CN109113566A - 全套管螺旋钻机的改良结构及全套管螺纹灌注桩施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全套管螺旋钻机的改良结构及全套管螺纹灌注桩施工方法，包括双动力头螺旋钻机(2)，双动力头螺旋钻机上安装有套管(1)，所述套管上可拆卸安装有能够使其旋转的下动力头(4)，下动力头上部设置有上动力头(5)；上动力头可拆卸地连接有能够在套管内上下移动的螺旋钻杆(6)，螺旋钻杆的下端连接有能够在套管内移动的钻进器；至少部分套管外壁上一体成型有螺旋构件(3)，其中，所述螺旋构件的螺旋方向与所述螺旋钻杆的螺旋方向相反。本钻机改良简单耐用，利用带有本结构的全套管螺旋钻机及本案施工功法，能够在现有的机械设备动力条件下，形成中、大直径螺纹桩，使螺纹式异型桩更加符合现阶段构筑物对桩承载力日益加大的需求。

Description

全套管螺旋钻机的改良结构及全套管螺纹灌注桩施工方法

技术领域

本发明涉及一种改良结构及桩的施工方法，具体是一种全套管螺旋钻机的改良结构与全套管螺纹灌注桩的施工方法，属于建筑工程技术领域。

背景技术

随着社会发展，土地资源匮乏，建筑物逐渐向高层发展。建筑物、构筑物荷载越来越大，使得具有较高承载力的桩型以及成桩的工法和成桩机械，在基础工程中大量使用，其中中等直径的各类螺纹灌注桩与大口径灌注桩应用特别广泛。

我国在螺纹灌注桩方面的研究开展于二十世纪九十年代，至今已涌现出多种桩型与工法。根据实践证明，在同等条件下，桩在土中成为螺丝状时，桩侧阻力是等截面桩侧阻力提的1-2倍，因此螺纹桩具有更高的经济价值和实用价值。

对于高层、超高层和桥梁等建筑物，因其构造物载荷过大，对单桩承载力要求高，固多采用各种类型的大直径钻孔灌注桩。通过采用全套管、管内成桩的大直径灌注桩施工机械及成桩方法，能够有效地避免了钻孔灌注桩泥浆护壁产生的浪费以及环境污染问题，所形成的大直径灌注桩相比较泥浆护壁的钻孔灌注桩，没有桩端虚土，没有泥皮效应，并且全程套管护壁，在於土、松散土层等复杂土层不会出现断桩、缩颈现象，在同等条件下，一定程度地提升了灌注桩承载力，并且施工速度快，具有较高的经济效益。

现有技术中螺纹灌注桩的成桩方法多为挤土成桩。专利名称为灌注螺纹桩成桩工艺(专利号：9611960265)以及半螺丝桩及其成桩工法(专利号：03128265.2)均利用螺旋钻机将钻杆同步旋转钻进，然后同步反向旋转提钻同时泵送混凝土形成螺纹桩或半螺丝桩的螺纹段。因成桩方法为挤土成桩，对钻机动力有较高要求，无法在现有机械动力条件下形成较大直径螺纹桩，所以螺纹桩或半螺丝桩多为小直径，或中等直径桩型(桩径为400mm—600mm)。受其桩径限制，其单桩承载力偏低，无法满足高层或超高层建筑对桩基础承载力的需求，故应用范围较窄。

专利号为200610138353.3公开了一种双动力头螺旋钻机及其施工方法，该方法通过使下动力头可以在套管外上下滑动，在套管的任意位置驱动旋转套管，提供了一种重心低，稳定性高的双动力头钻机结构。但其通过套管内螺旋钻杆及钻头钻进取土成桩，此方法适合在较软土层中钻进，遇到坚硬土层及岩层时，难以钻进成桩。此外，其成桩器具为圆柱形钢套管，且其拔管方式为非旋转拔管，形成的灌注桩为与套管相同的圆柱形等截面灌注桩，此圆柱形等截面灌注桩桩周侧阻力较低，故其桩承载力相比较传统灌注桩没有提升，经济效益较差。且在其提升套管过程中，采用非旋转静拔工艺，套管没有与桩周土体咬合通过旋转产生向上扭矩，仅依靠钻机自带提升设备，很难将较大直径套管自土中拔出，所以此施工设备及工艺不仅难以在较粘或者坚硬土层中拔管成桩更无法适应较大直径全套管灌注桩的施工需求。

专利号为201210351079.3公开了一种步履式双回旋潜孔钻机，利用潜孔锤冲击成孔，下动力头连接套管旋转跟进，锤底高压气体将渣土，岩渣等物体吹向上部螺旋钻杆通过螺旋钻杆排出套管外。这种设备在冻土层、岩石层、卵石、孤石及坚硬土层中，钻进速度快，工作效率高，但因其成桩器具依然为圆柱形钢套管，无法通过旋转产生向上扭矩提升套管，故其提管方式多为利用振动锤以及吊车振动拔管，工序较为复杂，效率偏低，且其所形成灌注桩为与套管相同的圆柱形等截面桩，桩侧阻力较小，桩底面积仅等同于潜孔锤底部即套管底面积，底部无法进行再次扩孔，通过增大桩底面积进一步提高桩竖向承载力。

专利号为201410814937.2公开了一种全套管振动挤扩灌注桩的施工方法，利用振动锤将套管压入土中，在遇到岩石层，卵石层等坚硬土层时，仅利用振动锤机振力难以将套管压入。套管下沉完毕后，再利用机械或者人工清理套管内泥土，沉管与清土分为两步进行，功效缓慢，施工时间过长。套管内土体清理完毕后，利用振动扩孔器对已成桩孔底部进行振动扩孔，此方法为挤扩成孔，桩底为持力地层多为坚硬土层及岩石层中，地质较为坚硬、密实，很难以振动挤扩的形式形成桩底扩大头。

以上设备及成桩方法是全套管回转成桩方法中较为常见且效率及经济利益较高的设备及方法。现有全套管回转成钻机械与成桩方法虽克服了大直径灌注桩施工中的多项难题，但所形成的大直径灌注桩均为等截面直线型灌注桩，无法通过桩身形成混凝土螺牙提高灌注桩测阻力，也无法在桩底坚硬土层，岩层中二次扩孔，通过增大桩底面积增大灌注桩端阻力，从而进一步提升灌注桩竖向承载力。因此建筑界亟待一种在同等条件下，承载力更高，混凝土用料更少，适应国家节能、环保政策要求并能够满足建筑物对桩承载力需求日益增大的新型大直径灌注桩。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种全套管螺旋钻机的改良结构及全套管螺纹灌注桩施工方法，该改良结构及方法所使用的双动力钻进，极大的增加了设备的掘进能力，使得在现有机械动力条件下中、大直径的全套管螺纹桩施工成为了现实，在桩基础施工方面，取得了突破性的进展。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种全套管螺旋钻机的改良结构，包括双动力头螺旋钻机，所述双动力头螺旋钻机上安装有套管，所述套管上可拆卸安装有能够使其旋转的下动力头，所述下动力头上部设置有上动力头；

所述上动力头可拆卸地连接有能够在所述套管内上下移动的螺旋钻杆，所述螺旋钻杆的下端连接有能够在所述套管内移动的钻进器，

所述套管至少部分外壁上一体成型有螺旋构件，其中，所述螺旋构件的螺旋方向与所述螺旋钻杆的螺旋方向相反。

进一步，所述钻进器是潜孔锤和钻头中的一种。

进一步，所述套管1至少包括两根套管可拆卸连接而成，任一所述套管的一端均可与所述下动力头可拆卸式连接；所述螺旋钻杆至少包括两根带有螺旋叶片的钻杆，且相邻的钻杆之间可拆卸式连接。

进一步，至少部分所述螺旋构件的厚度不小于3厘米；至少部分所述螺旋构件垂直于所述套管的高度不小于3厘米；至少部分所述螺旋构件截面为梯形，且其根部厚度大于顶部厚度。

一种全套管全回转转机，所述全套管全回转转机上安装有带有螺旋构件的套管。

一种全套管螺纹灌注桩施工方法，该施工方法包括如下步骤：

1)利用双动力头螺旋钻机将带有螺旋构件的套管和带有钻进器的螺旋钻杆对准桩位，启动上动力头驱动所述螺旋钻杆按其螺旋叶片方向旋转，利用钻进器钻进，同时启动下动力头驱动所述套管按照与所述螺旋钻杆相反方向旋转跟进，所述螺旋钻杆将所述钻进器向上导出的土体与岩渣排出所述套管外；

2)待所述套管钻至设计深度，并将所述套管内土体与岩渣清除干净后，关闭所述下动力头和所述上动力头，停止旋转所述套管和所述螺旋钻杆，将所述螺旋钻杆提出所述套管和所述下动力头，并移开所述螺旋钻杆；

3)将钢筋笼放入所述套管，并向所述套管内浇注混凝土，待混凝土浇注到预定高度后，将所述螺旋钻杆放回所述套管内混凝土及钢筋笼上，启动下动力头按与所述套管旋转钻进时相反的方向旋转提升；

4)在所述套管提升的过程中，所述螺旋构件旋转咬合、剪切桩孔孔壁土体，产生辅助提升套管的向上扭矩，并形成桩孔内壁螺纹空间；同时所述套管内混凝土流入桩孔并填充孔壁上的螺纹空间，直至所述套管完全提出地面，形成桩身带有混凝土螺牙的全套管螺纹灌注桩。

进一步，若所需成桩深度大于桩架高度，沉管和钻进过程中，分离所述下动力头与所述套管、所述上动力头与所述螺旋钻杆的连接；通过可拆卸连接方式接入至少一根套管和螺旋钻杆，然后将所述下动力头和所述套管、所述上动力头和所述螺旋钻杆分别连接，再继续钻进，钻进完成后，应先拆除后接螺旋钻杆，再将所述螺旋钻杆提出所述套管并移开。在旋转提升所述套管成桩的过程中，待后接入套管完全提出地面且管内混凝土完全流净后，应暂停提管，将后接入套管拆除后，继续旋转提原套管，直至完全提出地面，并且旋转提管过程中可根据需要补灌混凝土。

一种全套管螺纹灌注桩施工方法，该施工方法包括：

1)将带有螺旋构件的全套管全回转钻机移至桩位，将所述套管对准桩位；

2)启动全套管全回转钻机，按照所述螺旋构件螺旋方向将所述套管旋转压入土中，利用辅助取土钻进设备将所述套管内土体与岩渣清出套管，直至所述套管旋转钻进至所需深度，并将套管内清理干净后，停止钻进；

3)在套管内放入钢筋笼，并浇注混凝土，待混凝土浇注到预定高度后，反方向旋转提升所述套管，所述螺旋构件在旋转提升过程中，旋转咬合、剪切桩孔土体，产生向上扭矩提升所述套管，并在桩孔孔壁形成螺纹空间，同时所述套管内混凝土流入桩孔并迅速填充孔壁上螺纹空间，直至所述套管提出地面，形成全套管螺纹灌注桩；

4)旋转提管过程中，可根据需要补灌混凝土。

优选地，在所述套管钻进至桩底硬土层或岩层时，利用所述螺旋构件旋转剪切桩孔孔壁，对桩孔进行二次扩孔，形成灌注桩下部扩大头部分。

优选地，所述套管钻进至设计深度时，将管内杂物清除干净后，可在管内直接浇灌混凝土，待旋转提管成桩完成后，形成素混凝土全套管螺纹灌注桩或者采用后置法插入钢筋笼，形成钢筋混凝土全套管螺纹灌注桩。

本发明的有益效果是：该改良结构套管外壁上设置具有一定厚度和高度的螺旋构件，能够在套管旋转钻钻进、提升时螺丝式咬合桩孔周围土体，产生向下或者向上扭矩，在套管旋转提升时，剪切孔壁，形成具有一定厚度及深度的螺纹空间。螺旋构件可以是螺旋叶片，螺旋叶片在钻进中更易剪切进入土体，降低钻进难度，螺旋构件也可以是齿状构件按螺旋轨迹排列组合而成，齿状构件组合式螺旋构件剪切的螺纹空间更加规则，可靠，螺旋构件也可以是螺旋叶片与齿状构件的组合，按施工桩型的需要，决定其两者高度。在施工中根据土层不同，其厚度，高度等于或者大于螺纹桩设计螺牙厚度，高度的螺旋构件可以确保在各种地质环境下施工形成螺纹桩螺纹形态符合设计要求。套管外螺旋构件下部或者全部为梯形构造，其在桩孔内壁剪切成形的螺纹空间及螺纹桩桩身螺牙也成梯形构造，根部厚度大于顶部厚度的梯形螺牙构造不易被土剪切破坏，使得螺纹桩质量更为稳定，可靠。因螺纹桩螺牙形态，包括螺牙高度、厚度、螺牙截面形状与套管外壁最下部分螺旋构件的形态最为接近，所以套管下部螺旋构件应具有一定高度、厚度、且应当为梯形结构。当使用钻机为双动力头螺旋钻机时，在钻进过程中，套管及套管内螺旋钻杆按各自螺旋方向旋转钻进，因其螺旋方向相反，其钻进时旋转方向也相反，相反的旋转方向，能够使螺旋钻杆更轻易的将套管内土或岩渣等物体排出套管外。本案设备及功法所采用的双动力钻进，极大的增大了设备的钻进能力，套管内螺旋钻杆及潜孔锤或钻头钻进成孔，形成螺纹桩桩芯空间，套管旋转扩孔，套管螺旋构件旋转剪切桩孔孔壁形成螺纹空间，使得在现有机械设备动力条件下，中、大口径螺纹桩施工成为了现实，在异型桩基础施工方面取得了突破性进展。本案所述螺旋钻杆下部钻进器为潜孔锤或钻头，可根据地质情况灵活选择，在较硬土层，卵石、砾石层，或需要进入岩层时，选择螺旋钻杆连接潜孔锤，利用潜孔锤冲击成孔，增加设备在坚硬土层中的掘进能力，加快入岩速度；在较软土层施工时，可选择螺旋钻杆连接钻头，可提升在软土中取土钻进的速度。且本案设备改良结构中，下动力头与套管，上动力头与螺旋钻杆均为可拆卸连接，套管可以是至少两根套管可拆卸连接而成，螺旋钻杆也可以是多根带有螺旋叶片的钻杆可拆卸连接而成，这种套管及螺旋钻杆的结构及连接方式，使得在施工过程中，实际使用的套管及螺旋钻杆长度可以高于桩架高度，进而成孔深度可以大于桩架的高度，因此本改良结构突破了成桩深度对于桩架高度的依赖，通过在钻进过程中，添加套管、螺旋钻杆，在不增加桩架高度的前提下，增大设备成桩钻进深度，有效避免了过高桩架造成的增大机械成本，以及在施工过程中，因桩架过高稳定性差，易发生侧翻等弊病，在运输过程中，较小的桩架便于装卸，所需车辆较少，极大的节约了运输成本。

本改良结构简单耐用，利用带有本结构的双动力头螺旋钻机及本案施工功法所形成的全套管螺纹灌注桩，桩直径可达800mm—3000mm，螺纹桩相比较同等直径的等截面灌注桩，不仅承载力有了大幅度提升，而且桩身所需混凝土方量仅为同等直径等截面各类灌注桩的60％左右，符合国家节能减排政策。本案全套管螺纹灌注桩，不仅通过桩与桩侧土螺纹式咬合大幅度提高了桩侧阻力，在做嵌岩桩，或桩底持力层为较坚硬土层时，可以通过套管外螺旋构件对岩石或坚硬土层二次扩孔，通过扩大桩底截面进一步提升桩端载力，从而全面提高桩承载力，充分利用大直径桩身混凝土强度，得到更高的经济效益。

该改良结构套管外壁上设置具有一定厚度和高度的螺旋构件，具体为套管外壁全部的螺旋构件或是靠近套管外壁下部的部分螺旋构件厚度D与螺旋构件高度H不小于3cm，螺旋构件能够在套管旋转钻钻进、提升时螺丝式咬合桩孔周围土体，产生向下或者向上扭矩，在套管旋转提升时，具有一定厚度和高度的螺旋构件剪切孔壁，形成具有一定厚度及深度的螺纹空间，这样的螺旋空间形成的螺纹桩身螺牙不易被土冲切破坏。

附图说明

图1为本发明双动力头螺旋钻机改良结构示意图；

图2为本发明全套管全回转钻机及取土钻进辅助设备组合结构示意图；

图3为本发明全套管螺旋钻机螺旋构件为螺旋叶片时示意图；

图4为本发明全套管螺旋钻机螺旋构件为单个或多个齿状构，且螺旋构件截面为梯形件时示意图；

图5为为本发明全套管螺旋钻机螺旋构件为螺旋叶片和齿状构件组合时示意图；

图6为本发明全套管全回转螺旋钻机与旋挖钻或抓斗等辅助取土钻进设备组合施工方法示意图；

图7为本发明双动力头螺旋钻机，螺旋钻杆连接钻头时成桩方法示意图；

图8为本发明双动力头螺旋钻机，螺旋钻杆连接潜孔锤，且钻进过程中加接套管、及螺旋钻杆的施工方法示意图；

图9为本发明全套管螺纹桩在桩底形成扩大头的施工方法示意图

图10为本发明全套管变径螺纹桩施工方法示意图；

图11为本发明全套管半螺丝桩施工方法示意图；

图12为本发明螺旋钻杆连接钻头结构示意图；

图中：1、套管，2、双动力头螺旋钻机，3、螺旋构件，3-1、齿状构件，4、下动力头，5、上动力头，6、螺旋钻杆，7、辅助取土钻进设备，8、潜孔锤，9、钻头，10全套管全回转钻机，H螺旋构件高度，D螺旋构件厚度，D1螺旋构件根部厚度，D2螺旋构件顶部厚度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：一种全套管螺旋钻机的改良结构，包括双动力头螺旋钻机2，所述双动力头螺旋钻机2上安装有套管1，所述套管1上可拆卸安装有能够使其旋转的下动力头4，所述下动力头4上部设置有上动力头5；

所述上动力头5可拆卸地连接有能够在所述套管1内上下移动的螺旋钻杆6，所述螺旋钻杆6的下端连接有能够在所述套管1内移动的钻进器；其中，所述钻进器既可以是潜孔锤7，也可是是钻头8，如图12所示。

所述套管1至少部分外壁上一体成型有螺旋构件3，其中，所述螺旋构件3的螺旋方向与所述螺旋钻杆6的螺旋方向相反。

所述螺旋构件3可以是螺旋叶片，也可以是至少包括一个齿状构件3-1，或是螺旋叶片与齿状构件3-1结合在一起。

所述套管1至少包括两根套管可拆卸连接而成，任一所述套管1的一端均可与所述下动力头4可拆卸式连接；所述螺旋钻杆6至少包括两根带有螺旋叶片的钻杆，且相邻的钻杆之间可拆卸式连接。

至少部分所述螺旋构件3的厚度不小于3厘米；至少部分所述螺旋构件垂直于所述套管1的高度不小于3厘米；至少部分所述螺旋构件3截面为梯形，且其根部厚度大于顶部厚度。

一种全套管全回转转机10，所述全套管全回转转机10上安装有带有螺旋构件3的套管1。

一种全套管螺纹灌注桩施工方法，该施工方法包括如下步骤：

1)利用双动力头螺旋钻机2将带有螺旋构件3的套管1和带有钻进器的螺旋钻杆6对准桩位，启动上动力头5驱动所述螺旋钻杆6按其螺旋叶片方向旋转，利用钻进器钻进，同时启动下动力头4驱动所述套管1按照与所述螺旋钻杆6旋转钻进的反方向旋转跟进，所述螺旋钻杆6将所述钻进器向上导出的土体与岩渣排出所述套管1外；

2)待所述套管1钻至设计深度，并将所述套管内土体与岩渣清除干净后，关闭所述下动力头4和所述上动力头5，停止旋转所述套管1和所述螺旋钻杆6，将所述螺旋钻杆6提出所述套管1和所述下动力头4，然后移开所述螺旋钻杆6；

3)将钢筋笼放入所述套管1，并向所述套管1内浇注混凝土，待混凝土浇注到预定高度后，将所述螺旋钻杆6放回所述套管1内混凝土及钢筋笼上，启动下动力头提升所述套管1，且按与所述套管1旋转钻进时相反的方向旋转提升；

4)在所述套管1提升的过程中，所述螺旋构件3旋转咬合、剪切桩孔孔壁土体，产生辅助提升套管的向上扭矩，并形成桩孔内壁螺纹空间；同时所述套管1内混凝土流入桩孔并填充孔壁上的螺纹空间，直至所述套管1完全提出地面，形成桩身带有混凝土螺牙的全套管螺纹灌注桩。

若所需成桩深度大于桩架高度，沉管和钻进过程中，分离所述下动力头4与所述套管1、所述上动力头5与所述螺旋钻杆6的连接；通过可拆卸连接方式接入至少一根套管和螺旋钻杆，然后将所述下动力头4与所述套管1、所述上动力头5与所述螺旋钻杆6分别连接，再继续钻进，钻进完成后，应先拆除后接螺旋钻杆，再将所述螺旋钻杆6提出所述套管1和所述下动力4并移开.在旋转提升所述套管1成桩的过程中，待后接入套管完全提出地面且管内混凝土完全流净后，应暂停旋转提管，将后接入套管拆除后，继续旋转提原套管，直至完全提出地面，并且旋转提管过程中可根据需要补灌混凝土。

一种全套管螺纹灌注桩施工方法，该施工方法包括：

1)将带有螺旋构件3的全套管全回转钻机10移至桩位，将所述套管1对准桩位；

2)启动全套管全回转钻机10，按照所述螺旋构件3的螺旋方向将所述套管1旋转压入土中，利用旋挖钻、抓斗等辅助取土钻进设备将所述套管1内岩渣、土体清出套管，直至所述套管1旋转钻进至所需深度，并将套管内清理干净后，停止钻进；

3)放入钢筋笼，并向套管内浇注混凝土，待混凝土浇注到预定高度后，反方向旋转提升所述套管1，所述螺旋构件3在旋转提升过程中，旋转咬合、剪切桩孔土体，产生向上扭矩提升所述套管1，并在桩孔孔壁形成螺纹空间，同时所述套管1内混凝土流入桩孔并迅速填充孔壁上螺纹空间，直至所述套管1提出地面，形成全套管螺纹灌注桩；

4)旋转提管过程中，可根据需要补灌混凝土。

在所述套管1钻进至桩底硬土层或岩层时，利用所述螺旋构件3旋转剪切桩孔孔壁，对桩孔进行二次扩孔，形成灌注桩下部扩大头部分。

所述套管1钻进至设计深度时，将管内杂物清除干净后，可在管内直接浇灌混凝土，待旋转提管成桩完成后，形成素混凝土全套管螺纹灌注桩或者采用后置法插入钢筋笼，形成钢筋混凝土全套管螺纹灌注桩。

在套管外设置与内螺杆螺旋方向相反并具有一定厚度、高度的螺旋构件。螺旋构件螺旋方向与螺旋钻杆螺片方向相反，在钻进过程中，套管与螺杆均按照各自螺旋方向旋转，产生向下扭矩钻进，因其各自螺旋方向相反，钻进时，螺旋钻杆旋转方向与套管旋转方向相反，更利于螺旋钻杆将套管内土、岩渣等物体排出套管外。一定厚度、高度的螺旋构件在套管旋转提升时剪切孔壁，形成具有一定厚度及深度的螺纹空间，可以其确保在土体回涌前混凝土可以流入充满螺纹空间，形成螺纹灌注桩桩身螺牙，螺旋构件根据施工土层不同，其厚度，高度等于或者大于螺纹桩设计螺牙厚度，高度，可以确保在各种地质环境下施工形成螺纹桩螺纹形态符合设计要求。套管外螺旋构件最下部或者全部为梯形构造，其在桩孔内壁剪切成形的螺纹空间及螺纹桩桩身螺牙也成梯形构造，实验证明，梯形螺牙抗剪切能力较强，梯形的桩身螺牙不易被土冲切破坏，从而提供更高的桩侧阻力。在沉管与提升过程中，通过旋转，套管与周围土体咬合产生向下或者向上的扭矩，大大增加了钻机钻进与提升套管的能力，并且本案设备改良结构中，套管与下动力头，螺旋钻杆与上动力头均为可拆卸连接，套管也可以是至少两根套管可拆卸连接而成，螺旋钻杆也可以为多根带有螺旋叶片的钻杆可拆卸连接而成，本结构突破了成桩深度对桩架高度的依赖，通过在钻进过程中，添加套管和螺旋钻杆，在不增加桩架高度的前提下，增加设备成桩钻进深度，有效避免了过高桩架在施工过程中，稳定性差，易发生侧翻等事故的弊病。本案设备改良结构，结构简单耐用，带有本结构的全套管回转螺纹钻机及本案施工功法利用双动力取土钻进，可以轻松钻进坚硬土层或者岩层，形成直径更大，深度更深的灌注桩孔，利用套管外添加的螺旋构件，在提管过程中，管内成桩，管外形成灌注桩桩身螺牙，通过增加很少的砼用量，进一步加大桩径，增大桩周面积，并通过与桩周土体螺旋咬合，大幅度提升桩侧土测阻力，本发明工法扩底技术可以形成局部扩大的桩底部分，通过增大坚硬土层或者岩层中桩底面积增大桩端载力，从而进一步增大桩整体承载力，本发明结构及成桩方法符合国家节能减排政策，在不增大成桩负荷及砼用量的前提下通过螺纹扩径、桩身通过混凝土螺牙与桩周土形成螺纹式咬合增大桩周土侧阻力及扩大桩底面积增大端载力三个有效途径，大幅度地提升了桩承载力，充分利用中、大直径桩身混凝土强度，具有极高的性价比及经济效益。

如图1所示：一种全套管螺旋钻机的改良结构，设置有能够驱动中空圆柱形套管1旋转的下动力头4，下动力头4与所述套管1可拆卸连接。下动力头4上部设置有上动力头5，上动力头5连接有可以在所述套管1内移动的螺旋钻杆6，螺旋钻杆6底部连接有可以在所述套管1内移动的潜孔锤7或钻头8，螺旋构件3螺旋方向与螺旋钻杆6螺旋方向相反

如图2所示，全套管螺纹回转钻机结构为全套管回转钻机与旋挖钻或抓斗等辅助取土钻进设备组合。

如图3所示，所述螺旋构件3为螺旋叶片

如图4所示，螺旋构件3是单个或者多个齿状构件，当螺旋构件为梯形时，螺旋构件根部厚度D1大于螺旋构件顶部厚度D2。

如图5所示，所述螺旋构件3是螺旋叶片与单个或多个齿状构件的组合。图中3为螺旋叶片状螺旋构件，3-1为齿状螺旋构件。

如图6所示，全套管螺纹桩成桩方法为：将带有本专利设备结构的全套管回转钻机移至桩位，将套管对准桩位，按套管外壁螺旋构件的方向将套管旋转压入土中。2、利用旋挖钻机或抓斗等辅助取土钻进设备跟进将套管内泥土、岩渣等物体清出套管，直至套管旋转钻进至桩底深度。3、将孔底清理干净后，从套管内拔出辅助设备，在套管内放入钢筋笼。4、安置好钢筋笼后，向套管内浇筑混凝土。5、混凝土浇筑完毕后，反向旋转提升套管，套管外壁螺旋构件旋转剪切套管外孔壁，形成带有螺纹的桩孔，套管内混凝土在迅速填充套管提升形成的螺纹桩孔，形成螺纹桩体。套管提升过程中，如有需要可再次向套管内浇灌混凝土补料，直至将套管提出地面，形成钢筋混凝土螺纹灌注桩。

如图7所示，全套管螺纹桩成桩方法为：将带有本专利设备结构的双动力头钻机移至桩位，将下动力头连接的套管与套管内螺旋钻杆下部的钻头对准桩位。2、启动上下动力头，螺旋钻杆与套管逆向旋转，利用钻头及螺旋钻杆取土钻进，套管旋转跟进，螺旋钻杆将泥土、岩渣等排出套管外，直至将套管压至孔底深度。3、孔底及套管内清理干净后，将螺旋钻杆提出套管，将套管与下动力头连接分离后将钻机移开。4在套管内放入制作好的钢筋笼并浇灌混凝土。5、混凝土浇灌完毕后，将钻机移回，并将下动力头重新连接到套管上。将潜孔锤放入套管，压在钢筋笼上，防止套管提升中钢筋笼随套管上窜。6、利用下动力头及钻机提升设备反方向旋转提升套管，套管旋转提升过程中，套管外壁螺旋构件旋转咬合、剪切套管外孔壁，产生向上扭矩辅助提升套管并形成带有螺纹的桩孔，套管内混凝土在迅速填充套管提升形成的螺纹桩孔，形成螺纹桩体。7、套管提升过程中，如有需要可再次向套管内浇灌混凝土补料，直至将套管提出地面，形成钢筋混凝土螺纹灌注桩。

如图8所示，双动力头螺旋钻机，螺旋钻杆连接潜孔锤，沉管过程中，加接套管与螺旋钻杆的施工方法：1钻机移至桩位，将套管及螺旋钻杆下部潜孔锤对准桩位2启动上下动力头套管与螺旋钻杆以相反方向旋转钻进，潜孔锤冲击成孔，套管旋转跟进，3将套管完全钻入地面后把上动力头与螺旋钻杆分离，下动力头与套管分离并向上提升上下动力头4在螺旋钻杆上再次连接一根螺旋钻杆，然后在套管上部相应连接一根套管，并将连接后的螺旋钻杆、套管分别与上下动力头连接.5继续钻进直至套管沉至所需深度，待套管内土排净后，提升上动力头，直至后接螺旋钻杆完全提出套管及下动力头外。6固定螺旋钻杆，并将后接螺旋钻杆拆除后，向下移动上动力头，与套管内螺旋钻杆连接。7提升上动力头，直至将螺旋钻杆及潜孔锤完全提出套管及下动力头8将下动力头与套管分离并将钻机移开,在套管内放入钢筋笼,并浇灌混凝土.第九步将钻机移回,并将下动力头与套管连接,下沉螺旋钻杆,将潜孔锤压在钢筋笼上,防止钢筋笼在套管提升时随套管上窜.9反方向旋转提升套管,待后接套管完全提出地面,并且管内混凝土完全流净后，停止提管，将下动力头与后接套管分离,拆除后接套管后，向下移动下动力头并与套管连接，将潜孔锤压在钢筋笼上，继续反方向旋转提管10待套管完全提出地面后形成全套管螺纹灌注桩。

如图9所示，全套管螺纹桩成桩方法中二次扩底入岩方法：1、将带有本专利设备结构的双动力头钻机移至桩位，将下动力头连接的套管与套管内螺旋钻杆下部的潜孔锤对准桩位。2、启动上下动力头及空压机等附属设备，利用潜孔锤冲击钻进，套管旋转跟进，利用高压气体将泥土等排出孔外，螺旋钻杆辅助排土，直至将套管压至孔底岩层。3、潜孔锤冲击岩层初次成孔，减慢套管旋转跟进速度，利用套管外螺旋构件旋转破碎潜孔锤冲击成孔孔壁，并将产生的岩渣通过螺旋构件向上导出，进行二次扩孔，形成桩孔直径等同于套管螺旋构件外径的下部扩大部分，直至到达桩底深度。4、孔底清理干净后，将螺旋钻杆及潜孔锤提出套管，将套管与下动力头连接分离后将钻机移开，在套管内放入制作好的钢筋笼并浇灌混凝土。6、混凝土浇灌完毕后，将钻机移回，并将下动力头重新连接到套管上。将潜孔锤放入套管，压在钢筋笼上，防止套管提升中钢筋笼随套管上窜。7、利用下动力头及钻机提升设备反方向旋转提升套管，套管旋转提升过程中，套管外壁螺旋构件旋转剪切套管外孔壁，形成带有螺纹的桩孔，套管内混凝土在迅速填充套管提升形成的螺纹桩孔，形成螺纹桩体。8、套管提升过程中，如有需要可再次向套管内浇灌混凝土补料，直至将套管提出地面，形成钢筋混凝土螺纹灌注桩。

如图10所示，全套管螺纹桩成桩方法中变径螺纹桩施工方法：全套管径变径螺纹桩：1、将套管外设置有螺旋构件及加大螺齿的钻机移至桩位，启动动力设备，将套管旋转压入地面，并将孔内泥土，岩渣等排出，直至将套管压至孔底深度。2、孔底清理干净后，在套管内放入制作好的钢筋笼并浇灌混凝土。3、混凝土浇灌完毕后，反方向旋转提升套管，套管旋转提升过程中，套管外壁螺旋构件旋转剪切套管外孔壁，形成带有螺纹的桩孔，套管内混凝土在迅速填充套管提升形成的螺纹桩孔，形成螺纹桩体。4、套管提升至桩设计变径处，改变旋转方向为正向旋转继续提升套管，套管外壁螺旋构件将土体剪切破坏，咬合在螺旋构件之间，形成圆柱形桩孔，加大的螺齿剪切桩孔孔壁，形成螺纹空间，套管内混凝土迅速填充套管提升产生的螺纹桩孔空间，形成上部直径加大螺纹方向相反的上部螺纹桩段。套管提升过程中，如有需要可再次向套管内浇灌混凝土补料，直至将套管提出地面，形成钢筋混凝土变径螺纹灌注桩。

如图11所示，全套管螺丝桩施工方法中半螺丝桩施工方法：1、将带有本专利设备结构的钻机移至桩位，将套管旋转压入地面并将泥土、岩渣等排出孔外直至将套管压至孔底深度；2、孔底清理干净后，在套管内放入制作好的钢筋笼并浇灌混凝土；3、混凝土浇灌完毕后反方向旋转提升套管，套管旋转提升过程中，套管外壁螺旋构件旋转剪切套管外孔壁，形成带有螺纹的桩孔，套管内混凝土在迅速填充套管提升形成的螺纹桩孔，形成螺纹桩体；4、套管提升至桩设计变径处，改变旋转方向为正向旋转继续提升套管，套管外壁螺旋构件将土体剪切破坏，咬合在螺旋构件之间，形成圆柱形桩孔，套管内混凝土迅速填充套管提升产生的圆柱桩孔空间，形成半螺丝桩上部直杆段。套管提升过程中，如有需要可再次向套管内浇灌混凝土补料，直至将套管提出地面，形成钢筋混凝土半螺丝灌注桩。

一种全套管回转螺旋钻机的套管结构及螺纹灌注桩的施工方法提供了一种大口径螺纹灌注桩及大口径扩底螺纹灌注桩成桩的有效途径。带有螺旋构件的套管在下沉以及提升过程中，螺旋构件通过旋转咬合套管周围土体，产生向上或者向下的扭矩，可以更轻易的使套管下沉或者提升。在套管提升的过程中，螺旋构件旋转剪切桩孔内壁，形成螺纹桩孔，同时套管内流出的混凝土在自重压力下，迅速填充套管上升形成的螺纹空间，形成螺纹灌注桩体。实践发现，螺纹桩桩身螺纹与形成螺纹空间的最下部螺旋构件形态最为接近，所以下部具有一定厚度、高度并且其高度、厚度不小于螺纹桩螺牙设计数值的螺旋构件能够在各种地层中保证螺纹桩桩身螺牙符合规范、设计要求。最下部设置高度大于其余螺旋构件的单个或者多个齿状构件，能够在不增大钻进阻力的情况下，增大螺纹桩螺牙高度，提供更高的桩侧阻力。下部梯形结构的螺旋构件可以形成抗冲切能力更强的梯形螺纹桩桩身螺牙，上部螺旋构件可以同样具有一定的厚度、高度以及形态，用以进一步确保螺纹桩螺牙质量，也可以设置为较薄或者较高的螺旋叶片用以减少钻进阻力并增大钻进及提升扭矩。当桩底需要扩孔时，可以减慢套管旋转跟进速度，利用套管外螺旋构件对内钻杆及连接的潜孔锤或钻头形成的桩孔孔壁进行旋转剪切，进一步扩大桩孔，形成底部直径等同于套管螺旋构件外径的圆柱形扩大部分。如下部土层或者岩层较为坚硬，套管外螺旋构件难以旋转扩孔，可将套管外螺旋构件设置成由下至上逐级变大的锥形结构，由此对桩孔进行多次逐级扩孔，从而通过扩大桩底面积，增大桩底端阻力。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所做出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (10)

1.一种全套管螺旋钻机的改良结构，其特征在于：包括双动力头螺旋钻机(2)，所述双动力头螺旋钻机(2)上安装有套管(1)，所述套管(1)上可拆卸安装有能够使其旋转的下动力头(4)，所述下动力头(4)上部设置有上动力头(5)；

所述上动力头(5)可拆卸地连接有能够在所述套管(1)内上下移动的螺旋钻杆(6)，所述螺旋钻杆(6)的下端连接有能够在所述套管(1)内移动的钻进器；

所述套管(1)至少部分外壁上一体成型有螺旋构件(3)，其中，所述螺旋构件(3)的螺旋方向与所述螺旋钻杆(6)的螺旋方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种全套管螺旋钻机的改良结构,其特征在于:所述钻进器是潜孔锤(8)和钻头(9)中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种全套管螺旋钻机的改良结构，其特征在于：所述套管(1)至少包括两根套管可拆卸连接而成，任一所述套管(1)的一端均可与所述下动力头(4)可拆卸式连接；所述螺旋钻杆(6)至少包括两根带有螺旋叶片的钻杆，且相邻的钻杆之间可拆卸式连接。

4.根据权利要求1所述的一种全套管螺旋钻机的改良结构，其特征在于：至少部分所述螺旋构件(3)的厚度不小于3厘米；至少部分所述螺旋构件(3)垂直于所述套管(1)的高度不小于3厘米；至少部分所述螺旋构件(3)截面为梯形，且其根部厚度大于顶部厚度。

5.一种全套管全回转转机，其特征在于：所述全套管全回转转机(10)上安装有带有所述螺旋构件(2)的所述套管(1)。

6.一种全套管螺纹灌注桩施工方法，其特征在于，该施工方法包括如下步骤：

1)利用双动力头螺旋钻机(2)将带有螺旋构件(3)的套管(1)和带有钻进器的螺旋钻杆(6)对准桩位，启动上动力头(5)驱动所述螺旋钻杆(6)按其螺旋叶片方向旋转，利用钻进器钻进，同时启动下动力头(4)驱动所述套管(1)按照与所述螺旋钻杆(6)相反的方向旋转跟进，并且所述螺旋钻杆(6)将所述钻进器向上导出的土体与岩渣排出所述套管(1)外；

2)待所述套管(1)钻至设计深度，并将所述套管(1)内土体与岩渣清除干净后，关闭所述下动力头(4)和所述上动力头(5)，停止旋转所述套管(1)和所述螺旋钻杆(6)，将所述螺旋钻杆(6)提出所述套管(1)和所述下动力头(4)，并移开所述螺旋钻杆(6)；

3)将钢筋笼放入所述套管(1)，并向所述套管(1)内浇注混凝土，待混凝土浇注到预定高度后，将所述螺旋钻杆(6)放回所述套管(1)内混凝土及钢筋笼上，启动所述下动力头(4)按与所述套管(1)旋转钻进时相反的方向旋转提升；

4)在所述套管(1)提升的过程中，所述螺旋构件(3)旋转咬合、剪切桩孔孔壁土体，产生辅助提升套管的向上扭矩，并形成桩孔内壁螺纹空间；同时所述套管(1)内混凝土流入桩孔并填充孔壁上的螺纹空间，直至所述套管(1)完全提出地面，形成桩身带有混凝土螺牙的全套管螺纹灌注桩。

7.根据权利要求6所述的一种全套管螺纹灌注桩施工方法，其特征在于：若所需成桩深度大于桩架高度，沉管和钻进过程中，分离所述下动力头(4)与所述套管(1)、所述上动力头(5)与所述螺旋钻杆(6)的连接；通过可拆卸连接方式接入至少一根套管和螺旋钻杆，然后将所述下动力头(4)与所述套管(1)、所述上动力头(5)与所述螺旋钻杆(6)分别连接，再继续钻进，钻进完成后，应先拆除后接螺旋钻杆，再将所述螺旋钻杆(6)提出所述套管(1)与所述下动力头(4)并移开。在旋转提升所述套管(1)成桩的过程中，待后接入套管完全提出地面且管内混凝土完全流净后，应暂停提管，将后接入套管拆除后，继续旋转提升原套管，直至完全提出地面，并且旋转提管过程中可根据需要补灌混凝土。

8.一种全套管螺纹灌注桩施工方法，其特征在于，该施工方法包括：

1)将带有所述螺旋构件(3)的所述全套管全回转钻机(10)移至桩位，将所述套管(1)对准桩位；

2)启动全套管全回转钻机，按照所述螺旋构件(3)的螺旋方向将所述套管(1)旋转压入土中，利用辅助取土钻进设备(7)将所述套管(1)内土体与岩渣清出套管，直至所述套管(1)旋转钻进至所需深度，并将套管内清理干净后，停止钻进；

3)在所述套管(1)内放入钢筋笼，并浇注混凝土，待混凝土浇注到预定高度后，反方向旋转提升所述套管(1)，所述螺旋构件(3)在旋转提升过程中，旋转咬合、剪切桩孔土体，产生向上扭矩提升所述套管(1)，并在桩孔孔壁形成螺纹空间，同时所述套管(1)内混凝土流入桩孔并迅速填充孔壁上螺纹空间，直至所述套管(1)提出地面，形成全套管螺纹灌注桩；

4)旋转提管过程中，可根据需要补灌混凝土。

9.根据权利要求8所述的一种全套管螺纹灌注桩施工方法，其特征在于：在所述套管(1)钻进至桩底硬土层或岩层时，利用所述螺旋构件(3)旋转剪切桩孔孔壁，对桩孔进行二次扩孔，形成灌注桩下部扩大头部分。

10.根据权利要求6或8所述的一种全套管螺纹灌注桩施工方法，其特征在于：所述套管(1)钻进至设计深度时，将管内杂物清除干净后，可在管内直接浇灌混凝土，待旋转提管成桩完成后，形成素混凝土全套管螺纹灌注桩或者采用后置法插入钢筋笼，形成钢筋混凝土全套管螺纹灌注桩。