CN1197151A - 一种钻孔桩成孔方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明是一种钻孔桩成孔方法及设备。其采用旋抓钻成孔方法,包括先取芯或全面回转切削破碎土石钻进,由抓斗出孔或泥浆循环或抓斗出孔泥浆循环复合排渣,重复此钻进、排渣过程,直至成孔。其设备有钻头1、伸缩钻杆6、回转动力机3、升降机、钻架和移架装置,钻头1是回转抓斗,或增设筒式取芯钻头,或再增设全面钻进刃架24。本发明具有能适应多数地层条件、施钻多种桩孔、钻进效率高和钻进工艺及设备简单等优点。

Description

一种钻孔桩成孔方法及设备

本发明涉及钻探工程技术领域，特别是适应多数地层条件的一种钻孔桩成孔方法及设备。

现有的钻孔桩成孔方法有很多种类，问题是一种成孔方法只能适应少数地层条件，这是由于碎岩钻进方法与排渣出孔钻进工艺往往不能相互适应造成的。如泥浆循环回转钻成孔法，采用的是回转碎岩钻进方法和泥浆循环排渣钻进工艺，由于泥浆只能携带细小的钻渣出孔，而回转碎岩方法不易分离粘土颗粒，很难破碎卵石和花很多时间碎细岩石。再如冲抓钻成孔法，采用的是冲击碎岩钻进方法和提钻出孔排渣钻进工艺，由于抓瓣从孔壁向孔心合拢抓取钻渣，钻头可装载块状粘土、大粒径卵石、粗略破碎的岩石出孔，但是，冲击钻进方法难以将抓瓣送入密实、坚硬的地层内。

在钻探工程技术领域里，地层条件决定成孔方法类型，而成孔方法类型又决定成孔设备的型式。所以，现有的成孔设备也存在与上述相同的问题及其它一些缺点。

本发明的目的是提供一种钻孔桩成孔方法及设备，以解决一种成孔方法只能适应少数地层条件的问题，消除碎岩钻进方法与排渣出孔钻进工艺不相适应的原因，使本发明提供的钻孔桩成孔方法能适应多数地层条件，提供的成孔设备也比较简单和操作方便。

本发明的目的是这样实现的：

采用旋抓钻成孔方法，包括：先取芯或全面回转切削破碎土石钻进，然后，抓斗出孔排渣，或泥浆循环排渣，或抓斗出孔和泥浆循环复合排渣，重复钻进、排渣过程，直至成孔。

为实施上述成孔方法，所提供的成孔设备具有钻头、伸缩钻杆、回转动力机、升降机、钻架和移架装置。其中，钻头是回转钻头，包括：筒式取芯钻头，由取芯钻进的刃圈和刃圈座相连而成，刃圈下端安有耙齿或滚齿，刃圈座上部通过联接销与导环相连；具有开合机构的抓斗，它至少有2个抓瓣；全面钻进刃架，与刃圈以联接件相连。此种成孔设备属全能型，可用于复杂地层钻进，如含有基岩、特大块石地层钻进。

如果将上述设备中的钻头，拆除全面钻进刃架，则可以适用于卵石、小块石地层钻进。再拆除筒式取芯钻头，仅保留抓斗，则适用于粘土、变径桩孔钻进。

为实施泥浆循环排渣工艺，应在抓斗中的各抓瓣上安有喷管，此喷管经中心管、旋转接头连通伸缩钻杆而构成泥浆循环通道，以适应粉细砂层钻进。

为便于运渣，可以在上述钻塔上安装一个绕钻塔作平面转动的运渣吊机。为便于移架作业，可以在单层底盘上安装滚轮，此滚轮轮缘与滚管相吻合。

本发明的优点主要有如下几点：

其一，一机多用，可以适应多数地层条件，包括卵砾石和漂石层，使钻进工艺及成孔设备变得比较简单。

其二，可实施多种截面桩孔钻进，包括地下连续墙墙槽和用于逆筑法施工的中间支承柱柱孔。

其三，可在孔内调节抓瓣开度，因此可在圆截面桩孔中施钻变径桩孔，包括扩底桩孔，从而有利于推广单位工程量承载能力大的变径桩。

其四，改变抓瓣的型式及安装方式，可在圆截面桩孔中或者在两个圆截面桩孔之间施钻矩形截面和矩形组合截面桩孔。

其五，钻进效率高，施工方便，尤其是在桩孔中有多种地层分布时效果突出。因为，在粘性土层不需将钻渣研磨成泥浆；在卵砾石层可不经破碎工序；在漂石层可以不经破碎或经部分破碎工序，即可以由抓斗直接排出钻渣。

其六，可不用或少用泥浆，减少桩孔施工中对环境的污染。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中具有开合机构2的钻头1的结构示意图。

图3、图4分别是图2中钻头1的结构示意图。

图5是图1中伸缩钻杆6内装有伸缩芯管及钻具吊绳51的结构示意图。

为适应多种地层结构的特点，本发明提供了旋抓钻成孔方法及设备。

一、方法实施例

先取芯或全面回转切削破碎土石钻进，然后，由抓斗出孔排渣，或由泥浆循环排渣，或由抓斗出孔和泥浆循环复合排渣，重复钻进、排渣过程，直至成孔。

其中，由取芯钻进和抓斗出孔排渣组成的旋抓钻成孔方法是：在动力机驱动下，钻头回转，钻头刃具沿孔壁切削破碎圆环形孔底，抓瓣随刃具进入孔底地层内，钻进一定深度后，抓瓣由孔壁向桩孔中心合拢抓取钻渣，各瓣抓瓣合拢后形成一向上敞开的抓斗并盛放钻渣，然后出孔排渣，再钻进、排渣，直至成孔。

二、设备实施例

组成如图1所示，包括：由钻头1、回转动力机3、伸缩钻杆6及抗扭架5等传扭部件组成的回转钻进装置；由钻头1中的抓斗、开合机构2、开合动力机、伸缩钻杆6和钻具卷扬机17、导向卷扬机18等钻具升降机组成的抓斗出孔排渣钻进装置；由伸缩钻杆6和伸缩芯管形成的钻杆空腔，与连通管、喷管等组成的泥浆循环通道；由旋转装置、安在天车架10上的轨道12、吊斗22及其平移装置等组成的将出孔后的钻渣运离孔口的运渣吊机11；由钻杆托架4、钻塔7、导向轮槽8、导向架9、天车架10和单层底盘20组成的钻架；由前后升降式支腿14、滚管15、安在滚轮支架16上的滚轮21和移架卷扬机19等组成的滚轮滚管式移架装置；提供电源的配电箱13。

上述钻头1是回转钻头，其结构是：如图2所示，包括筒式取芯钻头、具有开合机构的抓斗和全面钻进刃架24；或者，如图3所示，包括筒式取芯钻头2、具有开合机构的抓斗；或者，如图4所示具有开合机构的抓斗。

钻头的结构及其与开合机构、配重盘的连接关系如图2所示：筒式取芯钻头，由取芯钻进刃圈23和刃圈座25相连而成，刃圈下端装有耙齿或滚齿(未画图)，刃圈座上部通过联接销32与导环33相连，导环33通过法兰盘34与中心管40相连。抓斗，至少有2个抓瓣27，一般选用4个抓瓣，各与开合机构相连，等距离圆周排放；每个抓瓣为弧面状，由瓣体和瓣尖相连而成，瓣体上部通过瓣铰30与导环33上的瓣铰座31相连；每个抓瓣上安有喷管28，经中心管40、旋转接头46连通伸缩钻杆6，构成泥浆循环通道。全面钻进刃架24，通过联接件26与刃圈23相连。开合机构，包括互为铰接的杠杆29、调节连杆35，其另一端，前者与瓣体上部固连(如焊连)，后者通过配重盘底部的铰座36活动相连。调节连杆35由螺杆和螺母组成。配重盘，由上、下转台及其之间的配重块37组成，它们以螺栓相连而成周边有槽的配重盘，槽内活动嵌连有环形轨道38。配重盘套连在中心管40上，二者以键41定位。配重块37的周边，与升降筒39下端固连，升降筒上端以键42与导向筒45相连，还以吊具与钻杆托架4相连。导向筒与回转动力机3的减速器壳体固定相连，它通过与之相连的部件使轨道38不转动。中心管40上部，通过旋转接头46与回转动力机的输出轴43相连。输出轴43的侧边设有连通管44。

如图5所示，伸缩钻杆6至少由2根以上的钻杆组成，其空腔内装有伸缩芯管，此管与钻杆相同节数和长度的内、外套管47、49构成。在钻杆的最顶端、最底端处，此两套管与内、外套钻杆48、50的端头接触处，设有封口板53。一根钻具吊绳51贯穿于伸缩芯管中。在伸缩钻杆6上部的外套钻杆50的侧边处，设有进浆管52。

如图1所示，在钻塔7的天车架10上，装有圆环形轨道12，运渣吊机11座落在此轨道上。在移架装置中，设有单层底盘20相连的支架16，支架上装有滚轮21，滚轮轮缘是向轮心凹进去的圆弧形，其与滚管15圆弧相吻合接触相连。现有的成孔设备，通过钻架的整体回转将钻渣运离孔口，采用运渣吊机可避免采用多层式底盘和复杂的回转机构。滚轮滚管式移架装置，保留了轨道式移架装置直线移架轻快的优点，克服了其不能作转向移动的缺点，同时也可避免采用多层式底盘及复杂的转动装置，与履带式、液压式履式移架装置相比，设备大为简单，而且比后者有更好的使用效果。

下面叙述一下本发明的成孔设备的工作过程。

一、钻进过程

打开配电箱13的电源开关，电力通过电缆输入回转动力机3的电机中，使电动机和减速器驱动输出轴43回转，再经中心管40带动钻头1回转，实施钻进过程。

一般地先由筒式取芯钻头的刃圈23上的耙齿或滚齿沿孔壁切削破碎孔底。因为取芯钻进具有碎岩面积小、单位功率开孔直径大的优点。当钻遇特大漂石和基岩时，通过全面钻进刃架24，全面积破碎孔底。当需要施钻变径桩孔时，或孔内大多为软土时，卸去筒式取芯钻头和全面钻进刃架24，利用抓瓣27上的瓣尖(耙齿)回转切削孔壁或孔底。

钻进过程中，刃圈和刃架上的阻力矩，经刃圈座25传递给导环33，再经法兰盘34、中心管40、旋转接头46、输出轴43传递给回转动力机；然后，由套装在伸缩钻杆6最外层钻杆上的抗扭架5，通过钻塔7上的导向轮槽8传递给钻架，最终，由钻架与地面的摩擦阻力克服之。

二、排渣过程

1、抓斗出孔排渣：

倒转钻具卷扬机17，在重力作用下钻具下降，至钻头接近孔底时，导向卷扬机18通过导向架9吊住最外层钻杆，最外层钻杆依次逐层吊住其内各层钻杆，最后吊住中心管。继续倒转钻具卷扬机，使钻杆托架4沿钻杆、配重块37沿中心管下移。在重力作用下，配重块通过铰座36、调节连杆35、杠杆29，推动抓瓣绕瓣铰30向外转动张开。当抓瓣达到指定开度后，钻头开始回转，并通过导向卷扬机控制进尺速度。钻进过程中，钻具卷扬机的钢绳始终处于松驰状态。为防止升降吊具随钻头回转，设置了不转动的轨道38，它通过升降筒39、导向筒45与回转动力机相连，还通过吊具与钻杆托架相连，在钻具卷扬机牵引下，能够带着配重盘及其相关连接件，随升降筒沿导向筒上升。

当钻头进尺到一定深度后，开动钻具卷扬机升起钻杆托架通过轨道38带动配重块一同上升，则调节连杆拉动杠杆使抓瓣转动，合拢抓渣。当抓瓣合拢形成盛放钻渣的抓斗后，钻杆托架依次逐层托起缩回各层钻杆，使钻头出孔，将最内层钻杆与最外层钻杆相连。待导向卷扬机吊住最外层钻杆后，倒转钻具卷扬机，受重力作用，抓瓣张开，使钻渣卸入置于孔口上的吊斗22内，开动运渣吊机11，将钻渣运离孔口后装入运渣机动车内运走或堆放在地面上。

采用抓斗出孔排渣工艺，可排出块状粘土和大粒径石块，因而排渣能力强，碎岩工作量小。

2、泥浆循环排渣

泵从泥浆池中抽吸泥浆，泵入进浆管52，泥浆经钻杆内壁与伸缩芯管外壁之间的空腔(即内，外套钻杆48、50，与内、外套管47、49所形成的空腔——环形空腔)，由连通管44输送至旋转接头46、中心管40、法兰盘34的中空，进入喷管28，最后由从位于抓瓣27的瓣尖处的喷管管口喷出，泥浆冲洗孔底后，携带钻渣由钻杆与桩孔孔壁之间的环状空间上升返回地面流入泥浆池内。

在砂层使用泥浆循环排渣钻进工艺，可克服提钻出孔排渣时钻渣易回流孔内的缺点。在卵砾石层使用抓斗出孔泥浆循环复合排渣钻进工艺，泥浆能置换出粒间填充物、润滑石粒表面、疏松地层、减小回转切削阻力。在全面回转碎岩钻进时，泥浆可将较大钻渣冲离孔底一定高度，便于抓斗抓取，可减少钻渣的重复破碎量。

由于采取专利号95222269.8《一种密封式伸缩钻杆》所述的密封方法，封闭钻杆之间、伸缩芯管之间的缝隙，泥浆不能流出钻杆以外和流入伸缩芯管以内。此外，在最内层钻杆的底端、最外层钻杆顶端的杆壁与伸缩芯管管壁之间的环状间隙处，装有封口板53，这样，可使钻具吊绳51与泥浆循环通道分离开来，从而使一般的伸缩钻杆随钻头回转的成孔设备也能采用泥浆循环排渣钻进工艺。

三、钻架移位

移架卷扬机19的钢绳，通过装在单层底盘20上的转向滑轮与置于滚管15管端的挂勾上的滑轮绕组后，形成移架牵引装置。移架时，使用前、后伸缩式支腿14升起钻架，向钻架移动方向伸出滚管15，降下钻架使滚轮21和滚管承受钻架重量。然后，开动移架卷扬机，滚轮在滚管上滚动并使钻架移动。钻机需作转向移动时，拆除两个管端上的挂勾中的一个，开动移架卷扬机，滚轮在滚管上滚动，滚管在地面上滚动，二者复合成为钻架的转向移动。

上述实施例中，给出了回转动力机3装在钻杆底端的情形。当回转动力机装在钻架上或钻杆顶端时，钻杆将随钻头回转，如此，本发明提供的成孔设备可作如下改变：(1)开合机构2上不设置配重块的转动轨道38，(2)导向架9上增设转动轨道。(3)输浆用的旋转接头46，改装在钻杆进浆管52处。(4)抗扭架5与回转动力机，装在一处。另外，本实施例中利用导向卷扬机18作抓斗抓瓣的开合动力机。采用专门抓瓣开合动力机时，可与抓瓣开合机构装在一处。

Claims (10)

1、一种钻孔桩成孔方法，其特征是采用旋抓钻成孔方法，包括：先取芯或全面回转切削破碎土石钻进，然后，抓斗出孔排渣，或泥浆循环排渣，或抓斗出孔和泥浆循环复合排渣，重复钻进、排渣过程，直至成孔。

2、根据权利要求1所述的成孔方法，其特征是由取芯钻进和抓斗出孔排渣组成的旋抓钻成孔方法是：在动力机驱动下，钻头回转，钻头刃具沿孔壁切削破碎圆环形孔底，抓瓣随刃具进入孔底地层内，钻进一定深度后，抓瓣由孔壁向桩孔中心合拢抓取钻渣，各瓣抓瓣合拢后形成一向上敞开的抓斗并盛放钻渣，然后出孔排渣，再钻进、排渣，直至成孔。

3、一种实施权利要求1所述成孔方法的设备，设有钻头(1)、伸缩钻杆(6)、回转动力机(3)、升降机、钻架和移架装置，其特征是钻头(1)是回转钻头，包括：筒式取芯钻头，由取芯钻进的刃圈(23)和刃圈座(25)相连而成，刃圈下端安有耙齿或滚齿，刃圈座上部通过联接销(32)与导环(33)相连，具有开合机构(2)的抓斗2，至少有2个抓瓣(27)；全面钻进刃架(24)，与刃圈(23)以联接件(26)相连。

4、一种实施权利要求2所述成孔方法的设备，设有钻头(1)、伸缩钻杆(6)、回转动力机(3)、升降机、钻架和移架装置，其特征是钻头(1)是回转钻头，包括：筒式取芯钻头，由取芯钻进的刃圈(23)和刃圈座(25)相连而成，刃圈下端安有耙齿或滚齿，刃圈座上部通过联接销(32)与导环(33)相连；具有开合机构(2)的抓斗，至少有2个抓瓣(27)。

5、一种实施权利要求1所述成孔方法的设备，设有钻头(1)、伸缩钻杆(6)、回转动力机(3)、升降机、钻架和移架装置，其特征是钻头(1)是回转钻头，即具有开合机构(2)的抓斗，它至少有2个抓瓣(27)。

6、根据权利要求3或4或5所述的设备，其特征是抓斗有4个抓瓣，各与开合机构(2)相连，等距离圆周排放，每个抓瓣为弧面状，由瓣体和瓣尖固连而成，每个瓣体上部通过瓣铰(30)与导环(33)的瓣铰座(31)相连，并且，每个抓瓣上安有喷管(28)，经中心管(40)、旋转接头(46)连通伸缩钻杆(6)而构成泥浆循环通道。

7、根据权利要求6所述的设备，其特征是开合机构(2)包括互为铰接的杠杆(29)、调节连杆(35)，其另一端，前者与瓣体上部相连，后者通过配重盘底部的铰座(36)活动相连。

8、根据权利要求3或4或5所述的设备，其特征是在钻塔(7)的天车架(10)上，装有圆环形轨道(12)，轨道上安有运渣吊机(10)。

9、根据权利要求3或4或5所述的设备，其特征是移架装置中，设有与底盘(20)相连的支架(16)，支架上装有滚轮(21)，滚轮轮缘是向轮心凹进去的圆弧形，其与滚管(15)圆弧形相吻合。

10、根据权利要求3或4或5所述的设备，其特征是伸缩钻杆(6)的空腔内装有伸缩芯管，其由与钻杆相同节数和长度的内、外套管(47)、(49)构成，其中，在钻杆的最顶端、最底端处，此两管与内、外套钻杆(48)、(50)的端头接触处设有封口板(53)，一根钻具吊绳(51)贯穿于伸缩芯管中。

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