CN108005576A - 一种分离出渣的旋挖钻机及旋挖钻进施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分离出渣的旋挖钻机，包括履带底盘、回转平台、内置控制系统的操控室、升降装置、钻进机构和出渣机构，所述钻进机构包括内钻杆动力头、内钻杆和先导钻头，内钻杆动力头与升降装置相连，内钻杆动力头设于内钻杆的上端，内钻杆的下端设置先导钻头，所述出渣机构包括外钻杆动力头、外钻杆和后继钻渣斗，外钻杆动力头与升降装置相连，外钻杆动力头设于外钻杆的上端，外钻杆的下端安装有后继钻渣斗，所述内钻杆自外钻杆的中心穿过。本发明还提供了一种分离出渣的旋挖钻进施工方法。本发明的有益效果为：将钻机的钻进动作和出渣动作分开进行，钻进和出渣动作可同时进行且互不影响，无须反复调整钻具定位，简化了操作程序；无需反复提升钻具，保证了成孔质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋挖钻机，具体涉及一种分离出渣的旋挖钻机及旋挖钻进施工方法。
背景技术
旋挖钻机凭借着自身的施工速度快、成孔质量高、环境污染小、操作灵活方便、安全性能高、适用性强等特点，被广泛运用于公路桥梁、铁路、水利、城市建设等工程。然而，传统的旋挖钻作业时钻进操作与提斗除渣操作需分开进行，钻进一定深度后需反向旋转提升钻头除渣，钻进与提斗除渣交替进行，钻进慢、单次进尺少、反复提升钻头对孔壁扰动较大、钻具排渣时偏心压力会造成整机偏位、排渣后需反复调整钻头对中和垂直，操作琐碎。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种分离出渣的旋挖钻机及旋挖钻进施工方法。
本发明采用的技术方案为：一种分离出渣的旋挖钻机，包括履带底盘、回转平台、内置控制系统的操控室、升降装置、钻进机构和出渣机构，所述回转平台设置于履带底盘上，升降装置安装在回转平台上；所述钻进机构包括内钻杆动力头、内钻杆和先导钻头，内钻杆动力头与升降装置相连，内钻杆动力头设于内钻杆的上端，内钻杆的下端设置先导钻头，内钻杆动力头可驱动内钻杆带动先导钻头旋转钻进；所述出渣机构包括外钻杆动力头、外钻杆和后继钻渣斗，外钻杆动力头与升降装置相连，外钻杆动力头设于外钻杆的上端，外钻杆的下端安装有后继钻渣斗，外钻杆动力头可驱动外钻杆带动后继钻渣斗旋转清渣；所述内钻杆自外钻杆的中心穿过，内钻杆与外钻杆的轴线重合。
按上述方案，所述后继钻渣斗包括渣斗、螺旋叶片和斗齿，所述渣斗为筒形，外钻杆自渣斗的轴线穿过；在渣斗内的外钻杆上安装螺旋叶片；渣斗设有底门，底门的外侧布置有切削钻渣的斗齿。
按上述方案，在渣斗内设置有与底门平行的圆盘，圆盘上表面固定有感应连杆，感应连杆上安设距离感应器，距离感应器用于监测圆盘的位置信息，并将收集的信息反馈到操控室内的终端。
按上述方案，在渣斗的侧壁开有侧卸门和排气泄水孔。
按上述方案，所述先导钻头可为筒式先导钻头或螺旋式先导钻头。
按上述方案，所述升降装置包括桅杆、变幅机构、卷扬总成A、卷扬总成B和定滑轮组，所述桅杆、卷扬总成A和卷扬总成B均安设于回转平台上，桅杆固定于回转平台的前端，变幅机构的一端连接回转平台，变幅机构的另一端与桅杆相连；所述定滑轮组安装在桅杆上，卷扬总成A牵引定滑轮组上的卷扬总成钢丝绳A，卷扬总成钢丝绳A与先导钻头相连；所述卷扬总成B牵引定滑轮组上的卷扬总成钢丝绳B，卷扬总成钢丝绳B与后继钻渣斗相连。
按上述方案，所述桅杆上沿高度方向安设有限位滑轨，所述内钻杆动力头和外钻杆动力头分别与限位滑轨相连。
本发明还提供了一种分离出渣的旋挖钻进施工方法，包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述分离出渣的旋挖钻机；
步骤二、启动旋挖钻机的控制系统，调整钻进机构，摆正先导钻头的位置和姿势后锁定回转平台；
步骤三、通过升降装置和其他升降结构配合，沿限位滑轨下放内钻杆动力头和先导钻头；
步骤四、启动内钻杆动力头，使其驱动内钻杆正向旋转，带动先导钻头正向旋转钻进，将底部岩土层的原状土层或岩石层破碎并松动；
步骤五、通过升降装置和其他升降结构配合，沿限位滑轨下放外钻杆动力头和后继钻渣斗，直至后继钻渣斗到达破碎松动的钻渣层；
步骤六、启动外钻杆动力头，使其驱动后继钻渣斗正向旋转掘进，钻渣被后继钻渣斗的斗齿再次破碎松动，螺旋叶片将钻渣推至渣斗内；后继钻渣斗满渣后，外钻杆动力头通过外钻杆带动后继钻渣斗反向旋转关闭底门，外钻杆动力头停止旋转；
步骤七、通过升降装置和其他升降结构配合，沿限位滑轨将后继钻渣斗提升至地面；
步骤八、打开侧卸门，同时，驱动螺旋叶片快速反向旋转，使渣斗内的钻渣作离心运动被抛出后继钻渣斗；被抛出的钻渣被小型渣土车收集并运离桩基施工作业区。
按上述方案，在步骤六中，当渣斗内的钻渣收集至一定量后，钻渣向上挤压圆盘，位于感应连杆上的距离感应器监控位置信息，并将收集的位置信息反馈至操控室内的终端；当距离感应器感应到钻斗内的钻渣即将集满时，发送预警信号至操作室；操作室接受信号并控制外钻杆动力头，使其带动后继钻渣斗反向旋转。
按上述方案，所述筒式先导钻头包括钻斗、连接腹杆和钻齿，所述钻斗为内部中空的筒式结构，无顶盖；钻斗的下端面设有钻齿；所述连接腹杆为对称布置在内钻杆的外壁，筒式先导钻头和内钻杆通过连接腹杆相连。
本发明的有益效果为：
1）与传统的旋挖钻机相比，本发明所述旋挖钻机自带出渣机构，先导钻头破碎并松动岩土，后继渣土斗将钻渣收集并提升至地面排除，钻进动作和出渣动作可同时进行且互不影响，无需提升钻头至钻机两侧排渣，防止了出渣过程中后继钻渣斗形心水平位置改变，有效避免了由于偏心压力造成整机倾斜偏位，提高了成孔的精度和垂直度；同时，也无须反复调整先导钻头定位，简化了操作程序，加快了旋挖钻机的钻进和出渣速度，大幅度提高了施工效率。
2）本发明集钻进、清渣、运渣、排渣等用途于一体，克服了传统钻具钻进与提斗除渣不能同时进行的难题，在钻进时可同步出渣，减少了旋挖钻机施工过程中提升钻头的次数，大大加快了成孔的速度。
3）出渣机构的后继钻渣斗下端面外径比先导钻头的最小内径小，较钻孔孔径更小，这种结构形式可有效避免后继钻渣斗往复上下对孔壁的扰动，减少了扩孔甚至塌孔等，保证了成孔质量。
4）外钻杆和后继钻渣斗等结构增加了整个装置的质量，为防止钻机倾覆，通过在回转平台上增加配重装置和支设支腿，提高了整个钻机的安全性和稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图。
图2为本发明中筒式先导钻头的结构示意图。
图3为本发明实施例二的结构示意图。
图4为本发明中螺旋式先导钻头的结构示意图。
图5为本发明中后继钻渣斗的结构示意图（一）。
图6为本发明中后继钻渣斗的结构示意图（二）。
图7为实施例一的工作状态示意图（一）。
图8为实施例一的工作状态示意图（二）。
图9为实施例一的工作状态示意图（三）。
图10为实施例二的工作状态示意图（一）。
图11为实施例二的工作状态示意图（二）。
图12为实施例二的工作状态示意图（三）。
其中：1、桅杆；2、限位滑轨；3、变幅机构；4、卷扬总成钢丝绳A；5、卷扬总成钢丝绳B；6、卷扬总成A；7、卷扬总成B；8、配重装置；9、回转平台；10、后支腿；11、履带底盘；12、内钻杆动力头；13、内钻杆；14、外钻杆动力头；15、操控室；16、外钻杆；17、岩土层；18、后继钻渣斗；19、筒式先导钻头；20、螺旋式先导钻头；21、螺旋叶片；21、渣土车。
具体实施方式
为了很好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种分离出渣的旋挖钻机，包括履带底盘11、回转平台9、内置控制系统的操控室15、升降装置、钻进机构和出渣机构，所述回转平台9设置于履带底盘11上，升降装置安装在回转平台9上；所述钻进机构包括内钻杆动力头12、内钻杆13和先导钻头，内钻杆动力头12与升降装置相连，内钻杆动力头12设于内钻杆13的上端，内钻杆13的下端安装先导钻头，内钻杆动力头12可驱动内钻杆13带动先导钻头旋转钻进（内钻杆13将内钻杆动力头12的扭矩传递至先导钻头）；所述出渣机构包括外钻杆动力头14、外钻杆16和后继钻渣斗18，外钻杆动力头14与升降装置相连，外钻杆动力头14设于外钻杆16的上端，外钻杆16的下端安装后继钻渣斗18，外钻杆动力头14可驱动外钻杆16带动后继钻渣斗18旋转清渣（外钻杆16将外钻杆动力头14的扭矩传递至后继钻渣斗18）；所述内钻杆13自外钻杆16的中心穿过，内钻杆13与外钻杆16的轴线重合（两者同轴布置）。先导钻头可为筒式先导钻头19（如图2所示），或螺旋式先导钻头20，如图3和图4所示。
本发明中，所述回转平台9的后端设有支腿10；回转平台9上安装有与出渣机构和钻进机构对应的配重装置8，配重装置8选用比重为3.0-7.2的配重砂；根据不同情况制定配重方案。回转平台9后端的支腿10及配重装置8可提高整机的安全性和稳定性，避免后继钻渣斗18、外钻杆16、外钻杆动力头14等结构的增加使整机重心偏移倾覆。
所述升降装置包括桅杆1、变幅机构3、卷扬总成A6、卷扬总成B7和定滑轮组，所述桅杆1、卷扬总成A6和卷扬总成B7均安设于回转平台9上，桅杆1固定于回转平台9的前端，变幅机构3的一端连接回转平台9，变幅机构3的另一端与桅杆1相连；所述定滑轮组安装在桅杆1上，卷扬总成A6牵引定滑轮组上的卷扬总成钢丝绳A4，卷扬总成钢丝绳A4与先导钻头相连（开钻时配合其他升降结构下放先导钻头，终孔时配合其他升降结构提升先导钻头）；所述卷扬总成B7牵引定滑轮组上的卷扬总成钢丝绳B5，卷扬总成钢丝绳B5与后继钻渣斗18相连，完成后继钻渣斗18上升下降的运渣过程。变幅机构3用于支撑桅杆1，并可调整桅杆1的倾斜度；变幅机构3包括固定杆和伸缩杆，固定杆的一端与回转平台9固连，固定杆的另一端与桅杆1铰接；所述伸缩杆的一端与固定杆铰接，伸缩杆的另一端与桅杆1铰接。桅杆1上沿其高度方向安设有限位滑轨2，所述内钻杆动力头12和外钻杆动力头14分别与限位滑轨2相连，限位滑轨2在先导钻头和后继钻渣斗18的下放过程中起导向限位作用，保证先导钻头和后继钻渣斗18下放位置准确。
本发明中，如图5和图6所示，后继钻渣斗18包括渣斗183、螺旋叶片187和斗齿185，所述渣斗183为筒形，外钻杆16自渣斗183的轴线穿过；在渣斗183内的外钻杆16上安装螺旋叶片187；渣斗183设有底门184，底门184的外侧布置有切削钻渣的斗齿185。优选地，在渣斗183内设置有与底门184平行的圆盘182，圆盘182上表面固定有感应连杆186，感应连杆186上安设距离感应器，距离感应器用于监测圆盘182的位置信息，并将收集的信息反馈到操控室15内的终端。优选地，为了使圆盘182上下活动顺畅，在渣斗183的侧壁开有侧卸门188；钻渣圆周运动至侧卸门188瞬间，向心力较小甚至消失，离心运动使钻渣被抛出斗体183，侧卸门的设置提高了出渣效果，排渣效率更高。优选地，在渣斗183的侧壁上开设有排气泄水孔181。渣斗183采用合金材料制作，渣斗183的内壁光滑洁净不易糊斗，摩擦阻力小。渣斗18呈下宽上窄的八字形，也即渣斗18的上端面外径小于下端面外径。本发明中后继钻渣斗18和先导钻头的具体直径应按照施工要求选配，其中后继钻渣斗18下端面外径小于先导钻斗上端面的内径（最小内径，可有效避免反复升降后继钻渣斗18排渣过程中对孔壁的扰动），两者的差值为2～10cm，但最佳匹配尺寸以实际施工效果为准，本行业技术人员可应该按施工现场试验效果合理选配。
本发明中，先导钻头的作用是将原状土层或岩石层破碎松动，并在终孔时清理部分钻渣。根据施工部位地质和施工工艺，适当选择先导钻头。先导钻头可为多种结构形式，本发明仅以筒式先导钻头19和螺旋式先导钻头20作为优选实施例，同时结合附图对本发明作进一步地说明和解释。
实施例一、筒式先导钻头19：如图2所示，筒式先导钻头19包括均由硬质耐磨合金材料制成的钻斗191、连接腹杆194和钻齿193，所述钻斗191为内部中空的筒式结构，无顶盖；所述连接腹杆194为对称布置在内钻杆13外壁的高强型钢腹杆，连接腹杆194与钻斗191一体成型，筒式先导钻头19和内钻杆13通过连接腹杆194相连；所述钻齿193设于钻斗191的下端面，其可为斗齿和/或截齿。钻斗191的底部设有活页192，活页192可以为单底、双底与双开门、单开门中的一种。筒式先导钻头19应用于本发明所述钻机中时，其筒式的钻斗191较短于传统筒式钻头，后继钻渣斗18可部分伸入筒式先导钻头19内进行清渣作业。
实施例二、螺旋式先导钻头20：如图4所示，所述螺旋式先导钻头20包括固定在内钻杆13外壁的螺旋叶片201，螺旋叶片201可以为锥头或平头、单头或双头、单螺旋或双螺旋中的一种。螺旋叶片201应用于本发明所述钻机中时，其螺旋部分较短于传统短螺旋钻头。
利用本发明所述装置进行钻进施工的具体方法包括以下步骤（其中先导钻头为筒式先导钻头19时，钻进施工示意图如图7~图9所示；先导钻头为螺旋式先导钻头20时，钻进施工示意图如图10~图12所示）：
步骤一、提供如上所述分离出渣的旋挖钻机；
步骤二、启动旋挖钻机的控制系统，调整钻进机构，摆正先导钻头的位置和姿势后锁定回转平台9，并打开支腿10将回转平台9支放于地面的枕木或钢板上；
步骤三、启动位于回转平台9上的卷扬总成A4，牵引定滑轮组上卷扬总成钢丝绳A6，卷扬总成钢丝绳A6与先导钻头（可为筒式先导钻头19或螺旋式先导钻头20）相连，并在其他升降结构的共同配合下，沿限位滑轨2下放内钻杆动力头12和先导钻头；
步骤四、控制桅杆1上部的内钻杆动力头12，使其驱动内钻杆13正向旋转，带动先导钻头正向旋转钻进，将底部岩土层17的原状土层或岩石层破碎并松动；
步骤五、先导钻头钻进一定深度后（该深度根据先导钻头的型号有关，以旋挖钻的钻渣达到先导钻头体积的0.8倍为准），启动位于回转平台9上的卷扬总成B7，牵引定滑轮组上的卷扬总成钢丝绳B5，卷扬总成钢丝绳B5与后继钻渣斗18相连，在其他升降结构的共同配合下，沿限位滑轨2下放外钻杆动力头14和后继钻渣斗18，直至后继钻渣斗18到达破碎松动的钻渣层；
步骤六、清渣：启动外钻杆动力头14，使其驱动后继钻渣斗18及内螺旋叶片187正向旋转掘进，钻渣被后继钻渣斗18的斗齿185再次破碎松动，螺旋叶片187将钻渣推至渣斗183内。渣斗183内的钻渣逐渐堆积并向上挤压圆盘182，位于感应连杆186上的距离感应器监控圆盘182位置信息，并将收集的位置信息反馈至操控室15内的控制系统。当距离感应器感应到渣斗18内的钻渣即将集满时，发送预警信号至操作室15；操作室15接收信号并控制外钻杆动力头14，使其带动后继钻渣斗18反向旋转，此时底门184关闭，后继钻渣斗18停止旋转，清渣过程完成；
步骤七、运渣：启动位于回转平台9上的卷扬总成B7，牵引定滑轮组上的卷扬总成钢丝绳B5，卷扬总成钢丝绳B5与后继钻渣斗18相连并在其他升降结构的共同配合下，将后继钻渣斗18提升至地面；
步骤八、排渣：打开侧卸门188，感应连杆186推动圆盘182缓慢向下挤压渣斗183内的钻渣；同时，驱动螺旋叶片187快速反向旋转，使渣斗183内的钻渣作圆周运动；钻渣运动至侧卸门188的瞬间，渣斗183侧壁提供的向心力消失，钻渣作离心运动被抛出后继钻渣斗18；被抛出的钻渣被小型渣土车21收集并运离桩基施工作业区，排渣过程完成。排渣后再次通过卷扬总成B7、卷扬总成钢丝绳B5及其他升降结构协同作业将倒空的后继钻渣斗18平稳下放至孔底钻渣处，继续后续清渣作业。
以上是对采用本发明中旋挖钻机和排渣装置及其施工方法的详细介绍，并借助附图和优选实施的个例对本发明的原理和实施方式进行了必要的阐述。但本发明并不局限于上述实施方式中的具体细节，以上表述更不等于本发明的全部内容。需要强调的是，本发明在结构构造和具体施工工艺上难免会有变形乃至改变之处。但凡在本发明的核心思想范围内所作的任何修改、类似替换、相关改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分离出渣的旋挖钻机，其特征在于，包括履带底盘、回转平台、内置控制系统的操控室、升降装置、钻进机构和出渣机构，所述回转平台设置于履带底盘上，升降装置安装在回转平台上；所述钻进机构包括内钻杆动力头、内钻杆和先导钻头，内钻杆动力头与升降装置相连，内钻杆动力头设于内钻杆的上端，内钻杆的下端设置先导钻头，内钻杆动力头可驱动内钻杆带动先导钻头旋转钻进；所述出渣机构包括外钻杆动力头、外钻杆和后继钻渣斗，外钻杆动力头与升降装置相连，外钻杆动力头设于外钻杆的上端，外钻杆的下端安装有后继钻渣斗，外钻杆动力头可驱动外钻杆带动后继钻渣斗旋转清渣；所述内钻杆自外钻杆的中心穿过，内钻杆与外钻杆的轴线重合。
2.如权利要求1所述的分离出渣的旋挖钻机，其特征在于，所述后继钻渣斗包括渣斗、螺旋叶片和斗齿，所述渣斗为筒形，外钻杆自渣斗的轴线穿过；在渣斗内的外钻杆上安装螺旋叶片；渣斗设有底门，底门的外侧布置有切削钻渣的斗齿。
3.如权利要求2所述的分离出渣的旋挖钻机，其特征在于，在渣斗内设置有与底门平行的圆盘，圆盘上表面固定有感应连杆，感应连杆上安设距离感应器，距离感应器用于监测圆盘的位置信息，并将收集的信息反馈到操控室内的终端。
4.如权利要求2所述的分离出渣的旋挖钻机，其特征在于，在渣斗的侧壁开有侧卸门和排气泄水孔。
5.如权利要求2所述的分离出渣的旋挖钻机，其特征在于，所述先导钻头可为筒式先导钻头或螺旋式先导钻头。
6.如权利要求1所述的分离出渣的旋挖钻机，其特征在于，所述升降装置包括桅杆、变幅机构、卷扬总成A、卷扬总成B和定滑轮组，所述桅杆、卷扬总成A和卷扬总成B均安设于回转平台上，桅杆固定于回转平台的前端，变幅机构的一端连接回转平台，变幅机构的另一端与桅杆相连；所述定滑轮组安装在桅杆上，卷扬总成A牵引定滑轮组上的卷扬总成钢丝绳A，卷扬总成钢丝绳A与先导钻头相连；所述卷扬总成B牵引定滑轮组上的卷扬总成钢丝绳B，卷扬总成钢丝绳B与后继钻渣斗相连。
7.如权利要求6所述的分离出渣的旋挖钻机，其特征在于，所述桅杆上沿高度方向安设有限位滑轨，所述内钻杆动力头和外钻杆动力头分别与限位滑轨相连。
8.一种分离出渣的旋挖钻进施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、提供权利要求3所述分离出渣的旋挖钻机；
步骤二、启动旋挖钻机的控制系统，调整钻进机构，摆正先导钻头的位置和姿势后锁定回转平台；
步骤三、通过升降装置和其他升降结构配合，沿限位滑轨下放内钻杆动力头和先导钻头；
步骤四、启动内钻杆动力头，使其驱动内钻杆正向旋转，带动先导钻头正向旋转钻进，将底部岩土层的原状土层或岩石层破碎并松动；
步骤五、通过升降装置和其他升降结构配合，沿限位滑轨下放外钻杆动力头和后继钻渣斗，直至后继钻渣斗到达破碎松动的钻渣层；
步骤六、启动外钻杆动力头，使其驱动后继钻渣斗正向旋转掘进，钻渣被后继钻渣斗的斗齿再次破碎松动，螺旋叶片将钻渣推至渣斗内；后继钻渣斗满渣后，外钻杆动力头通过外钻杆带动后继钻渣斗反向旋转关闭底门，外钻杆动力头停止旋转；
步骤七、通过升降装置和其他升降结构配合，沿限位滑轨将后继钻渣斗提升至地面；
步骤八、打开侧卸门，同时，驱动螺旋叶片快速反向旋转，使渣斗内的钻渣作离心运动被抛出后继钻渣斗；被抛出的钻渣被小型渣土车收集并运离桩基施工作业区。
9.如权利要求8所述的分离出渣的旋挖钻进施工方法，其特征在于，在步骤六中，当渣斗内的钻渣收集至一定量后，钻渣向上挤压圆盘，位于感应连杆上的距离感应器监控位置信息，并将收集的位置信息反馈至操控室内的终端；当距离感应器感应到钻斗内的钻渣即将集满时，发送预警信号至操作室；操作室接受信号并控制外钻杆动力头，使其带动后继钻渣斗反向旋转。
10.如权利要求8所述的分离出渣的旋挖钻进施工方法，其特征在于，所述筒式先导钻头包括钻斗、连接腹杆和钻齿，所述钻斗为内部中空的筒式结构，无顶盖；钻斗的下端面设有钻齿；所述连接腹杆为对称布置在内钻杆的外壁，筒式先导钻头和内钻杆通过连接腹杆相连。
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