一种桩基智能灌注装置及施工方法与流程

本发明属于桥梁施工技术领域，具体是一种桩基智能灌注装置及施工方法。

背景技术：

近年来，随着国家公路、铁路的大力度投资建设，桥梁建设越来越多，钻孔灌注桩施工技术已被广泛应用到建筑工程施工领域。大量实践案例表明，钻孔灌注桩具有较高的安全性及较强的稳定性。但钻孔灌注桩在水下灌注混凝土需要较高的技术要求，对孔内泥浆质量、混凝土供应及作业人员素质要求较高，稍有不慎，将灌注导管拔出混凝土面将造成断桩、夹泥等质量问题，严重者需重新钻孔灌注。

现有钻孔灌注施工存在以下施工难点：

1.孔内充满泥浆，桩基内灌注混凝土情况不可视，只能通过测量孔内混凝土面及计算灌注混凝土方量来推测混凝土灌注情况，存在不可控的人为因素。

2.通过测量孔内混凝土面及计算灌注混凝土方量推测混凝土灌注面，以此确定灌注导管拔出高度，操作复杂，对作业人员经验、责任心、技术水平等综合素质要求较高；

3.灌注混凝土过程中要始终保持导管埋入混凝土中，并随着混凝土面上升而进行拔管，当操作失误发生灌注导管不慎拔出混凝土面的情况时，导管很难再次插入混凝土中，存在断桩、桩间夹泥等风险；

因此，研究一种桩基灌注过程中可随时掌握桩基孔内泥浆下混凝土灌注情况及减少人为操作失误造成桩基质量问题的桩基智能灌注装置及施工方法是必要的。

技术实现要素：

本发明为了解决桩基灌注时存在人为影响较大、不可控因素多、混凝土灌注只能通过测量及计算得到，结果不直观、灌注施工需要较高技术水平的作业人员方可胜任、桩基灌注质量受人为主观影响大等问题，提供一种桩基智能灌注装置及施工方法。

本发明采取以下技术方案：一种桩基智能灌注装置，包括安装在洞口的导管支撑及动力系统，导管支撑及动力系统上安装有可以沿其上下升降的灌注漏斗，灌注漏斗下端依次与若干节中间灌注导管、尾iii灌注导管、尾ii灌注导管以及尾i灌注导管连接，尾iii灌注导管、尾ii灌注导管以及尾i灌注导管上安装有若干套压力检测系统，导管支撑及动力系统以及压力检测系统分别与控制系统电连接。

进一步的，导管支撑及动力系统包括安装于桩基洞口的桩口支座环，桩口支座环上对称设置有2个底座，底座上安装有支架，支架顶部设置顶板，顶板两侧与底座之间设置顶板加劲肋，顶板中间与底座之间安装螺杆，螺杆顶部安装有螺杆驱动齿，螺杆驱动齿与电机及变速箱连接。

进一步的，灌注漏斗包括漏斗、支撑板、异型法兰i、支撑杆和螺纹套管，支撑板两端安装螺纹套管，螺纹套管套在螺杆上，支撑板中部安装漏斗，漏斗底部设置异型法兰i，异型法兰i与漏斗之间支撑有支撑杆。

进一步的，压力检测系统包括压力传感器、压力砣、密封套管和支撑块，压力传感器为压电式压力传感器，压力传感器固定在密封套管内，密封套管通过支撑块固定于导管外壁，压力砣两端为圆柱型，中间为锥体与圆柱体组合结构，压力砣两端的圆柱体分别置入密封套管内，并与压力传感器正面接触。

进一步的，中间灌注导管包括导管i，导管i两端安装异型法兰ii，两端的异型法兰ii之间支撑有导管支撑杆。

进一步的，尾iii灌注导管包括导管ii，导管ii上端安装异型法兰iii，导管ii下端安装法兰i。

进一步的，尾ii灌注导管包括导管iii，导管iii上端安装法兰ii，导管iii下端设置有内螺纹。

进一步的，尾i灌注导管包括导管iv，导管iv上端设置有外螺纹，导管iv下端为导管尖头。

进一步的，控制系统外部输入端分别与安装在尾i灌注导管、尾ii灌注导管及尾iii灌注导管外壁的压力检测系统相连，控制系统外部输出端与安装在顶板上部的电机及变速箱相连，控制系统内部输出端为显示屏与声光报警器、内部输入端为上升控制按纽、下降控制按纽、自动控制按纽、急停按纽以及启动按纽。

一种桩基智能灌注装置的施工方法，包括以下步骤，

s100～准备工作；桩基钻到设计标高，孔内泥浆不低于孔口50cm,桩基钢筋笼下放完毕，并进行清孔，清孔之后立刻安装导管支撑及动力系统，再按照常规方法下放尾i灌注导管，依次安装尾ii灌注导管和尾iii灌注导管，按照桩基长度安装中间灌注导管，最后一节中间灌注导管安装完后成保证尾i灌注导管离桩底不大于30cm，最后安装灌注漏斗，将灌注漏头的螺纹套管套入导管支撑及动力系统的螺杆中，再固定导管支撑及动力系统，最后将所有压力检测系统及导管支撑及动力系统的电动机及变速箱接入控制系统中。

s200～灌注首盘混凝土使混凝土面淹没尾i灌注导管。

s300～启动控制系统，控制系统控制电机及变速箱正-反交替旋转，控制灌注漏头交替上升-下降，上升-下降幅度设定为40～60cm。

s400～持续灌注混凝土，直至混凝土淹没尾ii灌注导管，开始淹没尾iii灌注导管时，控制系统检测到安装在尾iii灌注导管上的压力检测系统压力增大时，控制电机及变速箱停止正-反交替旋转，开始正向旋转，灌注漏头停止交替上升-下降，开始上升，进行拔管动作，灌注漏头上升至尾ii灌注导管完全拔离混凝土面，尾i灌注导管开始拔离开混凝土为止,既拔管至尾ii灌注导管最下面一个压力检测系统检测到泥浆及尾i灌注导管最上面一个压力检测系统还在混凝土内为止。

s500～当灌注漏头停止上升之后，固定中间灌注导管，再拆下灌注漏斗下的一节中间灌注导管，控制电机及变速箱反转，灌注漏斗下降，直至与下一节中间灌注导管相连为止，再用螺栓固定灌注漏头1与下一节中间灌注导管。

s600～重复步骤s300～s400～s500，直接最后一节中间灌注导管被拆下，此时灌注漏斗与尾iii灌注导管直接相连。

s700～关闭桩基智能灌注装置，继续灌注混凝土直至混凝土面比设计标高50cm，拆下桩基智能灌注装置，清洗干净，预备下一根桩基灌注。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

1.确保不会使最后一节灌注导管（本发明中的尾i灌注导管）完全离开混凝土面，杜绝了断桩、夹泥现象。

2.施工中不需频繁测量混凝土灌注面上升高度，不必计算导管提升高度，不必预估拆导管时间，系统自动报警提醒作业人员拆灌注导管，降低了人工操作失误风险。

3.从屏幕显示的压力情况可以直观得知桩内泥浆下导管埋入混凝土的情况，灌注混凝土施工过程更透明。

4.最后一节灌注导管（本发明中的尾i灌注导管）设计为尖头，灌注混凝土过程中整个灌注系统一直在交替上升-下降，操持了混凝土活性，降低了堵管的可能性。

附图说明

图1为桩基智能灌注设备结构图

图2为灌注漏斗结构图；

图3为中间灌注导管结构图；

图4为尾iii灌注导管结构图；

图5为尾ii灌注导管结构图；

图6为尾i灌注导管结构图；

图7为压力检测系统结构图；

图8为压力检测系统爆炸图；

图9为导管支撑及动力系统；

图10为控制系统结构图；

图中1-灌注漏斗、2-中间灌注导管、3-尾iii灌注导管、4-尾ii灌注导管、5-尾i灌注导管、6-压力检测系统、7-导管支撑及动力系统、8-控制系统、9-漏斗、10-支撑板、11a-异型法兰i、11b-异型法兰ii、12-支撑杆、13-螺纹套管、14a-导管i、14b-导管ii、14c-导管iii、14d-导管iv、15-导管支撑杆、16a-法兰i、16b-法兰ii、17-导管内螺纹、18-导管外螺纹、19-导管尖头、20-压力传感器、21-压力砣、22-密封套管、23-支撑块、24-桩口支座环、25-底座、26-支架、27顶板、28-顶板加劲肋、29-螺杆、30-螺杆驱动齿、31-电机及变速箱、32-控制面板及显示屏、33-上升控制按纽、34-下降控制按纽、35-自动控制按纽、36-急停按纽、37-启动按纽、38-声光报警器。

具体实施方式

如图1所示，一种桩基智能灌注装置，包括安装在洞口的导管支撑及动力系统7，导管支撑及动力系统7上安装有可以沿其上下升降的灌注漏斗1，灌注漏斗1下端依次与若干节中间灌注导管2、尾iii灌注导管3、尾ii灌注导管4以及尾i灌注导管5连接，尾iii灌注导管3、尾ii灌注导管4以及尾i灌注导管5上安装有若干套压力检测系统6，导管支撑及动力系统7以及压力检测系统6分别与控制系统8电连接。导管支撑及动力系统7安装在桩基灌注洞口，灌注漏斗1安装在导管支撑及动力系统7上，由导管支撑及动力系统7控制灌注漏斗1上升及下降，中间灌注导管2通过异形法兰与灌注漏斗1相连，中间灌注导管2数量由桩基深度及混凝土灌注情况确定，中间灌注导管2之间通过异形法兰连接，以下依次是尾iii灌注导管3、尾ii灌注导管4及尾i灌注导管5，中间灌注导管2、尾iii灌注导管3、尾ii灌注导管4及尾i灌注导管5长度一至，均为2～3m。

导管支撑及动力系统7包括安装于桩基洞口的桩口支座环24，桩口支座环24上对称设置有2个底座25，底座25上安装有支架26，支架26顶部设置顶板27，顶板27两侧与底座25之间设置顶板加劲肋28，顶板27中间与底座25之间安装螺杆29，螺杆29顶部安装有螺杆驱动齿30，螺杆驱动齿30与电机及变速箱31连接。

灌注漏斗1包括漏斗9、支撑板10、异型法兰i11a、支撑杆12和螺纹套管13，支撑板10两端安装螺纹套管13，螺纹套管13套在螺杆29上，支撑板10中部安装漏斗9，漏斗9底部设置异型法兰i11a，异型法兰i11a与漏斗9之间支撑有支撑杆12。

压力检测系统6包括压力传感器20、压力砣21、密封套管22和支撑块23，压力传感器20为压电式压力传感器，压力传感器20固定在密封套管22内，密封套管22通过支撑块23固定于导管外壁，压力砣21两端为圆柱型，中间为锥体与圆柱体组合结构，压力砣21两端的圆柱体分别置入密封套管22内，并与压力传感器20正面接触。压力传感器20的压力来源于压力砣21的正面压力，整个压力检测系统通过支撑块23固定于导管外壁。压力检测系统6布置在尾i灌注导管5、尾ii灌注导管4及尾iii灌注导管3外壁，与导管一起浸入泥浆及混凝土中。

中间灌注导管2包括导管i14a，导管i14a两端安装异型法兰ii11b，两端的异型法兰ii11b之间支撑有导管支撑杆15。中间灌注导管2的数量取决于桩基深度及混凝土灌注情况,在灌注混凝土过程中逐步减少,中间灌注导管2通过异型法兰ii11b与灌注漏斗1相连,中间灌注导管2两端的异型法兰ii11b之间通过4根导管支撑杆15相连,对中间灌注导管2进行加固,以抵抗灌注过程振动产生的横向力。

尾iii灌注导管3包括导管ii14b，导管ii14b上端安装异型法兰iii11c，导管ii14b下端安装法兰i16a。

尾ii灌注导管4包括导管iii14c，导管iii14c上端安装法兰ii16b，导管iii14c下端设置有内螺纹17。

(注:异型法兰ii11b、异型法兰iii11c相同，法兰i16a、ii16b相同)

尾i灌注导管5包括导管iv14d，导管iv14d上端设置有外螺纹18，导管iv14d下端为导管尖头19。

控制系统8外部输入端分别与安装在尾i灌注导管5、尾ii灌注导管4及尾iii灌注导管3外壁的压力检测系统6相连，控制系统8外部输出端与安装在顶板27上部的电机及变速箱31相连，控制系统8内部输出端为显示屏32与声光报警器38、内部输入端为上升控制按纽33、下降控制按纽34、自动控制按纽35、急停按纽36以及启动按纽37。

桩基智能灌注设备运行原理如下：

在整个导管系统上升或下降运动中，安装于尾i灌注导管5、尾ii灌注导管4及尾3灌注导管3外壁的若干压力检测系统6的压力砣21部件受到泥浆及混凝土阻力及粘力，在密封套管22内对压力传感器20产生压力，压力传感器20将压力转变为其他信号（压电式压力传感器转化为电信号）传至控制系统8中，由于泥浆与混凝土的容重、黏聚力不同，不同位置的压力砣21对压力传感器20的压力也不同，因此，传回控制系统的信号强度也不同，其中混凝土比泥浆容重、黏聚力大得多，因此，由各压力检测系统传回的信号强度可分辨出哪些压力检测系统6位于混凝土中，哪些压力检测系统6位于混凝土上的泥浆中，进而直接判断尾i灌注导管5、尾ii灌注导管4及尾iii灌注导管没入混凝土中的深度，再根据中间灌注导管的数量，即可判断混凝土的灌注深度。

控制系统6根据压力检测系统的数据，将所有压力检测系统6的压力值显示于控制系统6的显示屏32上，并控制电机及变速箱31运行，控制系统设定为当混凝土淹没尾iii灌注导管3时，电机及变速箱31带运螺杆旋转，带动灌注漏斗1上升，声光报警器38报警，提示取下一节中间灌注导管2，当混凝土只淹没尾i灌注导管5时，电机及变速箱31带运螺杆反向旋转，带动灌注漏斗1下降，使尾ii灌注导管4没入混凝土中，进一步保证混凝土始终淹没尾i灌注导管5，不至于使尾i灌注导管5拔出混凝土面而造成断桩夹泥，尾i灌注导管5端头设置于尖头，方便导管在混凝土中上下运动。

一种桩基智能灌注装置的施工方法，包括以下步骤。

s100～准备工作；桩基钻到设计标高，孔内泥浆不低于孔口50cm,桩基钢筋笼下放完毕，并进行清孔，清孔之后立刻安装导管支撑及动力系统，再按照常规方法下放尾i灌注导管5，依次安装尾ii灌注导管4和尾iii灌注导管3，按照桩基长度安装中间灌注导管2，最后一节中间灌注导管安装完后成保证尾i灌注导管5离桩底不大于30cm，最后安装灌注漏斗1，将灌注漏头1的螺纹套管套入导管支撑及动力系统7的螺杆29中，再固定导管支撑及动力系统，最后将所有压力检测系统6及导管支撑及动力系统7的电动机及变速箱31接入控制系统8中。

s200～灌注首盘混凝土使混凝土面淹没尾i灌注导管5。

s300～启动控制系统，控制系统控制电机及变速箱31正-反交替旋转，控制灌注漏头1交替上升-下降，上升-下降幅度设定为40～60cm。

s400～持续灌注混凝土，直至混凝土淹没尾ii灌注导管，开始淹没尾iii灌注导管时，控制系统8检测到安装在尾iii灌注导管3上的压力检测系统6压力增大时，控制电机及变速箱31停止正-反交替旋转，开始正向旋转，灌注漏头1停止交替上升-下降，开始上升，进行拔管动作，灌注漏头上升至尾ii灌注导管拔离混凝土面，尾i灌注导管开始拔离开混凝土为止,既拔管至尾ii灌注导管最下面一个压力检测系统检测到泥浆及尾i灌注导管最上面一个压力检测系统还在混凝土内为止。

s500～当灌注漏头1停止上升之后，固定中间灌注导管2，再拆下灌注漏斗1下的一节中间灌注导管2，控制电机及变速箱31反转，灌注漏斗1下降，直至与下一节中间灌注导管2相连为止，再用螺栓固定灌注漏头1与下一节中间灌注导管2。

s600～重复步骤s300～s400～s500，直接最后一节中间灌注导管2被拆下，此时灌注漏斗1与尾iii灌注导管3直接相连。

s700～关闭桩基智能灌注装置，继续灌注混凝土直至混凝土面比设计标高50cm，拆下桩基智能灌注装置，清洗干净，预备下一根桩基灌注。

桩基智能灌注设备及施工方法应用实例：

桩基智能灌注设备应用于成昆铁路大渡河特大桥陆上桩基中混凝土灌注施工中，成昆铁路大渡河特大桥陆上桩基0#、1#墩下共36根桩基均使用桩基智能灌注设备施工完成，工后经检测，均达i类桩。

相比于传统灌注方法，本发明有益效果如下：

1.确保不会使最后一节灌注导管（本发明中的尾1灌注导管）完全离开混凝土面，杜绝了断桩、夹泥现象。

2.施工中不需频繁测量混凝土灌注面上升高度，不必计算导管提升高度，不必预估拆导管时间，系统自动报警提醒作业人员拆灌注导管，降低了人工操作失误风险。

3.从屏幕显示的压力情况可以直观得知桩内泥浆下导管埋入混凝土的情况，灌注混凝土施工过程更透明。

4.最后一节灌注导管（本发明中的尾1灌注导管）设计为尖头，灌注混凝土过程中整个灌注系统一直在交替上升-下降，操持了混凝土活性，降低了堵管的可能性。