CN110016910A - 一种钢管立柱桩可回收气囊式高精度定位装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管立柱桩可回收气囊式高精度定位装置及施工方法，涉及土木工程基坑工程领域，包括地表钢架定位系统、地下气囊定位系统和垂直度监测系统，所述地表钢架定位系统包括地表临时固定钢架、扁担梁、千斤顶、带卡尺定位螺杆，通过地表钢架定位系统对钢管立柱的桩端定位，所述地下气囊定位系统包括定位气囊、气泵、气管管线、气阀、气压表，具有快速充放气和易回收利用等特点，提高钢管立柱桩垂直定位的施工效率、缩短了施工工期、降低了工程成本，通过改变气囊的大小和位置适用多种不同直径、长度的钢管立柱桩施工。

Description

一种钢管立柱桩可回收气囊式高精度定位装置及施工方法

技术领域

本发明涉及一种钢管立柱桩可回收气囊式高精度定位装置，主要涉及土木工程基坑工程领域。

背景技术

逆作法钢管立柱桩是桩基工程中应用最为广泛的桩基结构型式之一，主要是通过机械或人工在地基中施做桩孔后，再吊装钢管立柱桩至桩孔中设计位置和标高，随后浇筑混凝土形成钢管立柱桩桩基部分。逆作法钢管立柱桩具有承载力高、工艺简单、施工速度快、工程成本低等优点，尤其适用于对承载能力要求高、工期要求紧的城市轨道交通工程和桩基工程中，但逆作法钢管立柱桩的施工中存在钢管立柱桩准确定位的关键技术问题，定位装置的选择十分关键。传统的钢管立柱桩定位装置主要分为地表定位装置和地下定位装置两大类。地表定位装置大多包括桩托(支)架和定位系统两部分，具有操作简单和施工速度快的优点，但是其定位精度受桩长影响，当桩长太大时定位精度较低，不能满足工程要求。地下定位装置主要通过在地下安装千斤顶实现桩定位，当桩较长或桩与桩孔壁距离较近时，千斤顶既不好安装，又不好拆除，也不好控制，其施工效率较低。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提出一种钢管立柱桩可回收气囊式高精度定位装置，通过地表钢架定位系统对钢管立柱的桩端定位，通过地下气囊定位系统对钢管立柱的地下段进行定位，能够更加方便精确的调整钢管立柱的定位，显著提高其定位精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：包括地表钢架定位系统、地下气囊定位系统和垂直度监测系统。

通过地表钢架定位系统对钢管立柱的桩端定位，通过地下气囊定位系统对钢管立柱的地下段进行定位，能够更加方便精确的调整钢管立柱的定位，显著提高其定位精度。

进一步，所述地表钢架定位系统包括地表临时固定钢架、扁担梁、千斤顶和定位螺杆，所述地表临时固定钢架位于桩孔上方的地面，所述桩孔端桩两侧设有吊装孔，所述扁担梁穿过所述吊装孔，所述扁担梁的两端通过千斤顶搭设于所述地表临时固定钢架，通过所述千斤顶的伸缩完成钢管立柱的桩端垂向定位，所述定位螺杆分布于吊装孔端桩外围，该定位螺杆与所述地表临时固定钢架螺纹配合，所述定位螺杆的内端抵靠至所述钢管立柱的桩壁，通过螺杆的伸缩完成钢管立柱的桩端水平向定位和固定，扁担梁挂设钢管立柱的上端，将扁担梁的两端通过千斤顶调整其上下高度，进而间接的调整钢管立柱的高度，调整过程更加平稳，精度更高。拆卸的时候缩短千斤顶，由于千斤顶的存在，缩短千斤顶即可卸掉扁担梁两段的支撑，使得各部件拆卸变得更加容易。

进一步，所述定位螺杆分上下两层，每层所述定位螺杆数量为6-10根，定位螺杆上设有刻度，所述定位螺杆的外端设有手摇杆，所述定位螺杆上设有定位螺母，该定位螺母抵靠至所述地表临时固定钢架的外壁。第一层定位螺杆起桩端水平向精准定位和固定作用，第二层定位螺杆起钢管立柱桩定位后的再加固作用。

进一步，所述吊装孔由一对螺纹钢筋弯制成圆形后与钢管立柱桩端焊接而成，制作难度更低，更节省材料和重量。

进一步，所述地下气囊定位系统包括定位气囊、气泵、气管管线、气阀和气压表，所述定位气囊分布于钢管立柱的外围，所述定位气囊挂设于所述钢管立柱外侧壁的挂钩，所述定位气囊通过所述气管管线连通至所述气泵，所述气阀和所述气压表设置于所述气管管线，所述定位气囊通过充放气的体积胀缩调整钢管立柱的桩身相对定位，通过控制定位气囊的膨胀度，进而控制钢管立柱与桩孔侧壁的间距，最终实现对钢管立柱的桩身的定位。所述气阀为三通球气阀，可控制气囊充和放气。

进一步，所述气囊上上设有挂耳，所述挂耳挂于钢管桩侧壁上的挂钩上，便于将气囊从钢管立柱上取下来，以重复使用，挂耳挂在桩身挂钩上，或可从挂钩上取出。

进一步，所述定位气囊包括内胆、缠丝、中胆和表层，内胆为黑色橡胶，缠丝尼龙丝材质，中胆为橡胶材质，表层为超细强力纤维或PU或PVC材质，定位气囊外形呈胶囊形，定位气囊上有一根气密性气管，通过上述结构，能够显著提高定位气囊的强度。

进一步，所述垂直度监测系统包括垂直度传感器、传感线路和电脑设备，所述垂直度传感器分布于钢管立柱的外壁，该垂直度传感器通过所述传感线路连接至所述电脑设备，便于实时监控钢管立柱的垂直度。

进一步，所述垂直度传感器用L型铁支架和强力磁铁固定在钢管立柱桩壁上，垂直度监测精度为0.001°。

进一步，其特征在于：施工步骤如下：

1)根据设计图纸预制钢管立柱桩和钢筋笼，并焊接好挂钩，桩位测量放线，十字控制线及标高引测，在放样点施做桩孔，清孔后将地表临时固定钢架摆放至桩孔正上方；

2)利用吊机沉放预制好的钢管立柱桩和钢筋笼，当挂钩距离地面以上0.5m时，将气囊挂钩挂于挂钩上，然后缓慢沉放钢管立柱桩和钢筋笼至桩顶距离地面2.5m时，安装垂直度传感器在距离桩顶2m的桩壁上，并依次连接好垂直定位传感线路和电脑设备，调试成功后将传感器置零，再缓慢沉放钢管立柱桩和钢筋笼，然后利用两根扁担梁穿过吊装孔后置于千斤顶上，利用千斤顶调节钢管立柱桩钢筋笼至设计标高；

3)依次连接好气泵、气管管线、气阀、气压表，准备进入工作状态；

4)联通气泵电源，依次打开4个三通球阀使气囊充气至0.5MPa，并维持气压数值稳定，使桩身达到完全对中状态。

5)根据垂直传感器监测的数据，分别手摇第一排的4个带卡尺定位螺杆和伸缩4个千斤顶，使桩端移到完全铅锤方向，再紧定位螺母进行固定，即完成桩端精准定位；

6)分别手摇第二排的4个带卡尺定位螺杆至刚好与桩钢管立柱桩壁接触，再紧定位螺母进行固定，使钢管立柱桩的定位更加稳固；

7)利用泵送混凝土机灌注混凝土至钻孔设计标高，达到初凝强度即可完全放掉气囊中的气体，并回收气囊以备下次使用。

本发明的技术原理及有益效果如下：

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：首先，利用地表临时固定钢架、扁担梁和千斤顶可对钢管立柱桩进行快速的临时起吊和垂向定位，其结构稳定、起吊方便、定位准确；利用对气囊充放气的体积胀缩快速实现地下桩身段的精准定位，在提高了定位精度的同时，有效的降低了定位装置的操作难度。其次，根据垂直度传感器反馈的0.001°精度的监测数据，利用第一排带卡尺定位螺杆可对桩端精准定位，操作简单，定位稳定；利用第二排带卡尺定位螺杆可对已定位精准的钢管立柱桩进行牢稳固定。然后，气囊上有一个环形挂耳，挂耳可方便的挂在桩身挂钩上，或可快速从挂钩上取出，有效的提升了气囊的回收和再利用率，提高了施工效率，降低了工程成本。由于气囊可布置在桩身任意位置，且具有超大量程的变形范围，使得该定位装置适用于多种不同直径、长度的钢管立柱桩施工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的其中三幅，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明钢管立柱桩可回收气囊式高精度定位装置的示意图。

图2为本发明的可回收气囊的示意图。

图3为本发明的新型带卡尺定位螺杆的示意图。

其中，地表临时固定钢架1、钢架柱2、上钢梁3、顶板4、下钢梁5、基板6、斜向支撑杆7、扁担梁8、吊装孔9、第一层定位螺杆10、第二层定位螺杆11、桩身12、钢筋笼13、桩孔14、气囊15、气泵16、气管17、气阀18、气压表19、气管20、垂直度传感器21、电脑设备22、传感线路23、桩端24、挂钩25、挂耳26、手摇杆27、定位螺母28、螺杆29、千斤顶30。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明实施例包括地表钢架定位系统、地下气囊15定位系统和垂直度监测系统。

通过地表钢架定位系统对钢管立柱的桩端24定位，通过地下气囊15定位系统对钢管立柱的侧壁进行定位，能够更加方便精确的调整钢管立柱的定位，显著提高其定位精度。

所述地表钢架定位系统包括地表临时固定钢架1、扁担梁8、千斤顶30和定位螺杆，所述地表临时固定钢架1位于桩孔14上方的地面，所述钢管立柱桩12端桩24两侧设有吊装孔9，所述吊装孔由一对螺纹钢筋弯制成圆形后与钢管立柱桩端焊接而成，所述扁担梁8横跨所述吊装孔9，所述扁担梁8的两端通过千斤顶30搭设于所述地表临时固定钢架1，通过所述千斤顶30的伸缩完成钢管立柱的桩端24垂向定位，所述定位螺杆分布于所述吊装孔所述端桩24外围，该定位螺杆与所述地表临时固定钢架1螺纹配合，所述定位螺杆的内端抵靠至所述钢管立柱的桩壁，通过螺杆的伸缩完成钢管立柱的桩端24水平向定位和固定，扁担梁8挂设钢管立柱的上端，将扁担梁8的两端通过千斤顶30调整其上下高度，进而间接的调整钢管立柱的高度，调整过程更加平稳，精度更高。所述定位螺杆分上下两层，每层所述定位螺杆数量为6-10根，定位螺杆上设有刻度，所述定位螺杆的外端设有手摇杆27，所述定位螺杆上设有定位螺母28，该定位螺母28抵靠至所述地表临时固定钢架1的外壁。第一层定位螺杆10起桩端24水平向精准定位和固定作用，第二层定位螺杆11起钢管立柱桩定位后的再加固作用。所述千斤顶30为液压千斤顶30或螺旋千斤顶30，本实施例采用液压千斤顶30，可通过千斤顶30的伸缩进行垂向定位和倾斜修正。

所述地表临时固定钢架1由4根钢架柱2、4根下钢梁5、4根上钢梁3、基板6(6)、顶板4、斜向支撑杆7组成。所述钢架柱2、下钢梁5、上钢梁3、顶板4、斜向支撑杆7均通过焊接连接，钢架柱2与基板6通过高强螺栓连接。所述扁担梁8为圆形钢管或方形钢管。

所述吊装孔9由一对螺纹钢筋弯制成圆形后与钢管焊接而成，制作难度更低，更节省材料和重量。

所述地下气囊15定位系统包括定位气囊15、气泵16、气管17管线、气阀18和气压表19，所述定位气囊15分布于钢管立柱的外围，所述定位气囊15挂设于所述钢管立柱外侧壁的挂钩25，所述定位气囊15通过所述气管17管线连通至所述气泵16，所述气阀18和所述气压表19设置于所述气管17管线，所述定位气囊通过充放气的体积胀缩调整钢管立柱的桩身12相对定位，通过控制定位气囊15的膨胀度，进而控制钢管立柱与桩孔14侧壁的间距，最终实现对钢管立柱的桩身12的定位。

所述气囊15上设有挂耳26，所述挂耳26挂于钢管桩12侧壁上的挂钩25上，便于将气囊15从钢管立柱上取下来，以重复使用。

所述定位气囊15包括内胆、缠丝、中胆和表层，内胆为黑色橡胶，缠丝尼龙丝材质，中胆为橡胶材质，表层为超细强力纤维或PU或PVC材质，定位气囊15外形呈胶囊形，定位气囊15上有一根气密性气管17，通过上述结构，能够显著提高定位气囊15的强度。

所述垂直度监测系统包括垂直度传感器21、传感线路23和电脑设备，所述垂直度传感器21分布于钢管立柱的外壁，该垂直度传感器21通过所述传感线路23连接至所述电脑设备22，便于实时监控钢管立柱的垂直度。

所述垂直度传感器21用L型铁支架和强力磁铁固定在钢管立柱桩壁上，垂直度监测精度为0.001°。

一种用于实现权利要求1所述的逆作法钢管立柱桩的可回收气囊15式高精度定位装置的施工方法，施工步骤如下：

1)根据设计图纸预制钢管立柱桩和钢筋笼13，并焊接好挂钩，桩位测量放线，十字控制线及标高引测，在放样点施做桩孔14，清孔后将地表临时固定钢架1摆放至桩孔14正上方。

2)利用吊机沉放预制好的钢管立柱桩和钢筋笼13，当挂钩距离地面以上0.5m时，将气囊15挂钩25挂于挂钩上，然后缓慢沉放钢管立柱桩和钢筋笼13至桩顶距离地面2.5m时，安装垂直度传感器21在距离桩顶2m的桩壁上，并依次连接好垂直定位传感线路23和电脑设备22，调试成功后将传感器置零，再缓慢沉放钢管立柱桩和钢筋笼13，然后利用两根扁担梁8穿过吊装孔9后置于千斤顶30上，利用千斤顶30调节钢管立柱桩钢筋笼13至设计标高。

3)依次连接好气泵16、气管17管线、气阀18、气压表19，准备进入工作状态。

4)联通气泵16电源，依次打开4个三通球阀使气囊15充气至0.5MPa，并维持气压数值稳定，使桩身12达到完全对中状态。

5)根据垂直传感器监测的数据，分别手摇第一排的4个带卡尺定位螺杆和伸缩4个千斤顶30，使桩端24移到完全铅锤方向，再紧定位螺母28进行固定，即完成桩端24精准定位。

6)分别手摇第二排的4个带卡尺定位螺杆至刚好与桩钢管立柱桩壁接触，再紧定位螺母28进行固定，使钢管立柱桩的定位更加稳固。

7)利用泵送混凝土机灌注混凝土至钻孔设计标高，达到初凝强度即可完全放掉气囊15中的气体，并回收气囊15以备下次使用。

8)还要对扁担梁和地表临时固定钢架等部件进行回收，由于千斤顶的存在，使得拆卸变得更加容易，拆卸的时候缩短千斤顶，扁担梁的两段失去了千斤顶的支撑，与吊装孔的配合变松，可以很容易的将扁担梁与吊装孔分离。

所述的钢管立柱桩12直径为630mm，壁厚10mm，长度15m-20m，桩端5m范围内焊接直径920mm的钢筋笼13，钢管立柱桩嵌入钢筋笼2.5m。

所述的钢管立柱桩成孔方法采用泥浆护壁旋挖钻孔法，钻孔直径为1000mm，长度为18m-24m。×

所述的地表临时固定钢架1高1.6m、基板6宽3.2m、顶板4宽1.6m，由4根250mm×250mm×12mm的方钢架柱2、8根200mm×200mm×8mm的钢梁、1块1400mm×1400mm×22mm钢板、1块3200mm×3200mm×22mm钢板、4根直径32mm的斜向支撑杆7焊接而成。基板6和顶板4的中心均切割出直径1m的圆洞。

所述的扁担梁8为89mm×6mm的圆形钢管，穿过吊装孔9后置于液压千斤顶30上，液压千斤顶30为德州市德城区天德液压机具厂RSM系列薄型千斤顶30。

所述的吊装孔9由直径32mm的螺纹钢筋弯制成直径150mm的圆形后与钢管焊接而成，两个吊装孔9通过钢管立柱桩直径线。

所述的带卡尺定位螺杆10、11型号为国标细牙60°的M20型，螺杆29长度800mm，手柄27长150mm，8根螺杆分别从上下两层共8根钢梁正中间的螺丝孔穿过。

所述的气囊15共4个，为直径300mm，长500mm的胶囊形，气囊15由黑色丁基胶内胆、尼龙丝缠丝、橡胶中胆和强力纤维表层四层材质组成。囊上的环形挂耳26的材质为强力纤维，通过凯迪斯轮胎补胎液粘贴于气囊15表面。

所述的桩身12挂钩25焊接于距离桩底6m的位置，4个挂钩沿钢管圆周均匀布置。

所述的气泵16为奥突斯1500W×4-160L空压机，储气罐为160L，压力0.7MPa，最大排气量560L/min，采用电动驱动方式，可同时对4个气囊15进行充、放气。

所述的三通球阀为方威220V手自一体FVQ911/915F-16T型浮动球球阀。

所述的垂直度传感器21采用迈科传感生产的SVT626T-90型传感器，测量精度0.001°，垂直度传感器21用L型铁支架和强力磁铁固定在距离桩顶以下2m的钢管立柱桩壁上，方便安装和拆卸。

利用地表临时固定钢架1、扁担梁8和千斤顶30可对钢管立柱桩进行快速的临时起吊和垂向定位，其结构稳定、起吊方便、定位准确。

利用对气囊15充放气的体积胀缩快速实现地下桩身12段的精准定位，在提高了定位精度的同时，有效的降低了定位装置的操作难度。

根据垂直度传感器21反馈的0.001°精度的监测数据，利用第一排带卡尺定位螺杆可对桩端24精准定位，操作简单，定位稳定

利用第二排带卡尺定位螺杆可对已定位精准的钢管立柱桩进行牢稳固定。

气囊15上设有挂耳26，所述挂耳26挂于钢管桩12侧壁上的挂钩25上，或可快速从挂钩上取出，有效的提升了气囊15的回收和再利用率，提高了施工效率，降低了工程成本。

由于气囊15可布置在桩身12任意位置，且具有超大量程的变形范围，使得该定位装置适用于多种不同直径、长度的钢管立柱桩施工。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种钢管立柱桩的可回收气囊(15)式高精度定位装置，其特征在于，包括地表钢架定位系统、地下气囊(15)定位系统和垂直度监测系统。

2.根据权利要求1所述的逆作法钢管立柱桩的可回收气囊(15)式高精度定位装置，其特征在于，所述地表钢架定位系统包括地表临时固定钢架(1)、扁担梁(8)、千斤顶(30)和定位螺杆，所述地表临时固定钢架(1)位于桩孔(14)上方的地面，所述钢管立柱桩(12)端桩(24)两侧设有吊装孔(9)，所述扁担梁(8)穿过所述吊装孔(9)，所述扁担梁(8)的两端通过千斤顶(30)搭设于所述地表临时固定钢架(1)，通过所述千斤顶(30)的伸缩完成钢管立柱的桩端(24)垂向定位，所述定位螺杆分布于吊装孔端桩(24)外围，该定位螺杆与所述地表临时固定钢架(1)螺纹配合，所述定位螺杆的内端抵靠至所述钢管立柱的桩壁，通过螺杆的伸缩完成钢管立柱的桩端(24)水平向定位和固定。

3.根据权利要求1所述的逆作法钢管立柱桩的可回收气囊(15)式高精度定位装置，其特征在于，所述吊装孔(9)由一对螺纹钢筋弯制成圆形后与钢管立柱桩端(24)焊接而成。

4.根据权利要求1所述的逆作法钢管立柱桩的可回收气囊(15)式高精度定位装置，其特征在于，所述地下气囊(15)定位系统包括定位气囊(15)、气泵(16)、气管(17)管线、气阀(18)和气压表(19)，所述定位气囊(15)分布于钢管立柱的外围，所述定位气囊(15)挂设于所述钢管立柱外侧壁的挂钩(25)，所述定位气囊(15)通过所述气管(17)管线连通至所述气泵(16)，所述气阀(18)和所述气压表(19)设置于所述气管(17)管线，所述定位气囊通过充放气的体积胀缩调整钢管立柱的桩身(12)相对定位。

5.根据权利要求4所述的一种钢管立柱桩的可回收气囊(15)式高精度定位装置，其特征在于：所述定位气囊(15)上设有挂耳(26)，所述挂耳(26)挂于钢管桩(12)侧壁上的挂钩(25)上。

6.根据权利要求4所述的逆作法钢管立柱桩的可回收气囊(15)式高精度定位装置，其特征在于，所述定位气囊(15)包括内胆、缠丝、中胆和表层，内胆为黑色橡胶，缠丝尼龙丝材质，中胆为橡胶材质，表层为超细强力纤维或PU或PVC材质，定位气囊(15)外形呈胶囊形，定位气囊(15)上有一根气密性气管(17)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种钢管立柱桩的可回收气囊(15)式高精度定位装置，其特征在于：所述垂直度监测系统包括垂直度传感器(21)、传感线路(23)和电脑设备，所述垂直度传感器(21)分布于钢管立柱的外壁，该垂直度传感器(21)通过所述传感线路(23)连接至所述电脑设备(22)。

8.根据权利要求7所述的逆作法钢管立柱桩的可回收气囊(15)式高精度定位装置，其特征在于，所述垂直度传感器(21)用L型铁支架和强力磁铁固定在钢管立柱桩壁上，垂直度监测精度为0.001°。

9.根据权利要求1所述的一种钢管立柱桩的可回收气囊(15)式高精度定位施工方法，其特征在于：施工步骤如下：

1)根据设计图纸预制钢管立柱桩和钢筋笼(13)，并焊接好挂钩，桩位测量放线，十字控制线及标高引测，在放样点施做桩孔(14)，清孔后将地表临时固定钢架(1)摆放至桩孔(14)正上方；

2)利用吊机沉放预制好的钢管立柱桩和钢筋笼(13)，当挂钩距离地面以上0.5m时，将气囊(15)挂钩(25)挂于挂钩上，然后缓慢沉放钢管立柱桩和钢筋笼(13)至桩顶距离地面2.5m时，安装垂直度传感器(21)在距离桩顶2m的桩壁上，并依次连接好垂直定位传感线路(23)和电脑设备(22)，调试成功后将传感器置零，再缓慢沉放钢管立柱桩和钢筋笼(13)，然后利用两根扁担梁(8)穿过吊装孔(9)后置于千斤顶(30)上，利用千斤顶(30)调节钢管立柱桩钢筋笼(13)至设计标高；

3)依次连接好气泵(16)、气管(17)管线、气阀(18)、气压表(19)，准备进入工作状态；

4)联通气泵(16)电源，依次打开4个三通球阀使气囊(15)充气至0.5MPa，并维持气压数值稳定，使桩身(12)达到完全对中状态；

5)根据垂直传感器监测的数据，分别手摇第一排的4个带卡尺定位螺杆和伸缩4个千斤顶(30)，使桩端(24)移到完全铅锤方向，再紧定位螺母(28)进行固定，即完成桩端(24)精准定位；

6)分别手摇第二排的4个带卡尺定位螺杆至刚好与桩钢管立柱桩壁接触，再紧定位螺母(28)进行固定，使钢管立柱桩的定位更加稳固；

7)利用泵送混凝土机灌注混凝土至钻孔设计标高，达到初凝强度即可完全放掉气囊(15)中的气体，并回收气囊(15)以备下次使用。