量每年50万根，在下部构造中推广钢结构具有广阔的市场。当前钢铁产能过剩、钢材价格下降，正是推进钢结构桥梁建设、提升公路桥梁建设品质的良好契机，同时也是落实《国务院关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》(国发〔2016〕6号)要求，促进钢铁行业转型升级的重要举措。为推进钢结构桥梁建设，最近交通运输部发 布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》。这些政策的出台对于推广钢结构在桥梁上的应用起到了很好的引导效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种超大直径钻埋钢管空心基桩，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种超大直径钻埋钢管空心基桩，所述超大直径钻埋钢管空心基桩包括用于水中施工的钢护筒、钢管桩、设置于所述钢管桩底部内侧的桩底框架、桩尖二次注浆混凝土、桩侧压浆混凝土以及絮凝混凝土隔离层；

所述钢护筒的顶部设置在位于施工水面上的承台浮箱中，所述钢护筒的底部打入河床覆盖层内，所述钢护筒打入河床覆盖层内的深度不小于其所处位置水的深度；所述钢护筒的下方设有钻埋孔，所述钻埋孔的顶端与所述钢护筒的底口变截面连接，所述钻埋孔等截面部分的孔径小于所述钢护筒的内径至少1m；所述钢管桩的顶部设置于所述钢护筒内，所述钢管桩的底部置于所述钻埋孔内，所述钢管桩的顶部与所述钢护筒的顶部平齐设置，所述钢管桩的外壁与所述钻埋孔的孔壁之间具有间隙；所述桩底框架包括设置于所述钢管桩底端的底板、设置在所述底板上的桩底加强装置以及多根上下贯穿所述底板的二次注浆管，所述二次注浆管上设有用于控制二次注浆流量的流量阀；所述桩尖二次注浆混凝土设置于所述钻埋孔内且于所述钢管桩的下方，用于承载所述钢管桩；所述钢管桩的外壁与所述钻埋孔的孔壁之间及所述钢管桩的外壁与所述钢护筒的内壁之间设有所述桩侧压浆混凝土；所述絮凝混凝土隔离层设置于所述钢管桩的桩周且于所述桩尖二次注浆混凝土和桩侧压浆混凝土之间。

优选的，所述钢护筒包括中空的钢护筒本体、上下间隔设置在所述钢护筒本体的内壁上的多个第一横向加劲圈、竖向间隔设置在所述第一横向加劲圈径向内表面上的多根第一注浆管、上下间隔设置在所述第一注浆管内侧的多个第一横钢箍以及竖向间隔设置在所述钢护筒本体的内壁上的多条第一加劲肋，多条所述第一加劲肋的两端分别与上下两相邻的所述第一横向加劲圈固定连接，且所述第一加劲肋不超出所述第一横向加劲圈的径向内表面。

优选的，所述钢护筒本体的壁厚为10～20mm，所述第一横向加劲圈的径向宽为200～220mm、厚度为30～50mm。

优选的，所述钢管桩包括中空的钢管桩本体、上下间隔设置在所述钢管桩本体内壁上的多个第二横向加劲圈、竖向间隔设置在上下两相邻的第二横向加劲圈之间的多根第二加劲肋、上下间隔设置在所述管桩本体的外壁上的多个第二横钢箍以及竖向设置在所述第二横钢箍外侧的多根第二注浆管。

优选的，所述钢管桩本体的材质为Q345钢、壁厚为30～60mm，所述钢管桩本体的外壁与所述钻埋孔的孔壁之间设有0.2～0.3m的间隙；相邻两所述第二注浆管之间的距离为所述第二注浆管直径的5～8倍。

优选的，所述桩底加强装置由多块正交竖钢板加劲而成；所述竖钢板的横向两端均与所述第二加劲肋焊结连接。

相比于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

(1)降低成本：本实用新型的超大直径钻埋钢管空心基桩桩径大，相比传统基桩桩数可减少60％，且本实用新型的基桩内部为空心结构，可以进一步节约材料，减轻自重，节省造价；同时，本实用新型的施工方法不需要钢围堰等辅助设施，在水中施工经济效果更明显。

(2)缩短工期。本实用新型的超大直径钻埋钢管空心基桩的工艺中钻、埋、桩侧注浆和桩底二次注浆四道工序的总时间为5-10天，比正常钻孔桩施工需要10-15天要快一倍；且本实用新型中的四个工序可以错开时间安排施工，更大的缩短工期。

(3)提高质量。本实用新型的超大直径钻埋钢管空心基桩采用钻埋、压浆新工艺，不需要浇筑水下混凝土，施工质量更易保证。

(4)响应政策号召，化解钢铁产能过剩。我国每年新建桥梁近3万座，特大桥百余座，其中桩基础数量每年50万根，本实用新型的超大直径钻埋钢管空心基桩的推广运用能在桥梁下部结构新领域开辟一个全新的市场。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型中超大直径钻埋钢管空心基桩的结构示意图；

图2是本实用新型中钢护筒的半横剖面结构示意图；

图3是图2中钢护筒的A-A剖面结构示意图；

图4是本实用新型中钢管桩的半横剖面结构示意图；

图5是图4中钢管桩的B-B剖面结构示意图；

图6是本实用新型中桩底钢框架剖面结构示意图；

图7是本实用新型中桩底钢框架的平面结构示意图；

图8是本实用新型中超大直径钻埋钢管空心基桩的施工流程示意图；

其中，1、钢护筒，11、钢护筒本体，12、第一横向加劲圈，13、第一注浆管，14、第一横钢箍，15、第一加劲肋，2、钢管桩，21、管桩本体，22、第二横向加劲圈，23、第二加劲肋，24、第二横钢箍，25、第二注浆管，3、桩底框架，31、底板，32、桩底加强装置，321、竖钢板，33、二次注浆管，331、流量阀，4、桩尖二次注浆混凝土，41、填石层，5、桩侧压浆混凝土，51、碎石桩，6、絮凝混凝土隔离层，M、承台浮箱，N、钻埋孔。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，本实用新型的一种超大直径钻埋钢管空心基桩，其包括用于水中施工的钢护筒1、钢管桩2、设置于钢管桩底部内侧的桩底框架3、桩尖二次注浆混凝土4、桩侧压浆混凝土5以及絮凝混凝土隔离层6。

钢护筒1的顶部设置在位于施工水面上的承台浮箱M中，钢护筒1的底部打入河床覆盖层内，为了防止后续施工过程中钢护筒内泥浆串孔，钢护筒打入河床覆盖层内的深度不小于其所处位置水的深度。在钢护筒内向下钻孔在钢护筒下方形成钻埋孔N，钻埋孔的顶端与钢护筒的底口变截面连接，且钻埋孔变截面以下部分等截面设置；为了充分发挥变截面的效果，钻埋孔等截面部分的孔径小于钢护筒的内径1.5m。钢管桩2的顶部设置于钢护筒内，钢管桩2的底部置于钻埋孔内，钢管桩的顶部与钢护筒的顶部平齐设置，钢管桩的外壁与钻埋孔的孔壁之间具有间隙，即钢管桩的外壁与钻埋孔的孔壁之间具有0.2～0.3m的间距。桩底框架3包括设置于钢管桩底端的底板31、设置在底板上的桩底加强装置32以及多根上下贯穿底板的二次注浆管33，二次注浆管上设有用于控制二次注浆流量的流量阀 331；桩尖二次注浆混凝土4设置于钻埋孔内且于钢管桩的下方用于承载钢管桩。钢管桩的外壁与钻埋孔的孔壁之间及钢管桩的外壁与钢护筒的内壁之间设有桩侧压浆混凝土5。絮凝混凝土隔离层6设置于钢管桩的桩周且于桩尖二次注浆混凝土4和桩侧压浆混凝土5之间。

如图2和图3所示，钢护筒1包括中空的钢护筒本体11、上下间隔设置在钢护筒本体的内壁上的多个第一横向加劲圈12、竖向间隔设置在第一横向加劲圈径向内表面上的多根第一注浆管13、上下间隔设置在第一注浆管内侧的多个第一横钢箍14以及竖向间隔设置在钢护筒本体的内壁上的多条第一加劲肋15，多条第一加劲肋的两端分别与上下两相邻的第一横向加劲圈固定连接，且第一加劲肋不超出第一横向加劲圈的径向内表面。在本实施例中，考虑到钢护筒用大吨位振动锤打入河床覆盖层的刚度需要，钢护筒本体11的壁厚为10～20mm；钢护筒本体内壁上设置的第一横向加劲圈12的径向宽为200～220mm、厚度为30～50mm；竖向设置8根第一加劲肋，该第一加劲肋为H型钢用来传递强大的震动力。

如图4和图5所示，钢管桩2包括中空的钢管桩本体21、上下间隔设置在钢管桩本体内壁上的多个第二横向加劲圈22、竖向间隔设置在上下两相邻的第二横向加劲圈22之间的多根第二加劲肋23、上下间隔设置在钢管桩本体的外壁上的多个第二横钢箍24以及竖向设置在第二横钢箍外侧的多根第二注浆管25。在本实施例中，第二加劲肋23为工字梁；首先卷制钢管桩本体，在钢管桩本体制作完成后，再将第二横向加劲圈焊接在钢管桩壁内侧；如果钢管桩由分节单元钢管桩焊接而成，则加劲圈焊接在每节单元钢管桩的顶部。

在本实施例中，钢管桩作为主体结构承受外载荷，其钢管桩本体的壁厚度由受力决定。优选的，钢管桩本体21的材质为Q345钢、壁厚为30～60mm，钢管桩本体的外壁与钻埋孔的孔壁之间设有0.2～0.3m的间隙。钢管桩2由多节单元钢管桩焊接而成，且应根据实际条件尽量采用大节段单元钢管桩焊接而成；每节单元钢管桩内均焊结有第二横向加劲圈，该第二横向加劲圈的宽为200mm，厚度为30～50mm，上下两相邻的第二横向加劲圈之间竖向还焊结8根第一加劲肋；相邻两第二注浆管之间的距离为第二注浆管直径的5～8倍。每节单元钢管桩在工厂内制作后运至码头，现场有条件时可以采用大型浮吊全长整根钢管桩插入钻埋孔内。

如图6和图7所示，主体结构钢管桩底端用厚度为20～40mm的钢底板封闭，形成浮筒。再由多块正交竖钢板321加劲形成桩底加强装置32；竖钢板321的横向两端均与第二 加劲肋23焊结连接，竖钢板的厚为20～40mm，高度为1m。再在钢底板中安装8-12根二次注浆管，每根二次注浆管上均设置有用于控制其流量的流量阀。应当指出在焊接全高钢管桩前，底节框架的空隙要用砼填充，使钢管桩在泥浆中沉放时能保持垂直度。

结合图8所示，本实用新型的超大直径钻埋钢管空心基桩的施工方法包括如下步骤：

1)、以承台浮箱M为施工平台，用液压振动锤将钢护筒1的底部打入施工水面以下的河床覆盖层内；在配置完善泥浆循环系统后，采用国内已研制和应用的超大直径全液压钻机在河床覆盖层上进行超大直径钻孔工作，以形成钻埋孔N，钻孔施工所使用的泥浆必须采用膨润土；并对钻埋孔进行清孔处理；在砂土、黏土等覆盖层中的钻孔进度3～5m/h，1天可钻60m左右，到达风化岩面后再进行嵌岩工作，钻孔进度0.03-0.1m/h，1天可钻1-2m左右。应当指出，目前国内采用回转钻机在P.H.P泥浆中进行百米长桩施工已是一种常规技术；对于Φ5m超大直径钻孔而言不同的是要加强泥浆循环管理工作，即配置与钻机流量相等的泥浆净化器来提高钻孔效率；完成钻孔后，需要对钻埋孔内部进行清孔处理，在清孔过程中需要对全孔泥浆进行正循环的换浆，即将孔内的泥浆比重从1.1-1.2降低到1.04，且使泥浆含砂率小于0.5％。从根本上实现无沉渣(厚度＜1cm，在测量误差范围之内)，而且同时可以将钻埋孔孔壁的泥皮厚度降低到1mm以下，从而大幅度(1.2-1.4倍)提高填石注浆砼与孔壁之间的摩阻力。

2)、在钢管桩埋进钻埋孔内之前，往钻埋孔N内回填3～5cm粒径的石料形成填石层41，填石层的厚度不小于1m或为钻埋孔孔径的0.25～0.3倍，填石层的上表面高差小于5cm。具体的，若钻埋孔底部是砂性土壤时，可减小抛石的厚度。石料要求石质坚硬、无风化、洗净的3～5cm粒径碎(砾)石(不需要级配)。填石层41的上表面要大致平整，用测孔仪测定填石层的上表面高差应小于5cm。此项工作可在1天之内完成。

3)、采用吊装设备将钢管桩2沉放入钻埋孔N内，钢管桩的底端放置在填石层41上。按照设计要求在工厂内分节制作单元钢管桩，每节单元钢管桩的长为10～20m；再在单元钢管桩的内壁上横向焊接多条不在同一高度上的第二横向加劲圈22和在上下两相邻第二横向加劲圈之间以一定间隔竖向焊接多根第二加劲肋23，再将每节单元钢管桩运输至施工现场；根据起重条件，钢管桩的长度不大于80m时，将多根单元钢管桩焊接成一整根钢管桩2，采用吊装设备将整根钢管桩2沉放入钻埋孔N内，历时约2天左右完成钢管桩的沉放工作。如受吊装设备限制，将单元钢管桩分节依次沉放入钻埋孔内，每节长度为 20m～40m，在前一节单元钢管桩的上端尚露出钢护筒1外时，将后一节单元钢管桩安装并焊接在前一节单元钢管桩的上端，再注水下沉，直到最前面一节单元钢管桩的底端放置在填石层41上；分节接长再下沉，历时1-2天完成钢管桩的沉放工作。

4)、首先在钢管桩2的桩周底部浇絮凝砼形成一圈用于阻止桩侧水泥浆渗入桩底的絮凝混凝土隔离层6，絮凝砼是在砼中加入了水下不分散砼絮凝剂，用于在桩端周底部位置形成一圈隔离层，来阻止桩侧水泥浆渗入桩底。再往钢管桩2外壁和钻埋孔N孔壁之间的间隙内填充粒径大于3cm的碎(卵)石，形成碎石桩51，以保证孔壁不塌孔；在其后任一天，通过第二注浆管25和第一注浆管13、按10m高度、分层分根向碎石桩51内压注水泥浆，形成桩侧压浆混凝土5外包的钢管空心桩，历时约1天完成桩侧注浆工作；并对钢管空心桩进行养护，养护期至少30天。

5)、在完成养护后(达到部分强度)后，排空钢管空心桩内的积水，接好钢管桩底节压浆管和回流管，通过二次注浆管33往钢管空心桩的下方的填石层41中二次压注水泥浆；先通过压浆机的压浆管和回流管对填石层41进行淤泥清洗，当回流管出现新鲜水泥浆后，关闭回流管继续注浆。钢管空心桩被二次压注的水泥浆上抬，测量钢管空心桩的抬高量，直到压浆压力和上抬量达到稳定时结束注浆，形成桩尖二次注浆混凝土4；历时约1天。应当指出，若桩底层地基为砂性土壤，桩底二次注浆会渗入砂层形成大蒜头，提高承载力。若桩底层地基为硬黏土或微风化岩石，桩底二次注浆将对钢空心桩底产生向上的压应力σ×桩端面积M，从而得到桩底抗力R＝σ·M。综合通过所测量桩顶上的抬高量和钢壁上应变值可计算桩侧的摩阻力可得到相应桩承载力；所得到关系曲线，通过程序计算可得到超大直径钻埋钢管空心基桩的设计承载力。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。