CN201671562U - 斜向嵌岩桩施工设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种斜向嵌岩桩施工设备。该设备包括钻机本体和钻具；所述钻具包括通过法兰依次连接的钻头、加强钻杆、导向器以及与用来钻机连接带动整个钻具工作的传力杆；其特征在于，所述由复数节钻杆组成的传力杆，其中每三节钻杆设置一个稳杆器，稳杆器间距为9m左右；所述稳杆器为轴身上设有复数个稳杆支撑杆的转动轴，所述转动轴材质为型钢，采用钢珠滚动结构。这样不但可避免转动轴损坏现象，并可减少钻杆转动阻力。该设备通过对钻具总成的改进，保证斜桩嵌岩成孔的施工质量，提高施工工效，减少设备故障。
Description
技术领域：
本实用新型涉及港口建筑施工技术领域，特别涉及一种斜向嵌岩桩施工设备。
背景技术：
目前国外在港口工程中，斜向嵌岩桩的应用已相当普遍，其嵌岩直径也越来越大。国内直桩嵌岩在建筑工程、桥梁工程及港口工程等已较为普遍，如宝钢马迹山码头嵌岩直径也达φ2600mm。
但斜向嵌岩桩在港口工程的应用实例较少，目前仅在深圳盐田二、三期码头工程、浙江舟山册子岛金山石化油码头工程和武汉阳逻国际集装箱转运中心码头工程中得到一定的应用，其嵌岩直径为φ800～φ1200mm，斜度一般为7∶1～5∶1，施工所用钻机均为液压钻机。其中深圳盐田港区二、三期码头工程(四航局承建)，斜向芯柱嵌岩直径为φ1200mm，桩身斜度6∶1，斜桩嵌岩分别采用了日本产L-3型斜孔钻机和德国产B6型斜孔钻机。L-3型钻机最大扭矩30kN·m，对钻头施加压力500kN，钻机自重140kN；B6型钻机最大扭矩95kN·m，对钻头施加压力800kN，钻机自重210kN。浙江舟山册子岛金山石化油码头工程(三航局承建)，部分桩基斜向芯柱嵌岩桩直径为φ1200mm，桩身斜度为5∶1，斜桩嵌岩采用了南京东升公司生产的ZSD-150型斜孔钻机。ZSD-150型钻机最大扭矩80kN·m，对钻头施加压力200kN，钻机自重160kN。武汉阳逻国际集装箱转运中心码头工程(三航局承建)，斜向芯柱嵌岩桩直径为φ1000mm，桩身斜度为7∶1，采用GPS-150型回旋钻机改造底盘结构后实施斜桩嵌岩。
以上这些工程嵌岩最大直径φ1200mm，随着码头的深水和大型化发展，在复杂地质条件下，嵌岩直桩将超过φ1200mm才能满足要求。国外的斜向嵌岩桩施工设备价格昂贵，而国内在大直径斜向嵌岩施工仍处于空白状态，无相应的施工经验，缺少专业的斜向嵌岩施工设备和厂家。因此申请人结合洋山港ф1500mm的斜向嵌岩桩工程，针对国产钻进进行研究和改造，使之满足工程施工需求。
实用新型内容：
本实用新型的目的是提供一种斜向嵌岩桩施工设备。该设备通过改进钻头、钻杆杆体、钻杆稳杆器、钻杆导向器以及配重块，使得整个施工设备的钻具部分在结构改造后，能在斜桩嵌岩施工时保持一定的钻压以达到嵌岩成孔的目的。
上述实用新型的具体技术方案如下：
这种斜向嵌岩桩施工设备，包括钻机本体和钻具；所述钻具包括通过法兰依次连接的钻头、加强钻杆、导向器以及与用来钻机连接带动整个钻具工作的传力杆；其特征在于，所述由复数节钻杆组成的传力杆，其中每三节钻杆设置一个稳杆器，稳杆器间距为9m；所述稳杆器为轴身上设有复数个稳杆支撑杆(通常安置4个)的转动轴，所述转动轴材质为型钢，采用钢珠滚动结构。这样不但可避免转动轴损坏现象，并可减少钻杆转动阻力。
上述方案中，所述导向器通过法兰连接安置于加强钻杆与传力杆之间，所述导向器为一内径小于钢套筒的圆柱体，其柱侧面设有用来和钢套筒滚动连接的复数个导向滚轮。
上述方案中，所述配重块安置在导向器的上部。
上述方案中，所述加强钻杆成厚壁管状的，其内壁直径与上部的钻杆内径相同。
上述方案中，所述钻头为牙轮钻头，牙轮钻头上部增设有封闭的空心筒腔。
上述方案的优点在于通过对钻具总成的改进，保证斜桩嵌岩成孔的施工质量，提高施工工效，减少设备故障。
附图说明：
图1为钻头结构分析图。
图2a为钻杆稳杆器结构图。
图2b为图2a的1-1剖面图。
图3为钻杆导向器横截面示意图。
图4a为加强钻杆结构示意图。
图4b为图4a的1-1剖面图。
图5a为配重块结构示意图。
图5b为图5a的1-1剖面图。
图6-1和图6-2分别为整个施工设备和设备中钻具的总体结构图。
具体实施方式：
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。
本实用新型具体通过改进现有设备来实现。例如这种现有设备为液压式动力头回旋钻机。这种钻机根据不同地质条件可设定为恒压钻进或恒速钻进主要性能参数见表1。
表1XZ-30型液压式动力头回旋钻机主要性能参数表
这种钻机具有大扭矩和大直径施工能力，但此前从未实施过斜孔嵌岩，尚缺少与斜孔嵌岩相配套的辅助设施。本实用新型通过结合具体工程的特点和斜孔桩嵌岩施工原理，研制和改进了这种钻机进行斜孔嵌岩所需的钻头、加强钻杆、导向器、稳杆器和配重块等配套设施。
下面从几方面来具体介绍：
(一)钻头的改进；
通常嵌岩成孔钻进时需要在一定的钻压下，旋转钻头粉碎岩层，形成嵌岩孔。在直桩嵌岩施工时，可以通过增大配重、钻头自重、钻机加压等来达到需要的钻压，钻进过程中钻杆几乎不受横向荷载影响，而可以顺利传递扭矩并实现钻进目的。
在斜桩嵌岩施工时，钻头出套筒后，如果钻头重量太大，会产生较大的竖向力而导致钻孔歪斜，影响斜向嵌岩桩的质量。因此，本实用新型所述设备通过减少出套筒后钻头的竖向分力，同时也保持一定的钻压以达到嵌岩成孔的目的。
结合具体工程时，嵌岩钻头设计为球齿形滚刀式牙轮钻头，钻头外径为Φ1500mm，钻头总高度为2.5m，钻头重量35kN，钻头结构详见图1。为保证钻头出钢套筒斜向嵌岩钻进过程中，避免钻头在垂直力作用下发生向下偏心钻进现象，在牙轮钻头上增设了封闭的空心筒式结构，空腔102结构体积约为1.35m3，钻头总体排水体积合计约为1.8m3，如泥浆比重按1.45g/cm3计算，则钻头在泥浆中产生的浮力约为26kN，能抵消75％的钻头垂直力。同时，钻头在加强钻杆101及导向器作用下，保证钻头能沿着斜孔桩轴线钻进。
(二)钻杆稳杆器的改进；
钻杆是钻进成孔过程中钻压和扭矩由钻机传递至钻头的主要传力杆。在直桩嵌岩旋转钻进施工时，钻杆的受力方向与钻杆的轴线基本能吻合，也就基本能够保证钻压和扭矩的传递，满足施工要求。然而，在斜桩嵌岩过程中，由于钻杆存在一定的倾斜角，受自重的影响，钻杆受力方向与其轴线方向有了一定的偏角，加上钻压的影响，会导致钻杆发生压杆失稳的危险。因此，解决此问 题的思路之一是在钻杆中间位置设置垂直于钻杆的横向约束，即稳杆器。
稳杆器同时可有效防止钻杆在受压状态下变形，稳杆器间距为9m左右，即每三节钻杆设置一个稳杆器。原钻杆稳杆器转动轴为硬质木板滑动结构，在实施斜孔嵌岩时，滑动木板在压力作用下极易损坏，因此，将转动轴设计为钢结构和钢珠滚动结构，不但避免转动轴损坏现象，并可减少钻杆转动阻力。稳杆器结构见图2，其中，稳杆器为两端设有钻杆连接口201，且轴身上设有4个稳杆支撑杆的转动轴202。
(三)钻杆导向器设计；
此前国内的斜桩嵌岩设备，由于桩径小，或者岩石强度较低，钻进所需的钻压也较小，以此钻头等设备的重量小，通常也能满足小直径嵌岩桩的钻进施工。比如在洋山三期的1500mm直径斜桩嵌岩的施工中，需要将桩嵌入到硬质岩中，国内的钻头已经不能满足要求。在综合参考了国外的钻机设备后，设计了导向器来加强钻杆出套筒后的稳定性。
钻头出钢护筒后，由于钻头的自重较大，会导致在自重作用下钻杆未出钢护筒就偏离了设定的轴线，为了加强钻杆的同轴性，保证扭矩的顺利传递，研究中在钢护筒内最底端的钻杆上设置了导向装置，即钻杆导向器。导向器不出钢套筒，导向器亦为一般钻杆和出套筒加强钻杆的连接器。
参见图3，导向器通过法兰302连接安置于加强钻杆与传力杆之间，为一般钻杆和出套筒加强钻杆的连接器，导向器为一内径稍小于钢套筒301的圆柱体，其柱侧面设有用来和钢套筒滚动连接的复数个导向滚轮303。
由于导向器的直径较大，稍稍小于钢套筒内径，因此钻进过程中导向器与钢套筒之间会产生较大的旋转摩阻力。为减少动力头效率的损失，保证动力头扭矩尽量转递到钻头，导向装置与钢套筒之间设计为滚动摩擦。
另一方面，导向器的设置极大程度上保证了钻杆的同轴性，使钻进成孔得以顺利实施。
(四)加强钻杆设计；
如果说钢套筒内的钻杆在稳杆器和导向器的作用下能够保证钻压和扭矩顺利传递的话，那么钻杆出套筒后，横向约束顿时消失，钻压和扭矩的传递程度就会大打折扣。为了解决这一难题，课题组从出套筒后的钻杆上着眼研究，设计了加强钻杆。实践证明加强钻杆如实的发挥了它的作用，保证了斜桩嵌岩施工质量。
首先，出钢套筒的加强钻杆部分采用特种钢材，并将直径加大至Φ600mm，提高了钻杆的刚度和强度，减小其在重力和钻压作用下的失稳风险。同时，为了保证钻进成孔过程中泥浆流动顺畅，加强钻杆也同样设计成厚壁管状的，其内壁直径与上部的钻杆内径相同。
其次根据工程地质条件及嵌岩要求，出钢套筒部分的加强钻杆长度设计为5m，加强钻杆及钻头出钢套筒总长度为7.5m，即钻头出钢套筒后的嵌岩最大深度为7.5m，能够满足洋山斜桩嵌岩2～4m的要求。如果要增大嵌岩深度，则需要增加加强钻杆的长度。加强钻杆大样见图4。
(五)配重块设计；
在岩石层钻进时，钻头与岩石的切削面必须保证一定的压力。在钻机的改造设计时，为了减小出钢套筒后重力垂直桩轴线方向分力的影响，要尽量减小钻头重量，同时增大由钻机传递下来的钻压。然后增大钻压则意味着增加钻杆发生压杆失稳的风险。针对此问题，经过研究，通过在钢套筒内设置配重块的方法，即采用减压钻进工艺钻进，减小钻进时液压动力头对钻杆的压力，防止钻杆受压过大后出现变形。
配重块设置在导向器上部，重120kN，高度为1.5m，直径为1.5m。通过8个螺栓与相邻设备连接。配重块大样详见图5。
(六)斜孔嵌岩钻具总装结构；
根据上文对钻具各改进部分的详细介绍，在斜桩嵌岩成孔钻进时，专用钻具总装结构自下而上分别为：特制钻头(牙轮钻头)601、加强钻杆602、导向器603、配重块604、稳杆器等605、钻机606等，组装结构见图6-2。
参见图6-1，图中为整个施工设备的总体结构。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.斜向嵌岩桩施工设备，包括钻机本体和钻具；所述钻具包括通过法兰依次连接的钻头、加强钻杆、导向器以及与用来钻机连接带动整个钻具工作的传力杆；其特征在于，所述由复数节钻杆组成的传力杆，其中每三节钻杆设置一个稳杆器，稳杆器间距为9m；所述稳杆器为轴身上设有复数个稳杆支撑杆的转动轴，所述转动轴材质为型钢，采用钢珠滚动结构。
2.根据权利要求1的斜向嵌岩桩施工设备，其特征在于，所述导向器通过法兰连接安置于加强钻杆与传力杆之间，所述导向器为一内径小于钢套筒的圆柱体，其柱侧面设有用来和钢套筒滚动连接的复数个导向滚轮。
3.根据权利要求1的斜向嵌岩桩施工设备，其特征在于，所述钻头为牙轮钻头，牙轮钻头上部增设有封闭的空心筒腔。
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