一种管桩孔挖掘装置及其挖掘方法与流程

本发明涉及岩土工程，具体为一种管桩孔挖掘装置及其挖掘方法。

背景技术：

1、在基础工程领域，管桩是一种常见的地下支撑结构，广泛应用于桥梁、高速公路、建筑等项目。传统的管桩孔挖掘方法，如手工挖掘或机械挖掘，效率较低，挖掘质量也难以保证。此外，传统的机械挖掘方法一般是采用旋挖方式，其对桩孔内壁不断产生刮擦，桩孔内壁不平整，容易松动塌落，会造成后期桩孔的填埋和深度的不精确，并且浇筑后成型的管桩尺寸不均匀，容易造成应力集中点和缺陷点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种管桩孔挖掘装置及其挖掘方法，该管桩挖掘装置及方法提供了一种新的管桩孔挖掘装置和方法，其挖掘方向完全垂直于地面，在挖掘过程中不会对桩孔内壁产生挖掘力，因此挖掘的桩孔内壁光滑且不易塌落，后期灌注成型的管桩尺寸精确，外观平滑齐整，不容易出现应力集中点和缺陷点。

2、所述管桩孔挖掘装置包括主筒以及设置在主筒尾部用以驱动主筒转动的主动力机构；所述主筒内沿其直线方向并排设置有第一分筒和第二分筒；所述第一分筒底部转动连接有掘土机构；所述第二分筒内穿设有绞龙轴机构以向下输送掘土机构掘出的岩土；所述绞龙轴机构底部略微伸出第二分筒下端开放口，上部延伸至地表。

3、其中，所述掘土机构包括转盘、穿设在第一分筒内用以驱动转盘转动的分动轴以及分散布置在转盘底部的多个鸟啄动作装置，所述鸟啄动作装置实现插土、夹土和释放土的循环动作。

4、其中，所述鸟啄动作装置包括下端开放的缸体、固定在缸体下端处的孔板、活塞推体以及镊形夹板；所述活塞推体密封滑动套设在缸体内，与缸体围合出液腔；所述液腔内填充有水；所述液腔内设置有电极对，一外部电路通过电极对放电形成液电效应推动活塞推体向下移动；所述活塞推体与孔板之间连接有第一回复弹簧以使活塞推体在冲击结束后回复初始位置；所述镊形夹板包括第一弧面板和第二弧面板；所述第一弧面板和第二弧面板上端弯曲并相互铰接，铰接处设置有扭簧以提供外扩的回复力；所述第一弧面板和第二弧面板下部从孔板的通孔中穿出；所述第一弧面板和第二弧面板的铰接处同时与活塞推体铰接；所述第一弧面板和第二弧面板上部向外弯曲凸出使其在竖直方向上也为弧面；所述活塞推体下端对应镊形夹板上部设置有碗形凹部。

5、其中，所述镊形夹板围合的内部，位于中部位置设置有一圆柱形弹性推块；所述弹性推块通过多根第二回复弹簧与镊形夹板顶部连接。

6、其中，所述第一弧面板和第二弧面板向外弯曲凸出的上部与下部之间圆滑过渡；所述孔板的通孔上端圆周做倒角设置。

7、其中，所述绞龙轴机构包括绞龙轴以及螺旋缠绕在绞龙轴外圆周的绞龙叶片；所述绞龙叶片外缘沿其长度方向设置有挡条，同时所述绞龙叶片上表面设置有凹凸结构以避免岩土滑落。

8、其中，所述转盘和第二分筒的直径均略小于主筒直径的一半；所述绞龙轴底部与常态下的镊形夹板底部大致齐平。

9、其中，所述转盘上设置有超声波震动机构，以震动被啄出的岩土掉落。

10、其中，所述转盘与绞龙轴机构的转动方向相反。

11、一种管桩孔挖掘方法，采用所述的管桩孔挖掘装置，包括以下步骤：

12、①管桩孔挖掘过程中，主动力机构驱动主筒整体转动；与此同时分动轴驱动转盘转动，绞龙叶片也同时转动；

13、②控制外部电路通过电极对放电，高压强电场通过液体，巨大的能量瞬间释放于放电通道内，放电电流加热通道周围液体，使液体汽化并迅速向外膨胀，迅速膨胀的气腔外沿在水介质中产生强大的冲击波；控制放电电流和放电时间以调节和控制冲击波的大小；冲击波向下推动活塞推体压缩第一回复弹簧向下移动，活塞推体推动镊形夹板向下移动，第一弧面板和第二弧面板下移过程中插入岩土中，在第一弧面板和第二弧面板下移到其向外弯曲凸出的上部时，由于孔板的孔径限制，第一弧面板和第二弧面板被相对挤压接近，从而绕顶部铰接点夹合，使被挖掘的土断入镊形夹板内；在第一弧面板和第二弧面板插入岩土的过程中，岩土进入镊形夹板内并最终向上挤压弹性推块使其压缩第二回复弹簧上升；开始挤压弹性推块的时间点刚好是第一弧面板和第二弧面板开始夹合的时候；

14、③当冲击波释放完毕后，活塞推体在第一回复弹簧的回复力以及负压的共同作用下上升回复至初始位置，同时拉动镊形夹板上升；镊形夹板上升过程中，在弹性推块和扭簧的回复力作用，第一弧面板和第二弧面板相对远离张开，被镊形夹板包夹的岩土被松开，同时在第二回复弹簧的回复力作用下弹性推块向下移动，向下推动被松开的岩土，再加上超声波震动机构产生的震动，被啄出的岩土掉落；

15、④随着转盘不断转动以及主筒的不断转动，各鸟啄动作装置能够覆盖整个桩孔范围进行反复的啄土动作，同时绞龙轴机构随着主筒的不断转动也能够循环覆盖整个桩孔范围将被啄出并掉落的岩土排出地表。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1.本发明挖掘方向完全垂直于地面，在挖掘过程中不会对桩孔内壁产生挖掘力，因此挖掘的桩孔内壁光滑且不易塌落，后期灌注成型的管桩尺寸精确，外观平滑齐整，不容易出现应力集中点和缺陷点。

18、2.本发明设计了鸟啄动作装置，并通过转盘的转动，主筒的转动以及绞龙轴机构的动作，实现了鸟啄动作装置和绞龙轴机构阵列的多重公转，从而在一个管桩孔的区域内实现了全覆盖的交替且连续的掘进松土以及排土作业。

19、3、本发明的鸟啄动作装置的设计通过实现插土、夹土和释放土的循环动作，模拟鸟类啄食的动作，可以快速挖掘土壤，从而提高挖掘效率，并且通过更换故障和受损的鸟啄动作装置的方法可以有效保持挖掘装置的使用寿命，减少维修成本；同时在转盘不断转动的过程中覆盖整个桩孔范围，使得挖掘过程更加连续、高效，这大大提高了管桩孔挖掘的效率，节省了工程时间成本；同时还能优化挖掘质量：鸟啄动作装置采用液电效应产生冲击波，可以调节和控制冲击波的大小，实现对掘土机构的精确控制，这样可以避免传统挖掘方法中可能出现的管桩孔壁破损问题，提高施工质量，结合超声波震动机构产生的震动，可以有效地使被啄出的岩土掉落，减少堵塞和滑落带来的问题，同时还能适应不同地质条件：由于鸟啄动作装置具有调节和控制冲击波大小的能力，因此可以根据不同地质条件进行调整，使挖掘装置在多种地质环境中都能保持良好的挖掘性能；并且还能减少对周围环境的影响：相较于传统挖掘方法，鸟啄动作装置的作用范围较小，并且是分散进行的，是通过多重公转实现在不同的时间作用不同位置的岩土，同一时间作用的区域小，相当于均匀和分散了挖掘过程，因此在挖掘过程中产生的噪音和振动较小，从而降低了对周围环境和建筑物的影响。

20、4、本发明的绞龙轴机构的设计与掘土机构配合，能够在设计尺寸较小的情况下，完整的将桩孔范围内的岩土输送并排出地表，加速了岩土的排出过程，提高了整体施工速度；转盘与绞龙轴机构的转动方向相反，有助于提高挖掘和排土的效率，进一步提高整体施工速度。

21、5、本发明设置的拍击紧实机构能够巧妙的利用鸟啄动作装置的啄取动作产生的反作用力，实现对管桩孔内壁的拍击紧实动作的联动，并利用主筒的不断旋转以及鸟啄动作装置不断啄取动作实现对管桩孔内壁全范围的拍击动作，该结构既不妨碍管桩挖掘装置的挖掘工作，也不影响挖掘装置的整体结构强度和性能，又能高效回收利用啄取动作的能量，同时还能对管桩孔内壁实现加固紧实，避免塌落。