桩机掘进系统以及采用该桩机掘进系统的基坑围护工艺.pdf

本发明涉及一种桩机掘进系统以及采用该桩机掘进系统的基坑围护工艺，主要适用于对周边环境影响控制要求较高的城市或现有建筑物附近等场地的施工，属于建筑基础工程及设备技术领域。其包括起吊设备、掘进设备和液压压入设备，通过在钢管桩内部设置轨道槽以及在掘进设备的本体上设置轨道的结构方式，将掘进设备内置在钢管桩底部进行掘进工作，针对该结构连接形式以及成桩工艺，对掘进设备的结构进行了整体的设计。本发明解决了现有技术中的桩机施工速度慢、狭窄场地施工困难、施工安全隐患大以及环境污染等问题。

1.  一种桩机掘进系统，其特征在于：包括起吊设备、掘进设备和液压压入设备；
在所述掘进设备的本体的外侧设有至少两条轨道，所述轨道与钢管桩内壁设置的轨道槽配合滑动连接，所述起吊设备牵引该掘进设备在钢管桩内部沿轨道槽上下移动；所述掘进设备包括内胀紧锁紧装置和掘进装置，通过所述内胀紧锁紧装置控制所述掘进设备与所述钢管桩的内壁呈“紧密连接”-“非连接”状态间切换；所述掘进装置设置于所述掘进设备的本体内部，所述掘进装置包括动力装置和变径掘进刀头装置，所述动力装置与变径掘进刀头装置通过传动轴传动连接；所述液压压入设备包括夹紧装置和和竖向加压油缸装置，所述夹紧装置与所述钢管桩夹紧连接，所述竖向加压油缸装置控制所述钢管桩纵向移动。

2.  根据权利要求1所述的桩机掘进系统，其特征在于：所述内胀紧锁紧装置包括提升架、收缩臂和连杆，所述提升架的上端通过钢丝绳与所述起吊设备连接，所述提升架为“n”型结构，且其两端部分别向所述提升架的中心线方向倾斜，所述提升架与连杆的一端通过收缩臂铰接连接，所述连杆的另一端与所述掘进设备的本体铰接连接，在所述连杆的上端设有摩阻装置。

3.  根据权利要求1所述的桩机掘进系统，其特征在于：所述变径掘进刀头装置包括刀头和联轴器，所述刀头通过从动轴与联轴器连接，所述传动轴通过联轴器将扭矩传递给从动轴，使从动轴旋转带动刀头作回转曲线运动，在刀头的靠近传动轴端设有与传动轴外侧面配合的弧形突出部分，所述弧形突出部分在刀头打开状态下与传动轴配合连接。

4.  根据权利要求1所述的桩机掘进系统，其特征在于：所述掘进装置还包括排土刀头装置，所述排土刀头装置设置于所述动力装置的上端，且通过传动轴与所述动力装置传动连接。

5.  根据权利要求1所述的桩机掘进系统，其特征在于：所述液压压入设备的夹紧装置包括钢管抱箍和夹紧油缸，所述钢管抱箍在夹紧油缸的驱动下可夹紧钢管桩。

6.  一种采用如权利要求1所述的桩机掘进系统的基坑围护方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）施工前准备：在钢管桩内壁设置轨道槽，在钢管桩外壁设置止水企口，将需要施工的场地平整；
（2）利用起吊设备将钢管桩按指定桩位定位并对中；
（3）将液压压入设备与钢管桩安装固定；
（4）通过起吊设备将掘进设备沿钢管桩内壁的轨道槽下放至钢管桩底部并稍长于钢管桩；
（5）通过内胀紧锁紧装置控制掘进设备与钢管桩的内壁呈“紧密连接”状态，此时掘进设备固定于钢管桩的底部；
（6）启动掘进设备的动力装置，控制刀头顺时针旋转打开以切削土体，同时液压压入设备向下施压将钢管桩压入至预定标高；
（7）钢管桩植入至预定标高后，控制掘进设备的刀头逆时针旋转，以将变径掘进钻头收缩至钢管桩内；
（8）通过内胀紧锁紧装置控制掘进设备与钢管桩的内壁呈“非连接”状态；
（9）利用起吊设备将掘进设备沿钢管桩内壁的轨道槽起吊分离；
（10）利用起吊设备将标准型材工字钢竖向垂直起吊，采用液压压入设备将标准型材工字钢的一端对准钢管桩外壁的止水企口压入至预定标高。

7.  根据权利要求5所述的基坑围护的施工方法，其特征在于：若所述内胀紧锁紧装置如权利要求2所述的结构组成，在步骤（5）中，通过起吊设备释放对提升架的牵引，受提升架的自重压力作用，连杆的上端向外侧倾斜，磨阻装置与钢管桩的内壁紧密连接；在步骤（8）中，通过起吊设备对提升架的牵引，连杆的上端向内侧倾斜，磨阻装置与钢管桩的内壁呈非连接状态。

8.  根据权利要求5所述的基坑围护的施工方法，其特征在于：还包括排土刀头，所述排土刀头在步骤（6）-（9）中受动力装置的传动，一直处于旋转状态。

桩机掘进系统以及采用该桩机掘进系统的基坑围护工艺
技术领域
本发明涉及一种桩机掘进系统以及采用该桩机掘进系统的基坑围护工艺，主要适用于对周边环境影响控制要求较高的城市或现有建筑物附近等场地的施工，属于建筑基础工程及设备技术领域。
背景技术
基坑围护体系，是一个土体、支护结构相互共同作用的有机体，由于周围建筑物及地下管道等因素的制约，对支护结构的安全性有了更高的要求；不仅要能保证基坑的稳定性及坑内作业的安全、方便，而且要使坑底和坑外的土体位移控制在一定范围内，确保邻近建筑物及市政设施正常使用。
基坑在开挖过程中必然引起周围土体的变形，对周围建(构)筑物和地下管线产生影响，严重的将危及其正常使用或安全，为了避免这种情况在深基设计和坑施工中会增加围护护系统来稳定基坑安全，目前主要有三种形式：
1、钢筋混凝土灌注桩目前被广泛的应用于深基坑，灌注桩只能挡土不能止水，在设计和施工中必须在基坑外侧设置止水搅拌桩，但搅拌桩质量很难控制，一旦发生基坑渗漏极难处理，且灌注桩在施工中有大量的废弃泥浆产生，造成极大的环境污染，且施工周期长、施工现场脏乱差，不利于文明施工。
2、SMW工法是上世纪末引进的新型施工工艺，造价略低于灌注桩，施工周期短无泥浆产生；施工需要大型机械配套，安全隐患较大，后期拔除桩体内加劲型材需要足够施工道路且周期长，遇狭小场地无法施工。
3、拉森钢板桩属于柔性围护，目前只应用于小型基坑施工速度快、环保，但造价高。
随着社会的发展及需要，基坑开挖的面积和深度越来越大，传统的围护工艺已经很难满足要求，设计一套新型、安全、环保、施工快、造价低的基坑围护工艺以及施工设备成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种桩机掘进系统以及采用该桩机掘进系统的基坑围护工艺，其解决了现有技术中的桩机施工速度慢、狭窄场地施工困难、施工安全隐患大以及环境污染等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种桩机掘进系统，包括起吊设备、掘进设备和液压压入设备；在所述掘进设备的本体的外侧设有至少两条轨道，所述轨道与钢管桩内壁设置的轨道槽配合滑动连接，所述起吊设备牵引该掘进设备在钢管桩内部沿轨道槽上下移动；所述掘进设备包括内胀紧锁紧装置和掘进装置，通过所述内胀紧锁紧装置控制所述掘进设备与所述钢管桩的内壁呈“紧密连接”-“非连接”状态间切换；所述掘进装置设置于所述掘进设备的本体内部，所述掘进装置包括动力装置和变径掘进刀头装置，所述动力装置与变径掘进刀头装置通过传动轴传动连接；所述液压压入设备包括夹紧装置和和竖向加压油缸装置，所述夹紧装置与所述钢管桩夹紧连接，所述竖向加压油缸装置控制所述钢管桩纵向移动。本发明通过掘进设备的本体设置轨道结构与钢管桩内部的轨道槽配合滑动连接，当掘进装置的变径掘进刀头装置收缩状态时，可将掘进设备沿轨道槽下放至钢管桩底部，再通过内胀紧锁紧装置将掘进设备固定于钢管桩底部，并控制变径掘进刀头装置打开状态以进行切削土壤工作，通过液压压入设备将钢管桩以及掘进设备随钢管桩底部土壤的松动将其整体压入至预定标高，在吊离掘进设备时，通过变径掘进刀头装置的变径功能，将掘进装置的变径掘进刀头装置控制为收缩状态即可从钢管桩内部吊离；通过在钢管桩内置掘进设备，改变了现有技术中动力装置在钢管桩顶部且通过连接杆控制钢管桩底部的掘进装置的结构，也解决了现有技术的桩机必须采用大型桩机设备才足以支撑整体结构的问题，整体结构设计合理，稳定性、安全性、环保性等都具有较大的改观。
进一步地，本发明的所述内胀紧锁紧装置包括提升架、收缩臂和连杆，所述提升架的上端通过钢丝绳与所述起吊设备连接，所述提升架为“n”型结构，且其两端部分别向所述提升架的中心线方向倾斜，所述提升架与连杆的一端通过收缩臂铰接连接，所述连杆的另一端与所述掘进设备的本体铰接连接，在所述连杆的上端设有摩阻装置。内胀紧锁紧装置采用提升架、收缩臂和连杆的结构组合方式，将该装置的设计与掘进设备整体的起吊分离功能相结合，一方面避免了掘进设备在钢管桩内部结构复杂而影响掘进阻力的问题，另一方面通过该结构将掘进设备的下放和起吊过程同步控制，加强了产品的自动化控制功能，且直接采用提升架的自重控制摩阻装置与钢管桩内壁 “紧密连接”-“非连接”状态间的切换，无需采用其它动力控制，达到节能环保的目的。
进一步地，本发明的所述变径掘进刀头装置包括刀头和联轴器，所述刀头通过从动轴与联轴器连接，所述传动轴通过联轴器将扭矩传递给从动轴，使从动轴旋转带动刀头作回转曲线运动，在刀头的靠近传动轴端设有与传动轴外侧面配合的弧形突出部分，所述弧形突出部分在刀头打开状态下与传动轴配合连接。采用该种结构的变径掘进刀头装置，改变了现有技术中采用折叠方式进行刀头变径的方式，增强了刀头的稳定性以及使用寿命。
进一步地，本发明的所述掘进装置还包括排土刀头装置，所述排土刀头装置设置于所述动力装置的上端，且通过传动轴与所述动力装置传动连接。利用排土刀头装置将掘进设备上方土体扰动，在起吊分离掘进设备时起辅助作用。
进一步地，本发明的所述液压压入设备的夹紧装置包括钢管抱箍和夹紧油缸，所述钢管抱箍在夹紧油缸的驱动下可夹紧钢管桩。采用该种结构的液压压入设备能更好的保证钢管桩的夹紧工作，防止由于钢管桩脱离夹紧装置而产生安全事故。
一种该桩机掘进系统的基坑围护方法，包括如下步骤：
（1）施工前准备：在钢管桩内壁设置轨道槽，在钢管桩外壁设置止水企口，将需要施工的场地平整。
（2）利用起吊设备将钢管桩按指定桩位定位并对中。
（3）将液压压入设备与钢管桩安装固定。
（4）通过起吊设备将掘进设备沿钢管桩内壁的轨道槽下放至钢管桩底部并稍长于钢管桩。
（5）通过内胀紧锁紧装置控制掘进设备与钢管桩的内壁呈“紧密连接”状态，此时掘进设备固定于钢管桩的底部。
（6）启动掘进设备的动力装置，控制刀头顺时针旋转打开以切削土体，同时液压压入设备向下施压将钢管桩压入至预定标高。
（7）钢管桩植入至预定标高后，控制掘进设备的刀头逆时针旋转，以将变径掘进钻头收缩至钢管桩内。
（8）通过内胀紧锁紧装置控制掘进设备与钢管桩的内壁呈“非连接”状态。
（9）利用起吊设备将掘进设备沿钢管桩内壁的轨道槽起吊分离。
（10）利用起吊设备将标准型材工字钢竖向垂直起吊，采用液压压入设备将标准型材工字钢的一端对准钢管桩外壁的止水企口压入至预定标高。采用钢管与标准型材工字钢组合的形式彻底解决传统围护桩的泥浆污染问题。
进一步地，本发明若所述内胀紧锁紧装置如权利要求2所述的结构组成，在步骤（5）中，通过起吊设备释放对提升架的牵引，受提升架的自重压力作用，连杆的上端向外侧倾斜，磨阻装置与钢管桩的内壁紧密连接；在步骤（8）中，通过起吊设备对提升架的牵引，连杆的上端向内侧倾斜，磨阻装置与钢管桩的内壁呈非连接状态。
作为优化，本发明还包括排土刀头，所述排土刀头在步骤（6）-（9）中受动力装置的传动，一直处于旋转状态。
本发明采用了一种全新的结构设计，将掘进设备内置于钢管桩底部，通过简单的起吊设备即可满足施工要求，解决了现有技术中需要大型机械配套的问题，采用液压液入设备与掘进设备相结合植桩的方式可实现低噪音、无废气排放的环保施工要求，无需大量施工用水，无泥浆外排，无需大型施工机械，无噪音、无污染物震动等优点。并在钢管桩外壁设置止水企口，实现了钢管桩围护工艺的要求，采用这种工艺后，为各种类型基坑的围护提供了全新的设计和施工理念，保证了基坑施工的安全性和环保性。本发明整体结构设计合理，工艺流程较为简单，在提高施工速度的同时，提高了施工安全性，设备生产成本相对较低，经现场试验，采用该种桩机掘进系统的基坑围护效率明显提高，本发明操作简单，适合在建筑施工技术领域的推广使用。且由于新工艺无噪音无震动、无污染不影响周边建筑物的基础，减小周边环境应变，相对于居民区商业圈等敏感环境更具优势。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2是本发明的施工工艺流程结构示意图。
图3是本发明的掘进设备无牵引力时的结构示意图。
图4为本发明的掘进设备设牵引力时的结构示意图。
图5为本发明的变径掘进刀头装置的刀头收缩状态下的结构示意图。
图6为本发明的变径掘进刀头装置的刀头展开状态下的结构示意图。
图7为本发明的钢管桩与工字钢连接结构示意图。
图8为本发明的液压压入设备的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
参见图1-图8，本实施例包括起吊设备1、掘进设备2和液压压入设备3。
在掘进设备2的本体的外侧设有两条轨道21，该轨道21与钢管桩4内壁设置的轨道槽41配合滑动连接。
掘进设备2包括内胀紧锁紧装置和掘进装置，内胀紧锁紧装置包括提升架221、收缩臂222和连杆223，提升架221为“n”型结构，且其两端部分别向提升架221的中心线方向倾斜，提升架221与连杆223的一端通过收缩臂222铰接连接，连杆223的另一端与掘进设备2的本体铰接连接，在连杆223的上端设有摩阻装置224，摩阻装置224可采用摩阻系数较大的材质制成。起吊设备1通过钢丝绳11与提升架221连接，通过该起吊设备1的牵引力，控制该掘进设备2在钢管桩4内部沿轨道槽41上下移动。掘进装置设置于掘进设备2的本体内部，掘进装置包括动力装置241、排土刀头装置242和变径掘进刀头装置243，动力装置241与变径掘进刀头装置243通过传动轴244传动连接，排土刀头装置242设置于动力装置241的上端，且通过传动轴244与动力装置241传动连接；液压压入设备3包括夹紧装置和和竖向加压油缸装置32，夹紧装置包括钢管抱箍311和夹紧油缸312，钢管抱箍311在夹紧油缸312的驱动下可夹紧钢管桩4，竖向加压油缸装置32控制钢管桩4纵向移动，本实施例的动力装置241采用液压马达。
变径掘进刀头装置243包括刀头245和联轴器246，刀头245通过从动轴247与联轴器246连接，传动轴244通过联轴器246将扭矩传递给从动轴247，使从动轴247旋转带动刀头245作回转曲线运动。刀头245设有第一回转弧248和第二回转弧249，刀头245顺时针旋转时，第一回转弧248与传动轴244相切，刀头245打开作切削工作且第一回转弧248起到固定刀头245的作用；刀头245逆时针旋转时，第二回转弧249与传动轴244相切，刀头245收起不作切削工作且第二回转弧249起到固定刀头245的作用。
参见图2，本实施例的采用该种该桩机掘进系统的基坑围护方法，包括如下步骤：
（1）施工前准备：在钢管桩4内壁设置轨道槽41，在钢管桩4外壁设置止水企口42，将需要施工的场地平整。
（2）利用起吊设备1将钢管桩4按指定桩位定位并对中。
（3）将液压压入设备3与钢管桩4安装固定。打开钢管抱箍311，将钢管桩4放入液压压入设备3内部并通过夹紧油缸312驱动夹紧。
（4）通过起吊设备1将掘进设备2沿钢管桩4内壁的轨道槽41下放至钢管桩4底部并稍长于钢管桩4。
（5）当掘进设备2下放至预定标高时，释放起吊设备1对提升架221的牵引力，此时提升架221受自重压力作用迫使收缩臂222的上端向内侧靠拢，收缩臂222的下端向钢管桩4内壁靠拢，即连杆224上端的摩阻装置224会与钢管桩4内壁呈紧密连接状态，受摩阻装置224与钢管桩4内壁的摩擦力作用，掘进设备2整体会固定于钢管桩4内壁的该处位置，如图3。
（6）启动掘进设备2的动力装置241，控制传动轴244顺时针旋转，受惯性作用，刀头245顺时针旋转打开，当刀头245旋转打开至最大切削半径时，刀头245的第一回转弧248与传动轴244相切，刀头245以切削土体且第一回转弧248起到固定刀头245的作用，与此同时，液压压入设备3向下施压将钢管桩4压入至预定标高，如图6。
（7）钢管桩4植入至预定标高后，控制掘进设备2的刀头245逆时针旋转，以将刀头245收缩至钢管桩4内，刀头245的第二回转弧249与传动轴244相切，刀头245收起不作切削工作且第二回转弧249起到固定刀头245的作用，如图5。
（8）通过起吊设备1将钢丝绳11收起，此时提升架221受起吊设备1的牵引力作用迫使收缩臂222呈竖直方向，即连杆223上端的摩阻装置224会与钢管桩4内壁呈非连接状态，掘进设备2与钢管桩4内壁重新返回滑动连接状态，如图4。
（9）利用起吊设备1将掘进设备2沿钢管桩4内壁的轨道槽41起吊分离。
（10）利用起吊设备1将标准型材工字钢5竖向垂直起吊，采用液压压入设备3将标准型材工字钢5的一端对准钢管桩4外壁的止水企口42压入至预定标高，形成组合式连续墙体，如图7。
在启动掘进设备2的动力装置241开始，受动力装置241的传动作用，排土刀头装置242一直处于旋转状态，排土刀头装置242在钢管桩4植入时起到排土的作用，在将掘进设备2起吊分离时起到松动其上部土壤的作用以便方便的将掘进设备2取出。
本实施例可实现无噪音无震动的静音施工；不需要大量的水、电、水泥、钢筋混凝土等施工材料，既环保又安全，更降低了施工成本；新工艺所采用的组合式连续墙体彻底解决因止水搅拌桩质量问题产生的基坑渗漏；采用内置掘进设备的方式使其重心低，可确保安全，无需大型施工设备，不影响基坑周边建筑物和设施，可以充分利用土地资源。
以上实施例对本发明作出了较为详细的描述，但是这些描述并非是对本发明的限制，即本发明并不局限于上述实施例的具体结构及描述。本发明的保护范围包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。