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18m挖机打桩机工作装置的设计与应用

摘要：挖机打桩机是在标准挖掘机基础上改造工作装置的特种机型。在整体设计过程中需要对整机的稳定性、可靠性进行验证。本文对18m打桩机工作装置改造进行了整体介绍，并对其稳定性进行了验证，并在综合管廊的施工案例中，对拉森钢板施工工艺进行了阐述，以对不同的挖机打桩机改造及应用提供指导。

关键词: 拉森钢板桩；机械手；挖机打桩机；工作装置；稳定性；管廊施工；

拉森钢板桩使用概况

拉森钢板桩的英文名称是 Lassen Steel Sheet Pile 或Lassen Steel Sheet Piling。

1902年，德国工程师Tryggve Larssen在不来梅制作了世界上第一块U型剖面铆凸互锁的钢制板桩。1914年，两边都能连锁的板桩问世，并一直被世界绝大多数板桩制造商沿用至今。每块U型板桩两边的U型突出设计可以用来连锁相邻的板桩。互锁结构可以在板桩互锁时形成一个水密结构从而增加斑状结构的强度。

20世纪初在欧洲开始生产，1903年，日本首次通过进口在三井本馆的挡土施工中采用，基于钢板桩特殊的使用性能，1923年，日本在关东大震灾修复工程中大量进口采用。由于钢板桩具有较大的市场潜力和发展前景，1931年，日本于国内开始生产。钢板桩起始有冷弯薄壁轻型和热轧型，由于前者具有较大的加工、使用局限性，因而，热轧钢板桩成为钢板桩产品发展的主流。

20世纪50年代，我国首次在武汉长江铁路桥梁围堰施工中，由铁道部大桥局从原苏联引进使用。

由于受廉价土地资源及人力资源的影响，加之国内生产基本处于空白状态，作为金属建材的钢板桩，在我国的应用与发展仍然十分缓慢。随着我国经济的快速发展，各类快捷、高效、环保的建筑工法得以认可并发展。

拉森钢板桩的用途广泛，其主要应用领域包括:工民建工程:含有地下室且需要进行基坑支护的商业住宅、医院、学校、工业厂房等建(构)筑物;市政工程:地下管道、综合管廊、地铁等;水上工程:桥墩、河道整治(改迁)、船坞;其他: 其他需要挡土挡水的基坑工程。

自2000年起，随着我国经济的迅猛发展，各类新颖、高效、环保的工程施工技术与材料逐渐得以推广应用。钢板桩因其高强轻质、止水性好、耐久性强、施工效率高、占地少等本身固有的独特性能，解决了我国若干大型工程建设的施工难题。

拉森钢板桩参数及生产厂家

常用拉森桩施工设备

(1)履带式挖机改造的打桩机（机械手）:一般采用不同型号的挖机和振动锤头(机械手)改装而成，适用于较软地质，是目前应用最广泛的打桩机，打拔速度快，操作灵活，适合6~18m长的钢板桩打拔。

(2)履带起重机加振动锤:将履带起重机和振动锤组合使用，适用于较硬度地质，可施工15m以上的长桩，但打拔速度慢，现场调整难度较大。

(3)静压打桩机:该设备适用于各种地质情况，钢板桩施工长度不受限制，噪声低，可连续作业，并且操作空间小，但打拔速度慢，成本较高。由于其具有低噪声、无振动的优势，我国正逐步开始引入该设备。

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挖机打桩机工作原理

挖机打桩机利用锤头高频振动，以高速度振动桩身，将机械产生的垂直振动传给桩体，导致桩周围的土体结构因振动发生变化，强度降低。桩身周围土体液化，减少桩侧与土体的摩擦阻力，然后以挖机下压力、打桩机与桩身自重将桩沉入土中。拔桩时，在一边振动的情况下，以挖机上提力将桩拔起。挖机打桩机所需要的激振力根据场地土层、土质、含水量及桩的种类、构造而综合确定。

板桩施工的顺利进行在很大程度上取决于施工机械的选择。选择机械时需考虑以下几个条件:

(1)工程规模:要考虑打(拔)钢板桩的数量、尺寸、形状，尤其要考虑钢板桩的重量与长度，往往这两个因素是主要的。

(2)土质情况:要同土质情况结合，以利于钢板桩的打入或拔出。

(3)作业能力:要符合工程进度的要求。

(4)作业环境:选用的机械要满足噪声振动等公害控制要求，并结合现场条件如交通状况、地形、脚手等情况。

综合考虑上述条件，使选定的机械既经济、安全，又能确保施工效率。

工作装置设计

3.1 主要技术指标

18m挖机打桩机主要可满足：
400-750mm 18m内拉森钢板桩；

260~700mm 18m内钢板桩(槽钢)；

400-700mm 18m内H型钢；

200~400mm 18m内方型木桩；

200~400mm 18m内混凝土桩；

Φ600mm 18m内以下钢管桩施工作业。

3.2 结构设计

采用日立470LCH挖掘机作为母体，通过拆除动臂、斗杆、铲斗等工作装置，加装大臂、小臂、高频液压振动锤头设计完成。如图1所示，其中大臂长13m，小臂长6m，锤头甩臂2.5m，整机最大作业高度19.5m。履带尺寸长5.07m，宽3.34m。台湾产PCF450振动锤头最大激振力75T，外形尺寸为1.5m×0.98m×2.4m。

3.3 作业稳定性计算

3.3.1 设计准则

参照JG5056-1995《液压挖掘机稳定性安全技术要求》，稳定性要求如下

K=M1/M2

式中 K——稳定性系数;

M1——稳定力矩，kgm;

M2——倾翻力矩，kgm;

对液压挖掘机的稳定性进行计算，并通过实测进行验证，其计算结果应满足稳定性系数K≥1的条件。某些特殊工作装置不能满足本标准规定的稳定性要求时，必须在使用说明书中对如何保证挖掘机稳定性工作加以说明，如“挖掘半径超过若干米，仅允许空斗”。

由于本项目中的大臂、小臂、锤头等装置相比标准机型前段工作装置重量及工作半径都有所增加，给整机的稳定性带来一定问题，设计时一般采用增加配重的方法。

稳定性计算时应以整机最不利的工况进行。本机稳定性计算工况为:工作装置与履带成90°; 工作装置伸长到最大工作半径状态。

如图1所示，该状态下的倾翻线为内侧履带板中线。由于此时打桩机前段的工作装置呈悬臂状，因此工作时在其自重和外载荷作用下，会对底部履带边缘产生很大的倾覆力矩。这个力矩完全靠机身自重和配重所产生的力矩来平衡，因此主要计算此工况下的整机稳定性。

3.3.2 稳定性计算

稳定性系数K为稳定力矩（M1）与倾翻力矩（M2）的比值，表示挖掘机在某工况下不致倾覆的安全程度。

M1=ΣGZLZ （2）

M2=ΣGiLi+1.1×GnLn （3）

稳定力矩M1包括液压挖掘机所有部分质量引起的力矩均作为稳定力矩。

倾翻力矩M2为所有影响稳定性的变化部分和运动部分均以最不利的尺寸和位置计算。式（1）中，GZ为主机重、配重、履带板等重量，LZ为各重心到倾翻线的距离。式（2）中，Gi为大臂、斗缸油缸、小臂、铲斗缸重量，Li为各重心到倾翻线的距离，Gn为头部负载重量，Ln为头部负载到倾翻线的距离。考虑头部负载运动的惯性，乘以动载荷系数1.1。各部件重量、重心坐标和距倾翻线距离清单如表2所示。

稳定力矩

M1=ΣGZLZ=G主机×L主机+G配×L配+G履带×L履带+G增×L增

倾翻力矩

M2=ΣGiLi+1.1×GnLn=G大臂×L大臂+G斗缸×L斗缸

+G小臂×L小臂+G铲斗缸×L铲斗缸+1.1×G负载×L负载

列公式M1≥M2

解得G增≥4533.01（kg）

圆整取增加配重5000kg，即本项目日立470LCH挖机至少要增加5000kg的配重才能满足整机稳定性要求。将增加配重5000kg代入K=M1/M2中，在不考虑动载荷系数情况下K=1.06，满足稳定性要求。

加工工艺

本项目中的大臂为细长类结构件，为由多块钢板拼焊而成的框架状结构。焊后中心孔尺寸长13m，最宽处尺寸为910mm，机加工后质量约为4000kg。由于是由材质、规格不同的片件焊接而成，工件的焊缝多、焊接工作量大，使得焊接变形比较严重，焊接冷却后，工件容易出现收缩和扭曲变形。

为了保证加工精度，提高产品质量和生产效率，理想的加工方案是:选用加工精度高的现代化机床，设计合理的专用机夹具和制定合理的工艺流程，尽可能在一次装夹中完成所有的加工内容。为了避免加工变形和振动，各孔端面加工时，尽可能做到对称面同时加工。因此超长臂加工工艺的重点是选用先进的加工设备、设计合理的机夹具和制定合理的工艺流程。

施工案例

某综合管廊全长1.07km，分为标准段、出线井段等。其中标准段基坑深度4.2~5.7m，采用IV型拉森钢板桩支护。项目地质土层由素填土、粉土、粉土夹淤泥质粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质粘土组成，地质土层信息见表3。

根据本工程土层条件、开挖深度及周边环境情况和经济性综合分析，选用拉森钢板桩支护方案。浅部0.5m采用坡率1∶1放坡，下部采用IV型钢板桩支护，桩长12m，采用一道φ500×10钢支撑，钢围檩采用2H488×300×11×18钢围檩。基坑支护方案如图2所示。

在结构物深基础施工过程中，拉森钢板桩既能起到支撑作用、防渗水作用，而且可机械化操作，施工速度快，操作方便，能循环使用，因此被广泛应用于施工中。

本施工案例中12m拉森IV型钢板桩采用挖机打桩机施工，形成一道钢板墙的基坑围护结构。拉森钢板桩施工顺序如下:

钢板桩检验→板桩定位放线→挖除地面以下的石块等障碍物→引孔机引孔→钢板桩插入和预打→沉打钢板桩→开挖至围檩位置→ 设置围檩→土方开挖、结构施工→管廊施工→回填至设计标高→拔桩。

结束语

挖机打桩机具有良好的机动性，且不受地形、障碍物限制，可进入狭窄区域或跨区域施工。打桩与拔桩共用同一套设备，具有打拔转换方便，操作容易等优点，在市政、桥梁、围堰、建筑地基、河道护堤、铁路基坑支护、高架基坑支护或者桥墩基坑支护等工程中具有广泛的应用。本文以18m挖机打桩机为例介绍了工作装置的结构设计，并对其稳定性进行了校核，以对不同的挖机打桩机改造及应用提供指导。