一种高压水射流辅助拔桩设备及施工方法
阅读说明：本技术 一种高压水射流辅助拔桩设备及施工方法 (High-pressure water jet assisted pile pulling equipment and construction method ) 是由 王志华 孙晋晶 蔡鑫涛 张鑫磊 高洪梅 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高压水射流辅助拔桩设备,包含控制部及施工部,施工部的环形储水室和高压水泵通过进水管Ⅰ连接,环形储水室的底部设有圆形开槽；施工部的驱动区内的驱动电机Ⅰ的输出轴和驱动齿轮固定连接,环形滑块的顶部设有环形凹槽、外侧边设有锯齿,环形凹槽嵌入在圆形开槽内,驱动齿轮和锯齿咬合连接；施工部的切割区通过连通管和环形滑块底部固定连接,切割区的可伸缩喷管沿着径向方向外嵌在环形切割轨道内,可伸缩喷管内设有水管及进砂管；抽取区将切割后的泥浆从吸入管吸入并通过输出管送至地面；底部固定区用于将施工部固定在拔桩基内腔中；本发明的拔桩设备提高了拔桩效率、降低了拔桩成本、减弱了拔桩施工对既有结构物的影响。(The invention discloses high-pressure water jet assisted pile pulling equipment which comprises a control part and a construction part, wherein an annular water storage chamber of the construction part is connected with a high-pressure water pump through a water inlet pipe I, and the bottom of the annular water storage chamber is provided with a circular open slot; an output shaft of a driving motor I in a driving area of the construction part is fixedly connected with a driving gear, an annular groove is formed in the top of an annular sliding block, sawteeth are arranged on the outer side edge of the annular sliding block, the annular groove is embedded into a circular groove, and the driving gear is connected with the sawteeth in an occlusion mode; the cutting area of the construction part is fixedly connected with the bottom of the annular slide block through a communicating pipe, a telescopic spray pipe of the cutting area is embedded in the annular cutting track along the radial direction, and a water pipe and a sand inlet pipe are arranged in the telescopic spray pipe; the pumping area sucks the cut slurry from the suction pipe and sends the slurry to the ground through the output pipe; the bottom fixing area is used for fixing the construction part in the inner cavity of the pile foundation; the pile pulling equipment provided by the invention has the advantages that the pile pulling efficiency is improved, the pile pulling cost is reduced, and the influence of pile pulling construction on the existing structure is weakened.)
技术领域
本发明涉及地下空间拔桩领域，具体涉及一种高压水射流辅助拔桩设备及施工方法。
背景技术
随着地铁轨道交通的迅猛发展，施工环境日益复杂，盾构穿越道路、桥梁、建筑物等各类结构物的情况也日益增多。常常会遇到既有桩基阻碍盾构掘进的问题，此时若直接采用盾构机切削桩基，不仅桩基内部的钢筋会与盾构机刀盘发生缠绕，使得盾构机无法正常工作，甚至发生损坏，而且通常会对既有结构物带来一系列的影响。
针对上述问题，目前工程中常采用以下两种方法：(1)采用建筑拆复建的工法，该工法在城市中实施的可能性较低，且面临工期长、造价高以及施工复杂等问题；(2)传统拔桩工法，传统的拔桩作业可分为振动拔桩及静力拔桩，因土下切桩较难，一般将整桩拔出。然而，当桩基长度较长时，拔桩所需的上拔力较大，对拔桩机的功率要求高，甚至会出现拔桩机功率不足导致桩基无法拔出的情况，拔桩效率较低，影响盾构施工工期。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种高压水射流辅助拔桩设备及施工方法，该拔桩设备利用可360度旋转的高压带砂水射流在桩基内部指定深度切割混凝土及主筋，再拔出部分桩基。本发明的高压水射流辅助拔桩设备及施工方法使得拔桩长度可控，提高了拔桩效率、降低了拔桩成本、减弱了拔桩施工对既有结构物的影响，解决了切除地下既有桩基的工程难题。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案如下：
一种高压水射流辅助拔桩设备，包含控制部及施工部，所述控制部包含控制微机、高压水泵及储砂桶，所述施工部放置于待拔桩基内腔，所述施工部包含保护外罩，在所述保护外罩内自上往下依次设置环形储水室、驱动区、切割区、抽取区及底部固定区；
所述环形储水室和高压水泵通过进水管连接，所述进水管设置于环形储水室的顶部，所述环形储水室的底部设有圆形开槽；所述驱动区包含一中空的环形滑块、驱动电机Ⅰ及驱动齿轮，所述驱动电机Ⅰ的输出轴和驱动齿轮固定连接，所述环形滑块的顶部设有环形凹槽、外侧边设有锯齿，所述环形凹槽嵌入在圆形开槽内，所述驱动齿轮和锯齿咬合连接；
所述切割区通过连通管和环形滑块底部固定连接，所述切割区包含环形切割轨道及可伸缩喷管，所述可伸缩喷管沿着径向方向外嵌在环形切割轨道内，所述可伸缩喷管内设有水管及进砂管，所述水管的两端分别和连通管及进砂管连接，所述进砂管还和储砂桶连接；
所述抽取区包含泥水泵，所述泥水泵连接吸入管，切割后的泥浆从吸入管吸入并通过输出管送至地面；所述底部固定区用于将施工部固定在拔桩基内腔中；
所述控制微机分别和高压水泵、储砂桶、驱动电机Ⅰ、泥水泵及可伸缩喷管连接。
进一步地，所述可伸缩喷管包含直线轴承及喷嘴，所述喷嘴和直线轴承内环连接，直线轴承外环的尾端内部依次设有轴承及驱动电机Ⅱ，所述驱动电机Ⅱ的输出轴穿过轴承和直线轴承内环的尾端螺纹连接，所述水管及进砂管均位于驱动电机Ⅱ的输出轴内；
所述控制微机和驱动电机Ⅱ连接。
进一步地，所述保护外罩外侧设置摄像头，所述控制微机和摄像头连接。
进一步地，所述可伸缩喷管外侧设置干涉测距仪，所述控制微机和干涉测距仪连接。
进一步地，所述可伸缩喷管周围设置压力传感器，所述压力传感器位于环形切割轨道外侧，所述控制微机还和压力传感器连接。
进一步地，所述抽取区还包含水冲，所书水冲位于吸入管的下方，所述水冲和高压水泵连接。
进一步地，所述底部固定区包含螺杆机，所述螺杆机利用钻棒将施工部固定在待拔桩基内腔中，所述控制微机和螺杆机连接。
进一步地，多个所述驱动电机Ⅰ成对称分布。
本发明还提供一种高压水射流辅助拔桩设备的施工方法，包括以下步骤：
1)建立承台：在待拔桩基上方施建承台，承台上方施建立柱，立柱与桥台相连，承台下方预留带拔桩基位置；
2)钻孔取芯：根据切割深度处土体压力及桩基混凝土强度计算出桩基内腔的安全直径，在桩基混凝土区域沿深度方向钻取直径小于安全直径的内腔，内腔的深度大于目标切割深度，并在内腔中心位置预留一个固定孔；
3)安装高压水射流辅助拔桩设备：将施工部放入内腔中，控制摄像头转向内腔的底部，便于将底部固定区对准固定孔，利用施工部的自重使底部固定区压入固定孔中，并调节保护钢管达到竖直状态；控制螺杆机运作，使螺杆钻入固定孔壁中，使施工部的底部固定；
4)桩基内腔形状扫描：开启干涉测距仪，控制驱动电机Ⅰ带动切割区旋转一周，控制微机通过干涉测距仪计算出内腔形状数据，所述控制微机根据内腔形状数据控制驱动电机Ⅱ，使得喷嘴与内腔壁的距离相等；
5)剥离内层混凝土及定位主筋位置：开启高压水泵及泥水泵，利用高压水流剥离内层混凝土；压力传感器将测量到的高压水射流的反力数据实时传输到控制微机，控制微机根据收到的反力数据实时调整高压水泵的运作；当反力数据变大后又变小时，定位此处为主筋，直至定位出所有主筋位置，在确认主筋过程中切割区旋转至已确定位置主筋的周围时停止喷射高压水射流；当定位出所有主筋位置时可通过摄像头进一步确认；
6)切割主筋：根据主筋的位置信息控制驱动电机Ⅰ驱动切割区，将可伸缩喷管对准主筋，同时开启储砂桶和高压水泵，利用带砂的水射流切割主筋；利用压力传感器测量带砂水射流的反力，当反力突然减小时，表明主筋已完成切割，可通过摄像头进行确认；确认后，采用相同步骤切割下一根主筋，直至完成所有主筋切割；
7)桩基内腔形状二次扫描：开启干涉测距仪，控制驱动电机Ⅰ带动切割区旋转一周，控制微机通过干涉测距仪计算出二次内腔形状数据，所述控制微机根据二次内腔形状数据控制驱动电机Ⅱ，使得喷嘴与主筋的距离相等；
8)切割最外层混凝土：控制储砂桶停止出砂，调节高压水泵，使水射流的水压增大，流量减小；压力传感器将测量到的高压水射流的反力数据实时传输到控制微机，当所有方位的反力均由大变小且保持稳定时，关闭超高压水泵、泥水泵、驱动电机Ⅰ和驱动电机Ⅱ；
9)回收设备：控制底部固定区的螺杆机，使螺杆收回，并收回施工部；
10)拔桩：将上部的主筋固定在拔桩机上，进行传统的拔桩施工。
进一步地，若待拔桩体较长导致桩侧摩阻力较大时，可在步骤8之后，控制螺杆机收回钻棒并将施工部上移一段距离，然后控制螺杆机将钻棒钻入固定孔壁中，使施工部的底部固定，再重复步骤4到步骤8，直至完成拔桩施工。
本发明的有益效果在于：本发明利用驱动区实现可伸缩喷嘴的360度旋转，利用干涉测距仪实现了喷嘴和内腔之间距离相等的功能，同时采用压力传感器及摄像头实现定位主筋及完成切割基桩的目的，利用固定区的螺杆机实现了施工部可进行上移，进而实现了施工部多段切割待拔桩基的目的，从而提高了拔桩效率、降低了拔桩成本、减弱了拔桩施工对既有结构物的影响。
附图说明
图1为本发明实施例中高压水射流辅助拔桩设备的纵截面示意图；
图2为本发明实施例中高压水射流辅助拔桩设备的切割区14的横截面示意图；
图3为本发明实施例中高压水射流辅助拔桩设备的可伸缩钻管的横截面示意图；
图4为本发明实施例中高压水射流辅助拔桩设备的抽取区15的横截面和纵截面示意图；
图5为本发明实施例中高压水射流辅助拔桩设备的环形储水室12及驱动区13的示意图；
其中，图5a为环形储水室12及驱动区13的俯视图，图5b为环形储水室12及滑块的纵截面示意图，图5c为驱动区13的俯视图，图5d为环形储水室12及滑块的纵截面示意图；
图6为本发明实施例中高压水射流辅助拔桩设备的底部固定区16横截面的示意图；
图7为本发明实施例中钻芯机钻芯后桩基的纵截面图的示意图；
图8为本发明实施例中桩基未被钻芯前的横截面的示意图；
图9为本发明实施例中监测到主筋时的反力变化曲线图；
图10为本发明实施例中主筋被切断前后的反力变化曲线图。
图中标号：施工部1、保护外罩11、环形储水室12、开槽121、驱动区13、环形滑块131、环形凹槽131-1、锯齿131-2、驱动电机Ⅰ132、驱动齿轮133、旋转密封件134、切割区14、环形切割轨道141、可伸缩喷管142、直线轴承142-1、喷嘴142-2、直线轴承内环142-11、直线轴承外环142-12、轴承142-13、驱动电机Ⅱ142-14、水管143、进砂管144、固定板145、抽取区15、泥水泵151、吸入管152、输出管153、水冲154、底部固定区16、螺杆机161、钻棒162、控制部2、控制微机21、高压水泵22、储砂桶23、进水管3、连通管4、摄像头5、干涉测距仪6、压力传感器7、主筋8-1、外层混凝土8-2、内部混凝土8-3。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，实施例中的Ⅰ、Ⅱ、水平及竖直仅仅是为了更好地说明方向及起区分作用，不能作为本发明的限制依据。
如图7所示，待拔桩基内腔自外到内依次为外层混凝土8-2、主筋8-1及内部混凝土8-3，位于主筋8-1和内部混凝土8-3之间的混凝土称为内层混泥土，位于主筋8-1外侧的混凝土称为外层混凝土。
如图1所示，一种高压水射流辅助拔桩设备，包含控制部2及施工部1，所述控制部2包含控制微机21、高压水泵22及储砂桶23，所述施工部1放置于待拔桩基内腔，所述施工部1包含保护外罩11，在所述保护外罩11内自上往下依次设置环形储水室12、驱动区13、切割区14、抽取区15及底部固定区16；保护外罩11一般采用钢材质。
如图5所示，所述环形储水室12和高压水泵22通过进水管3连接，所述进水管3设置于环形储水室12的顶部，所述环形储水室12的底部设有圆形开槽121；所述驱动区13包含一中空的环形滑块131、驱动电机Ⅰ132及驱动齿轮133，所述驱动电机Ⅰ132的输出轴和驱动齿轮133固定连接，所述环形滑块131的顶部设有环形凹槽131-1、外侧边设有锯齿131-2，所述环形凹槽131-1嵌入在圆形开槽121内，所述驱动齿轮133和锯齿131-2咬合连接；所述环形凹槽131-1和圆形开槽121之间设有旋转密封件134；本实施例中采用了2个驱动电机Ⅰ132，且两者的转动方向相反便于带动环形滑块131沿着圆形开槽121进行旋转，采用旋转密封件134可以保证高压水流从环形储水室12到环形滑块131内不发生渗漏现象。关于驱动电机Ⅰ132的固定可以固定在保护外罩11的内侧，或者固定在环形储水室12的底部。
如图2所示，所述切割区14通过连通管4和环形滑块131底部固定连接，所述切割区14包含环形切割轨道141及可伸缩喷管142，所述可伸缩喷管142沿着径向方向外嵌在环形切割轨道141内，所述可伸缩喷管142内设有水管143及进砂管144，所述水管143的两端分别和连通管4及进砂管144连接，所述进砂管144还和储砂桶23连接；在本实施例中，可伸缩喷管142通过四块弧形固定板145将可伸缩喷管142固定在环形切割轨道141，且在前外侧两块固定板145与环形切割轨道141外壁之间安装两个压力传感器7；所述保护外罩11外侧设置摄像头5，所述可伸缩喷管142外侧设置干涉测距仪6；
通过连通管4将环形滑块131和切割区14连成一个整体，可以实现驱动电机Ⅰ132带动切割区14进行360度旋转；
所述抽取区15包含泥水泵151，所述泥水泵151连接吸入管152，切割后的泥浆从吸入管152吸入并通过输出管153送至地面；所述底部固定区16用于将施工部1固定在拔桩基内腔中；
所述控制微机21分别和高压水泵22、储砂桶23、驱动电机Ⅰ132、泥水泵151、可伸缩喷管142、摄像头5、干涉测距仪6及压力传感器7连接。
具体地，如图3所示，所述可伸缩喷管142包含直线轴承142-1及喷嘴142-2，所述喷嘴142-2和直线轴承内环142-11连接，直线轴承外环142-12的尾端内部依次设有轴承142-13及驱动电机Ⅱ142-14，所述驱动电机Ⅱ142-14的输出轴穿过轴承142-13和直线轴承内环142-11的尾端螺纹连接，所述水管143及进砂管144均位于驱动电机Ⅱ142-14的输出轴内；
所述控制微机21和驱动电机Ⅱ142-14连接。
为了降低泥水泵151的工作效率，如图4所示，所述抽取区15还包含水冲154，所书水冲154位于吸入管152的下方，所述水冲154和高压水泵22连接，所述吸入管152底部呈“米”字型分布的保护钢管，所述保护钢管设有吸入孔，在保护钢管下面分别固定水冲154，切割后的泥浆从吸入管152吸入并通过输出管153送至地面。
如图7所示，所述施工部1的底部固定区16安放于固定孔内，所述固定孔为钻孔时预留的孔，如图6所示，所述底部固定区16包含两个固定在所述保护钢管上的螺杆机161，所述螺杆机161利用钻棒162将施工部1固定在待拔桩基内腔中，所述控制微机21和螺杆机161连接。
本发明还提供一种高压水射流辅助拔桩设备的施工方法，包括以下步骤：
1)建立承台：在待拔桩基上方施建承台，承台下方预留带拔桩基位置；
2)钻孔取芯：根据切割深度处土体压力及桩基混凝土强度计算出桩基内腔的安全直径，在桩基混凝土区域沿深度方向钻取直径小于安全直径的内腔，内腔的深度大于目标切割深度，并在内腔中心位置预留一个固定孔；
3)安装高压水射流辅助拔桩设备：通过吊机将将施工部1放入内腔中，控制摄像头转向内腔的底部，便于将底部固定区16对准固定孔，利用施工部1的自重使底部固定区16压入固定孔中，并调节保护钢管达到竖直状态；控制螺杆机161运作，使螺杆钻入固定孔壁中，使施工部1的底部固定；一般还会对施工部1再次人工微调使其竖直，人工固定施工部1Ⅰ顶部。
4)桩基内腔形状扫描：开启干涉测距仪6，控制驱动电机Ⅰ132带动切割区14旋转一周，控制微机21通过干涉测距仪6计算出内腔形状数据，所述控制微机21根据内腔形状数据控制驱动电机Ⅱ142-14，使得喷嘴142-2与内腔壁的距离相等；
5)剥离内层混凝土及定位主筋8-1位置：开启高压水泵22及泥水泵151，利用高压水流剥离内层混凝土；压力传感器7将测量到的高压水射流的反力数据实时传输到控制微机21，控制微机21根据收到的反力数据实时调整高压水泵22的运作；当反力数据变大后又变小时，定位此处为主筋8-1(如图9所示)，直至定位出所有主筋8-1位置，在确认主筋8-1过程中切割区14旋转至已确定位置主筋8-1的周围时停止喷射高压水射流；当定位出所有主筋8-1位置时可通过摄像头5进一步确认；
6)切割主筋8-1：根据主筋8-1的位置信息控制驱动电机Ⅰ132驱动切割区14，将可伸缩喷管142对准主筋8-1，同时开启储砂桶23和高压水泵22，利用带砂的水射流切割主筋8-1；利用压力传感器7测量带砂水射流的反力，当反力突然减小时，表明主筋8-1已完成切割(如图10所示)，可通过摄像头进行确认；确认后，采用相同步骤切割下一根主筋8-1，直至完成所有主筋8-1切割；
7)桩基内腔形状二次扫描：开启干涉测距仪6，控制驱动电机Ⅰ132带动切割区14旋转一周，控制微机21通过干涉测距仪6计算出二次内腔形状数据，所述控制微机21根据二次内腔形状数据控制驱动电机Ⅱ142-14，使得喷嘴142-2与主筋8-1的距离相等；
8)切割最外层混凝土8-2：控制储砂桶23停止出砂，调节高压水泵22，使水射流的水压增大，流量减小；压力传感器7将测量到的高压水射流的反力数据实时传输到控制微机21，当所有方位的反力均由大变小且保持稳定时，关闭超高压水泵22、泥水泵151、驱动电机Ⅰ132和驱动电机Ⅱ142-14；
9)回收设备：控制底部固定区16的螺杆机161，使螺杆收回，并收回施工部1；
10)拔桩：将上部的主筋8-1固定在拔桩机上，进行传统的拔桩施工。
若待拔桩体较长导致桩侧摩阻力较大时，可在步骤8之后，控制螺杆机161收回钻棒162并将施工部1上移一段距离，然后控制螺杆机161将钻棒162钻入固定孔壁中，使施工部1的底部固定，再重复步骤4到步骤8，直至完成拔桩施工。上述过程可减小待拔桩体的长度，从而降低拔桩所需的上拔力。
在步骤5中根据高压水射流喷射在不同介质上的反力大小不同确认主筋8-1依据：同等水压和流量的水射流切割主筋8-1的反力大于切割混凝土的反力，切割混凝土的力大于切割土的反力，可通过压力传感器7，探明切割的介质及切割进度。
步骤8中将最外层混凝土8-2切割完成后，会引起外部承压水或潜水内渗，步骤6中泥水泵151的抽水功率应大于步骤4和步骤5中泥水泵151的抽水功率。
步骤8中调节超高压水泵22使流量减小，水压增大的做法可使切割缝较细。该做法防止因切割缝过大，大量土体在土压力的作用下侵入施工区，影响施工部1的工作效率。
本发明利用驱动区13实现可伸缩喷嘴142-2的360度旋转，利用干涉测距仪6实现了喷嘴142-2和内腔之间距离相等的功能，同时采用压力传感器7及摄像头5实现定位主筋8-1及完成切割基桩的目的，利用固定区的螺杆机161实现了施工部1可进行上移，进而实现了施工部1多段切割待拔桩基的目的，从而提高了拔桩效率、降低了拔桩成本、减弱了拔桩施工对既有结构物的影响。
上所述仅为本申请的部分优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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