CN116241173A - 单动力源冲击回转挤密钻进施工方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单动力源冲击回转挤密钻进施工方法及设备。螺杆挤密钻进在较硬地层中能耗大、效率低、成本高。本设备包括内管、外管、冲击锤和钻头，内管位于外管内，钻头的杆体连接在内管的下端，冲击锤位于内管与外管之间的下端并位于钻头的头部上方；冲击锤为环柱体，环柱体的中部内壁设置有环槽，环槽内上部设置有冲击锤锯齿；内管的外壁设置有内管锯齿，内管锯齿位于环槽内下部，内管锯齿与冲击锤锯齿互相啮合。本发明钻进效率高，不出土，速度快，能耗低，利用内外管角速度差为冲击锤提供动力，减少了空压机、液压泵等冲击锤所需辅助动力源，设备构造更为简单可靠，能耗更低。

Description

单动力源冲击回转挤密钻进施工方法及设备

技术领域

本发明涉及岩土工程地基处理钻进施工技术领域，具体涉及一种单动力源冲击回转挤密钻进施工方法及设备。

背景技术

目前，非饱和黄土、粉土、粉砂、细砂及杂填土等地层的桩基成孔方法主要分为挤密成孔和取土成孔两大类。挤密成孔作业中，可利用冲击能、静荷载或者大扭矩作用，在成孔过程中将桩孔内地基土挤密至孔壁周边，与取土成孔作业相比，不仅具备压密地基提高承载力的优点，同时，还具有在钻孔中不出土（浆）、施工效率高、环境污染小等特点，是工程建设中最常用的地基处理方法之一。

挤密桩钻孔最常用的方法是借助柴油锤打入成孔，由于柴油锤工作时噪音巨大且有尾气污染，大多工程已无法使用，需要改为成本较高的静压桩成孔和柱锤冲扩成孔。静压桩施作时需要依靠设备自重提供反力，利用液压缸压入钢管，不仅设备庞大，施工效率低，且所施工的桩长也受到限制，一般不大于12m。利用柱锤自由落体冲击成孔的柱锤冲扩法也是常用的挤密桩施工方法之一，为解决柱锤自由落体冲击无法确保桩孔垂直和高湿度地层桩孔缩孔的问题，专利“一种建筑地基中成孔的护筒装置及其施工方法”（CN104074186B）增加了随钻护筒装置，但其存在施工效率低、进尺缓慢的问题，在较硬地层钻进问题更为突出。针对上述问题，近年来螺杆挤密成孔技术得到快速发展，专利“一种挤密钻头”（CN210714477U）在钻头前段设置正向螺纹，后端设置反向螺纹，利用正向螺纹切割土体钻进，当土体到达正反向螺纹间时，在钻头回转作用下将土体压至孔壁。专利“一种反向螺丝钉桩用成型装置及成型施工工艺”（CN106351213B）成孔工作原理与专利CN210714477U相近，增加了注浆与桩帽施工方法，可施工水泥粉煤灰碎石桩和素混凝土桩。螺杆挤密成孔技术避免了柴油锤钻进的环境污染，施工效率也比静压桩和柱锤冲扩桩高，但螺杆挤密钻进在钻杆旋转中径向压入孔壁，当钻进遇到古土壤、中密砂卵石等较硬地层时，需巨大动力扭矩才能将孔内土体压入侧壁，从而导致螺杆桩基钻进效率降低，成本升高。

发明内容

本发明的目的是提供一种单动力源冲击回转挤密钻进施工方法及设备，以解决螺杆挤密钻进在较硬地层中能耗大、效率低、成本高的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

单动力源冲击回转挤密钻进施工设备，所述设备包括内管、外管、冲击锤和钻头，所述内管位于所述外管内，所述钻头的杆体连接在所述内管的下端，所述冲击锤位于所述内管与所述外管之间的下端并位于所述钻头的头部上方；

所述冲击锤为环柱体，所述环柱体的中部内壁设置有环槽，所述环槽内上部设置有冲击锤锯齿；

所述内管的外壁设置有内管锯齿，所述内管锯齿位于所述环槽内下部，所述内管锯齿与所述冲击锤锯齿互相啮合。

进一步地，所述外管下部的内壁设置有竖向的导槽，所述冲击锤的外壁上对应于所述导槽的位置设置有竖向的凸条，所述凸条卡嵌在所述导槽内。

进一步地，所述导槽的顶部、所述外管下部的内壁设置有限位环台。

进一步地，所述冲击锤的上方设置有环形的导向盘，所述导向盘位于所述内管与所述外管之间，所述导向盘上设置有导向孔；

所述冲击锤的顶部设置有导向杆，所述导向杆的下部外环套有蓄能弹簧，所述导向杆的上部插入所述导向孔，所述导向杆的顶端设置有蓄能调节器。

进一步地，所述钻头的杆体插入所述内管的下端，所述杆体的横截面和所述内管内壁的横截面为彼此匹配的多边形。

进一步地，所述钻头的杆体外壁设置有环向槽，所述环向槽内设置有回位弹簧；

所述内管的底端设置有向内收缩的环口，所述环口插入所述环向槽；

所述回位弹簧的顶端紧靠所述环向槽的顶部，所述回位弹簧的底端紧靠所述环口的顶部。

进一步地，所述钻头的杆体和头部设置有贯通的钻头注浆通道；

所述钻头注浆通道位于所述杆体内的部分与所述内管的中轴重合，所述钻头注浆通道位于所述头部内的部分斜向设置。

进一步地，所述设备还包括塔架、动力头、支座和提升装置；

所述内管的上端连接到所述动力头，所述动力头和所述外管的上端同时固定在所述支座上，所述支座位于所述塔架的侧面；

所述提升装置的钢丝绳连接到所述动力头的顶部。

进一步地，所述设备还包括注浆管，所述注浆管接入所述内管。

另一方面，提供如所述的设备的施工方法，所述方法包括：

将所述动力头与所述外管固定在同一所述支座上，所述外管与所述动力头的输出法兰同轴线布置，所述支座沿所述塔架上下移动实现钻进和提钻；

所述外管在钻进过程中不旋转，随钻进过程上下移动；

所述内管的上端与所述动力头连接，所述内管的下端与所述钻头连接，由所述动力头带动所述内管和所述钻头实现回转钻进；

所述冲击锤位于所述外管与所述内管之间下部，安装在所述导槽内，所述内管锯齿与所述冲击锤锯齿互相啮合，所述内管回转方向与锯齿传动方向相反，由所述内管回转、所述外管不回转产生的相对角速度差为所述冲击锤提供上升动力，所述冲击锤沿所述导槽向上运动，并在所述蓄能弹簧和自身重力作用下向下运动，锤击所述钻头的头部，实现冲击钻进；

钻孔完成后，依靠所述提升装置缓慢拔出所述动力头、所述外管和所述内管，同时，将桩体材料通过所述注浆管、所述内管和所述钻头注浆通道注入所述钻孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的钻进过程中无尾气污染，噪音小，适用于城镇工程施工；钻进方法效率高，可钻进第四系绝大部分地层，具有防缩孔、塌孔功能；钻进过程不出土，钻进速度快、能耗低；利用内外管角速度差为冲击锤提供动力，减少了空压机、液压泵等冲击锤所需辅助动力源，设备构造更为简单可靠，能耗更低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1是本发明设备的整体结构图。

图2是钻杆结构的结构图。

图3是图2中的A-A剖面图。

图4是蓄能调节器的结构图。

图中标识为：

1-塔架，2-动力头，3-内管，4-支座，5-外管，6-注浆管，7-钻孔，8-冲击锤，9-钻头，10-导向杆，11-蓄能弹簧，12-蓄能调节器，13-冲击锤锯齿，14-内管锯齿，15-回位弹簧，16-导槽，17-提升装置，18-钻头注浆通道，19-环槽，20-凸条，21-限位环台，22-导向盘，23-导向孔，24-环向槽，25-空心螺栓。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中轴”、“上”、“下”、“竖向”、 “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。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”等应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

非饱和土地基挤密桩钻进通常采用锤击（冲击）、静压、螺杆压密等方法。应用最广泛的柴油锤钢管钻进法，由于噪音大和尾气污染等原因已逐渐退出主流市场。柱锤冲击、静压和螺杆挤密钻进普遍存在钻进挤密能耗大、钻进成本高，遇到粉砂、细砂和人工填土地层时钻进困难等问题，钻进效率低、地层适应性差，而且螺杆挤密法钻进过程仍要部分出土。也有部分项目为解决较硬地层挤密钻进难得问题，采用了气动潜孔锤或液动潜孔锤进行钻进，不仅需要额外配置大功率空压机或液压泵，同时排除的粉尘气体和泥浆也对环境造成一定污染。综上所述，目前挤密桩钻孔施工方法单一、效率低、地层适应性差、钻进能耗高等问题。

本发明提供了一种单动力源冲击回转挤密钻进施工设备，解决目前非饱和土地基挤密桩钻进效率低、地层适应性差、钻进能耗高等问题。如图2-3所示，所述设备包括钻杆结构，钻杆结构具体包括内管3、外管5、冲击锤8和钻头9，内管3位于外管5内，钻头9的杆体连接在内管3的下端，冲击锤8位于内管3与外管5之间的下端并位于钻头9的头部上方。另外，所述设备还包括塔架1、动力头2、支座4和提升装置17，内管3的上端连接到动力头2，动力头2和外管5的上端同时固定在支座4上，支座4位于塔架1的侧面，并安装到塔架1侧面设置的滑轨上可上下移动，提升装置17的钢丝绳越过塔架1顶部连接到动力头2的顶部，可提升和下方钻杆。动力头2由电机或液压马达经减速后提供扭矩30～80kN·m回转动力，带动与其连接的内管3回转。内管3、外管5、动力头2、支架4及钻头9的重量为钻进提供压力，动力头2回转带动内管3和钻头9实现切削挤密钻进。在另外一些实施例中，塔架1下端还可设置辅助加压和抬升器，利用液压油缸对外管施加抬升动力和钻进压力。

外管5下部的内壁设置有竖向的导槽16，导槽16的顶部、外管5下部的内壁设置有限位环台21。冲击锤8的外壁上对应于导槽16的位置设置有竖向的凸条20，凸条20卡嵌在导槽16内。冲击锤8在外管5和内管3之间上下移动时由凸条20和导槽16的配合关系实现竖向导向，并由限位环台21对竖向高度进行限位。

冲击锤8为环柱体结构，中部内壁设置有环槽19，环槽19内上部设置有冲击锤锯齿盘，冲击锤锯齿13位于冲击锤锯齿盘的底面。内管3的外壁设置有内管锯齿盘，内管锯齿盘位于环槽内下部，内管锯齿14位于内管锯齿盘的顶面，冲击锤锯齿盘和内管锯齿盘上下布置，对应的，内管锯齿14与冲击锤锯齿13上下互相啮合。内管3的回转方向与锯齿传动方向相反，内管3回转但外管5不回转产生了相对角速度差，内管3回转通过锯齿传动为冲击锤8提供上升动力。在另外一些实施例中，内管锯齿盘还可设置滚珠轴承，滚珠轴承沿冲击锤锯齿盘做回转运动，抬升冲击锤锯齿盘，推动冲击锤8。

冲击锤8的上方设置有环形的导向盘22，导向盘22位于内管3与外管5之间，导向盘22上设置有导向孔23。如图4，冲击锤8的顶部设置有导向杆10，导向杆10的下部外环套有蓄能弹簧11，导向杆10的上部插入导向孔23，导向杆10的顶端设置有蓄能调节器12。蓄能调节器12为空心螺栓25，具有外螺纹，空心螺栓25插入导向孔23并螺纹连接，空心螺栓25中部插入导向杆10。蓄能弹簧11套在导向杆10外的导向盘22下方，通过旋转调整空心螺栓25使蓄能调节器12对蓄能弹簧11施压初始压力，调节蓄能调节器12强度。锯齿传动一个周期完成后，冲击锤8在自重及蓄能弹簧11的作用下加速下行锤击钻头9，锤击完成后锯齿带动冲击锤8抬升完成一个锤击循环，冲击锤8沿导槽16与导向杆10上下做往复运动，在钻头9回转切削挤密钻进过程中对钻头9施加冲击荷载，在冲击荷载作用下钻头9向下运动的同时对孔底周边土体施加冲击动力和冲击波，加速破碎孔底坚硬土层，将土体向外侧挤密成孔。在另外一些实施例中，可在内管3外侧设置凸轮，凸轮随内管3旋转向外推动冲击锤8上部设置的导向杆10，导向杆10带动冲击锤8向上运动。导向杆10沿冲击锤8端面环形的平均圆周上均匀布置，数量根据冲击锤所需冲击功按偶数（2、4、6、8）确定。

钻头9的杆体插入内管3的下端，杆体的横截面和内管3内壁的横截面为彼此匹配的多边形，回转时保持同步。钻头9的杆体外壁设置有环向槽24，环向槽24内设置有回位弹簧15，内管3的底端设置有向内收缩的环口，环口插入环向槽24。回位弹簧15的顶端紧靠环向槽24的顶部，回位弹簧15的底端紧靠环口的顶部。锤击完成后，钻头9在回位弹簧15作用下向上归位，避免冲击荷载通过内管3对动力头2造成影响。回位弹簧15能防止冲击力直接通过内管3传导至动力头2，对动力头2产生损害，同时为冲击提供缓冲区。

钻头9的杆体和头部设置有贯通的钻头注浆通道18，钻头注浆通道18位于杆体内的部分与内管3的中轴重合，钻头注浆通道18位于头部内的部分斜向设置。设备还包括注浆管6，注浆管6接入内管3。钻进完成后，若施工挤密桩可慢速提出钻杆后在孔内逐层夯填土料，若施工水泥粉煤灰碎石桩和素混凝土桩，则在提钻过程中通过注浆管6、内管3和钻头注浆通道18缓慢向孔内注入桩体材料，形成桩体。

基于上述设备实施的挤密钻进施工方法，具体包括以下步骤：

S1：将动力头2与外管5固定在同一支座4上，外管5与动力头2的输出法兰同轴线布置，支座4沿塔架1上下移动实现钻进和提钻。

S2：外管5直径比钻孔7直径小10～50mm，外管5在钻进过程中不旋转，随钻进过程上下移动，起到钻孔护壁和防止缩孔的作用。

S3：内管3的上端与动力头2连接，下端与钻头9连接，由动力头2带动内管3和钻头9实现回转钻进。内管直径80～200mm，钻头最大外径大于外管直径5～20mm。

S4：冲击锤8位于外管5与内管3之间下部，安装在导槽16内，内管锯齿14与冲击锤锯齿13互相啮合，内管3回转方向与锯齿传动方向相反，由内管3回转、外管5不回转产生的相对角速度差为冲击锤8提供上升动力，冲击锤8沿导槽16向上运动，并在蓄能弹簧11和自身重力作用下向下运动，锤击钻头9的头部，实现冲击钻进。冲击锤8沿外管5上下运动，不会产生转动。

动力头2、支架4、内管3、外管5、冲击锤8、钻头9的重力总和为最大钻进压力，钻进压力大小可通过提升装置17调整。钻进冲击频率通过内管3转速和锯齿数量调整，冲击能量通过锯齿高度和蓄能调节器12调整。软地层采用高钻压、低频冲击的方式钻进，硬地层采用低钻压高频冲击的方式钻进。

S5：挤密桩施工时：

钻孔7完成后，依靠提升装置17缓慢拔出钻杆，拔管速度不大于0.2m/s,钻杆拔出后在孔内回填夯实土体成挤密桩；

水泥粉煤灰碎石桩或素混凝土桩施工时：

钻孔7完成后，依靠提升装置17缓慢拔出钻杆，将桩体材料通过注浆管6、内管3和钻头注浆通道18注入钻孔7，拔管速度需满足连续注浆要求。水泥粉煤灰碎石桩或素混凝土桩施工时，需对回位弹簧15做密封设计，防止水泥浆液入渗影响其工作效能。

本发明的方法与传统柴油锤挤密钻进相比，无尾气污染、噪音小，可适应城镇工程施工；与柱锤冲扩钻进相比，钻进方法效率高，可钻进第四系绝大部分地层，具有防缩孔、塌孔功能；与螺杆挤密钻进相比，钻进过程不出土，钻进速度快、能耗低；与传统冲击回转钻进相比，利用内外管角速度差为冲击锤提供动力，减少了空压机、液压泵等冲击锤所需辅助动力源，设备构造更为简单可靠，能耗更低。

本发明的方法采用同轴双管钻进，通过内管3回转、外管5相对静止所产生的角速度差为冲击锤8提供动力，实现单动力源情况下冲击回转挤密钻进。本发明包括的外管5固定在动力头支座上，与动力头2一起上下移动，起到钻孔护壁与冲击锤支撑作用。本发明包括的内管3与动力头2输出端连接，由动力头2带动回转，带动钻头9回转钻进的同时通过锯齿传动为冲击锤8提供上升动力，不仅可施工挤密桩，也可施工水泥粉煤灰碎石桩和素混凝土桩。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.单动力源冲击回转挤密钻进施工设备，其特征在于：

所述设备包括内管（3）、外管（5）、冲击锤（8）和钻头（9），所述内管（3）位于所述外管（5）内，所述钻头（9）的杆体连接在所述内管（3）的下端，所述冲击锤（8）位于所述内管（3）与所述外管（5）之间的下端并位于所述钻头（9）的头部上方；

所述冲击锤（8）为环柱体，所述环柱体的中部内壁设置有环槽（19），所述环槽（19）内上部设置有冲击锤锯齿（13）；

所述内管（3）的外壁设置有内管锯齿（14），所述内管锯齿（14）位于所述环槽（19）内下部，所述内管锯齿（14）与所述冲击锤锯齿（13）互相啮合。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述外管（5）下部的内壁设置有竖向的导槽（16），所述冲击锤（8）的外壁上对应于所述导槽（16）的位置设置有竖向的凸条（20），所述凸条（20）卡嵌在所述导槽（16）内。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：

所述导槽（16）的顶部、所述外管（5）下部的内壁设置有限位环台（21）。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：

所述冲击锤（8）的上方设置有环形的导向盘（22），所述导向盘（22）位于所述内管（3）与所述外管（5）之间，所述导向盘（22）上设置有导向孔（23）；

所述冲击锤（8）的顶部设置有导向杆（10），所述导向杆（10）的下部外环套有蓄能弹簧（11），所述导向杆（10）的上部插入所述导向孔（23），所述导向杆（10）的顶端设置有蓄能调节器（12）。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：

所述钻头（9）的杆体插入所述内管（3）的下端，所述杆体的横截面和所述内管（3）内壁的横截面为彼此匹配的多边形。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：

所述钻头（9）的杆体外壁设置有环向槽（24），所述环向槽（24）内设置有回位弹簧（15）；

所述内管（3）的底端设置有向内收缩的环口，所述环口插入所述环向槽（24）；

所述回位弹簧（15）的顶端紧靠所述环向槽（24）的顶部，所述回位弹簧（15）的底端紧靠所述环口的顶部。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：

所述钻头（9）的杆体和头部设置有贯通的钻头注浆通道（18）；

所述钻头注浆通道（18）位于所述杆体内的部分与所述内管（3）的中轴重合，所述钻头注浆通道（18）位于所述头部内的部分斜向设置。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：

所述设备还包括塔架（1）、动力头（2）、支座（4）和提升装置（17）；

所述内管（3）的上端连接到所述动力头（2），所述动力头（2）和所述外管（5）的上端同时固定在所述支座（4）上，所述支座（4）位于所述塔架（1）的侧面；

所述提升装置（17）的钢丝绳连接到所述动力头（2）的顶部。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：

所述设备还包括注浆管（6），所述注浆管（6）接入所述内管（3）。

10.如权利要求9所述的设备的施工方法，其特征在于：

所述方法包括：

将所述动力头（2）与所述外管（5）固定在同一所述支座（4）上，所述外管（5）与所述动力头（2）的输出法兰同轴线布置，所述支座（4）沿所述塔架（1）上下移动实现钻进和提钻；

所述外管（5）在钻进过程中不旋转，随钻进过程上下移动；

所述内管（3）的上端与所述动力头（2）连接，所述内管（3）的下端与所述钻头（9）连接，由所述动力头（2）带动所述内管（3）和所述钻头（9）实现回转钻进；

所述冲击锤（8）位于所述外管（5）与所述内管（3）之间下部，安装在所述导槽（16）内，所述内管锯齿（14）与所述冲击锤锯齿（13）互相啮合，所述内管（3）回转方向与锯齿传动方向相反，由所述内管（3）回转、所述外管（5）不回转产生的相对角速度差为所述冲击锤（8）提供上升动力，所述冲击锤（8）沿所述导槽（16）向上运动，并在所述蓄能弹簧（11）和自身重力作用下向下运动，锤击所述钻头（9）的头部，实现冲击钻进；

钻孔（7）完成后，依靠所述提升装置（17）缓慢拔出所述动力头（2）、所述外管（5）和所述内管（3），同时，将桩体材料通过所述注浆管（6）、所述内管（3）和所述钻头注浆通道（18）注入所述钻孔（7）。

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