灌注桩桩帽与桩一体化施工装置及方法技术领域
本发明涉及一种液化天然气储罐桩帽施工工艺的改进，尤其是一种灌注桩桩帽与桩一体化施工装置及方法，属于建筑施工技术领域。
背景技术
大型低温储罐外罐设计为后张拉预应力钢筋混凝土结构，一般由成孔灌注桩架空支撑，桩基直径为1～1.5m，数量为169～556根，架空高度为0.76～1.75m。在桩基施工过程中，由于地下状况的不确定性往往会导致桩基施工进度拖延，合理安排桩帽与储罐承台的顺利施工就成为保证项目工期的关键。在以往的液化天然气（LNG）项目中，例如珠海、宁波等地的LNG项目，均采用桩与桩帽分开施工技术，即在桩施工完成之后进行土方开挖、破桩头及绑扎桩帽钢筋，再进行桩帽混凝土浇筑，最后进行土方回填，完成了桩帽施工，这种技术工序繁琐，人力、材料及机械设备投入较大，造成施工成本高，工程进度慢，还增加了扬尘、噪音等污染。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种灌注桩桩帽与桩一体化施工装置，同时给出了其施工方法，能够减少桩帽施工工序，提高工作效率，控制施工成本。
为了达到以上目的，本发明的灌注桩桩帽与桩一体化施工装置基本技术方案为：包括水准仪、全站仪和横截面为环形的垫板，所述环形垫板铺设在桩孔上端口的周围，并套接在整体钢筋笼上，所述整体钢筋笼安装在桩孔内，所述桩孔与整体钢筋笼轴向重合，将所述整体钢筋笼分为地上桩帽钢筋和桩基地下部分钢筋两部分，所述整体钢筋笼包括一组纵向排列的主筋和一根围束在该组主筋上的螺旋箍筋；所述环形垫板上制有一组槽孔，与所述槽孔配合设有螺栓，所述螺栓又与模板上的螺栓孔配合连接，所述模板与垫板、整体钢筋笼中心重合。
优选地，所述模板包括由侧模板围成的筒体，所述筒体外套有内护筒，所述内护筒的上下两端口具有向外延伸的凸边，且在所述内护筒的上下凸边之间设有外护筒，内外护筒之间设有数个加强肋，所述内护筒的下凸边上制有一组与螺栓相配合的螺栓孔。
优选地，在所述筒体的下端外圆面上位于内护筒下方具有与垫板相配合的缺口。
优选地，所述内护筒的上凸边制有一组供钢丝绳穿过的穿绳孔，所述穿绳孔与埋设在桩孔四周地面上的钢筋连接。
优选地，所述桩孔内埋设护筒，位于所述桩孔周围的地面上安装有浇筑平台，所述浇筑平台主要由数层支架组成，便于分层浇筑混凝土。
本发明的灌注桩桩帽与桩一体化施工方法，依次包括桩基地下部分混凝土施工，混凝土超灌，导管及护筒拔出，模板安装，桩帽混凝土浇筑，模板拆除和混凝土养护。
其中，第一步、桩基地下部分混凝土施工包括以下步骤：
（11）按照常规灌注桩成孔施工工艺在现场地面施工获得桩孔，并在桩孔内埋设护筒；
（12）将箍筋螺旋缠绕在一组纵向排列的主筋上，并在箍筋与主筋相交处捆扎连接，制得整体钢筋笼，将整体钢筋笼吊装并固定到桩孔内，所述整体钢筋笼与桩孔轴向重合，并将整体钢筋笼划分为地上桩帽钢筋和桩基地下部分钢筋；
（13）通过设置在桩孔内的导管向桩孔内连续灌注混凝土，控制混凝土灌注时的充盈系数大于1.05；
第二步、混凝土超灌：向桩孔内连续灌注混凝土至护筒的上端口后继续进行灌注，直至混凝土达到预计超灌高度，所述预计超灌高度为灌注高度与桩径的折算量；混凝土达到预计超灌高度后，清除超灌的混凝土并进行再利用，以确保桩孔顶面的混凝土质量合格无杂质；预计的超灌高度一般为0.8～1.0m，即当桩直径为1.2m时，超灌方量等于π×0.62×（0.8～1.0）㎡；
第三步、导管及护筒拔出：进行现场验收，在超灌量满足要求以及桩顶混凝土全部为新鲜混凝土后，即验收合格，将导管及护筒拔出，并清理桩顶混凝土及上部桩帽钢筋；验收时，取桩顶混凝土制作试块，试块满足图纸设计强度要求即为合格；
第四步、在桩顶部混凝土初凝前进行模板安装，包括以下步骤：
（41）制作内、外护筒，内护筒的上下两端口向外延伸制成凸边，在内护筒的下凸边上开一组螺栓孔，将内外护筒连接后套在侧模板围成的筒体上，组成模板；
（42）将桩孔周边地面平整密实后，将环形垫板套接在整体钢筋笼并铺设在地面上，铺设时采用水准仪调平垫板与地面，环形垫板用来控制模板的水平和垂直度；
（43）将组装好的模板吊装至铺设好的环形垫板上，并使模板中心与垫板中心、整体钢筋笼中心对齐，模板的螺栓孔与设置在环形垫板槽孔内的螺栓配合连接，将模板与环形垫板连接为一体；
(44)采用全站仪正交架设，测量模板的垂直度，并通过螺栓、垫板调整模板的垂直度；
第五步、桩帽混凝土浇筑：安装模板后，保证桩顶部混凝土尚未初凝，进行桩帽混凝土浇筑；浇筑时，将浇筑平台吊装到施工现场，并向模板内连续分层浇筑混凝土，分层浇筑混凝土时需对位于两层接触面的混凝土进行振捣密实操作，使上下两层混凝土充分混合。
第二步、混凝土超灌，桩基地下部分完成混凝土浇筑后继续浇筑混凝土，将传统工艺中需要凿毛的混凝土浮浆提前溢出清理掉，节省了工序，避免顶部混凝土因夹渣泥块、水泥浆等导致的强度无法满足等问题，同时超灌出来的混凝土被顶出桩孔顶面，其内含有杂质，可采用干净的铁锹将超灌混凝土铲到小推车的车斗里，并就近运送至需要场所进行再利用，例如需硬化的临建场地等，避免浪费资源，同时保护了现场环境。混凝土超灌能够避免桩顶出现浮浆，保证桩头的混凝土质量，有效提高灌注桩的承载力，而且可以防止导管拔出时，整体钢筋笼上浮。另外，超灌是为了桩帽与桩结合处的混凝土密实，没有泥浆等杂质，避免桩帽浇筑完后结合处出现“断桩”现象，影响力的传递。另外，针对灌注桩，传统的思路就是在浇筑完成进行土方开挖、破桩头、绑扎桩帽钢筋、支模板、浇筑桩帽混凝土等工序，而本发明是将钢筋整体成型，在混凝土浇筑到地面后将原先需要破除的桩头在还没有凝固之前清理掉，然后快速支模板完成桩帽浇筑，因此必须避免混凝土凝固，防止桩身与桩帽之间产生施工缝。
第四、第五步，充分利用混凝土的初凝时间，清理校正整体钢筋笼，铺设环形垫板，安装固定预制的模板，并在桩顶部混凝土初凝前进行桩帽混凝土浇筑。须在地下部分桩基顶部的混凝土初凝前，完成垫板铺设、模板安装、桩帽混凝土浇筑、桩帽模板安装加固等施工，否则桩基混凝土初凝后，就不可能连续浇筑混凝土，桩帽与桩就不能实现一体化施工。垫板的主要作用是支撑模板，由于底模混凝土还未凝固，就需要一个支撑平台来保障模板的垂直度。混凝土初凝时间可以通过前期做混凝土配合比的时候来确定，在保证混凝土各项性能的前提下，适当延长混凝土初凝时间；同时在保证质量的前提下，快速完成模板安装等工作，以便变相的延长混凝土初凝时间。然而，若尚未在混凝土初凝前完成模板的安装，需对桩顶混凝土进行凿毛，作为施工缝处理，然后进行后续桩帽施工。
优选地，步骤（13）在灌注过程中对位于桩孔上端口下方一定深度范围内的混凝土进行振捣密实操作；第二步中，当混凝土灌注至设计的桩顶标高后，且桩顶上部具有新鲜的混凝土时，对位于桩孔上端口下方一定深度范围内的混凝土进行二次振捣密实操作。一定深度取值为5±1m。
优选地，步骤（44）中，先将钢丝绳穿过设置在模板四周的穿绳孔，再与埋设在桩孔四周地面上的钢筋连接，便于加固模板，然后采用全站仪测量模板的垂直度，并通过拧动螺栓及移动垫板微调模板的垂直度，同时通过松紧侧拉的钢丝绳来配合垂直度调节，最终达到调整模板的垂直度的目的。
本发明的灌注桩桩帽与桩一体化施工方法是在桩基混凝土浇筑到护筒口后继续浇灌直至露出新鲜合格的混凝土面，然后将超灌部分的混凝土集中处理，充分利用桩基地下部分混凝土的初凝时间，通过环形垫板调节安装模板，并进行桩帽混凝土浇筑，快速完成桩帽施工作业。本发明具有以下优点：
1.桩帽钢筋与桩基地下部分钢筋连为整体钢筋笼，并进行吊装，省去了传统工艺中单独安装桩帽钢筋的工序，提高了工作效率；
2.通过环形垫板能够很好地控制模板的水平及垂直度，由于储罐荷载较大，对桩基承载力要求较高，桩帽垂直度及水平度控制的好，储罐承台荷载就可以有效地传递到桩端；
3.采用本发明的灌注桩施工方法省去了传统桩帽施工中土方开挖、破桩头及土方回填等工序，控制了施工成本，减少了噪声、扬尘等污染；
4.对超灌溢出的混凝土进行收集并再利用，避免了资源浪费。总之，本发明施工难度小，具有较高的经济效益和社会环境效益。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中灌注桩桩帽结构示意图。
图2为混凝土超灌示意图。
图3为本发明中环形垫板的结构示意图。
图4为本发明中模板的结构示意图。
图5为模板安装示意图。
图6为桩帽混凝土浇筑示意图。
图7为施工完成的灌注桩结构示意图。
图8为图5的A向放大图。
图中：1.桩基地下部分钢筋，2.地上桩帽钢筋，3.主筋，4.承台，5.螺旋箍筋，6.施工缝，7.整体钢筋笼，8.新鲜混凝土面，9.槽孔，10.钢垫板，11.上凸边，12.下凸边，13.内护筒，14.外护筒，15.筒体，16.加强肋，17.钢丝绳，18.螺栓，19.浇筑平台。
具体实施方式
实施例一
本实施例的灌注桩桩帽与桩一体化施工装置，包括水准仪、全站仪和横截面为环形的钢垫板10，环形钢垫板10铺设在桩孔上端口的周围，并套接在整体钢筋笼7上，整体钢筋笼7安装在桩孔内，桩孔与整体钢筋笼7轴向重合，将整体钢筋笼7分为地上桩帽钢筋2和桩基地下部分钢筋1两部分，整体钢筋笼7包括一组纵向平行排列的主筋3和一根围束在该组主筋3上的螺旋箍筋5；环形钢垫板10内径为1.2m，外径为1.5m，厚度为2cm，环形钢垫板10上制有四个槽孔9（见图3），与槽孔9配合设有螺栓18，螺栓18与钢模板上的螺栓孔配合连接，钢模板与钢垫板10、整体钢筋笼7中心重合。其中钢模板包括由侧板围成的筒体15，筒体15外套有内护筒13，内护筒13的上下两端口具有向外延伸的凸边，在内护筒的上凸边11、下凸边12之间设有外护筒14，内护筒13、外护筒14之间设有数个加强肋16，并在内护筒13的下凸边12上制有四个与螺栓相配合的螺栓孔，筒体15、内护筒13、外护筒14的横截面为圆形或方形，筒体15的下端外圆面上位于内护筒13下方具有与钢垫板10相配合的缺口（见图4），另外内护筒13的上凸边11制有一组供钢丝绳17穿过的穿绳孔，穿绳孔与埋设在桩孔四周地面上的钢筋连接，钢筋长1m，顶部焊有圆环。桩孔内埋设护筒，位于桩孔周围的地面上安装有浇筑平台19，浇筑平台19主要由数层支架组成，便于分层浇筑混凝土。
本发明的灌注桩桩帽与桩一体化施工方法，依次包括桩基地下部分混凝土施工，混凝土超灌，导管及护筒拔出，钢模板安装，桩帽混凝土浇筑，钢模板拆除和混凝土养护。
其中，第一步、桩基地下部分混凝土施工包括以下步骤：
（11）按照常规灌注桩成孔施工工艺在现场地面施工获得桩孔，并在桩孔内埋设护筒；
（12）将螺旋箍筋5螺旋缠绕在一组纵向平行排列的主筋3上，并在螺旋箍筋5与主筋3相交处捆扎连接，制得整体钢筋笼7，将整体钢筋笼7吊装并固定到桩孔内，整体钢筋笼7与桩孔轴向重合，且将整体钢筋笼7划分为地上桩帽钢筋2和桩基地下部分钢筋1；
（13）通过设置在桩孔内的导管向桩孔内连续灌注混凝土，并控制混凝土灌注时的充盈系数大于1.05，在灌注过程中对位于桩孔上端口下方5m范围内的混凝土进行振捣密实操作。
第二步、如图2所示，混凝土超灌：向桩孔内连续灌注混凝土至护筒的上端口后不拔出导管，继续进行灌注直至混凝土达到预计超灌高度或露出新鲜合格的混凝土面8，预计超灌高度为灌注高度（一般为0.8～1.0m）与桩径的折算量；混凝土达到预计超灌高度后，清除超灌的混凝土并进行再利用，以确保桩孔顶面的混凝土质量合格无杂质；当混凝土灌注至设计的桩顶标高后，且桩顶上部具有新鲜的混凝土8时，对位于桩孔上端口下方一定深度（5±1m）范围内的混凝土进行二次振捣密实操作。
第三步、导管及护筒拔出：现场验收合格后，将导管及护筒拔出，并清理桩顶混凝土及上部桩帽钢筋。
第四步、在桩顶部混凝土初凝前进行钢模板安装，包括以下步骤：
（41）制作内护筒13、外护筒14，内护筒13的上下两端口向外延伸制成凸边，在内护筒13的下凸边12上开一组螺栓孔，将内护筒13与外护筒14连接后套在侧板围成的筒体15上，组成钢模板，预拼装完成的钢模板采用抛光机打磨，除去表面锈迹，并采用成品脱模剂均匀涂刷其表面；
（42）将桩孔上端口的周边地面平整密实后，将环形钢垫板10套接在整体钢筋笼7并铺设在地面上，铺设时采用水准仪调平钢垫板10与地面，环形钢垫板10用来控制钢模板的水平和垂直度；
（43）采用汽车吊将组装好的钢模板吊装至铺设好的环形钢垫板10上，并使钢模板中心与钢垫板10中心、整体钢筋笼7中心对齐，钢模板的螺栓孔与设置在环形钢垫板10槽孔9内的螺栓18配合连接，将钢模板与环形钢垫板10连接为一体，同时将钢丝绳17穿过设置在钢模板四周的穿绳孔，再与埋设在桩孔四周地面上的钢筋连接，便于加固钢模板（见图5、图8）；
(44)采用全站仪正交架设，并通过调节螺栓18、钢垫板10双向控制钢模板的垂直度，即采用全站仪检测，并通过底部螺栓18调节钢模板的垂直度。
第五步、如图1和图6所示，桩帽混凝土浇筑：安装钢模板后，保证桩顶部混凝土尚未初凝，进行桩帽混凝土浇筑；浇筑时，采用汽车吊将浇筑平台19吊装到施工现场，并向钢模板内连续分层浇筑混凝土，分层浇筑混凝土时需对位于两层接触面的混凝土进行振捣密实操作，使上下两层混凝土充分混合。振捣混凝土采用插入式振捣器，其振捣棒对上下两部分混凝土的接触面进行充分振捣，保证上下两部分混凝土充分混合，以免形成分层，振捣过程中快插慢拔，振捣器与侧模保持10～20cm的距离，避免碰撞钢模板。另外浇筑时应派专人对下层混凝土表面状态进行监控，并记录时间。
第六步、钢模板拆除：根据成桩后的气温条件，在成桩后36～72小时之间拆除钢模板；钢模板拆除时，先将固定钢模板的螺栓18及钢丝绳17松开，然后在钢模板的两侧均匀施力，使钢模板自然脱离桩体，最后清理拆除钢垫板10和钢模板。
第七步、混凝土养护：拆除钢模板后，对外露的桩身进行浇水处理，以保持其湿度，浇水后采用塑料薄膜包裹外露的桩身。养护期间需定期检查塑料薄膜内的湿度。
最后将整体钢筋笼的主筋3顶部弯折（见图7）。
除上述实施例外，本发明还可有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，落在本发明要求的保护范围。