CN218991505U - 对流塑状地层施工的钻具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种对流塑状地层施工的钻具，它包括钻杆，钻杆下端为刮刀式的钻头；钻头上方设有短钢护筒，短钢护筒经肋板连接有同心套，该同心套与钻杆经推力轴承可转动连接；短钢护筒上设有用于抵住钻孔孔壁从而避免短钢护筒旋转的压轮组件；短钢护筒外壁设有上环气囊和下环气囊，上述两个气囊外缘均设有当气囊充分鼓胀时与钻孔孔壁抵靠密封的橡胶条，上述两个气囊经气管与位于地面的气泵连通；短钢护筒外壁设有一圈多个喷嘴，该圈喷嘴位于两个环气囊之间，该圈喷嘴与用于输送固壁剂溶液的输液管道连通，输液管道与位于地面的储液池连通。该钻具无需使用通长的钢护筒就能在钻进过程中对流塑状地层逐节加固，防止塌孔，操作便捷。

Description

对流塑状地层施工的钻具

技术领域

本实用新型涉及土木工程中桩基施工技术领域，具体讲是一种对夹杂在常规土层中的流塑状地层施工的钻具。

背景技术

在我国沿海地带进行桩基施工时，由于地形、地质、气候等原因，土体往往含水量丰富，导致常规土层中经常夹杂有流塑状地层。所述的流塑状地层，是指液性指数大于1的黏性土地层。由于上述流塑状地层抗剪强度低、压缩性高、渗透性小、孔壁稳定性差，故桩基施工时需要进行针对性处理。具体的说，钻头及钻杆钻进前，需要从地面下放钢护筒直至流塑状地层的深度，以隔开钻孔和流塑状地层，从而避免孔壁坍塌，而流塑状地层下伏的普通土层则采用钻具正常钻进至孔底，并采用泥浆护壁；待后续插入钢筋笼、灌注混凝土并待其初凝前，起拔钢护筒，以确保成孔。

然而，上述插拔钢护筒以隔绝流塑状地层护壁的方案在实际施工中的效果却差强人意，存在以下短板。首先，流塑状地层往往位于地下深处，如分布在地下30～40米区域时，这就需要至少40米长的钢护筒，单节钢护筒显然无法达到该长度，一般是采用12米一节的钢护筒逐节接长，这样，沉桩时反复接长及拔桩时反复拆卸的过程操作繁琐，费时费力；而且为避免钢护筒内凹、卷边变形，只能加大其壁厚，采用12mm以上的钢板，这就进一步增大了钢护筒的自重，使起吊插拔均更费力；且如此长又笨重的钢护筒，护筒外侧土体摩阻力巨大，只能依赖大型设备如搓管机才能插拔，故增大了台班费，且钢护筒下插时垂直度不好把控，一旦打歪就会导致整根桩体报废；再者，起拔时机也难于把控，若起拔过早，则孔内混凝土尚处于可塑性状态，在孔壁主动土压力下易导致漏筋或缩颈等质量事故，但起拔过晚，则桩体混凝土与钢护筒充分粘结，会进一步加大拔出难度，若利用振动强行起拔，会对桩基和地层造成较大的扰动，并导致断桩等事故。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种无需使用通长的钢护筒就能在钻进过程中对流塑状地层逐节加固，能有效避免塌孔，操作快捷方便省力，无需使用大型搓管机的对流塑状地层施工的钻具。

本实用新型的技术解决方案是，提供一种对流塑状地层施工的钻具，它包括钻杆，钻杆下端为刮刀式的钻头；钻头上方设有短钢护筒，短钢护筒经肋板连接有同心套，该同心套与钻杆经推力轴承可转动连接；短钢护筒上设有用于抵住钻孔孔壁从而避免短钢护筒旋转的压轮组件；短钢护筒外壁设有上环气囊和下环气囊，上述两个气囊外缘均设有当气囊充分鼓胀时与钻孔孔壁抵靠密封的橡胶条，上述两个气囊经气管与位于地面的气泵连通；短钢护筒外壁设有一圈多个喷嘴，该圈喷嘴位于两个环气囊之间，该圈喷嘴与用于输送固壁剂溶液的输液管道连通，输液管道与位于地面的储液池连通。

采用本申请的对流塑状地层施工的钻具与现有技术相比，具有以下优点。

首先，该装置改变了护壁模式，无需采用从地面到流塑状地层的全护筒护壁，而是针对性极强的对重点区域也就是流塑状地层所处深度进行加固，哪一层弱就强化哪一层；而且，该装置是逐层强化的，以短钢护筒的高度为一个标准深度，每次只强化一个标准深度的钻孔段孔壁，而不是粗放的对整个钻孔孔壁进行强化，这样的精耕细作强化效果好，操作施工也更便捷；具体的说，每次在一个标准深度内，以短钢护筒为内骨骼支撑，并以上、下环气囊隔断形成环状封闭阻流空间，这样，能精准的控制注入的固壁剂的压力和剂量，在定容空间定压定量的精准投放固壁剂，避免其从缝隙中流失，又确保固壁剂均匀快速扩散至该标准深度的钻孔段孔壁，进而获得最佳的加固强化效果；而从操作角度看，由于无需采用全套管护壁模式，故省略了现有技术逐节接长出40多米的钢护筒的过程，自然也省略了拔出时逐节拆卸的过程，操作便捷；况且，相比现有技术利用大型搓管机克服巨大侧摩阻力在土中插拔的40米左右的全套管的过程，本申请起护壁作用的短钢护筒一般为3～4米，长度短、自重轻、阻力小，通过推力轴承就足以卡接在钻杆上，并能随钻杆轻松平顺的同步起拔，仅依靠钻杆自身的桩机提供动力即可，无需配备专门的搓管机，这就省略了大型设备的台班费，施工便捷省力；再者，短钢护筒上的压轮组件，能平滑的轴向滚动，利于钻杆和短钢护筒的升降，但能提供足够的周向阻力，避免短钢护筒转动，从而避免钻孔内的气管、输液管道与钻杆打搅，对短钢护筒、气管和输液管道提供支护。

输液管道优选为，它包括环形管、混合管、第一液管和第二液管，该圈喷嘴均与环形管连通，环形管入口与混合管出口连通，混合管位于短钢护筒内，混合管入口分别与第一液管出口和第二液管出口连通，第一液管入口与孔外的克泥效溶液池连通，第二液管入口与孔外的水玻璃溶液池连通，第一液管设有第一截止阀和第一液压泵，第二液管设有第二截止阀和第二液压泵；上述输液管道布局合理，性能稳定，短钢护筒到达目标地层且上下两个环气囊鼓胀密封后，只需要打开第一、第二截止阀，就能使克泥效溶液和水玻璃溶液在混合管形成固壁剂溶液，且由于混合管设置在短钢护筒内，靠近喷嘴，所以有效抓住固壁剂溶液硬化前的窗口期，将其及时送入环状封闭阻流空间，从而确保对钻孔段的加固效果；况且，在加固过程结束后，残留在混合管、环形管、喷嘴中的固壁剂溶液会硬化阻塞管路，所以先关闭第一截止阀，但保持第二截止阀打开一段时间，利用水玻璃溶液将残留在混合管等管路的固壁剂溶液冲刷干净即可。

作为再优选，输液管道位于短钢护筒周向九点位置，气管位于短钢护筒周向三点位置；这样的设计，分别将输液管道和气管分居布设在短钢护筒两侧，使其泾渭分明，互不打搅。

压轮组件优选为，它共四组，分布于上下两层，上层的两组位于短钢护筒上端零点和六点位置，下层的两组位于短钢护筒下端三点和九点位置；每组压轮组件包括焊接在短钢护筒内壁的C形托座和贯通短钢护筒筒壁的方孔，该C形托座的中板的导向孔内滑动配合一根导向轴，该导向轴外端固定有C形轮座，导向轴内端设有用于卡住导向孔内口的顶头，导向轴上套合有压簧，压簧两端分别与C形托座中板和C形轮座抵靠，C形轮座安装有压轮，每个压轮经同组的方孔伸出短钢护筒。这样，四组压轮组件分居四个象限点，周向受力均衡，能更稳妥的防止短钢护筒旋转，而上层的两组压轮组件位居短钢护筒上端，始终确保有两组抵靠住普通土层或已经被加固土层的孔壁，避免四组都抵靠在流塑状地层从而对短钢护筒的周向约束失效；而压轮组件本身在弹簧的作用下，能确保压力持续稳定的抵靠住孔壁，实现压力的自动向外补偿功能。

钻杆与短钢护筒的连接结构优选为，钻杆上焊接有环形托板，短钢护筒的同心套与推力轴承的座圈固定，推力轴承的轴圈与钻杆的环形托板固定；上述结构装配过程操作方便，且能确保装配后钻杆与短钢护筒转动灵活、支承稳定。

附图说明

图1是本实用新型对流塑状地层施工的钻具的结构示意图。

图2是本实用新型对流塑状地层施工的钻具去掉一半短钢护筒后的结构示意图。

图3是本实用新型对流塑状地层施工的钻具的输液管道的放大示意图。

图4是本实用新型对流塑状地层施工的钻具的压轮组件的放大示意图。

图中所示1、钻杆，2、钻头，3、短钢护筒，4、肋板，5、同心套，6、推力轴承，7、环形托板，8、C形托座，9、方孔，10、导向轴，11、C形轮座，12、顶头，13、压簧，14、压轮，15、上环气囊，16、下环气囊,17、橡胶条，18、第一液管，19、第二液管，20、气管，21、环形管，22、混合管，23、喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1～4所示，本实用新型对流塑状地层施工的钻具，它包括钻杆1，钻杆1下端为常规的三棱刮刀式的钻头2。

钻头2上方设有短钢护筒3，所述的短钢护筒3是相对于现有技术的全套管而言，全套管是逐节接长的，每节套管一般为12米，数根接长后往往长达三四十米，而本申请的短钢护筒3一般为3～4米，短字名副其实。

短钢护筒3经肋板4连接有同心套5，本实施例中，短钢护筒3内设有上下两个同心套5，每个同心套5经三根肋板4与短钢护筒3内壁焊接。每个同心套5与钻杆1经推力轴承6可转动连接，即钻杆1上焊接有环形托板7，短钢护筒3的每个同心套5与一个推力轴承6的座圈固定，推力轴承6的轴圈与钻杆1上对应的环形托板7固定。

短钢护筒3上设有用于抵住钻孔孔壁从而避免短钢护筒3旋转的压轮组件。压轮组件共四组，分布于上下两层，上层的两组位于短钢护筒3上端周向零点和六点位置，下层的两组位于短钢护筒3下端周向三点和九点位置。每组压轮组件包括焊接在短钢护筒3内壁的C形托座8和贯通短钢护筒3筒壁的方孔9，该C形托座8的中板的导向孔内滑动配合一根导向轴10，该导向轴10外端固定有C形轮座11，导向轴10内端设有用于卡住导向孔内口的顶头12，导向轴10上套合有压簧13，压簧13两端分别与C形托座8中板和C形轮座11抵靠，C形轮座11安装有压轮14，每个压轮14经同组压轮组件的方孔9伸出短钢护筒3。每个压轮14的轮轴为水平状。

短钢护筒3外壁设有上环气囊15和下环气囊16，上述两个气囊外缘均设有当上环气囊15或下环气囊16充分鼓胀时与钻孔孔壁抵靠密封的橡胶条17。上述两个气囊经一根气管20与位于地面的气泵连通，具体的说，气管20包括一根总管和两根分管，位于孔外地面上的气泵与气管20的总管连通，该总管与两根分管连通，两根分管分别与上环气囊15和下环气囊16连通。上环气囊15和下环气囊16的容积相等，上环气囊15和下环气囊16充分鼓胀时其橡胶条17均外凸于压轮组件。

短钢护筒3外壁设有一圈多个喷嘴23，该圈喷嘴23位于上环气囊15和下环气囊16之间，该圈喷嘴23与用于输送固壁剂溶液的输液管道连通，输液管道与位于地面各个的储液池连通。

所述的输液管道包括环形管21、混合管22、第一液管18和第二液管19，该圈喷嘴23均与环形管21连通，环形管21入口与混合管22出口连通，混合管22位于短钢护筒3内，混合管22入口分别与第一液管18出口和第二液管19出口连通，第一液管18入口与孔外地面上的克泥效溶液池连通，第二液管19入口与孔外地面上的水玻璃溶液池连通，第一液管18设有第一截止阀和第一液压泵，第二液管19设有第二截止阀和第二液压泵。本实施例中克泥效溶液中克泥效粉末与水的重量比为4/9，而水玻璃溶液中水玻璃与水的重量比为1/5，克泥效溶液和水玻璃溶液以20/1的重量份混合。

输液管道位于短钢护筒3周向九点位置，气管20位于短钢护筒3周向三点位置。

由常识可知，该装置还设有主控制器如PCB线路板或PLC芯片，上述的各个截止阀、气泵、液压泵等均与主控制器信号连接。

本实用新型钻具的使用方法，其步骤如下。

a、先用钻头2及钻杆1在流塑状地层上覆的普通土层中正常钻进，并采用泥浆护壁，直至钻头2到达流塑状地层深度，如本实施例的流塑状地层深度范围是30米到42米，则钻头2到达30米深时暂停钻进。钻杆1钻进时，压轮组件的各个压轮14抵住钻孔孔壁从而避免短钢护筒3旋转。

b、我们以短钢护筒3的高度作为一个标准深度，如本实施例的短钢护筒3高4米，则一个标准深度为4米。

继续下钻一个标准深度如4米，直至短钢护筒3的上环气囊15到达目前呈流塑状的地层顶部高度，则暂停钻杆1的钻进过程。

c、启动气泵，向上环气囊15和下环气囊16充气，直至上述两个气囊充分鼓胀，此时，上环气囊15和下环气囊16的橡胶条17与钻孔孔壁抵靠密封，形成由短钢护筒3外壁、上环气囊15、下环气囊16、位于上下两个气囊之间的钻孔段流塑状孔壁围成的环状封闭阻流空间。

d、打开第一截止阀和第二截止阀，使得第一液管18和第二液管19从孔外分别将克泥效溶液和水玻璃溶液送入短钢护筒3内的混合管22，两种溶液混合生成固壁剂溶液，并由环形管21和各个喷嘴23喷射至环状封闭阻流空间，上述喷射过程持续60秒，使上环气囊15和下环气囊16之间的钻孔段流塑状孔壁硬化，形成该标准深度的被加固段孔壁。

e、关闭第一截止阀和第二截止阀。

f、反向启动气泵，从上环气囊15和下环气囊16抽气，直至上述两个气囊完全干瘪，从而与被加固段孔壁脱离。

g、驱动钻头2及钻杆1继续向下钻进一个标准深度，直至短钢护筒3的上环气囊15到达目前呈流塑状的地层顶部高度，也就是尚未加固的孔壁顶部高度，如流塑状地层顶标高30米，已经加固了一个标准深度4米，那么目前呈流塑状的地层顶部高度就是26米，则暂停钻进。

h、重复步骤c～g，直至位于流塑状地层范围内的全部深度的钻孔段孔壁均被加固，然后继续在流塑状地层下伏的普通土层正常钻进，并采用泥浆护壁，直至钻进至孔底标高，再起拔钻头2、钻杆1和短钢护筒3出孔口。

Claims (5)

1.一种对流塑状地层施工的钻具，它包括钻杆，钻杆下端为刮刀式的钻头；其特征在于：钻头上方设有短钢护筒，短钢护筒经肋板连接有同心套，该同心套与钻杆经推力轴承可转动连接；短钢护筒上设有用于抵住钻孔孔壁从而避免短钢护筒旋转的压轮组件；短钢护筒外壁设有上环气囊和下环气囊，上述两个气囊外缘均设有当气囊充分鼓胀时与钻孔孔壁抵靠密封的橡胶条，上述两个气囊经气管与位于地面的气泵连通；短钢护筒外壁设有一圈多个喷嘴，该圈喷嘴位于两个环气囊之间，该圈喷嘴与用于输送固壁剂溶液的输液管道连通，输液管道与位于地面的储液池连通。

2.根据权利要求1所述的对流塑状地层施工的钻具，其特征在于：所述的输液管道包括环形管、混合管、第一液管和第二液管，该圈喷嘴均与环形管连通，环形管入口与混合管出口连通，混合管位于短钢护筒内，混合管入口分别与第一液管出口和第二液管出口连通，第一液管入口与孔外的克泥效溶液池连通，第二液管入口与孔外的水玻璃溶液池连通，第一液管设有第一截止阀和第一液压泵，第二液管设有第二截止阀和第二液压泵。

3.根据权利要求1所述的对流塑状地层施工的钻具，其特征在于：输液管道位于短钢护筒周向九点位置，气管位于短钢护筒周向三点位置。

4.根据权利要求1所述的对流塑状地层施工的钻具，其特征在于：压轮组件共四组，分布于上下两层，上层的两组位于短钢护筒上端零点和六点位置，下层的两组位于短钢护筒下端三点和九点位置；每组压轮组件包括焊接在短钢护筒内壁的C形托座和贯通短钢护筒筒壁的方孔，该C形托座的中板的导向孔内滑动配合一根导向轴，该导向轴外端固定有C形轮座，导向轴内端设有用于卡住导向孔内口的顶头，导向轴上套合有压簧，压簧两端分别与C形托座中板和C形轮座抵靠，C形轮座安装有压轮，每个压轮经同组的方孔伸出短钢护筒。

5.根据权利要求1所述的对流塑状地层施工的钻具，其特征在于：钻杆上焊接有环形托板，短钢护筒的同心套与推力轴承的座圈固定，推力轴承的轴圈与钻杆的环形托板固定。

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