预制桩施工机械种类有哪些

预制桩施工机械

5.2.1　桩　架

桩架是装有支撑打桩设备的导架及导架附件的机器底盘，其作用是支持桩身和桩锤，将桩吊到打桩位置，并在打入过程中引导桩的方向，保证桩锤沿着所要求方向冲击的打桩设备。桩架有履带式、步履式、轨道式和滚管式等。履带式桩架使用最方便，应用最广，发展最快。轨道式桩架造价较低，但使用时需要铺设轨道，已被步履式桩架所取代。步履式桩架和滚管式桩架适用于中小桩基的施工。

1.履带式桩架

履带式桩架以履带为行进装置，机动性好，使用方便，有悬挂式桩架、三支点式桩架和多功能桩架三种。目前国内、外生产的液压履带式主机既可以作为起重机使用，也可以作为打桩架使用。

(1)悬挂式桩架

悬挂式桩架以通用履带起重机为底盘，卸去吊钩，将吊臂顶端与桩架连接，桩架立柱底部有支撑杆与回转平台连接，如图5.2.1所示。桩架立柱可以采用圆筒形，也可以采用方形或矩形横截面的桁架。为了增加桩架作业时整体的稳定性，在原有起重机底盘上需附加配重。底部支撑架是可以伸缩的杆件，调整底部支撑杆的伸缩长度，立柱就可以从垂直位置改变成倾斜位置，这样可以满足打斜桩的需要。由于这类桩架的侧向稳定性主要由起重机下部的支撑杆7保证，侧向稳定性较差，故只能用于小桩的施工。

1—桩架立柱;2—桩;3—桩帽;4—桩锤;

5—起重锤;6—机体;7—支撑杆

图5.2.1　悬挂式履带桩架构造图

常用悬挂式桩架的技术性能指标如表5.2.1所示。

表5.2.1　常用悬挂式桩架的技术性能指标表

(2)三支点式履带桩架

三支点式履带桩架为专用的桩架，也可以由履带起重机改装(平台部分改动较大)，主机的平衡重至回转中心的距离以及履带的长度和宽度比起重机主机的相应参数要大些，整机的稳定性好。桩架的立柱上部由两个斜撑杆与机体连接，立柱下部与机体托架连接，因而称为三支点式桩架。斜撑杆支撑在横梁的球座上，横梁下有液压支腿。

图5.2.2为JUS100型三支点式履带桩架，采用液压传动，动力用柴油机。桩架由履带主机12、托架7、桩架立柱8、顶部滑轮组1、后横梁13、斜撑杆9以及前后支腿等组成。

履带主机由平台总成、回转机构、卷扬机构、动力传动系统、行走机构和液压系统等组成。本机采用先导、超微控制，双导向立柱(导向架)，立柱高33m，可以装8t以下各种规格的锤头，顶部滑轮组能摆动，可以装螺旋钻孔机和修理用的升降装置。

托架7用四个销子与主机12相连，托架的上部有两个转向滑轮用于主、副吊钩起重钢丝绳的转向。导向架8和主机通过两根斜撑杆9支撑。后斜撑杆为管形杆与斜撑液压缸连接而成。斜撑液压缸的支座与后横梁13伸出部位相连，构成了三点式支撑结构。

在后横梁13两侧有两个后支腿14，上面各有一个支腿液压缸，主要用于打斜桩时克服桩架后倾压力。在前托架左右两侧装有两个前支腿液压缸，可以支撑导向架，使之不会前倾。

(3)多功能履带桩架

图5.2.3为意大利土力公司的R618型多功能履带桩架总体构造图。这种多功能履带桩架可以安装回转斗、短螺旋钻孔器、长螺旋钻孔器、柴油锤、液压锤、振动锤和冲抓斗等多种工作装置，还可以配上全液压套管摆动装置，进行全套管施工作业。另外，该机还可以进行地下连续墙施工和逆循环钻孔，做到一机多用。这种多功能履带桩架自重65t，最大钻深60m，最大桩径2m，钻进力矩172kN·m，配上不同的工作装置可以适用于砂土、泥土、砂砾、卵石、砾石和岩层等的成孔作业。

1—顶部滑轮;2—钻机动力头;3—长螺旋钻杆;

4—柴油锤;5—前导向滑轮;6—前支腿;7—托架;

8—桩架;9—斜撑;10—导向架起升钢丝绳;

11—三脚架;12—主机;13—后横梁;14—后支腿

图5.2.2　JUS100型三支点式履带桩架构造简图

2.步履式桩架

步履式桩架是国内应用较为普遍的桩架，在步履式桩架上可以配用长、短螺旋钻孔器、柴油锤、液压锤和振动桩锤等设备进行钻孔和打桩作业。

图5.2.4(a)为DZB1500型液压步履式钻孔机的构造图，由短螺旋钻孔器和步履式桩架组成。转移施工场地时，可以将钻架放下，安上行走轮胎，形成如图5.2.4(b)所示的移动状态。

一些步履式桩架的主要技术性能指标如表5.2.2所示。

1—滑轮架;2—立柱;3—立柱伸缩液压缸;

4—平行四边形机构;5—主、副卷扬机;

6—伸缩钻杆;7—进给液压缸;8—液压动力头;

9—回转斗;10—履带装置;11—回转平台

图5.2.3　R618型多功能履带桩架构造简图

表5.2.2　一些步履式桩架的主要技术性能指标表

续表

注:*为建议值。

1—钻机部分;2—电缆卷筒;3—臂架;4—斜撑;5—起架液压缸;6—操纵室;7—卷扬机;

8—液压系统;9—平台;10—后支腿;11—步履靴;12—下转盘;13—上转盘;14—前支腿

图5.2.4　DZB1500型液压步履式钻孔机构造简图

5.2.2　柴油打桩机

柴油打桩机由桩架和柴油打桩锤组成。

柴油打桩锤的工作原理与柴油发动机相同，即利用柴油在气缸内燃烧时所产生的爆炸力将锤头顶起，然后再自由下落进行冲击沉桩。柴油锤分为筒式柴油锤和导杆式柴油锤两类。导杆锤的构造简单，与单缸柴油机相似，其冲击部分是气缸沿导杆上下移动，导杆的下端是活塞、锤座与喷油嘴。导杆锤汽缸的行程可以通过给油量的变化来进行调节。由于导杆锤的打击能小，安装精度要求高，且沉桩效率也不如筒式柴油打桩锤高，故近年来主要发展筒式柴油桩锤，并制定和形成了我国筒式柴油打桩锤的系列标准。下面就其构造、工作原理及技术性能加以介绍。

1.筒式柴油打桩锤的构造

筒式柴油打桩锤的构造如图5.2.5所示，由锤体、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统和起动系统等构成。

1—上活塞;2—燃油泵;3—活塞环;4—外端环;5—缓冲垫;6—橡胶环导向;

7—燃油进口;8—燃油箱;9—燃油排放旋塞;10—燃油阀;11—上活塞保险螺栓;

12—冷却水箱;13—燃润油和润滑油泵;14—下活塞;15—燃油进口;16—上汽缸;

17—导向缸;18—润滑油阀;19—起落架;20—导向卡;21—下汽缸;

22—下气缸导向卡爪;23—铜套;24—下活塞保险卡;25—顶盖

图5.2.5　D72型筒式柴油打桩锤构造简图

(1)锤体

锤体主要由上汽缸16、导向缸17、下汽缸21、上活塞1、下活塞14和缓冲垫5等组成。导向缸在打斜桩时为上活塞引导方向，还可以防止上活塞跳出锤体。上汽缸介于导向缸和下汽缸之间，是上活塞的导向装置。下汽缸是工作汽缸，与上活塞、下活塞一起组成燃烧室，是柴油锤爆发冲击的工作场所。由于要承受高温、高压及冲击荷载，下汽缸的壁厚要大于上汽缸，材料也较优良。上汽缸、下汽缸用高强度螺栓连接。在上汽缸外部附有燃油箱及润滑油箱，通过附在缸壁上的油管将燃油与润滑油送至下汽缸上的燃油泵与润滑油泵。上活塞和下活塞都是工作活塞，上活塞又称自由活塞，不工作时位于下汽缸的下部，工作时可以在上汽缸、下汽缸内跳动，上活塞、下活塞都靠活塞环密封。并承受很大的冲击力和高温高压作用。在下汽缸底部外端环与下活塞冲头之间装有一个缓冲垫5(橡胶圈)，缓冲垫主要作用是缓冲打桩时下活塞对下汽缸的冲击。在下汽缸四周，分布着斜向布置的进、排气气管，供进气和排气用。

(2)燃油供给系统

燃油供给系统由燃油箱、滤清器、输油管和燃油泵组成。上活塞在气缸内落下时，打击燃油泵的曲臂，使燃油泵将油喷入下活塞表面。随着活塞上下运动，油泵一次又一次地喷油，使柴油连续爆燃，于是柴油锤的工作不停地延续下去。燃油因上活塞对下活塞冲击而雾化。

(3)润滑系统

润滑系统由润滑油箱、输油管及润滑油泵组成。润滑油箱也设置在上汽缸外侧。两个润滑油泵分别安置在柴油喷油泵的两侧，当曲臂下压时，带动推杆使润滑油泵将润滑油泵出。泵出的润滑油通过两个出口再由数根油管将油分别送到上汽缸与下汽缸的各个运动部位。

(4)冷却系统

冷却系统有风冷和水冷两种。水冷是在筒式柴油锤下气缸外部设置冷却水套，用水来降低爆炸产生的温升，冷却效果比风冷好。风冷构造比水冷简单，使用较方便。

2.筒式柴油打桩锤的工作原理

(1)喷油过程

如图5.2.6(a)所示。上活塞被起落架吊起，新鲜空气进入汽缸，燃油泵进行吸油。上活塞提升到一定高度后自动脱钩掉落，上活塞下降。当下降的活塞碰到油泵的压油曲臂时，把一定量的燃油喷入下活塞的凹面。

(2)压缩过程

如图5.2.6(b)所示。上活塞继续下降，吸气口、排气口被上活塞挡住而关闭，汽缸内的空气被压缩，空气的压力和温度均升高，为燃烧爆发创造条件。

(3)冲击、雾化过程

如图5.2.6(c)所示。当上活塞与下活塞即将相撞时，燃烧室内的气压迅速增大。当上活塞、下活塞碰撞时，下活塞冲击面的燃油受到冲击而雾化。上活塞、下活塞撞击产生强大的冲击力，大约有50%的冲击机械能传递给下活塞，通过桩帽，使桩下沉，被称为“第一次打击”。

(4)燃烧过程

如图5.2.6(d)所示。雾化后的混合气体，由于受高温和高压的作用，立刻燃烧爆发，产生巨大的能量。通过下活塞对桩再次冲击，即“第二打击”，同时使上活塞跳起。

(5)排气过程

如图5.2.6(e)所示。上跳的活塞通过排气口后，燃烧过的废气从排气口排出。上活塞上升越过燃油泵的压油曲臂后，曲臂在弹簧作用下，回复到原位;同时吸入一定量的燃油，为下次喷油做准备。

(6)吸气过程

如图5.2.6(f)所示。上活塞继续上行，汽缸内容积增大，压力下降，新鲜空气被吸入缸内。

(7)降落过程

如图5.2.6(g)所示。上活塞上升到一定高度，失去动能，又靠自重自由下落，下落至进气口、排气口前，将缸内空气扫出一部分至缸外，然后继续下落，开始下一个工作循环。

1—汽缸;2—上活塞;3—燃油泵;4—下活塞

图5.2.6　筒式柴油打桩锤的工作循环图

3.筒式柴油打桩锤的技术性能

国产筒式柴油打桩锤主要机型的技术性能指标及选用要求如表5.2.3所示。

表5.2.3　筒式柴油打桩锤技术性能指标及选用表

注:1.适用于预制桩长度20～40m，钢管桩长度40～60m，且桩尖进入硬土层一定深度。不适用于桩尖处于软土层的情况;

2.标准贯入击数N值为未修正的数值;

3.表5.2.3只作选锤参考，不能作为设计确定贯入度和承载力的依据。

5.2.3　振动打拔桩机

柴油打桩锤是利用冲击动能使桩下沉，当用其打长桩或截面较粗大的桩时，就要求打桩锤加大冲击动能，但事实证明，冲击力过大常会将桩打断或将桩头打裂。采取振动打桩法，即可以较好地解决这个问题。如大型桥梁工程施工时所需打的管桩，直径很大，几乎都使用效率较高的振动打拔桩锤实现沉桩。

振动沉拔桩机由振动桩锤和通用桩架或通用起重机械组成。

1.振动锤的分类和特点

(1)振动锤的分类

振动桩锤按工作原理可以分为振动式锤和振动冲击式锤，振动冲击式锤振动器所产生的振动不直接传递给桩，而是通过冲击块作用在桩上，使桩受到连续的冲击。振动冲击式锤可以用于粘性土壤和坚硬土层上的打桩和拔桩工程。

振动桩锤根据电动机和振动器相互连接的情况，分为刚性式锤和柔性式锤两种。刚性式振动锤的电动机与振动器刚性连接，工作时电动机也受到振动，必须采用耐振电动机，此外，工作时电动机参加振动加大了振动体系的质量，使振幅减小;柔性式振动锤的电动机与振动器用减振弹簧隔开(适当地选择弹簧的刚度，可以使电动机受到的振动减少到最低程度)，电动机不参加振动，但电动机的自重仍然通过弹簧作用在桩身上，给桩身一定的附加载荷，有助于桩的下沉。柔性式振动锤构造复杂，未能得到广泛应用。

振动桩锤根据强迫振动频率的高低可以分为低频、中频、高频三种。但其频率范围的划分并没有严格的界限，一般以300～700r/min为低频，700～1500r/min为中频，2300～2500r/min为高频。还有采用振动频率达6000r/min的称为超高频。

另外，振动桩锤根据原动机可以分为电动式振动锤、气动式振动锤与液压式振动锤，按构造又可以分为振动式振动锤和中心孔振动式振动锤。

我国是以振动锤的偏心力矩M来标定振动锤的规格。偏心力矩是偏心块的重量q与偏心块中心至回转中心的距离r的乘积M=qr。此外，还有以激振力P或电动机功率W来标定振动锤规格的。

(2)振动锤的特点

①振动锤是靠减小桩与土壤间的摩擦力达到沉桩的目的的，所以在桩和土壤间摩擦力减小的情况下，可以用稍大于桩和锤重的力即可以将桩拔起。因此，振动锤不仅适合于沉桩，而且适合于拔桩。沉桩、拔桩效率都很高。

②振动锤使用方便，不用设置导向桩架，只要用起重机吊起即可以工作。但目前振动锤绝大部分采用电力驱动，因此，必须有电源，而且需要较大容量，工作时要拖着电缆。液压振动锤尚处于研究阶段。

③振动锤工作时不损伤桩头。

④振动锤工作噪声小，不排出任何有害气体。

⑤振动锤不仅能施工预制桩，而且适合施工灌筑桩。

2.振动锤的构造

振动锤的主要组成部分是原动机、振动器、夹桩器和减振器，如图5.2.7所示。

(1)原动机

在绝大多数的振动锤中均采用笼型异步电动机作为原动机，只在个别小型振动锤中使用汽油机。近年来为了对振动器的频率进行无级调节，开始使用液压马达。采用液压马达驱动，由地面控制，可以实现无级调频。此外，液压马达还有启动力矩大，外形尺寸小，重量轻等优点。但液压马达也有一些缺点，因此，还有待进一步研究改进。

根据振动锤的工作特点，对作为振动锤的原动机的电动机，在结构和性能上也提出一些特殊要求:

①要求电动机在强烈的振动状态(振动加速度可达10g)下能可靠地运转。

②要求电动机有很高的启动力矩和过载能力。

③要求电动机能适应户外工作。

1—扁担梁;2—电动机;3—减振器;4—传动机构;

5—振动器;6—夹桩器

图5.2.7　振动锤的构造简图

(2)振动器

振动器是振动锤的振源，有液压式振动器和机械式振动器。机械式振动器常用的是两轴振动器，也有四轴或六轴振动器。液压式振动器按其工作原理可以分偏心块式和滑阀式两种。液压振动器可以进行无级变频、变幅以适应不同的作业条件;可以实现一体化作业、智能化控制，大大提高作业的效率。

(3)夹桩器

振动锤工作时必须与桩刚性相连，这样才能把振动锤所产生的不断变化大小和方向(向上向下)的激振力传递给桩身。因此，振动锤下部都设有夹桩器。夹桩器将桩夹紧，使桩与振动锤成为一体，一起振动。大型振动锤全都采用液压夹桩器。液压夹桩器夹持力大，操作迅速，相对重量轻，其主要组成部分是液压缸、倍率杠杆和夹钳。当改变桩的形状时，夹钳应能做相应的变换。振动锤用做灌筑桩施工时，桩管用法兰以螺栓和振动锤连接，不用夹桩器。在小型振动锤上采用手动杠杆式夹桩器、手动液压式夹桩器或气动式夹桩器。

(4)减振器

减振器安装在振动器的上部，用以避免(或减轻)振动器对吊钩的振动。减振器是弹性悬挂装置，一般由数组螺旋弹簧组成，如图5.2.7所示。减振器在沉桩时受力较小，而拔桩时受较大的拉力，为了避免在拔桩时弹簧过载失效，弹簧设计的主参数是拔桩时所受最大的拉力。

3.振动锤的技术参数

一些常见机型的振动锤技术参数如表5.2.4所示。

表5.2.4　振动锤技术参数表

5.2.4　静力压桩机

静力压桩机是依靠静压力将桩压入地层的施工机械。当静压力大于沉桩阻力时，桩就沉入土中。压桩机施工时无振动，无噪声，无废气污染，对地基及周围建筑物影响较小。能避免冲击式打桩机因连续打击桩而引起桩头和桩身的破坏，并且在城市中应用对周围的环境影响较小。静力压桩机适用于软土地层及沿海和沿江淤泥地层中施工。

1.静力压桩机的分类和构造

静力压桩机分为机械式压桩机和液压式压桩机。目前，机械式压桩机已很少采用。图5.2.8为YZY—500型全液压静力压桩机，主要由支腿平台结构、长船行进机构、短船行进机构、夹持机构、导向压桩机构、起重机、液压系统、电器系统和操作室等部分组成。

(1)支腿平台机构

支腿平台由底盘、支腿、顶升液压缸和配重梁等组成。底盘的作用是支承导向压桩架、夹持机构、液压系统装置和起重机。液压系统和操作室安装在底盘上，组成了压桩机的液压电控操纵系统。配重梁上安置了配重块，支腿由球铰装配在底盘上。支腿前部安装的顶升液压缸与长船行进台车铰接。底盘上的球头轴与短船行进及回转机构相连。底盘上的支腿在拖运时可以收回并拢在平台边，工作时支腿打开并通过连杆与平台形成稳定的支撑结构。

(2)长船行进机构

图5.2.9为长船行进机构。工作时，顶升液压缸4顶升使长船落地，短船离地，接着长船液压缸2伸缩推动行进台车1，使桩机沿着长船轨道前后移动。顶升液压缸回缩使长船离地，短船落地。短船液压缸动作时，长船船体3悬挂在桩机上移动，重复上述动作，桩机即可纵向行进。

(3)短船行进机构与回转机构

1—操作室;2—起重机;3—液压系统;4—电气系统;5—支腿;6—配重铁;7—导向压桩架;

8—长船行进机构;9—平台机构;10—夹持机构;11—短船行进及回转机构

图5.2.8　YZY—500型全液压静力压桩机结构简图

1—长船行进台车;2—长船液压缸;3—长船船体;4—顶升液压缸;5—支腿

图5.2.9　长船行进机构简图

图5.2.10为短船行进机构与回转机构。工作时，顶升液压缸动作，使长船落地，短船离地，然后短船液压缸9工作使船体11沿行进梁5前后移动。顶升液压缸回程，长船离地、短船落地，短船液压缸伸缩推动行进轮10沿船体的轨道行进，带动桩机左右移动。上述动作反复交替进行，实现桩机的横向行进。桩机的回转动作是:长船接触地面，短船离地，两个短船液压缸各伸长行程，然后短船接触地面，长船离地，此时让两个短船液压缸一个伸出一个收缩，于是桩机通过回转轴使回转梁2上的滑块在行进梁上作回转滑动。液压缸行程走满，桩机可以转动10°左右，随后顶升液压缸让长船落地，短船离地，两个短船液压缸又恢复到行程处，并将行进梁恢复到回转梁平行位置。重复上述动作，可以使整机回转到任意角度。

1—球头轴;2—回转梁;3—底盘;4—回转轴;5—行进梁;6—滑块;7—挂轮;

8—挂轮支座;9—短船液压缸;10—行进轮;11—船体

图5.2.10　短船行进机构及回转机构结构简图

(4)液压系统

液压系统采用双泵双回路，两个电动机驱动两个轴向柱塞液压泵给系统提供动力。

(5)夹持机构与导向压桩架

图5.2.11为夹持机构与导向压桩架。压桩时先将桩吊入夹持器横梁5内，夹持液压缸7通过夹板4将桩夹紧。然后压桩液压缸2伸长，使夹持机构在导向压桩架1内向下运动，将桩压入土中。压桩液压缸行程满后，松开夹持液压缸，压桩液压缸回缩。重复上述程序，将桩全部压入地下。

1—导向压桩架;2—压桩液压缸;3—桩;4—夹板;5—夹持器横梁;6—夹持液压缸支架;

7—夹持液压缸;8—压桩液压缸球铰

图5.2.11　夹持机构与导向压桩架结构简图

2.静力压桩机的性能指标

YZY系列静压桩机主要技术参数如表5.2.5所示。

表5.2.5　YZY系列静压桩机主要技术参数表

5.2.5　液压打桩机

利用柴油锤打桩的缺点是噪声大、振动力大，作业时排出的废气又造成严重的环境污染。国外在20世纪60年代开始研究预制桩打桩机械的隔声与减振问题，到20世纪70年代初研制成功了液压打桩锤。

液压打桩锤依靠双作用式油缸来驱动冲击部分。根据其工作原理的不同，液压打桩锤目前有两种结构型式:一种是活塞杆直接连接于冲击部分，这种型式一般属于小型液压锤(冲击部分质量在1t以下);另一种的冲击部分由冲击体与装在冲击体内的冲击活塞所组成，在二者之间还装有氮气作为缓冲。因此，在工作的冲击过程中，冲击体在下落到其中的冲击活塞碰及桩头时，仍要继续下落，一直到冲击力经过氮气的缓冲后再全部传递给冲击活塞，桩才沉入土中。这样，冲击力作用在桩上的时间可以大大增长。由于是液压驱动，冲击体向下运动时的动力加速度大。冲击部分在提升的过程中，油缸内的油压先升起冲击体，等到其中的氮气复原后，冲击活塞才随之一起提升起来，离开桩头。此后依此周而复始地工作。

液压锤的主要优点是:

(1)冲击力作用在桩头上的时间长，每次的冲击功可以大为增加;冲程较柴油锤短，冲击频率可以提高(可以大于100次/min)，也不易打坏桩头。

(2)通过调节油压，可以使冲击力得到调节，以适应不同土壤的桩工作。

(3)锤头在完全密封的金属罩内工作，噪声与振动可以大大清除，同时无废气污染。

(4)能量较大。以荷兰生产的HBM型液压锤为例，冲击力达9000～30000kN，冲击功达1100kN·m，功率达2206.5kW，可以打特重型桩、水下桩，也能打斜桩。