本发明属于地下工程施工领域，主要应用于大型桥梁的桩基工程以及其他大型建筑桩基础的施工。
背景技术
长期以来，下部构造的桩基础多为实心结构。随着对基础支承能力需求的大幅增长，多数情况下，采用增大截面的实心灌注桩是不合算的，大直径实心桩存在不能充分利用桩心部分混凝土承载力的问题，造成材料的大量浪费。空心桩是指采用某种技术手段施工的环形断面基础桩，其特点是将传统的实心断面改变成环形断面，从而达到节省混凝土，减少桩的自重，增加桩身摩擦面积，提高桩身承载力的目的。目前，大直径桩基础工程正走向大直径、轻型化和装配化，众所周知，桩径越大，空心桩的效益也越高。
目前大直径空心桩的施工方法主要有两种：钻埋空心桩和人工挖孔空心桩。(1)钻埋空心桩的桩壳是由预制空心桩底节，若干中节和顶节3部分组成，并由锥形螺纹筋和hzlm锥形锚串联张拉连接而成。用涂抹环氧树脂水泥砂浆的钢筋混凝土平接头承压、粗钢筋预应力承受拉力的连接方式处理节头的连接。施工时首先利用钻机成孔，钻孔达到设计标高后，用钻机进行清渣与桩底抛石，在孔内沉放底节桩节，桩壳拼接，进行桩侧和桩底填石压浆。(2)人工挖孔空心桩施工时，人工开挖一节桩孔，施工一节护壁。护壁可采用预制壳或现场浇筑混凝土护壁。通过上下模护壁的竖向钢筋的有效连接来确保各节护壁能够连成一体，防止出现护壁脱节现象。护壁工程完成后，桩身采用内滑法施工，滑动的内模一般钢板做成两头封死的圆筒状。将内模放入井底，操作人员随内模提升完成筒壁钢筋笼的绑扎和混凝土浇筑，每升高2.5m校正1次芯模筒身，依次循环上升到桩井口。
上述两种施工方法均有各自技术上的不足：(1)钻埋空心桩的施工，对基本设备相对要求较强，成孔需要大直径钻机，没有现成钻机时，需发明平新型钻机；桩节外表面涂抹一层防水沥青，在沥青外面贴裹一层防水纤维布，防水措施费时费力；此外桩侧和桩底压浆混凝土质量难以保证。(2)人工挖孔空心桩的施工，挖孔劳动强度较大，单桩施工速度较慢，开挖过程易出现塌孔，安全性较差；钢筋接头数量较多，而使桩的整体性变差；此外需要不时校正钢内模筒身。
技术实现要素：
本发明采用一种装配式竖向盾构环型基桩结构，在施工前通过工厂预制桩底模块和标准模块，桩底模块带有包钢刃脚，标准模块是由内壁和外壁组成的双层箱形结构。主要适用于大型桥梁的桩基工程以及其他大型建筑桩基础的施工，主要解决了以下技术问题：(1)本发明采用预制钢筋混凝土管片，桩身质量高，双层箱型结构的管片提供了工作空间同时兼做桩孔护壁。桩身管片设置弹性密封垫槽，采用橡胶压力防水条，减少大面积桩身防水施工，提高了施工质量并且增加了经济效益。(2)本发明提出的该种装配式竖向盾构环型基桩的施工方法，解决了钢筋接头数量较多的问题，桩身连接部位均采用高强螺栓。施工无需大直径钻机，在桩底节管片设置刃脚，依靠自重进行挖土下沉，桩身现场吊拼装配，施工速度快。该装配式竖向盾构环型基桩的施工主要分为三个阶段，第一阶段进行桩底模块吊拼安装，刃脚下沉；第二阶段逐节接高桩身，挖土下沉；第三阶段进行封底并浇筑桩身混凝土。
因此，采用本方法施工大直径空心桩基础，无需大直径钻机，可以提高施工过程安全性和提供足够的施工空间，同时可以达到缩短工期、提高施工质量和减小施工成本的效果。
本发明所采用的技术方案是在装配式竖向盾构环型基桩施工过程中，依靠桩底模块的刃脚，利用自重下沉桩身管片，分节装配施工。桩身管片(标准模块)是一种由内壁和外壁组成的双层箱型结构，可以形成基桩的内壁和外壁，在内壁和外壁之间的环形区域吊入钢筋笼，浇筑混凝土形成桩身。总结并提出了适用于大直径空心桩基础的施工方法。
本发明的关键技术有以下两点。
一种装配式竖向盾构环型基桩的构造。
借鉴地铁盾构管片的结构，但与地铁盾构不同，该环型基桩为一种竖向盾构。所提到的一种装配式竖向盾构环型基桩分为桩底模块10和标准模块12，桩底模块10的刃脚处设置有包钢刃脚11，便于施工时进行切土下沉，包钢刃脚11通过承垫木或混凝土垫层9与砂垫层8接触。桩底模块10和标准模块12均为预制钢筋混凝土管片1，预制钢筋混凝土管片1是一种由内壁和外壁组成的双层箱型结构；为了方便施工吊装，桩底模块10和标准模块12均分成六块独立的预制钢筋混凝土管片1，各个预制钢筋混凝土管片1之间通过环向管片连接直螺栓2进行连接。桩底模块10上留有上部凹槽7，以便和桩底模块10上部的标准模块12拼装；标准模块12上部留有上部凹槽7，下部有下部凸榫8，各个标准模块12之间通过榫卯配合顺次拼接；标准模块12的上下外边口留有弹性密封垫槽5，以便做止水。环向六块预制钢筋混凝土管片1上留有注浆孔，以便做注浆防水。预制钢筋混凝土管片1上下之间留有竖向螺栓孔与手孔，上下环对接时，采用竖向管片连接弯螺栓3进行连接。预制钢筋混凝土管片1的断面周向上设有横向布置的管片配筋4；
包钢刃脚11的内侧设有桩壁凹槽15，钢筋混凝土底板16沿横向布设并与桩壁凹槽15相配合；钢筋混凝土底板16的下部为锅底状井底13，锅底状井底13中填充有素混凝土封底14；
钢筋笼17设置在双层箱型结构中间，并在双层箱型结构与钢筋笼17之间浇筑桩身混凝土18；
基于上述装配式竖向盾构环型基桩构造的施工工法。
该装配式竖向盾构环型基桩的施工主要分为三个阶段，第一阶段进行桩底模块吊拼安装，刃脚下沉。第二阶段逐节接高桩身，挖土下沉。第三阶段进行封底并浇筑桩身混凝土。
第一阶段为桩底模块吊拼安装，刃脚下沉阶段。具体施工步骤是：先在地面上铺设砂垫层(8)，使桩底刃脚下的应力荷载得以分散。砂垫层上铺设承垫木或混凝土垫层(9)，刃脚处视情况支设垫架。吊装并组拼成桩底模块(10)，在沉桩挖土之前，桩底模块的刃脚(11)先采用人工全面同时分段掏挖，挖除的土方先集中在锅底中央，让桩底模块逐渐下沉部分，使刃脚埋在土层中。
第二阶段为接高桩节，挖土下沉阶段。基桩沿深度分成若干段，每段为一节，接高一节，下沉一节，循环进行。具体施工步骤是：吊装组拼标准模块(12)形成桩节，为方便吊装，标准模块由环向六个预制模块组成，六个模块之间采用螺栓连接。标准模块上下设置有上部凹槽(7)和下部凸榫(8)，两侧留有螺栓孔(2)和注浆孔，以便连接并做注浆防水。吊装到位后由工人拧紧直螺栓，形成环向桩节。组拼好的环向桩节此时已卡入其下方桩节的预制榫槽中，为保证其连接弯螺栓3拧紧上下桩节。
竖向的整体性，管片上下留有竖向螺栓孔与手孔，上下环对接时，采用竖向管片完成接高桩节后，视地层情况选取排水下沉法或者不排水下沉法。采取排水下沉挖土法时，用人工或小型挖掘机在井内开挖，在地面用抓斗挖土机分层开挖。采取不排水下沉挖土法时，用吊车吊住抓斗挖掘井底中央部分的土，使环型基桩底部形成锅底，然后刃脚切土下沉。再从环型桩孔中继续抓土，使沉井均匀下沉。或者利用高压水枪射出的高压水流冲刷土层，使其形成一定稠度的泥浆汇流至集泥坑，然后用水力吸泥机或空气吸泥机将泥浆吸出。
桩身初期下沉过程中的挖土顺序为中间稍低于四周，桩内的挖土高差在1米以内；桩身接到一定高度，此后的下沉过程应对称挖土，均匀下沉，先掏挖中央部位的土体，再掏挖刃脚下土，且桩内土面高差不得大于1米；根据各个观测点的桩身下沉数据进行判断桩身下沉是否发生倾斜；若发生倾斜，则采用纠偏措施；下沉稳定时应放慢取土速度和数量，按照均匀对称的原则布置挖土范围。
第三阶段为封底、浇筑桩身混凝土阶段。具体施工步骤是：沉井下沉至设计标高，经观测在8h内累计下沉量不大于10mm或沉降率在允许范围内，沉降下沉已经稳定时，进行封底。视桩底作业环境选择排水封底或不排水封底。地下水位以下采用水下混凝土方法浇筑，地下水位以上为常规干浇筑作业。
在桩身稳定后，对桩底进行平整，刃脚四周经处理后，无渗漏和管涌现象，将新老混凝土接触面清洗干净，并凿毛清洗，把桩底修正成锅底状(13)，如遇渗水，采用排水沟引流到集水井内抽除。
封底混凝土的浇筑，先浇一层素混凝土封底(14)，使地下水不致渗漏到桩身内部，待强度达到50％后，在素混凝土封底(14)上绑扎钢筋，素混凝土封底(14)的两端伸入桩壁凹槽(15)内，浇筑上层底板(16)。在整个区域内采用分层、对称均匀浇筑，同时不间断的进行，由四周向中间推进。
封底施工完成，桩身处于绝对稳定后，这时开始浇筑桩身混凝土。在桩身近旁预先绑扎钢筋骨架或网片，桩身钢筋笼(17)用吊车垂直吊装就位，此后分段浇筑桩身混凝土(18)形成环形基桩。
附图说明
图1装配式竖向盾构环型基桩俯视图。
图2环向管片连接处立体图。
图3钢筋混凝土管片外壁a-a剖面图。
图4施工第一阶段示意图。
图5施工第二阶段示意图。
图6施工第三阶段示意图。
图中：1.预制钢筋混凝土管片2.环向管片连接直螺栓3.竖向管片连接弯螺栓4.管片配筋5.弹性密封垫槽6.下部凸榫7.上部凹槽8.砂垫层9.承垫木或混凝土垫层10.桩底模块11.包钢刃脚12.标准模块13.锅底状井底14.素混凝土封底15.桩壁凹槽16.钢筋混凝土底板17.钢筋笼18.桩身混凝土。
具体实施方式
环向钢筋混凝土预制管片(1)之间通过高强直螺栓(2)连接，竖向钢筋混凝土预制管片(1)通过高强弯螺栓(3)连接。标准模块(12)上下设置凸榫与凹槽，方便与其上部和下部的预制混凝土管片拼装。桩底模块(10)下部为包角钢刃脚(11)，方便切土下沉。桩底模块有预制浇筑好的桩壁凹槽(15)，钢筋混凝土底板(16)插入凹槽中，保证底板同桩身主体良好结合。
如图1所示为装配式竖向盾构环型基桩俯视图。
如图2所示为环向管片连接处立体图。
图3为钢筋混凝土管片外壁a-a剖面图。
图4为施工第一阶段示意图。
图5为施工第二阶段示意图。
图6为施工第三阶段示意图。