专利名称：长螺旋搅拌止水帷幕咬合桩及其施工工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于建筑地基基础施工中的成桩技术，特别涉及长螺旋搅拌止水帷幕咬合桩及其成桩的施工工艺。该长螺旋搅拌桩与护坡桩咬合形成用于止水(隔水或截水)帷幕，还可用于护坡桩及其母桩、复合地基桩及其母桩、抗浮(拔)桩母桩。尤其在北方地区较硬土层中更显优势。
背景技术：
水泥土搅拌桩是软土地区帷幕桩的一种常用方法，但在北方地区硬土层中施工就显得力不从心，尤其遇到砂层、砂卵石地层，更是不能达到设计深度，不再适用。旋喷桩也是软土地区帷幕桩的一种常用方法，同样在北方地区硬土层中施工显得力不从心，尤其遇到砂层、砂卵石地层，更是不能达到设计深度和设计的直径。而且施工效率低，不易实现文明施工。由于水泥用量偏大，其造价也不低。笔者申请的另一项发明专利“长螺旋旋喷搅拌水泥土帷幕桩及其施工方法”(200810101832.7)较好地解决了在北京硬土地区中形成可靠的止水帷幕问题，水泥土帷幕桩置于两护坡桩稍后一点(例如5～20cm)有利于与护坡桩协同变形，止水效果可靠，但用在较浅坑或水泥土桩不需太长情况(例如水泥土桩长不超过12m)下，不少业主单位还是嫌造价偏高。于是选择一种技术同样可靠，效率高，易于实现文明施工，造价较低的方法便成为必要。
发明内容
为了克服现有水泥土搅拌桩遇到砂层、砂卵石地层，不能达到设计深度和设计的直径；而且施工效率低，不易实现文明施工的不足，本发明提供一种长螺旋搅拌止水帷幕咬合桩及其施工工艺，并对现有长螺旋钻机进行了改造，能克服较硬土层钻进，提高了止水(隔水或截水)帷幕的可靠性。
本发明采取的技术方案是包括测量放线定桩位；长螺旋钻机就位；采用长螺旋钻机引孔，以确定桩准确位置，松动硬土层，并排除地下障碍；后回填至孔口，或钻具反转上升，利用长螺旋搅拌桩钻具边钻进边泵送浆液搅拌至设计孔底标高；上返时边喷浆边搅拌至设计标高，重复搅拌和喷浆成桩；在完成搅拌桩施工后，利用所述的长螺旋搅拌桩钻具切割该搅拌桩成孔，压灌混凝土后插钢筋笼施工护坡桩，形成整体帷幕。
本发明的有益效果是利用长螺旋搅拌桩为护坡桩的顺利施工打下基础，改造的长螺旋钻机能够克服较硬土层、砂层、砂卵石地层的钻进，保证了达到设计深度和设计的直径；护坡桩与水泥土桩咬合的一体帷幕，既起到了基坑支护作用又实现了有效止水的目的。
图1是本发明长螺旋搅拌止水帷幕咬合桩的一个实施例(护坡桩与水泥土桩等径)的截面示意图； 图2是本发明长螺旋搅拌止水帷幕咬合桩的另一实施例(护坡桩直径小于水泥土桩直径)的截面示意图； 图3是本发明施工工艺流程图； 图4是本发明施工采用的搅拌钻具的结构示意图； 图5是图4中钻头的A-A剖视图； 图6是图5的B-B剖视图； 图7是钻头的另一实施例的结构示意图。
具体实施例方式 参见图1～图3，本发明的成桩工艺过程包括测量放线定桩位；长螺旋钻机就位；采用长螺旋钻机引孔，以确定桩准确位置，松动硬土层，并排除地下障碍；之后回填至孔口，或将钻具反转上升，利用长螺旋搅拌桩钻具边钻进边泵送浆液搅拌至设计孔底标高；上返时边喷浆边搅拌至设计标高，重复搅拌和喷水泥浆形成水泥土桩(搅拌桩)3；在完成搅拌桩3施工后，利用所述的长螺旋搅拌桩钻具切割该搅拌桩3成孔，该孔的直径大于相邻的两根搅拌桩3的间隙，所以在成孔时钻具在相邻的两根搅拌桩3的柱面沿轴向切去一弧形槽；然后在孔内压灌混凝土后插钢筋笼形成护坡桩4，形成搅拌桩3与护坡桩4间置、相互咬合的整体帷幕(参见图1、图2和图3)。
根据需要搅拌桩3与护坡桩4的直径可以相同(如图1所示)，也可使护坡桩4的直径小于搅拌桩3的直径，以降低成本。
参见图4～图7，施工使用的长螺旋搅拌桩钻具包括钻杆1和与其底端连接的钻头2，所述的钻杆1包括管状的杆体12和连接在其外周面的螺旋叶片11，该螺旋叶片11位于钻杆1的上部，该螺旋叶片11占该长螺旋搅拌桩钻具长度的1/5～1/4。在钻杆1的下部设有径向的搅拌齿13。在钻杆1外也可全部为螺旋叶片11或全部为径向的搅拌齿13。
如图4～图6所示，钻具的下部为搅拌钻头2，包括管状主体24、一字搅拌齿25(或不连续的螺旋叶片30，如图7所示)、钻齿27和喷嘴26，至少两组一字搅拌齿25相互垂直交叉为十字形，并交替间隔地径向连接在管状主体24的外周面，在该一字搅拌齿25的下面设有喷嘴26，喷嘴26与穿过所述的管状主体24空腔内的高压注浆管29相通，该高压注浆管29贯穿于钻杆1的杆体12。所述的管状主体24的底端为封闭的圆锥形，在该封闭的顶端径线上安装钻齿27。在所述的钻杆1的底端和钻头2的顶端各设有法兰14和22，两个法兰通过螺栓相互同轴连接。
钻具的下部也可全长采用光杆或加部分搅拌齿钻具。
所述的长螺旋钻机的动力头部位开孔穿入注浆管，或从长螺旋钻机动力头部位的弯头穿入注浆管(与高压注浆管29连接)，在该注浆管的穿入处设置单动装置，也可将注浆管从长螺旋钻机的动力头的弯头穿入连接，在该连接处设置单动装置。
长螺旋钻具上部的1/4～1/5带有螺旋叶片11，可将孔内的土部分排出，并有定向导正作用。
施工时注浆配备水泥浆注浆泵，搅浆桶震动筛及储浆桶。搅浆后经过震动筛流入储浆桶，用水泥浆注浆泵泵送水泥浆至输浆管至钻具。
实施例1-马坊新村二期地下车库基坑支护工程 1.工程概况及地质条件 拟建工程位于北京市朝阳区马坊东路，用途为地下车库，地下二层，覆土1.5m。本工程为地下二层钢筋砼框架结构，局部出地面。基础采用梁板式筏型基础。
本工程相对标高±0.000相当于绝对标高38.600。地下车库槽底标高为-13.46m(绝对标高25.14m)，基坑深度为12.76m。
1.1场区工程地质条件 勘察范围内的地层按照沉积年代、成因类型，划分为人工堆积层和第四纪沉积层二大类，根据岩性及工程性质进一步划分为5个大层，自上而下分述如下 人工堆积层 ①大层粘质粉土、粉质粘土填土①层，房渣土①1层，该层厚度0.8～3.0m。
第四纪沉积层 ②大层层顶标高为34.75～36.84m，以下为杂色，中密的卵石、圆砾②层，褐黄～灰色，中密的细砂②1层，褐黄色，中密的砂质粉土、粘质粉土②2层及局部中密～中下密粉质粘土、重粉质粘土②3层，该层厚度为3.60～5.80m。
③大层层顶标高29.96～31.88m以下为褐黄色，中～中上密的粉质粘土、重粉质粘土③层，褐黄～灰色，中密的细砂③1层及褐黄色，中～中上密的粘质粉土、砂质粉土③2层。该层揭露最大厚度为10.10m。
④大层层顶标高为21.46～24.36m，以下为褐黄色，中上密的细砂④层，该层揭露最大厚度为5.50m。
⑤大层层顶标高为19.94m，以下为杂色，中上～密实的卵石⑤层，该层揭露最大厚度为2.00m。
1.2场区水文地质条件 勘察范围内发现两层地下水，第一层水为潜水，静止水位标高29.06～32.88m，埋深为4.20～9.10m，第二层水为承压水，静止水位标高21.81～25.04m，埋深为11.70～15.50m。本场区近3～5年地下水最高水位标高33.0～34.0m左右(包括上层滞水)。
2.设计内容 2.1地下水影响分析 通过对场区勘察报告提供的地层条件、水文地质条件和结构底板埋深情况的分析，场区内存在的第一层潜水对基坑开挖和地下结构施工具有影响，第二层承压水位于基坑槽底以下，对基坑开挖无影响。
2.2止水方案确定 结合工程实际情况及现场周边环境，对第一层潜水采取长螺旋搅拌桩止水方案。长螺旋搅拌桩布置在护坡桩之间，先施工搅拌桩，后施工护坡桩。护坡桩与搅拌桩咬合形成“桩墙”帷幕止水。
由于基坑面积较大，为加快基坑内地下水的疏干，在基坑中部布置一定数量的疏干井。疏干井随基坑的开挖逐渐截短，至槽底后进行回填封堵处理。
2.3搅拌桩设计参数 在每二根搅拌桩3之间布置一根支护桩4，且应保证搅拌桩3与支护桩4的交圈厚度≥300mm。
搅拌桩中心线在支护桩中心线外侧，且距离为150mm，搅拌桩与支护桩中心距离为600mm。此时，搅拌桩与支护桩的交圈厚度＞300mm，满足设计要求。
桩径φ800mm 有效桩长3.9～8.9m 桩顶标高32.90m 浆液材料P·O32.5素水泥浆+外加剂，水灰比1.0，桩体强度1.0～3.0MPa。
2.4疏干井设计参数(表1) 说明①管径为外径/壁厚； ②疏干井井深以井底标高24.00m控制； ③潜水泵泵量3～5m3/h，施工中可根据实际出水量，对潜水泵量做相应调整以满足排水需要； ④基坑开挖中应加强对疏干井的保护，基坑开挖到底后方可废弃。
3.具体施工 3.1施工机具配置 根据长螺旋搅拌桩的特点，每台套机具必须具备以下的设备长螺旋钻机(两台)、注浆泵(一台)、灰浆搅灌机(一台)、高压管(若干)。每台设备参数如下 1、长螺旋钻机 长螺旋钻机主要参数见表2。
表2 长螺旋主要性质参数 2、灰浆泵 灰浆泵的主要参数见表3。
表3 灰浆泵主要性质参数 由于钻机是由长螺旋改装的，所以长螺旋的螺旋钻杆换成光杆，钻头经过特制，装后的钻头见图4～图7。
3.2搅拌桩施工准备 3.2.1搅拌桩与其他工序的关系 先施工搅拌桩，后施工护坡桩，施工护坡桩时对搅拌桩切割咬合。
3.2.2搅拌桩施工准备工作 1、施工前应完成“三通一平”施工条件，现场电源根据设备功率大小，选用现场配电；水源根据设备数量，选用宜大勿小；场地应平整并具有一定的强度，如强度不足，应铺垫砂石，或垫钢板以利机械行走。
2、熟悉施工图纸及场地的土质、水文地质资料，做到心中有数。
3、按水泥土桩位平面图，测设桩位轴线、定位点，用Φ25钢筋在桩位处扎入深度不小于30cm的孔，填入白灰并插上钢筋棍，标识桩位，要求所有桩位一次全部放定，并由技术负责人组织质检员、施工员、班组长共同对桩位进行检查，甲方或监理确认准确无误。
4、施工前应将水泥送实验室复试，保证合格。
5、施工前应对施工人员进行全面的安全技术交底，施工前对设备进行安合可靠性检查，确保施工安全。
6、施工现场应做好材料、机具摆放规划。避免杂乱影响施工正常进行或造成安全事故。
3.2.3施工场地布置 本施工场地基本呈正方形布置，布置2台套并列施工，施工设备及辅助设施应根据材料运距短、便于运输和存放，水电接头方便，机具设备集中，便于指挥，设备管线移动方便。
3.2.4劳动力组织 根据本工程的特点，施工实行每天2班工作制，每班工作时间12小时。每套设备的劳动力人员配备如下(表4) 3.3搅拌桩施工工艺 3.3.1工艺流程 施工工艺流程图5如下所示 3.3.2工艺要求 (1)钻机就位前，一定要对准桩位标志下钻，对中误差应＜50mm，调整好桩机，桩机的主动钻杆要保证垂直，垂直度允许偏差≤0.5％，防止桩斜。
(2)对施钻和喷浆严格要求。在施钻前，项目技术负责对钻进速度、复搅次数、钻进速度、喷浆速度、喷浆次数及停浆面向作业人员详细交待；特别对水泥用量、水泥浆液水灰比进行检查。
(3)停浆面控制停浆面保证在设计桩顶上不少于50cm处，保证保护桩长达50cm，误差＜10cm。
(4)制浆根据每米有效桩长耗用水泥多少，一次性配制一根桩所用的水泥浆。水泥浆液的水灰比为1.0~1.1。水泥浆进入储浆池前一定过筛。凡已配好的水泥浆大于2小时仍未使用的，应全部废弃，不准用来制桩。
(5)制桩成桩速度不能太快，提升速度≤0.8m/min，每次上升或下沉，要求成桩速度必须均匀。
(6)搅拌桩直径为800mm，中心距为1200mm。
(7)自来水总供水管一个，直径Φ100，流量Q≥15m3/小时，通至施工现场，并安装足量程水表一块及阀门一个。
(8)供电总量250KW，最大施工用功率约200KW，电压220V/380V，每台套均装设开关柜一个，并通至施工现场。
(9)水泥品种P.032.5普通硅酸盐水泥(袋装)；水泥品质复检合格。
效果检验 长螺旋搅拌桩在2008年11月5日施工，在2008年12月15日结束。从槽开挖的情况看，除了少数漏点及时堵漏，总体止水效果还是很好的。现场开挖后效果图5，6，7如下。
实施例2 天利生产研发大楼项目基坑支护工程 1工程概况 拟建天利生产研发大楼项目工程位于北京市朝阳区望京利泽中园101号，现北京天利深冷设备股份有限公司院内。
根据《天利生产研发大楼基坑支护施工招标文件》提供的资料，本工程包括主楼及纯地下部分，主楼地上13层，框架-核心筒结构，总高度59.9m；设地下2层。主楼南侧为纯地下部分，设地下一层，主要用于停放车辆(局部有设备夹层)，框架结构，其上覆土3.90m。
主楼地下2层地面标高与纯地下部分地面标高均为-8.40m，且基础底板相连。拟建项目设计室内地坪标高(±0.00标高)为35.60m。
本工程由北京望京新兴产业区综合开发公司及天利深冷设备股份有限公司筹资兴建。场地四周有需保护的地下管线。
场区内场地标高在35.61m～36.53m。
业主/建设单位北京天利深冷设备股份有限公司； 国内设计单位/设计院中国建筑北京建筑设计院。
2工程地质、水文地质条件 拟建场地，场地地势比较平坦，孔口地表标高35.61m～36.53m。
2.1工程地质条件 本次勘探的最大深度(40m)范围内，土层分为人工堆积层和第四纪沉积层两大类，并根据各土层岩性及工程性质指标对各土层进一步划分为12个大层，现描述见表1-1。
表1-1土层岩性及工程性质表
2.2水文地质条件 根据岩土工程勘察报告，在勘探期间，40m深度范围内，遇到2层地下水，现场实测的各层地下水水位情况及类型参见下表 表1-2地下水水位情况及类型表 3基坑支护设计方案 3.1基坑北、西坡支护设计 基坑北、西坡槽底标高25.34m(相对标高-10.26m)，基坑实际挖深约10.20～10.30m。
基坑西坡靠近望京科技园E、F座(E座基础埋深5.8m，地上檐高21.3m，F座基础埋深2.5m，地上檐高21.3m)，科技园E、F座与拟建场地之间布有多条管线(包括热力、雨水等)。根据招标文件要求，基坑西坡作为结构施工中转材料堆放场地。
基坑北坡基坑靠近天利1#厂房，基础埋深-2.6m，地上为单层厂房及4层框架办公楼、檐高14.80m，厂房与拟建场地之间布有多条管线(包括热力、雨水等)。根据招标文件要求，北坡需通过重车荷载。
另外，基坑西坡有一间小室，连接着一条正在供暖的热力管线。小室几乎紧贴基坑上口开挖线，在小室的影响范围内，需要更加严格的控制基坑变形，保证相关设施的正常运转。
综合考虑场地情况及现场总体规划要求，经设计计算，基坑西、北坡拟采用桩锚支护方式，桩顶位于自然地面，并设置1道锚杆(小室影响范围内的局部设置两道)，具体支护设计如下 (1)护坡桩设计 表2-1北、西坡护坡桩设计参数表
(2)桩顶冠梁设计 表2-2北、西坡冠梁设计参数表 (3)锚杆设计 本方案自上而下绝大部分区域设计1道锚杆，受小室影响范围内设置2道。
表2-3-1北、西坡锚杆设计参数表
表2-3-2受小室影响范围内锚杆设计参数表
3.2基坑东、南坡支护设计 基坑东、南坡槽底标高25.34m(相对标高-10.26m)，基坑实际挖深约10.20～10.30m。
南坡基坑距离红线较远，且南边坡靠近望京北路，没有重要建筑物。东坡情况类似，距离红线较远，且靠近道路，没有重要建筑物，管线埋设都相对较远。
根据现场实际情况，经设计计算，拟采用上部土钉墙+下部锚支护方式，桩顶座于-2.2m，桩顶上部约2m～2.2m厚土层采用放坡+土钉墙支护，自桩顶至槽底设置1道锚杆。
(1)土钉墙设计 自地表向下2m～2.5m高的边坡，采用1∶0.2放坡，设置1道土钉，土钉的具体布置如下土钉长5m，布置在地表下1.5m； (2)护坡桩设计 表2-4东、南坡护坡桩设计参数表
(3)锚杆设计 表2-5东、南坡锚杆设计参数表
4、基坑止水设计方案 根据场地含水层特性、基础埋深及现场施工条件，拟采用止水帷幕止水。采用长螺旋搅拌设备进行施工，以水泥浆为固化材料搅拌成桩，桩与桩咬合成一幕墙，达到截水目的。止水帷幕桩设计参数如下 (1)桩径 止水帷幕桩采用桩间搅拌桩，搅拌桩有效直径不小于700mm，帷幕桩轴线位于护坡桩轴线之外10mm。
(2)布置方式每2根护坡桩中间布置1根帷幕桩； (3)桩长4.4m(考虑到东坡及南坡东段细砂～中砂④3分布范围特征，72#～172#桩间帷幕桩加长为8.8m)，深入隔水层2m。
(4)桩顶标高-4.0m； (5)固化材料P.S.A 32.5素水泥浆； (6)水泥浆水灰比1.0～1.3，注浆压力4～10MPa； (7)为保证干槽作业，在基坑内部肥槽内设置10口疏干井以疏干基坑内部的地下水，疏干井采用管井，主要布置在基坑四周肥槽内。
5效果检验 长螺旋搅拌桩在2009年2月6日施工，在2009年3月15日结束。从槽开挖的情况看，没有发现漏水现象。
权利要求
1、一种新型的水泥土搅拌桩成桩方法，其特征在于其工艺方法包括测量放线定桩位；长螺旋钻机就位；采用长螺旋钻机引孔，以确定桩准确位置，松动硬土层，并排除地下障碍；后回填至孔口，或钻具反转上升，利用长螺旋搅拌桩钻具边钻进边泵送浆液搅拌至设计孔底标高；上返时边喷浆边搅拌至设计标高，重复搅拌和喷浆成桩；在完成搅拌桩施工后，利用所述的长螺旋搅拌桩钻具切割该搅拌桩成孔，压灌混凝土后插钢筋笼施工护坡桩，形成整体帷幕。
2、根据权利要求1所述的新型的水泥土搅拌桩成桩方法，其特征在于所述的长螺旋搅拌桩钻具包括钻杆和与其底端连接的钻头，所述的钻杆包括管状的杆体和连接在该杆体上部外周面的螺旋叶片，该螺旋叶片占该长螺旋搅拌桩钻具长度的1/5～1/4，在该杆体的下部设有径向的搅拌齿。
3、根据权利要求1所述的新型的水泥土搅拌桩成桩方法，其特征在于所述的长螺旋搅拌桩钻具包括钻杆和与其底端连接的钻头，所述的钻杆包括管状的杆体和连接在该杆体外周面的螺旋叶片或径向的搅拌齿。
4、根据权利要求2或3所述的新型的水泥土搅拌桩成桩方法，其特征在于所述的钻头包括管状主体、一字搅拌齿或不连续的螺旋叶片、钻齿和喷嘴，至少两组一字搅拌齿相互垂直交叉为十字形，并交替间隔地径向连接在管状主体的外周面，在该一字搅拌齿的下面设有喷嘴，喷嘴与穿过所述的管状主体空腔内的高压注浆管相通，该高压注浆管贯穿于所述的钻杆的杆体；所述的管状主体的底端为封闭的圆锥形，在该封闭的顶端径线上安装钻齿；在所述的钻杆的底端和钻头的顶端各设有法兰，两个法兰通过螺栓相互同轴连接。
5、根据权利要求1所述的新型的水泥土搅拌桩成桩方法，其特征在于所述的长螺旋搅拌桩的钻头为带出浆孔的长螺旋钻头或互相垂直的双十字搅拌齿，该出浆孔位于搅拌齿下面。
6、根据权利要求1所述的新型的水泥土搅拌桩成桩方法，其特征在于从所述的长螺旋钻机的动力头部位开孔或从弯头部位穿入注浆管，在该穿入处设置单动装置。
全文摘要
一种新型的水泥土搅拌桩成桩方法，包括测量放线定桩位；长螺旋钻机就位；采用长螺旋钻机引孔，以确定桩准确位置，松动硬土层，并排除地下障碍；后回填至孔口，或钻具反转上升，利用长螺旋搅拌桩钻具边钻进边泵送浆液搅拌至设计孔底标高；上返时边喷浆边搅拌至设计标高，重复搅拌和喷浆成桩；在完成搅拌桩施工后，利用所述的长螺旋搅拌桩钻具切割该搅拌桩成孔，压灌混凝土后插钢筋笼施工护坡桩，形成整体帷幕。本发明的有益效果是利用长螺旋搅拌桩为护坡桩的顺利施工打下基础，改造的长螺旋钻机能够克服较硬土层、砂层、砂卵石地层的钻进，保证了达到设计深度和设计的直径；护坡桩与水泥土桩咬合的一体帷幕，既起到了基坑支护作用又实现了有效止水的目的。
文档编号E21B10/00GK101603309SQ200910088478
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者何世鸣, 江 李, 田震远, 周与诚, 张明中, 王之军, 城 贾, 敏 杨, 辉 陈, 李长生, 司呈庆, 王建明, 程金霞, 黄鑫峰, 伟 洪, 杜高恒 申请人:北京建材地质工程公司, 中材地质工程勘查研究院, 北京城建科技促进会