CN105257215B - 一种采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法，包括以下步骤：(1)搭设便桥及水上施工平台；(2)钻机就位；(3)安装钻杆；(4)设置泥浆循环系统；(5)钻孔施工。本发明的施工平台能承载大体积、大自重的大直径反循环牙轮钻机；使用独特的钻杆，具有很强的抗折、抗扭、承压性能；在遇到不同硬质岩层时可更换不同的牙轮钻头；采用钻杆加压装置，当钻进过慢时可通过钻杆加压装置对钻杆加压，加大挤压破碎和切岩能力；对泥浆的比重要求较低，可使用河水直接进行补水，在灌桩前提钻，可减少清孔的施工步骤。

Description

一种采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁桩基桩孔的施工方法，尤其涉及一种采用大直径牙轮钻机进行水中桩孔施工的方法。

背景技术

目前的公路跨河桥梁施工，对于水中的桩基桩孔施工，通常采用旋挖钻、冲击钻、循环钻(正循环、反循环)等进行钻孔。旋挖钻是通过螺旋钻头破碎岩石，在钻进硬质或极硬岩层过程中易晃动，成孔质量较难控制，且水上作业时危险系数较大，钻渣收集过程中极易造成污染；冲击钻是通过钻锤反复击打破碎岩石，功效低，噪音大，桩孔灌注前清孔麻烦；而且两者对泥浆要求都比较高，要求泥浆要有很好的护壁性能，施工成本高。

反循环钻机是通过旋转盘带动钻头切削破碎孔内岩土，并通过泥浆的循环保护桩孔和出渣，即通过泥浆的循环，把钻孔里的钻渣带出来。用泥浆泵从桩孔口(钻杆外面)向桩孔里输送泥浆，并向孔底喷射压缩空气，从钻杆的内腔把泥浆抽出来，循环能力和排渣能力都比较强，不但排渣比较干净，而且颗粒比较大的钻渣也能排出来。反循环钻机比较适合水中钻孔施工，但一般只适用于地质比较松软的地层中钻进成孔。

牙轮钻机是一种大、中型露天矿开采中经常使用的钻孔设备。牙轮钻机钻孔时，牙轮钻头在岩石上同时钻进和回转，对岩石产生静压力和冲击动压力作用，切削冲击破碎岩石；将一定压力和流量流速的压缩空气，通过钻杆内腔从钻头喷嘴喷出，将岩渣从孔底沿钻杆不断地排至孔外，直至形成所需孔深的钻孔，在钻进硬质或极硬岩层时穿孔效率较高。但普通的牙轮钻机排渣能力弱，钻孔孔径小，且钻机体积及自重大，交通运输不便，不适合水中钻孔施工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水中桩基钻孔方法，对矿用牙轮钻进行改进，使其适用于水中桩基成孔作业，利用其在钻进硬质或极硬岩层时穿孔效率较高的优点，提高施工效率。

本发明的技术方案如下：

一种采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)搭设便桥及水上施工平台：自岸边向水中搭设便桥，然后搭设连接便桥的长方形的水上施工平台，沿长度方向将施工平台划分为主平台和辅平台，主平台位于桩位一侧，用于安放钻机，辅平台位于桩位上方，辅平台上预留钻孔施工口；所述水上施工平台采用钢管桩作为支撑基础，沿平台横向在钢管桩顶部设置盖梁，沿平台纵向在盖梁顶部正对钢管桩处，设置贝雷梁作为主梁；在主平台一侧，在贝雷梁上方每隔一定间距设置一主平台横梁，在主平台横梁上每隔一定间距设置一纵梁，纵梁上铺设主平台面板；在辅平台一侧，在贝雷梁上方每隔一定间距设置一辅平台横梁，在辅平台横梁上铺设辅平台面板，铺设主平台横梁和辅平台面板时，在正对桩位的上方预留钻孔施工口；

(2)钻机就位：通过便桥将大直径反循环牙轮钻机运至施工平台，安放在施工平台的主平台上；

(3)安装钻杆：起竖大直径反循环牙轮钻机门式架，在门式架一侧安装钻杆，所述钻杆由多个钻杆段连接，每个钻杆段为圆筒体，其一端外筒壁上设有外螺纹，另一端连接一端帽，所述端帽的内壁设有与所述外螺纹配合的内螺纹，每个钻杆段的外壁上，靠近所述外螺纹处设有两个突出于钻杆段外壁面的定位卡，所述端帽与钻杆段连接处焊接至少两条相对的加强肋；钻杆位于桩孔上方，在钻杆的顶部安装钻杆加压装置；所述钻杆加压装置包括两个滑轮组、一压杠、一固定联结卡和两个卷扬机，每个所述滑轮组包括一定滑轮和一动滑轮，所述定滑轮固定在所述门式架的上端，滑轮绳绕过所述定滑轮和动滑轮，滑轮绳的一端与所述门式架的上端固定连接，另一端与所述压杠顶部固定连接；所述压杠与所述钻杆的轴心垂直设置；所述固定联结卡是一内设有转动轴承的套管，固定联结卡的上端与所述压杠的底部中间固定连接，所述钻杆的上端活动套装在所述固定联结卡内，所述固定联结卡的轴心与所述钻杆的轴心重合；所述两个卷扬机分别通过钢丝绳连接所述压杠的两端；

(4)设置泥浆循环系统：在主平台上设置一泥浆池，按普通反循环钻的泥浆出浆结构设置出浆管，出浆管一端与钻杆内腔连通，一端放置在泥浆池上方；泥浆池外侧壁靠近底部设置一与泥浆池内部连通的回浆管；

(5)钻孔施工：在桩孔处设置钢护筒，根据桩孔处地质岩层的硬度，在钻杆下端安装适当的牙轮钻头，启动钻机，钻杆沿钢护筒向下开始钻孔；钻孔过程中，将回浆管出水管的出口放置在钢护筒上方，使桩孔内的泥浆携带钻渣通过钻杆内腔及出浆管流入泥浆池，泥浆沉淀后通过回浆管流回桩孔内，再在河水中设置一潜水泵，通过潜水泵直接抽河水向桩孔内补水；当钻孔进尺较慢时，通过钻杆加压装置向钻杆提供轴向压力，加快钻进速度，直至达到设计的桩孔深度。

本发明采用的大直径反循环牙轮钻机，综合了旋挖钻、冲击钻、反循环钻、牙轮钻的优点，在硬质或极硬质地质条件下，能加快钻孔速度。本发明通过搭设特殊的施工平台结构，使之能承载大体积、大自重的大直径反循环牙轮钻机；使用独特的钻杆，具有很强的抗折、抗扭、承压性能；在遇到不同硬质岩层时可更换不同的牙轮钻头；采用钻杆加压装置，当钻进过慢时可通过钻杆加压装置对钻杆及钻头增加轴向压力，加大挤压破碎和切岩能力，提高工效；本发明采用反循环钻机的泥浆循环方式，但对泥浆的比重要求较低，可使用河水直接进行补水，减小造浆工序，避免对河水污染，在灌桩前提钻，可减少普通钻机灌桩前清孔的施工步骤；本发明具体实施过程中，不仅钻孔效率高，而且通过对成孔的检测，能满足桩基的施工要求，有效保证施工质量，降低成本。

附图说明

图1是本发明的施工流程图；

图2是施工平台的俯视平面图；

图3是施工平台的横向断面结构示意图；

图4是本发明采用的大直径反循环牙轮钻机的整体结构示意图；

图5是钻杆段的结构示意图；

图6是钻杆段设置外螺纹一端的平面结构图，显示定位卡的结构；

图7是钻杆段的连接结构示意图；

图8是钻杆加压装置的结构示意图；

图9是三叶锥形钻头的侧视结构示意图；

图10是三叶锥形钻头的底部平面结构示意图；

图11是四叶轮齿钻头的侧视结构示意图；

图12是四叶轮齿钻头的底部平面结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法，包括以下步骤：

(1)搭设便桥及水上施工平台：自岸边向水中搭设便桥，然后搭设连接便桥的长方形的水上施工平台，沿长度方向将施工平台划分为主平台和辅平台，主平台位于桩位一侧，用于安放钻机，辅平台位于桩位上方，辅平台上预留钻孔施工口；

(2)钻机就位：通过便桥将大直径反循环牙轮钻机运至施工平台，安放在施工平台的主平台上；

(3)安装钻杆及钻杆加压装置：起竖大直径反循环牙轮钻机门式架，在门式架一侧安装钻杆，钻杆位于桩孔上方，在钻杆的顶部安装钻杆加压装置；

(4)设置泥浆循环系统：在主平台上设置一泥浆池，按普通反循环钻的泥浆出浆结构设置出浆管，出浆管一端与钻杆内腔连通，一端放置在泥浆池上方；泥浆池外侧壁靠近底部设置一与泥浆池内部连通的回浆管；

(5)安装钻头，钻孔施工：在桩孔处设置钢护筒，根据桩孔处地质岩层的硬度，在钻杆下端安装适当的牙轮钻头，启动钻机，钻杆沿钢护筒向下开始钻孔；钻孔过程中，将回浆管出水管的出口放置在钢护筒上方，使桩孔内的泥浆携带钻渣通过钻杆内腔及出浆管流入泥浆池，泥浆沉淀后通过回浆管流回桩孔内，再在河水中设置一潜水泵，通过潜水泵直接抽河水向桩孔内补水；当钻孔进尺较慢时，通过钻杆加压装置向钻杆提供轴向压力，加快钻进速度，直至达到设计的桩孔深度。

以下以一个具体的跨河桥梁桩基施工为例，对本发明进一步说明。

本实施例中，桥梁每跨桥墩处有4个桩位。以水中桩位的位置为参考标准，自岸边向水中搭设一便桥，然后搭设一个宽10m，长30m的施工作业平台。

所述施工平台1的结构如图2、图3所示，沿长度方向将施工平台划分为主平台10和辅平台11，主平台10位于桩位2一侧，用于安放钻机，辅平台11位于桩位2上方，辅平台上预留钻孔施工口111；整个施工平台1采用钢管桩101作为支撑基础，沿平台横向在钢管桩101顶部设置盖梁102，所述盖梁102采用2I36工字钢，即将两根I36工字钢并焊。盖梁102与钢管桩101焊接连接。

沿平台纵向在盖梁102顶部，正对每一排钢管桩处，设置一组贝雷梁103作为主梁，每一组贝雷梁103包括两片单层贝雷梁，两片单层贝雷梁用支撑架104连接；相邻的两组贝雷梁103之间通过斜拉撑105连接。

贝雷梁103搭设好后，在主平台10一侧，在贝雷梁103顶部每隔一定间距设置一主平台横梁106，在主平台横梁106上每隔一定间距设置一纵梁107，纵梁107上铺设主平台面板108(图3中示出局部)。

所述主平台横梁106可采用I25#工字钢，相邻主平台横梁按间距为90cm设置；所述纵梁107可采用I12#工字钢，相邻纵梁按间距为30cm设置；主平台面板108可采用8mm印花钢纹板。

在辅平台一侧，在贝雷梁103上方每隔一定间距设置一辅平台横梁109，在辅平台横梁109上铺设辅平台面板110(图3中示出局部)，铺设主平台横梁和辅平台面板时，在正对桩位的上方预留钻孔施工口111。

所述辅平台横梁107可采用I36工字钢，相邻辅平台横梁按间距为90cm设置，辅平台面板可采用1.4cm厚的钢板。

最后，为保证施工安全，可沿作业平台长度方向，在作业平台两侧，设置防护栏112。

施工平台1搭设完成后，通过便桥将大直径反循环牙轮钻机运至施工平台，安放在施工平台的主平台上。

如图4所示是所述大直径反循环牙轮钻机3的整体结构，包括履带车31，履带车上设有操作台32、电机33、钻机动力系统34、门式架35。

钻机3就位后，起竖门式架35，在门式架35一侧安装钻杆36，钻杆36位于桩位2上方。所述钻杆36由多段钻杆连接。

如图5、图6、图7所示，钻杆36为圆筒体，每段钻杆36一端外筒壁上设有外螺纹361，另一端连接一端帽362，所述端帽362的内壁设有与所述外螺纹361配合的内螺纹363。

本发明采用的钻杆内径较大，至少为32cm，是普通反循环钻杆的2倍。钻杆是钻头的直接带动者，施工中容易出现钻杆扭转过度和弯曲变形，造成断管和脱管。为提高钻杆的抗折、抗扭、承压性能，避免断管和脱管现象，本发明在每段钻杆的外壁上，靠近所述外螺纹361处设有两个突出于钻杆外壁面的定位卡364，所述端帽362与钻杆连接处焊接至少两条相对的加强肋365。

参见图4，本发明在钻杆的顶部还设置有钻杆加压装置37。如图8所示，所述钻杆加压装置37包括两个滑轮组、一压杠371、一固定联结卡372和两个卷扬机373，每个所述滑轮组包括一定滑轮374和一动滑轮375，所述定滑轮374固定在所述门式架35的上端，滑轮绳376绕过所述定滑轮374和动滑轮375，滑轮绳376的一端与门式架35的上端固定连接，另一端与所述压杠371顶部固定连接；所述压杠371与所述钻杆36的轴心垂直设置；所述固定联结卡372是一内设有转动轴承的套管，固定联结卡372的上端与所述压杠371的底部中间固定连接，所述钻杆36的上端活动套装在所述固定联结卡372内，所述固定联结卡372的轴心与所述钻杆36的轴心重合；所述两个卷扬机373分别通过钢丝绳377连接所述压杠371的两端。

本发明采用反循环钻机泥浆循环方式排出桩孔内钻渣，因此需要设置泥浆循环系统。

参见图4所示，在施工平台的主平台上设置一泥浆池4，按普通反循环钻的泥浆出浆结构设置一出浆管5，出浆管5一端与钻杆36内腔连通，一端放置在泥浆池4上方；在泥浆池外侧壁靠近底部设置一与泥浆池内部连通的回浆管41。钻孔前，在桩孔处设置钢护筒6，且钢护筒长度应穿过淤泥软弱层。将回浆管41的出口放置在钢护筒上方。另外，在河水中设置一潜水泵8，潜水泵8的出水管口也位于钢护筒上方。在钻杆36下端安装牙轮钻头7。

针对不同地质条件，本发明对牙轮钻头7结构也做了改进，提供了三叶锥形钻头和四叶轮齿钻头，其中三叶锥形钻头适用于普通岩层，四叶轮齿钻头适用于硬质或极硬岩层。这两种钻头都便于嵌入岩层和产生大扭矩。

图9、图10所示为所述三叶锥形钻头71的结构示意图，包括一圆环形钻头体711、一穿过所述钻头体711中心的圆筒形泥浆筒712和三片钻头侧板713，所述泥浆筒712的轴心与所述钻头体711的轴心重合，每片钻头侧板713的一端与所述钻头体711的边缘焊接，另一端与所述泥浆筒712的一端部的外壁焊接，两相邻的钻头侧板713之间的夹角为120度；在泥浆筒与钻头侧板焊接一端的端部，还设有一U形的钻头锥头714，所述钻头锥头712的两端分别与所述泥浆筒712的端部的外壁焊接，所述钻头侧板713和所述钻头锥头714上，均设有多个锥齿715。

图11、图12所示是所述四叶轮齿钻头72的结构示意图，包括一圆环形的钻头盘721，钻头盘721中部连接一圆筒形的钻杆连接管722，所述钻杆连接管722的轴心与所述钻头盘721的轴心重合；所述钻头盘721内侧设有四片钻头叶片723，四片钻头叶片723的一端分别与钻头盘721的内侧壁焊接，另一端汇聚在钻头盘的轴心处并焊接在一起；所述钻头叶片上723和钻头盘721侧壁及底部边缘，均设有多个轮齿724。

本发明可根据地质条件选择适当的钻头。对于普通岩层(含强风化岩)时，使用三叶锥形钻头，三叶锥形钻头以尖端锥齿为主，先嵌切入岩，再以倒锥三片钻头侧板钻进；当遇到硬质或极硬岩层时(如遇到中风化砂岩)，使用四叶轮齿钻头。四叶轮齿钻头端、侧、环边均设有轮齿，以旋挖方式钻进。

钻头安装好后，启动钻机，钻杆沿钢护筒向下开始钻孔；本发明采用反循环钻机的泥浆循环原理，钻孔过程中，向桩孔底部喷射压缩空气，使桩孔内的泥浆携带钻渣通过钻杆内腔及出浆管流入泥浆池，泥浆沉淀后，通过回浆管流回桩孔内。采用本发明的钻孔方法，对泥浆比重要求较低，介于1.04-1.1之间，因此可在河水中设置一潜水泵8，采用潜水泵直接抽河水向桩孔内补水。

当钻孔进尺较慢时，可通过钻杆加压装置向钻杆提供轴向压力，以加快钻进速度，直至达到设计的桩孔深度。具体方法是，启动钻杆加压装置的两卷扬机同时工作，向下反拉钢丝绳，使压杠高度下降对钻杆加压，从而增加对钻头的轴压力和回转扭矩，加大对岩石产生静压力和冲击动压力作用，提高破碎岩石的效率加快钻进速度。具体操作过程中，对钻杆的最大施压荷载不宜超过钻杆自重。

本发明不仅钻孔效率高，还简化了灌桩前的施工工序。本发明由于采用的泥浆比重较低，不需要专门造浆，减小了普通钻孔方法的造浆工序，钻孔完成后，在灌桩前开机提钻，不需要专门的清孔工序，因此不仅整个桩基施工效率大大提高，还降低了施工成本。

Claims (7)

1.一种采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)搭设便桥及水上施工平台：自岸边向水中搭设便桥，然后搭设连接便桥的长方形的水上施工平台，沿长度方向将施工平台划分为主平台和辅平台，主平台位于桩位一侧，用于安放钻机，辅平台位于桩位上方，辅平台上预留钻孔施工口；所述水上施工平台采用钢管桩作为支撑基础，沿平台横向在钢管桩顶部设置盖梁，沿平台纵向在盖梁顶部正对钢管桩处，设置贝雷梁作为主梁；在主平台一侧，在贝雷梁上方每隔一定间距设置一主平台横梁，在主平台横梁上每隔一定间距设置一纵梁，纵梁上铺设主平台面板；在辅平台一侧，在贝雷梁上方每隔一定间距设置一辅平台横梁，在辅平台横梁上铺设辅平台面板，铺设主平台横梁和辅平台面板时，在正对桩位的上方预留钻孔施工口；

(2)钻机就位：通过便桥将大直径反循环牙轮钻机运至施工平台，安放在施工平台的主平台上；

(3)安装钻杆：起竖大直径反循环牙轮钻机门式架，在门式架一侧安装钻杆，所述钻杆由多个钻杆段连接，每个钻杆段为圆筒体，其一端外筒壁上设有外螺纹，另一端连接一端帽，所述端帽的内壁设有与所述外螺纹配合的内螺纹，每个钻杆段的外壁上，靠近所述外螺纹处设有两个突出于钻杆段外壁面的定位卡，所述端帽与钻杆段连接处焊接至少两条相对的加强肋；钻杆位于桩孔上方，在钻杆的顶部安装钻杆加压装置；所述钻杆加压装置包括两个滑轮组、一压杠、一固定联结卡和两个卷扬机，每个所述滑轮组包括一定滑轮和一动滑轮，所述定滑轮固定在所述门式架的上端，滑轮绳绕过所述定滑轮和动滑轮，滑轮绳的一端与所述门式架的上端固定连接，另一端与所述压杠顶部固定连接；所述压杠与所述钻杆的轴心垂直设置；所述固定联结卡是一内设有转动轴承的套管，固定联结卡的上端与所述压杠的底部中间固定连接，所述钻杆的上端活动套装在所述固定联结卡内，所述固定联结卡的轴心与所述钻杆的轴心重合；所述两个卷扬机分别通过钢丝绳连接所述压杠的两端；

(4)设置泥浆循环系统：在主平台上设置一泥浆池，按普通反循环钻的泥浆出浆结构设置出浆管，出浆管一端与钻杆内腔连通，一端放置在泥浆池上方；泥浆池外侧壁靠近底部设置一与泥浆池内部连通的回浆管；

(5)钻孔施工：在桩孔处设置钢护筒，根据桩孔处地质岩层的硬度，在钻杆下端安装适当的牙轮钻头，启动钻机，钻杆沿钢护筒向下开始钻孔；钻孔过程中，将回浆管出水管的出口放置在钢护筒上方，使桩孔内的泥浆携带钻渣通过钻杆内腔及出浆管流入泥浆池，泥浆沉淀后通过回浆管流回桩孔内，再在河水中设置一潜水泵，通过潜水泵直接抽河水向桩孔内补水；当钻孔进尺较慢时，通过钻杆加压装置向钻杆提供轴向压力，加快钻进速度，直至达到设计的桩孔深度。

2.根据权利要求1所述的采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法，其特征在于：所述主平台横梁按间距为90cm设置；所述纵梁按间距为30cm设置；所述辅平台横梁按间距为90cm设置。

3.根据权利要求1所述的采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法，其特征在于：所述钻杆的内径为至少32cm。

4.根据权利要求1所述的采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，通过钻杆加压装置向钻杆提供轴向压力，最大施压荷载不超过钻杆自重。

5.根据权利要求1所述的采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法，其特征在于：所述牙轮钻头包括三叶锥形钻头和四叶轮齿钻头，钻孔过程中，在钻进普通岩层时使用三叶锥形钻头，遇到硬质或极硬岩层时更换四叶轮齿钻头。

6.根据权利要求5所述的采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法，其特征在于：所述三叶锥形钻头，包括一圆环形钻头体、一穿过所述钻头体的圆筒形泥浆筒和三片钻头侧板，所述泥浆筒的轴心与所述钻头体的轴心重合，每片钻头侧板的一端与所述钻头体的边缘焊接，另一端与所述泥浆筒的一端部的外壁焊接，两相邻的钻头侧板之间的夹角为120度；在泥浆筒与钻头侧板焊接一端的端部，还设有一U形的钻头锥头，所述钻头锥头的两端分别与所述泥浆筒的端部的外壁焊接，所述钻头侧板和所述钻头锥头上，均设有多个锥齿。

7.根据权利要求5所述的采用大直径反循环牙轮钻进行水中桩基钻孔的方法，其特征在于：所述四叶轮齿钻头，包括一圆环形的钻头盘，所述钻头盘中部连接一圆筒形钻杆连接管，所述钻杆连接管的轴心与所述钻头盘的轴心重合；所述钻头盘内侧设有四个钻头叶片，四个钻头叶片的一端分别与钻头盘的内侧壁焊接，另一端汇聚在钻头盘的轴心处并焊接在一起，所述钻头叶片上和钻头盘侧壁及底部边缘，均设有多个轮齿。