第 3 章 基础工程机械

基础是将上部荷载传递到地基的一种结构物，而桩基础就是其中一种。当天然地基上的浅基础沉降量过大或地基承载能力不能满足建筑物得到要求时，常采用桩基础。现在桩基础已广泛应用在海上采用平台、大型港口、深水码头及各种桥梁的基础工程中。

3.1 打桩设备

按桩的施工方法，桩可分为预制桩和灌注桩两类。

预制桩是在工厂或施工现场制成的各种形式的桩，用沉桩设备将桩打入、压入或振入土中，或有的用高压水冲沉入土中。

灌注桩是在施工现场的桩位上用机械或人工成孔，然后在孔内灌注混凝土而成。根据成孔方法的不同分为挖孔、钻孔、冲孔灌注桩，沉管灌注桩和爆扩桩等。

3.1.1 柴油打桩机1 、柴油桩锤的工作原理 柴油锤实质上是一个其工作原理和单缸二冲程

柴油机相似，是利用柴油燃烧释放的能量提升冲击体进行打桩。

柴油锤按其构造形式分导杆式和筒式。如图 3-1所示。

其中筒式的结构和技术性能最为先进，为目前国内产品广泛应用，筒式柴油锤的工作原理是汽缸固定，活塞往复远动，而进行打桩。其工作循环可分为如下几个阶段，如图 3-2 所示 。

筒式柴油锤导杆式柴油锤

图 3-1 导杆式柴油锤的工作原理

图 3-2 筒式柴油锤的工作原理

2 、柴油打桩机的特点 柴油锤的特点是：结构简单、打桩数量大。本

身既是原动机又是工作机，不需另设能源机器，工作过程自动化。打桩数量可随沉桩阻力自动增减调节。当地基阻力大时，上活塞上跳高度大，打桩能量就大；地基阻力小时，桩下沉量大，打桩能力随之减小，对打桩工作非常有利。

主要缺点是产生噪音、振动和对空气有污染等。

3.1.2 蒸汽锤按照蒸汽对桩锤的作用方式不同，蒸汽锤

分为单动式、双动式和差动式 3 种。单动汽锤：利用蒸汽或压缩空气的压力将

锤头上举，然后自由下落冲击桩顶。 适用范围：适用打各种桩，最适宜于套管

打桩和灌注砼桩； 优缺点：结构简单，落距小，不易损坏桩

头；打桩速度及冲击力较落锤大，效率高；

双动气锤：利用蒸汽或压缩空气的压力将锤上举及下冲，增加夯击能量， 100 ～ 200 次 / 分；

适用范围：适宜打各种桩，可用于打斜桩，使用压缩空气，可打地下桩，也可拔桩；如图2.2示。

图 3-3 单动汽锤工作原理 双动汽锤工作原理

自由落锤打桩机又称吊锤或落锤，它是利用卷扬机使重锤沿桩架的导向立柱升起，然后让其自由落下冲击桩头，其特点是构造简单，使用方便。一般锤重为 1-30KN ，打击次数每分钟 10-12 次。由于其打桩效率降低，贯入的能量对桩的损伤大，所以仅能在小规模的工程中采用。

3.1.3 自由落锤打桩机

适用范围：适宜在打桩及细长尺寸的砼桩，在一般土层及黏土和含有砾石的土层中均有用； 原理：用人力或卷扬机拉起悬桩锤，落下，利用锤重夯击桩顶，使桩入土； 优缺点：构造简单，使用方便，冲击力大，能随意调节落距，但锤击速度慢，效率低，桩损大。锤重 0.5 ～ 1.5t ；

3.2 静力压桩机 静力压桩是借助压桩机及其配重将桩压入土中。由于避免了锤击应力，桩的混凝土强度及其配筋只要满足吊装弯矩和使用期受力要求就可以，因而桩的断面和配筋可以减小。这种沉桩方法适用于软弱土层，无振动、无噪音、对周围环境影响小，适合在城市中施工。

3.3 静力压桩工作程序

3.2.1 机械式静力压桩机 机械式静力压桩机如图 3-4 所示，它由压桩机（桩架与底盘）、转动设备（卷扬机、滑轮组、钢丝绳）、平衡设备（铁块）、量测装置（测力计、油压表）及辅助设备（起重设备、送桩器）等组成。这种压桩机的高度为 16-40m ，静压力400-1500KN ，设备总重 80-172t 。机身高大笨重，移动和转场很不方便，且占地面积也较大，目前已很少采用。

3.2.2 液压式静力压桩机 液压静力压桩机如图 3-5 所示，由液压吊装机构、液压夹持、压桩机构（千斤顶）、行走及回转机构、液压及配电系统、配重铁等部分组成。工作原理：行走装置是由“横向行走”（短船）、“纵向行走”（长船）和回转机构组成。 使用特点：它与锤击式打桩机、振动式沉桩机相比，无冲击力，可避免桩头被打碎、爆裂，压桩时对桩周土体扰动范围较小，可提高桩基础施工质量，节约桩身材料，降低工程造价；它无振动，无噪声，无环境污染，适用于人口稠密的城市中施工。但压桩只限于压垂直桩及软土地基的沉桩施工，具有一定的局限性。

3-4 机械静力压桩机

3-5 YZY-160 型全液压静力压桩机

国产 YZY-160 型全液压静力压桩机自重 78t ，配重 105t ，最大压入力 1600kN ，移动速度 4m/min ，压桩速度 2-3m/min 。

3.3.1 挤土成孔机械

3.3 灌注桩成空机

挤土成孔机械是用振动打桩机或锤击式打桩机将钢管桩（桩尖为活瓣或用钢筋混凝土预制桩尖）沉入地基土中至设计要求的深度后，边拔管边浇注混凝土的方法。这种方法适用于直径 50cm以下的桩。

3.3.2 取土成孔机械 （ 1）螺旋钻孔机 螺旋钻孔机是利用动力旋转钻杆，使钻头的螺旋叶片旋转削土，土块沿螺旋叶片上升排出孔外。适用于地下水位以上的施工。 如图 3-6 所示为一种应用方便的履带式螺旋钻孔机。钻机成孔很快，成孔后提起钻杆，再向孔中灌入混凝土，即成为桩。

3-6 步履式螺旋钻机

（ 2）冲抓式成孔机冲抓成孔机是利用冲抓斗为钻具，它以自由落体的速度冲入土中，将土、石凿成碎块，然后抓碎土碎石抛至孔外而成孔。结构简单、操纵方便，适用于粘、砂、砾土及松散和混有漂石的卵石地层中施工。

3.4 高压喷射灌浆设备 高喷技术主要是借助于高压射流，通过冲击

切割和强烈扰动，使浆液在射流作用范围内扩散、充填周围土层，并与土石粒掺混搅合，硬化后形成凝结体，从而改变原地层结构和组成，借以达到防渗或提高承载力的目的。 高喷灌泵技术有单管法、双管法、三管法。高喷形成的凝结体的形状与喷射的形式有关，喷射形式一般有旋喷、摆喷和定喷三种。喷射时若边提升边旋转，则凝结体的形状为圆柱体（又称旋喷柱）若边提升边摆动，则形成的凝结体的形状为哑铃状，若只提升和定向喷射则可形成板状（又称定喷板）。

高压喷射灌浆的施工机具由高压发生装置、钻机、特种钻杆和高压管路四部分组成。主要包括：钻机、高压泵、空气压缩机、注浆管、喷嘴、流量计、输浆机、制浆机。

3.4.1 高压钻孔设备 （ 1） 回转式钻机。各种回转式岩芯钻机均可在高压喷射灌浆造孔中应用。 （ 2）冲击回转钻机（全液压工程钻机）。这种钻机机械化程度高，对地层适应能力强，尤其在复杂的卵砾石地层造孔工效较高。国产机型有 MG-200（河北宣化）、 MGY-100（重庆探矿）、SM-3000（河北三河）等，进口有 SM305 、 SM400 等。 （ 3）振动钻机。振动钻机适用于高喷灌浆的钻机，能穿入覆盖层中的砂类土层、黏性土层、淤泥地层及砂砾石层。国产机型有 70改进型、 76型、 XJ100 等

3.4.2 高喷灌泵设备 高压喷射灌浆设备按高压喷射灌浆施工工艺要求，有多种设备组合而成。（ 1）搅浆机。搅浆机现常有的有卧式搅浆机和立式搅浆机两种。（ 2）灌浆泵。根据高压喷射灌浆的要求，一般压力应大于 0.8MPa ，流量大于 80L/min 。单介质喷射时需要较高压力的高压泥浆泵。（ 3）水泥上料机。水泥上料机有皮带上料机、气动上料机和螺旋上料机等许多种类，工地上常用的是螺旋上料机。

（ 4）高压水泵和水管 1）高压水泵和高压胶管。高压水泵的一般要求为压力 20-50MPa ，流量 50-100L/min 。高压喷射灌浆施工中常用的是 3D2-SZ系列卧式三柱塞水泵。 3D2-SZ 高压水泵技术规格见表 3-1 。

2）高压水管。高压水管一般选用 4层或 6层的钢丝缠绕胶管。（ 5）空气压缩机。（ 6）提升、卷扬及旋摆设备。提升、卷扬及旋摆设备包括卷扬机、提升台车、旋摆机构，用于控制喷射流运动，以形成要求性状的凝结体。

（ 7）喷射装置。喷射装置按射流介质不同可分为单介质（也称单管）、双介质（也称两管）、三介质（也称三管）和多介质喷射装置，由高压水龙头、喷射管及喷头 3 部分组成。1）单管喷射装置。2）两管喷射装置。3）三管喷射装置。4）多介质喷射装置。（ 8）浆液回收设施。（ 9）监控设备。

表 3-1 3D2-SZ 高压水泵技术规格

3.4.3 高压喷射灌泵设备的应用

四川省二滩水电站上下游挡水围堰采用高压旋喷灌泵防渗处理。

3.5 钻孔灌浆设备 3.5.1 钻孔设备 灌浆工程的钻孔设备包括钻机和钻进工具。钻进工具是指水龙头以下与其连接组成的全套工具。钻进方法不同，机具配置也不同。 选择钻机主要考虑施工条件、岩石性质、钻孔深度、钻孔方向、钻孔直径和灌浆方法等因素。钻机按照破碎岩石方法不同分为回转式钻机、冲击式钻机和冲击—回转式钻机。

1 、回转式钻回转式钻机，是利用钻机的回转器带动钻具旋转，以磨削孔低岩石进行钻机。2 、冲击式钻机冲击式钻机属于大口径型钻机，是利用钢丝绳将钻具提升到一定高度，然后自由下落，冲击地层，使孔底岩石破碎而进行钻进。3 、冲击反循环钻机冲击反循环钻机，是在冲击钻机的基础上研制出的新型机。由抽筒抽砂，改为泵吸排砂，故称冲击反循环钻机。

4 、冲击回转式钻机冲击回转式钻机是以回转式钻机为基础，在钻头上部连接一个专门的冲击器（也称潜孔锤）的一种机械。5 、钻具钻具及钻进工具，由主动钻杆、钻杆、钻铤、岩芯管、沉淀管、各种连接接头、接箍及钻头组成。6 、测斜仪在灌浆工程中，由于地质和工艺的原因，钻孔偏斜是不可避免的。但孔斜会产生极大的危害性，如容易导致孔内事故发生，可能使技术人员对灌浆质量作出错误的判断等。为了防止钻孔偏斜，都需要进行钻孔测斜。

CZ-22 型冲击钻机外貌 1-电动机 ; 2- 冲击连杆 ; 3-主轴 ; 4- 压轮 ; 5- 钻机天轮 ; 6-桅杆 ; 7-钢丝绳 ; 8-抽筒天轮

CZ-22 型冲击钻机传动系统示意图

1-电动机 ; 2-主轴 ; 3- 冲击机构 ; 4- 工具卷筒 ; 5-抽筒卷筒 ; 6-辅助卷筒

3.5.2 灌浆设备 1 、灌浆设备的组成灌浆机具主要包括灌浆泵、制浆和储浆设备、灌浆塞等。2 、灌浆辅助设备（ 1）智能灌浆记录仪。（ 2）水泥浆搅拌机。（ 3）灌浆塞。