18m挖機(jī)打樁機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

路 攀

（上海宏信設(shè)備工程有限公司，上海 201806）

1 拉森鋼板樁使用概況

拉森鋼板樁的英文名稱是Lassen Steel Sheet Pile或Lassen Steel Sheet Piling。1902年，德國工程師Tryggve Larssen在不來梅制作了世界上第一塊U型剖面鉚凸互鎖的鋼制板樁。1914年，兩邊都能連鎖的板樁問世，并一直被世界絕大多數(shù)板樁制造商沿用至今。每塊U型板樁兩邊的U型突出設(shè)計(jì)可以用來連鎖相鄰的板樁?；ユi結(jié)構(gòu)可以在板樁互鎖時(shí)形成一個(gè)水密結(jié)構(gòu)從而增加斑狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度［1］。

上海宏信設(shè)備工程有限公司（以下簡稱宏信設(shè)備）的拉森鋼板樁主要購置于日本新日鐵、JEF，規(guī)格齊全，有拉森樁-Ⅲ、拉森樁-Ⅳ、拉森樁-Ⅳw3種型號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)長度為6m、9m、12m、15m、18m。表1為宏信設(shè)備拉森鋼板樁截面性能。

表1 拉森鋼板樁截面性能

拉森鋼板樁的用途廣泛，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：工民建工程：含有地下室且需要進(jìn)行基坑支護(hù)的商業(yè)住宅、醫(yī)院、學(xué)校、工業(yè)廠房等建（構(gòu)）筑物；市政工程：地下管道、綜合管廊、地鐵等；水上工程：橋墩、河道整治（改遷）、船塢；其他：其他需要擋土擋水的基坑工程。

常用的拉森樁施工設(shè)備包括：

（1）履帶式挖機(jī)改造的打樁機(jī)：一般采用不同型號(hào)的挖機(jī)和振動(dòng)錘頭（機(jī)械手）改裝而成，適用于較軟地質(zhì)，是目前應(yīng)用最廣泛的打樁機(jī)，打拔速度快，操作靈活，適合6～18m長的鋼板樁打拔。

（2）履帶起重機(jī)加振動(dòng)錘：將履帶起重機(jī)和振動(dòng)錘組合使用，適用于較硬度地質(zhì)，可施工15m以上的長樁，但打拔速度慢，現(xiàn)場調(diào)整難度較大。

（3）靜壓打樁機(jī)（多為日本進(jìn)口）：該設(shè)備適用于各種地質(zhì)情況，鋼板樁施工長度不受限制，噪聲低，可連續(xù)作業(yè)，并且操作空間小，但打拔速度慢，成本較高。由于其具有低噪聲、無振動(dòng)的優(yōu)勢，我國正逐步開始引入該設(shè)備。

2 挖機(jī)打樁機(jī)工作原理

挖機(jī)打樁機(jī)利用錘頭高頻振動(dòng)，以高速度振動(dòng)樁身，將機(jī)械產(chǎn)生的垂直振動(dòng)傳給樁體，導(dǎo)致樁周圍的土體結(jié)構(gòu)因振動(dòng)發(fā)生變化，強(qiáng)度降低。樁身周圍土體液化，減少樁側(cè)與土體的摩擦阻力，然后以挖機(jī)下壓力、打樁機(jī)與樁身自重將樁沉入土中。拔樁時(shí)，在一邊振動(dòng)的情況下，以挖機(jī)上提力將樁拔起。挖機(jī)打樁機(jī)所需要的激振力根據(jù)場地土層、土質(zhì)、含水量及樁的種類、構(gòu)造而綜合確定。

板樁施工的順利進(jìn)行在很大程度上取決于施工機(jī)械的選擇。選擇機(jī)械時(shí)需考慮以下幾個(gè)條件：

（1）工程規(guī)模：要考慮打（拔）鋼板樁的數(shù)量、尺寸、形狀，尤其要考慮鋼板樁的重量與長度，往往這兩個(gè)因素是主要的。

（2）土質(zhì)情況：要同土質(zhì)情況結(jié)合，以利于鋼板樁的打入或拔出。

（3）作業(yè)能力：要符合工程進(jìn)度的要求。

（4）作業(yè)環(huán)境：選用的機(jī)械要滿足噪聲、振動(dòng)等公害控制要求，并結(jié)合現(xiàn)場條件如交通狀況、地形、腳手等情況。

綜合考慮上述條件，使選定的機(jī)械既經(jīng)濟(jì)、安全，又能確保施工效率。

3 工作裝置設(shè)計(jì)

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

18m挖機(jī)打樁機(jī)主要可滿足18m內(nèi)拉森（小咬口）鋼板樁；260～700mm 18m內(nèi)大咬口鋼板樁（槽鋼板樁）；600mm 18m內(nèi)H型鋼樁；200～400mm 18m內(nèi)方型木樁；200～400mm 18m內(nèi)混凝土樁；Φ600mm 18m內(nèi)以下鋼管樁施工作業(yè)。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用CAT349D2L挖掘機(jī)作為母體，通過拆除動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等工作裝置，加裝大臂、小臂、高頻液壓振動(dòng)錘頭設(shè)計(jì)完成。如圖1所示，其中大臂長13m，小臂長6m，錘頭甩臂2.5m，整機(jī)最大作業(yè)高度19.5m。履帶尺寸長5.07m，寬3.34m。臺(tái)灣產(chǎn)PCF450振動(dòng)錘頭最大激振力75T，外形尺寸為1.5m×0.98m×2.4m。

3.3 作業(yè)穩(wěn)定性計(jì)算

3.3.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

參照J(rèn)G5056-1995《液壓挖掘機(jī)穩(wěn)定性安全技術(shù)要求》，穩(wěn)定性要求如下

式中 K——穩(wěn)定性系數(shù)；

M1——穩(wěn)定力矩，kgm；

M2——傾翻力矩，kgm；

對(duì)液壓挖掘機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，并通過實(shí)測進(jìn)行驗(yàn)證，其計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足穩(wěn)定性系數(shù)K≥1的條件。某些特殊工作裝置不能滿足本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的穩(wěn)定性要求時(shí)，必須在使用說明書中對(duì)如何保證挖掘機(jī)穩(wěn)定性工作加以說明，如“挖掘半徑超過若干米，僅允許空斗［2］”。

由于本項(xiàng)目中的大臂、小臂、錘頭等裝置相比標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型前段工作裝置重量及工作半徑都有所增加，給整機(jī)的穩(wěn)定性帶來一定問題，設(shè)計(jì)時(shí)一般采用增加配重的方法。

穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)應(yīng)以整機(jī)最不利的工況進(jìn)行。本機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算工況為：工作裝置與履帶成90°；工作裝置伸長到最大工作半徑狀態(tài)。

如圖1所示，該狀態(tài)下的傾翻線為內(nèi)側(cè)履帶板中線。由于此時(shí)打樁機(jī)前段的工作裝置呈懸臂狀，因此工作時(shí)在其自重和外載荷作用下，會(huì)對(duì)底部履帶邊緣產(chǎn)生很大的傾覆力矩。這個(gè)力矩完全靠機(jī)身自重和配重所產(chǎn)生的力矩來平衡，因此主要計(jì)算此工況下的整機(jī)穩(wěn)定性。

圖1 整機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算示意圖

3.3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

穩(wěn)定性系數(shù)K為穩(wěn)定力矩（M1）與傾翻力矩（M2）的比值，表示挖掘機(jī)在某工況下不致傾覆的安全程度。

穩(wěn)定力矩M1包括液壓挖掘機(jī)所有部分質(zhì)量引起的力矩均作為穩(wěn)定力矩。

傾翻力矩M2為所有影響穩(wěn)定性的變化部分和運(yùn)動(dòng)部分均以最不利的尺寸和位置計(jì)算。式（1）中，GZ為主機(jī)重、配重、履帶板等重量，LZ為各重心到傾翻線的距離。式（2）中，Gi為大臂、斗缸油缸、小臂、鏟斗缸重量，Li為各重心到傾翻線的距離，Gn為頭部負(fù)載重量，Ln為頭部負(fù)載到傾翻線的距離?？紤]頭部負(fù)載運(yùn)動(dòng)的慣性，乘以動(dòng)載荷系數(shù)1.1。各部件重量、重心坐標(biāo)和距傾翻線距離清單如表2所示。

穩(wěn)定力矩

傾翻力矩

列公式M1≥M2

解得G增≥4533.01（kg）

圓整取增加配重5000kg，即本項(xiàng)目CAT-349D2L挖機(jī)至少要增加5000kg的配重才能滿足整機(jī)穩(wěn)定性要求。將增加配重5000kg代入K=M1/M2中，在不考慮動(dòng)載荷系數(shù)情況下K=1.06，滿足穩(wěn)定性要求。

表2 各部件重量、重心坐標(biāo)和距傾翻線距離清單

4 加工工藝

本項(xiàng)目中的大臂為細(xì)長類結(jié)構(gòu)件，為由多塊鋼板拼焊而成的框架狀結(jié)構(gòu)。焊后中心孔尺寸長13m，最寬處尺寸為910mm，機(jī)加工后質(zhì)量約為4000kg。由于是由材質(zhì)、規(guī)格不同的片件焊接而成，工件的焊縫多、焊接工作量大，使得焊接變形比較嚴(yán)重，焊接冷卻后，工件容易出現(xiàn)收縮和扭曲變形。

為了保證加工精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，理想的加工方案是：選用加工精度高的現(xiàn)代化機(jī)床，設(shè)計(jì)合理的專用機(jī)夾具和制定合理的工藝流程，盡可能在一次裝夾中完成所有的加工內(nèi)容。為了避免加工變形和振動(dòng)，各孔端面加工時(shí)，盡可能做到對(duì)稱面同時(shí)加工。因此超長臂加工工藝的重點(diǎn)是選用先進(jìn)的加工設(shè)備、設(shè)計(jì)合理的機(jī)夾具和制定合理的工藝流程［3］。

5 施工案例

某綜合管廊全長1.07km，分為標(biāo)準(zhǔn)段、出線井段等。其中標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度4.2～5.7m，采用Ⅳ型拉森鋼板樁支護(hù)。項(xiàng)目地質(zhì)土層由素填土、粉土、粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)粘土組成，地質(zhì)土層信息見表3。

表3 地質(zhì)土層信息表

根據(jù)本工程土層條件、開挖深度及周邊環(huán)境情況和經(jīng)濟(jì)性綜合分析，選用拉森鋼板樁支護(hù)方案。淺部0.5m采用坡率1∶1放坡，下部采用Ⅳ型鋼板樁支護(hù)，樁長12m，采用一道φ500×10鋼支撐，鋼圍檁采用2H488×300×11×18鋼圍檁?；又ёo(hù)方案如圖2所示。

圖2 拉森鋼板樁基坑支護(hù)示意圖

在結(jié)構(gòu)物深基礎(chǔ)施工過程中，拉森鋼板樁既能起到支撐作用、防滲水作用，而且可機(jī)械化操作，施工速度快，操作方便，能循環(huán)使用，因此被廣泛應(yīng)用于施工中［4，5］。

本施工案例中12m拉森Ⅳ型鋼板樁采用挖機(jī)打樁機(jī)施工，形成一道鋼板墻的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。拉森鋼板樁施工順序如下：鋼板樁檢驗(yàn)→板樁定位放線→挖除地面以下的石塊等障礙物→引孔機(jī)引孔→鋼板樁插入和預(yù)打→沉打鋼板樁→開挖至圍檁位置→設(shè)置圍檁→土方開挖、結(jié)構(gòu)施工→管廊施工→回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高→拔樁。

6 結(jié)束語

挖機(jī)打樁機(jī)具有良好的機(jī)動(dòng)性，且不受地形、障礙物限制，可進(jìn)入狹窄區(qū)域或跨區(qū)域施工。打樁與拔樁共用同一套設(shè)備，具有打拔轉(zhuǎn)換方便，操作容易等優(yōu)點(diǎn)，在市政、橋梁、圍堰、建筑地基、河道護(hù)堤、鐵路基坑支護(hù)、高架基坑支護(hù)或者橋墩基坑支護(hù)等工程中具有廣泛的應(yīng)用。本文以18m挖機(jī)打樁機(jī)為例介紹了工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了校核，以對(duì)不同的挖機(jī)打樁機(jī)改造及應(yīng)用提供指導(dǎo)。