适用于大吨位水中钢管桩清除装置的握裹机构的制作方法

1.本实用新型涉及一种握裹机构，适用于大吨位水中钢管桩清除装置，属于土木工程施工技术领域。


背景技术：

2.随着我国城镇化发展，城镇市政路网建设规模大幅增加，在长三角与珠三角地区尤为显著。在桥梁工程建设中，通常采用“大钢管 贝雷桁架”体系（如 所示）作为桥梁上部结构的临时支承结构，一方面，确保河道水系的贯通，避免了汛期的防洪压力；另一方面，钢管桩可以提供稳定的基础承载力，尤其在跨越水系部分（满堂支架体系则需要采用筑岛围堰，并对地基予以加固处理，在长三角、珠三角等河流冲积扇平原地区，筑岛方案不具备竞争力）。
3.当桥梁建成后，需将河床以上的临时支承钢管桩予以清除，以减少河道阻水比，同时满足河道清理用船舶的通行要求。与常规栈桥等作业净空无限制的钢管桩拔除不同，建成后桥梁下部空间相对有限，市政桥梁主要兼顾两岸接线道路的标高要求，净空往往非常有限，使得“起重设备 振动锤”等常规拔桩设备不具备作业条件。
4.目前有限净空状态下，常规的钢管桩清除作业方法，是由潜水员在河床底部，采用水中切割装置，将河床底部钢管割断移除，并将河床以下钢管桩留在原地层。
5.该方法可实现工程建设后对既有环境的恢复，但其核心问题在于“大量钢材的浪费”——工程经验表明，长三角地区，临时支承用钢管桩的消耗量，大约为100kg/m2~150kg/m2，一座200m长、30m宽的市政现浇混凝土梁桥所需要的临时钢管桩重量约600~900吨。尽管工程量清单计价时，该部分钢材作为一次性摊销处理（即默认该部分材料不回收），但随着外部环境的改变，国内钢材回收价格的暴涨，使该部分材料的回收处理，不仅提高资源的使用效率，更具有良好的经济效益。
6.一般地，钢管桩的理论抗拔力与实际抗拔力之间存在一定的差异，当设计理论抗拔力较小时，其差异相对较小；当设计理论抗拔力达到80吨后，随着钢管桩入土深度的增加，桩周土与钢管桩间的正压力效应（即土的侧压力）越来越显著，使钢管桩与周边土之间的侧摩阻力与地勘报告间的差异增大。因此，在拔除河底留存部分钢管桩时，对于这种设计理论抗拔力较大的钢管桩，需要寻求更大上拔力的设备。
7.综上所述，如何开发一种大吨位水中钢管桩清除装置，以适宜于清除设计理论抗拔力较大的水中既有钢管桩，实现水中既有钢管桩的回收以及既有钢管桩埋填位置处的环境恢复，是当前一个急需解决的问题。


技术实现要素：

8.本实用新型针对现有技术的不足，提供一种适用于大吨位水中钢管桩清除装置的握裹机构，以在钢管桩清除系统拔除待拔除钢管桩的过程中，通过握裹的方式箍住待拔除钢管桩，从而能够保证钢管桩清除系统的顶升气缸施加的竖向力能够用于向上提拔待拔除
钢管桩，使得钢管桩水下拔除施工作业成为现实，对现有技术中，有限净空下，钢管桩清除作业后，留存在原地层中的钢管桩能够进行有效回收。
9.为实现上述的技术目的，本实用新型将采取如下的技术方案：
10.一种适用于大吨位水中钢管桩清除装置的握裹机构，包括握裹外壳、升降环、升降机构、握裹块；
11.所述的握裹外壳，内壁呈锥状设置，且处于横向的两外侧壁，分别与第一、第二密肋厚加劲板对应连接；
12.所述的升降环，设置于握裹外壳的上端，并与握裹外壳同轴设置；
13.所述的升降机构，数量至少有两个，沿着握裹外壳的周向均匀分布；一端与握裹外壳连接，另一端则与升降环连接；
14.所述的握裹块，数量至少有三块，沿着握裹外壳的内腔周向均匀分布；每一块握裹块的上端通过吊耳与升降环连接，握裹块的外侧壁与对应位置处的握裹外壳的内壁形状匹配，而握裹块的内侧壁设置有握裹面，能够与待清除钢管桩的外壁面形状匹配；
15.在升降机构的动力驱动下，各握裹块随着升降环的升降而升降，当握裹块沿着握裹外壳的内壁上升时，各握裹块能够围合抱住待清除钢管桩；当握裹块沿着握裹外壳的内壁下降时，各握裹块能够松开待清除钢管桩。
16.优选地，所述的升降机构的数量为3个。
17.优选地，所述的握裹块的数量为6块。
18.优选地，升降机构为50吨级千斤顶。
19.优选地，所述握裹面经过网状切槽处理，且握裹面与待清除钢管桩外壁贴合时，握裹面与待清除钢管桩之间的摩擦系数为0.5。
20.根据上述的技术方案，相对于现有技术，本实用新型具有如下的优点：
21.本实用新型所述的握裹机构，通过特定的结构形式，能够围合抱住待拔除钢管桩，使得顶升机构输出的动力能够施加到该待拔除钢管桩上，实现待拔除钢管桩的清桩作业。而不需要进行拔除清桩作业时，所述的握裹机构可以松开并释放待拔除钢管桩。
附图说明
22.图1是本实用新型所述钢管桩清除装置的结构示意图；
23.图2是本实用新型所述反力架部分（带有顶升机构）的结构示意图；
24.图3是本实用新型所述反力架部分（带有顶升机构）的局部结构示意图；
25.图4是本实用新型所述握裹机构的结构示意图；
26.图1至4中：1、浮箱；2、转换架；3、反力架；31、作业平台板；32、控制箱；33、握裹机构；33
‑
1、握裹外壳；33
‑
2、升降环；33
‑
3、吊耳；33
‑
4、升降机构；33
‑
5、握裹块；33
‑
6、握裹面；34、密肋厚加劲板；35、弧形连接钢板； 4、顶升机构；5、机械手。
具体实施方式
27.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用
新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
28.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。
29.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，而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实用新型的限制。另外，出于方便说明的目的，垂向、横向与纵向为两两垂直的方向，垂向上的两个方向分别为上下方向。
30.如图1至4所示，本实用新型所述的大吨位水中钢管桩清除装置，包括浮箱平台、加固连接框架、反力架3以及顶升机构4；其中：
31.所述的浮箱平台，包括两组相互平行设置并位于待清除的钢管桩两侧的浮箱体系，每一组浮箱体系均至少包括一个浮箱1；所述的两组浮箱体系分别为第一、第二浮箱体系。
32.所述的加固连接框架，能够将两组浮箱体系的顶板拼装成一体；
33.所述的反力架3，包括作业平台板31、密肋厚加劲板以及握裹机构33；
34.所述的作业平台板31，在中部位置设有容许握裹机构33通行的通道，边缘位置处于横向的两端，分别直接地与第一、第二浮箱体系的顶板对应连接；同时，所述作业平台板31的上方，处于横向的两侧，各设有一个托架，对应为第一、第二托架；
35.所述的密肋厚加劲板，具有两块，对称布置在通道的外侧，分别为第一、第二密肋厚加劲板；第一密肋厚加劲板与第一托架固定，第二密肋厚加劲板与第二托架固定；
36.所述的顶升机构4，包括两个，分别为第一、第二顶升机构4；第一顶升机构4通过第一托架支撑，第二顶升机构4通过第二托架支撑，且第一、第二顶升机构4的顶托均与作业平台板31固定，
37.所述的握裹机构33，包括握裹外壳33
‑
1、升降环33
‑
2、升降机构33
‑
4、握裹块33
‑
5；
38.所述的握裹外壳33
‑
1，内壁呈锥状设置，且处于横向的两外侧壁，分别与第一、第二密肋厚加劲板对应连接；
39.所述的升降环33
‑
2，设置于握裹外壳33
‑
1的上端，并与握裹外壳33
‑
1同轴设置；
40.所述的升降机构33
‑
4，数量至少有两个，沿着握裹外壳33
‑
1的周向均匀分布；一端与握裹外壳33
‑
1连接，另一端则与升降环33
‑
2连接；
41.所述的握裹块33
‑
5，数量至少有三块，沿着握裹外壳33
‑
1的内腔周向均匀分布；每一块握裹块33
‑
5的上端通过吊耳33
‑
3与升降环33
‑
2连接，握裹块33
‑
5的外侧壁与对应位置处的握裹外壳33
‑
1的内壁形状匹配，而握裹块33
‑
5的内侧壁设置有握裹面33
‑
6，能够与待清除钢管桩的外壁面形状匹配；
42.在升降机构33
‑
4的动力驱动下，各握裹块33
‑
5随着升降环33
‑
2的升降而升降，当握裹块33
‑
5沿着握裹外壳33
‑
1的内壁上升时，各握裹块33
‑
5能够围合抱住待清除钢管桩；当握裹块33
‑
5沿着握裹外壳33
‑
1的内壁下降时，各握裹块33
‑
5能够松开待清除钢管桩。
43.优选地，所述的加固连接框架包括横梁体系、纵梁体系；连接横梁、连接纵梁；
44.所述横梁体系，具有若干根连接横梁；各连接横梁均沿着浮箱平台的横向布置，且连接横梁的一端与第一浮箱体系固定，另一端则与第二浮箱体系固定；
45.所述纵梁体系，具有若干根通长的连接纵梁；各连接纵梁均沿着浮箱平台的纵向布置，并设置在横梁体系的上方，且每一根连接纵梁均与对应位置处的连接横梁连接固定。
46.优选地，所述的顶升机构4、升降机构33
‑
4均为千斤顶；所述顶升机构4为500吨级千斤顶；升降机构33
‑
4为50吨级千斤顶。
47.优选地，所述握裹面经过网状切槽处理，且握裹面与待清除钢管桩外壁贴合时，握裹面与待清除钢管桩之间的摩擦系数为0.5。
48.优选地，每一组浮箱体系中的各单个浮箱之间，均沿着浮箱体系的长度方向，通过栓销拼接；同时，所述的单个浮箱，处于横向的两侧，均设置有三角加劲外挑架；连接横梁通过螺栓与对应位置处的三角加劲外挑架固定。
49.优选地，所述浮箱呈矩形状设置，且浮箱的各竖向平面均沿着竖向均布浮箱竖向加劲肋、沿着纵向均布浮箱纵向加劲肋，同时浮箱的内腔通过沿着自身长度延伸方向均布的横隔板分隔成若干个相互连通的腔室。
50.优选地，所述浮箱平台处于纵向的两侧，各自设置有两个定位栓；每个定位栓上均配置缆绳。
51.优选地，所述浮箱平台上安装有机械手5。
52.优选地，所述第一、第二密肋加劲板之间，通过两道对称布置的弧形连接钢板连接。
53.本实用新型的另一个技术目的是提供一种大吨位水中钢管桩清除方法，基于上述的大吨位水中钢管桩清除装置而实现，包括如下步骤：
54.1）利用小浮船，将待清除的钢管桩全部切割至水面以上20cm，并将切割下来的部分移走，留存下来的部分为待拔除钢管桩；
55.2）现场组装所述的大吨位水中钢管桩清除装置；
56.3）采用现场组装的大吨位水中钢管桩清除装置，清除步骤1）所述的待拔除钢管桩，具体包括以下步骤：
57.3.1、根据待拔除钢管桩所处位置处的净空h以及水位，确定从河床向上提拉待拔除钢管桩的限位点a以及浮箱的吃水深度；
58.利用浮箱平台上所设置的定位栓，通过缆绳长度调节，使安装在转换架2上的起吊
机构的滑轮组中心与待拔除的钢管桩中心重合；
59.利用水泵向浮箱舱室内注水，实现浮箱整体下沉至预设的吃水深度，为清桩作业提供空间；
60.3.2、启动升降机构33
‑
4，直至握裹机构33的各握裹块33
‑
5能够围合抱住待拔除钢管桩；
61.3.3、启动顶升机构4，使待拔除钢管桩的桩顶上移至上限位点；
62.3.4、让升降机构33
‑
4泄压，使得握裹机构33的各握裹块33
‑
5在自重下下落，直至与待拔除钢管桩脱离；
63.3.5、回落顶升机构4至下限位点；
64.3.6、重复步骤3.2~3.5，直至待拔除钢管桩的桩顶达到既有桥梁主体结构以下的高限位点，采用切割设备将水面以上的钢管桩予以切割，再利用机械手5将所切割下来的钢管桩吊至运输驳船上；
65.按照步骤3.6的方式，将整个待拔除钢管桩完全拨除。
66.优选地，大吨位水中钢管桩清除装置在现场的组装步骤包括：
67.2.1、采用汽车起重机将浮箱吊运下水，在待清除钢管桩两侧各吊运一排；
68.2.2、在岸上设置临时锚桩，作为浮箱拼装阶段的临时固定支点；
69.2.3、处于待清除钢管桩同侧的相邻两个浮箱之间，采用销栓将两者串联，形成浮箱体系；
70.采用汽车起重机将连接横梁架设在处于待清除钢管桩两侧相对设置的两个浮箱上；每架设一片连接横梁，即采用螺栓将连接横梁与两个浮箱连接成整体；
71.2.4、采用汽车起重机吊装机械手5至浮箱平台并进行安装；
72.采用汽车起重机吊装将预装好的反力架3整体吊装至浮箱平台并进行安装；
73.2.5、采用汽车起重机吊装顶升机构4至浮箱平台，并安装到位；
74.2.6、采用汽车起重机吊装连接纵梁至对应位置并进行现场组装。
75.优选地，选定4个定位点与浮箱平台上所设置的定位栓一一对应连接，定位点为陆上的锚桩或者待清除钢管桩或者既有墩柱上的预埋件。
76.由此可知，本实用新型所述的浮箱平台具备以下3个功能：
77.1）具备较大的承载力。
78.2）具备高程调节功能。浮箱在作业期间，具备1m~1.5m的高程调整空间，使设备在面对不同水深、不同净空时，具有较为灵活的调整空间；一方面，长三角、珠三角区域，受雨季—旱季交替，水位涨落差在1.2~1.8m左右，在桥下净空很小时，浮箱的标高调整功能至关重要；另一方面，为了获取较高效的浮力条件，浮箱高度会取较大值，当拔桩所需提升力较小时，浮箱吃水较浅，整套装置的水面空间要求增加，导致操作净空不足，需要其自身进行标高调整。
79.3）具备公路运输条件。所述的单个浮箱尺寸调整至6m长，3m宽，3m高。
80.因此，本实用新型浮箱设计思路如下：
81.浮箱采用箱型构造，包括顶板、底板、腹板及横隔板。其中，顶、底板配置通长的槽钢制造的加劲肋，以提高钢板的面外刚度；腹板除配置竖向槽钢作为加劲肋外，还设置纵向的槽钢加劲肋。横隔板上开设人孔（作为浮箱各舱室间的贯通通道）及板式加劲肋（提高横
隔板面外刚度）；横隔板底部，开设2个贯通孔道，作为仓室内储存水的贯通。
82.浮箱内部采用高等级防腐涂装，以适应储水需求：
①ꢀ
当作业净空较小时，通过水泵向浮箱舱室内注水，实现浮箱整体下沉，为清桩作业提供空间；
②ꢀ
当钢管桩抗拔反力较大时，通过水泵将浮箱内的水逐步外排，既保持作业空间，又可逐步释放浮箱承载力。
83.单个浮箱两端各配置1台水泵，用于调解浮箱内水位。
84.装配式浮箱采用双体浮箱构造，浮箱间仅在平台顶面通过转换架2连接，浮箱间通道作为待清除钢管桩的通行通道。
85.浮箱平台不配置动力，通过“锚桩 缆绳体系”实现浮箱平台的“定位”与“移动”功能。
86.一方面，配置动力则需要配置方向舵，水上临时支承体系的钢管桩间距通常不大（跨径不超过9m，宽度不超过3m，局部加密区域，钢管桩从属面积更小），方向控制难度大；另一方面，拔桩船的单次活动范围较小，工程间的转运采用公路运输（拔桩工程所在水系不通航，否则净空不会这么小），没必要设置动力。
87.在单个浮箱两端配置定位栓，定位栓上配置缆绳。作业时，选定4个定位点与组装后的浮箱上的4根缆绳相连，通过调节缆绳长度控制浮箱的位置。其中，定位点可以是陆上的锚桩，也可以是水上待拔除的钢管桩——通常情况下，选择承载力最大的钢管桩作为锚桩——该桩通常位于墩柱附近，也可以是既有墩柱上的预埋件。
88.转换架2的核心功能为：将2个浮箱体系联结成一个整体（浮箱平台）；
89.转换架2采用纵横梁结构体系（加固连接框架），其中密布横梁体系（连接横梁）将2个浮箱拼装成一个整体，纵向体系提供各道横梁的平面外支撑，使转换架2同时具备双向刚度以及抗扭刚度，相当于在浮箱顶部设置刚性平层，确保浮箱平台仅在顶部设置支撑的状态下，船体的整体稳定。
90.连接横梁与浮箱间采用螺栓连接，连接横梁间距为1.0m，连接横梁采用hn600型钢。其中，浮箱内设置内嵌式螺母，螺母与浮箱的横隔板或腹板焊接成整体；在横梁体系上方，设置通长的纵梁。
91.浮箱两侧设置三角加劲外挑架，作为转换架2的连接构造。沿浮箱体系长度方向，通过栓销连接，仅提供竖向的传力构造（亦兼做水平传力构造）。转换架2的纵横梁均采用双拼hn600型钢，以确保转换架2的整体承载力与刚度。
92.因该装置拔钢管桩时，单次的截断长度仅受桥下净空限制，故钢管桩单段的重量相应较大，人工搬运难度较大，且效率过低。故配置1台悬臂式起重机作为机械手5使用。
93.本实用新型所述的顶升机构，采用大吨位千斤顶提供竖向拔桩力，由2台500吨大行程千斤顶提供上拔力，单台千斤顶最大行程为50cm。
94.配置作业平台板31。顶升机构与作业平台板31相连，作业平台板31与浮箱直接相连。且在作业平台板中央设有大直径通道，供钢管桩出入。
95.注：作业平台具备较大的扭转刚度，首先保证了整装置与浮箱间的连接（而不是通过转换架2，转换架2仅仅是维系浮箱体系的整体性，而不是装置的整体稳定性），其次平台使装置形成整体，便于整体的运输、拼装（卷扬机方案中，各核心构件均需在桥位场地拼装）。
96.采用半潜式构造，即握裹机构位于平台作业板以下，千斤顶（顶升机构4）位于作业
平台板以上，且千斤顶（顶升机构4）呈倒置布置——半潜式构造使握裹机构可以在浮箱平台以下来实现与钢管桩的耦合——通常情况下，临时支承用桩基础的桩顶标高略高出水面，大吨位钢管桩拔桩前，浮箱承载吨位处于最低值，浮箱吃水较浅，浮箱平台顶面距离水面距离相对较大，半潜式构造可较好地使握裹式构造适应该状况。
97.注：若采用浮箱注水、抽水的方法，尽管可以解决此类问题，但作业效率会大幅下降。
98.握裹机构呈环形，两端（180
°
）与密肋厚加劲板焊接成整体。
99.握裹机构可以由6个实体钢块构成，与钢管桩接触面采用网状切槽处理，增加摩擦面粗糙度。钢块厚度不小于50cm。
100.握裹机构采用由4台50吨级千斤顶（升降机构33
‑
4）作为调整动力，确保握裹块与钢管桩间具备足够的正压力fn——握裹块与钢管桩间的摩擦系数μ约为0.5（钢材与钢材间的摩擦系数为0.4~0.6，考虑切槽处理后，取中值），若钢管桩抗拔力为200吨时，正压力需400吨。当钢管桩直径为630mm时，其环向正应力达4mpa，此时钢管桩的环向压应力为126mpa（t=20mm）/252mpa（t=10mm）——大吨位钢管桩拔除，不仅仅是竖向荷载的控制极限，还需考虑耦合装置对钢管桩的影响。
101.握裹块与钢管桩间的正压力传导，亦是本实用新型的关键——因侧向变形空间有限，千斤顶（顶升机构4）无法水平向布置，仅竖向布置。故设计专用转换支架体系，使得千斤顶（顶升机构4）提供的竖向行程调节，通过握裹块实现与钢管桩间紧密的状态。
102.握裹块分为“握裹部分”与“连接部分”，握裹部分厚度为150mm，其与钢管接触面呈切槽处理；连接部分厚度依据待拔钢管的尺寸确定——钢管尺寸越小，连接部分的厚度越大（千斤顶竖向行程所能调节的范围较小，更多是为了紧固作用）。
103.千斤顶（升降机构33
‑
4）竖向行程调节握裹块的原理，是借助刚性的握裹外壳而实现。握裹外壳的外侧直接与密肋厚加劲板连接（180
°
处）。内壁呈内倾构造。握裹外壳底部间隔90
°
布置1台千斤顶（升降机构33
‑
4），千斤顶（升降机构33
‑
4）顶部支承“钢环”（升降环），升降环下间隔60
°
设置1个吊耳33
‑
3，吊耳33
‑
3通过栓销与握裹块连接。当千斤顶（升降机构33
‑
4）向上行走时，钢环带动吊耳33
‑
3使握裹钢块同步上行，握裹块受到握裹外壳阻挡，向孔内侧移，达到待拔钢管桩紧密接触的目的。
104.浮箱平台上安装有控制箱，以通过液压管路分别与顶升机构、升降机构之间形成供油\泄油回路。
105.另外，a.千斤顶（顶升机构4）与握裹机构间，配置密肋厚加劲板，板厚60mm，加劲肋厚30mm，作为竖向荷载传递装置。
106.b.密肋加劲板间设置2道弧形连接钢板35——弧形设计是确保中间钢管桩拔除所需要的通道空间及切割、吊装所需要的作业空间；钢板厚度不小于50mm，连接钢板的目的，是使2个竖向传力构件的上部存在侧向支撑结构，与握裹式构造一道，在立面构成闭环，增强装置的刚度与整体稳定性。此外，弧形连接钢板上设置2个吊耳33
‑
3，作为设备整体吊装的吊点。
107.c.千斤顶（顶升机构4）置于托架中，托架焊接在密肋加劲板上。
108.d.千斤顶（顶升机构4）顶托通过螺栓与作业平台板连接。