一种超深复合桩组合施工装备及施工方法与流程

本发明涉及地下工程机械设备，尤其涉及一种超深复合桩组合施工装备及施工方法。

背景技术：

1、在当前岩土工程中，复合桩正在全国范围内大力推行，复合桩一般是由刚性芯桩和水泥土组成。水泥搅拌桩的施工及芯桩的压入改善了桩周和桩端土体的物理力学性质及应力场分布，有效地改善了桩的荷载传递途径；桩顶荷载由芯桩传递到水泥土桩再传递到侧壁和桩端的水泥土体，有效地提高了桩的侧阻力和端阻力，从而有效地提高了复合桩的承载力，减小桩的沉降。

2、然而，在水泥搅拌桩和劲芯复合桩工程应用中仍存在以下亟待解决的技术问题，通过实施本发明解决方案，能够在工程机械装备和工艺工法方面获得显著的技术进步：

3、1、目前占据水泥搅拌桩工程市场主要地位的施工装备是单向搅拌桩施工钻机，单向搅拌桩施工方法也一直是搅拌桩施工市场的主流。这种已有60多年历史的钻机类型，在长期应用中一直无法规避①桩体固化土搅拌不均匀且桩身强度离散性大；②施工过程经常出现糊钻抱钻以及水泥浆地表冒浆的现象；③难以施工大直径的、大深度、硬土层的搅拌桩；④搅拌桩施工效率低且水泥消耗量大；⑤搅拌桩施工质量可控可靠性差等弊病。为此，本发明在劲芯复合桩组合施工装备基础上增加了双向搅拌机构解决方案，并提出基于双向搅拌机构的多层双向互剪搅拌施工方法，简称cs-dsm(contra rotational shear–deepsoil mixing)工法。应用cs-dsm工法，利用钻具正反向旋转及其多层搅拌翼板双向剪切搅拌功能可实现双向搅拌桩均匀性增强与桩身强度离散性降低的有益效果；还可根治糊钻抱钻及地表冒浆问题，同时降低固化剂使用量并使大直径、大深度、硬土层搅拌桩施工成为可能。在同等地层、相同桩长桩径条件下，施工时间可减少30～40％，并能提高搅拌桩施工的可控可靠性，最终可使搅拌桩工程施工成本下降10％～15％。

4、2、近20年来，劲芯复合桩施工均采用搅拌桩钻机和静压桩机两台施工装备，施工需要较大的工作场地，在狭窄场地施工时易受到空间限制，且施工周期长，设备使用费高；采用本发明的劲芯复合桩组合施工装备可以将两台施工装备合二为一形成紧凑结构装备，同时压桩机构采用可移动方式在装备平台上水平移动，在不移动整体装备的情况下进行芯桩与搅拌桩孔位的对中，进而可以降低施工对场地的要求，提高施工效率，同时也可提升施工桩位精准对位能力。

5、3、当施工钻机主桅杆/塔架高度超过40m时，现有搅拌桩钻机装备施工时易发生倾倒，而主桅杆/塔架高度小于30m的搅拌桩钻机又难于满足设计桩长要求。目前某些地方政府出台政策，对搅拌桩钻机的主桅杆/钻架提出30m限高要求，使施工桩长受到限制，影响了劲芯复合桩的应用；劲芯复合桩组合施工装备解决方案可以满足工程装备施工稳定安全要求以及30m限高要求，同时，还可以施工桩长接近60m的搅拌桩和劲芯复合桩，从而能够解决当前建筑市场亟待解决的痛点难题。

技术实现思路

1、针对现有劲芯复合桩施工装备的施工特点及所面临技术问题，本发明提出了一种超深复合桩组合施工装备及施工方法，采用该组合施工装备及多层双向互剪搅拌桩工法可以实现固化土的多层双向互剪搅拌、良好的桩身均匀性和满足设计桩身强度。同时，采用该组合施工装备可以消除因政策性限高原因导致的桩长无法达到设计要求的难题；施工机械设备更加紧凑，减小了设备对工作面的要求，压桩机构的移动设置，缩短了刚性芯桩的对位时间，缩短了工期。

2、为本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

3、一种超深复合桩组合施工装备，包括装备平台、塔架、压桩机构和吊车；所述塔架位于装备平台的右侧；所述塔架通过旋转机构水平旋转连接在装备平台上；塔架的外周面上安装有至少两部钻进机构，所有所述钻进机构分别升降移动的悬挂连接在塔架的不同外周面上，且其中一个钻进机构下部穿过装备平台的钻孔通口连接有钻具单元，所述钻进机构用于驱动钻具单元施工高质量超深搅拌桩，并通过旋转机构旋转定位使所有钻进机构相继进行接杆和接力施工高质量超深搅拌桩；所述吊车位于在装备平台的左侧；所述吊车用于将芯桩吊运至所述压桩机构上方；压桩机构水平移动连接在装备平台上且位于塔架和吊车之间；所述压桩机构用于搅拌桩施工结束后将芯桩移动至搅拌桩桩位进行芯桩植入。塔架可在装备平台上旋转从而完成钻杆拆接动作，且塔架旋转可实现钻杆与孔位对中和钻杆拆接，满足大深度搅拌桩施工，从而提升了搅拌桩钻机的施工便捷性和效率，并且通过压桩机构和吊车的配合便于进行复合桩的施工，大大提升复合桩施工效率。

4、作为优选，所述压桩机构的底部设置有移动基座，所述移动基座上设置有用于芯桩植入的压桩通口，且所述移动基座通过水平移动轨道移动连接在装备平台上，且移动基座与水平移动轨道之间呈台阶状错位相互卡插配合；所述装备平台上还设置有水平驱动机构，所述水平驱动机构的驱动端与所述移动基座连接；在所述水平驱动机构的驱动下，所述压桩机构可沿其底部的水平移动轨道移动到所述双向搅拌桩施工桩位，并在所述吊车辅助支持下实现各类预制桩、钢管桩或工字钢等钢性芯体植入已施工完成的柔性桩之中。通过压桩机构能够进行水平移动，便于压桩通口移动与钻孔通口对准，从而无需移动装备平台，便于将芯桩移动至搅拌桩桩位上方直接进行植入。

5、作为优选，所述旋转机构包括带有圆形外齿圈的旋转底座、圆形滑轨和旋转驱动单元；所述圆形滑轨安装在所述装备平台上，所述旋转底座上的圆形外齿圈与圆形滑轨同轴滑动套装，所述旋转驱动单元设置在装备平台上，且所述旋转驱动单元安装于所述圆形滑轨的一侧；所述旋转驱动单元的驱动端连接有输出端动力齿轮，所述输出端动力齿轮与所述旋转底座的所述外齿圈相啮合。所述圆形旋转底座卡接在所述圆形滑轨中，利用中心轴固定在所述装备平台上，这种卡接的方式保证了塔架在旋转过程中的相对稳定，不至于因转动产生倾倒，在所述旋转驱动单元的驱动下，可实现所述塔架的正反旋转，从而协助完成钻杆的拆接工序。

6、作为优选，所述钻进机构为双向搅拌钻进机构、长螺旋钻进机构、高压旋喷钻进机构或振动沉桩机构；所述塔架的截面呈矩形状，矩形的四个侧面分别为塔架的四个外周面；所述钻进机构安装在塔架的四个外周面上的其中一个外周面上；当所述钻进机构的数量为两个，且均为双向搅拌钻进机构时，两个双向搅拌钻进机构分别位于塔架相对的两个外周面上，通过所述塔架旋转定位接力施打的方式进行超深双向搅拌桩的施工；且通过旋转定位的方式，可以利用振动沉桩机构将预制桩、钢管桩或工字钢等钢性芯体植入柔性双向搅拌桩中心，实现超深复合桩施工。所述钻进机构不局限于单一类型，使组合施工装备能够施工不同种类的外围柔性桩，这得益于所述塔架具备四个可悬挂钻进机构的外周面；在具有2部所述双向搅拌钻进机构时，塔架的旋转定位功能可使各钻进机构下方的钻杆进行有序的拆接，进而完成超深双向搅拌桩的施工，双向搅拌的应用使桩体的均匀性与施工质量得到大幅提高。

7、作为优选，每个装有所述钻进机构的塔架的外周面上至少设置有两条竖向轨道，所述钻进机构包括动力单元和钻杆单元；所述动力单元顶部与塔架顶部之间设置有滑轮组吊环，且所述钻进机构通过滑轮组吊环沿所述竖向轨道上下移动完成施工操作；所述钻杆单元连接在动力单元下方；所述钻具单元连接在钻杆单元上。钻进机构利用所述动力单元上端的滑轮组配合悬挂于所述塔架外周面设置的所述竖向轨道上，利用卷扬机可实现所述钻进机构与钻杆单元和钻具单元的上下移动。

8、作为优选，所述双向搅拌钻进机构的动力单元包括箱体以及至少一个动力输出源、至少一个减速机、外钻杆驱动单元和内钻杆驱动单元；所述动力输出源通过所述减速机配合分别为所述外钻杆驱动单元和所述内钻杆驱动单元提供动力；所述外钻杆驱动单元与内钻杆驱动单元呈同轴设置且旋转方向相反。动力输出源可采用电机动力头或液压动力头，并可设计为单动力头或双动力头形式，形成多种双向互剪搅拌桩钻机型号。

9、作为优选，所述双向搅拌钻进机构的钻杆单元包括内钻杆和外钻杆；所述内钻杆内至少设置一条注浆通道；所述动力单元上设置有旋转接头；所述旋转接头上设置有进浆口；所述进浆口与注浆通道相连通；内钻杆与内钻杆驱动单元连接，外钻杆与外钻杆驱动单元连接，外钻杆和内钻杆以正反向相对旋转。上述内外钻杆的结构可实现多层双向互剪搅拌功能，提升双向搅拌桩的施工质量；内钻杆内部设置的至少一条注浆通道可根据施工工艺需求分别独立开启和关闭；此外，进浆口设置在旋转接头上，并采用进浆口支架对进浆口固定，防止在旋转钻进时发生抖动。

10、作为优选，所述双向搅拌钻进机构的钻具单元包括外部搅拌框架、第一搅拌叶片、第二搅拌叶片、掘进叶片和前导钻尖；所述第一搅拌叶片固定在所述内钻杆上，所述外部搅拌框架上部固定连接在外钻杆上，下端选装连接在所述内钻杆上；所述第二搅拌叶片固定在所述外部搅拌框架内侧，并与第一搅拌叶片错位设置；所述掘进叶片连接在内钻杆的底部；所述前导钻尖安装在掘进叶片的下端；所述钻具单元上至少设置有一处出浆口，所述出浆口与所述注浆通道相连通。上述钻具单元的外部搅拌框架与第二搅拌叶片正向旋转，第一搅拌叶片和掘进叶片反向旋转，形成多层双向互剪的搅拌效果，固化土体通过多层双向互剪搅拌会使搅拌桩获得良好的均匀性与满足设计要求的桩身强度。

11、作为优选，所述吊车包括吊车本体、吊臂、吊车旋转底座和吊臂角度调整机构；吊车本体上设置有驾驶室，驾驶室内布设了吊车、搅拌桩施工和压桩机构的控制单元；吊车本体通过吊车旋转底座与装备平台连接；吊车旋转底座保证了吊车在工作中的自由度；吊臂角度调整机构设置在吊车本体上，吊臂与吊臂角度调整机构连接；吊臂角度调整机构通过液压控制进行吊臂的角度调节。

12、一种超深复合桩组合施工装备的施工方法，使用上述的超深复合桩施工装备，包括以下多种施工方法：

13、1)通过所述塔架旋转定位技术及其外周面悬挂的各类所述钻进机构，可实现超长双向搅拌桩、长螺旋注浆桩、高压旋喷桩等柔性桩的施工，利用悬挂的振动沉桩机构，还可实现柔性桩中的刚性芯桩的植入，形成设计的复合桩；

14、2)当所述可旋转塔架两个竖向外周面分别安装有一部所述双向搅拌钻进机构时，采用所述塔架旋转定位及两部所述双向搅拌钻进机构的钻杆连接接力施打的方式，完成超深双向搅拌桩施工，根据设计要求还可以在双向搅拌桩中插入不同类型的刚性芯材，形成设计的复合桩；

15、3)通过压桩机构的水平移动且与已施工的柔性桩孔位对中，并在吊车的辅助支持下，所述压桩机构可以将不同截面形状和不同材质的刚性芯桩精准地静力压入柔性桩中，形成设计的复合桩。

16、综上所述，本发明的优点包括以下五点：1、将静压桩机与可悬挂多个不同类型钻进机构的塔架结合形成组合施工装备，使用该装备可有效的节省人力，减少施工工作面，提高施工效率，减短施工工期；2、不同的钻进机构可进行不同类型的外围柔性桩施工，可适应不同项目的设计要求；3、利用旋转底座使塔架旋转，进行连接钻杆的动作，使钻杆的连接工序更为便捷高效；4、压桩机构在装备平台上通过水平移动轨道进行移动，即省去移动整体施工装备的时间，快速精准地将刚性芯桩与外围搅拌桩进行对中；5、利用双向搅拌钻进机构可对原状土体进行双向多层互剪搅拌，大幅提高搅拌桩的施工质量。