一种预冲孔气刀装置及钢管桩打设方法

技术领域

本发明涉及钢管桩施工技术领域，具体为一种预冲孔气刀装置及钢管桩打设方法。

背景技术

目前，在此类城市深基坑工程施工中，桩锚复合支护技术的方法，成为解决这系列难题一种较有效的方法。桩锚复合支护体系中往往钢管桩应用最为常见，因为钢管桩在整个支护体系中可以充分发挥其刚度大，施工快，成本低、可回收的优点，对基坑的变形、稳定性综合优势明显。

在钢管桩打设过程中，一般使用打桩机采用振动或锤击的方式携带钢管桩向地层中沉入桩管至一定深度，例如使用中国专利CN 201817813 U所展示的振动、锤击一体桩机及其振动锤进行钢管桩打设，但是存在以下问题：

在钢管桩打设过程中，遇到硬土层或含砾、块石土层时，会出现振动过大、块石卡管的问题，严重时会发生砾石引偏的情况，导致钢管桩贯入度小和垂直度偏差大的问题，最终导致搭设的钢管桩不符合设计要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预冲孔气刀装置及钢管桩打设方法，解决了背景技术中打桩机在遇到硬土层或含砾、块石土层时存在卡管、贯入度小和垂直度偏差大的问题，且具有防止卡管，提高了钢管桩打设合格率，又在一定程度上加快了工程进度、节省了投资的作用。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

第一方面，提供了一种预冲孔气刀装置，其包括：

安装基材，其包括一根钢管桩，以与钢管桩外侧表面连接的输气管件；输气管件的一端具有连接口，另一端封闭；输气管件沿沿所述钢管桩的长度方向设置，并且气封闭端呈环形围绕在钢管桩底端的外侧；输气管件上设有与内部气道连通的多个切割喷气嘴；切割喷气嘴设置在所述环形位置处，并且沿所述环形间隔分布；

供气组件，其与所述输气管件的连接口连接，以提供高压压缩气体。

预冲孔气刀装置可以配合打桩机，向下冲孔，在正式打设钢管桩的位置上预先形成一个环形松软通道，即环形预冲孔；在冲孔过程中，超高压压缩空气顺着输气管件的气道从气嘴喷出，切割土体及土体中块石砾石等阻碍钢管桩下行的硬物，直至打设至设计指定高程后拔出。这一过程可以利用切割喷气嘴喷出的气体切割土体及土体中块石砾石等阻碍钢管桩下行的硬物，避免了硬物导致振动过大、块石卡管的问题，且贯入度也能增加，减少打设的难受，其不会受到硬土层或含砾、块石土层影响，其垂直度会有所保证。

优选的，所述输气管件采用无缝钢管制成，且与安装基材的外表面焊接；所述切割喷气嘴采用钨钢制成。

优选的，所述供气组件包括空压机组和高压抗胀连结软管，高压抗胀连结软管通过连接接头与所述输气管件的连接口连接。

优选的，所述安装基材的外表面连接有防打结环；所述高压抗胀连结软管穿设防打结环与输气管件连接。其避免高压抗胀连结软管与安装基材直接接触，减少摩擦。且限制了高压抗胀连结软管运动轨迹，以减少打结情形。

优选的，所述输气管件与所述安装基材接触的一侧表面，且沿输气管件的轨迹方向均与安装基材焊接；和/或，

所述输气管件上设有若干固定焊接片，固定焊接片的两端与安装基材焊接，中部形成用于压紧输气管件的压紧空间。

优选的，所述安装基材还包括多个加厚片，多个加厚片周向分布在钢管桩顶部的外侧，且与钢管桩外表面贴合连接。

第二方面，提供了一种钢管桩打设方法，其包括以下步骤：

利用输气管件、供气组件和满足施工要求的一根钢管桩制作形成预冲孔气刀装置；

利用打桩机和预冲孔气刀装置，在目标位置形成环形预冲孔；

利用打桩机将与所述钢管桩规格相同的钢管桩打入所述环形预冲孔中；

重复上述步骤，打设下一根钢管桩。

优选的，在形成环形预冲孔之前还包括以下步骤：

对施工场地进行清理，挖出影响施工的混凝土块、碎石；然后进行整平；

在整平后定出钢管桩打设位置及范围，并测量放样标记出钢管桩的起点、转折点、终点。

优选的，利用打桩机和预冲孔气刀装置，在目标位置形成环形预冲孔，包括以下步骤：

将导向围檩放置在钢管桩打设位置处，并在固定其两头，以使导向围檩的内部空间可以打设多个钢管桩；

利用打桩机和预冲孔气刀装置向下打入土体，直至打至指定高程；

然后将预冲孔气刀装置拔出，以形成所述环形预冲孔。

优选的，所述导向围檩的内部空间为长方形，形成的环形预冲孔的外径等于或小于两个长边之间的距离；所述长方形的长为环形预冲孔外径的整数倍。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、利用钢管桩作为基材，在其外侧设置输气管件，并结合供气组件形成的预冲孔气刀装置，其制作成本较低，在同规格的钢管桩上可重复利用。且形成的环形预冲孔与将要打设的钢管桩相匹配。

2、由于预冲孔气刀装置可以配合打桩机，向下冲孔，在正式打设钢管桩的位置上预先形成一个环形松软通道，即环形预冲孔；在冲孔过程中，超高压压缩空气顺着输气管件的气道从气嘴喷出，切割土体及土体中块石砾石等阻碍钢管桩下行的硬物，直至打设至设计指定高程后拔出。这一过程避免了硬物导致振动过大、块石卡管的问题，且贯入度也能增加。

3、本发明在施工时先利用预冲孔气刀装置形成具有竖向深度的环形预冲孔，由于其不会受到硬土层或含砾、块石土层影响，其垂直度会有所保证；在后续利用打桩机打设钢管桩时，垂直度偏差可以保证在设计范围内，提高了钢管桩打设质量合格率，加快了工程进度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的导向围檩在施工时的状态图；

图2为本申请实施例提供的预冲孔气刀装置的主视图；

图3为图2中预冲孔气刀装置上部局部放大示意图；

图4为图2中预冲孔气刀装置下部局部放大示意图；

图5为本申请实施例提供的预冲孔气刀装置的侧视图；

图6为图5中预冲孔气刀装置上部局部放大示意图；

图7为图5中预冲孔气刀装置下部局部放大示意图；

图8为预冲孔气刀装置的安装基材的顶端示意图。

图9为预冲孔气刀装置的安装基材的底端和输气管件连接的示意图。

其中：1、安装基材；2、输气管件；3、切割喷气嘴；4、防打结环；5、高压抗胀连结软管；6、固定焊接片；7、加厚片；8、导向围檩；9、环形预冲孔。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

对于本发明应该有以下的理解：

随着我国城市化建设脚步的加快，城区泵闸的综合改造，出现越来越多复杂环境条件下的深基坑工程。深基坑周边的环境复杂，有既有的建筑物，还有电力、燃气、通信、市政雨、污水管网等市政基础设施，在施工过程中，基坑支护不仅需要保证在建筑物施工地下结构时有一个安全的施工空间，而且还要保证对周边环境的影响要求极小，不能影响各种设施的正常使用。复杂的环境条件下，对深基坑的支护施工也相应的提出了更高的技术要求。目前，在此类城市深基坑工程施工中，桩锚复合支护技术的方法，成为解决这系列难题一种较有效的方法。桩锚复合支护体系中往往钢管桩应用最为常见，因为钢管桩在整个支护体系中可以充分发挥其刚度大，施工快，成本低、可回收的优点，对基坑的变形、稳定性综合优势明显。

目前本发明应对的施工情形为：

本工程场地地质条件复杂，25m以浅地基岩土体可分为7个大层，8个亚层。闸泵段、进出水池段基坑北侧和内河引渠段基坑南北侧均毗邻老旧工业厂房，北边坡上还有以前污水管道，南侧临近东苕溪大桥，桥下埋设有天然气管道，符合复杂环境条件下的深基坑工程特征。在建设中，基坑南侧边坡设计了133根Φ920mm×16mm钢管桩，北侧边坡下游临近厂房处设计了12根Φ920mm×16mm钢管桩，共计145根，每根钢管桩长18m。常规钢管桩打设不借助外力装置，只适用于均质软基地基，而对于本工程的复杂的地质条件，我项目于2023年1月11日开始，耗时2天只打入5根试桩，5根试桩中最大灌入度为93%，另外，还出现垂直度偏差大、卡管不上不下的情况，致使5根钢管桩均不符合设计质量要求。另外，以5根钢管桩/2天的施工进度推算，打完145根钢管桩需要58天，会严重拖后施工进度，不满足整个项目工期要求。

综合以上工程质量和进度的两大实际难点，迫切需要研发一种钢管桩打设时能够预先冲孔的气刀装置，来解决钢管桩施工的质量问题和对工程工期造成的影响。

以上存在的原因在于：振动往复式打桩机在钢管桩打设过程中，遇到硬土层或含砾、块石土层会影响打设效果，具体表现为振动过大、块石卡管，砾石引偏、贯入度小、垂直度偏差大等，最终导致钢管桩不符合设计要求，进行返工操作。

因此，参阅图2-图9，提出了一种预冲孔气刀装置，其包括：

安装基材1，其包括一根钢管桩，以与钢管桩外侧表面连接的输气管件2；输气管件2的一端具有连接口，另一端封闭；输气管件2沿钢管桩的长度方向设置，并且气封闭端呈环形围绕在钢管桩底端的外侧；输气管件2上设有与内部气道连通的多个切割喷气嘴3；切割喷气嘴3设置在环形位置处，并且沿环形间隔分布；

供气组件，其与输气管件2的连接口连接，以提供高压压缩气体。

以上的，安装基材1根据所需要打设的钢管桩的规格和尺寸进行相应的更换，这样在正式打设钢管桩的位置上预先形成一个环形松软通道，才能够适配后续的要打设的钢管桩。供气组件提供超高压的高压压缩气体。

利用本装置由于预冲孔气刀装置可以配合打桩机，向下冲孔，在正式打设钢管桩的位置上预先形成一个环形松软通道，即环形预冲孔9；在冲孔过程中，超高压压缩空气顺着输气管件2的气道从气嘴喷出，切割土体及土体中块石砾石等阻碍钢管桩下行的硬物，直至打设至设计指定高程后拔出。这一过程可以利用切割喷气嘴3喷出的气体切割土体及土体中块石砾石等阻碍钢管桩下行的硬物，避免了硬物导致振动过大、块石卡管的问题，且贯入度也能增加，减少打设的难受，其不会受到硬土层或含砾、块石土层影响，其垂直度会有所保证。

当然，预冲孔气刀装置不仅仅可以应用在此环境下，例如一些开孔操作等。就可以配和的打桩机可以为振动往复式打桩机，或者包括但不限于背景技术提到的打桩机。

进一步的，详细说明以上的装置结构：

输气管件2采用无缝钢管制成，且与安装基材1的外表面焊接；切割喷气嘴3采用钨钢制成；无缝钢管为厚壁无缝碳钢管；该结构具有保证气道稳定传输的作用，并且可以承受高压，不会受到外力作用发生变化。且具有耐磨作用。

与之对应的，供气组件包括空压机组和高压抗胀连结软管5，高压抗胀连结软管5通过连接接头与输气管件2的连接口连接。高压抗胀连结软管为现有的管材，这里不做详细介绍。例如CN 211901902 U所提及的一种具有抗压防爆功能的气压制动软管，属于汽车配件技术领域。它包括软管主体，软管主体上由内到外依次设有用于输送介质的内胶层、用于抗压的增强层和用于保护软管主体内部不被损坏的外胶层，的软管主体上还设有内抗压组件和外抗压组件，的内抗压组件设置在内胶层上。增强层能够增强软管主体自身的抗压防爆能力，配合内抗压组件和外抗压组件内的若干个外加强环可增强软管主体径向方向的抗压能力和软管主体在高压下的防爆能力，还能够起到降低软管主体在高压力下的膨胀量从而达到增强车辆制动蹄或制动钳的制动力的效果，外加强环沿轴向间隔均匀设置能使软管主体的抗压更均衡。

空压机组是将空气压缩并存储在储气罐中的机器设备，由以下几个组成部分构成:压缩机:压缩机是空压机的核心部件，负责将空气压缩。常见的压缩机有螺杆式压缩机、活塞式压缩机等。驱动装置:驱动装置为压缩机提供动力，可以是电动机、柴油发动机等。冷却系统:在压缩过程中，空气温度会升高，需要通过冷却系统进行降温。冷却系统一般包括风扇、散热器等。油系统:油系统主要负责保护和润滑压缩机的各个部件，如压缩机轴承、气缸等。油系统一般包括油泵、油箱等。控制系统:控制系统用于监控和调节空压机的状态，如压缩机的压力、温度、运行时间等参数。常见的控制系统有PLC控制系统、电子控制系统等。储气罐:储气罐是空压机储存压缩空气的设备。储气罐可以减少压缩机的开关次数，稳定输出空气压力。以上是空压机的主要组成部分，不同类型的空压机在组成上可能会有所不同。在使用空压机时，需要根据实际需求选择适合的型号和配置，以保证设备的正常运行和高效工作。

以上在配合打桩机运动的过程中，高压抗胀连结软管5存在磨损和打结的问题，因此有以下的设置：

安装基材1的外表面连接有防打结环4；高压抗胀连结软管5穿设防打结环4与输气管件2连接。防打结环4采用软性材料制成，且具有光滑面。其避免高压抗胀连结软管5与安装基材1直接接触，减少摩擦。且限制了高压抗胀连结软管5运动轨迹，以减少打结情形。

进一步的，为具体实现输气管件2与安装基材1的连接，有以下设置：

第一种，输气管件2与安装基材1接触的一侧表面，且沿输气管件2的轨迹方向均与安装基材1焊接；

第二种，输气管件2上设有若干固定焊接片6，固定焊接片6的两端与安装基材1焊接，中部形成用于压紧输气管件2的压紧空间。固定焊接片6的使用便于前期进行定位和固定，便于后续操作的进行。

第三种，输气管件2与安装基材1接触的一侧表面，且沿输气管件2的轨迹方向均与安装基材1焊接；输气管件2上设有若干固定焊接片6，固定焊接片6的两端与安装基材1焊接，中部形成用于压紧输气管件2的压紧空间。

以上三种方案足可以采用，焊接时输气管件2沿管身外壁双面满焊，并在钢管桩底端以顺滑曲线过渡至环形双面满焊敷设。

进一步的，在实际的使用过程中，打桩机液压钳夹吊时会对钢管桩产生变形或损坏，因此有以下的设计：

安装基材1还包括多个加厚片7，多个加厚片7周向分布在钢管桩顶部的外侧，且与钢管桩外表面贴合连接。加厚片7与钢管桩身单面满焊。所使用的钢管桩钢顶端沿口加厚50cm加厚片7，防止打桩机液压钳夹吊时变形。钢管桩顶端加长1m留出打桩机夹钳操作空间。

本发明还提出了一种种钢管桩打设方法，其包括以下步骤：

利用输气管件2、供气组件和满足施工要求的一根钢管桩制作形成以上的预冲孔气刀装置；

利用打桩机和预冲孔气刀装置，在目标位置形成环形预冲孔9；

利用打桩机将与钢管桩规格相同的钢管桩打入环形预冲孔9中；

重复上述步骤，打设下一根钢管桩。

本发明在施工时先利用预冲孔气刀装置形成具有竖向深度的环形预冲孔9，由于其不会受到硬土层或含砾、块石土层影响，其垂直度会有所保证；在后续利用打桩机打设钢管桩时，垂直度偏差可以保证在设计范围内，提高了钢管桩打设质量合格率，加快了工程进度。

在一些优选的实施例中，在形成环形预冲孔9之前还包括以下步骤：

对施工场地进行清理，挖出影响施工的混凝土块、碎石；然后进行整平；

在整平后定出钢管桩打设位置及范围，并测量放样标记出钢管桩的起点、转折点、终点。

在一些优选的实施例中，利用打桩机和预冲孔气刀装置，在目标位置形成环形预冲孔9，包括以下步骤：

将导向围檩8放置在钢管桩打设位置处，并在固定其两头，以使导向围檩8的内部空间可以打设多个钢管桩；导向围檩8的使用可以保证钢管柱打设的整齐程度。

利用打桩机和预冲孔气刀装置向下打入土体，直至打至指定高程；

然后将预冲孔气刀装置拔出，以形成环形预冲孔9。

导向围檩8的内部空间为长方形，形成的环形预冲孔9的外径等于或小于两个长边之间的距离；长方形的长为环形预冲孔9外径的整数倍。参考图1所示的。

通过以上的说明，本发明所达到的有益效果是：

1、利用钢管桩作为基材，在其外侧设置输气管件2，并结合供气组件形成的预冲孔气刀装置，其制作成本较低，在同规格的钢管桩上可重复利用。且形成的环形预冲孔9与将要打设的钢管桩相匹配。

2、由于预冲孔气刀装置可以配合打桩机，向下冲孔，在正式打设钢管桩的位置上预先形成一个环形松软通道，即环形预冲孔9；在冲孔过程中，超高压压缩空气顺着输气管件2的气道从气嘴喷出，切割土体及土体中块石砾石等阻碍钢管桩下行的硬物，直至打设至设计指定高程后拔出。这一过程避免了硬物导致振动过大、块石卡管的问题，且贯入度也能增加。

3、本发明在施工时先利用预冲孔气刀装置形成具有竖向深度的环形预冲孔9，由于其不会受到硬土层或含砾、块石土层影响，其垂直度会有所保证；在后续利用打桩机打设钢管桩时，垂直度偏差可以保证在设计范围内，提高了钢管桩打设质量合格率，加快了工程进度。

4、该套装置就地取材，现场加工，制作简单，成本较低，既加快了施工进度，且在同规格的钢管桩上可重复利用，又保证了钢管桩打设质量合格率。

本工程在实际应用该装置后，获得如下统计数据：制作和维修该套装置3天，打设完145根钢管桩用时17天，其中8根位置由于靠近山体基岩，贯入度在94%~100%之间，其余全部100%，垂直度全部控制在1%以下。各方项数据均达到了项目团队预期及施工要求。

下面给出一个实际的应用案例进行说明施工的步骤：

新民桥闸站基坑南侧采用钢管桩垂直支护+放坡开挖的支护方式，钢管桩采用Φ920*16，材质Q355B。根据现场实际情况，采用700型液压锤打设。西侧建筑物距离钢管桩最近距离约25米，该段部位钢管桩打设时先进行引孔，再用液压锤静压压入，施工时加强监测。

施工工艺流程：

清理杂物→放样定位→导向围檩制作→导向桩打设→钢管桩打设→导向围檩移位，重复打设。

1、准备工作

1.1、对土体进行清理，挖出可能影响施工的混凝土块、碎石等。

1.2、对钢管桩逐一检查，不采用材料不合格、结构变形严重、桩体结构严重受损的钢管桩。

1.3、液压锤检查：液压锤是打拔钢板桩的关键设备，在打拔前一定要进行专门检查，确保线路畅通，功能正常。

2、测量放样—放样定位

2.1、根据业主提供的测量控制点数据，利用GPS配合全站仪放样，在现场定出钢管桩打设位置及范围，分别测量放样好钢管桩的起点、转折点、终点等特征点位，用彩旗做好标记并固定好。

2.2、导向围檩8制作

按12米一个区块，采用32号槽钢制作导向围檩，宽度1.10m，长度12米。

3、导向桩、钢管桩打设

在放样的桩位处安装固定好导向围檩8，即分别在两头打设一根导向桩固定导向围檩8，在导向围檩8内利用打桩机和预冲孔气刀装置向下打入土体，直至打至指定高程；然后将预冲孔气刀装置拔出，以形成所述环形预冲孔9；然后利用打桩机在环形预冲孔9内打设钢管桩。一个区块12米打设完后再移至下一区位打设。可以参考图1所示的，进行说明导向围檩8的作用。图1所示的标记a为钢管桩。

总体施工顺序：

根据现场察看情况，南侧钢管桩段长度约130m，决定采用从内河侧向（外河侧打设行进的施工作业方式。在平整好的3.70m平台，利用700型履带式液压打桩机进行打设，以12m为一施工段，打好后移至下一区段施工。

钢管桩打设的偏差标准。如下表。

钢管桩验收

钢管桩完成后，由建设单位、监理单位、施工单位联合对钢管桩进行专项验收，合格之后方能进行基坑其它的施工作业。

钢管桩拆除

在泵站及相邻部位达到3.0m高程后，开始钢管桩的拆除。

拔桩采用振动锤：利用振动锤产生的强迫振动，扰动土质，破坏钢管桩周围土的粘聚力以克服拔桩阻力，依靠附加起吊力的作用将桩拔除。

拔桩前与周边居民及相关单位沟通，听取各方意见，拔除时与监测同步进行，对基坑及周边建筑物进行沉降及位移观测，及时整理和对比数据，一旦发现超过预警值，立即停止施工。

钢管桩拔除前，在桩上安装辅助钢丝缆后再进行作业。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。