一种矩形灌注桩施工装备及其成桩方法与流程

本技术涉及工程机械，具体地，涉及一种矩形灌注桩施工装备及其成桩方法。

背景技术：

1、近年来随着我国现代基础设施建设事业的飞速发展，很多高速铁路、高速公路、能源及水利管线需要穿越滑坡等地质不良地段，另外由于地质灾害多发，山区运营基础设施也面临着边坡滑动的威胁。为有效预防和治理滑坡，消除或减轻其可能造成的危害，保障人民生命财产安全和基础设施战略安全，必须采取合理措施阻止其滑动，消除其影响。当前，被广泛应用的滑坡处治措施主要有抗滑挡土墙、抗滑桩、预应力锚索抗滑桩、预应力锚索框架或地梁等。抗滑桩因具有抗滑能力大、支挡效果好、对滑坡体稳定性扰动小及设桩位置灵活等优点，是最为常用的处治措施。

2、抗滑桩桩身截面形式有圆形和矩形。两种截面形式抗滑桩受力特征研究结果表明：圆形截面抗滑桩由联合拱组成，矩形截面抗滑桩由摩擦拱和支撑拱组成，通过所对比土拱区，圆形截面抗滑桩抗滑效果相比矩形截面较差。在相同截面面积情况下，圆形截面抗滑桩的抗弯系数相比矩形截面要小。所以矩形桩在抗滑力学性能方面优于圆形抗滑桩。

3、目前，矩形桩的成孔施工分为人工挖孔和机械挖孔，采用人工开挖能够保证施工质量，但是会面临较大的施工风险，人工开挖遇到薄弱地层、破碎带、地下水突出及危险气体富集等特殊情况时极易威胁开挖人员生命安全。矩形桩机械开挖目前缺少统一的标准和设备，目前主要通过冲抓、旋挖、铣挖等方式，断面内分区、多次组合施工后再用矩形框架模具修边成型，施工质量和施工效率都难以保证，且桩周土临空时间较长，不能得到及时支护，开挖支护衔接较弱。

4、矩形桩机械开挖目前存在的问题较多，例如，相关技术中提供的冲击或爆破成孔方式，成桩过程对原有地层扰动较大，而且支护及清渣跟进不及时，容易造成塌孔和孔底沉渣，影响成桩质量且对地层扰动较大；相关技术中提供的内外组合一体钻头成孔方式，主要用来开挖正方形桩基，对于长方形桩基开挖效率不高，同时由于主要采用旋挖方式，对于地层变化的适应能力较差；相关技术中提供的多圆组合开孔结合矩形修边成孔方式，主要采用多次不同直径旋挖钻组合成孔后，再采用桩基截面同尺寸矩形钻头修边而成，施工效率较低，而且由于多个组合孔接续施工，会造成支护不及时，地层扰动大，造成塌孔风险较高；相关技术中提供的铣挖成孔方式，通过多个铣挖组合体横纵向摆动或平移实现矩形成孔。由于采用螺旋牙带铣挖轮组，设备驱动系统和配套系统比较庞大，施工成本较高，更适用于大型竖井及大断面桩基，且掘进过程超前感知自适应能力差。

技术实现思路

1、为了解决上述技术缺陷之一，本技术实施例中提供了一种矩形灌注桩施工装备及其成桩方法。

2、根据本技术实施例的第一个方面，提供一种矩形灌注桩施工装备，包括：

3、步履；

4、主支架，所述主支架连接于所述步履，所述主支架能通过所述步履向前后左右移动；

5、平面移位机构，所述平面移位机构设置于所述主支架；

6、开挖系统，所述开挖系统包括掘进机构和伸缩机构，所述伸缩机构一端连接所述平面移位机构，所述伸缩机构的另一端连接所述掘进机构；

7、矩形框架钻头，所述框架钻头和所述平面移位机构之间用于设置矩形护壁组件，所述矩形框架钻头围合形成腔体，所述矩形框架钻头背离所述主支架的端口一周设置凸齿，所述掘进机构位于所述腔体内且所述掘进机构在掘进工作时固定至所述矩形框架钻头；

8、护壁进给机构，所述护壁进给机构连接于所述平面移位机构，所述护壁进给机构用于顶进矩形护壁组件。

9、可选的，所述掘进机构包括：

10、轨道架，所述轨道架分别连接所述伸缩机构和所述矩形框架钻头；

11、掘进轨道，所述掘进轨道连接于所述轨道架，所述掘进轨道位于垂直所述伸缩机构的平面上；

12、掘进机总成，掘进机总成设置于所述掘进轨道，所述掘进机总成能沿所述掘进轨道移动。

13、可选的，所述掘进轨道绕所述伸缩机构的周向延伸多圈，且所述掘进轨道的内端靠近所述伸缩机构，所述掘进轨道的外端远离所述伸缩机构。

14、可选的，所述掘进轨道在垂直所述伸缩机构的平面内呈螺旋状延伸；

15、所述掘进轨道的横截面为工字型。

16、可选的，所述轨道架包括多个杆体，各杆体的第一端相连接，以形成轨道架的中心部，各杆体的第二端相分离，用于连接矩形框架钻头；

17、所述中心部连接于所述伸缩机构；

18、各所述杆体位于同一平面内，所述掘进轨道连接于各所述杆体。

19、可选的，所述伸缩机构和所述中心部相铰接。

20、可选的，所述矩形框架钻头的内壁设置有固定板；

21、所述杆体延伸至所述固定板沿厚度方向的一侧；

22、固定销贯穿所述杆体和所述固定板，以连接固定所述杆体和所述固定板。

23、可选的，所述掘进机总成包括主机、掘进刀盘、排渣系统和行走机构；

24、所述掘进刀盘、排渣系统和行走机构均连接于所述主机；

25、所述行走机构可移动地连接于所述掘进轨道。

26、可选的，所述主机包括壳体；

27、所述壳体具有空腔，所述掘进刀盘设置于所述壳体；

28、所述排渣系统包括排渣管和连接座，所述连接座连接于所述壳体，所述排渣管连接于所述连接座，所述连接座具有连通所述排渣管和所述空腔的连通腔。

29、可选的，所述连接座可转动地连接于所述壳体，所述连接座的旋转轴线平行于所述伸缩机构。

30、可选的，所述行走机构包括两个侧部结构组；

31、两个所述侧部结构组间隔设置；

32、每一所述侧部结构组包括支撑框架、驱动轮组和从动轮组，所述支撑框架连接于所述主机，所述驱动轮组和所述从动轮组均设置于所述支撑框架；

33、两个所述侧部结构分设于所述掘进轨道沿宽度方向的两侧，所述驱动轮组和所述从动轮组件位于所述掘进轨道上下两侧，所述驱动轮组和所述从动轮组件均滚动接触所述掘进轨道。

34、可选的，所述掘进机总成包括超前探测感知终端，所述超前探测感知终端设置于所述主机；

35、所述超前探测感知终端用于探测底部土层信息。

36、可选的，所述矩形框架钻头和/或所述伸缩机构上设置倾角检测装置。

37、可选的，还包括锁口护壁；

38、所述锁口护壁固定设置；

39、所述锁口护壁用于套设在矩形护壁组件的外侧；

40、所述护壁进给机构顶推矩形护壁组件沿所述锁口护壁移动。

41、可选的，所述主支架具有顶部框架、底部框架和连接所述顶部框架和底部框架的立柱；

42、所述底部框架连接于所述步履；

43、所述平面移位机构设置于所述顶部框架，所述平面移动结构具有移位座；

44、所述伸缩机构和所述护壁进给机构均连接于所述移位座。

45、可选的，所述顶部框架具有第一方向梁和第二方向梁，所述第一方向梁和所述第二方向梁相垂直；

46、所述平面移位机构包括活动架，所述活动架连接于所述第一方向梁，所述活动架能沿所述第一方向梁移动，所述活动架沿第二方向延伸；

47、所述移位座连接于活动架，且所述移位座能沿所述活动架平移。

48、可选的，所述主支架上设置第一北斗定位终端，所述活动架上设置第二北斗定位终端，所述移位座上设置第三北斗定位终端。

49、可选的，还包括多个构成步履的走行装置，各所述走行装置均可移动地连接于相应的导轨；

50、所述走行装置具有升降机构；

51、所述主支架连接于所述升降机构，各所述升降机构能分别升降运动，以调平所述主支架。

52、根据本技术实施例的第二个方面，提供矩形灌注桩施工装备的成桩方法，包括如下步骤：

53、步骤s1、调平主支架，下放矩形框架钻头和开挖系统；

54、步骤s2、开挖系统执行开挖作业，并开挖到设定深度；

55、步骤s3、压入一矩形护壁组件，护壁进给机构通过顶进矩形护壁组件，进而推动矩形框架钻头向下贯入；

56、步骤s4、判断开挖是否达到桩基设计高程，若判断结果为是，则进入步骤s5，否则进入步骤s2；

57、步骤s5、开挖系统执行清孔任务；

58、步骤s6、断开掘进机构和矩形框架钻头的连接，伸缩机构回缩，回收所述掘进机构；

59、步骤s7、向桩孔内下放钢筋笼，并浇筑混凝土；

60、步骤s8、成桩结束。

61、通过采用上述技术方案，使得本技术具有如下有益效果：

62、本技术的矩形灌注桩施工装备和方法，融合了北斗新一代信息技术和智慧感知系统，实现了智能化机械成孔和支护，以及高质量高精度参数控制，可适应各种地质环境，降低了工人劳动强度，提高了矩形桩成孔质量和挖孔效率。可用于铁路和公路工程中抗滑桩、桩板墙和桥梁桩基的矩形灌注桩施工，地下大空间开发工程、地下交通工程和矿业工程的竖井施工，也可用于施工净空受限的低净空矩形灌注桩施工，具有广阔的市场推广应用前景。