快速破除樁基樁頭的智能化裝置的設計與應用

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

橋梁基礎是橋梁結構物直接與地基接觸的最下面的部分，是橋梁下部結構的重要組成部分。橋梁基礎工程多采用群樁基礎以承受其上部結構傳遞的荷載。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量。傳統的鉆孔樁基礎處理通常為人工用風鎬剝離樁頭鋼筋后再將剩余的部分樁頭進行吊離的辦法，其存在諸多缺陷。項目部技術人員在施工過程中通過對傳統施工工藝進行分析、總結后發明創新研究出“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、預裂融為一體，在滿足相關設計、規范、標準要求的同時，有效地克服了傳統施工工藝存在的弊端，該項新技術已在河北高速公路項目得到充分的論證與應用，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”是國內一項新的先進技術成果，“一種快速破除樁頭智能化裝置”已獲得國家發明專利授權(專利號ZL201710561733.6)，同時形成了橋梁樁基快速破除樁頭施工新工藝。與傳統的破除樁頭施工工藝相比，該新型施工技術通過整體破除樁頭，既能保證鉆孔樁樁頭平整、鋼筋籠深入承臺的鋼筋整齊，又能加強樁頭的質量控制，同時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性，比傳統施工方法更經濟、取得的效果更好，更能節約工期，具有很好的發展前景。闡述了快速破除樁基樁頭的智能化裝置的設計與應用過程。

2 快速破除樁頭的智能化裝置的結構設計

2.1 結構設計

根據相關的鉆孔灌注樁施工規范及標準要求，結合現場實際情況并對樁基破除樁頭傳統施工方法進行綜合分析與總結，通過理論計算[1]，項目部技術人員設計出“一種快速破除樁頭智能化裝置”。快速破除樁頭智能化裝置立面圖見圖1，快速破除樁頭智能化裝置側視圖見圖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視圖

2.2 結構的組成及作用

樁基快速破除樁頭智能化裝置的主要運行系統包括：吊裝系統、智能化控制系統、動力系統、液壓系統、檢測系統、切割系統、鉆孔系統、預裂系統等八個控制系統，具體的連接方式及作用如下：

(1)吊裝系統由汽車吊和活動鋼絲吊繩組成，采用活動螺栓連接。利用汽車吊吊裝快速破除樁頭智能化裝置施工作業，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)動力系統由發電機、總電機和分電機組成，利用汽車吊柴油發動機帶動快速破除樁頭智能化裝置的發電機轉動，為總電機和分電機提供電能并確保各個裝置正常運行；

(3)液壓系統由總液壓油泵、變量泵、分配閥及各個可調式分液壓油泵組成，通過計算機智能化程序控制液壓油泵運轉，利用分液壓油泵通過所配屬的光環固定樁頭的位置用以調整檢測裝置、切割裝置、鉆孔裝置和預裂裝置的施工作業位置，并校核各個裝置的施工精度，確保其處于同一水平面上；

(4)檢測系統由各種傳感裝置、數據通訊裝置、保護層測定儀和環形軌道①組成。感應接收處理器及數據輸送機安裝在操作室內并連接計算機；各種傳感器分別安裝在環形液壓鉆機、液壓錘、環形軌道①②及液壓油缸等位置，其可在施工過程中實時控制各個裝置的運行；數據通訊裝置的作用主要是收集各類感應裝置監測到的數據并將其輸送至計算機中，通過計算機對所收集到的數據進行分析、記錄與歸檔；保護層測定儀檢測數據通過環形軌道①進行環形檢測(由于測定儀為精密儀器，用于檢測保護層時方可連接，不用時則需取下以減少對儀器的損壞)，并利用數據通訊裝置直接將其傳送至計算機進行數據分析；

(5)切割系統由切割機和環形軌道②組成。當各個裝置調整、校核完成，保護層測定儀檢測完保護層厚度后，可將切割機與環形軌道②連接，在通過計算機分析保護層的厚度后，由計算機直接控制切割機運行切割混凝土保護層，切割混凝土保護層時需確保不會傷及主筋并能達到一次性切割成型[2]的目的；

(6)鉆孔系統由八個液壓鉆機和環形道槽①組成，八個液壓鉆機呈米字型設置，相互之間的距離相同，同時在環形道槽①內運轉、整體移動。鉆孔時，通過計算機分析鋼筋籠主筋的位置進行鉆孔位置的調整，從而有效地避開鋼筋籠的主筋位置進行鉆孔[3]；

(7)預裂系統由一個液壓油泵、八個液壓劈裂錘和環形道槽②組成。八個液壓劈裂錘呈米字型設置，相互之間的距離相同，同時在環形道槽②內運轉。預裂混凝土時，液壓劈裂錘整體左右移動進入由鉆機完成的成型孔內，利用液壓油泵同時放(或收)液壓油控制八個液壓劈裂錘運行以達到一次性劈裂樁頭[4]的目的；

(8)智能化控制系統由操作按鈕平臺、智能化控制平臺及感應裝置組成。操作按鈕平臺將各種命令設置于各個按鈕，利用按鈕控制裝置運行智能化控制平臺，可以顯示各個裝置的運行參數，亦可利用鍵盤自行設置或改變參數；感應裝置由感應器和遙控器組成，可以遠距離控制設備運行。

各零部件加工完成后，利用工地現有的場地和機具進行橋梁樁基快速破除樁頭智能化裝置的組裝，將吊裝設備、智能化控制裝置、動力裝置、液壓裝置、檢測裝置、切割裝置、鉆孔裝置和預裂裝置組裝成一個整體，由汽車吊柴油發動機提供動力，帶動各子裝置運轉，通過現場試驗，基本實現其各項設計功能，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”采用結構組合設置，將檢測系統、切割系統、鉆孔系統、預裂系統組合在一起，配合汽車吊進行樁頭破除、吊離施工。采用汽車吊的發動機帶動電機以實現整體裝置的運轉；利用計算機將施工參數輸入智能化控制程序，并按所設置的工序施工。首先，通過測量儀器放樣出樁頭頂標高的位置，使用鋼筋保護層測定儀檢測出樁基保護層的厚度和鋼筋籠主筋的位置，再用切割機沿環形軌道切割混凝土(操作時應避免傷及鋼筋籠主筋)。

通過計算機控制轉動液壓鉆避開鋼筋籠主筋位置進行鉆孔，鉆孔成型后，使用液壓劈裂機進行樁頭預裂，最后用汽車吊將預裂的樁頭吊出基坑，從而取得樁頭一次性切割、鉆孔、預裂直至破除成型的效果，并在操作平臺安裝操作感應裝置以實現遠程遙控控制。該裝置不僅構造簡單、操作方便，而且能夠達到破除樁頭的設計要求，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，通過使用該裝置，既減少了施工作業人員的投入，又提高了施工效率，降低了施工成本，減少了對施工環境的污染。

3 快速破除樁頭智能化裝置的應用

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，現場采用配套直徑的白色PVC管材分別將所對應的鋼筋籠主筋和3根聲測管完全套住，并在所套的PVC管底端用透明膠帶實施封端。為絕對保證PVC管不脫落和漏漿，鋼筋籠主筋及聲測管上的每根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。待樁基混凝土達到設計強度后，采用挖掘機開挖基坑，挖掘機開挖至設計頂標高時由人工清底，并由人工超挖10 cm以方便后期承臺墊層的混凝土澆筑施工。

基坑開挖成型后，采用測量儀器放樣出樁基設計頂標高并在樁頭四周對稱標記。

(3)快速破除樁頭施工。測量放樣并標注設計頂標高后，由人工將快速破除樁頭智能化裝置運至施工現場進行各個裝置的連接。連接完成后，初步調整并檢查各個系統裝置是否運行正常，重點檢查智能化控制系統的運行程序是否正常，通過計算機將破除樁頭的參數導入快速破除樁頭智能化裝置控制系統程序中并確保導入數據無誤。

人工將各個系統裝置連接完成、初步調整后進行二次精調，精調完成后，啟動汽車吊，打開發電機開啟按鈕啟動總發電機和各分電機，利用電機帶動裝置運行進行破除樁頭的施工。

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，將固定鋼環固定在破除樁頭的中部，利用液壓連接伸縮桿調整各個裝置系統和軌道在同一水平面，首先安裝保護層測定儀并檢測設計樁頂位置混凝土保護層的厚度和鋼筋籠主筋位置(由于測定儀為精密儀器，檢測保護層時可連接，不用時應取下，以減少對儀器的損壞)，利用數據通訊裝置直接將所取得的數據傳送至計算機進行數據分析。數據分析完成后，操作人員將切割裝置安裝至環形軌道②，計算機下達指令啟動切割裝置運行，開始切割混凝土保護層并需保證切割時不會傷及主筋，達到一次性切割成型的目的。混凝土保護層切割完成后，計算機下達指令啟動液壓鉆孔裝置并控制八個液壓鉆機在環形道槽①內整體式左右移動，避開鋼筋籠主筋后實施鉆孔。鉆孔成型后，計算機再次下達指令啟動液壓預裂裝置，八個液壓劈裂錘在環形道槽②內整體式左右移動進入已成型鉆孔內，利用液壓油泵同時放(或收)液壓油控制八個液壓劈裂錘的運行，達到一次性劈裂樁頭[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，操作人員關閉快速破除樁頭智能化裝置，移動汽車吊開始下一個樁基的樁頭破除并重復上述工作步驟；同一區間內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量且施工過程安全可靠。

4 結 語

所設計的“一種快速破除樁頭智能化裝置(專利號ZL201710561733.6)”在河北高速公路項目橋梁樁基工程施工中得到應用并取得了較好的效果。目前該工程已全部結束，經檢查其工程質量完全滿足設計及規范要求，受到業主方和監理單位的一致好評。

該項施工技術打破了傳統施工工藝存在的諸多缺陷，在提高功效、降低成本、創造效益的同時滿足了施工質量、施工工期及文明施工等方面的要求，創造了較好的經濟效益和社會效益，具有非常廣闊的應用前景。