CN106761474B - 一种可主动运渣土的全套管工法用钢套管及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可主动运渣土的全套管工法用钢套管，包括若干钢套管和螺旋钻杆以及用于掘土的钻头，若干所述螺旋钻杆由下至上顺序轴向连接，并沿其轴向贯穿在由下至上顺序轴向连接的钢套管内部，最上端的所述钢套管设有排渣口，所述钻头的底部设有高压水枪的连接口，所述钻头安装于最下端的螺旋钻杆，所述螺旋钻杆的叶片与钢套管内壁固定连接，钢套管带动螺旋钻杆转动过程中，螺旋向上的叶片将钻头掘起的渣土输送至排渣口。本发明的钢套管对贝诺托工法用钢套管结构进行改造，提出将钢套管与螺旋钻杆固定的技术方案，从而实现施工过程边掘进边取土，提高施工效率，节约施工时间与成本，产生显著的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工领域，具体涉及一种钢套管及其施工方法。
背景技术
伴随着中国交通工程建设蓬勃发展阶段的到来，桥梁建设迎来新的高潮，为适应不同场地条件，各类桥梁基础施工方法应运而生，桩基础作为最古老的基础类型之一，由于设计施工工艺及施工设备条件的提升，使其施工技术蓬勃发展，20世纪40年代初，伴随着大功率钻孔设备的研制成功，钻孔灌注桩在美国问世，在高、重结构，特别是桥梁工程中，钻孔灌注桩已成为最常见的桩型之一，然而，由于现场灌注钻孔灌注桩的成桩质量不易控制，施工过程中容易发生塌孔，20世纪50年代初期，法国公司首创全套管护壁钻孔灌注桩工法，即成孔过程中一面下沉钢质套管，一面在钢管中抓挖粘土或沙石，成孔后灌注混凝土，实践证明，较一般钻孔灌注桩而言，该工法施工速度快，成桩质量好，对周边环境影响小，但是伴随着钻孔深度的增加，由起重机悬吊冲抓斗跟进取土的效率及安全性较低，制约了该施工方法的进一步发展，有必要针对取土方法进行改进以提高施工效率，现有的螺旋传送装置利用送料螺旋的旋转所提供惯性离心力来推动物料定向移动，但该现有装置的施工效果不佳。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可主动运渣土的全套管工法用钢套管及其施工方法。
技术方案：一种可主动运渣土的全套管工法用钢套管，包括若干钢套管和螺旋钻杆以及用于掘土的钻头，若干所述螺旋钻杆由下至上顺序轴向连接，并沿其轴向贯穿在由下至上顺序轴向连接的钢套管内部，最上端的所述钢套管设有排渣口，所述钻头安装于最下端的螺旋钻杆，所述钻头的底部设有高压水枪的连接口，所述螺旋钻杆的叶片与钢套管内壁固定连接，钢套管带动螺旋钻杆转动过程中，螺旋向上的叶片将钻头掘起的渣土输送至排渣口。
优选的，若干所述螺旋钻杆之间和螺旋钻杆与钻头之间均通过接头连接。
优选的，所述接头包括设置在对接的两螺旋钻杆接触面和螺旋钻杆与钻头接触面上相适配的环形凸起与环形孔。
优选的，所述螺旋钻杆两端面的环形凸起及环形孔竖直方向插入。
优选的，所述钻头顶面边缘和螺旋钻杆底面内侧的环形凸起和环形孔竖直方向插入。
优选的，若干所述钢套管间焊接并螺栓固定。
优选的，所述若干由下至上顺序轴向连接的钢套管包括掘进用钢套管、标准层钢套管及排渣用钢套管。
优选的，所述螺旋钻杆的叶片与钢套管内壁通过焊接连接。
一种可主动运渣土的全套管工法用钢套管的施工方法，包括以下步骤：
1)测量放线；
2)旋压钻机就位；
3)固定钻头并套装下层用于掘进的钢套管；
4)钻头底部的高压水枪连接口喷射高压水，旋压钻机带动钢套管转动，进而带动螺旋钻杆转动掘进并排渣，旋压钻机轴功率估算公式如下：
P表示使用本发明所述可主动运渣土的全套管工法用钢套管时旋压钻机轴功率，P0表示使用原有普通钢套管施工时旋压钻机轴功率，Q表示垂直螺旋传送能力，H表示桩长，η表示垂直螺旋传送效率，与物料运动的绝对速度与水平线间夹角γ0有关，b0表示最上层钢套管长度。
5)边泵送经缓凝处理后砼边上拔钢套管；
6)在砼初凝时间之内安放钢筋笼。
有益效果：本发明根据垂直螺旋传送原理，对现有的贝诺托工法用钢套管结构进行改造，提出将螺旋钻杆固定于钢套管内壁技术方案，相应提出适用于本发明所述钢套管的施工流程，钢套管带动其内部固定连接的螺旋钻杆转动，施工过程中可以边掘进边取土，有效提高了施工效率，节约施工时间与成本，克服了复杂环境条件下桩基施工的种种困难，同时，加装于钻头部分的高压水枪在掘进过程中起到“润滑”土体的作用，提高了掘进能力，针对高铁桥墩等桩基较深施工情况，钢护筒起到了防止孔壁坍塌的作用，减少了地表土体沉降，本发明在高、重结构复杂桩基施工中可产生显著的经济和社会效益。
附图说明
图1为下层用于掘进的钢套管主视图；
图2为下层用于掘进的钢管桩俯视图；
图3为中间层钢套管主视图；
图4为中间层钢套管俯视图；
图5为上层用于排渣的钢套管主视图；
图6为上层用于排渣的钢套管俯视图；
图7为钻头与螺旋钻杆连接接头局部放大图；
图8为钻头与螺旋钻杆连接接头A-A剖面图；
图9为螺旋钻杆上部连接接头示意图；
图10为螺旋钻杆上部连接接头B-B剖面图；
图11为螺旋钻杆下部连接接头示意图；
图12为螺旋钻杆下部连接接头C-C剖面图；
图13为本发明施工方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1至图6所示，本发明的一种可主动运渣土的全套管工法用钢套管，包括若干钢套管1和螺旋钻杆2以及用于掘土的钻头3，若干螺旋钻杆2由下至上顺序轴向连接，并沿其轴向贯穿在由下至上顺序轴向连接的钢套管1内部，其中，由下至上顺序轴向连接的钢套管1包括掘进用钢套管、标准层钢套管及排渣用钢套管，最上端的钢套管1设有排渣口4，钻头3安装于最下端的螺旋钻杆2，钻头3的底部设有高压水枪的连接口5，连接口5同高压水枪喷头相接，边掘进边高压冲水，螺旋钻杆2的叶片与钢套管1内壁固定连接，为保证强度需求叶片的厚度为8～10mm，螺旋钻杆2的叶片焊接于钢套管1内壁，焊缝等级一级，螺旋钻杆2内部空心且直径不小于600mm，若干钢套管1同步转动时，为钢套管1可以承受强大的扭矩，钢套管1间焊接并螺栓固定，钢套管1带动螺旋钻杆2转动过程中，螺旋向上的叶片将钻头3掘起的渣土输送至排渣口4，若干螺旋钻杆2之间和螺旋钻杆2与钻头3之间均通过接头6固定连接，接头6包括设置在对接的两螺旋钻杆2接触面和螺旋钻杆2与钻头3接触面上相适配的环形凸起7与环形孔8，如图7和图8所示，环形凸起7和环形孔8分别竖直设于钻头3的顶面边缘和螺旋钻杆2的底面内侧，环形凸起7和环形孔8均竖直方向插接在一起，如图9至图12所示，环形凸起7及环形孔8分别竖直设于螺旋钻杆2两端面，当螺旋钻杆2上拔一定高度后，螺旋钻杆2与钻头3相互脱离，以便于成孔后进行的混凝土灌注，上层用于排渣的钢套管加装排料口4并与外部传送机械相连便于排除废渣，螺旋钻杆2间通过接头6连接保证扭矩传递，轴向力由各层钢套管1之间的焊缝和螺栓传递。
其中，根据垂直螺旋传送原理，实现掘进与运渣的同步进行，特别的，螺旋钻杆2的叶片由厚度为8～10mm薄钢板冲压而成，焊接于螺旋轴上，中间层钢套管长度为4m以配合螺旋钻杆2工作，钢套管1以及螺旋钻杆2掘进及运渣土功能所需功率由旋压钻机提供，垂直螺旋直径及螺旋轴转速应根据现场施工情况确定，垂直螺旋直径设计值D采用如下公式计算：
式(1)、(2)中，Q表示传送能力，单位t/h，K表示物料特性参数，根据经验建议对卵石、砂岩及粘土等常见土渣取0.07，Ψ表示填充系数，建议取值0.2～0.3，ρ表示被传送土渣堆积密度，C表示倾角系数，取值1.0，钢套管桩径一般由桩基承载力控制，由式(2)可初步推算钢套桩桩径传送能力；
本发明钢套管内焊接的螺旋钻杆2由旋压钻机提供扭矩及竖向压力，为实现垂直传送功能，需根据垂直传送理论确定旋压钻机工作转速指导施工，旋压钻机工作转速可由如下公式计算：
式(3)、(4)中，n表示螺旋轴工作转速，γ0表示物料运动的绝对速度与水平线间的夹角，α表示螺旋叶片的螺旋角，建议α取15°，β表示物料与螺旋表面间摩擦角，g表示重力加速度，f1表示物料与外壳之间的摩擦系数，R1表示物料距轴中心的平均半径由式(4)计算，Ψ表示填充系数，R表示钢套桩内径；
为方便初期工程施工规划时合理分配场地用电，结合旋压钻机轴功率估算公式与旋压钻机所提供功率需满足旋压钻进及垂直运渣两个方面，其轴功率计算公式如下：
式(5)中，P表示旋压钻机轴功率，P0表示使用原有普通钢套管施工时旋压钻机轴功率，Q表示垂直螺旋传送能力由式(2)计算得到，H表示钢套桩桩长，η表示垂直螺旋传送效率，与物料运动的绝对速度与水平线间夹角γ0有关，可由实验所测二者关系曲线确定，b0表示上层用于排渣的钢套管长度；
如图13所示，本发明钢套管的施工步骤包括测量放线，旋压机就位，安设钻头3并套立第一节下层用于掘进的钢套管1，随着挖掘推进依次在后连接中间层钢套管1和螺旋钻杆2，掘进过程中螺旋钻杆2导引废渣土通过上层用于排渣的钢套管排出，为便于掘进及运土，在钻头3设有高压水枪的连接口5，连接口5同高压水枪喷头相接，钻头3边掘进边高压冲水，在上拔钢套管1的同时灌注混凝土，待钢套管1拔至指定标高后用吊机下放钢筋笼，为使得下放钢筋笼时混凝土具有足够的流动性，对混凝土进行缓凝处理。
Claims (8)
1.一种可主动运渣土的全套管工法用钢套管，其特征在于：包括若干钢套管(1)和螺旋钻杆(2)以及用于掘土的钻头(3)，若干所述螺旋钻杆(2)由下至上顺序轴向连接，并沿其轴向贯穿在由下至上顺序轴向连接的钢套管(1)内部，钢套管(1)包括掘进用钢套管、标准层钢套管及排渣用钢套管，最上端的所述钢套管(1)设有排渣口(4)，所述钻头(3)安装于最下端的螺旋钻杆(2)，所述钻头(3)的底部设有高压水枪的连接口(5)，所述螺旋钻杆(2)的叶片与钢套管(1)内壁固定连接，钢套管(1)带动螺旋钻杆(2)转动过程中，螺旋向上的叶片将钻头(3)掘起的渣土输送至排渣口(4)。
2.根据权利要求1所述的可主动运渣土的全套管工法用钢套管，其特征在于：若干所述螺旋钻杆(2)之间和螺旋钻杆(2)与钻头(3)之间均通过接头(6)连接。
3.根据权利要求2所述的可主动运渣土的全套管工法用钢套管，其特征在于：所述接头(6)包括设置在对接的两螺旋钻杆(2)接触面和螺旋钻杆(2)与钻头(3)接触面上相适配的环形凸起(7)与环形孔(8)。
4.根据权利要求3所述的可主动运渣土的全套管工法用钢套管，其特征在于：所述螺旋钻杆(2)两端面的环形凸起(7)及环形孔(8)竖直方向插入。
5.根据权利要求3所述的可主动运渣土的全套管工法用钢套管，其特征在于：所述钻头(3)顶面边缘和螺旋钻杆(2)底面内侧的环形凸起(7)和环形孔(8)竖直方向插入。
6.根据权利要求1所述的可主动运渣土的全套管工法用钢套管，其特征在于：若干所述钢套管(1)间焊接并螺栓固定。
7.根据权利要求1所述的可主动运渣土的全套管工法用钢套管，其特征在于：所述螺旋钻杆(2)的叶片与钢套管(1)内壁通过焊接连接。
8.一种可主动运渣土的全套管工法用钢套管的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)测量放线；
2)旋压钻机就位；
3)固定钻头(3)并套装下层用于掘进的钢套管(1)；
4)钻头(3)底部的高压水枪连接口(5)喷射高压水，旋压钻机带动钢套管(1)转动，进而带动螺旋钻杆(2)转动掘进并排渣，旋压钻机轴功率估算公式如下：
P表示使用所述可主动运渣土的全套管工法用钢套管时旋压钻机轴功率，P0表示使用原有普通钢套管施工时旋压钻机轴功率，Q表示垂直螺旋传送能力，H表示桩长，η表示垂直螺旋传送效率，与物料运动的绝对速度与水平线间夹角γ0有关，b0表示最上层钢套管长度；
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