【摘 要】 在分析传统障碍桩清除施工方法局限性的基础上，提出障碍桩清除设备的 6 项功能需求，并对拔桩设备机架、动力、套管、导向、切削和监控 6 大系统进行了模块化设计。通过数值模拟的方法，分析了钢套管受扭压时不开孔、开方形孔、开椭圆形孔 3 种方案的应力和变形，基于分析结果对钢套管进行了优化设计。
【关键词】 低碳; 超深障碍桩; 清除; 设备
随着地下空间的进一步开发，拔桩清障施工的难度也越来越大。虽然目前使用较多也是较先进的全回转 CD 机拔桩技术在清除超深桩以及环境影响方面已经达到工程界的一般需求，但该技术日渐暴露出施工效率低、清障不彻底、能耗高等局限性［1］。因此，目前工程建设迫切需要一种效率较高、质量可靠、灵活机动、绿色低碳、能够应对各种复杂情况的新型拔桩清障施工设备。
1、设备模块化设计与研制
通过对传统障碍桩清除施工方法优缺点的分析，提出障碍桩清除设备的以下功能需求: 拔桩的完整性; 广泛的适用性; 对周边环境的微扰动; 对斜桩的一次性拔除; 施工效率高; 低碳环保。
根据设备的需求分析，基于现有机械设备模块化制造及应用情况，拟研制设备可以分为机架、动力、套管、导向、切削和监控6 大系统模块，通过各模块之间协同配合实现整体功能，拔桩设备整机概念示意图如图 1 所示。
1． 1、机架系统模块
为满足机架系统的功能需求，结合对当前工程领域施工机械的调研比选，通过对常规的履带吊改造，形成拔桩设备的主机。履带吊自身已具备走行、起吊功能，同时，可用作其它系统安装并协同工作的平台。
图1 拔桩设备整机概念示意图
主机需要提供足够的起重能力及液压源。其中，额定起重能力应能满足克服吊臂高度范围的起重量、悬挂导杆重量、悬挂动力头及钢套管重量，以及钢套管在土体内产生的摩阻力等，通过选择合适功率和机型的履带吊实现。液压源的设置通过对常规履带吊增设 2 个液压分流阀及回流阀实现，可供调节装置及导杆支承油缸使用。
1． 2、动力系统模块
动力系统模块主要包括电驱动力头，需要为套管系统提供强劲旋转动力来源。作为动力系统模块中的主要部件，本套设备的动力头采用电力驱动，需提供足够强劲的扭矩，为套管系统提供强劲旋转动力。
该电驱动力头，通过多节减速，可将旋转速度降低至8r / min 或 16r / min，产生扭矩达到 60t·m; 同时设置有旋转水龙头，保证在 5MPa 的起雾喷射压力下不产生漏水、漏气。
1． 3、套管系统模块
套管系统模块是整台设备中的核心系统，包括内、外双重钢套管、高压气雾喷射器。施工中，先通过比拟拔桩基桩径大几倍且包含内部水幕切割减阻的外钢套管下沉压入，起到浅部清渣、精确定位桩头以及支撑护壁的作用，待旧桩准确定位后，通过旋转动力装置推动内钢套管对桩周进行快速旋转切割，边旋转切割边钻进沉入，钻进过程中同时配备高压快速气雾喷射器减阻，并冷却钻头，加快施工速度。内钢套管沉入深度超过旧桩长度，实现完全桩、土分离，然后使用特殊装置将钢丝绳与桩身下部锁扣牢固后，即可用吊机整体吊提出旧桩，可适应各种桩型和地层。拔桩清障在外套管的保护下实施，良好的双重套管内减阻措施，对周边地下土体不产生拢动，可以有效控制对环境的影响。
图2 局部开孔的钢套管
钢套管自身材质需有足够的强度，保证在动力头旋转时的抗扭能力，但重量不宜过重，以免增加额外的主机负荷和能耗。除选择合适壁厚的钢套管外，为进一步减少钢套管的重量及摩阻力，同时防止在沉入钢套管时产生土塞，确保钢套管旋转沉入顺畅，在钢套管上设置开孔见图 2，开孔的大小根据钢套管的直径选择，开孔后仍应满足相应的抗扭要求。
钢套管的长度一般为3m、6m、9m 及12m，根据拔除旧桩的长度组合，一般钢套管的长度比旧桩长度长 2 ～3m。钢套管采用柔性接头，在旋转沉入钢套管时会根据旧桩的倾斜度改变方向，顺着旧桩钻进不会切割破坏旧桩。
高压气雾喷射器包括壳体、设置在所述壳体内的供水管和供气部。其中，供水管的一端设置有喷嘴，另一端与水泵连接; 供气部包括储气罐、与所述储气罐相连通的进气管和出气管。供水管和供气部，可产生高压空气和微量水，高压空气与微量水的混合体通过其气水混合装置充分混合后产生高压气雾。经喷射嘴快速喷射出气雾的旋转切割钻进的钻头上，起到对钻头的冷却、润滑作用，大大减轻了钻进过程的摩阻力，大幅度提高了掘进成孔的质量和速度。
1． 4、导向系统模块
导向系统模块主要包括竖向导杆系统和套管垂直、倾斜调节装置。
图3 竖向导杆
竖向导杆系统由导杆见图 3、球形万向轮、液压油缸、导杆连接件和导杆滑轮组成。导杆主要为动力头提供导向作用，并有一定的抗扭及抗弯强度，导杆底部设置液压油缸，在工作状态时支撑在地面上，减少主机的负载，增加导杆的稳定性。自主研发的导杆可实现正面与侧面悬挂动力头，当需拔桩的中心位置小于正面动力头悬挂距离时，可将动力头悬挂在侧面，可进行清除的旧桩边离建筑物 1m 以下距离的旧桩拔除作业。
套管垂直、倾斜调节装置见图4 主要起到调节导杆垂直度或倾斜度的作用，同时起到固定下部导杆的作用。履带吊吊臂、导杆以及本装置在空间上组成了稳定的三角形形状，安全可靠。对于拟拔除桩基为斜桩时，可以自动测定及适应其斜率，通过收放油缸内的联系杆，即可实现导杆的倾斜。
图4 套管垂直、倾斜调节装置
1． 5、切削系统模块
切削系统模块包括外钢套管底端镶嵌的钛合金钻头和内螺旋锯齿形刀头见图 5，其主要功能是，在拔桩过程中发生桩体断裂或障碍物未完全清除情况下，可以用外钢套管逆向钻进、内螺旋钻正转正逆同步旋转相绞对障碍物切削绞碎，通过螺旋钻杆的提升将障碍物清除。
1． 6、监控系统模块
监控系统模块主要包括套钻机输出功率监控仪、沉拔荷载监控仪、套管倾斜角度监控仪。其主要功能是利用传感器将清障机械设备的运行参数采集起来传输到操作室，操作人员指根据监测到的数据去控制设备的运行状况。