无泥浆排放的全长钢护筒混凝土灌注桩施工设备及方法与流程

1.本发明属于地基与基础工程技术领域，具体涉及一种无泥浆排放的全长钢护筒混凝土灌注桩施工设备及方法。


背景技术：

2.混凝土灌注桩是一种直接在现场桩位上就地成孔，然后在孔内浇筑混凝土或安放钢筋笼再浇筑混凝土而成的桩。混凝土灌注桩凭借其直径大、承载力高以及抗震能力强等优点，在超高层建筑建设领域得到广泛的应用。传统的施工方法采用泥浆护壁，因软土层、砂层及花岗岩残积土等特殊土很容易塌孔，导致断桩、扩径、缩径等质量通病，使桩基础工程存在较大的安全隐患；另一方面因塌孔导致混凝土充盈系数大，材料使用量超预算，特殊地层容易出现亏损，且因处理工程质量问题耽误施工进度，直接影响企业的经济效益；此外，钢护筒的下放过程容易出现钢护筒倾斜且在吊装下一节钢护筒时也不易操作。


技术实现要素：

3.为解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种无泥浆排放的全长钢护筒混凝土灌注桩施工设备及方法，采用下述技术方案：
4.一种无泥浆排放的全长钢护筒混凝土灌注桩施工设备，包括旋挖机构、以及安装在桩位上并与旋挖机构相配合的灌桩辅助机构，灌桩辅助机构又包括钢护筒与钢护筒控制器；钢护筒控制器包括套设在钢护筒外壁的调平底座、安装在调平底座上的至少两个夹紧千斤顶、以及安装在夹紧千斤顶伸缩端的活动夹块，且相邻两个活动夹块间通过连接杆铰接连接。
5.进一步的，调平底座包括扇形板、水平仪、以及安装在扇形板下方的调平千斤顶。
6.进一步的，钢护筒的最下端外侧套设有钢护筒靴，钢护筒靴的内径与钢护筒的外径相同，钢护筒靴的下端外侧设有切削刃，钢护筒靴的上端内侧开有顺坡角。
7.进一步的，钢护筒靴的壁厚为20mm～30mm，切削刃的角度为30
°
～45
°
，顺坡角的角度为60
°
～80
°
。
8.进一步的，钢护筒由若干钢护筒节依次连接形成，钢护筒节的上下两端分别加工成相匹配的内锥体和外锥体，两段钢护筒节通过内锥体和外锥体相互对接，并固定连接。
9.进一步的，桩长小于20m时，钢护筒节的壁厚为10mm～12mm，桩长20m～40m时，钢护筒节的壁厚为12mm～18mm，桩长大于40m时，钢护筒节的壁厚为20mm～25mm。
10.进一步的，旋挖机构包括钻机、安装在钻机头部的钻杆、安装在钻杆前端的钻头。
11.进一步的，钻机上还设置有动力提升装置，钢护筒外侧设置有若干连接环，动力提升装置设置有钢丝绳，动力提升装置通过钢丝绳与连接环连接。
12.本发明采用的另一技术方案：一种无泥浆排放的全长钢护筒混凝土灌注桩施工方法，包括以下步骤：
13.步骤一、选定钻头和钻杆：选定桩位后，根据选定桩位的土质选择钻头和钻杆并将
钻头和钻杆安装在钻机上；
14.步骤二、安装钢护筒控制器：将钢护筒控制器固定安装在桩位上方，与桩位对中，将钢护筒控制器的调平底座调平；
15.步骤三、安装钢护筒：选择合适尺寸的钢护筒节，将钢护筒节穿过钢护筒控制器放置在灌注桩位上，操作钢护筒控制器夹紧钢护筒节，并保持钢护筒节垂直，然后将钢护筒节与动力提升装置连接；
16.步骤四、钻孔并清渣：启动钻机进行钻进，钻进时土渣通过旋挖钻头或带螺旋叶片的钻杆带出地面，形成直径比钢护筒外径大的圆柱体空腔；
17.步骤五、下放钢护筒：钻进的同时操作钢护筒控制器松开钢护筒，并控制动力提升装置带动钢护筒随钻头同步下放；
18.步骤六、吊装钻杆和钢护筒节：当钢护筒下放至上端距离地面高度约0.5m～1.0m时，停止钻进，操作钢护筒控制器夹紧钢护筒，吊装下一节钻杆和下一节钢护筒节；
19.步骤七、完成钻进：循环步骤五和步骤六和步骤七，直到钻进至设计标高终孔时，完成钻进；
20.步骤八、清理残渣：取出钻杆和钻头后，使用旋挖钻机的旋挖钻斗清理桩底岩土残渣；
21.步骤九、吊放钢筋笼：在钢护筒内吊放灌注桩的钢筋笼到位；
22.步骤十、布置钢导管：将灌注混凝土的钢导管下放并接长至钻孔底部；
23.步骤十一、灌注混凝土：开启混凝土输送泵，从钢导管上端向钢导管内灌注混凝土，混凝土穿过钢导管从钢导管底部进入到钻孔内，灌注混凝土的同时，同步向上拔钢护筒，直至桩顶面高出设计标高500mm时完成灌注混凝土。
24.进一步的，步骤九使用的旋挖钻机为装有承插式钻杆和旋挖钻斗的钻机。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
26.1)本发明采用钢护筒同步跟进，不需要泥浆护壁，因此在钻孔的孔壁上不会形成泥皮，可以大幅度提高桩的侧摩阻力和桩的承载力，不会出现塌孔、断桩、夹泥、扩径、缩径等质量问题，无泥浆制备和排放，保护环境水体的水质，并有效控制了成本。
27.2)本发明由于有钢护筒保护，钻进至设计标高终孔时，采用旋挖斗清渣可以彻底清理干净，无桩底泥浆形成的沉渣，同时在钢护筒保护下，下放钢筋笼、插入灌注混凝土的钢导管时，不会导致塌孔。
28.3)本发明在灌注混凝土时，一边灌注，一边上拔钢护筒，可以保持桩身直径稳定，使桩身质量有保证。
29.4)本发明适用于各种软硬土层、砂层、砾石层及风化岩层，可施工桩径为800～5000mm的灌注桩。
30.5)本发明钢护筒靴的设置，便于钢护筒的下放，且能减小钢护筒上拔时的阻力。
31.6)本发明钢护筒控制器的设置，钢护筒在钻进或上拔时松开控制器，在接长或拆除钢护筒时夹紧钢护筒，可以保持钢护筒垂直并增加了钢护筒的可操作性。
附图说明
32.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
33.图1为本发明一种无泥浆排放的全长钢护筒混凝土灌注桩施工设备在软土地层工作状态的整体结构示意图；
34.图2为本发明一种无泥浆排放的全长钢护筒混凝土灌注桩施工设备在硬土地层工作状态的整体结构示意图；
35.图3为本发明中钢护筒控制器的主视图；
36.图4为本发明中钢护筒控制器的俯视图；
37.图5为本发明中钢护筒与钢护筒靴的连接示意图及a部分局部放大图；
38.图6为图5的b部分局部放大结构示意图；
39.图7为本发明中钢护筒的两节钢护筒节的连接示意图及c部分局部放大图；
40.图8为清渣后下放钢筋笼和钢导管示意图；
41.图9为灌注混凝土同步上拔钢护筒的示意图；
42.图10为成桩示意图；
43.图11为钢护筒外侧设置的连接环示意图。
44.图中：1-钻机，2-带螺旋叶片的钻杆，3-承插式钻杆，4-扩孔钻头，5-钢护筒，6-钢护筒控制器，7-旋挖钻斗，8-调平底座，9-夹紧千斤顶，10-活动夹块，11-调平千斤顶，12-连接杆，13-水平仪，14-钢护筒节，15-扇形板，16-钢筋笼，17-动力提升装置，18-钢导管，19-内锥体，20-外锥体，51-连接环，121-活动铰，140-钢护筒靴，141-第一连接螺栓，142-切削刃，143-顺坡角，151-第二连接螺栓。
具体实施方式
45.下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
46.下面结合附图1至附图11以及具体实施例详细论述本发明：
47.本发明实施例提供了一种无泥浆排放的全长钢护筒混凝土灌注桩施工设备，如图1-11所示，包括旋挖机构、以及安装在桩位上并与旋挖机构相配合的灌桩辅助机构，灌桩辅助机构又包括钢护筒5与钢护筒控制器6；旋挖机构用于钻孔；钢护筒5的设置可以提高灌注桩的质量，不需要进行泥浆的制备和排放，可以保护环境，节约成本，同时使灌注桩的清渣工作更干净彻底，且施工中不会导致塌孔；钢护筒控制器6可夹紧或放松钢护筒5，用于保持钢护筒5垂直以及在接长或拆除钢护筒5时增加钢护筒5的可操作性。
48.钢护筒控制器6包括套设在钢护筒5外壁的调平底座8、安装在调平底座8上的至少两个夹紧千斤顶9、以及安装在夹紧千斤顶9伸缩端的活动夹块10，且相邻两个活动夹块10间通过连接杆12铰接连接，活动夹块10与连接杆12通过活动铰121连接；夹紧千斤顶9顶出时，带动活动夹块10向中间移动，从而夹紧钢护筒5，夹紧千斤顶9缩回时，带动活动夹块10向外侧移动，从而松开钢护筒5；优选的，活动夹块10与钢护筒5接触的面设置为圆弧面，能
够增大夹紧时的接触面积，且圆弧面上设置有若干凹槽，能够更好的实现夹紧动作；调平底座8包括扇形板15、水平仪13、以及安装在扇形板15下方的调平千斤顶11，调平千斤顶11用于将调平底座8上表面调平，水平仪13用于在调平过程中观察调平底座8上表面是否水平。
49.进一步的，钢护筒5的最下端外侧套装有钢护筒靴140，钢护筒靴140的内径与钢护筒5的外径相同，钢护筒靴140的壁厚为20mm～30mm，钢护筒靴140下端设有切削刃142，切削刃142角度为30
°
～45
°
，切削刃142在钢护筒5下放时，可以切削钢护筒5下方的碎土，使钢护筒5的下放更容易；钢护筒靴140上端外侧开有顺坡角143，顺坡角143的角度为60
°
～80
°
，顺坡角143能减小钢护筒5上拔时周围土壤对钢护筒5的阻力；优选的，钢护筒靴140与钢护筒5螺栓连接，沿钢护筒靴140与钢护筒5的结合部的周向上均匀布置有若干第二连接螺栓151，第二连接螺栓151的直径及数量由钢护筒5下放到桩底进行灌注混凝土时的最大上拔力验算确定。
50.进一步的，钢护筒5由若干钢护筒节14依次连接形成，钢护筒节14的上下两端分别加工成相匹配的内锥体19和外锥体20，两段钢护筒节14通过内锥体19和外锥体20相互对接，并固定连接，通过内锥体19和外锥体20对接连接的方式，在施工过程中吊装下一节钢护筒节14时，能更快速准确的实现对接，提高施工的效率；优选的，两段钢护筒节14通过螺栓紧固连接，内锥体19和外锥体20对接部位的圆周上，均匀布置有若干第一连接螺栓141，第一连接螺栓141的直径和数量的选用由钢护筒5的最大上拔力验算确定，使用螺栓实现连接，可以快速的实现两节钢护筒节14的拆装，且连接更可靠。
51.进一步的，钢护筒节14的直径与桩径相匹配；钢护筒节14的壁厚由桩长决定，桩长小于20m时，钢护筒节14的壁厚为10mm～12mm，桩长20m～40m时，钢护筒节14的壁厚为12mm～18mm，桩长大于40m时，钢护筒节14的壁厚为20mm～25mm；可以事先加工一个系列的不同直径和壁厚的钢护筒节14，在不同桩径和桩长的情况下使用。
52.进一步的，旋挖机构包括钻机1、安装在钻机1头部的钻杆、安装在钻杆前端的钻头；优选的，钻杆选用承插式钻杆3和带螺旋叶片的钻杆2，钻头选用旋挖钻斗7和扩孔钻头4，旋挖软土地层时选用承插式钻杆3和旋挖钻斗7，旋挖硬土地层时选用带螺旋叶片的钻杆2和扩孔钻头4。
53.进一步的，钻机1上还设置有动力提升装置17，钢护筒5外侧设置有若干连接环51，动力提升装置17设置有钢丝绳，动力提升装置17通过钢丝绳与连接环51连接，从而控制钢护筒5的上下运动，实现钻进过程中钢护筒5的同步跟进。
54.一种无泥浆排放的全长钢护筒混凝土灌注桩施工方法，包括以下步骤：
55.步骤一、选定钻头和钻杆：选定桩位后，根据选定桩位的土质选择钻头和钻杆并将钻头和钻杆安装在钻机1上，软土地层选用承插式钻杆3和旋挖钻斗7，硬土地层选用带螺旋叶片的钻杆2和扩孔钻头4；
56.步骤二、安装钢护筒控制器6：将钢护筒控制器6安装在所述桩位上方，与桩位对中，将钢护筒控制器6的调平底座8调平，调平时观察调平底座8上的水平仪13，通过控制调平千斤顶11，使水平仪13显示水平；
57.步骤三、安装钢护筒节14：选择合适尺寸的钢护筒节14，将钢护筒节14穿过钢护筒控制器6放置在灌注桩位上，操作钢护筒控制器6上的夹紧千斤顶9，夹紧千斤顶9顶出，带动活动夹块10向中间移动，使活动夹块10夹紧钢护筒节14，并保持钢护筒节14垂直，然后将钢
护筒节14与动力提升装置17连接，动力提升装置17设置有钢丝绳，将钢丝绳和钢护筒节14外侧的连接环连接在一起，实现钢护筒节14与动力提升装置17的连接，具体的，钢护筒节14的直径由桩径决定，钢护筒5的壁厚由桩长决定，可预先加工一个系列的不同直径和壁厚的钢护筒节14，用于在施工中快速选用；
58.步骤四、钻孔并清渣：启动钻机1进行钻进，使用旋挖钻斗7或扩孔钻头4切削土岩体，土渣通过旋挖钻头或带螺旋叶片的钻杆2带出地面，形成直径比钢护筒5稍大的圆柱体空腔，圆柱体空腔用于放置钢护筒5；
59.步骤五、下放钢护筒5：钻进的同时操作夹紧千斤顶9缩回，带动活动夹块10向外侧移动，从而松开钢护筒5，并控制动力提升装置17带动钢护筒5随钻头同步下放；
60.步骤六、吊装钻杆和钢护筒节14：当钢护筒5下放至上端距离地面高度约0.5m～1.0m时，停止钻进，操作钢护筒控制器6夹紧钢护筒5，用履带吊机分别吊装下一节钻杆和下一节钢护筒节14，钻杆通过插销或螺栓与上一节钻杆连接，钢护筒节14通过第一连接螺栓141与上一节钢护筒节14连接；
61.步骤七、完成钻进：循环步骤五和步骤六和步骤七，直到钻进至持力层设计标高终孔前，最底部的钢护筒5已进入自稳能力强的硬土层或风化岩层时，操作夹紧千斤顶9夹紧钢护筒5，停止钢护筒5继续跟进，在钻进到持力层设计标高终孔时，停止钻头钻进，打开夹紧千斤顶9并控制动力提升装置17使得钢护筒5下放至孔底；
62.步骤八、清理残渣：反转钻头，取出钻杆和钻头，使用旋挖钻机1的旋挖钻斗7清理桩底岩土残渣，每取一钻斗土提取一次钻杆，旋挖钻机1为装有承插式钻杆3和旋挖钻斗7的钻机1；
63.步骤九、吊放钢筋笼16：在钢护筒5内吊放灌注桩的钢筋笼16到位；
64.步骤十、布置钢导管18：将灌注混凝土的钢导管18下放并接长至钻孔底部；
65.步骤十一、灌注混凝土：开启混凝土输送泵，从钢导管18上端向钢导管18内灌注混凝土，混凝土穿过钢导管18从钢导管18底部进入到钻孔内，灌注混凝土的同时，同步向上拔钢护筒5，直至桩顶面高出设计标高500mm时完成灌注混凝土。
66.本发明的施工方法可以提高灌注桩的侧摩阻力和承载力，不会出现塌孔、断桩、夹泥、扩径、缩径等质量问题，且清渣彻底，该施工方法适用于多种土层和不同桩径的施工，可操作性高。
67.以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。