CN107060645A - 深水桩基施工用潜水钻机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种深水桩基施工用潜水钻机，钻架上设有液压动力室，液压动力室与横向支撑装置连接，并驱动横向支撑装置沿径向伸缩，横向支撑装置伸出时撑住井壁或钢护筒内壁；钻架上设有主回旋驱动马达，主回旋驱动马达与切削盘连接，并驱动切削盘旋转；还设有竖向顶推装置，竖向顶推装置与切削盘连接，并驱动切削盘升降。通过采用以上的结构，动力装置随着切削盘下潜，并能够自行支撑在围岩或钢护筒的内壁实现固定，实现自行切割岩石钻进，无需地面的施工平台提供扭矩，使施工不受水位变化的影响，能够适用于实现大直径的钻孔施工。
Description
技术领域
本发明涉及深水桩基施工潜水钻机的钻孔领域，特别是一种深水桩基施工用潜水钻机。
背景技术
桩基施工工艺的选择直接决定桥梁施工的工期和成本，对整个项目起着决定性的作用。目前桥梁工程中水深较大、浅覆盖层的桩基施工考虑到固定平台搭设难度大，成本高，一般采用是浮动平台+冲击钻施工方法。该方法在施工过程中，由于水位涨落差较大，导致钢护筒顶部与浮动施工平台无法固定，在施工过程中往往要根据水位的变化进行桩护筒接长或切割，处理复杂，重复工序多，严重影响桩基施工进度，导致施工成本的增加。对于浅覆盖层由于护筒打入难度大、入土浅，不能保证其稳定性，且易造成穿孔漏浆和混凝土漏失，使得施工现场存在极大地安全质量隐患。
深水桩的钢护筒直径达到2m，现有的钻孔施工设备也难以满足大直径下的钻孔施工。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种深水桩基施工用潜水钻机，不需要浮筒平台提供扭矩，并能够在钢护筒下部利用围岩或钢护筒自身提供支撑，并切削岩体，使施工不受水位变化影响；优选的方案中，能够便于扩孔以方便护筒嵌入岩体。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种深水桩基施工用潜水钻机，钻架上设有液压动力室，液压动力室与横向支撑装置连接，并驱动横向支撑装置沿径向伸缩，横向支撑装置伸出时撑住井壁或钢护筒内壁；
钻架上设有主回旋驱动马达，主回旋驱动马达与切削盘连接，并驱动切削盘旋转；
还设有竖向顶推装置，竖向顶推装置与切削盘连接，并驱动切削盘升降。
优选的方案中，所述的横向支撑装置中，支撑基座与钻架固定连接，横撑液压顶的一端与支撑基座固定连接，横撑液压顶的另一端与撑靴连接。
横向支撑装置的数量大于2个。
优选的方案中，还设有排渣管道，排渣管道与切削盘连通；
在排渣管道上设有吸泥气泡室，吸泥气泡室与通气管连接。
优选的方案中，所述的主回旋驱动马达通过带平键和花键的空心驱动轴与切削盘连接。
优选的方案中，所述的竖向顶推装置中，竖向顶推装置通过管路与液压动力室连接；
所述的竖向顶推装置采用穿心式液压顶，液压顶通过管路与液压动力室连接；液压顶的竖向顶推油缸活塞通过顶推轴承支座与切削盘连接，以使竖向顶推油缸活塞与切削盘之间能够相对旋转而不能相对轴向位移。
进一步优选的方案中，在顶推装置中还设有导向缸，导向缸缸体底部设有限位环，导向缸内设有钻杆，钻杆与导向缸滑动配合，在钻杆顶端设有钻杆限位部，钻杆限位部的外径大于限位环的内径，能将切削盘吊起，钻杆的内壁同时作为排渣管道。
另一可选的方案中，所述的竖向顶推装置中，竖向顶推装置通过管路与液压动力室连接；
所述的竖向顶推装置采用多个沿圆周在排渣管道外围布置的顶推液压缸，多个顶推液压缸通过安装环板与排渣管道固定连接，顶推液压缸的活塞杆通过竖向顶推座环与切削盘连接。
优选的方案中，所述的钻架与排渣管固定连接，并随着排渣管移动。
优选的方案中，所述的切削盘上设有多个滚刀和\或刮刀；
切削盘上还设有横向扩刀装置。
优选的方案中，所述的横向扩刀装置中，横向扩刀液压缸与切削盘固定连接，横向扩刀液压缸与横向扩刀连接；
还设有扩刀油泵，扩刀油泵通过管路与横向扩刀液压缸连接；
扩刀油泵还与遥控接收装置电连接，遥控接收装置与蓄电池电连接。
本发明提供的一种深水桩基施工用潜水钻机，通过采用以上的结构，动力装置随着切削盘下潜，并能够自行支撑在围岩或钢护筒的内壁实现固定，实现自行切割岩石钻进，无需地面的施工平台提供扭矩，使施工不受水位变化的影响，适于大直径的钻孔施工。优选的方案中，设置的横向扩刀装置，配合遥控接收装置能够实现远程控制扩孔，以便于钢护筒嵌入岩体。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中钻架部分的结构示意图。
图3为本发明中切削盘的横截面剖视示意图。
图4为本发明中切削盘的平面剖视示意图。
图5为本发明中横向支撑装置的横截面剖视示意图。
图6为本发明中环形活塞与切削盘连接结构示意图。
图7为本发明中多个液压缸的竖向驱动装置结构示意图。
图中：钻架1，主回旋驱动马达2，竖向顶推装置3，切削盘4，液压动力室5，吸泥气泡室6，排渣管道7，通气管8，导向缸9，钻杆10，驱动轴11，限位环12，滚刀13，横向扩刀液压缸14，刮刀15，横向扩刀16，钻杆限位部17，竖向顶推油缸活塞18，顶推轴承支座19，扩刀油泵20，扩刀遥控接收控制装置21，蓄电池22，横撑基座23，横撑液压顶24，撑靴25，钢护筒26，微电脑控制系统27，顶推液压缸28，安装环板29。
具体实施方式
如图1~7中，一种深水桩基施工用潜水钻机，包括钻架1、液压动力室5、横向支撑装置、主回旋驱动马达2和切削盘4，优选的方案中，所述的钻架1与排渣管7固定连接，并随着排渣管移动。
钻架1上设有液压动力室5，液压动力室5与横向支撑装置连接，并驱动横向支撑装置沿径向伸缩，横向支撑装置伸出时撑住井壁或钢护筒26内壁；
钻架1上设有主回旋驱动马达2，主回旋驱动马达2与切削盘4连接，并驱动切削盘4旋转；
如图2中，还设有竖向顶推装置3，竖向顶推装置3与切削盘4连接，并驱动切削盘4的升降。由此结构，设置的横向支撑装置能够撑住钢护筒或岩壁提供支撑，以克服主回旋驱动马达2带来的扭矩，主回旋驱动马达2驱动切削盘4切削岩土，竖向驱动装置则驱动切削盘4进给。通过以上结构，实现了潜水钻进，无需地面提供扭矩反向力，钻机设备不受水深影响。主回旋驱动马达2与液压动力室5连接，由液压动力室5提供合适压力的动力液压油。排渣管上设有吸泥气泡室，通过管路与地面的空气压缩机连接，通过气举反循环将钻渣带出。
优选的方案中，所述的横向支撑装置中，支撑基座23与钻架1固定连接，横撑液压顶24的一端与支撑基座23固定连接，横撑液压顶24的另一端与撑靴25连接。优选的，撑靴25与横撑液压顶24铰接。横撑液压顶24由液压动力室5提供的动力液压油实现支撑。液压动力室5还与位于地面的主控装置27电连接，液压动力室5控制动力液压油的压力，以提供足够的扭矩支撑，并避免损坏井壁或钢护筒内壁。
横向支撑装置的数量大于2个。优选采用3个、4个、5个、6个、7个或8个。如图5中，本例采用4个。
优选的方案如图1中，还设有排渣管道7，排渣管道7与切削盘4连通；
在排渣管道7上设有吸泥气泡室6，吸泥气泡室6与通气管8连接。切削盘为具有开孔或空隙的圆盘，其上部与空心钻杆连通，排渣管道7即为空心钻杆的内部通孔。设置的吸泥气泡室6，从通气管8通入高压空气，通过吸泥气泡室6内壁的气孔产生气泡，与钻渣形成气液混合物将钻渣排出。
优选的方案如图1中，所述的主回旋驱动马达2通过带平键或花键的空心驱动轴11与切削盘4连接。以驱动切削盘4旋转，并且不影响切削盘4的升降。
优选的方案如图2中，所述的竖向顶推装置中，竖向顶推装置通过管路与液压动力室5连接；
所述的竖向顶推装置采用穿心式液压顶，液压顶通过管路与液压动力室5连接；竖向顶推油缸活塞18通过顶推轴承支座19与切削盘4连接，以使竖向顶推油缸活塞18与切削盘4之间能够相对旋转而不能相对轴向位移。本例中的竖向顶推油缸活塞18为一种环形活塞。竖向顶推装置3主要用于切削盘4进给。
进一步优选的方案如图2中，在顶推装置中还设有导向缸9，导向缸9缸体底部设有限位环12，导向缸9内设有钻杆10，钻杆10与导向缸9滑动配合，在钻杆10顶端设有钻杆限位部17，钻杆限位部17的外径大于限位环12的内径，能将切削盘4吊起，钻杆10的内壁同时作为排渣管道。设置的导向缸9在切削盘4升降过程中提供导向，避免切削盘4受力不均而产生钻孔歪斜，确保施工质量。本例中，钻杆10与切削盘4之间固定连接，驱动轴11与钻杆10通过平键或花键结构滑动连接，驱动轴11与主回旋驱动马达2固定连接。驱动轴11驱动钻杆10旋转，钻杆10带动切削盘4旋转，在切削盘4升降过程中，驱动轴11与钻杆10之间相对滑动。利用采用轴向限位的推力轴承，如图6、7中所示。在提起钻头的过程中，由于切削盘4并不旋转，因此对于摩擦力没有要求，推力轴承主要在竖向顶推油缸活塞18驱动切削盘4下降的过程中发挥作用。
另一可选的方案中，所述的竖向顶推装置中，竖向顶推装置通过管路与液压动力室5连接；
所述的竖向顶推装置采用多个沿圆周在排渣管道7外围布置的顶推液压缸28，多个顶推液压缸28通过安装环板29与排渣管道7固定连接，顶推液压缸28的活塞杆通过竖向顶推座环19与切削盘4连接。由此结构，此处的竖向顶推座环19也采用轴向限位的推力轴承的结构。以使多个顶推液压缸28的活塞与切削盘4之间能够相对旋转而不能相对轴向位移。采用该结构，切削盘4的升降均能够通过远程控制液压油进行驱动。优选的，在本例中也设有导向缸9的结构。
优选的方案如图1、3、4中，所述的切削盘4上设有多个滚刀13和\或刮刀15；以分散每个刀具所承受的切削力；利用主回旋驱动马达2产生的扭矩和竖向顶推装置3产生的进给推力，驱动切削盘4上的滚刀13和\或刮刀15向下切削坚硬岩石。主回旋驱动马达2输出扭矩为低速小扭矩。
切削盘4上还设有横向扩刀装置。以进行扩孔施工。
优选的方案如图3、4中，所述的横向扩刀装置中，横向扩刀液压缸14与切削盘4固定连接，横向扩刀液压缸14与横向扩刀16连接；通过横向扩刀液压缸14驱动横向扩刀16的伸缩，使横向扩刀16伸出到切削盘4之外进行扩孔操作。
还设有扩刀油泵20，扩刀油泵20通过管路与横向扩刀液压缸14连接；由于切削盘4处于旋转状态，从液压动力室5直接供应液压油，虽然是可行的，但是结构较为复杂，因此，本例中独立设置了扩刀油泵20提供用于驱动横向扩刀液压缸14的液压油。
扩刀油泵20还与遥控接收装置21电连接，遥控接收装置21与蓄电池22电连接。由此结构，通过遥控接收装置21接收位于地面的控制信号，实现扩孔操作的远程控制。
本例中的扩刀油泵20、遥控接收装置21和蓄电池22均设置在切削盘4内，随着切削盘4的旋转而旋转。
以最优化的结构为例，本发明的操作步骤如下：
步骤1：下放钢护筒26接触覆盖层，采用缆绳对钢护筒进行垂直度调整，达到要求后将钢护筒26打入覆盖层一定深度或触岩后吊入本发明的潜水钻机。
步骤2：图1中液压动力室5为横向支撑装置提供动力，横向支撑装置的横撑25支撑在孔壁或钢护筒内壁上。开启供风系统，主回旋驱动马达2为带有滚刀12、刮刀13和横向扩刀19的切削盘4提供扭矩，切削盘4开始切削土体，液压动力室5为竖向顶推装置3的竖向顶推油缸活塞18提供竖向动力，低速小扭矩的进行开孔钻进施工。图1中的通气管8通过空气压缩机向吸泥气泡室6供风，高压风通过吸泥气泡室6内侧的较多小孔在钻孔内与含有钻渣的泥浆形成气液混合物，携带有钻渣的气液混合物通过排渣管道7排入钻渣池沉淀。
步骤3：图1中的竖向顶推装置3达到最大行程后，微电脑控制系统27通过电磁换向阀控制横撑液压缸25回油，竖向顶推装置3回油，钻杆下探，此时钻机的钻架1和液压动力室5向下移动，完成一次钻孔，重复步骤1~步骤3开启下一步进钻孔循环，直至钻孔设计高程。
步骤4：当需要进行扩孔施工时，图3中的横向扩刀液压缸14进油，驱动横向扩刀16向外展开，在主回旋驱动马达2为切削盘4提供动力下，进行扩孔施工，当孔径达到护筒外径大小后，停止扩孔，按步骤1进行竖向钻进施工，钻进施工的同时跟进打入钢护筒26；
步骤5：待钢护筒26达到预定嵌岩深度后，横向扩刀液压缸14回缩，使切削盘4的外径到达设计孔径，按照步骤1进行钻孔施工，直至达到设计深度，按要求进行清孔和检孔后，浇筑水下混凝土。
通过以上步骤，实现无需浮筒平台的深水桩基施工。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的技术特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种深水桩基施工用潜水钻机，其特征是：钻架（1）上设有液压动力室（5），液压动力室（5）与横向支撑装置连接，并驱动横向支撑装置沿径向伸缩，横向支撑装置伸出时撑住井壁或钢护筒（26）内壁；
钻架（1）上设有主回旋驱动马达（2），主回旋驱动马达（2）与切削盘（4）连接，并驱动切削盘（4）旋转；
还设有竖向顶推装置（3），竖向顶推装置（3）与切削盘（4）连接，并驱动切削盘（4）升降。
2.根据权利要求1所述的一种深水桩基施工用潜水钻机，其特征是：所述的横向支撑装置中，支撑基座（23）与钻架（1）固定连接，横撑液压顶（24）的一端与支撑基座（23）固定连接，横撑液压顶（24）的另一端与撑靴（25）连接；
横向支撑装置的数量大于2个。
3.根据权利要求1所述的一种深水桩基施工用潜水钻机，其特征是：还设有排渣管道（7），排渣管道（7）与切削盘（4）连通；
在排渣管道（7）上设有吸泥气泡室（6），吸泥气泡室（6）与通气管（8）连接。
4.根据权利要求3所述的一种深水桩基施工用潜水钻机，其特征是：所述的主回旋驱动马达（2）通过带平键或花键的空心驱动轴（11）与切削盘（4）连接。
5.根据权利要求3或4所述的一种深水桩基施工用潜水钻机，其特征是：所述的竖向顶推装置中，竖向顶推装置通过管路与液压动力室（5）连接；
所述的竖向顶推装置采用穿心式液压顶，液压顶通过管路与液压动力室（5）连接；液压顶的竖向顶推油缸活塞（18）通过顶推轴承支座（19）与切削盘（4）连接，以使竖向顶推油缸活塞（18）与切削盘（4）之间能够相对旋转而不能相对轴向位移。
6.根据权利要求5所述的一种深水桩基施工用潜水钻机，其特征是：在顶推装置中还设有导向缸（9），导向缸（9）缸体底部设有限位环（12），导向缸（9）内设有钻杆（10），钻杆（10）与导向缸（9）滑动配合，在钻杆（10）顶端设有钻杆限位部（17），钻杆限位部（17）的外径大于限位环（12）的内径，能将切削盘（4）吊起，钻杆（10）的内壁同时作为排渣管道。
7.根据权利要求3或4所述的一种深水桩基施工用潜水钻机，其特征是：所述的竖向顶推装置中，竖向顶推装置通过管路与液压动力室（5）连接；
所述的竖向顶推装置采用多个沿圆周在排渣管道（7）外围布置的顶推液压缸（28），多个顶推液压缸（28）通过安装环板（29）与排渣管道（7）固定连接，顶推液压缸（28）的活塞杆通过竖向顶推座环（19）与切削盘（4）连接。
8.根据权利要求1所述的一种深水桩基施工用潜水钻机，其特征是：所述的钻架（1）与排渣管（7）固定连接，并随着排渣管移动。
9.根据权利要求1所述的一种深水桩基施工用潜水钻机，其特征是：所述的切削盘（4）上设有多个滚刀（13）和\或刮刀（15）；
切削盘（4）上还设有横向扩刀装置。
10.根据权利要求1所述的一种深水桩基施工用潜水钻机，其特征是：所述的横向扩刀装置中，横向扩刀液压缸（14）与切削盘（4）固定连接，横向扩刀液压缸（14）与横向扩刀（16）连接；
还设有扩刀油泵（20），扩刀油泵（20）通过管路与横向扩刀液压缸（14）连接；
扩刀油泵（20）还与遥控接收装置（21）电连接，遥控接收装置（21）与蓄电池（22）电连接。
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