CN111648719B - 一种适用于软土地层的竹节式钻孔装置及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于软土地层的竹节式钻孔装置，该装置包括钻机、安装架、护筒模、支撑件和注料件，其中，钻头设置在安装架中，护筒模通过支撑件设置在安装架的外侧，而注料件与护筒模相连，钻机包括钻杆、钻头、搅拌杆和螺旋叶片，钻头、搅拌杆和螺旋叶片均安装在钻杆的杆体上，且自下而上分布；安装架包括筒管和护壁，护壁固定安装于筒管的下端，且钻杆转动连接在筒管的内腔中，护筒模包括环形底座、圆台护筒、气囊槽和注料口；本发明具有可靠性高、钻进效率高、防塌孔效果好和施工便捷的特点。
Description
技术领域
本发明涉及钻土设备技术领域，尤其涉及一种适用于软土地层的竹节式钻孔装置及其施工方法。
背景技术
在建筑及工矿领域，常常需要打桩或者钻孔，在一些地质环境较差的情况下，比如淤泥地形，钻井施工的难度会增大很多，其中出现的问题包括以下几种，1.在淤泥地层，由于淤泥质地较软，采用钻具直接挖掘，由于钻井的侧壁淤泥的强度不高，会出现坍塌的情况；而在此种情况下，施工人员会想到钢护筒加固，但是传统的钢护筒只是具有防护作用的，两端开口的圆筒，在淤泥底层中使用时，由于淤泥的黏性，钢护筒的插拔会非常困难；2.由于钢护筒的长度有限，并不能完全插入淤泥层对钻井进行防护，在一定深度后，钢护筒不能防护时，钻井侧壁的地质强度不高，还是容易坍塌，也很难对钻井的侧壁进行加固；3.钢护筒插入地下之后，受土体吸附力作用，会很难拔出，且拔出过程中会对孔洞产生扰动，影响成桩质量；4.部分项目通过注入水泥浆的方式在孔壁形成一种临时水泥护筒，但是该水泥护筒质量无法较好的控制，水泥护筒一旦出现裂缝则会迅速扩大，导致塌孔事故。
专利公开号“CN201720741987”公开了一种淤泥地层钻进防塌的钻头，但其存在以下缺陷：1)防塌孔质量无法保证，泥浆壁一旦出现裂缝则会迅速扩大，导致塌孔事故；2)钻头掘进效率低，钻头结构与钻进土体的接触面积较大，受土体吸附作用影响大，钻进过程需要的扭矩较大，设备动力也较高。
因此，有必要提出一种防塌孔效果好、可靠性高、钻进效率高、施工便捷的适用于淤泥软土地层的钻进装置及其施工方法。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种适用于软土地层的竹节式钻孔装置，其不仅能够在软土地层中进行钻孔，而且能够在钻孔过程中制备竹节式水泥护筒，操作简单，效果显著。
本发明的第二目的是提供采用该竹节式钻孔装置进行施工的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种适用于软土地层的竹节式钻孔装置，该装置包括钻机、安装架、护筒模、支撑件和注料件，其中，所述钻头设置在所述安装架中，所述护筒模通过所述支撑件设置在所述安装架的外侧，而所述注料件与所述护筒模相连；
所述钻机包括钻杆、钻头、搅拌杆和螺旋叶片，所述钻头、搅拌杆和螺旋叶片均安装在所述钻杆的杆体上，且自下而上分布；
所述安装架包括筒管和护壁，所述护壁固定安装于所述筒管的下端，且所述钻杆转动连接在所述筒管的内腔中；
所述护筒模包括环形底座、圆台护筒、气囊槽和注料口，所述环形底座固定于所述圆台护筒的底部，所述气囊槽设置在所述圆台护筒的上端侧壁中，其槽内设置有气囊，而所述注料口设置有若干组，其包括水泥浆注入口、脱模油注入口和充气口，均开设在所述圆台护筒的侧壁上；
所述支撑件包括支撑杆、支撑臂和支撑块，所述支撑杆的一端铰接在所述筒管的侧壁上，另一端与所述支撑块连接，所述支撑臂的一端铰接在所述支撑杆的中部侧壁上，另一端通过滑块滑动连接在所述筒管侧壁上开设的滑槽中，而所述支撑块抵接在所述圆台护筒的顶端侧壁上；以及，
所述注料件包括水泥浆注入管、脱模油注入管、充气管，各注料管与所述水泥浆注入口、脱模油注入口、充气口各自对应连通。
进一步的，所述搅拌杆呈倒置的圆台型，其上端与所述螺旋叶片的径向直径相同。
进一步的，所述钻杆内设置有导水管，所述钻头的侧壁上具有出水口，所述出水口与导水管相通。
进一步的，所述护壁的径向直径等于所述环形底座的环形内径，而其顶部外侧边缘还设有凸缘，其底部与所述环形底座的顶部侧壁活动接触；
所述凸缘的径向直径小于所述圆台护筒上端的环形内径。
进一步的，所述环形底座的环形外径大于所述圆台护筒的环形外径，而其环形内径小于所述圆台护筒的环形内径。
进一步的，所述圆台护筒的外侧壁上设置有波浪形槽纹。
进一步的，所述水泥浆注入口和脱模油注入口设置在所述圆台护筒的下端侧壁上，且所述水泥浆注入口位于所述脱模油注入口的下方，所述充气口位于所述圆台护筒的上端侧壁中。
进一步的，所述注料件的各管口处均设置有卡扣，所述卡扣位于所述凸缘上，而所述注料口位于所述圆台护筒的侧壁上设置有卡座，所述卡扣与所述卡座相互配合。
进一步的，所述环形底座的径向截面呈楔形，且所述搅拌杆的顶部与所述环形底座的底部位于同一水平面上。
一种适用于软土地层的竹节式钻孔装置及其施工方法，采用上述的竹节式钻孔装置，包括以下施工步骤：
S1：施工准备：确定钻孔的设计方案，选择适配钻机并就位，水泥浆、脱模油、气泵准备；
S2：钻头装配：将所述钻机、安装架、护筒模、支撑件和注料件装配，形成完整钻孔装置；
S3：钻孔准备：将钻孔装置于施工处下钻，各所述注料件与各所述注料口对应相连，且所述充气管的另一端与气泵相连；
S4：钻孔：打开所述钻头顶部的出水口，进行钻孔，向地层中旋进所述钻机；
S5：孔壁注浆：旋进一定深度，启动气泵对气囊充气，而后通过所述水泥浆注入管向所述圆台护筒外侧壁的孔壁进行注浆，形成强度后进行下一步施工；
S6：孔壁脱模：通过所述脱模油注入管向所述脱模油注入口中注入脱模油，使得所述圆台护筒的外壁与形成的水泥护筒分离；
S7：继续向地层旋进，进行下一步钻孔，重复步骤S4～S6；
S8：钻头脱离：钻至预定深度后，从钻孔中向上拔出所述钻头，同时所述注料件与注料口分离，而后在钻孔中注入带有一定膨胀性的水泥浆。
本发明的有益效果：
1)防塌孔效果好：通过高压水泥浆形成了可靠孔壁，具有较高的强度；
2)可靠性高：通过竹节式、分层式的形状特点，限制了孔壁质量缺陷的扩展，成孔质量好；
3)钻进效率高：将钻头顶部的螺旋扇叶转换成杆，减少了与钻进土体的接触面积，从而降低了机器的输出扭矩，调高了钻进效率；
4)施工便捷：该装置操作简单，无需护筒之类的辅助设备，且成孔完成后仅需提出钻头即可，无后续操作，操作方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明适用于软土地层的竹节式钻孔装置的整体结构示意图。
图2为本发明适用于软土地层的竹节式钻孔装置的A面剖视结构示意图。
图3为本发明适用于软土地层的竹节式钻孔装置的钻机及安装架具体结构示意图。
图4为本发明适用于软土地层的竹节式钻孔装置的护筒模B面剖视结构示意图。
图5为本发明适用于软土地层的竹节式钻孔装置的C面剖视结构示意图。
图6为本发明适用于软土地层的竹节式钻孔装置的局部D放大结构示意图。
图7为本发明适用于软土地层的竹节式钻孔装置应用场景结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
参照图1～7，为本发明第一个实施例，提供了一种适用于软土地层的竹节式钻孔装置，该装置包括钻机1、安装架2、护筒模3、支撑件4和注料件5，其中，钻头12设置在安装架2中，护筒模3通过支撑件4设置在安装架2的外侧，而注料件5与护筒模3相连。
钻机1包括钻杆11、钻头12、搅拌杆13和螺旋叶片14，钻头12、搅拌杆13和螺旋叶片14均安装在钻杆11的杆体上，且自下而上分布。
安装架2包括筒管21和护壁22，护壁22固定安装于筒管21的下端，且钻杆11转动连接在筒管21的内腔中。
护筒模3包括环形底座31、圆台护筒32、气囊槽33和注料口34，环形底座31固定于圆台护筒32的底部，气囊槽33设置在圆台护筒32的上端侧壁中，其槽内设置有气囊，而注料口34设置有若干组，其包括水泥浆注入口34a、脱模油注入口34b和充气口34c，均开设在圆台护筒32的侧壁上。
支撑件4包括支撑杆41、支撑臂42和支撑块43，支撑杆41的一端铰接在筒管21的侧壁上，另一端与支撑块43连接，支撑臂42的一端铰接在支撑杆41的中部侧壁上，另一端通过滑块滑动连接在筒管21侧壁上开设的滑槽中，而支撑块43抵接在圆台护筒32的顶端侧壁上。
以及，注料件5包括水泥浆注入管51、脱模油注入管52、充气管53，各注料管与水泥浆注入口34a、脱模油注入口34b、充气口34c各自对应连通。
搅拌杆13呈倒置的圆台型，其上端与螺旋叶片14的径向直径相同。
钻杆11内设置有导水管，钻头11的侧壁上具有出水口，出水口与导水管相通。
护壁22的径向直径等于环形底座31的环形内径，而其顶部外侧边缘还设有凸缘，其底部与环形底座31的顶部侧壁活动接触；凸缘的径向直径小于圆台护筒32上端的环形内径。
环形底座31的环形外径大于圆台护筒32的环形外径，而其环形内径小于圆台护筒32的环形内径。
圆台护筒32的外侧壁上设置有波浪形槽纹。
水泥浆注入口34a和脱模油注入口34b设置在圆台护筒32的下端侧壁上，且水泥浆注入口34a位于脱模油注入口34b的下方，充气口34c位于圆台护筒32的上端侧壁中。
注料件5的各管口处均设置有卡扣M，卡扣M位于凸缘上，而注料口34位于圆台护筒32的侧壁上设置有卡座N，卡扣M与卡座N相互配合。
环形底座31的径向截面呈楔形，且搅拌杆13的顶部与环形底座31的底部位于同一水平面上。
其中，结合图1，该装置主要分为钻机1和护筒模3两部分，安装架2和支撑件4作为钻机1和护筒模3的连接架体和支撑架体，以提高两者的施工稳定性，而注料件5用于从地面上向钻孔中注料，以形成水泥护筒墙壁，即钻机1向软土地层中旋挖钻孔，旋进过程中，通过安装架2保持旋进方向，并带动护筒模3向钻孔底部前进，支撑件4位于安装架2与护筒模3之间，保持二者稳定连接。
进一步的，结合图2和3，钻机1中的钻杆11为转动轴，钻头12、搅拌杆13和螺旋叶片14均分布安装在钻杆11的杆体上，钻头12位于钻杆11的最底部，其底部尖锐，呈倒置的锥形，侧壁带有一定的异形曲面，以利于在软土中旋进，其曲面侧壁上开设有出水口，与钻杆11内部设置的导水管相连，即在钻头12工作过程中，从出水口中出水，增加旋进时的地层湿度，从而降低钻孔的难度；搅拌杆13位于钻头12的上方，由不同长度的钢筋分布构成，整体径向呈倒置的圆台型，以配合钻头12向下旋挖，而在钻头12向地下旋挖时，搅拌杆13进一步对湿润的淤泥搅拌，从而更易于处理；螺旋叶片14位于搅拌杆13的上方，其叶片整体的径向直径与搅拌杆13的最大径向直径相同，用于将充分搅拌后的淤泥输送至钻机1的上方，位于护筒模3的内腔中，需要说明的是，在施工中需要将护筒模3的内腔中积攒的淤泥及时抽出，以便于钻机1持续向下旋挖施工。
而在安装架2中，钻杆11转动安装在筒管21的内腔中，且筒管21位于螺旋叶片14的上方，用于安装并防护钻机1的工作，护壁22位于筒管21的底部，呈圆筒状，其径向直径与环形底座31的内环直径相同，即贴附于环形底座31的内环安装，其顶部开口，通过加强筋与筒管21的外壁相连，而其外壁边缘还设有凸缘，凸缘的径向直径大于环形底座31的环形内径，其能够放置在环形底座31的顶部侧壁上，目的在于用于推动护筒模3向钻孔深处前进，还能够从护筒模3中向上拔出，二者分离。
具体的，结合图4，护筒模3实际为水泥护筒墙壁的模具，其底部为环形底座31，用于在钻孔中破土，其径向截面为楔形，底部尖锐利于前进，其上端宽度大于圆台护筒32的厚度，圆台护筒32的底部安装在环形底座31的顶端中部位置；圆台护筒32为上小下大的圆台状，内部中空，其上端的环形内径略大于护壁22凸缘的径向直径，以便于安装架2能够顺利从圆台护筒32的内腔中取出，且在圆台护筒32的外侧壁上设置有波浪线槽纹，目的在于当形成预制水泥护筒壁时，其内侧壁上具有波浪线槽纹，能够提高水泥护筒壁的强度；气囊槽33设置在圆台护筒32的上端侧壁中，槽口位于朝向圆台护筒32的外侧，槽内设有气囊，当气囊充气时，由槽口向护筒外侧膨胀，使得圆台护筒32的外侧壁、环形底座31、钻孔墙壁及气囊之间形成封闭区域，向此封闭区域内填注水泥浆，使其形成水泥护筒；而水泥浆从注料口34中的水泥浆注入口34a中注入，注料口34中还包括脱模油注入口34b和充气口34c，其中，水泥浆注入口34a和脱模油注入口34b设置有多个，等间距分布在圆台护筒32的内腔底部侧壁上，目的在于，从底部注入水泥浆，能够使得封闭区域完全被填充，且不会有气泡；脱模油注入口34b设置于底部的目的相似，能使得封闭区域内形成的水泥护筒与护筒模3完全分离；充气口34c位于圆台护筒32的内腔上端，可只设置单一充气口34c。
更进一步的，结合图2和3，由于安装架2只与圆台护筒32的底部相接触，为保持施工过程中的稳定性，通过支撑件4将圆台护筒32的顶部与安装架2相连，支撑件4整体相似于伞骨结构，支撑杆41的一端通过支撑块43搭接在圆台护筒32的顶部，而支撑臂42用于限位支撑杆41的展开角度，其最大展开角度与圆台护筒32的顶部接触。支撑杆41、支撑臂42和支撑块43数量相同，设置有若干组，增加组数可提高支撑件4的连接稳定性。
较佳的，结合图5，注料件5中的水泥浆注入管51、脱模油注入管52、充气管53与各注料口34对应相连，分别用于向封闭区域中注入地面上配制好的水泥浆、脱模油及充气；如图6，需要说明的是，各管的管口处均设置有卡扣M，并将卡扣M固定于护壁22的凸缘上，且注料口34位于圆台护筒32的内侧壁上设置有卡座N，卡扣M与卡座N相互配合，目的在于，当将钻机1从钻孔中拔出时，能够同时将各注料件5与各注料口34分离。
实施例2
区别于实施例1，为该竹节式钻孔装置的施工方法，包括以下施工步骤：
S1：施工准备：确定钻孔的设计方案，选择适配钻机1并就位，水泥浆、脱模油、气泵准备；
S2：钻头装配：将钻机1、安装架2、护筒模3、支撑件4和注料件5装配，形成完整钻孔装置；
S3：钻孔准备：将钻孔装置于施工处下钻，各注料件5与各注料口34对应相连，且充气管53的另一端与气泵相连；
S4：钻孔：打开钻头11顶部的出水口，进行钻孔，向地层中旋进钻机1；
S5：孔壁注浆：旋进一定深度，启动气泵对气囊充气，而后通过水泥浆注入管51向圆台护筒32外侧壁的孔壁进行注浆，形成强度后进行下一步施工；
S6：孔壁脱模：通过脱模油注入管52向脱模油注入口34b中注入脱模油，使得圆台护筒32的外壁与形成的水泥护筒分离；
S7：继续向地层旋进，进行下一步钻孔，重复步骤S4～S6；
S8：钻头脱离：钻至预定深度后，从钻孔中向上拔出钻头12，同时注料件5与注料口34分离，而后在钻孔中注入带有一定膨胀性的水泥浆。
相较于实施例1，进一步的，本装置在使用前，需提前做好施工准备，依据待施工位置确定钻孔的方案，并将各所需部件配制好，送达施工位置；施工前，将钻机1及护筒模3装配成一体，并将钻机1及护筒模3初步打入地下，将各注料件5与注料口34相连，各管道与地面供给处相连，再做施工前确认工作；施工过程中，先启动钻机1，钻头11转动，出水口出水，配合钻头11旋挖，当钻孔壁强度不足时，且深度大于或等于护筒模3的高度时，先启动气泵对气囊充气，使得护筒模3与钻孔壁形成封闭区域，再通过水泥浆注入管51向封闭区域内注入水泥浆，一段时间后，当水泥浆凝固形成水泥护筒时，再通过脱模油注入口34b向封闭区域内注入脱模油，使得水泥护筒与护筒模3处于易于分离的状态，启动气泵，抽出气囊中的气体，气囊收回气囊槽中，继续启动钻机1向下钻挖，水泥护筒与护筒模3分离，当再次达到一个护筒模3的深度时，重复上述的步骤，连续施工，使水泥护筒形成竹节式的连续护壁，整体筒壁强度大幅提高；钻孔及水泥护筒壁均完成后，向完工的钻孔内注入带有一定膨胀性的水泥浆及钢筋等建材，目的在于，后加入的水泥浆凝固膨胀，与水泥护筒壁紧密贴合，使得整体更加稳定牢固。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种适用于软土地层的竹节式钻孔装置，其特征在于：包括钻机(1)、安装架(2)、护筒模(3)、支撑件(4)和注料件(5)，其中，所述安装架(2)中设有钻头(12)，所述护筒模(3)通过所述支撑件(4)设置在所述安装架(2)的外侧，而所述注料件(5)与所述护筒模(3)相连；
所述钻机(1)包括钻杆(11)、钻头(12)、搅拌杆(13)和螺旋叶片(14)，所述钻头(12)、搅拌杆(13)和螺旋叶片(14)均安装在所述钻杆(11)的杆体上，且自下而上分布；
所述安装架(2)包括筒管(21)和护壁(22)，所述护壁(22)固定安装于所述筒管(21)的下端，且所述钻杆(11)转动连接在所述筒管(21)的内腔中；
所述护筒模(3)包括环形底座(31)、圆台护筒(32)、气囊槽(33)和注料口(34)，所述环形底座(31)固定于所述圆台护筒(32)的底部，所述气囊槽(33)设置在所述圆台护筒(32)的上端侧壁中，其槽内设置有气囊，而所述注料口(34)设置有若干组，其包括水泥浆注入口(34a)、脱模油注入口(34b)和充气口(34c)，均开设在所述圆台护筒(32)的侧壁上；
所述支撑件(4)包括支撑杆(41)、支撑臂(42)和支撑块(43)，所述支撑杆(41)的一端铰接在所述筒管(21)的侧壁上，另一端与所述支撑块(43)连接，所述支撑臂(42)的一端铰接在所述支撑杆(41)的中部侧壁上，另一端通过滑块滑动连接在所述筒管(21)侧壁上开设的滑槽中，而所述支撑块(43)抵接在所述圆台护筒(32)的顶端侧壁上；以及，
所述注料件(5)包括水泥浆注入管(51)、脱模油注入管(52)、充气管(53)，各注料管与所述水泥浆注入口(34a)、脱模油注入口(34b)、充气口(34c)各自对应连通。
2.如权利要求1所述的适用于软土地层的竹节式钻孔装置，其特征在于：所述搅拌杆(13)呈倒置的圆台型，其上端与所述螺旋叶片(14)的径向直径相同。
3.如权利要求2所述的适用于软土地层的竹节式钻孔装置，其特征在于：所述钻杆(11)内设置有导水管，所述钻头(12)的侧壁上具有出水口，所述出水口与导水管相通。
4.如权利要求3所述的适用于软土地层的竹节式钻孔装置，其特征在于：所述护壁(22)的径向直径等于所述环形底座(31)的环形内径，而其顶部外侧边缘还设有凸缘，其底部与所述环形底座(31)的顶部侧壁活动接触；
所述凸缘的径向直径小于所述圆台护筒(32)上端的环形内径。
5.如权利要求4所述的适用于软土地层的竹节式钻孔装置，其特征在于：所述环形底座(31)的环形外径大于所述圆台护筒(32)的环形外径，而其环形内径小于所述圆台护筒(32)的环形内径。
6.如权利要求5所述的适用于软土地层的竹节式钻孔装置，其特征在于：所述圆台护筒(32)的外侧壁上设置有波浪形槽纹。
7.如权利要求6所述的适用于软土地层的竹节式钻孔装置，其特征在于：所述水泥浆注入口(34a)和脱模油注入口(34b)设置在所述圆台护筒(32)的下端侧壁上，且所述水泥浆注入口(34a)位于所述脱模油注入口(34b)的下方，所述充气口(34c)位于所述圆台护筒(32)的上端侧壁中。
8.如权利要求7所述的适用于软土地层的竹节式钻孔装置，其特征在于：所述注料件(5)的各管口处均设置有卡扣(M)，所述卡扣(M)位于所述凸缘上，而所述注料口(34)位于所述圆台护筒(32)的侧壁上设置有卡座(N)，所述卡扣(M)与所述卡座(N)相互配合。
9.如权利要求8所述的适用于软土地层的竹节式钻孔装置，其特征在于：所述环形底座(31)的径向截面呈楔形，且所述搅拌杆(13)的顶部与所述环形底座(31)的底部位于同一水平面上。
10.一种适用于软土地层的竹节式钻孔装置的施工方法，其特征在于：采用上述权利要求9所述的竹节式钻孔装置，包括以下施工步骤：
S1：施工准备：确定钻孔的设计方案，选择适配钻机(1)并就位，水泥浆、脱模油、气泵准备；
S2：钻头装配：将所述钻机(1)、安装架(2)、护筒模(3)、支撑件(4)和注料件(5)装配，形成完整钻孔装置；
S3：钻孔准备：将钻孔装置于施工处下钻，各所述注料件(5)与各所述注料口(34)对应相连，且所述充气管(53)的另一端与气泵相连；
S4：钻孔：打开所述钻头(12)顶部的出水口，进行钻孔，向地层中旋进所述钻机(1)；
S5：孔壁注浆：旋进一定深度，启动气泵对气囊充气，而后通过所述水泥浆注入管(51)向所述圆台护筒(32)外侧壁的孔壁进行注浆，形成强度后进行下一步施工；
S6：孔壁脱模：通过所述脱模油注入管(52)向所述脱模油注入口(34b)中注入脱模油，使得所述圆台护筒(32)的外壁与形成的水泥护筒分离；
S7：继续向地层旋进，进行下一步钻孔，重复步骤S4～S6；
S8：钻头脱离：钻至预定深度后，从钻孔中向上拔出所述钻头(12)，同时所述注料件(5)与注料口(34)分离，而后在钻孔中注入带有一定膨胀性的水泥浆。
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