一种空间受限条件下水拔钢管桩的新装置及施工方法与流程

1.本发明涉及钢管桩施工技术领域。更具体地说，本发明涉及一种空间受限条件下水拔钢管桩的新装置及施工方法。


背景技术：

2.钢管桩常用于桥梁各类型支架中，由于支架位于桥梁正下方，桥梁上部结构施工完成后，钢管桩拆除时经常受到桥梁净空限制，存在拆除困难、施工效率低下等问题。此类拆除施工中，由于桥下净空小，大型机械设备无法得到利用，通常采用潜水员对河床以上外露部分钢管桩节段进行水下切割拆除的方法进行施工，而入土部分的钢管桩基础则无法拔出，浪费了大量的钢材，且对水体环境造成了污染。
3.为解决上述问题，需要提供一种空间受限条件下水拔钢管桩的新装置及施工方法，在保证施工效率的条件下能够将整根钢管桩全部拆除。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种空间受限条件下水拔钢管桩的新装置及施工方法，通过在钢管桩顶部安装封堵头，并使用注水装置向封堵头和钢管桩内部注水，利用千斤顶原理使钢管桩与土体做活塞运动，方便使用吊装设备在空间受限的条件下进行快速、分节拔桩，同时，通过连接机构保证了封堵头与钢管桩间连接的稳定性。
5.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，包括：
6.封堵头，其为底部开口的中空结构，所述封堵头设置在钢管桩的顶部并配合封闭钢管桩的顶部开口，所述封堵头的顶部间隔设有与外部连通的进水口和排气口；
7.法兰，其沿所述封堵头的周向固定在其底部外侧壁上；
8.连接机构，其设置在所述封堵头与钢管桩之间，所述法兰与钢管桩的顶部外侧壁通过所述连接机构可拆卸连接；
9.注水装置，其设置在所述封堵头的顶部外侧，所述注水装置包括进水管，其一端通过所述进水口与所述封堵头的内部连通，另一端通过水泵与外部水源连通；排气阀，其通过所述排气口与所述封堵头的内部连通；压力表，其设置为用于检测所述封堵头的内部水压。
10.优选的是，所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，所述封堵头包括圆台，其为上宽下窄的中空结构，其底部开口直径等于钢管桩的顶部开口直径；密封板，其设置在所述圆台的顶部并封闭其顶部开口；吊耳，其设置在所述密封板的顶面中部。
11.优选的是，所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，所述封堵头还包括加劲板，其包括多个立板，其交错设置在所述密封板的顶部呈井字形结构，所述吊耳固定在中部相邻的两个立板之间并与其固定连接。
12.优选的是，所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，当钢管桩的顶部设有连接法兰时，所述法兰与所述连接法兰抵接，所述法兰上设有多个穿孔，其与所述连接法兰上的
多个连接孔一一对应；
13.所述连接机构包括垫片，其设置在所述法兰与所述连接法兰的接触面之间；多个螺栓，其沿所述法兰的周向间隔设置并与所述多个穿孔一一对应，任一螺栓固定连接对应的穿孔、对应的连接孔与所述垫片。
14.优选的是，所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，当钢管桩的顶部不设有连接法兰时，所述连接机构包括多个压紧机构，其沿所述法兰的周向间隔固定在其底部，任一压紧机构包括气缸，其固定在所述法兰的底面上且顶推杆竖直向下设置；第一铰接座，其位于所述顶推杆的内侧并固定在所述气缸上；压紧杆，其一端与所述气缸的顶推端铰接，所述压紧杆上设有第二铰接座；铰接杆，其一端与所述第一铰接座铰接，另一端与所述第二铰接座铰接；
15.其中，当所述气缸的顶推杆向下运动一定距离时，所述压紧杆的自由端转动至与钢管桩的外侧壁抵接并压紧。
16.优选的是，所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，所述连接机构还包括套筒，其上部内套在所述封堵头的底部内侧壁上并与其固定连接，所述套筒的下部竖直向下延伸并与钢管桩的顶部内侧壁配合套接。
17.优选的是，所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，还包括多个加强肋，其沿所述法兰的周向间隔设置，任一加强肋固定连接所述法兰的顶面与所述封堵头的外侧壁。
18.本发明还提供了一种空间受限条件下水拔钢管桩的新装置的施工方法，包括：
19.s1、拆除钢管桩上部结构，使设置在钢管桩外侧壁上的连接法兰位于钢管桩的顶部开口处，并拼装封堵头、法兰和注水装置；
20.s2、使用吊装设备将所述封堵头、法兰和注水装置作为整体吊装至钢管桩的顶部，使所述封堵头的底部配合封闭钢管桩的顶部开口；
21.s3、通过连接机构将所述法兰与钢管桩的顶部侧壁固定连接；
22.s4、打开水泵和排气阀，向所述封堵头与钢管桩形成的密闭空间内注水，待所述密闭空间内的气体全部排出后，关闭所述排气阀，继续通过进水管向所述密闭空间内注水；
23.s5、使用压力表持续检测所述密闭空间内的水压，当检测值达到设定的阈值时，停止注水并使用吊装设备将所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置与钢管桩作为整体向上拔出一段距离；
24.s6、将拔出的钢管桩节段从钢管桩上拆下，使用吊装设备将所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置与拔出的钢管桩节段吊离桥尾，然后拆除所述连接机构，使所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置与拔出的钢管桩节段分离；
25.s7、重复s2-s6的步骤，对钢管桩的下一节段进行施工，直至当前钢管桩的全部节段拆除完成。
26.优选的是，所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置的施工方法，s3中，当钢管桩的顶部设有连接法兰时，所述连接法兰位于钢管桩的顶部开口处且与所述法兰配合抵接，在所述连接法兰与所述法兰间设置垫片，然后通过多个螺栓将所述法兰与所述连接法兰固定连接；
27.当钢管桩的顶部不设有连接法兰时，在所述封堵头的底部内侧壁上安装套筒，并在所述法兰的底部安装多个压紧机构，然后驱动气缸的顶推杆竖直向下顶推，直至压紧杆
的自由端与钢管桩的外侧壁配合压紧。
28.优选的是，所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置的施工方法，s4中，在正式注水前先验证所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置的气密性，包括：打开所述水泵，关闭所述排气阀，通过所述进水管向所述密闭空间内注入一定量的水，通过压力表检测所述密闭空间内的水压是否处于设定的范围内。
29.本发明至少包括以下有益效果：
30.本发明可用于在空间受限的条件下进行整根钢管桩的拆除施工，通过在钢管桩顶部安装封堵头，并使用注水装置向封堵头和钢管桩形成的密闭空间内注水，利用千斤顶原理使钢管桩与土体做活塞运动，利用水压给封堵头提供向上的力，从而辅助吊装设备轻松、快速的拔除钢管桩，解决了空间受限条件下，大型设备无法使用的问题，有利于钢管桩拆除施工的快速、顺利进行；同时，在钢管桩分节拆除施工中，空间受限条件下水拔钢管桩的新装置可循环利用，节约了大量材料，操作简便，实用性强，适用范围广。
31.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
32.图1为本发明一个实施例的一种空间受限条件下水拔钢管桩的新装置在钢管桩顶部设有连接法兰时的施工结构示意图；
33.图2为上述实施例中所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置在钢管桩顶部不设有连接法兰时的施工结构示意图；
34.图3为上述实施例中所述吊耳与所述加劲板的连接结构示意图；
35.图4为上述实施例中所述套筒的结构示意图。
36.附图标记说明：
37.1、钢管桩；2、封堵头；3、排气阀；4、进水管；5、压力表；6、加劲板；7、法兰；8、垫片；9、螺栓；10、吊耳；11、水泵；12、套筒；13、压紧机构。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
39.需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
40.如图1-4所示，本发明提供一种空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，包括：
41.封堵头2，其为底部开口的中空结构，所述封堵头2设置在钢管桩1的顶部并配合封闭钢管桩1的顶部开口，所述封堵头2的顶部间隔设有与外部连通的进水口和排气口；
42.法兰7，其沿所述封堵头2的周向固定在其底部外侧壁上；
43.连接机构，其设置在所述封堵头2与钢管桩1之间，所述法兰7与钢管桩1的顶部外侧壁通过所述连接机构可拆卸连接；
44.注水装置，其设置在所述封堵头2的顶部外侧，所述注水装置包括进水管4，其一端通过所述进水口与所述封堵头2的内部连通，另一端通过水泵11与外部水源连通；排气阀3，其通过所述排气口与所述封堵头2的内部连通；压力表5，其设置为用于检测所述封堵头2的内部水压。
45.上述技术方案中，由于受到空间高度的限制，不能使用大型机械设备，且钢管桩1的单次提升高度不能过高，因此，钢管桩1需采用分节拆卸施工的方法。为方便拆卸施工，在钢管桩1打入时，同一钢管桩的上部节段(如河床以上/水面以上部分的钢管桩节段)均可采用法兰7连接，即在钢管桩节段之间设置有连接法兰，相邻的钢管桩节段的连接法兰间可通过螺栓锁紧连接，而同一钢管桩的下部节段(如河床以下/水面以下部分的钢管桩节段)不便分节段安装，只能整节打入河床以下，该部分的钢管桩节段上不设有连接法兰。封堵头2安装在钢管桩1顶部并封闭钢管桩1的顶部开口，封堵头2与钢管桩1间形成一密闭空间，该密闭空间通过排气阀3和进水口与外界相连，进水口与进水管4相通，可通过设置在外部的水泵11从外部水源往密闭空间内注水，注水过程中可通过开启排气阀3将密闭空间内部的空气排出，待密闭空间内的空气完全排出后关闭排气阀3，并持续向密闭空间内注水，使密闭空间内部水压逐渐升高，水压对密闭空间底部土体存在反向作用力，当密闭空间内水压达到一定值时，即可利用千斤顶原理使钢管桩1与下部土体做活塞运动，此时，再通过吊装设备从上方提升封堵头2，即可轻松的配合土体反压将整体钢管桩从水下拔起，向密闭空间内注水形成的水压作为辅助为钢管桩的提升提供了起拔力，方便使用吊装设备在空间受限的条件下快速将钢管桩拔起一定的距离。然后，将拔起的钢管桩节段先从整体钢管桩上拆除，并吊离施工现场，再将所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置从钢管桩节段上拆下，并重新移动至未拆除完成的钢管桩处，重复进行拔桩施工，即可实现钢管桩的分节拆除。同时，在拔桩过程中，通过连接机构保证了封堵头与钢管桩间连接的稳定性和密闭空间的密封性，保证注水时能够对下方土体产生足够且稳定的压力，以辅助拔桩，保证了施工效率和施工质量。
46.上述技术方案既解决了空间受限条件下，大型设备无法使用的问题，有利于钢管桩拆除施工的快速、顺利进行，且大大减少了钢管桩拆除施工中的人力投入；同时，在钢管桩分节拆除施工中，所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置可循环利用，节约了大量材料，操作简便，实用性强，适用范围广。
47.在另一技术方案中，所述的空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，所述封堵头2包括圆台，其为上宽下窄的中空结构，其底部开口直径等于钢管桩1的顶部开口直径；密封板，其设置在所述圆台的顶部并封闭其顶部开口；吊耳10，其设置在所述密封板的顶面中部。其中，封堵头2为上下贯通的圆台结构，其顶部通过密封板进行封闭，底部与钢管桩1的顶部开口配合连接，在安装时封堵头2与钢管桩1同轴设置，在对接时，封堵头2的底端与钢管桩1的顶端重合且相互抵接。此后，使用连接机构将法兰7与钢管桩1的顶部外侧壁固定连接，即可完成所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置与钢管桩1的连接。圆台设置为上宽下窄的结构，方便对封堵头2内部空间进行注水，吊耳10设置在密封板的顶面中部，便于从上方整体竖直起吊所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置与钢管桩1。
48.在另一技术方案中，所述的空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，所述封堵头2还包括加劲板6，其包括多个立板，其交错设置在所述密封板的顶部呈井字形结构，所述吊耳10固定在中部相邻的两个立板之间并与其固定连接。具体的，交错设置的多个立板相互固定连接，在密封板的顶部形成多个方槽，吊耳10设置在密封板正中间的方槽内，吊耳10的底部固定在密封板上，两侧固定在与其相邻的立板的侧壁上，从而，在使用吊装设备起吊时，吊耳10通过加劲板6将作用力平均的分配至密封板的表面，同时，加劲板6的设置加强了吊耳与封堵头上其他结构的连接强度，使吊装更加稳定。
49.在另一技术方案中，所述的空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，当钢管桩1的顶部设有连接法兰时，所述法兰7与所述连接法兰抵接，所述法兰7上设有多个穿孔，其与所述连接法兰上的多个连接孔一一对应；
50.所述连接机构包括垫片8，其设置在所述法兰7与所述连接法兰的接触面之间；多个螺栓9，其沿所述法兰7的周向间隔设置并与所述多个穿孔一一对应，任一螺栓9固定连接对应的穿孔、对应的连接孔与所述垫片8。
51.上述技术方案中，由于钢管桩1为分节拆除，部分钢管桩节段的顶部在安装时即设有连接法兰，其外套在钢管桩节段的外侧壁上。为便于连接机构连接，所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置的法兰7上与连接法兰对应设有多个穿孔，若当前施工的钢管桩节段顶部设有连接法兰，在施工时，连接机构可直接采用螺栓9固定连接法兰与连接法兰上对应的穿孔与连接孔的方式将封堵头2与钢管桩1连接在一起。另外，在法兰7与连接法兰间设有垫片8，其为形状与法兰7匹配的环形结构，所述垫片8为防水密封橡胶垫片，用于在法兰7和连接法兰连接后，保证封堵头与钢管桩间连接的密封性，便于后续注水施工的顺利进行。
52.在另一技术方案中，所述的空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，当钢管桩1的顶部不设有连接法兰时，所述连接机构包括多个压紧机构13，其沿所述法兰7的周向间隔固定在其底部，任一压紧机构13包括气缸，其固定在所述法兰7的底面上且顶推杆竖直向下设置；第一铰接座，其位于所述顶推杆的内侧并固定在所述气缸上；压紧杆，其一端与所述气缸的顶推端铰接，所述压紧杆上设有第二铰接座；铰接杆，其一端与所述第一铰接座铰接，另一端与所述第二铰接座铰接；
53.其中，当所述气缸的顶推杆向下运动一定距离时，所述压紧杆的自由端转动至与钢管桩1的外侧壁抵接并压紧。
54.上述技术方案中，由于钢管桩1为分节拆除，部分钢管桩节段的顶部在安装时不设有连接法兰，若直接采用螺栓连接法兰与钢管桩1外侧壁，需额外在钢管桩顶部安装临时支架，以与法兰7进行对接，上述方法操作繁琐，且加大了施工量，每次拆除钢管桩节段时均需重新安装，不利于钢管桩拆除施工的连续进行。因此，在这种情况下，采用压紧机构13配合压紧钢管桩1外侧壁的方式对封堵头2与钢管桩1进行连接，即在法兰7底部间隔安装多个压紧机构13，当封堵头2与钢管桩1初步对接完成后，控制压紧机构13中的气缸竖直向下顶推，顶推杆带动压紧杆的一端向下运动，由于受到第一铰接座与铰接杆的限制，第一铰接座固定在气缸的固定结构上，压紧杆上设有第二铰接座的点绕第一铰接座转动，当顶推杆向下移动时，压紧杆在铰接杆的限制下向钢管桩1一侧逆时针转动，压紧杆的自由端为楔形结构，当其转动至与钢管桩1的外侧壁抵接时，压紧杆与钢管桩1的连接面贴合抵接。同时，控制压紧杆在初始状态下与钢管桩的间距，使压紧杆与钢管桩抵接时，压紧杆与顶推杆间呈
钝角，从而，保证顶推杆顶推时能够通过压紧杆对钢管桩外侧壁施加足够的压紧力，保证封堵头与钢管桩间的连接可靠。另外，上述连接机构可通过外部设备控制气缸的运动，施工人员不必移动至封堵头与钢管桩的连接处，手动使用连接机构固定法兰与钢管桩的外侧壁，只需要控制气缸的顶推杆的位移即可实现对连接机构的连接状态的切换，降低了施工难度和安全风险，进一步提高了施工效率。
55.在另一技术方案中，所述的空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，所述连接机构还包括套筒12，其上部内套在所述封堵头2的底部内侧壁上并与其固定连接，所述套筒12的下部竖直向下延伸并与钢管桩1的顶部内侧壁配合套接。上述技术方案中，与多个压紧机构13相对应，在封堵头2与钢管桩1连接处的内侧设置套筒12，其配合内套在封堵头2的底部内侧壁和钢管桩1的顶部内侧壁上，封堵头2的下部开口与钢管桩1的上部开口直径相同，套筒12上部固定在封堵头2的内侧壁，在封堵头2整体下放与钢管桩1对接时，套筒12的下部插入钢管桩1内，且套筒12的下部外侧壁与钢管桩1的顶部内侧壁配合抵接，一方面，套筒的下部对封堵头与钢管桩的下放对接产生限位作用，另一方面，套筒与封堵头、钢管桩连接的接触面上可设置凹槽，凹槽内配合设有遇水膨胀条，从而，遇水膨胀条的柔性结构能够充分填充封堵头与钢管桩间的连接间隙，且当密闭空间内注水后，水分渗入遇水膨胀条处，其遇水膨胀，进一步填充连接间隙，加强了密封空间的密封性，并与外侧的压紧机构配合，提高了封堵头与钢管桩的连接稳定性。
56.在另一技术方案中，所述的空间受限条件下水拔钢管桩的新装置，还包括多个加强肋，其沿所述法兰7的周向间隔设置，任一加强肋固定连接所述法兰7的顶面与所述封堵头2的外侧壁。从而，保证了法兰7与封堵头2的连接强度，当法兰7通过连接机构与钢管桩1连接时，提高法兰自身的连接强度，避免受到下方较大作用力时法兰发生变形、歪斜等问题。
57.本发明还提供了一种空间受限条件下水拔钢管桩的新装置的施工方法，包括：
58.s1、拆除钢管桩1上部结构，使设置在钢管桩1外侧壁上的连接法兰位于钢管桩1的顶部开口处，并拼装封堵头2、法兰7和注水装置；
59.其中，拆除钢管桩上部结构后，若钢管桩内部填充有土体，则先清除内部土体，为后续注水加压施工留出空间；
60.s2、使用吊装设备将所述封堵头2、法兰7和注水装置作为整体吊装至钢管桩1的顶部，使所述封堵头2的底部配合封闭钢管桩1的顶部开口；
61.其中，吊装设备通过钢丝绳连接封堵头2顶部的吊耳10，实现所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置的整体吊装；
62.s3、通过连接机构将所述法兰7与钢管桩1的顶部侧壁固定连接；
63.s4、打开水泵11和排气阀3，向所述封堵头2与钢管桩1形成的密闭空间内注水，待所述密闭空间内的气体全部排出后，关闭所述排气阀3，继续通过进水管4向所述密闭空间内注水；
64.s5、使用压力表5持续检测所述密闭空间内的水压，当检测值达到设定的阈值时，停止注水并使用吊装设备将所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置与钢管桩1作为整体向上拔出一段距离；具体的，当密闭空间内水压对封堵头内顶面的作用力超过钢管桩的侧摩阻力和重力的合力时，即可认为检测值达到设定的阈值；
65.s6、将拔出的钢管桩节段从钢管桩1上拆下，使用吊装设备将所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置与拔出的钢管桩节段吊离桥尾，然后拆除所述连接机构，使所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置与拔出的钢管桩节段分离；
66.s7、重复s2-s6的步骤，对钢管桩1的下一节段进行施工，直至当前钢管桩1的全部节段拆除完成。
67.在另一技术方案中，所述的空间受限条件下水拔钢管桩的新装置的施工方法，s3中，当钢管桩1的顶部设有连接法兰时，所述连接法兰位于钢管桩1的顶部开口处且与所述法兰7配合抵接，在所述连接法兰与所述法兰7间设置垫片8，然后通过多个螺栓9将所述法兰7与所述连接法兰固定连接；
68.当钢管桩1的顶部不设有连接法兰时，在所述封堵头2的底部内侧壁上安装套筒12，并在所述法兰7的底部安装多个压紧机构13，然后驱动气缸的顶推杆竖直向下顶推，直至压紧杆的自由端与钢管桩1的外侧壁配合压紧。
69.其中，由于同一钢管桩1分节拆除施工，不同的钢管桩节段存在设有连接法兰和不设有连接法兰两种情况，对应的，连接机构也设有两种模式，在本实施例中，钢管桩1位于河床上方的节段上均设有连接法兰，钢管桩1位于河床下方的节段上不设有连接法兰，因此，在钢管桩1的初始节段(设有连接法兰的钢管桩节段)施工中，如图1所示，可直接采用螺栓9连接封堵头2上的法兰7与钢管桩1上的连接法兰，垫片8用于防水密封；在钢管桩1的后续节段(不设有连接法兰的钢管桩节段)施工中，如图2所示，需在法兰7底部设置压紧机构13，从外侧压紧钢管桩1，并在封堵头2内侧设置套筒12，用于此时的封堵头与钢管桩连接的防水密封。图2中的封堵头并未下放到位，完全下放后，封堵头的底部端面(法兰所在的平面)与钢管桩的顶部端面重合，套筒的上、下部连接处刚好卡设在封堵头与钢管桩的连接位置。所述连接机构的两种模式能够方便、快速的进行切换，并结合钢管桩上连接法兰的分布情况配合实现对整根钢管桩的全长度连续施工。
70.在另一技术方案中，所述的空间受限条件下水拔钢管桩的新装置的施工方法，s4中，在正式注水前先验证所述空间受限条件下水拔钢管桩的新装置的气密性，包括：打开所述水泵11，关闭所述排气阀3，通过所述进水管4向所述密闭空间内注入一定量的水，通过压力表5检测所述密闭空间内的水压是否处于设定的范围内。另外，在验证气密性时还可以观察所述封堵头2与钢管桩1的连接处、所述注水装置的各接口处是否出现渗漏，保证封堵头2与钢管桩1形成的密闭空间的密封性，提高注水加压的效果。
71.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。