技术领域
[0001] 本
发明属于钻孔灌注桩施工领域，涉及一种用于内河航道的水上钻孔灌注桩施工装置及其使用方法。
背景技术
[0002] 钻孔灌注桩是指在工程现场通过螺旋钻机、潜水钻机等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置
钢筋笼、灌注
混凝土而做成的桩。钻孔灌注桩是桩基加固的一种方式，通过打桩加大地基的承载能
力；同时也可以用于边坡维护抵抗土方侧压力，防止土方位移。
[0003] 目前，水上钻孔灌注桩施工通常采用“水中平台(或围堰)+回旋钻”工艺，有时亦可采用“双排围堰+干挖钻”进行钻孔作业。然而，在内河航道水上钻孔灌注桩施工所处特定环境特点下，传统工艺存在占用水域面积大影响通航、水上
船舶数量多时安全调度难、泥浆
排量大对环境影响大、钻孔速度慢造成施工效率低等一系列技术经济劣势。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种用于内河航道的水上钻孔灌注桩施工装置，以解决目前采用传统工艺进行水上钻孔灌注桩占用水域面积大影响通航的问题、水上船舶数量多而安全调度难的问题、泥浆排量大对环境影响大的问题以及钻孔速度慢造成施工效率低的问题。
[0005] 本发明的另一目的在于提供一种用于内河航道的水上钻孔灌注桩施工装置的使用方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，用于内河航道的水上钻孔灌注桩施工装置，包括水上移动平台，水上移动平台的一端上部固定有旋挖机构，旋挖机构下方正对埋设在地基中的钻孔灌注桩护筒。
[0007] 进一步的，所述旋挖机构由拆除了小臂的挖机、旋挖
钻杆和
钻头组成，旋挖钻杆竖直安装在挖机的大臂上，钻头安装在旋挖钻杆的头部，钻头下方正对埋设在地基中的钻孔灌注桩护筒。
[0008] 进一步的，所述挖机装有控制旋挖钻杆
位置及高度的
定位控制系统。
[0009] 进一步的，所述水上移动平台的两侧均设有定位桩。
[0010] 进一步的，所述水上移动平台固定旋挖机构的一端的侧面设有辅助泊稳装置。
[0011] 进一步的，所述辅助泊稳装置由钢管柱和
锁紧抱箍组成，锁紧抱箍锁紧埋设在地基中的钢管柱。
[0012] 进一步的，所述水上移动平台固定旋挖机构的一端还固定有喷水
角度可调的喷水装置。
[0013] 本发明所采用的另一技术方案是，用于内河航道的水上钻孔灌注桩施工装置的使用方法，具体步骤如下：
[0014] 步骤S1、确定钻孔灌注桩的控制基线，然后进行现场桩位的测量放样定位；
[0015] 步骤S2、在清洗干净并烘干的钻孔灌注桩护筒内壁均匀涂刷减摩剂，然后将钻孔灌注桩护筒的筒体竖直放置，将其内中心点与步骤S1测量放样定位确定的桩位中心点重合，根据水位高程控制钻孔灌注桩护筒顶端高出水面30～50cm，采用挖泥船振动锤按序振压埋设；
[0016] 步骤S3、在钻孔灌注桩护筒外侧打设钢管桩，用辅助泊稳装置的锁紧抱箍锁紧钢管柱，然后下放定位桩，对水上移动平台进行定位；
[0017] 步骤S4、利用定位控制系统对旋挖钻杆进行桩位对中、竖直度调整，调整好后锁定旋挖钻杆的位置；
[0018] 步骤S5、采用钻头进行旋挖钻孔，当回次进尺完成后，提升钻头至钻孔灌注桩护筒上方，依靠挖机的动力控制系统将其水平旋转至钻渣运输船船舱上方进行卸土，然后旋挖钻杆再次回转至钻孔灌注桩护筒上方，再次进行对中、竖直度调整后锁定旋挖钻杆的位置，下放钻头进行下回次钻进；
[0019] 步骤S6、循环步骤S5，直至钻孔达到设计深度后进行成孔检查，成孔检查合格后进行清孔；
[0020] 步骤S7、清孔完成后，将
钢筋笼依次经起吊、正位、下放、正位复核，使钢筋笼下放到位，然后将钢筋笼与钻孔灌注桩护筒
焊接固定，并使钢筋笼的中心与桩中心重合，防止
浇注混凝土时钢筋笼上浮和下沉；
[0021] 步骤S8、吊机船配合下放安装
导管，导管轴线偏差不能超过钻孔深度的0.5％且不得大于10cm，然后通过导管连续浇筑混凝土；
[0022] 步骤S9、待混凝土初凝后，拔出钻孔灌注桩护筒。
[0023] 进一步的，所述钻孔过程中通
过喷水装置向钻孔灌注桩护筒内喷水自行造浆，保护钻孔灌注桩护筒的内壁；
[0024] 所述钻头卸土困难时，采用喷水装置对准钻头进行冲刷辅助卸土。
[0025] 进一步的，所述导管在浇筑首批混凝土时，控制其底部至孔底距离为30～40cm，后续浇筑混凝土过程中，控制导管在混凝土中的埋深为1～3m。
[0026] 本发明的有益效果是：
[0027] 1.对航道正常通航影响较小。本发明提出的施工装置(工艺)不需要搭设排架或围堰，占用水域面积相对较小，水上移动平台机动灵活，当施工中遇船舶航行高峰时，可及时撤出水域，能有效降低水上作业安全
风险，为航道航运船舶正常通航提供保障；有效解决了采用传统工艺进行水上钻孔灌注桩占用水域面积大影响通航的问题和水上船舶数量多时安全调度难的问题。
[0028] 2、机械化程度高，成孔速度快。本发明提出的施工装置(工艺)由于旋挖钻杆靠底部带有活
门的钻头回转
破碎岩土，并直接将其装入钻头内提升运至孔外，无需将岩土搅碎靠泥浆返出孔外，场外试钻试验数据显示，一般土质每分钟进尺可达50cm左右，成孔速度在以粘土、粉质粘土为主的
地层比回旋钻、冲击钻桩机快5～6倍，有效解决了钻孔速度慢造成施工效率低的问题；同时，挖机依靠回旋钻机或旋挖钻机上的可自动伸缩的旋挖挖钻杆进行钻进，不需要人工进行旋挖钻杆的拆装，无需进行泥浆清渣处理等，可降低工人的劳动强度，同时节约人力资源。
[0029] 3、减少泥浆排放，利于环境保护。
现有技术在钻进过程中钻渣以泥浆形式排出，虽能造浆护壁，但泥浆
排放量巨大，不环保，需要专门的泥浆运输船运输，后期还需对泥浆进行处理。而本发明提出的施工装置(工艺)，钻孔出渣以土为主，仅在需要造浆护壁时采用可调节喷水装置往钻孔灌注桩护筒内喷少量水造浆护壁，泥浆产生量很小，因此大大减少了泥浆排放，对周围环境的影响甚微，同时节省了泥浆外运的成本，有效解决了采用传统工艺进行水上钻孔灌注桩泥浆排量大对环境影响大的问题。
[0030] 4、减少船机配置，降低作业风险。本发明提出的施工装置(工艺)由于水上移动平台机动灵活，
稳定性好，成孔速度快，工序衔接紧凑，泥浆排放少，已成功应用于“苏南运河常州段三级航道
整治工程中天钢
铁段和西段完善工程航道施工项目‘SNCZ-SG-HD6标段’”项目施工，应用结果显示：在同等条件下(工期、数量、土质)，船机配置数量大幅度减少2/3以上，施工区域内往返调遣次数大幅降低2/3以上，进一步提升了施工效率，同时也降低了水上安全作业风险。
[0031] 5、施工
精度高，易于现场管理。本发明提出的施工装置(工艺)施工过程对孔深、垂直度、钻压、钻头内装土容量等均通过挖机的定位控制系统电脑控制，同时，采用挖机
机身的柴油
发动机提供动力，无需外接电源，利于现场管理和控制。
[0032] 6、本发明提出的施工装置(工艺)已成功应用于“苏南运河常州段三级航道整治工程中天钢铁段和西段完善工程航道施工项目‘SNCZ-SG-HD6标段’”项目施工，经综合测算，在满足工期要求前提下，钻孔灌注桩平均施工成本(不含钢筋笼、混凝土等主材)从280～300元/m降低到240元/m，施工成本节约15％以上。
附图说明
[0033] 为了更清楚地说明本发明
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地介绍，显而易见地，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他的附图。
[0034] 图1是本发明用于内河航道的水上钻孔灌注桩施工装置的主视结构示意图。
[0035] 图2是本发明用于内河航道的水上钻孔灌注桩施工装置的俯视结构示意图。
[0036] 图中，1.水上移动平台，2.定位桩，3.辅助泊稳装置，4.挖机，5.大臂，6.旋挖钻杆，7.钻头，8.钻孔灌注桩护筒，9.喷水装置。
具体实施方式
[0037] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038] 如图1～2所示，用于内河航道的水上钻孔灌注桩施工装置，包括水上移动平台1，水上移动平台1的两侧设有定位桩2进行定位；水上移动平台1的前端一侧设有辅助泊稳装置3进行辅助泊稳，提高水上移动平台1前端作业时的稳定性。水上移动平台1的前端上部布置有拆除了小臂并保留了大臂5的挖机4，挖机4的大臂5上安装有旋挖钻杆6，挖机4装有精确控制旋挖钻杆6位置及高度的定位控制系统(挖机4本身的、用于精确控制其小臂的定位控制系统)，旋挖钻杆6的头部根据不同地质条件安装有不同类型的钻头7，钻头7下方正对钻孔灌注桩护筒8，钻孔灌注桩护筒8应根据不同的工程实际采取合理的护筒型式，钻孔灌注桩在施工时，钻孔灌注桩护筒8有不同的结构型式，且有不同的埋设方式，针对具体工程要具体分析，必要时要进行场外试验，以确定护筒型式和埋设方式。针对某具体工程实际，表2给出了不同护筒型式和埋设方式下的试验结果。此处不同类型的钻头的不同之处主要是指其结构特征不同，不同结构特征的钻头在钻进过程中对土的切割性能、钻渣与钻头的粘结性能以及钻进速度等因素影响较大，应根据不同土质试验确定采用何种类型的钻头。水上移动平台1上还安装有正对钻头7或钻孔灌注桩护筒8的喷水角度可调节的喷水装置9，根据需要，喷水装置9可以辅助造浆护壁，亦可辅助对冲钻头7辅助卸土。
[0039] 为适应内河航道，本发明采用水上移动平台1，并在水上移动平台1前端设置挖机4，并对挖机4进行改装，拆除小臂，保留大臂5，并在大臂5上安装回旋钻机或旋挖钻机上的可自动伸缩的旋挖钻杆6(同时安装回旋钻机或旋挖钻机上的旋挖钻杆及旋挖钻杆的自动伸缩控制装置)，在旋挖钻杆6底部设置钻头7，改装后的挖机4依靠旋挖钻杆6进行钻进，并设置喷水装置9喷水自行造浆及辅助卸土。
[0040] 传统工艺在内河航道水上钻孔灌注桩施工中存在一系列技术经济劣势，考虑采用“水上移动平台+旋挖钻机”施工工艺，但“旋挖钻机”本身因臂展摆副较小，不能满足作业空间需要，于是，本发明采用“挖机”拆除小臂，保留大臂，并在大臂上安装“旋挖钻杆”，以代替“旋挖钻机”。
[0041] 本发明的水上移动平台，主要特征是可移动，常选用平板驳；传统工艺中现有的水中平台一般指现场搭设的栈桥，主要特征是固定，只能用于某一小段水域钻孔灌注桩施工，为施工安全方便，栈桥搭设长度宽度一般都较大，会影响航道正常通航，且该处施工完毕，栈桥就失去意义，造成经济上的巨大浪费；围堰、双排围堰一般均为为建造永久性水利设施而修建的临时性围护结构，其作用是防止水和土进入
建筑物的修建位置，以便在围堰内排水，开挖基坑，修筑建筑物，围堰一般在用完后都要拆除，且围堰高度得高于施工期内可能出现的最高水位，施工效率较低且不经济。
[0042] 传统工艺“水中平台(或围堰)+回旋钻机”在钻孔灌注桩施工过程中土体最终均以泥浆的形式排出，本发明创造提出的工艺装置喷水造浆护壁，产生泥浆量很少，大量土体最终均以土渣的形式排出。
[0043] 具体施工时需配备打桩船、钢筋笼吊装船及混凝土
泵船等辅助船舶，具体操作如下：
[0044] 首先技术人员进行复核定线及测量定位，根据复核所采集的数据调整和确定钻孔灌注桩控制基线后再进行现场桩位的测量放样定位。
[0045] 接着埋设钻孔灌注桩护筒8，埋设采用挖泥船振动锤按序振压埋设，每个施工点应一次埋设多个钻孔灌注桩护筒8，以保证施工有序的连续进行，钻孔灌注桩护筒8埋设位置应准确，筒体竖直，其内中心点与桩位中心点重合，钻孔灌注桩护筒8顶端根据水位高程控制一般高出水面30～50cm。钻孔灌注桩护筒8埋设完成后，采用测量放样定位确定的中心点进行校核，如有偏差立即调整，用水准仪测量钻孔灌注桩护筒8顶端标高并作好记录，作为控制孔深的基线，每次钻孔灌注桩护筒8埋设前，应将钻孔灌注桩护筒8内壁清理干净，并用烘干器将钻孔灌注桩护筒8内壁烘干，然后均匀涂刷多次减摩剂。
[0046] 钻孔灌注桩护筒8埋设完成后，在其外侧50cm左右位置打设一排φ400@6000(相邻两钻孔灌注桩护筒8的间距6m)左右的钢管桩，用于水上移动平台1的辅助泊稳装置3，为了便于控制驻船时的速度，水上移动平台1采用逆向驻船，缓慢抵靠就位钢管桩，用辅助泊稳装置3抱箍锁紧，进一步保证水上移动平台1作业区部分的稳定性，最后下放定位桩2进行定位。
[0047] 水上移动平台1锁紧就位后，操作人员利用定位控制系统，对旋挖钻杆6进行桩位对中、竖直度调整，调整好后现场技术人员对旋挖钻杆6的位置和竖直度进行复核，偏差在允许范围内时，再将旋挖钻杆6的调整系统通过电脑控制锁住，防止旋挖钻杆6在钻进过程中发生变化。
[0048] 下一步，根据设计图提供的土质、试桩钻渣取样及试桩结果，采用合理的护壁方法(可采用喷水装置9往钻孔灌注桩护筒8内喷水自行造浆)及不同类型的钻头7进行旋挖钻孔施工，装有钻头7的旋挖钻杆6准确就位后，开始进行钻孔取土，钻进过程中，当回次进尺完成后，提升钻头7至钻孔灌注桩护筒8顶1.0m左右高度，依靠挖机4的动力控制系统水平旋转至钻渣运输船船舱上方，继续提升装有钻头7的旋挖钻杆6，直至旋挖钻杆6上压盘
挤压钻头7上的
弹簧螺杆，使钻头7底门弹开，土体依靠自重坠入船舱内，如卸土困难，可采用喷水角度可调的喷水装置9对准钻头7进行冲刷辅助卸土。喷水装置9为一个简单的喷水管道，需要造浆时，将其对着钻孔灌注桩护筒8内壁缓慢注水；需要辅助卸土时，人工移动喷水管道，对准钻头7喷水辅助卸土。
[0049] 在钻孔过程中，需使用泥浆防护钻孔灌注桩护筒8的内壁，现有技术一般是在钻进过程中钻渣以泥浆形式排出，虽能造浆护壁，但泥浆排放量巨大，不环保，需要专门的泥浆运输船运输，后期还需对泥浆进行处理，本发明提出的施工装置(工艺)钻渣主要以土排出，本发明是采用可调节喷水装置9往钻孔灌注桩护筒8内喷水自行造浆护壁，泥浆产生量很小。
[0050] 下一步，旋挖钻杆6再次回转至钻孔灌注桩护筒8上部，再次进行对中调整，下放钻头7进行下回次钻进。
[0051] 钻孔达到设计深度后，应对钻孔进行全面检查(包括孔位、孔深、孔径、垂直度及沉渣厚度)即进行成孔检查。成孔检查合格后方能进行清孔，清孔时，将钻头7放至孔底，旋挖钻杆6不加压不钻进，只在原深度空转清土，然后停止转动，提起旋挖钻杆6，提钻时不得回转旋挖钻杆6；清孔后，再次用测绳等测量装置检测孔深。
[0052] 成孔后，进行钢筋笼的运输及安装。整根钢筋笼制作完成后，经自检合格后报监理工程师检查认可，钢筋笼安装前应清除粘附的泥土和油渍，保证钢筋与混凝土紧密黏结。①现场起吊：现场钢筋笼的起吊直接利用钢筋笼吊装船进行下放，吊点设置在每节钢筋笼最上一层加劲箍处，对称布置，吊
耳采用圆钢制作并与相应主筋焊接，为避免钢筋笼发生吊装
变形，钢筋笼顶口设置专用吊架，吊架结构钢筋笼下放到位时待上口吊筋对中后，再松钩将吊筋挂于横在孔口的扁担梁上。钢筋笼的施工顺序为起吊→正位→下放→正位复核。②钢筋笼的下放：提起连接好的骨架、抽出扁担梁，缓慢下放，重复上述工序①。钢筋笼下放到位后将吊筋与扁担、扁担与钻孔灌注桩护筒8焊接固定，防止浇注混凝土时钢筋笼的上浮和下沉。固定时，要根据钻孔灌注桩护筒8的偏位情况将钢筋笼中心反方向调整，以使钢筋笼中心与桩中心重合。
[0053] 最后安装下放导管、浇筑混凝土。导管使用前必须进行试拼和试压，导管安装采用吊机船配合安装，导管组装后轴线偏差不能超过钻孔深度的0.5％且不得大于10cm，保证钻孔灌注桩的
质量，轴线偏差太大，有可能在浇筑混凝土完成时钻孔灌注桩桩体本身存在混凝土不均匀甚至内部留有空隙等质量问题。浇筑首批混凝土时，导管底部至孔底距离控制在30～40cm，第一次灌注混凝土前用钢板作为砼
挡板，根据首灌混凝土方量，将料斗卸料口用砼挡板盖住，放入混凝土后，迅速开启卸料口，首灌混凝土一次迅速卸放到孔底，不得中断；然后测量混凝土面深度，确保导管在混凝土中埋深控制在1m～3m。在浇筑首批混凝土时，要求控制其底部至孔底距离为30～40cm，为保证顺利浇筑首批混凝土并保证钻孔灌注桩桩底质量，后续浇筑混凝土过程中，要求控制导管在混凝土中的埋深为1～3m，为保证钻孔灌注桩中混凝土均匀连续分布。每次拆管前测量混凝土面深度，计算导管埋深确定拆除节数；灌注开始后混凝土要连续进行，并尽量缩短灌注时间，争取在初凝前浇筑完毕，过程中
指定专人负责填写水下混凝土灌注记录；全部混凝土灌注完成后，待混凝土初凝后，稍微打拔钻孔灌注桩护筒8，使钻孔灌注桩护筒8与混凝土之间存在间隙以便在混凝土终凝前钻孔灌注桩护筒8的拔出。
[0054] 下面针对一内河航道整治提级工程水上钻孔灌注桩施工，结合工艺试验结果，介绍本发明提出的施工装置(工艺)的一些主要工艺参数。表1为不同类型的钻头7下的各类指标试验数据，表2为不同钻孔灌注桩护筒8方案下各类指标试验数据。
[0055] 表1内河水上移动旋挖钻孔平台场外试钻数据
[0056]
[0057] 注：试钻土样：粉质粘土、粘土，试钻位置：42K+199～42K+612，护筒入土≥1.5m，护筒顶高：2.1m。
[0058] 状态描述：第1种采用开瓣式筒钻，钻进慢，卸土时，钻渣粘连在钻头上卸土困难。钻渣为黄褐色粘土。第2种短螺旋钻钻进很快，但卸土依然困难，钻渣粘连在螺旋叶内，很难清除。第3种采用筒径为0.78m、齿刃倾角为45°、进渣孔口宽为10cm的底开式筒钻，钻进速度相对开瓣式筒钻略有提高，但卸土很快。第4种采用筒径为0.78m、齿刃倾角为30°、进渣孔口宽为20cm的底开式筒钻的成孔时间基本达到预期目标，能满足施工进度要求，经现场多次对场外试钻孔进行成孔质量检查，发现所有桩孔均保持良好，即使部分桩孔已成孔2～3日，仍未出现塌孔、缩颈等情况。
[0059] 原因分析：第1种采用开瓣式筒钻，开瓣式筒钻质韧性强，不易被齿刃切断；土质黏性较强，钻渣在钻筒内挤压密实，形成较强的粘结力。第2种采用短螺旋钻，钻渣在螺旋业叶挤压密实，形成较强的粘结力；经咨询具有较强旋挖钻施工经验的单位，认为钻进速度与齿刃倾角及齿刃结构形式有关。第3种采用筒径为0.78m、齿刃倾角为45°、进渣孔口宽为10cm的底开式筒钻，刃倾角没有调整到位，钻进速度未达最佳；部进渣孔尺寸较小，阻碍钻渣进入筒体。
[0060] 改进措施：第1种采用短螺旋钻，加快钻进速度，解除筒壁对土体的约束。第2种采用底开式筒钻，调整齿刃角度及齿刃结构形式，以期解决钻进问题，同时利用土体自重进行卸土。第3种继续调整齿刃倾角，加大进渣孔口宽，减少阻力。
[0061] 表2内河水上移动旋挖钻孔平台场内试桩数据
[0062]
[0063] 注：试钻土样：粉质粘土、粘土，试钻位置：42K+199～42K+612，护筒入土≥1.5m，护筒顶高：2.1m(振动锤打埋)。
[0064] 内河水上移动旋挖钻孔平台场内试桩总结：土质情况基本一致；成孔质量稳定可靠；水下混凝土灌注连续；桩体质量检测合格；护筒打拔在采用推拔式护筒+内刷减摩剂后比较容易。
[0065] 本发明提出的施工装置(工艺)已成功应用于“苏南运河常州段三级航道整治工程中天钢铁段和西段完善工程航道施工项目‘SNCZ-SG-HD6标段’”项目施工，实现了在3级航道中施工不影响社会船舶正常通航、泥浆排放量减少80％以上、同等条件下(工期、数量、土质)相应船机配置数量减少2/3以上、往返调遣次数降低2/3以上、施工成本节约15％以上、成孔速度比传统工艺提高5～6倍等一系列技术经济指标。
[0066] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
