CN113565440B - 一种高压水射流钻孔灌注桩施工装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压水射流钻孔灌注桩施工装置，其包括供水组件、驱动组件以及转动连接的第三输送管和第四输送管；供水组件与第三输送管连通；第四输送管连接有钻头组件；驱动组件用于驱动第四输送管转动；供水组件和第三输送管上均安装有增压设备。在本方案中，采用高压水替代了传统钻斗钻进，减少了金刚钻头的磨损，降低了工程成本。

Description

一种高压水射流钻孔灌注桩施工装置及施工方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种高压水射流钻孔灌注桩施工装置及施工方法。

背景技术

随着工程建设施工快速发展，复杂地层上的基础建设问题受到施工技术人员的重点关注。桩基础因其具有承载力高、沉降量小的显著特点，在沿海软土地区及各种复杂地层的基础建设施工中得到广泛的应用。

桩基础按其施工工艺可分为预制桩和灌注桩。工程建设地区往往交通不便，采用预制桩运输成本极高，故而普遍采用现场浇筑混凝土的形式进行桩基础的建设施工。

然而，在灌注桩时，采用传统的钻斗进行钻孔时，对传统钻斗的金钢钻头磨损较大。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种高压水射流钻孔灌注桩施工装置，其目的是解决对于传统钻斗的金钢钻头钻孔时，磨损较大的问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

提供一种高压水射流钻孔灌注桩施工装置，其包括供水组件、驱动组件以及转动连接的第三输送管和第四输送管；供水组件与第三输送管连通；第四输送管连接有钻头组件；驱动组件用于驱动第四输送管转动；供水组件和第三输送管上均安装有增压设备。

本发明的有益效果为：在本方案中，采用高压水替代了传统钻斗钻进，减少了金刚钻头的磨损，降低了工程成本。

进一步，供水组件包括水箱；水箱中设置有与第一输送管一端连通的水泵，第一输送管的另一端通过管口接头与第二输送管的一端连通，第二输送管的另一端通过管口接头与第三输送管的一端第一接口连通，第三输送管的另一端通过管口接头与第四输送管转动连接；第一输送管上安装有增压设备。设置的第二输送管在满足稳定性的同时兼顾柔韧性，可随意调整第二输送管的倾斜角度，并配合液压伸缩头可实现钻头的竖向移动。

进一步，管口接头包括第一管，第一管的外壁套接有第二轴承，第二轴承的外壁上套接有第二管；第一管的外壁上设置有第一挡板，第一挡板通过螺栓连接在第二轴承的内圈的侧面上；第二管的内壁上设置有第二挡板，第二挡板通过螺栓连接在第二轴承的外圈另一侧面上。在使用时，将其他输送管密封连接在第一管和第二管上。

进一步，第一输送管上安装有砂料箱；

砂料箱包括矩形箱体，矩形箱体顶部设置有盖板，底部设置有倒梯形的底板，矩形箱体内部设置有多层筛网组件；底板的出料口与第一输送管连接；筛网组件包括滤筛，以及用于滤筛和矩形箱体内壁的多根振动弹簧。

进一步，第三输送管的一端第二接口连接有定位装置；

定位装置包括水平台，水平台上安装有垂直度检测仪和液压伸缩头，垂直度检测仪与计算机控制连接，液压伸缩头与第三输送管的一端第二接口连接。

液压伸缩头与液压控制系统相连，可使液压伸缩头上下伸缩，为第三输送管提供竖向牵引力，从而使钻头上下移动。设置的垂直度检测仪，可以保证钻头在钻孔时的垂直度。

进一步，钻头组件包括钻头和空心钻杆，第四输送管包括依次设置的大径管、变径管和小径管，大径管通过管口接头与第三输送管连通，小径管和钻头分别通过螺纹连接在空心钻杆的两端上。

进一步，驱动组件包括安装在第三输送管上的第一轴承、第一连接件和第二连接件，第一轴承外圈上安装有旋转平台和从动齿轮，第三输送管上安装有驱动电机，驱动电机的轴端上安装有与从动齿轮啮合的主动齿轮；第一连接件连接在旋转平台和第四输送管上，第二连接件连接在旋转平台和空心钻杆上。

转动的旋转平台通过第一连接件和第二连接件带动空心钻杆和小径管同时转动，避免空心钻杆与小径管的螺纹连接松开，影响钻头打孔，造成事故。

驱动组件的工作原理：启动电机，电机带动主动齿轮转动，主动齿轮带动从动齿轮转动，从动齿轮带动第一轴承外圈转动，使第一轴承外圈上的旋转承台也转动，旋转承台带动第一连接件转动和第二连接件转动，第一连接件转动带动第四输送管转动，第二连接件带动空心钻杆转动，从而使钻头转动。设置的驱动组件提供了充足的旋转动力。

进一步，旋转平台与从动齿轮通过多个固定件连接，保证旋转平台与从动齿轮之间保持同步，还避免松动。

进一步，旋转平台与从动齿轮之间的第一轴承上安装有垫片，减小交界处的磨损以及应力。

另一方面提供了一种高压水射流钻孔灌注桩施工装置的施工方法，其包括以下步骤：

S1、打开垂直度检测仪对预设孔进行定位；

S2、启动驱动组件使钻杆和钻头同步转动；启动水泵和增压设备，提供高压水，使钻头在预设孔处作业；

S3、当预设孔处的土层为坚硬岩土层时，执行S4；否则，执行S5；

S4、调高高压水的压力和打开砂料箱的阀体，使钻头的第一喷射孔和第二喷射孔喷射出砂料和水形成的混合物，进而破碎坚硬土层，并执行S5；

S5、达到预设孔的设计深度后，取出钻头，在预设孔中建筑灌注桩。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本发明提供所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明中一种高压水射流钻孔灌注桩施工装置的结构示意图。

图2为砂料箱的结构示意图。

图3为管口接头的结构示意图。

图4为钻头的俯视图。

其中：1、水箱；2、水泵；3、第一输送管；4、砂料箱；401、盖板；402、矩形箱体；403、底板；404、砂料；405、滤筛；406、振动弹簧；5、卧式3RP20型三柱塞高压往复水泵；6、管口接头；601、第一管；602、第一挡板；603、第二轴承；604、第二管；605、第二挡板；7、第二输送管；8、液压伸缩头；9、垂直度检测仪；10、水平台；11、第三输送管；12、立式3RP20型三柱塞高压往复水泵；14、电机；15、旋转平台；16、第一连接件；17、第二连接件；18、第四输送管；19、空心钻杆；20、钻头；2001、第一喷射孔；2002、第二喷射孔；21、第一轴承；22、从动齿轮；23、固定件；24、主动齿轮。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

请参考图1-图4，本发明一方面提供一种高压水射流钻孔灌注桩施工装置，其包括供水组件、驱动组件以及转动连接的第三输送管11和第四输送管18；供水组件与第三输送管连通；第四输送管18连接有钻头组件；驱动组件用于驱动第四输送管18转动；供水组件和第三输送管11上均安装有增压设备。

在本方案中，采用高压水替代了传统钻斗钻进，减少了金刚钻头20的磨损，降低了工程成本。

具体的，第三输送管和第四输送管18通过管口接头6转动连接。第三输送管11和第四输送管的材料均为钢材。第三输送管和第四输送管18垂向设置。

进一步，供水组件包括水箱1；水箱1中设置有与第一输送管3一端连通的水泵2，第一输送管3的另一端通过管口接头6与第二输送管7的一端连通，第二输送管7的另一端通过管口接头6与第三输送管11的一端第一接口连通，第三输送管11的另一端通过管口接头6与第四输送管18转动连接；第一输送管3上安装有增压设备。

具体的，水箱1的材料为钢材，形状为立方体，上部中空，内置水源。第二输送管7为消防水带，内衬为聚氨酯胶管，表层为涤纶长丝；设置的第二输送管7在满足稳定性的同时兼顾柔韧性，可随意调整第二输送管7的倾斜角度，并配合液压伸缩头8可实现钻头20的竖向移动。

进一步，管口接头6包括第一管601，第一管601的外壁套接有第二轴承603，第二轴承603的外壁上套接有第二管604；第一管601的外壁上设置有第一挡板602，第一挡板602通过螺栓连接在第二轴承603的内圈的侧面上；第二管604的内壁上设置有第二挡板605，第二挡板605通过螺栓连接在第二轴承603的外圈另一侧面上。

具体的，在使用时，将其他输送管密封连接在第一管601和第二管604上。

进一步，第一输送管3上安装有砂料箱4。砂料箱4包括矩形箱体402，矩形箱体402顶部设置有盖板401，底部设置有倒梯形的底板403，矩形箱体402内部设置有多层筛网组件；底板403的出料口与第一输送管3连接；筛网组件包括滤筛405，以及用于滤筛405和矩形箱体402内壁的多根振动弹簧406。

具体的，筛网组件的数量为三层；设置的振动弹簧406是利用振动筛的原理。其中振动弹簧406可以内置连接有现有的震动器，震动器与控制器相连，控制震动器带动震动弹簧406可以为滤筛405提供上下、左右、前后三向自由度的振动，从而严格控制砂料404的粒径，防止砂料404堵塞输送管道。其中底板403的出料口处安装有阀体，阀体为单向阀。

其中，通过改变水泵2的频率来调节第一输送管中的流量，通过控制器控制振动弹簧406的震动，从而调节了砂料404每秒的渗落量；通过同时控制水泵2与震动弹簧，从而达到防止砂料404堵塞和提升（降低）本发明的破碎冲击力。

进一步，第三输送管11的一端第二接口连接有定位装置；定位装置包括水平台10，水平台10上安装有垂直度检测仪9和液压伸缩头8，垂直度检测仪9与计算机控制连接，液压伸缩头8与第三输送管的一端第二接口连接。

具体的，液压伸缩头8与液压控制系统相连，可使液压伸缩头8上下伸缩，为第三输送管提供竖向牵引力，从而使钻头20上下移动。设置的垂直度检测仪9，可以保证钻头20在钻孔时的垂直度。

进一步，钻头组件包括钻头20和空心钻杆19，第四输送管18包括依次设置的大径管、变径管和小径管，大径管通过管口接头与第三输送管连通，小径管和钻头20分别通过螺纹连接在空心钻杆19的两端上。

具体的，小径管与钻头20的外壁上设置有外螺纹，空心钻杆19的内壁设置有内螺纹。空心钻杆19的材料为钢材，整体为圆柱形。钻头20的材质为合金，如图4所示，钻头20包括呈倒圆台型的本体，本体上设置有垂向的第一喷射孔2001和水平的两个第二喷射孔2002；第一喷射孔2001与两个第二喷射孔2002相互贯通设置；第一喷射孔2001的轴线与钻头20上的外螺纹轴线重合。通过设置第一喷射孔2001和第二喷射孔2002，在钻孔时，既可以竖向挖深打孔，还可以径向扩大孔的直径，更加快速的打孔。

进一步，如图1所示，驱动组件包括安装在第三输送管上的第一轴承21、第一连接件16和第二连接件17，第一轴承21外圈上安装有旋转平台15和从动齿轮22，第三输送管上安装有驱动电机14，驱动电机14的轴端上安装有与从动齿轮22啮合的主动齿轮24；第一连接件16连接在旋转平台15和第四输送管18上，第二连接件17连接在旋转平台15和空心钻杆19上。

具体的，第一连接件16的上端通过螺栓固定在旋转承台的底面上，下端可以螺栓在第四输送管18的外壁上；第二连接件17包括螺栓连接在旋转承台的底面上的伸缩杆，伸缩杆套接有减震弹簧，伸缩杆的底端连接有固定杆，固定杆可以螺栓连接在空心钻杆19的外壁上。并且第二连接件17位于第一连接件16的外侧。其中第一连接件16也可以是固定杆。

转动的旋转平台15通过第一连接件16和第二连接件17带动空心钻杆19和小径管同时转动，避免空心钻杆19与小径管的螺纹连接松开，影响钻头20打孔，造成事故。

驱动组件的工作原理：启动电机14，电机14带动主动齿轮24转动，主动齿轮24带动从动齿轮22转动，从动齿轮22带动第一轴承21外圈转动，使第一轴承21外圈上的旋转承台也转动，旋转承台带动第一连接件16转动和第二连接件17转动，第一连接件16转动带动第四输送管18转动，第二连接件17带动空心钻杆19转动，从而使钻头20转动。设置的驱动组件提供了充足的旋转动力。

进一步，旋转平台15与从动齿轮22通过多个固定件23连接，保证旋转平台15与从动齿轮22之间保持同步，还避免松动。固定件23可以是螺栓。

进一步，旋转平台15与从动齿轮22之间的第一轴承21上安装有垫片，减小交界处的磨损以及应力。

其中，第一输送管3上设置的增压设备为卧式3RP20型三柱塞高压往复水泵5，第三输送管上设置的增压设备为立式3RP20型三柱塞高压往复水泵12；卧式3RP20型三柱塞高压往复水泵5和立式3RP20型三柱塞高压往复水泵12均装有安全调压阀。水泵2为一般工业用途的可变频水泵，水泵2的压力可任意调节，传动形式均为变频调速，并以此来调节流量和水压。

当需要钻孔的地层较为坚硬时，若仅由水泵2提供的高压水，产生的冲击力无法对地层进行有效的破碎，此时打开砂料箱4上设置的阀门，砂料404与水混合后，经卧式3RP20型三柱塞高压往复水泵5加压后，从第一输送管3流动到第二输送管7，再流动到第三输送管中，经过立式3RP20型三柱塞高压往复水泵12二次加压后，通过空心钻杆19，从钻头20的第一喷射孔2001和第二喷射孔2002高速的喷射出高压水与砂料404的混合物，使本发明具有充足的破碎冲击力，打破坚硬的地层。

其中，驱动组件使空心钻杆19和钻头20旋转，从而使钻头20处射出的混合物或水具有旋转力，加快钻孔的速度。

另一方面提供了一种高压水射流钻孔灌注桩施工装置的施工方法，其包括以下步骤：

S1、打开垂直度检测仪9对预设孔进行定位。

具体的，预设孔为即将要打的孔。采用吊机或者其他夹持机器，夹持在第三输送管上，或者夹持在液压伸缩头8上进行稳定作业。

具体的，检测设备；在预设孔处，测试通水部件是否通畅，并进行高压水旋转喷射测试。

S2、启动驱动组件使钻杆和钻头20同步转动；启动水泵2和增压设备，提供高压水，使钻头20在预设孔处作业；

具体的，随着预设孔的深度加深，增大水泵2、卧式3RP20型三柱塞高压往复水泵5和立式3RP20型三柱塞高压往复水泵12的功率，以增大高压水的射流压力，从而增大了预设孔的孔径和加快打预设孔的速度，同时还会粉碎钻孔内的较小的积残渣。

具体的，在钻头20下降的同时，液压伸缩头8同时也随之下降。

S3、当预设孔处的土层为坚硬岩土层时，执行S4；否则，执行S5。

S4、增大高压水的压力和打开砂料箱4的阀体，使钻头20的第一喷射孔2001和第二喷射孔2002喷射出砂料404和水形成的混合物，进而破碎坚硬土层。

具体的，增大水泵2、卧式3RP20型三柱塞高压往复水泵5和立式3RP20型三柱塞高压往复水泵12的功率，可以提高高压水的压力。通过控制器开启振动弹簧406，砂料404沿倒梯形的底板403的出料口流入第一输送管3中。调节水泵2的供水流量及振动弹簧406的频率，使得砂料404同水混合后形成混合物，再经卧式3RP20型三柱塞高压往复水泵5和立式3RP20型三柱塞高压往复水泵12双重加压后，最终从钻头20的第一喷射孔2001和第二喷射孔2002喷出粉碎坚硬岩土层；

S5、达到预设孔的设计深度后，取出钻头20，在预设孔中建筑灌注桩；

具体的，在达到预设孔的设计深度时，需要多次进行打孔，采用取土器将预设孔内的渣土取出，然后继续钻预设孔。

取出预设孔中钻头20的方式为：控制压伸缩头提升钻头20；

建筑灌注桩的方式为：在预设孔内放入预制的钢筋笼，注入水泥浆，待水泥浆凝固后形成钻孔灌注桩。

综上可得，本发明还具有以下优点：

1.输送水带在满足稳定性的同时兼顾柔韧性，可以随意调整管口的倾斜角度，配合与液压控制系统相连的液压伸缩头8，可实现钻孔设备的竖向移动，适用于各种情况的桩孔施工作业。

2.使用高压水射流钻孔技术提高了钻进效率，缩短工期，使得灌注桩的施工能够更加高效的进行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种高压水射流钻孔灌注桩施工装置，其特征在于，包括供水组件、驱动组件以及转动连接的第三输送管（11）和第四输送管（18）；所述供水组件与第三输送管（11）连通；所述第四输送管（18）连接有钻头组件；所述驱动组件用于驱动第四输送管（18）和钻头组件同步转动；所述供水组件和第三输送管（11）上均设置有增压设备；

所述钻头组件包括钻头（20）和空心钻杆（19），所述第四输送管（18）包括依次设置的大径管、变径管和小径管，所述大径管通过管口接头（6）与第三输送管（11）连通，所述小径管和钻头（20）分别通过螺纹连接在空心钻杆（19）的两端上；

所述驱动组件包括第一连接件（16）、第二连接件（17）和安装在所述第三输送管上的第一轴承（21），所述第一轴承（21）外圈上安装有旋转平台（15）和从动齿轮（22），所述第三输送管上安装有驱动电机（14），所述驱动电机（14）的轴端上安装有与从动齿轮（22）啮合的主动齿轮（24）；

所述第一连接件（16）连接在所述旋转平台（15）和第四输送管（18）上，所述第二连接件（17）连接在所述旋转平台（15）和空心钻杆（19）上；

所述第二连接件（17）包括螺栓连接在旋转平台（15）的底面上的伸缩杆，所述伸缩杆套接有减震弹簧，所述伸缩杆的底端连接有固定杆，所述固定杆螺栓连接在空心钻杆（19）的外壁上。

2.根据权利要求1所述的高压水射流钻孔灌注桩施工装置，其特征在于，所述供水组件包括水箱（1）；所述水箱（1）中设置有与第一输送管（3）一端连通的水泵（2），所述第一输送管（3）的另一端通过管口接头（6）与第二输送管（7）的一端连通，所述第二输送管（7）的另一端通过管口接头（6）与第三输送管（11）的一端第一接口连通，所述第三输送管（11）的另一端通过管口接头（6）与所述第四输送管（18）转动连接；所述第一输送管（3）上设置有增压设备。

3.根据权利要求2所述的高压水射流钻孔灌注桩施工装置，其特征在于，所述管口接头（6）包括第一管（601），所述第一管（601）的外壁套接有第二轴承（603），所述第二轴承（603）的外壁上套接有第二管（604）；所述第一管（601）的外壁上设置有第一挡板（602），所述第一挡板（602）通过螺栓连接在第二轴承（603）的内圈的侧面上；所述第二管（604）的内壁上设置有第二挡板（605），所述第二挡板（605）通过螺栓连接在第二轴承（603）的外圈另一侧面上。

4.根据权利要求3所述的高压水射流钻孔灌注桩施工装置，其特征在于，所述第一输送管（3）上安装有砂料箱（4）；

所述砂料箱（4）包括矩形箱体（402），所述矩形箱体（402）顶部设置有盖板（401），底部设置有倒梯形的底板（403），所述矩形箱体（402）内部设置有多层筛网组件；所述底板（403）的出料口与第一输送管（3）连接；

所述筛网组件包括滤筛（405），所述滤筛（405）和矩形箱体（402）内壁之间连接有振动弹簧（406）。

5.根据权利要求4所述的高压水射流钻孔灌注桩施工装置，其特征在于，所述第三输送管（11）一端的第二接口连接有定位装置；

所述定位装置包括水平台（10），所述水平台（10）上安装有垂直度检测仪（9）和液压伸缩头（8），所述垂直度检测仪（9）与计算机控制连接，所述液压伸缩头（8）与第三输送管（11）的一端第二接口连接。

6.根据权利要求5所述的高压水射流钻孔灌注桩施工装置，其特征在于，所述旋转平台（15）与从动齿轮（22）通过多个固定件（23）连接。

7.根据权利要求6所述的高压水射流钻孔灌注桩施工装置，其特征在于，所述旋转平台（15）与从动齿轮（22）之间的第一轴承（21）上安装有垫片。

8.根据权利要求1-7任一项所述的高压水射流钻孔灌注桩施工装置的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、打开垂直度检测仪（9）对预设孔进行定位；

S2、启动驱动组件使钻杆和钻头（20）同步转动；启动水泵（2）和增压设备，提供高压水，使钻头（20）在预设孔处作业；

S3、当预设孔处的土层为坚硬岩土层时，执行S4；否则，执行S5；

S4、调高高压水的压力和打开砂料箱（4）的阀体，使钻头（20）的第一喷射孔（2001）和第二喷射孔（2002）喷射出砂料（404）和水形成的混合物，进而破碎坚硬土层，并执行S5；

S5、达到预设孔的设计深度后，取出钻头（20），在预设孔中建筑灌注桩。

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