快速破除樁基樁頭的智能化裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 亞 斌， 李 佳 寧

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

橋梁基礎(chǔ)是橋梁結(jié)構(gòu)物直接與地基接觸的最下面的部分，是橋梁下部結(jié)構(gòu)的重要組成部分。橋梁基礎(chǔ)工程多采用群樁基礎(chǔ)以承受其上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載。為保證橋梁鉆孔灌注樁樁身的完整性，通常采用先超澆、后開挖破除樁頭的辦法以避免樁頂浮漿影響樁身質(zhì)量。傳統(tǒng)的鉆孔樁基礎(chǔ)處理通常為人工用風(fēng)鎬剝離樁頭鋼筋后再將剩余的部分樁頭進(jìn)行吊離的辦法，其存在諸多缺陷。項(xiàng)目部技術(shù)人員在施工過程中通過對(duì)傳統(tǒng)施工工藝進(jìn)行分析、總結(jié)后發(fā)明創(chuàng)新研究出“一種快速破除樁頭智能化裝置”，有效地將破除樁頭的切割、鉆孔、預(yù)裂融為一體，在滿足相關(guān)設(shè)計(jì)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，有效地克服了傳統(tǒng)施工工藝存在的弊端，該項(xiàng)新技術(shù)已在河北高速公路項(xiàng)目得到充分的論證與應(yīng)用，取得了較好的效果。

“橋梁樁基快速破除樁頭智能化施工技術(shù)”是國內(nèi)一項(xiàng)新的先進(jìn)技術(shù)成果，“一種快速破除樁頭智能化裝置”已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)(專利號(hào)ZL201710561733.6)，同時(shí)形成了橋梁樁基快速破除樁頭施工新工藝。與傳統(tǒng)的破除樁頭施工工藝相比，該新型施工技術(shù)通過整體破除樁頭，既能保證鉆孔樁樁頭平整、鋼筋籠深入承臺(tái)的鋼筋整齊，又能加強(qiáng)樁頭的質(zhì)量控制，同時(shí)降低了鉆孔樁的施工成本，提高了施工效率，具有非常明顯的先進(jìn)性，比傳統(tǒng)施工方法更經(jīng)濟(jì)、取得的效果更好，更能節(jié)約工期，具有很好的發(fā)展前景。闡述了快速破除樁基樁頭的智能化裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用過程。

2 快速破除樁頭的智能化裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)的鉆孔灌注樁施工規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并對(duì)樁基破除樁頭傳統(tǒng)施工方法進(jìn)行綜合分析與總結(jié)，通過理論計(jì)算[1]，項(xiàng)目部技術(shù)人員設(shè)計(jì)出“一種快速破除樁頭智能化裝置”?？焖倨瞥龢额^智能化裝置立面圖見圖1，快速破除樁頭智能化裝置側(cè)視圖見圖2。

圖1 快速破除樁頭智能化裝置立面圖

圖2 快速破除樁頭智能化裝置側(cè)視圖

2.2 結(jié)構(gòu)的組成及作用

樁基快速破除樁頭智能化裝置的主要運(yùn)行系統(tǒng)包括：吊裝系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、鉆孔系統(tǒng)、預(yù)裂系統(tǒng)等八個(gè)控制系統(tǒng)，具體的連接方式及作用如下：

(1)吊裝系統(tǒng)由汽車吊和活動(dòng)鋼絲吊繩組成，采用活動(dòng)螺栓連接。利用汽車吊吊裝快速破除樁頭智能化裝置施工作業(yè)，待樁頭破除完成后，再利用汽車吊將破除完成后的樁頭吊離基坑；

(2)動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、總電機(jī)和分電機(jī)組成，利用汽車吊柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)快速破除樁頭智能化裝置的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，為總電機(jī)和分電機(jī)提供電能并確保各個(gè)裝置正常運(yùn)行；

(3)液壓系統(tǒng)由總液壓油泵、變量泵、分配閥及各個(gè)可調(diào)式分液壓油泵組成，通過計(jì)算機(jī)智能化程序控制液壓油泵運(yùn)轉(zhuǎn)，利用分液壓油泵通過所配屬的光環(huán)固定樁頭的位置用以調(diào)整檢測(cè)裝置、切割裝置、鉆孔裝置和預(yù)裂裝置的施工作業(yè)位置，并校核各個(gè)裝置的施工精度，確保其處于同一水平面上；

(4)檢測(cè)系統(tǒng)由各種傳感裝置、數(shù)據(jù)通訊裝置、保護(hù)層測(cè)定儀和環(huán)形軌道①組成。感應(yīng)接收處理器及數(shù)據(jù)輸送機(jī)安裝在操作室內(nèi)并連接計(jì)算機(jī)；各種傳感器分別安裝在環(huán)形液壓鉆機(jī)、液壓錘、環(huán)形軌道①②及液壓油缸等位置，其可在施工過程中實(shí)時(shí)控制各個(gè)裝置的運(yùn)行；數(shù)據(jù)通訊裝置的作用主要是收集各類感應(yīng)裝置監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)并將其輸送至計(jì)算機(jī)中，通過計(jì)算機(jī)對(duì)所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、記錄與歸檔；保護(hù)層測(cè)定儀檢測(cè)數(shù)據(jù)通過環(huán)形軌道①進(jìn)行環(huán)形檢測(cè)(由于測(cè)定儀為精密儀器，用于檢測(cè)保護(hù)層時(shí)方可連接，不用時(shí)則需取下以減少對(duì)儀器的損壞)，并利用數(shù)據(jù)通訊裝置直接將其傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；

(5)切割系統(tǒng)由切割機(jī)和環(huán)形軌道②組成。當(dāng)各個(gè)裝置調(diào)整、校核完成，保護(hù)層測(cè)定儀檢測(cè)完保護(hù)層厚度后，可將切割機(jī)與環(huán)形軌道②連接，在通過計(jì)算機(jī)分析保護(hù)層的厚度后，由計(jì)算機(jī)直接控制切割機(jī)運(yùn)行切割混凝土保護(hù)層，切割混凝土保護(hù)層時(shí)需確保不會(huì)傷及主筋并能達(dá)到一次性切割成型[2]的目的；

(6)鉆孔系統(tǒng)由八個(gè)液壓鉆機(jī)和環(huán)形道槽①組成，八個(gè)液壓鉆機(jī)呈米字型設(shè)置，相互之間的距離相同，同時(shí)在環(huán)形道槽①內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)、整體移動(dòng)。鉆孔時(shí)，通過計(jì)算機(jī)分析鋼筋籠主筋的位置進(jìn)行鉆孔位置的調(diào)整，從而有效地避開鋼筋籠的主筋位置進(jìn)行鉆孔[3]；

(7)預(yù)裂系統(tǒng)由一個(gè)液壓油泵、八個(gè)液壓劈裂錘和環(huán)形道槽②組成。八個(gè)液壓劈裂錘呈米字型設(shè)置，相互之間的距離相同，同時(shí)在環(huán)形道槽②內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。預(yù)裂混凝土?xí)r，液壓劈裂錘整體左右移動(dòng)進(jìn)入由鉆機(jī)完成的成型孔內(nèi)，利用液壓油泵同時(shí)放(或收)液壓油控制八個(gè)液壓劈裂錘運(yùn)行以達(dá)到一次性劈裂樁頭[4]的目的；

(8)智能化控制系統(tǒng)由操作按鈕平臺(tái)、智能化控制平臺(tái)及感應(yīng)裝置組成。操作按鈕平臺(tái)將各種命令設(shè)置于各個(gè)按鈕，利用按鈕控制裝置運(yùn)行智能化控制平臺(tái)，可以顯示各個(gè)裝置的運(yùn)行參數(shù)，亦可利用鍵盤自行設(shè)置或改變參數(shù)；感應(yīng)裝置由感應(yīng)器和遙控器組成，可以遠(yuǎn)距離控制設(shè)備運(yùn)行。

各零部件加工完成后，利用工地現(xiàn)有的場(chǎng)地和機(jī)具進(jìn)行橋梁樁基快速破除樁頭智能化裝置的組裝，將吊裝設(shè)備、智能化控制裝置、動(dòng)力裝置、液壓裝置、檢測(cè)裝置、切割裝置、鉆孔裝置和預(yù)裂裝置組裝成一個(gè)整體，由汽車吊柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)各子裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，基本實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能，使橋梁樁基破除樁頭施工方便、快捷，大大減少了人員投入，縮短了工期。

2.3 施工原理

“一種快速破除樁頭智能化裝置”采用結(jié)構(gòu)組合設(shè)置，將檢測(cè)系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、鉆孔系統(tǒng)、預(yù)裂系統(tǒng)組合在一起，配合汽車吊進(jìn)行樁頭破除、吊離施工。采用汽車吊的發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)整體裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)；利用計(jì)算機(jī)將施工參數(shù)輸入智能化控制程序，并按所設(shè)置的工序施工。首先，通過測(cè)量儀器放樣出樁頭頂標(biāo)高的位置，使用鋼筋保護(hù)層測(cè)定儀檢測(cè)出樁基保護(hù)層的厚度和鋼筋籠主筋的位置，再用切割機(jī)沿環(huán)形軌道切割混凝土(操作時(shí)應(yīng)避免傷及鋼筋籠主筋)。

通過計(jì)算機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)液壓鉆避開鋼筋籠主筋位置進(jìn)行鉆孔，鉆孔成型后，使用液壓劈裂機(jī)進(jìn)行樁頭預(yù)裂，最后用汽車吊將預(yù)裂的樁頭吊出基坑，從而取得樁頭一次性切割、鉆孔、預(yù)裂直至破除成型的效果，并在操作平臺(tái)安裝操作感應(yīng)裝置以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控控制。該裝置不僅構(gòu)造簡單、操作方便，而且能夠達(dá)到破除樁頭的設(shè)計(jì)要求，適用于大、特大型橋梁樁基工程群樁大面積破除樁頭智能化施工作業(yè)，通過使用該裝置，既減少了施工作業(yè)人員的投入，又提高了施工效率，降低了施工成本，減少了對(duì)施工環(huán)境的污染。

3 快速破除樁頭智能化裝置的應(yīng)用

3.1 施工工藝流程

樁基快速破除樁頭的施工工藝流程為：鋼筋籠加工→樁基混凝土灌注→基坑開挖→快速破除樁頭→樁頭吊除。

3.2 施工過程

(1)鋼筋籠加工。鋼筋籠加工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采用配套直徑的白色PVC管材分別將所對(duì)應(yīng)的鋼筋籠主筋和3根聲測(cè)管完全套住，并在所套的PVC管底端用透明膠帶實(shí)施封端。為絕對(duì)保證PVC管不脫落和漏漿，鋼筋籠主筋及聲測(cè)管上的每根PVC管底端均用扎絲綁扎牢固[5]。樁基樁頭鋼筋平面布置情況見圖3，樁基樁頭鋼筋采用PVC管包裹的A-A斷面情況見圖4。

圖3 樁基樁頭鋼筋平面布置圖

(2)基坑開挖。待樁基混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用挖掘機(jī)開挖基坑，挖掘機(jī)開挖至設(shè)計(jì)頂標(biāo)高時(shí)由人工清底，并由人工超挖10 cm以方便后期承臺(tái)墊層的混凝土澆筑施工。

基坑開挖成型后，采用測(cè)量儀器放樣出樁基設(shè)計(jì)頂標(biāo)高并在樁頭四周對(duì)稱標(biāo)記。

(3)快速破除樁頭施工。測(cè)量放樣并標(biāo)注設(shè)計(jì)頂標(biāo)高后，由人工將快速破除樁頭智能化裝置運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行各個(gè)裝置的連接。連接完成后，初步調(diào)整并檢查各個(gè)系統(tǒng)裝置是否運(yùn)行正常，重點(diǎn)檢查智能化控制系統(tǒng)的運(yùn)行程序是否正常，通過計(jì)算機(jī)將破除樁頭的參數(shù)導(dǎo)入快速破除樁頭智能化裝置控制系統(tǒng)程序中并確保導(dǎo)入數(shù)據(jù)無誤。

人工將各個(gè)系統(tǒng)裝置連接完成、初步調(diào)整后進(jìn)行二次精調(diào)，精調(diào)完成后，啟動(dòng)汽車吊，打開發(fā)電機(jī)開啟按鈕啟動(dòng)總發(fā)電機(jī)和各分電機(jī)，利用電機(jī)帶動(dòng)裝置運(yùn)行進(jìn)行破除樁頭的施工。

由汽車吊將快速破除樁頭智能化裝置吊至破除樁頭位置后，將固定鋼環(huán)固定在破除樁頭的中部，利用液壓連接伸縮桿調(diào)整各個(gè)裝置系統(tǒng)和軌道在同一水平面，首先安裝保護(hù)層測(cè)定儀并檢測(cè)設(shè)計(jì)樁頂位置混凝土保護(hù)層的厚度和鋼筋籠主筋位置(由于測(cè)定儀為精密儀器，檢測(cè)保護(hù)層時(shí)可連接，不用時(shí)應(yīng)取下，以減少對(duì)儀器的損壞)，利用數(shù)據(jù)通訊裝置直接將所取得的數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析完成后，操作人員將切割裝置安裝至環(huán)形軌道②，計(jì)算機(jī)下達(dá)指令啟動(dòng)切割裝置運(yùn)行，開始切割混凝土保護(hù)層并需保證切割時(shí)不會(huì)傷及主筋，達(dá)到一次性切割成型的目的?；炷帘Ｗo(hù)層切割完成后，計(jì)算機(jī)下達(dá)指令啟動(dòng)液壓鉆孔裝置并控制八個(gè)液壓鉆機(jī)在環(huán)形道槽①內(nèi)整體式左右移動(dòng)，避開鋼筋籠主筋后實(shí)施鉆孔。鉆孔成型后，計(jì)算機(jī)再次下達(dá)指令啟動(dòng)液壓預(yù)裂裝置，八個(gè)液壓劈裂錘在環(huán)形道槽②內(nèi)整體式左右移動(dòng)進(jìn)入已成型鉆孔內(nèi)，利用液壓油泵同時(shí)放(或收)液壓油控制八個(gè)液壓劈裂錘的運(yùn)行，達(dá)到一次性劈裂樁頭[6]的目的。

圖4 樁基樁頭鋼筋采用PVC管包裹A-A斷面圖

(4)樁頭的吊除。待樁頭劈裂完成后，通過固定鋼環(huán)并利用汽車吊將破除完成后的樁頭吊離基坑，待其吊離基坑后，操作人員關(guān)閉快速破除樁頭智能化裝置，移動(dòng)汽車吊開始下一個(gè)樁基的樁頭破除并重復(fù)上述工作步驟；同一區(qū)間內(nèi)的樁基樁頭破除完成后，整體式卸下快速破除樁頭智能化裝置，能夠有效地保證樁基的整體質(zhì)量且施工過程安全可靠。

4 結(jié) 語

所設(shè)計(jì)的“一種快速破除樁頭智能化裝置(專利號(hào)ZL201710561733.6)”在河北高速公路項(xiàng)目橋梁樁基工程施工中得到應(yīng)用并取得了較好的效果。目前該工程已全部結(jié)束，經(jīng)檢查其工程質(zhì)量完全滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，受到業(yè)主方和監(jiān)理單位的一致好評(píng)。

該項(xiàng)施工技術(shù)打破了傳統(tǒng)施工工藝存在的諸多缺陷，在提高功效、降低成本、創(chuàng)造效益的同時(shí)滿足了施工質(zhì)量、施工工期及文明施工等方面的要求，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。