CN112554783A - 一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机及施工方法，包括行走系统和成孔系统，成孔系统设在行走系统的一端，设有行走状态和工作状态；行走系统包括行走底盘、液压站、绞车和起落架；成孔系统包括主架、动力头、护筒驱动器、护筒、钻杆和钻头，主架活动连接在行走底盘上，动力头设在主架内，通过连接绳与绞车连接，动力头和起落架与液压站连接，护筒驱动器设在动力头下部，护筒连接在护筒驱动器下部，钻杆和钻头位于护筒内，钻头设在钻杆底端。本发明通过护筒和钻杆的分段设置，降低了主架对高度的需求，并通过先钻杆钻进后跟进护筒、多次循环的施工方式实现了在地下洞内狭小空间内进行机械化打桩作业。

Description

一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机及施工方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机及施工方法。

背景技术

打桩机是桩基施工中的专用设备，在工程建设领域发挥着重要的作用，目前被广泛应用于各类建筑物的地基改良、房屋建筑、交通运输、水利防汛、环境保护、海上钻井平台以及风力发电等工程建设。近年来，随着地下工程建设的快速发展，地下工程尤其是地铁暗挖车站中洞内成桩的数量越来越多，但成桩方式单一，大多数都采用了人工挖孔桩。但人工挖孔桩存在施工效率低、作业环境差、安全性能差、劳动力成本高等缺陷，已不能满足现代机械化施工的需求，且挖孔过程存在很大的安全风险。因此北京从2019年4月20日起要求市内在施的暗挖车站洞内人工挖孔桩作业全面停工，要求替换为洞桩机械施工。

由于桩基的基础深，桩身长度长，为了实现成孔的需要，打桩机多架设在地面，配合打桩架来实现钻杆的提升、钢筋笼的下放及预制桩的打入，并且由于地面高空并有没有过多的障碍物，为满足桩长的要求且便于施工，地面打桩一般设置了较高的打桩架。而对于暗挖车站这样狭小的空间，无法安放高的打桩架，致使现有场地的操作空间和打桩要求的施工空间二者之间出现了矛盾。

桩基工程中通常采用以下几种成孔方法，尽管各自的适用范围有所不同，但不能全部满足地下洞内成孔的需求：

一、泥浆护壁成孔，包括正反循环成孔、旋挖成孔和潜水钻成孔。该方法的特点是，无论采用哪种钻机，都必须在成孔作业前建设泥浆池，且要保证泥浆在钻机钻进过程中持续在孔壁循环，以维持孔壁的稳定。但地下狭小的施工场地无法为泥浆池提供所需的工作空间，若在地面设置泥浆池，再通过管路输送到地下，由于地下车站深度较深，这种做法非常不经济，且施工过程中产生的大量泥浆也对施工环境造成污染。

二、全套管成孔，一般包括旋转式成孔和振动式成孔，其中振动式成孔会对周边土体产生一定的振动影响，在地下工程中由于开挖本就导致了地下土体的不稳定，必须采用强有力的支护措施来确保开挖的安全进行，额外的、附加的振动会进一步影响开挖范围内土体的稳定性，影响地下洞室的安全，不建议使用。相对而言，旋转式成孔的影响会小很多，但目前所用的套管长度太长，无法满足地下洞室内施工的需要。

三、干作业成孔，包括人工挖孔、螺旋钻孔和旋挖成孔，一般适用于地下水位以上或采取降水后的黏性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土和风化岩层，其中人工挖孔对无水或少水环境要求高，对土体自身的稳定性要求更高。

综上，现有的打桩机无法在地下狭小空间内作业，无法满足地下工程高的安全控制要求，部分还会对周边环境产生噪声、振动、废水等影响。本发明提供一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机及施工方法解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机及施工方法，在地下狭小空间内实现干成孔作业，具有安全性能高、环境污染小和施工效率高的特点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机，包括行走系统和成孔系统，所述成孔系统设在行走系统的一端，设有行走状态和工作状态；所述行走系统包括行走底盘、液压站、绞车和起落架，所述液压站、绞车和起落架均设在行走底盘上；所述成孔系统包括主架、动力头、护筒驱动器、护筒、钻杆和钻头，所述主架活动连接在行走底盘上，并与起落架连接，所述动力头设在主架内，通过连接绳与绞车连接，所述动力头和起落架与液压站连接，所述护筒驱动器设在动力头下部，并与动力头保持相同运动，所述护筒连接在护筒驱动器下部，所述钻杆和钻头位于护筒内，所述钻头设在钻杆底端，所述钻杆顶端与护筒驱动器连接。

进一步地，所述动力头包括动力座和连接头，所述动力座设在主架内，所述连接头设在动力座底部；所述护筒驱动器包括连接座一和连接座二，所述连接座一与连接头固定连接，所述连接座二位于连接座一下侧。

进一步地，所述护筒包括护筒单元节，所述护筒单元节的上下两端分别设有内环接头和外环接头，相邻的护筒单元节的内环接头和外环接头互相套接连接，顶端的护筒单元节的内环接头与连接座二固定连接。

进一步地，所述内环接头的外壁上设有连接板，所述外环接头和连接座二的内壁上设有连接凹槽，所述连接板位于连接凹槽内；所述内环接头和外环接头上设有相对应的连接孔，所述连接孔沿护筒周向间隔设置，其内设有螺栓。

进一步地，所述钻杆包括钻杆单元，相邻的钻杆单元之间通过销轴连接，位于顶端的钻杆单元与连接座二固定连接，位于底端的钻杆单元与钻头固定连接。

进一步地，所述钻头包括杆身、钻板和钻齿，所述钻板设在杆身的底端，所述钻齿间隔设置在钻板上。

进一步地，所述行走底盘包括行走基座、转台和支腿，所述转台和支腿连接在行走基座上。

进一步地，所述主架包括主架体、销轴座一和销轴座二，所述销轴座一设在主架体上部，与起落架顶端连接，所述销轴座二设在主架体下部，与转台外端连接。

进一步地，所述主架体上设有固定轮，所述动力头上设有提升轮，所述连接绳绕过固定轮与提升轮连接；所述主架上设有长度方向的滑轨，所述动力头设有滑轮，所述滑轮设在滑轨上并沿其运动。

一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机的施工方法，包括以下步骤：

S1，孔口护筒埋设：在桩位处人工开挖成孔，并做混凝土护壁后放入护筒单元节；

S2，钻机就位：将钻机移动至钻孔位置，与成孔位置对准后，将成孔系统由卧式的行走状态展开为竖直状态的工作状态；

S3，钻头就位：安装钻头后将钻头钻入孔中，然后将钻头与护筒驱动器脱开预留在孔中；

S4，钻杆钻进：提升护筒驱动器并安装钻杆单元，并将钻杆单元与孔内的钻头连接后进行钻进，钻进一个钻杆单元深度后，将钻杆单元与护筒驱动器脱开预留在孔中；

S5，护筒钻进：提升护筒驱动器并安装护筒单元节，并将护筒单元节与孔内的护筒单元节连接后进行钻进，钻进一个护筒单元节深度后，将第二节护筒单元节与护筒驱动器脱开预留在孔中；

S6，连续钻进：按照先步骤S3的钻杆钻进，后步骤S4的护筒钻进，依次循环交替进行连续施工，直至钻进至设计位置；

S7，设备拆除：按照与钻进操作相反的顺序进行设备的拆除操作，完成设备的拆除，并对成孔进行验收。

本发明有益效果如下：

通过护筒和钻杆的分段设置，降低了主架对高度的需求，并通过先钻杆钻进后跟进护筒、多次循环的施工方式实现了在地下洞内狭小空间内进行机械化打桩作业；用逐节拼装护筒的施工方法替代了传统的泥浆护壁方式，具有节能、环保的特点，能够灵活适应地下的狭小空间；具有安全性能高、环境污染小和施工效率高的特点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构俯视图；

图3为本发明的主架结构示意图；

图4为本发明的动力头结构示意图；

图5为本发明的护筒驱动器结构示意图；

图6为本发明的护筒单元节结构示意图；

图7为本发明的钻杆结构示意图；

图8为本发明的钻头结构示意图。

附图标记：1-行走底盘，110-行走基座，120-转台，130-支腿，2-液压站，3-绞车，4-起落架，5-主架，51-主架体，52-销轴座一，53-销轴座二，54-固定轮，6-动力头，61-动力座，62-连接头，63-提升轮，7-护筒驱动器，71-连接座一，72-连接座二，8-护筒，81-内环接头，82-外环接头，83-连接板，84-连接凹槽，85-连接孔，9-钻杆，10-钻头，101-杆身，102-钻板，103-钻齿，11-连接绳。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，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。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

如图1、2所示，一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机，包括行走系统和成孔系统，所述成孔系统设在行走系统的一端，设有行走状态和工作状态；所述行走系统包括行走底盘1、液压站2、绞车3和起落架4，所述液压站2、绞车3和起落架4均设在行走底盘1上；所述成孔系统包括主架5、动力头6、护筒驱动器7、护筒8、钻杆9和钻头10，所述主架5活动连接在行走底盘1上，并与起落架4连接，所述动力头6设在主架5内，通过连接绳11与绞车3连接，所述动力头6和起落架4与液压站2连接，所述护筒驱动器7设在动力头6下部，并与动力头6保持相同运动，所述护筒8连接在护筒驱动器7下部，所述钻杆9和钻头10位于护筒8内，所述钻头10设在钻杆9底端，所述钻杆9顶端与护筒驱动器7连接。

本发明的原理如下：在狭小的地下空间内，由于没有地面施工较大的空间，需要减小结构的绝对高度来进行施工，护筒8由护筒单元节组成，钻杆9由钻杆单元组成；进行施工时，动力头6连接在主架5上，并可以沿其上下运动，护筒驱动器7与动力头6连接，钻杆单元和护筒单元节依次且循环连接在护筒驱动器7上，在动力头6提供的向下及旋转动力的作用下，依次按照钻杆单元钻进、护筒单元节进尺、钻杆单元钻进、护筒单元节进尺的循环操作直至实现成孔作；成孔作业完成后，按照相反的操作顺序进行拆分。

如图4、5所示，进一步地，所述动力头6包括动力座61和连接头62，所述动力座61设在主架5内，所述连接头62设在动力座61底部；所述护筒驱动器7包括连接座一71和连接座二72，所述连接座一71与连接头62固定连接，所述连接座二72位于连接座一71下侧。

进一步地，所述动力座61的连接头62具有伸缩及自转功能，可以带动护筒驱动器7上下运动及旋转。

如图6所示，进一步地，所述护筒8包括护筒单元节，所述护筒单元节的上下两端分别设有内环接头81和外环接头82，相邻的护筒单元节的内环接头81和外环接头82互相套接连接，顶端的护筒单元节的内环接头81与连接座二72固定连接。

如图6所示，进一步地，所述内环接头81的外壁上设有连接板83，所述外环接头82和连接座二72的内壁上设有连接凹槽84，所述连接板83位于连接凹槽84内，连接板83和连接凹槽84之间的配合有定位、限位和固定对准的作用；所述内环接头81和外环接头82上设有相对应的连接孔85，所述连接孔85沿护筒8周向间隔设置，其内设有螺栓。

护筒单元节与护筒驱动器7的连接通过连接座二72套设在护筒单元节的内环接头81上进行连接，相邻护筒单元节通过上方护筒单元节的外环接头82套在下方护筒单元节的内环接头81上进行连接，逐一连接形成护筒8。

进一步地，所述护筒单元节的内环接头81上设有吊装孔。用于护筒单元节拔出后用于吊运移走。

优选的，所述护筒单元节的长度为1m。便于进行地下狭小空间内的施工。

护筒单元节之间的连接方式如下：下方护筒单元节的内环接头81被上方护筒单元节的外环接头82套紧，同时内环接头81外壁上的连接板83位于外环接头82内壁上的相对应的连接凹槽84卡住，然后使用螺栓穿过内环接头81和外环接头82上连接孔85将护筒单元节依次连接。

如图7所示，进一步地，所述钻杆9包括钻杆单元，相邻的钻杆单元之间通过销轴连接，位于顶端的钻杆单元与连接座二72固定连接，位于底端的钻杆单元与钻头10通过销轴进行固定连接。

如图8所示，进一步地，所述钻头10包括杆身101、钻板102和钻齿103，所述钻板102设在杆身101的底端，所述钻齿103间隔设置在钻板102上。

优选的，所述钻板102为V型钢板，两侧各焊接五个钻齿103，所述钻齿103为挖机斗齿。利用挖机抖齿对土体进行挖掘，有效提升钻进效率。

优选的，所述钻杆9包括杆身和螺旋叶片，所述螺旋叶片设在杆身上，相邻钻杆9的螺旋叶片相互对接，所述钻头10的杆身101上设有螺旋叶片，并与钻杆9上的螺旋叶片相对接。

如图1所示，进一步地，所述行走底盘1包括行走基座110、转台120和支腿130，所述转台120和支腿130连接在行走基座110上。

如图3所示，进一步地，所述主架5包括主架体51、销轴座一52和销轴座二53，所述销轴座一52设在主架体51上部，与起落架4顶端连接，所述销轴座二53设在主架体51下部，与转台120外端连接。起落架4缩回时，主架5处于行走状态的平卧姿态，便于运输；到达施工地点后，起落架4伸出，将主架5由行走状态的平卧姿态调整为工作状态的竖直姿态，方便在地下狭小空间内运动。

如图3所示，进一步地，所述主架体51上设有固定轮54，所述动力头6上设有提升轮63，所述连接绳11绕过固定轮54与提升轮63连接；所述主架5上设有长度方向的滑轨，所述动力头6设有滑轮，所述滑轮设在滑轨上并沿其运动。固定轮54和提升轮63组成的滑轮组，起到升降动力头6的作用，并依靠滑轮滑轨的配合，实现动力头6的竖向运动。

一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机的施工方法，包括以下步骤：

S1，孔口护筒埋设：在桩位处人工开挖1m深的成孔，并对桩孔做混凝土护壁后放入护筒单元节；

S2，钻机就位：将钻机移动至钻孔位置，与成孔位置对准后，将成孔系统由卧式的行走状态展开为竖直状态的工作状态；

将主架5对准成孔中心，将动力头6与连接绳11连接，然后提起动力头6，将其和护筒驱动器7连接就位；

S3，钻头就位：在护筒驱动器7上安装钻头10，然后将钻头10钻入护筒单元节内孔中，然后将钻头10与护筒驱动器7脱开预留在孔中；

S4，钻杆钻进：将护筒驱动器7提升并安装钻杆单元，并将钻杆单元与孔内的钻头10连接后进行钻进，钻进一个钻杆单元深度后，将钻杆单元与护筒驱动器7脱开预留在孔中；

S5，护筒钻进：提升护筒驱动器7并安装护筒单元节，并将护筒单元节与孔内的护筒单元节连接后进行钻进，钻进一个护筒单元节深度后，将第二节护筒单元节与护筒驱动器7脱开预留在孔中；

S6，连续钻进：按照先步骤S3的钻杆钻进，后步骤S4的护筒钻进，依次循环交替进行连续施工，直至钻进至设计位置；

S7，设备拆除：按照与钻进操作相反的顺序进行设备的拆除操作，完成设备的拆除，并对成孔进行验收。

进一步地，钻进过程中，渣土通过杆身外侧的螺旋叶片出土。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机，在其特征是，包括行走系统和成孔系统，所述成孔系统设在行走系统的一端，设有行走状态和工作状态；所述行走系统包括行走底盘（1）、液压站（2）、绞车（3）和起落架（4），所述液压站（2）、绞车（3）和起落架（4）均设在行走底盘（1）上；所述成孔系统包括主架（5）、动力头（6）、护筒驱动器（7）、护筒（8）、钻杆（9）和钻头（10），所述主架（5）活动连接在行走底盘（1）上，并与起落架（4）连接，所述动力头（6）设在主架（5）内，通过连接绳（11）与绞车（3）连接，所述动力头（6）和起落架（4）与液压站（2）连接，所述护筒驱动器（7）设在动力头（6）下部，并与动力头（6）保持相同运动，所述护筒（8）连接在护筒驱动器（7）下部，所述钻杆（9）和钻头（10）位于护筒（8）内，所述钻头（10）设在钻杆（9）底端，所述钻杆（9）顶端与护筒驱动器（7）连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机，其特征是：所述动力头（6）包括动力座（61）和连接头（62），所述动力座（61）设在主架（5）内，所述连接头（62）设在动力座（61）底部；所述护筒驱动器（7）包括连接座一（71）和连接座二（72），所述连接座一（71）与连接头（62）固定连接，所述连接座二（72）位于连接座一（71）下侧。

3.根据权利要求2所述的一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机，其特征是：所述护筒（8）包括护筒单元节，所述护筒单元节的上下两端分别设有内环接头（81）和外环接头（82），相邻的护筒单元节的内环接头（81）和外环接头（82）互相套接连接，顶端的护筒单元节的内环接头（81）与连接座二（72）固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机，其特征是：所述内环接头（81）的外壁上设有连接板（83），所述外环接头（82）和连接座二（72）的内壁上设有连接凹槽（84），所述连接板（83）位于连接凹槽（84）内；所述内环接头（81）和外环接头（82）上设有相对应的连接孔（85），所述连接孔（85）沿护筒（8）周向间隔设置，其内设有螺栓。

5.根据权利要求3所述的一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机，其特征是：所述钻杆（9）包括钻杆单元，相邻的钻杆单元之间通过销轴连接，位于顶端的钻杆单元与连接座二（72）固定连接，位于底端的钻杆单元与钻头（10）固定连接。

6.根据权利要求3所述的一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机，其特征是：所述钻头（10）包括杆身（101）、钻板（102）和钻齿（103），所述钻板（102）设在杆身（101）的底端，所述钻齿（103）间隔设置在钻板（102）上。

7.根据权利要求1所述的一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机，其特征是：所述行走底盘（1）包括行走基座（110）、转台（120）和支腿（130），所述转台（120）和支腿（130）连接在行走基座（110）上。

8.根据权利要求7所述的一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机，其特征是：所述主架（5）包括主架体（51）、销轴座一（52）和销轴座二（53），所述销轴座一（52）设在主架体（51）上部，与起落架（4）顶端连接，所述销轴座二（53）设在主架体（51）下部，与转台（120）外端连接。

9.根据权利要求8所述的一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机，其特征是：所述主架体（51）上设有固定轮（54），所述动力头（6）上设有提升轮（63），所述连接绳（11）绕过固定轮（54）与提升轮（63）连接；所述主架（5）上设有长度方向的滑轨，所述动力头（6）设有滑轮，所述滑轮设在滑轨上并沿其运动。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种用于地下狭小空间内施工的干成孔钻机的施工方法，其特征是，包括以下步骤：

S1，孔口护筒埋设：在桩位处人工开挖成孔，并做混凝土护壁后放入护筒单元节；

S2，钻机就位：将钻机移动至钻孔位置，与成孔位置对准后，将成孔系统由卧式的行走状态展开为竖直状态的工作状态；

S3，钻头就位：安装钻头（10）后将钻头（10）钻入孔中，然后将钻头（10）与护筒驱动器（7）脱开预留在孔中；

S4，钻杆钻进：提升护筒驱动器（7）并安装钻杆单元，并将钻杆单元与孔内的钻头（10）连接后进行钻进，钻进一个钻杆单元深度后，将钻杆单元与护筒驱动器（7）脱开预留在孔中；

S5，护筒钻进：提升护筒驱动器（7）并安装护筒单元节，并将护筒单元节与孔内的护筒单元节连接后进行钻进，钻进一个护筒单元节深度后，将第二节护筒单元节与护筒驱动器（7）脱开预留在孔中；

S6，连续钻进：按照先步骤S3的钻杆钻进，后步骤S4的护筒钻进，依次循环交替进行连续施工，直至钻进至设计位置；

S7，设备拆除：按照与钻进操作相反的顺序进行设备的拆除操作，完成设备的拆除，并对成孔进行验收。

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