1、1第五章 桥梁施工机械第一节 桩工机械一、桩工机械的用途与分类桩工机械是用于各种桩基础、地基改良加固、地下挡土连续墙、地下防渗连续墙施工及其他特殊地基基础等工程施工的机械设备，其作用是将各式桩埋入土中，以提高基础的承载能力。现代建桥用的基础桩有两种基本类型：预制桩和灌注桩。前者用各种打桩机将其沉入土中，后者用钻孔机钻出深孔以灌注混凝土。根据预制桩和灌注桩的施工，可把桩工机械分为预制桩施工机械和灌注桩施工机械两大类。1预制桩施工机械（1）打桩机 打桩机由桩锤和桩架组成，靠桩锤冲击桩头，使桩在冲击力的作用下贯入土中，故又称冲击式打桩机。根据桩锤驱动方式不同，可分为蒸汽、柴油和液压三种打桩机。（2）
2、振动沉拔桩机 振动沉拔桩机由振动桩锤和桩架组成。振动桩锤利用机械振动法使桩沉入或拔出。（3）静力压拔桩机 静力压拔桩机采用机械或液压方式产生静压力，使桩在持续静压力作用下被压入或拔出。（4）桩架 桩架是打桩机的配套设备，桩架应能承受自重、桩锤重、桩及辅助设备等重量。由于工作环境的差异，桩架可分为陆上桩架和船上桩架两种。由于作业性能的差异，桩架有简易桩架和多能桩架（或称万能桩架） 。简易桩架具有桩锤或钻具提升设备，一般只能打直桩；多能桩架具有多种功能，即可提升桩、桩锤或钻具，使立柱倾斜一定角度，平台回转 360，自动行走等。多能桩架适用于打各种类型桩。由于行走机构不同，桩架可分为滚管式、轨道式、
3、轮胎式、汽车式、履带式和步履式等。2灌注桩施工机械灌注桩的施工关键在于成孔，其施工方法和配套的施工机械有以下几种：（1）全套管施工法 即贝诺特法（Benoto） ，使用设备有全套管钻机。（2）旋转钻施工法 采用的设备是旋转钻机。（3）回转斗钻孔法 使用回转斗钻机。（4）冲击钻孔法 使用冲击钻机。（5）螺旋钻孔法 常使用长螺旋钻机和短螺旋钻机。二、桩工机械的组成及工作原理1柴油打桩机柴油打桩机由柴油桩锤和桩架两部分组成。桩架有专用的，也有利用挖掘机或起重机上的长臂吊杆加装龙门架改装而成。柴油桩锤按其动作特点分导杆式和筒式两种。导杆式桩锤冲击体为气缸，它构造简单，但打桩能量小；筒式桩锤冲击体为活塞
4、，打击能量大，施工效2率高，是目前使用较广泛的一种打桩设备。下面以筒式桩锤为例介绍柴油桩锤的构造及工作原理。筒式柴油桩锤依靠活塞上下跳动来锤击桩，其构造如图 5-1-1 所示。它由锤体、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统和起动系统等组成。图 5-1-1 D72型筒式柴油桩锤构造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- 燃油和润滑油泵；14- 下活塞；15-燃油进口；16-上气缸； 17-导向缸； 18-润滑油阀；19- 起落架；20-导向卡；21-
5、下气缸；22-下气缸导向卡爪；23-铜套；24-下活塞保险卡； 25-顶盖锤体主要由上气缸 16、导向缸 17、下气缸 21、上活塞 1、下活塞 14 和缓冲垫 5 等组成。导向缸 17 在打斜桩时为上活塞引导方向，还可防止上活塞跳出锤体。上气缸是上活塞的导向装置。下气缸是工作气缸，它与上、下活塞一起组成燃烧室，是柴油桩锤爆炸冲击工作的场所。上、下气缸用高强度螺栓连接。在上气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气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，不工作时位于上气缸的下部，工作时可在上、下气缸内跳动，上、下活塞都靠活塞环密封，
6、并承受很大的冲击力和高温高压作用。在下气缸底部外端环与活塞冲头之间装有一个缓冲垫 5（橡胶圈） 。它的主要作用是缓3冲打桩时下活塞对下气缸的冲击。这个橡胶圈强度高、耐油性强。在下气缸四周，分布着斜向布置的进、排气管，供进气和排气用。柴油桩锤起动时，由桩架卷扬机将起落架吊升，起落架钩住上活塞提升到一定高度，吊钩碰到碰块，上活塞脱离起落架，靠自重落下，柴油桩锤即可起动。筒式柴油桩锤的工作原理及其循环如图 5-1-2 所示。（1）喷油过程（5-1-2a） 上活塞被起落架吊起，新鲜空气进入气缸，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。当下降的活塞碰到燃油泵的压油曲臂时，即把一定
7、量的燃油喷入下活塞的凹面。（2）压缩过程（图 5-1-2b） 上活塞继续下降，吸、排气口被上活塞挡住而关闭，气缸内的空气被压缩，空气的压力和温度均升高，为燃烧爆炸创造条件。（3）冲击、雾化过程（图 5-1-2c） 当上活塞快与下活塞相撞时，燃烧室内的气压迅速增大。当上、下活塞碰撞时，下活塞冲击面的燃油受到冲击而雾化。上、下活塞撞击产生强大的冲击力，大约有 50%左右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）燃烧爆炸过程（图 5-1-2d） 雾化后的混合气体，由于受高温和高压的作用，立刻燃烧爆炸，产生巨大的能量。通过下活塞对桩再次冲击（即第二次打击） ，同时使上
8、活塞跳起。（5）排气过程（图 5-1-2e） 上跳的活塞通过排气口后，燃烧过的废气便从排气口排出。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，为下次喷油作准备。（6）吸气过程（图 5-1-2f） 上活塞在惯性力作用下，继续上升，这时气缸内产生负压，新鲜空气被吸入气缸内。活塞跳得越高，所吸入的新鲜空气越多。（7）活塞下行并排气过程（图 5-1-2g） 上活塞的动能全部转化为势能后，又再次下降，一部分的新鲜空气与残余废气的混合气由排气口排出直至重复喷油过程，柴油桩锤便周而复始地工作。图 5-1-2筒式柴油桩锤工作原理a）喷油； b）压缩；c ）冲击、雾化；
9、d）燃爆；e）排气；f）吸气；g）活塞下行并排气1-气缸；2-上活塞；3- 燃油泵；4-下活塞2液压打桩机液压打桩机由液压桩锤和桩架两部分组成。液压桩锤利用液压能将锤体提升到一定高度，锤体依靠自重或自重加液压能下降，进行锤击。从打桩原理上可分为单作用式和双作用式两种。单作用式即自由下落式，冲击能量较小，但结构比较简单。双作用式液压桩锤在锤体被4举起的同时，向蓄能器内注入高压油，锤体下落时，液压泵和蓄能器内的高压油同时给液压桩锤提供动力，促使锤体加速下落，使锤体下落的加速度超过自由落体加速度。双作用式液压桩锤冲击能量大，结构紧凑，但液压油路比单作用式液压桩锤要复杂些。液压桩锤由锤体部分 1、液压
10、系统 2 和电气控制系统 3 等组成，如图 5-1-3 所示。图 5-1-4 所示为锤体部分的结构简图。（1）起吊装置 起吊装置 1 主要由滑轮架、滑轮组与钢丝绳组成，通过桩架顶部的滑轮组与卷扬机相连。利用卷扬机的动力，液压桩锤可在桩架的导向轨上上下滑动。（2）导向装置 导向装置 14 与柴油桩锤的导向卡基本相似，它用螺栓将导向装置与壳体和桩帽相连，使其与桩架导轨的滑道相配合，锤体可沿导轨上下滑动。（3）上壳体 保护液压桩锤上部的液压元件、液压油管和电气装置，同时连接起吊装置和壳体。上壳体还用作配重使用，可以缓解和减少工作时锤体不规则的抖动或反弹，提高工作性能。（4）锤体 液压桩锤通过锤体下降
11、打击桩帽，将能量传给桩，实现桩的下沉。锤体的上部与液压油缸活塞杆头部通过法兰连接。（5）壳体 壳体把上壳体和下壳体连在一起，在它外侧安装着导向装置、无触点开关、液压油管和控制电缆的夹板等。液压油缸的缸筒与壳体连接，锤体上下运动锤击沉桩的全过程均在壳体内完成。（6）下壳体 下壳体将桩帽罩在其中，上部与壳体的下部相连，下部支在桩帽上。图 5-1-3 液压桩锤总体构造1-锤体部分； 2-液压系统；3-电气控制系统图 5-1-4 液压桩锤结构简图1-起吊装置；2- 液压油缸；3- 蓄能器；4- 液压控制装置；5-油管；6-控制电缆；7- 无触点开关；8- 锤体；9- 壳体；10-下壳体；11-下锤体；
12、12-桩帽；13- 上壳体；14- 导向装置；15、16- 缓冲垫5（7）下锤体 下锤体上部有两层缓冲垫，与柴油桩锤下活塞的缓冲垫作用一样，防止过大的冲击力打击桩头。（8）桩帽及缓冲垫 打桩时桩帽套在钢板桩或混凝土预制桩的顶部，除起导向作用外，与缓冲垫一起既保护桩头不受损坏，也使锤体及液压缸的冲击荷载大为减小。在打桩作业时，应注意经常更换缓冲垫。3振动沉拔桩机振动沉拔桩机由振动桩锤（图 5-1-5）和通用桩架组成。振动桩锤是利用机械振动法使桩沉入或拔出。按振动频率可分为低、中、高和超高频四种型式；按作用原理可分为振动式和振动冲击式两种；按动力装置与振动器的连接方式可分为刚性式和柔性式两种；按动
13、力源可分为电动式和液压式两种。（1）振动桩锤工作原理振动桩锤主要装置为振动器，利用振动器所产生的激振力，使桩身产生高频振动。这时桩在其自重或很小的附加压力作用下沉入土中，或是在较小的提升力作用下被拔出。振动器都是采用机械式振动器，由两根装有偏心块的轴组成（图 5-1-6） 。这两根轴上装有相同的偏心块，但两根轴相向转动。这时两根轴上的偏心块所产生的离心力，在水平方向上的分力互相抵消，而其垂直方向上的分力则迭加起来。其合力为（ N）sin2mrP式中：m偏心块的质量， kg；角速度，1/s；r偏心块质心至回转中心的距离，m 。合力 P 一般称为“激振力” 。就是在这一激振力的作用下，桩身产生沿其
14、纵向轴线的强迫振动。5-1-6 振动原理图（2）电动式振动沉拔桩机电动式振动沉拔桩机是将振动器产生的振动，通过与振动器联成一体的夹桩器传给桩体，使桩体产生振动。桩体周围的土壤由于受到振动作用，摩擦阻力显著下降，桩就在振动沉拔图 5-1-5 振动桩锤的构造1-悬挂装置；2- 电动机；3- 减振装置；4-传动机构；5- 振动器；6- 夹桩器6桩机和自重的作用下沉入土中。在拔桩时，振动可使拔桩阻力显著减小，只需较小的提升力就能把桩拔出。电动式振动沉拔桩机由振动器、夹桩器、电动机等组成。电动机 1 与振动器 3 刚性连接的，称为刚性振动锤（图 5-1-7a） ；电动机 5 与振动器 1 之间装有螺旋弹
15、簧的，则称为柔性振动锤（图 5-1-7b） 。振动器的偏心块可以用电动机以三角皮带驱动，振动频率可调节，以适应不同土壤打不同桩对激振力的不同要求。夹桩器用来联接桩锤和桩。分液压式、气压式、手动（杠杆或液压）式和直接（销接或圆锥）式等。图 5-1-7c 所示为振动冲击式振动锤。沉桩时既靠振动又靠冲击。振动器和桩帽经由弹簧相连。两个偏心块在电动机带动下，同步反向旋转时，在振动器 1 作垂直方向振动的同时，给予冲击凸块以快速的冲击，使桩迅速下沉。图 5-1-7 振动锤的型式a）刚性振动锤： 1-电动机；2-传动机构；3-振动器；4- 夹桩器b）柔性振动锤：1-振动器；2-弹簧；3-电机底座；4- 皮
16、带；5-电动机 c）振动冲击式振动锤：1- 振动器；2-弹簧； 3-冲击凸块；4- 桩帽这种振动冲击式桩锤，具有很大的振幅和冲击力，其功率消耗也较少，适用于在粘性土壤或坚硬的土层中打桩。其缺点是冲击时噪音大，电动机受到频繁的冲击作用易损坏。（3）液压式振动沉拔桩机液压式振动沉拔桩机采用液压马达驱动。液压马达驱动能无级调节振动频率，还有启动力矩小、外形尺寸小、质量轻、不需要电源等优点。但其传动效率低，结构复杂，维修困难，价格高。4静力压拔桩机依靠持续作用静压力，将桩压入或拔出的桩工机械，称为静力压拔桩机。静力压拔桩机分为机械式和液压式两种。机械式压拔桩机由机械方式传递静压力，液压式用液压油缸产生
17、的静压力来压桩或拔桩。7图 5-1-8 所示为液压静力压桩机的结构组成图，主要由驾驶室 1、起重机 2、液压系统 3、电器系统 4、支腿 5、导向压桩架 7、横移机构 8、夹持机构 10、纵移机构 11 等组成。由支腿 5 实现纵移机构 11、横移机构 8 的离地、接地和机身的调平，为压桩作准备。导向压桩架 7 与夹持机构 10通过四个夹桩油缸、一对主压桩油缸及一对副压桩油缸实现夹桩与压桩功能。起重机 2 用于吊桩和其它辅助吊运工作。液压静力压桩机工作时噪声低、振动小、无污染，与冲击式施工方式比较，桩身不受冲击应力，不易损坏，施工质量好，效率高。5桩架大多数桩锤或钻具都要用桩架支持，并为之导向
18、，桩架的形式很多，这里主要介绍通用桩架，即那些能适用于多种桩锤或钻具的桩架。目前通用桩架有两种基本形式：一种是沿轨道行驶的万能桩架，另一种是装在履带式底盘上的桩架。沿轨道行驶的万能桩架因其要在预先铺好的水平轨道上工作，机构庞大，占用场地大，组装和搬运麻烦，因而近年来已很少使用。而履带式桩架发展较为迅速。这里仅介绍这种桩架。（1）悬挂式履带桩架如图 5-1-9 所示，悬挂式履带桩架是以履带式起重机为底盘，用吊臂 2 悬吊桩架立柱6，立柱 6 下面与机体 1 通过支撑杆 7 相连接。由于桩架、桩锤的重量较大，重心高且前移，容易使起重机失稳，所以通常要在机体上增加一些配重。立柱在吊臂端部的安装比较简
19、单。为了能方便地调整立柱的垂直度，立柱下端与机体的连接一般都采用丝杠或液压式等伸缩可调的机构。悬挂式桩架的缺点是横向稳定性较差，立柱的悬挂不能很好地保持垂直。这一点限制了悬挂式桩架不能用于打斜桩。（2）三支点式履带桩架三支点式履带桩架同样是以履带式起重机为底盘，但在使用时必须作较多的改动。首先拆除吊臂，增加两个斜撑 2，斜撑 2 下端用球铰支持在液压支腿的横梁上使两个斜撑的下端在横向保持较大的间距，构成稳定的三点式支撑结构，如图 5-1-10。三支点式桩架在性能上是比较理想的，工作幅度小，具有良好的稳定性，另外还可通过斜撑的伸缩使立柱倾斜，以适应打斜桩的需要。图 5-1-8 液压静力压桩机结构
20、组成图1-驾驶室；2- 起重机；3- 液压系统；4- 电器系统；5-支腿；6-配重；7- 导向压桩架；8- 横移机构；9- 平台机构；10-夹持机构；11-纵移机构86冲击钻机冲击式钻机是灌注桩基础施工的一种重要钻孔机械，它能适应各种不同地质情况，特别是在卵石层中钻孔。同时，用冲击式钻机钻孔，成孔后，孔壁四周会形成一层密实的土层，对稳定孔壁，提高桩基承载能力，均有一定作用。目前常用的冲击钻机有 CZ 系列（表 5-1-1） ，其所有部件均装在拖车上，包括电动机、传动机构、卷扬机和桅杆等。冲击钻孔是利用钻机的曲柄连杆机构，将动力的回转运动变为往复运动，通过钢丝绳带动冲锤上下运动。通过冲锤自由下落
21、的冲击作用，将卵石或岩石破碎，钻渣随泥浆（或用掏渣筒）排出。CZ型冲击钻机主要技术性能 表 5-1-1 型号钻孔直径（m）钻孔深度（m）冲击次数（次/min） 提吊力（kN）主机重（t）钻具重（t） 外型尺寸（m）CZ-22 0.6 300 40 50 20 7.5 1.3 8.62.32.3CZ-30 1.3 500 40 50 30 13.67 2.5 102.73.5冲锤（图 5-1-11）有各种形状，但它们的冲刃大多是十字形的。图 5-1-9 悬挂式履带桩架1-机体；2-吊臂；3- 桩锤；4-桩帽；5-桩；6-桩架立柱；7- 支撑杆图 5-1-10 三支点式履带桩架1-机体；2- 斜撑
22、；3- 桩锤；4-桩帽；5-桩；6-桩架立柱；7- 立柱支撑9由于冲击式钻机的钻进是将岩石破碎成粉粒状钻渣，功率消耗大，钻进效率低。因此，除在卵石层中钻孔时采用外，其它地层的钻孔已被其它型式的钻机所取代。7全套管钻机全套管施工法是由法国贝诺特公司（Benoto）发明的一种施工方法，也称为贝诺特施工法。配合这种施工工艺的设备称为全套管设备或全套管钻机，它主要用于桥梁等大型建筑基础灌注桩的施工。施工时在成孔过程中一面下沉钢质套管，一面在钢管中抓挖粘土或砂石，直至钢管下沉至设计深度，成孔后灌注混凝土，同时逐步将钢管拔出，以便重复使用。（1）全套管钻机的分类及总体结构全套管钻机按结构形式可分为两大类，
23、即整机式和分体式。整机式采用履带式或步履式底盘，其上装有动力系统、钻机作业系统等。其结构如图 5-1-12 所示，由主机 1、钻机 2、套管 3、锤式抓斗 4、钻架 5 等组成。主机主要由驱动全套管钻机短距离移动的底盘和动力系统、卷扬系统等组成。钻机主要由压拔管、晃管、夹管机构组成，包括压拔管、晃管、夹管油缸和液压系统及相应的管路控制系统等组成。套管是一种标准的钢质套管，套管采用螺栓连接，要求有严格的互换性。锤式抓斗由单绳控制，靠自由落体冲击落入孔内取土，再提上地面卸土。钻架主要为锤式抓斗取土服务，设置有卸土外摆机构和配合锤式抓斗卸土的开启锤式抓斗机构。图 5-1-11 冲锤形式及尺寸 图 5
24、-1-12 整机式全套管钻机1-主机； 2-钻机；3-套管；4- 锤式抓斗；5-钻架图 5-1-13 分体式全套管钻机1-起重机；2- 锤式抓斗；3- 导向口；4- 套管；5-钻机10分体式全套管钻机是以压拔管机构做为一个独立系统，施工时必须配备其它形式的机架（如履带式起重机） ，才能进行钻孔作业，其结构如图 5-1-13 所示。分体式全套管钻机主要由起重机 1、锤式抓斗 2、锤式抓斗导向口 3、套管 4、钻机 5 等组成。起重机为通用起重机，锤式抓斗、导向口、套管均与整机式全套管钻机的相应机构相同，钻机是整套机构中的工作机，它由导向及纠偏机构、晃管装置、压拔管液压缸、摆动臂和底架等组成。（2
25、）全套管钻机的工作原理全套管钻机一般均装有液压驱动的抱管、晃管、压拔管机构。成孔过程是将套管边晃边压，进入土壤之中，并使用锤式抓斗在套管中取土。抓斗利用自重插入土中，用钢绳收拢抓瓣。这一特殊的单索抓斗可在提升过程中完成向外摆动、开瓣卸土、复位、开瓣下落等过程。成孔后，在灌注混凝土的同时逐节拔出并拆除套管，最后将套管全部取出（如图 5-1-14 所示）。图 5-1-14 全套管施工法原理a）用套管工作装置将套管一面沿圆周方向往复晃动，一面压入地层中；b）用锤式抓斗取土；c）接长套管；d）当套管达到预定标高后，清孔并插入钢筋笼及混凝土导管；e）灌注混凝土，灌注的同时拔出套管直到灌注完毕。8旋转钻机
26、旋转钻机如图 5-1-15 所示，由带转盘的基础车1（履带式或轮胎式） 、钻杆回转机构 4、钻架 2、工作装置（钻杆 5 和钻头 6）等组成。旋转钻机是利用旋转的工作装置切下土壤，使之混入泥浆中排出孔外。根据排出渣浆的方式不同，施转钻机分为正循环和反循环两类。常用反循环钻机。正循环钻机的工作原理如图 5-1-16 所示。钻机由电动机驱动转盘带动钻杆、钻头旋转钻孔，同时开动泥浆泵对泥浆池中的泥浆施加压力使其通过胶管、提水龙头、空心钻杆，最后从钻头下部喷出，冲刷孔底，并把与泥浆混合在一起的钻渣沿孔壁上升经孔口排出，流入沉淀池。钻渣沉积下来后，较干净的泥浆又流回泥浆池，如此形成一个工作循环。图 5-1-15 旋转钻机示意图1-基础车；2- 钻架；3- 提水龙头；4-钻杆回转机构；5-钻杆；6- 钻头
