CN104358249B - 用于振冲碎石的水气联动沉沙阻止方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于振冲碎石桩机的水气联动沉沙阻止方法及系统，所述振冲碎石桩机的钻杆系统的导杆为伸缩式导杆。所述方法包括：在所述振冲碎石桩机进行振冲器超深施工时，随着振冲深度增加或减小，逐渐在桩孔中伸展或收缩伸缩式导杆，以便使位于伸缩式导杆下方的所述振冲器向下振冲造孔或向上加密制桩；在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，通过持续向所述伸缩式导杆内注水，在伸缩式导杆内充满压力水；通过使所述伸缩式导杆内水压始终大于桩孔的水压，迫使所述伸缩式导杆内的压力水从伸缩式导杆的套管间隙流向桩孔中泥浆，以防止泥浆中的砂石进入并卡在所述套管间隙中；并且通过持续向所述伸缩式导杆内注气，将进入所述伸缩式导杆内的沙子从下向上吹动，使沙子在管内沸腾，从而防止管内沉沙。

Description

用于振冲碎石的水气联动沉沙阻止方法及系统

技术领域

本发明涉及基础工程建设技术领域，特别涉及一种用于振冲碎石的水气联动沉沙阻止方法及系统。

背景技术

在软土地基基础加固处理工程中，振冲碎石桩工艺以施工质量效果突出、施工工艺简单、施工成本低、填筑材料来源广泛等优势而获得广泛应用。尤其在地震常发区，振冲碎石桩加固工艺以抗液化及形成的复合地基具有突出的抗震性能而成为设计师首选的工艺。

从本质上看，振冲法是在砂、碎石、土层中使用较高压水的水，有时还要加入卵石或碎石进行置换，因此，孔内一直处于一种泥浆状态。在20米以内浅层振冲条件下，使用单根导杆(吊管)即可达到工程目的；对于30-40米级较深振冲而言，使用大型设备，单根加长导杆也可以达到工程目的，只是工程成本大为增加；当孔深50米以上时，如果继续使用单根导杆，不仅工程成本难以承受，而且安全隐患急剧增加，振冲技术已经无法继续下去了。为此，本申请人开发了一种伸缩式导杆，以便在超过40米深的地层进行振冲碎石操作。

但是，由于伸缩式导杆是由多节导杆构成，并且在碎石、砂、泥浆混合的状态中工作，因此，一旦泥浆及其中的砂石进入内外导杆的间隙之中，使伸缩式导杆受卡，则振冲器就会埋入孔内，使振冲碎石桩施工失败，并造成巨大损失。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种用于振冲碎石的水气联动沉沙阻止方法及系统，其结构简单，使用方便，使得振冲碎石桩机可以加固深度更深的地基，并避免伸缩式导杆受卡而导致的振冲器埋入孔内的事故发生。

根据本发明的第一方面，本申请提供了一种用于振冲碎石桩机的水气联动沉沙阻止方法，其中所述振冲碎石桩机包括：起重机系统、自动进给系统、钻杆系统及振冲器系统；所述自动进给系统的电缆卷扬装置、水管卷扬装置、气管卷扬装置和钢丝绳卷扬装置为同步进给；所述钻杆系统的导杆为伸缩式导杆；所述方法包括：

在所述振冲碎石桩机进行振冲器超深施工时，随着振冲深度增加或减小，逐渐在桩孔中伸展或收缩伸缩式导杆，以便使位于伸缩式导杆下方的所述振冲器向下振冲造孔或向上加密制桩；

在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，通过持续向所述伸缩式导杆内注水，在伸缩式导杆内充满压力水；

通过使所述伸缩式导杆内水压始终大于桩孔的水压，迫使所述伸缩式导杆内的压力水从伸缩式导杆的套管间隙流向桩孔中泥浆，实现水压动平衡，以防止泥浆中的砂石进入并卡在所述套管间隙中；以及

在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，通过持续向所述伸缩式导杆内注气，将进入所述伸缩式导杆内的沙子从下向上吹动，使沙子在管内沸腾，从而防止管内沉沙。

优选地，所述伸缩式导杆包括：由内向外依次套接的多层套管，包括一个顶层套管、一个或多个中间套管和一个底层套管。

优选地，所述的持续向所述伸缩式导杆内注水包括：将专用于向管内注水的注水管的出口安装到所述伸缩式导杆的底层套管的下端，以便引入用来阻止管外含有泥浆碎石的混合水经由套管间隙流入管内的清水；将外部的清水经由所述注水管持续泵入到所述底层套管的下端，以便所述清水从底层套管的下端向顶层套管流动。

优选地，所述的使所述伸缩式导杆内水压始终大于桩孔的水压包括：在所述顶层套管的上方安装连通所述顶层套管空腔并具有出水口的集水槽；通过控制泵入到所述底层套管的清水流量，使管内清水在从套管间隙流向管外的同时，上升到所述集水槽，并从集水槽出水口排出；在施工过程中通过将所述集水槽位于地面之上，形成伸缩式导杆内压力水与桩孔中混合水的水位差，从而迫使伸缩式导杆内的水压始终大于桩孔的水压。

优选地，所述的持续向伸缩式导杆内注气包括：将专用于向管内注气的注气管的出口安装到所述伸缩式导杆的底层套管的下端；通过控制注入的气体的气压，使注入的气体将进入所述伸缩式导杆内的沙子从下向上吹动到所述所述集水槽，并从集水槽出水口排出。

优选地，所述顶层套管和与其相邻的中间套管设有用来滑动连接的第一滑动副，以及用来在伸展后将两者卡接在一起的第一卡接副；以及所述底层套管和与其相邻的中间套管设有用来滑动连接的第二滑动副，以及用来在伸展后将两者卡接在一起的第二卡接副。

优选地，所述第一滑动副包括：设置在所述顶层套管内壁的至少一个第一键槽；设置在所述中间套管外壁的至少一个第一平键；其中，所述第一平键与所述第一键槽配合；

优选地，所述第一键槽与所述第一平键分别沿所述顶层套管和中间套管的轴向延伸。

优选地，所述第一卡接副包括：环设在所述顶层套管内壁底端且沿其径向朝中心方向凸出的第一承托耳；环设在所述中间套管外壁顶端且沿其径向朝外凸出的第一卡接台；其中，所述第一卡接台搭接在所述第一承托耳上。

优选地，所述伸缩式导杆连接一个用于将伸展的多个套管收拢的托盘。

优选地，所述托盘包括：用于连接所述导杆中的底层套管的圆筒；设置在圆筒外壁且沿其径向朝外伸出的承托装置；其中，在所述承托装置上设有沿其径向依次排布的多个阶梯台，其每个阶梯台用于承托所述导杆中一个相应的套管。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于振冲碎石桩机的水气联动沉沙阻止系统，所述振冲碎石桩机包括：起重机系统、自动进给系统、钻杆系统及振冲器系统，所述自动进给系统的电缆卷扬装置、水管卷扬装置、气管卷扬装置和钢丝绳卷扬装置为同步进给，其特征在于：所述钻杆系统中的导杆为伸缩式导杆；水泵向所述伸缩式导杆供应使其管内水压动平衡的清水；其中：

在所述振冲碎石桩机进行振冲器超深施工时，随着振冲深度增加或减小，钢丝绳卷扬装置向下伸展或向上收缩伸缩式导杆中套管，以便使位于伸缩式导杆下方的所述振冲器向下振冲造孔或向上加密制桩；

在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，所述水泵通过持续向所述伸缩式导杆内注水，在伸缩式导杆内充满压力水；

通过使所述伸缩式导杆内水压始终大于桩孔的水压，迫使所述伸缩式导杆内的压力水从伸缩式导杆的套管间隙流向桩孔中泥浆，实现管内水压动平衡，以防止泥浆中的砂石进入并卡在所述套管间隙中；以及

在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，通过持续向所述伸缩式导杆内注气，将进入所述伸缩式导杆内的沙子从下向上吹动，使沙子在管内沸腾，从而防止管内沉沙。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)通过在桩孔中伸长或缩短多层套管的长度，调节振冲器下放位置，使得进行振冲碎石桩施工操作的振冲器可以到达90米的深度，解决了本领域对深软土地基基础进行加固的难题；

2)通过使伸缩式导杆内的水压动平衡，可以阻止桩孔中的泥土、砂石等混合物进入到伸缩式导杆内部，从而保证伸缩式导杆可以自由伸缩，从而确保振冲碎石操作的可靠进行；

3)通过向伸缩式导杆注气，将少量的进入伸缩式导杆内的沙子吹出，从而避免管内沉沙。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是具有本发明多卷盘同步自动进给系统的振冲碎石桩机的结构示意图；

图2是图1所示的左侧视图；

图3是图本发明的多卷盘同步自动进给系统的结构示意图；

图4是振冲碎石桩机的钻杆系统的结构示意图；

图5是图4所示的N-N向剖视图；

图6是振冲碎石桩机导杆托盘组件的结构示意图；

图7是图6所示的右侧视图；

图8是伸缩式导杆的结构示意图；

图9是顶层套管与中间套管滑动连接的横截面剖示图；

图10是底层套管与中间套管滑动连接的横截面剖示图；

图11是中间套管中第二套管的结构示意图；

图12是图8所示A部分放大图；

图13是导杆托盘组件第一实施例的托盘的结构示意图；

图14是导杆托盘组件第二实施例的托盘的结构示意图；

图15是本发明振冲器的结构示意图；

图16是本发明的减震器组件的结构示意图；

图17是本发明水气联动沉沙阻止方法的示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，为本发明提供的振冲碎石桩机的结构示意图，由图可知，振冲碎石桩机包括：起重机系统400、自动进给系统300、钻杆系统100及振冲器系统200，自动进给系统的电缆卷扬装置302、水管卷扬装置304、气管卷扬装置301和钢丝绳卷扬装置303为同步进给，其中，钻杆系统中导杆101的轴向长度可调，以便改变振冲器系统相对地面的下放位置；其中，自动进给系统安装于起重机系统400中起重机401的后部，用作起重机的配重。

具体的，如图1-图3所示，自动进给系统中的电缆卷扬装置302、水管卷扬装置301和气管卷扬装置304分别具有用于与振冲器系统相连以使振冲器实现振冲碎石桩施工功能的电缆321、第一水管311和第一气管341。此外，水管卷扬装置还具有用于使振冲器在振冲碎石桩施工操作中实现水压动态平衡的第二水管312；气管卷扬装置还具有用于使振冲器在振冲碎石桩施工操作中实现气压动态平衡的第二气管342。

而钻杆系统100具有沿其轴向伸长或缩短的伸缩式导杆101，该伸缩式导杆具有由内向外依次套接的多层套管；其中，钢丝绳331连接多层套管中的底层套管5，以便下放或提拉底层套管，使多层套管的长度伸长或缩短；其中，第二水管312和第二气管342分别连接多层套管中的底层套管5的顶端(如图4、图5所示)；而第一水管311、第一气管341、电缆321由上至下穿过伸缩式导杆中的各层套管，并与振冲器相连。

本发明的自动进给系统中，其水管卷扬装置301和气管卷扬装置304除了具有用于使振冲器实现振冲碎石桩施工功能的第一水管311和第一气管341之外，还分别具有用于使振冲碎石桩机的振冲器实现水压动态平衡的第二水管312和实现气压动态平衡的第二气管342，并且，其钢丝绳卷扬装置303的钢丝绳331、第二水管、第二气管分别固定在底层套管5的顶端。当自动进给系统中的钢丝绳对底层套管起提拉或下放作用时，第二水管、第二气管可随着同步提拉或下放，从而使伸缩式导杆改变长度。

由于伸缩式导杆的多层套管全部伸出时，伸缩式导杆的总长度可达到90米，因此本发明的振冲碎石桩机可以对深度大于40米的地层进行振冲碎石操作。而在振冲器进行振冲碎石桩施工操作的过程中，由于伸缩式导杆是在碎石、砂、泥浆三者混合的状态下工作，因此，碎石、砂、泥浆的混合物很容易进入到伸缩式导杆的多层套管之间的间隙中，使伸缩式导杆的多层或几层套管被卡住，从而使振冲器系统200的振冲器230埋入孔内，使振冲碎石桩施工失败，并造成巨大损失。

为了避免伸缩式导杆的多层套管被卡住，本发明的自动进给系统中，将第二水管和第二气管连接到伸缩式导杆的底层套管的底端，从底层套管向上送水和送气，使得经由第二水管和第二气管输送的水和气，从底层套管向上流动，直至到达伸缩式导杆的顶层套管上端，然后再经由位于顶层套管之上的集水槽150(如图1所示)排出。集水槽上设置有用于供伸缩式导杆内多余的水向外流出的出口。在振冲碎石操作中，由于第二水管源源不断的从底层套管开始向上方的中间套管、顶层套管输送水，并且集水槽位于地面之上，使得伸缩式导杆内的水头水位始终高于位于地面之下的桩孔中水头的水位，为伸缩式导杆提供了可以迫使其内的水经由套管间隙向外流动的水压，从而在伸缩式导杆内形成了压力水。

由于伸缩式导杆内部的水压始终大于其外部的水压，当振冲碎石桩施工操作中的碎石、砂、泥浆与第一水管输送的水形成的混合物由下至上的向上流且流入到伸缩式导杆的多层套管之间的间隙附近时，在第二水管提供的压力水的作用下，可以顶住管外的混合物流入到伸缩式导杆的内部，从而避免伸缩式导杆被卡住，确保伸缩式导杆可以自由伸缩，使大深度振冲碎石桩的施工成为可能。另一方面，若有少量混合物进入管内，第二气管输送的具有一定压力的气体可以使混合物在管内沸腾，并从集水槽150排出，以避免混合物沉积在管内。

而进一步的，由于本发明的自动进给系统还包括与底层套管顶端连接的第二气管，其在振冲器进行振冲碎石桩施工操作时，可以向伸缩式导杆内部输送高压气体(与第一气管输送的气体形成动态的气压平衡)，其和第二水管共同配合，确保所述碎石、砂、泥浆的混合物不会进入到伸缩式导杆内部，并且，既使偶尔有混合物进入到伸缩式导杆内部，在第二水管和第二气管所输送的水和气体的配合作用下，会使混合物沿着底层套管上方的所述通道向上流动，并从位于钻杆系统上方的出水槽处流出(图中未示出)，从而不会使混合物赌塞在多层套管的间隙处，确保了多层套管可以处于自由伸缩的状态中。

综上所述并参见图17，本发明提供了一种用于振冲碎石桩机的水气联动沉沙阻止方法，振冲碎石桩机包括：起重机系统、自动进给系统、钻杆系统及振冲器系统；所述自动进给系统的电缆卷扬装置、水管卷扬装置、气管卷扬装置和钢丝绳卷扬装置为同步进给；所述钻杆系统的导杆为伸缩式导杆，该方法包括：在所述振冲碎石桩机进行振冲器超深施工时，随着振冲深度增加或减小，逐渐在桩孔中伸展或收缩伸缩式导杆，以便使位于伸缩式导杆下方的所述振冲器向下振冲造孔或向上加密制桩；在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，通过持续向所述伸缩式导杆内注水，在伸缩式导杆内充满压力水；通过使所述伸缩式导杆内水压始终大于桩孔的水压，迫使所述伸缩式导杆内的压力水从伸缩式导杆的套管间隙流向桩孔中泥浆，实现水压动平衡，以防止泥浆中的砂石进入并卡在所述套管间隙中；在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，通过持续向所述伸缩式导杆内注气，将进入所述伸缩式导杆内的沙子从下向上吹动，使沙子在管内沸腾。

其中，所述的持续向所述伸缩式导杆内注水包括：将专用于向管内注水的注水管的出口安装到所述伸缩式导杆的底层套管的下端，以便引入用来阻止管外含有泥浆碎石的混合水经由套管间隙流入管内的清水；将外部的清水经由所述注水管持续泵入到所述底层套管的下端，以便所述清水从底层套管的下端向顶层套管流动。

其中，使伸缩式导杆内水压始终大于桩孔的水压包括：在所述顶层套管的上方安装连通所述顶层套管空腔并具有出水口的集水槽；通过控制泵入到所述底层套管的清水流量，使管内清水在从套管间隙流向管外的同时，上升到所述集水槽，并从集水槽出水口排出；在施工过程中通过将所述集水槽位于地面之上，形成伸缩式导杆内压力水与桩孔中混合水的水位差，从而迫使伸缩式导杆内的水压始终大于桩孔的水压。

其中，持续向伸缩式导杆内注气包括：将专用于向管内注气的注气管的出口安装到所述伸缩式导杆的底层套管的下端；通过控制注入的气体的气压，使注入的气体将进入所述伸缩式导杆内的沙子从下向上吹动到所述集水槽，并从集水槽出水口排出。

另一方面，本发明提供了一种用于振冲碎石桩机的水气联动沉沙阻止系统，所述振冲碎石桩机包括：起重机系统、自动进给系统、钻杆系统及振冲器系统，所述自动进给系统的电缆卷扬装置、水管卷扬装置、气管卷扬装置和钢丝绳卷扬装置为同步进给：所述钻杆系统中的导杆为伸缩式导杆；水泵向所述伸缩式导杆供应使其管内水压动平衡的清水；其中：在所述振冲碎石桩机进行振冲器超深施工时，随着振冲深度增加或减小，钢丝绳卷扬装置向下伸展或向上收缩伸缩式导杆中套管，以便使位于伸缩式导杆下方的所述振冲器向下振冲造孔或向上加密制桩；在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，所述水泵通过持续向所述伸缩式导杆内注水，在伸缩式导杆内充满压力水；通过使所述伸缩式导杆内水压始终大于桩孔的水压，迫使所述伸缩式导杆内的压力水从伸缩式导杆的套管间隙流向桩孔中泥浆，实现管内水压动平衡，以防止泥浆中的砂石进入并卡在所述套管间隙中；在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，通过持续向所述伸缩式导杆内注气，将进入所述伸缩式导杆内的沙子从下向上吹动，使沙子在管内沸腾。

其中，顶层套管和与其相邻的中间套管设有用来滑动连接的第一滑动副，以及用来在伸展后将两者卡接在一起的第一卡接副；以及底层套管和与其相邻的中间套管设有用来滑动连接的第二滑动副，以及用来在伸展后将两者卡接在一起的第二卡接副。

本发明的电缆卷扬装置、水管卷扬装置、气管卷扬装置、钢丝绳卷扬装置分别由四台电机或液压马达驱动，并以钢丝绳卷扬装置为主驱动装置，即，当需要对底层套管进行提拉或下放操作时，钢丝绳卷扬装置的电机或液压马达工作，然后电缆卷扬装置、水管卷扬装置、气管卷扬装置的电机或液压马达以相同转矩同步工作，从而使与振冲器、伸缩式导杆分别相连的各管路的水、电、气的供应同步进行，确保振冲碎石桩机各系统的正常运行。

具体的，在进行振冲碎石桩施工操作时，需要将振冲器下放或上提到预定深度，因此需要使与振冲器相连的伸缩式导杆伸长或收缩。此时，钢丝绳卷扬装置的电机或液压马达工作，使钢丝绳在卷扬机的作用下向下伸长或向上提，由于伸缩式导杆的底层套管与钢丝绳相连，而用于形成动态水压平衡和动态气压平衡的第二水管和第二气管与底层套管的顶端相连，因此，当钢丝绳卷扬装置工作时，用于输送第二水管和第二气管的水管卷扬装置和气管卷扬装置也同步工作，以便第二水管、第二气管与钢丝绳以同样的速率被同步下放。相应的，电缆、第一水管和第二气管也与钢丝绳以同样的速率被下放或上提，即，电缆卷扬装置、水管卷扬装置、气管卷扬装置均与钢丝绳卷扬装置同步工作。

此外，本发明自动进给系统的电缆卷扬装置、水管卷扬装置、气管卷扬装置、钢丝绳卷扬装置分别安装在振冲碎石桩机的起重机系统400中起重机的后部，在起重机后部形成大约16吨的配重，也确保了振冲碎石桩机的稳定运行和施工的安全。

本发明中，钻杆系统具有导杆托盘组件，其结构示意图如图6、图7所示。其中，导杆托盘组件中的伸缩式导杆用于调节振冲碎石桩机的振冲器的下放位置，而托盘用于和伸缩式导杆配合，承托着伸缩式导杆实现回缩和下放。

其中，伸缩式导杆与托盘8连接，而托盘8通过过渡接头9与振冲碎石桩机的振冲器连接，从而通过调节伸缩式导杆的长度实现调节振冲碎石桩机的振冲器下放位置的目的。

具体的，如图6-图9所示，本发明的伸缩式导杆包括：由内向外依次套接的多层套管；其中，多层套管中的顶层套管与中间套管通过第一滑动副滑动连接，且通过第一卡接副卡接在一起；其中，多层套管中的中间套管与底层套管通过第二滑动副滑动连接，且通过第二卡接副卡接在一起。

本发明的伸缩式导杆中，由于多层套管中的每两层相邻套管通过滑动副滑动连接，因此每两层相邻套管的长度可以伸长或缩短，从而使多层套管的长度可以伸长或缩短，进而通过调节多层套管的长度达到调节与多层套管相连的振冲器的下放位置，使得进行振冲碎石操作的振冲器可以到达所要求的深度(本申请的振冲器可对深度达90米的地层进行振冲碎石操作)。

由于在应用时，本发明的伸缩式导杆处于竖直状态，因此，通过滑动副滑动连接每两层相邻套管，可以使相邻的内外两层套管只能做上下运动，而不能相互扭转。此外，每两层相邻套管之间通过卡接副卡接在一起，使得每两层相邻套管不会相互脱离，从而保证振冲器在工作过程中的安全性与稳定性。

具体的，如图6所示，本发明的伸缩式导杆包括顶层套管1、底层套管5和位于顶层套管与底层套管之间的中间套管。其中，在应用中，多层套管的中间套管可以采用多层，并且，伸缩式导杆的多层套管的长度可以根据使用需要而确定。优选的，本发明的多层套管其为5层套管，即，中间套管包括由内向外依次套装的三层套管3、4、5。其中，本发明伸缩式导杆的每层套管的长度为18-20米，从而使得伸缩式导杆的长度可达到90-100米，解决了现有技术振冲碎石桩机的导杆长度短、使得振冲碎石桩机无法对深度大于20米、尤其是大于50米以上的工程进行施工的问题。

其中，本发明的顶层套管1和中间套管中的第一套管2采用第一滑动副滑动连接，该第一滑动副包括：均布设置在顶层套管内壁的三个第一键槽；均布设置在中间套管第一套管2外壁的三个第一平键；其中，每个第一平键与对应的第一键槽配合；其中，第一键槽与第一平键分别沿顶层套管和中间套管第一套管2的轴向延伸。通过第一滑动副，使得中间套管的第一套管可以在顶层套管1内上下滑动，从而改变长度。优选的，为了使相邻两层套管轴向滑动顺利，分别设置在相邻两层套管上的第一键槽与第一平键采用间隙配合。

而为了防止第一套管在顶层套管内滑动时脱离顶层套管，在第一套管与顶层套管上分别设置用于将两者卡接在一起的第一卡接副。第一卡接副包括：环设在顶层套管1内壁底端且沿其径向朝中心方向凸出的第一承托耳；环设在第一套管外壁顶端且沿其径向朝外凸出的第一卡接台；其中，第一卡接台外缘虚拟圆的直径大于第一承托耳内缘虚拟圆的直径、小于顶层套管1的内径，从而使第一卡接台可以搭接在第一承托耳上，从而将第一套管与顶层套管卡接在一起。

其中，本发明的底层套管5和中间套管中的第三套管4采用第二滑动副滑动连接，如图10所示，该第二滑动副包括：均布设置在第三套管4内壁的三个第二键槽7；均布设置在底层套管5外壁的三个第二平键6；其中，第二平键与第二键槽配合；其中，第二键槽与第二平键分别沿第三套管和底层套管的轴向延伸。

同理，通过第二滑动副，使得底层套管5可以在中间套管的第三套管4内上下滑动，从而改变长度。优选的，为了使相邻两层套管轴向滑动顺利，分别设置在相邻两层套管上的第一键槽与第一平键采用间隙配合。

而为了防止底层套管在第三套管内滑动时脱离第三套管，在第三套管与底层套管上分别设置用于将两者卡接在一起的第二卡接副。如图12所示，第二卡接副包括：环设在第三套管内壁底端且沿其径向朝中心方向凸出的第二承托耳；环设在底层套管外壁顶端且沿其径向朝外凸出的第二卡接台；其中，第二卡接台搭接在第二承托耳上。

可见，第一滑动副和第二滑动副的滑动原理相同，第一卡接副和第二卡接副的卡接原理也相同，即通过在相邻两层套管上分别设置平键和/或键槽的方式使相邻两层套管滑动连接，而通过在相邻两层套管的顶端和/或底端分别设置承托耳和卡接台的方式使相邻两层套管卡接在一起。

其中，中间套管的每个套管的结构相同，如图11所示，这里以中间套管的第二套管3为例介绍中间套管中每个套管的结构。由图可知，中间套管的每个套管均包括：均布设置在套管外壁的多个平键6；环设在套管外壁顶端且沿其径向朝外凸出的卡接台15；均布设置在套管内壁的多个键槽7；以及环设在套管内壁底端且沿其径向朝中心方向凸出的承托耳16。

中间套管的第二套管与第一套管、第三套管分别通过平键、键槽之间的间隙配合滑动连接，并通过承托耳与卡接台的卡接配合而使第二套管与第一套管、第三套管分别卡接为一体，从而改变中间套管的轴向长度。

需要说明的是，第一承托耳、第二承托耳的结构与中间套管的承托耳16的结构相同、尺寸不同；第一卡接台、第二卡接台的结构与图11所示的卡接台的结构相同、尺寸不同；而第一平键、第二平键的结构与图11所示的平键的结构相同、尺寸不同；第一键槽、第二键槽的结构与图11所示键槽的结构相同、尺寸不同。各承托耳、卡接台、平键、键槽的尺寸根据相邻套管尺寸确定。

其中，在伸缩式导杆的底层套管5顶端设置有盖板17，且在盖板17上固定可使底层套管以及其它套管回缩的钢丝绳。优选的，在盖板17上设置有用于固定钢丝绳的吊耳18。

其中，在盖板上连接着用于使振冲器进行振冲碎石桩施工操作时形成水压动态平衡的第二水管和形成气压动态平衡的第二气管，并且，在盖板上穿有多个通孔(图中未示出)，用于使振冲器进行振冲碎石操作的第一水管、第一气管和电缆穿过盖板上对应的通孔及底层套管后与振冲器相连。

此外，在底层套管内设置有用于防止所述振冲器在进行振冲碎石桩施工操作时、穿过底层套管内的第一水管、第一气管和电缆抖动的填充物。填充物将底层套管内部填充密实，从而有效防止电缆、第一水管、第一气管在振冲器工作时的抖动，进而防止电缆、第一水管、第一气管因抖动造成的磨损。优选的，在底层套管内布置有用于使电缆穿过的塑料管。

其中，本发明伸缩式导杆的底层套管5底端与托盘8连接，托盘上设置有与伸缩式导杆的各层套管对应的用于分别向上承托各层对应套管的承托装置。

具体的，如图6所示，托盘包括：用于连接伸缩式导杆中的底层套管的圆筒；设置在圆筒外壁且沿其径向朝外伸出的承托装置；其中，在承托装置上设有沿其径向依次排布的多个阶梯台，其每个阶梯台用于承托伸缩式导杆中一个相应的套管。

由于托盘具有承托装置，并且承托装置上设置多个阶梯台，使得与托盘连接的伸缩式导杆回缩时，每个阶梯台可以承托起伸缩式导杆中对应的套管，使得各层套管可以顺利回缩，并在回缩后不会因重力作用再次伸长。

其中，圆筒与底层套管连接时，可以采用焊接的方式将两者连接为一体，也可以采用将圆筒套装在底层套管内或外的方式将两者连接为一体，当然，也可以采用其它的连接方式。

而如图13所示，承托装置可以为环设在圆筒外壁的承托盘，在承托盘上设置与伸缩式导杆的多层套管分别相对应的阶梯台。或者，为了减少托盘质量，采用图14所示的多个承托臂代替图13所示的承托盘，如图14所示，多个承托臂(图中显示三个承托臂)均布环设在圆筒外壁。

其中，如图13或图14所示，无论是采用承托盘还是承托臂，其上设置的沿其径向依次排布的多个阶梯台中，每个阶梯台分别用于承托伸缩式导杆中一个对应的套管。

由于伸缩式导杆为五层，因此，托盘中的阶梯台的数量也为五个，且每个阶梯台对应承托一层套管，即第一阶梯台10对应承托底层套管5，第二阶梯台11用于对应承托中间套管的第三套管4，第三阶梯台12对应承托第二套管3，第四阶梯台13对应承托第一套管2，第五阶梯台14对应承托顶层套管1。

优选的，朝着伸缩式导杆方向延伸的多个阶梯台由下至上依次上升，即，朝着伸缩式导杆方向延伸的多个阶梯台中，其每个阶梯台所在虚拟圆的直径逐渐减小，且每个阶梯台的直径和伸缩式导杆中与其对应的一层套管底部端面的直径相当，以便每个阶梯台可以对应承托一层套管，使套管回缩。

托盘8底端通过过渡接头9与振冲器连接。当电缆从布置于底层套管里的塑料管里向下穿过时，通过过渡接头与振冲器连接。过渡接头可以保证绝缘、防水、抗磨损；在过渡过渡接头内实现水管、气管和电缆的对接和定位，第一水管的水通过过渡接头连接到振冲器并从振冲器最下端喷出，第一气管与过渡接头上的出气孔连接。

其中，用于使振冲器形成水压、气压动态平衡的第二水管、第二气管以及用于使振冲器形成振冲碎石桩施工操作的第一水管、第一气管均分别设计有单向阀，从而防止水、气倒流回相应的水管、气管里。

其中，本发明伸缩式导杆的各层套管在重力作用下实现下放，从而使长度加长；而伸缩式导杆在钢丝绳的作用下回缩，如，当钢丝绳在钢丝绳卷扬装置的作用下上移时，钢丝绳拉动伸缩式导杆的底层套管，使底层套管向上回缩；当底层套管向上回缩到中间套管的第三套管内时，托盘上与第三套管对应的阶梯台承托着第三套管的底端，并带动第三套管随着底层套管向上回缩；以此类推，直至中间套管的第一套管回缩到顶层套管内。

需要说明的是，本发明中，各滑动副除了采用上述的键槽、平键连接的结构形式之外，还可以采用现有技术中可使套接在一起的相邻套管实现轴向滑动的任意滑动连接的结构；同样，用于将相邻两层套管套装在一起的卡接副除了上述的承托耳、卡接台的卡接结构之外，也可以采用现有技术中的卡接结构。而现有技术中的滑动连接方式、卡接方式有多种，在此不一一例举。

如图15所示，为本发明提供的振冲器系统的结构示意图，由图可知，振冲器系统包括：其顶端与伸缩式导杆连接的减震器组件220、与减震器组件底端连接的过渡接头230，与过渡接头连接的电机240，由电机驱动的振动体250，其中，电机为变频电机。

由于本发明的电机为变频电机，在振冲碎石桩机工作时，通过设置在振冲器外部的变频器，可以使电机实现无级调速，从而可以满足振冲碎石桩机在深度为40-90米的复杂地层条件下的振冲桩施工要求：当意外停电或出现其它故障而使振动体补卡住时，通过变频器使电缆所输送电流从零开始逐渐增加，从而能够顺利地启动振动体，使振动体进行振冲碎石操作；而根据地层的不同状态，通过调节变频电机的频率，可以使振动体频率与地层的地基土频率相同，从而使振动体与地基土发生共振，使振动体穿透地基土的能力大大增强，提高了振动体的施工效率，即，提高了振冲器的施工效率。

而如图16所示，本发明减震器组件220包括：呈筒形的橡胶减震器201；埋置在橡胶减震器201顶端的用于连接导杆的上连接法兰202；埋置在橡胶减震器201底端的用于连接过渡接头的下连接法兰203；其中，上连接法兰2和导杆的结合面上设置有上密封结构；其中，下连接法兰203和过渡接头的结合面上设置有下密封结构。

具体的，如图16所示，本发明的减震器组件中，在上连接法兰2和导杆的结合面上设置有上密封结构，该上密封结构包括：设置在上连接法兰202顶端的环形槽204；安置在环形槽204内的上密封圈(图中未示出)，其中，上密封圈为O形密封圈。通过O形密封圈将上连接法兰与导杆的结合面密封，提高结合面处的密封性。

此外，在下连接法兰203和过渡接头的结合面上设置有下密封结构(图中未示出)，该下密封结构与上密封结构相同，在此不再重述。

此外，本发明的减震器组件还包括埋置在橡胶减震器201内的用于提高橡胶减震器抗拉和抗扭能力的内帘线208，其由尼龙绳和钢线组合制成，埋置在橡胶减震器的任一横截面上，优选的，内帘线埋置在橡胶减震器位于中间的横截面上。通过将内帘线埋置在橡胶减震器内部，大大提高了减震器的抗拉和抗扭能力，避免了对与其连接的导杆的损坏，并对电缆、水管和与导杆连接的钢丝绳起到保护作用。

更进一步的，如图16所示，本发明的减震器组件还包括埋置在上连接法兰202和/或下连接法兰203与橡胶减震器201结合面处的抗拉结构，该抗拉结构包括：预设在上连接法兰202和/或下连接法兰203与橡胶减震器201的横向结合面处的螺纹孔209；以及埋置在上连接法兰202和/或下连接法兰203与橡胶减震器201的纵向结合面处的内螺套210。

通过在橡胶减震器与上、下连接法兰的沿横向的结合面处预设螺纹孔，可以使上、下连接法兰分别与导杆和过渡接头连接时，直接通过螺钉即可将上连接法兰、导杆和橡胶减震器连接为一体，以及通过螺钉将橡胶减震器和下连接法兰、过渡接头连接为一体，从而安装或拆卸方便，便于维修，并且，螺纹孔预设在橡胶减震器内，提高连接上下连接法兰与导杆和过渡接头的连接强度。

此外，在橡胶减震器与上下连接法兰沿纵向的结合面处还埋置有内螺套，从而增加了橡胶减震器与上、下连接法兰的粘合面积，提高了橡胶减震器与两个连接法兰之间的耐压密封和抗拉密封性能。本发明的上下连接法兰通过螺钉与导杆或过渡接头连接，可以增加减震器横截面上的减震横截面，提高减震效果。

其中，如图16所示，本发明在橡胶减震器201内部还埋置有用于将其顶端和底端分别与上连接法兰202和下连接法兰203连接为一体的预埋螺栓211。优选的，预埋螺栓211的螺帽和上连接法兰202或下连接法兰203连接处设置有预置法兰212。通过预埋螺栓211，增加了橡胶减震器与上、下连接法兰之间的连接强度，并且提高了橡胶减震器的减震效果。

需要说明的是，本发明中的螺栓211、预置法兰212、内螺套210分别埋置在橡胶减震器内，即，在制作过程中，上述部件与上、下连接法兰一样，均在模具内摆放好，然后将橡胶浇注在模具内，使上述各部件与橡胶一起形成一体的橡胶减震器。通过改变传统减震器的构造及制作工艺，大大提高了本发明减震器组件的减震效果，使振冲器在振冲操作时的激振力迅速衰减，解除了振冲器振动力对导杆和起吊设备造成的破坏。

本发明的减震器组件，与现有技术振冲器中的减震器组件相比具有如下区别：在形状上，不再采用圆台型的结构，而是采用圆柱体的结构；在制作时，不再采用传统的由薄钢板内部铸橡胶的方式制成的减震器，而是采用由高强度的橡胶材料直接制成减震器，简化了制作工序，并且，在制作过程中，将上、下连接法兰等部件按预设位置摆放在模具内，再采用橡胶浇注在模具内形成橡胶减震器，从而得到上下连接法兰等部件埋置在橡胶减震器内且与其一体成形的结构，大大增加上下连接法兰等部件与橡胶减震器的连接强度，提高减震器组件的使用寿命；此外，上、下连接法兰与导杆和过渡接头的结合面上分别设置有上、下密封结构，从而提高结合面处密封的可靠性，提高减震器的减震效果。

本发明的振冲器系统，解决了传统振冲器系统频率固定、不能根据不同地层调节频率、使得振冲造孔以及制桩施工效率下降、深度超过40米(尤其是深度为90米)的地层根本无法施工的问题。本发明的振冲器为大功率变频式电动振冲器，因此可以大幅度提高振冲施工工效：目前国内振冲器转速均在1460-1480r/min，通过变频可以实现转速0-1800r/min，根据地基土的不同状况(如砂层、砂卵石地层，粉土，淤泥质土本身自振频率不同)，调节振冲器频率使振冲器频率与地基土频率相同并发生共振，从而使振冲器穿透能力大大增强，极大提高施工效率。

尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于振冲碎石桩机的水气联动沉沙阻止方法，其特征在于：所述振冲碎石桩机包括：起重机系统、自动进给系统、钻杆系统及振冲器系统；所述自动进给系统的电缆卷扬装置、水管卷扬装置、气管卷扬装置和钢丝绳卷扬装置为同步进给；所述钻杆系统的导杆为伸缩式导杆；所述方法包括：

在所述振冲碎石桩机进行振冲器超深施工时，随着振冲深度增加或减小，逐渐在桩孔中伸展或收缩伸缩式导杆，以便使位于伸缩式导杆下方的所述振冲器向下振冲造孔或向上加密制桩；

在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，通过持续向所述伸缩式导杆内注水，在伸缩式导杆内充满压力水；

通过使所述伸缩式导杆内水压始终大于桩孔的水压，迫使所述伸缩式导杆内的压力水从伸缩式导杆的套管间隙流向桩孔中泥浆，实现水压动平衡，以防止泥浆中的砂石进入并卡在所述套管间隙中；以及

在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，通过持续向所述伸缩式导杆内注气，将进入所述伸缩式导杆内的沙子从下向上吹动，使沙子在管内沸腾，从而防止管内沉沙；

其中，所述伸缩式导杆包括：由内向外依次套接的多层套管；

其中，所述的使所述伸缩式导杆内水压始终大于桩孔的水压包括：

在伸缩式导杆的顶层套管的上方安装连通所述顶层套管空腔并具有出水口的集水槽；

通过控制泵入到伸缩式导杆的底层套管的清水流量，使管内清水在从套管间隙流向管外的同时，上升到所述集水槽，并从集水槽出水口排出；

在施工过程中通过将所述集水槽位于地面之上，形成伸缩式导杆内压力水与桩孔中混合水的水位差，从而迫使伸缩式导杆内的水压始终大于桩孔的水压。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多层套管包括一个所述顶层套管、一个或多个中间套管和一个所述底层套管。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的持续向所述伸缩式导杆内注水包括：

将专用于向管内注水的注水管的出口安装到所述伸缩式导杆的底层套管的下端，以便引入用来阻止管外含有泥浆碎石的混合水经由套管间隙流入管内的清水；

将外部的清水经由所述注水管持续泵入到所述底层套管的下端，以便所述清水从底层套管的下端向顶层套管流动。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述的持续向伸缩式导杆内注气包括：

将专用于向管内注气的注气管的出口安装到所述伸缩式导杆的底层套管的下端；

通过控制注入的气体的气压，使注入的气体将进入所述伸缩式导杆内的沙子从下向上吹动到所述集水槽，并从集水槽出水口排出。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述顶层套管和与其相邻的中间套管设有用来滑动连接的第一滑动副，以及用来在伸展后将两者卡接在一起的第一卡接副；以及所述底层套管和与其相邻的中间套管设有用来滑动连接的第二滑动副，以及用来在伸展后将两者卡接在一起的第二卡接副。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一滑动副包括：

设置在所述顶层套管内壁的至少一个第一键槽；

设置在所述中间套管外壁的至少一个第一平键；

其中，所述第一平键与所述第一键槽配合；

其中，所述第一键槽与所述第一平键分别沿所述顶层套管和中间套管的轴向延伸。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一卡接副包括：

环设在所述顶层套管内壁底端且沿其径向朝中心方向凸出的第一承托耳；

环设在所述中间套管外壁顶端且沿其径向朝外凸出的第一卡接台；

其中，所述第一卡接台搭接在所述第一承托耳上。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述伸缩式导杆连接一个用于将伸展的多个套管收拢的托盘，其包括：

用于连接所述导杆中的底层套管的圆筒；

设置在圆筒外壁且沿其径向朝外伸出的承托装置；

其中，在所述承托装置上设有沿其径向依次排布的多个阶梯台，其每个阶梯台用于承托所述导杆中一个相应的套管。

9.一种用于振冲碎石桩机的水气联动沉沙阻止系统，所述振冲碎石桩机包括：起重机系统、自动进给系统、钻杆系统及振冲器系统，所述自动进给系统的电缆卷扬装置、水管卷扬装置、气管卷扬装置和钢丝绳卷扬装置为同步进给，其特征在于：所述钻杆系统中的导杆为伸缩式导杆；水泵向所述伸缩式导杆供应使其管内水压动平衡的清水；其中：

在所述振冲碎石桩机进行振冲器超深施工时，随着振冲深度增加或减小，钢丝绳卷扬装置向下伸展或向上收缩伸缩式导杆中套管，以便使位于伸缩式导杆下方的所述振冲器向下振冲造孔或向上加密制桩；

在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，所述水泵通过持续向所述伸缩式导杆内注水，在伸缩式导杆内充满压力水；

通过使所述伸缩式导杆内水压始终大于桩孔的水压，迫使所述伸缩式导杆内的压力水从伸缩式导杆的套管间隙流向桩孔中泥浆，实现管内水压动平衡，以防止泥浆中的砂石进入并卡在所述套管间隙中；以及

在所述伸缩式导杆逐渐伸展或收缩期间，通过持续向所述伸缩式导杆内注气，将进入所述伸缩式导杆内的沙子从下向上吹动，使沙子在管内沸腾，从而防止管内沉沙；

其中，所述伸缩式导杆包括：由内向外依次套接的多层套管；

其中，所述的使所述伸缩式导杆内水压始终大于桩孔的水压包括：

在伸缩式导杆的顶层套管的上方安装连通所述顶层套管空腔并具有出水口的集水槽；

通过控制泵入到伸缩式导杆的底层套管的清水流量，使管内清水在从套管间隙流向管外的同时，上升到所述集水槽，并从集水槽出水口排出；

在施工过程中通过将所述集水槽位于地面之上，形成伸缩式导杆内压力水与桩孔中混合水的水位差，从而迫使伸缩式导杆内的水压始终大于桩孔的水压。