本发明属于施工方法领域，具体涉及一种带桩靴管桩桩端内锤击沉桩及同步端测注浆结构及工艺。
背景技术：
随着桩基工程的不断发展，预应力管桩由于其施工速度快、功效高、工期短，成桩后单桩承载力高且质量可靠等优点，在现场施工中得到了越来越多的应用。但是由于在沉桩过程中仍存在挤土效应明显、土层下穿困难等施工工艺难点，这就需要对其沉桩施工工艺进行重点关注。
目前，我国国内主要预应力管桩施工工艺包括：锤击法、静压法、震动法、射水法、预钻孔法等，其中以柴油锤锤击沉桩的应用最为广泛。近年来，由于锤击法所引起的施工噪声污染已经不能适应市区施工的需要，越来越多的大吨位静力压桩机被用以开展静压法施工。但是，锤击法及静压法都存在明显的挤土效应，对周围建筑及地下管线都有一定的影响，同时其对设备平台的承载力要求较高，需要对软弱地基进行设备平台区域的预处理。此外，在地下障碍物或孤石较多的场地进行施工，容易出现桩斜甚至短桩，且沉桩效率随着桩长的增大而迅速降低。
振动法沉桩施工是在桩上刚性连接振动锤，通过迫使与桩接触的土层相应振动，使土层强度下降，从而使桩下沉打入，但是其不适用于粘性土层；射水沉桩法是当锤击法或振动法沉桩有困难时，进行射水法配合施工，在黏性土中及重要建筑物附近不宜采用射水沉桩；预钻孔法，即预先在场地进行钻孔随后将预应力管桩植入孔中，可以有效避免挤土效应，但是鉴于该工法相关规范尚不完备，仍有待进一步检验。
技术实现要素：
考虑到目前我国国内仍以锤击法、静压法为主的施工环境，针对其在施工过程中存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够较好解决施工挤土、现场噪声、场地下穿及设备地基要求等问题的现场预应力管桩沉桩施工结构及工艺。
本发明解决的技术问题主要采用的具体技术方案如下：
带桩靴管桩桩端内锤击沉桩及同步端测注浆结构，其包括预应力管桩、中空导杆、提引器、穿心锤、桩靴连接件、扩大桩靴和卷扬机；所述的预应力管桩通过桩靴连接件与扩大桩靴刚性连接，扩大桩靴内部预埋注浆管道，注浆管道一端伸出扩大桩靴的顶面，另一端穿出与预应力管桩桩身外侧空间相通的扩大桩靴上表面；中空导杆以逐段衔接的方式设置于预应力管桩内部，且底端固定于扩大桩靴上且连通注浆管道，顶端垂直延伸直至露出预应力管桩顶部，用于连接外部注浆设备；所述的穿心锤套设于中空导杆上并沿中空导杆上下滑动；所述的卷扬机设置于预应力管桩上方，且通过绳索和提引器连接穿心锤。
作为优选，所述的扩大桩靴顶面上与穿心锤接触的位置还铺设有锤垫，用以缓冲锤击作用，保护桩靴。
作为优选，所述的预应力管桩上部设有一个导向桩架，导向桩架包含套筒和支承结构，所述套筒的内径略大于预应力管桩外径，所述支承结构用于将套筒固定支承于地面上。
作为优选，所述的扩大桩靴最大截面的半径至少比预应力管桩外径大5公分，以便在内锤击沉桩过程中形成注浆通道。
作为优选，所述的扩大桩靴与预应力管桩桩身焊接连接。
作为优选，所述的注浆管道采用不锈钢波纹管，使之具有较好的工程抗震性能及气密性，并保证注浆压力。
作为优选，所述的中空导杆分为若干段，相互之间通过螺纹机械连接；且最下方的中空导杆末端与扩大桩靴之间也通过螺纹机械连接。
作为优选，所述的中空导杆上设有测斜传感器，用于在沉桩过程中控制预应力管桩的垂直度。
作为优选，所述的中空导杆中灌注有水泥浆作为注浆材料，用于填充预应力管桩与桩周成层土之间的空隙。
本发明的另一目的在于提供一种带扩大桩靴管桩桩端内锤击沉桩及同步端测注浆施工工艺，其包括如下步骤：
步骤1：起吊预应力管桩使其穿过导向桩架就位，通过导向桩架控制打桩垂直度；
步骤2：利用桩靴连接件将扩大桩靴与预应力管桩桩端连接为整体，将中空导杆插入预应力管桩内并将杆端部与扩大桩靴顶面通过螺纹连接成一体，将锤垫穿入中空导杆后铺设于扩大桩靴顶面上；
步骤3：将与卷扬机相连的穿心锤穿入中空导杆并下放至已就位的锤垫之上，同时穿入提引器固定于初始锤击行程高度；
步骤4：通过卷扬机上提穿心锤至提引器位置高度实现挂锤，控制提引器脱钩使穿心锤自由下落作用于锤垫上；扩大桩靴在锤击作用下被打入土层，预应力管桩同步下沉，且预应力管桩与桩周土形成桩侧空隙通道；在锤击作用同时，向中空导杆中注浆，经由桩靴内部预置的注浆管道，由桩端向桩侧进行注浆，填充桩侧空隙通道，起到沉桩过程中润滑及减小桩侧摩阻力的作用；
步骤5：重复步骤4操作，并根据当前沉桩深度的地质条件调整提引器的设置高度，以调整锤击行程；且操作过程中保证注浆循环，及时观测水泥浆比重；
步骤6：当预应力管桩打入至设计深度时，停止打桩及注浆；逐步取出提引器、穿心锤、导杆、锤垫及导向桩架，完成设备回收。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1.锤击能量直接作用于桩尖，同时扩大桩靴及注浆通道能过很好的将桩与周围土相“隔离”，减小侧摩阻力，锤击贯入能力得到极大提升；
2.同步注浆系统在沉桩过程中能够很好的起到润滑作用，减小桩侧摩阻力；沉桩完成后，其强度增长能够提供更好的桩周土各项性质，提高单桩承载力；
3.打桩导向由导向桩架控制，若同步在导杆内设置侧斜传感器，则可以很好的对成桩垂直度进行控制；
4.打桩过程中产生的超静孔压能过通过桩端注浆及桩侧通道及时释放，有利于加快桩侧土的固结，提供更好的地基承载力；
5.预应力管桩桩端进入地表后，锤击过程发生在地面以下，施工噪声可以得到很好的控制，其在超长管桩施工过程中的优势更为明显；
6.本发明将动力机构的主体转移至预应力管桩内部，由于提引器高度可以调节，即落锤行程可根据当前沉桩深度的地质条件进行修正，由此可以利用桩内空间和高度实现打桩动力大小的调节；相比于传统方法中的外部打桩机构，本发明的沉桩效率更高；
7.该工法对设备的要求不高，设备平台承载力一般不需要进行特殊处理，且施工完成后均可回收，具有良好的经济效益。
附图说明
图1为带桩靴管桩桩端内锤击沉桩及同步端测注浆结构示意图。
图中：预应力管桩1、中空导杆2、提引器3、穿心锤4、锤垫5、桩靴连接件6、注浆管道7、扩大桩靴8、桩侧空隙通道9、桩周成层土10、卷扬机11、导向桩架12。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本实施例中一种带桩靴管桩桩端内锤击沉桩及同步端测注浆结构示意图。该结构包括预应力管桩1、桩端扩大桩靴及管内锤击沉桩动力系统三部分。桩端扩大桩靴，包括扩大桩靴8、桩靴连接件6和预埋的注浆管道7。管内锤击沉桩动力系统用于在预应力管桩1内部产生促使桩身下沉的动力，其包括中空导杆2、卷扬机11、穿心锤4、提引器3、锤垫5及导向桩架12。
预应力管桩1上部设有一个导向桩架12，导向桩架12的上部为一个内径略大于预应力管桩1外径且具有一定高度的套筒，下部由三脚架等支承结构实现站立。打桩前应起吊预应力管桩1穿过导向桩架就位12，由桩架控制打桩垂直度。
预应力管桩1通过桩靴连接件6与扩大桩靴8刚性连接，最好采用焊接形式，使之具有良好的机械特性及整体性。预应力管桩1在扩大桩靴8被锤入桩周成层土10过程中一并下沉打入。扩大桩靴8最大截面的半径至少比预应力管桩1外径大5公分，使得在带动预应力管桩1下沉过程中形成比桩身外径更大的孔道，进而使桩周土壁与桩身之间形成桩侧空隙通道9。由于本实施例中，水泥浆液是从扩大桩靴8处注入桩侧空隙通道9的，因此在扩大桩靴8内部预埋有注浆管道7。注浆管道7一端伸出扩大桩靴8的顶面，另一端从桩靴内部绕过桩靴连接件6位置后穿出扩大桩靴8上表面，使得此端部与预应力管桩1桩身外侧空间相通，能够在沉桩过程中实时对桩侧空隙通道9进行填充，避免出现桩周土变形恢复并压缩注浆空间的情况。为了保持较好的工程抗震性能及气密性，并保证注浆压力，本实施例中注浆管道为不锈钢波纹管。
桩侧空隙通道9进中的注浆材料为水泥浆，在内锤击沉桩过程中可润滑起到润滑作用，减小桩侧摩阻力影响，提高沉桩功效；施工完成后，水泥浆强度增长能够为桩侧提供更大的侧摩阻力，提高单桩承载能力。而且，由于水泥浆是从扩大桩靴8处注入的，因此能够及时填充满新形成的桩侧空隙通道9，防止出现桩周土回弹。
本实施例中，水泥浆液是通过中空导杆2输送的，中空导杆2同轴设置于预应力管桩1内部，由多节顺次串联衔接而成，每节杆的端部都攻有匹配的螺纹，可以根据预应力管桩1长度进行逐节连接，与预应力管桩在沉桩过程中同步接长，并控制导杆出露高度，保证施工过程的正常开展。最底部的一节预应力管桩1通过螺纹固定于扩大桩靴8上且连通注浆管道7，预应力管桩1顶端垂直延伸出预应力管桩1顶部，并与外部注浆设备相连。穿心锤4套设于中空导杆2上并可以沿中空导杆2上下顺畅地滑动。因此，在本实施例中，中空导杆2即作为穿心锤4的滑杆，也作为注浆通道。在中空导杆2上还应该设置测斜传感器，可在内锤沉桩过程中控制预应力管桩的垂直度。扩大桩靴8顶面上与穿心锤4接触的位置还铺设有锤垫5，用以缓冲锤击作用，保护桩靴。
卷扬机11通过支撑架设置于预应力管桩1上方的地面上，且通过绳索连接穿心锤4。由于桩周成层土10的不同土层地质条件不同，因此贯穿土层所需要的动力也不同，如果始终保持相同的锤击动力会导致锤击效率较低。因此，本实施例的绳索上还设有一个提引器3，提引器相对导杆位置可以调节，根据当前施工深度地质条件调整提引器高度，即调节落锤距离，使之能够下穿不同地质条件土层。在打桩过程中，穿心锤4由卷扬机11实现上提并由提引器3控制其自由下落锤击，作用于预穿引就位的锤垫5，进而对扩大桩靴8施加下沉力。
同理，基于上述沉桩及注浆结构，本实施例中提供的带扩大桩靴管桩桩端内锤击沉桩及同步端测注浆施工工艺，其步骤如下：
步骤1：动力系统装配工作开展前，起吊预应力管桩1使其穿过导向桩架12就位，通过导向桩架12控制打桩垂直度；
步骤2：利用桩靴连接件6将扩大桩靴8与预应力管桩1桩端连接为整体，将中空导杆2插入预应力管桩1内并将杆端部与扩大桩靴8顶面通过螺纹连接成一体并连通注浆管道7，将锤垫5穿入中空导杆2后铺设于扩大桩靴8顶面上就位；中空导杆2逐条连接至桩身顶部，并外接注浆设备；
步骤3：将与卷扬机11相连的穿心锤4穿入中空导杆2并下放至已就位的锤垫5之上，同时穿入提引器3固定于初始锤击行程高度，其中初始锤击行程高度可根据地表土质情况进行预先设定；
步骤4：通过卷扬机11上提穿心锤4至提引器3位置高度实现挂锤，控制提引器3脱钩使穿心锤4自由下落作用于锤垫5上；扩大桩靴8在锤击作用下被打入土层，预应力管桩1同步下沉，且由于扩大桩靴8的桩径大于预应力管桩1桩身，因此预应力管桩1与桩周土形成桩侧空隙通道9。在锤击作用同时，向中空导杆2中注浆，经由桩靴内部预置的注浆管道7，由桩端向桩侧进行注浆，及时填充满桩侧空隙通道9，起到沉桩过程中润滑及减小桩侧摩阻力的作用；
步骤5：不断重复步骤4操作，并且在每次打桩之前根据当前沉桩深度的地质条件调整提引器3的设置高度，以调整锤击行程。当地质变硬时，需要提高提引器3的高度，反之则降低其高度，具体调整高度数值可根据工程经验或者试验进行确定。且操作过程中保证注浆循环，及时观测水泥浆比重；
步骤6：当预应力管桩1打入至设计深度时，停止打桩及注浆。然后对设备进行回收，逐步拆除并取出提引器3、穿心锤4、各节中空导杆2、锤垫5及导向桩架12，完成设备回收。
该工法由于直接锤击于桩端，而且落锤行程可根据当前沉桩深度的地质条件进行修正，因此锤击贯入能力和效率均较高。另外，同步注浆系统在沉桩过程中能够很好的起到润滑作用，减小桩侧摩阻力，而沉桩完成后，其强度增长又能够提供更高单桩承载力。打桩过程中产生的超静孔压能过通过桩端注浆及桩侧通道及时释放，有利于加快桩侧土的固结。而且，本发明中锤击过程发生在地面以下，施工噪声可以得到很好的控制。该工法对设备的要求不高，设备平台承载力一般不需要进行特殊处理，且施工完成后均可回收，具有良好的经济效益。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。