一种基于装配式大直径管桩的基坑支护施工装置及方法与流程

1.本发明属于基坑施工技术领域，涉及一种基于装配式大直径管桩的基坑支护施工装置及方法。


背景技术：

2.基坑支护是土方开挖和地下室施工的必要条件，用于保证基坑四周稳定，同时满足地下室施工要求。钻孔灌注桩作为一种常见的现浇式基坑支护结构，与工厂预制现场装配式安装的预制管桩施工不同。目前，预制管桩一般通过锤击法和静压法进行施工，这两种施工方法就是强制将管桩挤进岩土层，孔位土体被挤压到桩周，产生较大的挤土压力影响到桩周建构筑物安全。理应指出，基坑支护桩需紧密贴近形成连墙式的挡土结构，采用预制管桩支护产生的挤土效应更为显著，通常适用桩径不大于600mm，工程应用局限性明显，尤其是基坑支护领域。
3.另外，部分管桩施工采用钻具预先钻孔后，再进行沉桩，当钻孔孔径小于管桩直径时，这些沉桩方法在深厚砂土、砾石、硬土等地层也难以适用，须通过钻具钻好孔洞后，利用辅助压力器械对管桩施加较大压力进行沉桩，并且辅助压力器械对管桩施加压力过程多会造成管桩倾斜折断，使沉降后的管桩与预定孔洞位置偏离，造成基坑支护安全性下降；更进一步的，相比较采用竖直桩的基坑，将管桩施工成倾斜基坑支护结构，会削弱桩周土体对支护桩的侧向土压力，进而增强基坑整体稳定性，使得基坑支护高度更高、基坑开挖深度更大，且倾覆风险更小。此外，深基坑工程通常需要采用大直径管桩，管桩直径要求不少于800mm，以保证支护结构拥有足够的抗弯抗剪能力，大直径管桩倾斜施工需要对基坑施工装置的施工精确度提出更高要求，因此需要提供一种可安全稳定且精确较高的基坑支护大直径管桩施工装置，实现大直径管桩能够现场装配式安装和可回收利用的目的。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中存在的问题，本发明公布了一种基于装配式大直径管桩的基坑支护施工装置，该装置中可实现大直径管桩紧固以及大直径管桩压拔功能，并且管桩可实现保持大角度倾斜状态进行施工，实现固定倾角的大直径管桩下沉，且下沉过程中管桩角度不会发生偏离，提高了施工精度。并且由于长螺旋钻杆比管桩略长，因此通过该装置可实现大直径管桩随着旋挖成孔的同时沉入对应的孔洞里，无需担心软土层预成孔施工导致塌孔难以沉桩的技术难题。该装置解决了现有技术中无法实现大直径管桩大倾角下沉的问题，无需担心土层软硬情况对成桩难度的影响，保证了基坑施工的施工精度及质量。
5.本发明具体公开了一种基于装配式大直径管桩的基坑支护施工装置，其包括底盘、位于底盘上方的固定平台、安设于固定平台上方的钻机桅杆以及用于控制钻机桅杆竖立和倒伏的支撑机构、安设于钻机桅杆上的管桩第一夹持机构、动力系统、连接动力系统的螺旋钻杆以及位于底盘前侧的管桩第二夹持机构。
6.所述管桩第一夹持机构包括夹持平台，所述夹持平台的中部位置设有用于管桩通
过的夹持通孔，所述夹持平台一侧与钻机桅杆采用单向滑槽连接，所述夹持平台上设有至少三组夹持组件，所述夹持组件环绕通孔周围分布，所述夹持组件包括夹持油缸和弧形夹块，所述夹持油缸固定于加持平台上，且所述夹持油缸的夹持方向朝向通孔中心，所述弧形夹块固定连接于夹持油缸的活塞杆端部。
7.所述管桩第二夹持机构包括安装底座、位于安装底座上方的夹紧平台、以及多组位于安装底座与夹紧平台之间的调平油缸，所述调平油缸的缸体垂直于安装底座固定连接，所述调平油缸的活塞杆端部则与夹紧平台下表面采用球形铰接方式连接；所述安装底座与夹紧平台均设有管桩容纳槽，所述夹紧平台上设有成对的夹紧活动块，所述夹紧活动块的一端与夹紧平台铰接，所述夹紧活动块中部位置则连接有夹紧液压缸，通过夹紧液压缸驱动夹紧活动块绕铰接位置摆动，从而实现对管桩夹紧和松开。
8.进一步的，每组所述夹持组件中均设有距离传感器，所述距离传感器用于监测夹持油缸中活塞杆的伸出长度。
9.进一步的，所述弧形夹块设有安装面和夹持面，所述安装面与夹持油缸的驱动杆连接，所述夹持面呈轴对称设置，且夹持面的曲率由中间位置向两侧边缘逐渐减小。
10.进一步的，所述管桩第二夹持机构与底盘之间设有用于连接的伸缩杆，所述伸缩杆的一端与底盘铰接连接，另一端与管桩第二夹持机构的安装底座铰接连接。
11.进一步的，所述动力系统包括有用于驱动螺旋钻杆运动的液压驱动机，当螺旋钻杆钻孔时，所述液压驱动机的驱动轴与螺旋钻杆连接，所述液压驱动机与夹持平台固定连接，且所述液压驱动机的驱动轴与螺旋钻杆保持同轴连接。
12.进一步的，所述钻机桅杆上设有至少一个第一角度传感器，所述管桩第二夹持机构的第二夹紧平台上设有第二角度传感器。
13.进一步的，本发明还公开了一种利用上述基坑支护施工装置进行的基坑支护施工方法，其包括以下步骤：
14.s1、在预设的管桩位进行钻孔得到孔洞的同时，将管桩沉入所述孔洞；
15.s2、重复步骤s1以得到排列的多个埋置在孔洞中的所述管桩；
16.s3、使用预制冠梁对多个所述管桩在地表处的桩头进行固定连接；
17.s4、将抗拉锚杆与所述预制冠梁的基坑开挖侧固定连接；
18.s5、在所述管桩的基坑开挖侧进行基坑开挖，在基坑开挖到预设深度时，将预制腰梁与多个所述管桩在基坑面上的桩身固定连接，并将第二抗拉锚杆与所述预制腰梁固定连接；
19.s6、在基坑挖至预设的坑底深度时，结束施工并拆除所安装的部分或所有管桩；
20.其中步骤s1中预设的管桩位进行钻孔前，首先钻机桅杆和管桩第二夹持机构将对钻孔方向进行角度调整：
21.首先根据预设管桩角度调整计算钻机桅杆以及管桩第二夹持机构中夹紧平台的预设倾斜角度，钻机桅杆上第一角度传感器和夹紧平台的第二角度传感器分别监测钻机桅杆以及夹紧平台当前倾斜角度，并将实际倾斜角度与预设倾斜角度进行对比分析，进而控制钻机桅杆以及夹紧平台倾斜至预设倾斜角度位置；
22.将首节管桩以及螺旋钻杆吊装至管桩第二夹持机构的夹持区域，且通过夹紧平台上夹紧活动块夹紧固定；
23.将螺旋钻杆与动力系统连接，再通过管桩第一夹持机构将管桩上端固定，利用管桩第一夹持机构调整管桩上端位置，使动力系统与管桩同轴；
24.管桩安装完成后，利用钻机桅杆上第一角度传感器和夹紧平台的第二角度传感器再次修正管桩角度。
25.进一步的，在所述步骤s1中将管桩下沉的具体方法为：
26.管桩第二夹持机构适当松开管桩，保持管桩与夹紧活动块间隔2-5mm，螺旋钻杆旋转进行钻孔，同时管桩与螺旋钻杆同步进行下沉；
27.当管桩上端下沉至管桩第二夹持机构位置时，管桩第一夹持机构松开管桩，并拆卸动力系统与螺旋钻杆的连接；
28.将下一节管桩和螺旋钻杆吊装至管桩第二夹持机构上的夹持区域，管桩第二夹持机构将下一节管桩夹紧，且动力系统与下一节螺旋钻杆上端连接，管桩第一夹持机构夹紧下一节管桩的上端；
29.调节管桩第二夹持机构中夹紧平台倾斜角度，使下一节管桩和螺旋钻杆分别与当前管桩和螺旋钻杆连接；
30.重复上述步骤，直至管桩伸入孔洞达到设定深度，管桩下沉完成。
31.进一步的，所述s6步骤中拆除管桩的具体方法为：
32.利用管桩第二夹持机构夹紧管桩外侧表面，管桩第一夹持机构夹紧管桩上端；
33.首先吊装机构提拉管桩第一夹持机构相连接的动力系统，管桩第二夹持机构中夹紧平台通过调平油缸沿管桩轴向方向进行提升，且管桩第一夹持机构同步提升；
34.达到调平油缸位移极限后，管桩第二夹持机构松开管桩，且夹紧平台在调平油缸作用下原路径返回，同时管桩第一夹持机构保持管桩位置不动；
35.管桩第二夹持机构再次夹紧管桩，夹紧平台重复提升管桩，直至管桩拔出，其中当每节管桩拔出后，管桩第二夹持机构首先夹紧下一节管桩，然后拆除当前管桩与下一节管桩的连接。
36.进一步的，所述管桩第一夹持机构调整管桩上端位置的具体步骤为：
37.所述管桩第一夹持机构通过每组夹持组件中距离传感器采集夹持组件的伸出长度并对比分析；
38.当夹持组件中伸出长度保持相同时，动力系统与管桩处于同轴状态；
39.当其中至少一个夹持组件中伸出长度不同于其他夹持组件时，将调整对应夹持组件的液压力，直至夹持组件的伸出长度一致。
40.1)本发明的基坑支护施工装置中通过管桩第一夹持机构夹紧管桩上端，使管桩、动力系统以及螺旋钻杆保持同轴连接，同步施工作业，并通过钻机桅杆以及管桩第二夹持机构可调节管桩倾斜角度，确保管桩在下沉过程中保持固定倾角；并且通过管桩第一夹持机构和管桩第二夹持机构配合，可对管桩形成两个支撑点，使得施工过程中管桩不会偏离设定的倾斜角度，提高了管桩施工的精度，进而确保基坑支护施工重量。
41.2)本发明的基坑支护施工装置中管桩第二夹持机构的安装底座与第二夹紧平台之间通过三组调平油缸连接，并利用活动夹紧块配合夹紧管桩，实现管桩固定，同时可通过控制三组调平油缸的伸缩速率，实现管桩左右前后角度控制功能，并通过同步控制调节油缸的伸缩速率，能够实现管桩下压和上拔功能，该装置中可进行钻孔的同时，将大直径管桩
进行下压，而在管桩拆卸时，可通过管桩第二夹持机构中提高基坑施工效率。
附图说明
42.图1为本实施例中基于装配式大直径管桩的基坑支护施工装置的结构示意图；
43.图2为本实施例中基坑支护施工装置进行管桩倾斜施工的状态示意图；
44.图3为本实施例中管桩第一夹持机构与管桩处于夹持状态的示意图；
45.图4为本实施例中管桩第一夹持机构与管桩处于松开状态的示意图；
46.图5为本实施例中管桩第一夹持机构中弧形夹块的结构示意图；
47.图6为本实施例中管桩第二夹持机构的俯视结构示意图。
具体实施方式
48.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
49.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
50.实施例1：
51.如图1-2所示，本实施例1中具体公开了一种基于装配式大直径管桩的基坑支护施工装置，其包括底盘2、位于底盘2上方的固定平台1、安设于固定平台1上方的钻机桅杆4以及用于控制钻机桅杆4竖立和倒伏的支撑机构3、安设于钻机桅杆4上的管桩第一夹持机构7、动力系统6、连接动力系统6的螺旋钻杆10以及位于底盘2前侧的管桩第二夹持机构9。
52.其中所述钻机桅杆4的下端与固定平台1铰接连接，所述支撑机构3采用多级液压伸缩杆，通过液压泵驱动支撑机构3伸缩，使得钻机桅杆4围绕其与固定平台1的铰接位置旋转，进而钻机桅杆4竖起或者倒伏，实现钻机桅杆4倾斜。
53.所述管桩第一夹持机构7包括夹持平台701，所述夹持平台701的中部位置设有用于管桩8通过的夹持通孔，所述夹持平台701一侧与钻机桅杆4采用单向滑槽连接，如图3-4所示，所述夹持平台701上设有至少三组夹持组件702，所述夹持组件702环绕夹持通孔周围分布，所述夹持组件702包括夹持油缸和弧形夹块，所述夹持油缸固定于夹持平台701上，且所述夹持油缸的夹持方向朝向夹持通孔中心，所述弧形夹块固定连接于夹持油缸的活塞杆端部。
54.结合图6所示，所述管桩第二夹持机构9包括安装底座、位于安装底座上方的夹紧平台901、以及多组位于安装底座与夹紧平台901之间的调平油缸902，所述调平油缸902的缸体垂直于安装底座固定连接，所述调平油缸902的活塞杆端部则与夹紧平台下表面采用球形铰接方式连接；所述安装底座与夹紧平台901均设有管桩容纳槽，所述夹紧平台901上设有成对的夹紧活动块904，所述夹紧活动块904的一端与夹紧平台901铰接，所述夹紧活动
块904中部位置则连接有夹紧液压缸905，通过夹紧液压缸905驱动夹紧活动块904绕铰接位置摆动，从而实现对管桩夹紧和松开。
55.更详细的是，每组所述夹持组件702中均设有距离传感器，所述距离传感器用于监测夹持油缸中活塞杆的伸出长度。当管桩第一夹持机构7夹紧管桩上端后，通过检测夹持组件702中的伸出长度保持一致，可使管桩的轴线位置与夹持平台701的通孔位置一致，进而由于所述动力系统6包括有用于驱动螺旋钻杆10运动的液压驱动机，当螺旋钻杆10钻孔时，所述液压驱动机的驱动轴与螺旋钻杆10连接，所述液压驱动机与夹持平台701固定连接，且所述液压驱动机的驱动轴与螺旋钻杆10保持同轴连接。并且螺旋钻杆下端采用可伸缩的扩孔钻头，当螺旋钻杆顺时针转动时，扩孔钻头上的扩孔翼板张开能够旋挖出直径略大于管桩外径的孔洞，当螺旋钻杆逆时针转动时，扩孔翼板将自动回缩，扩孔钻头的直径将略小于管桩内径，从而使得螺旋钻杆可从管桩内腔拔出。
56.更进一步的，如图5所示，所述弧形夹块设有安装面7021和夹持面7022，所述安装面7021与夹持油缸的驱动杆连接，所述夹持面7022呈轴对称设置，且夹持面7022的曲率由中间位置向两侧边缘逐渐减小。该结构可使弧形夹块与不同直径的管桩8实现夹持，使弧形夹块具有较强的适配性，可牢固夹紧不同直径的管桩。
57.所述管桩第二夹持机构9与底盘2之间设有用于连接的伸缩杆11，所述伸缩杆11的一端与底盘2铰接连接，另一端与管桩第二夹持机构9的安装底座铰接连接。该伸缩杆11目的是用于保持管桩8下沉施工过程中管桩第二夹持机构9不会位移，以保持管桩8角度固定；同时该伸缩杆11也是配合管桩8不同倾斜角度条件下，管桩第二夹持机构9与底盘2之间的间距不同，以适应不同倾斜角度的管桩8下沉过程。
58.进一步的，所述钻机桅杆4上设有至少一个第一角度传感器，所述管桩第二夹持机构9的第二夹紧平台901上设有第二角度传感器。其中第一角度传感器监测钻机桅杆4的倾斜角度，而第二角度传感器则监测夹紧平台901的倾斜度，基于管桩第二夹持机构9与管桩的夹持结构，夹紧平台901表面应与管桩8的轴线保持垂直，并且钻机桅杆4与管桩保持平行，即钻机桅杆4上的第一角度传感器所监测钻机桅杆4的倾斜角度，同时也是管桩8的倾斜角度，通过对比第一角度传感器和第二角度传感器数据可判断管桩与夹紧平台901是否垂直，由于管桩与夹紧平台901只有保持垂直状态，夹紧平台901上的夹紧活动块904才可完全夹紧管桩表面，夹紧更稳固，通过两个角度传感器数据对比，可进一步确保管桩第二夹持机构9夹持稳固；同时本实施例中管桩在施工过程中通过管桩第一夹持机构7和管桩第二夹持机构9进行夹持，一旦管桩第二夹持机构9中夹持平台701与管桩8不垂直，管桩第二夹持机构9将对管桩施加扭矩力，造成管桩与钻机桅杆4无法平行，进而管桩与内部的螺旋钻杆10之间轴线偏移，螺旋钻杆10会与管桩内壁产生接触，螺旋钻杆10以及管桩均造成损伤。
59.实施例2：
60.本实施例2还公开了一种利用上述实施例1的基坑支护施工装置进行的基坑支护施工方法，其包括以下步骤：
61.s1、在预设的管桩位进行钻孔得到孔洞的同时，将管桩沉入所述孔洞；
62.s2、重复步骤s1以得到排列的多个埋置在孔洞中的所述管桩；
63.s3、使用预制冠梁对多个所述管桩在地表处的桩头进行固定连接；
64.s4、将抗拉锚杆与所述预制冠梁的基坑开挖侧固定连接；
65.s5、在所述管桩的基坑开挖侧进行基坑开挖，在基坑开挖到预设深度时，将预制腰梁与多个所述管桩在基坑面上的桩身固定连接，并将第二抗拉锚杆与所述预制腰梁固定连接；
66.s6、在基坑挖至预设的坑底深度时，结束施工并拆除所安装的部分或所有管桩；
67.其中步骤s1中预设的管桩位进行钻孔前，首先钻机桅杆4和管桩第二夹持机构9将对钻孔方向进行角度调整：
68.首先根据管桩的预设倾斜角度调整计算钻机桅杆4以及管桩第二夹持机构9中夹紧平台901的预设倾斜角度，钻机桅杆4上第一角度传感器和夹紧平台901的第二角度传感器分别监测钻机桅杆4以及夹紧平台901当前倾斜角度，并将实际倾斜角度与预设倾斜角度进行对比分析，进而控制钻机桅杆4以及夹紧平台901倾斜至预设倾斜角度位置；
69.将首节管桩以及螺旋钻杆10吊装至管桩第二夹持机构9的夹持区域，且通过夹紧平台901上夹紧活动块904夹紧固定；
70.将螺旋钻杆10与动力系统6连接，再通过管桩第一夹持机构7将管桩8上端固定，利用管桩第一夹持机构7调整管桩8上端位置，使动力系统6与管桩8同轴：所述管桩第一夹持机构7通过每组夹持组件702中距离传感器采集夹持组件702的伸出长度并对比分析；当夹持组件702中伸出长度保持相同时，动力系统6与管桩8处于同轴状态；当其中至少一个夹持组件702中伸出长度不同于其他夹持组件702时，将调整对应夹持组件702的液压力，直至夹持组件702的伸出长度一致。
71.管桩安装完成后，利用钻机桅杆4上第一角度传感器和夹紧平台901的第二角度传感器再次修正管桩8角度。该步骤中角度修正目的不同于初始阶段根据管桩的预设倾斜角度调整钻机桅杆4以及管桩第二夹持机构9中夹紧平台901的倾斜角度，在初始阶段进行角度调整目的是为了使管桩与管桩第一夹持机构7、管桩第二夹持机构9安装方便，同时也初步设定了管桩的倾斜角度；而管桩安装完成后进行二次角度调整，该阶段进行角度调整则目的是为了精确控制管桩倾斜角度，以及消除由于管桩本身重力影响对钻机桅杆4、管桩第二夹持机构9等的形变影响，提高管桩倾斜角度的精确性。
72.更进一步的是，在所述步骤s1中将管桩下沉的具体方法为：
73.管桩第二夹持机构9松开管桩8，保持管桩8与夹紧活动块904间隔1-2mm，螺旋钻杆10旋转进行钻孔，同时管桩8与螺旋钻杆10同步进行下沉；
74.当管桩8上端下沉至管桩第二夹持机构9位置时，即管桩8上端下沉至夹紧平台901以下位置，管桩第一夹持机构7松开管桩，并拆卸动力系统6与螺旋钻杆10的连接；
75.将下一节管桩和螺旋钻杆10吊装至管桩第二夹持机构9上的夹持区域，管桩第二夹持机构9将下一节管桩夹紧，且动力系统6与下一节螺旋钻杆10上端连接，管桩第一夹持机构7夹紧下一节管桩的上端；
76.调节管桩第二夹持机构9中夹紧平台901倾斜角度，使下一节管桩和螺旋钻杆10分别与当前管桩和螺旋钻杆10连接；
77.重复上述步骤，直至管桩伸入孔洞达到设定深度，管桩下沉完成。
78.通过重复进行上述管桩下沉方法，可依次将多个管桩排列埋设至孔洞内，管转全部埋设完毕。
79.更详细的是，所述s6步骤中拆除管桩的具体方法为：
80.利用管桩第二夹持机构9夹紧管桩外侧表面，管桩第一夹持机构7夹紧管桩上端；
81.首先吊装机构提拉管桩第一夹持机构7相连接的动力系统6，管桩第二夹持机构9中夹紧平台901通过调平油缸902沿管桩轴向方向进行提升，且管桩第一夹持机构7以及动力系统6同步提升；该步骤中通过吊装机构和管桩第二夹持机构9同时对管桩施加提升力，使管桩更易拔出；
82.在管桩第二夹持机构9中调平油缸902达到调平油缸902位移极限后，管桩第二夹持机构9松开管桩，且夹紧平台901在调平油缸902作用下原路径返回，同时吊装机构施加拉力，进而管桩第一夹持机构7保持管桩位置不动，可避免管桩第二夹持机构9松开管桩后，管桩下沉至孔洞内部；
83.然后管桩第二夹持机构9再次夹紧管桩，夹紧平台901重复提升管桩，直至管桩拔出，其中当每节管桩拔出后，管桩第二夹持机构9首先夹紧下一节管桩，然后拆除当前管桩与下一节管桩的连接。
84.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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之内。