自钻式管柱支护装置及其方法

754 编辑：中冶有色技术网来源：青岛理工大学

2023-12-20 16:15:55

权利要求书： 1.一种自钻式管柱支护装置，其特征在于：包括有安装于钻头支架上的动力钻机，泵送弯管和管桩连接器分别连通于动力钻机；

其中，管桩连接器具有中空的管状结构，其垂向两端分别连接于动力钻机和管桩；

拉杆沿垂向依次地贯穿连接动力钻机、管桩连接器和管桩，在拉杆的垂向底端连接可提拉钻头；

可提拉钻头包括有容纳拉杆贯穿连接的、位于轴向中心的轴身，在轴身外周侧枢轴连接有数个带有钻齿体的钻齿支架；

所述的钻齿支架沿轴身外周侧的枢轴连接点具有周向运动的趋势；

在拉杆沿垂向向上运动时，钻齿支架被水平推向并收纳于管桩的底端；

所述的管桩连接器，其顶端通过螺纹固定连接于动力钻机，其底端设置有用于嵌套连接于管桩顶端的管桩连接器底盖；

所述的管桩底端设置有内部环状底部凹槽，当钻齿支架被向上拉伸时，钻齿支架被水平地定位于轴身、底部凹槽之间，可提拉钻头整体地固定连接于管桩的底端；

在所述可提拉钻头的轴身的外侧周向形成有卡箍凸头；钻齿支架的水平内侧端形成有卡箍凹槽，卡箍凸头与卡箍凹槽形成相互配合的嵌套结构；钻齿支架的水平外侧端形成有支撑凸头，支撑凸头与底部凹槽形成相互配合的嵌套结构；钻齿支架的水平内侧端，通过转轴枢轴连接于轴身。

2.根据权利要求1所述的自钻式管柱支护装置，其特征在于：在所述拉杆上套设有拉杆端头上端和拉杆端头下端，拉杆端头上端设置于轴身上端，拉杆端头下端设置于轴身下端。

3.一种应用如权利要求1或2所述自钻式管柱支护装置的使用方法，其特征在于：包括有以下步骤，

1）设备安装

钻机支架固定安装动力钻机，泵送弯管设置在动力钻机上，该泵送弯管的内腔与管桩连接器、管桩的内腔连通，从而实现向环形管桩中持续地注浆；管桩连接器和动力钻机通过螺纹进行固定连接，动力钻机通过管桩连接器与管桩连接一起；

2）钻进作业

动力钻机通电开启，动力钻机通过管桩连接器驱动管桩旋转，管桩底部的可提拉钻头同时一体同步地旋转，钻齿体不断地切削岩土，管桩不断地沿垂向伸入土体中；

3）分离管桩

钻进结束后，拉杆向上提起，拉杆端头下端提拉轴身，带动支撑凸头向下转动；随着继续拉动拉杆，支撑凸头和转轴作为支点，基于杠杆原理引导钻齿支架也向下旋转，从而促使卡箍凸头和卡箍凹槽随着转轴转动脱开，钻齿支架整体向内折叠；

支撑凸头和底部凹槽脱开，可提拉钻头在拉杆的带动下从管桩内腔上移；

4）重复作业

分离管桩之后，钻机整体设备自行运行到下一个位置；然后向管桩内腔注入水泥浆液直至灌满，最终这一管桩就安装完毕；

在新的安装工位，重新将管桩连接器、可提拉钻头和拉杆连接安装一新的管桩，重复上述作业步骤1）至3），直至钻入指定深度。

说明书：自钻式管柱支护装置及其方法技术领域[0001] 本发明涉及一种用于土体管桩施工的自钻式支护体系和施工方法，属于建筑施工领域。

背景技术[0002] 随着我国经济的快速发展，各类建筑物建设方兴未艾。预制管桩广泛应用于各类桩基及地基处理工程中。尤其近年来海洋岛礁工程的开展，大直径管桩对于岛礁基础具有

显而易见的加固效果。随着桩型及施工环境的多样化，国内业内对预制管桩桩型改进及其

施工工法的创新层出不穷。当前在实际工程中主要的桩基础施工包括如下方法：

[0003] 锤击法：桩基施工中采用最广泛的一种沉桩方法。以锤的冲击能量克服土对桩的阻力，使桩沉到预定深度。一般适用于硬塑、软塑粘性土。用于砂土或碎石土有困难时，可辅

以钻孔法及水冲法。常用桩锤有蒸汽锤、柴油锤。

[0004] 振动法：振动法沉桩是以大功率的电动激振器产生频率为700～900次/分钟的振动，克服土对桩的阻力,使桩沉入土中。一般适用于砂土中沉入钢板桩，亦可辅以水冲法沉

入预制钢筋混凝土管桩。用于振动沉桩的振动机的常用规格为20吨及40吨。目前，使用高频

率达10000次/分钟的沉桩机头，震动与噪声小，沉桩速度快。

[0005] 压入法：压入法沉桩具有无噪声、无震动、成本低等优点,常用压桩机有80吨及120吨两种。压桩需借助设备自重及配重，经过传动机构加压把桩压入土中，故仅用于软土地

基。

[0006] 射水法：锤击、振动两种沉桩方法的辅助方法。施工时利用高压水泵，产生高速射流，破坏或减小土的阻力，使锤击或振动更易将桩沉入土中。射水法多适用于砂土或碎石土

中，使用时需控制水冲深度。

[0007] 随着工程的需要，大直径管桩越发适合实际工程需求，但当前各类大直径管桩的施工也存在多方面技术难题：(1)现有管桩施工工艺不能完成大直径管桩的高效施工。如采

用静压、锤击等施工工艺在直径600mm以下预制桩施工中较为常见，限于设备体量、桩身强

度、施工难度等原因，传统预制桩施工工艺不能有效完成直径800mm以上预制桩施工。(2)在

黏土、密实砂层等较硬地层施工难度较大。传统静压、锤击等施工工艺采用挤土施工工法，

在黏土、密实砂层等较硬地层施工难度较大。(3)随管钻进、旋喷搅拌加劲桩等预制桩植入

工法工艺复杂、效率较低。现有预制桩植入工法多引进日本工艺，无论设备体量还是工艺复

杂性上皆不适应国内施工。

[0008] 因此，目前国内亟需一种新型的大直径管桩施工技术来填补当前工程上的空白。有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容[0009] 本发明所述的自钻式管柱支护装置及其方法，在于解决上述现有技术存在的问题而提供一种易于组装和拆卸支护体系的管桩钻进与注浆支护作业装置，从而能够实现一种

大直径、高效率和多种土体条件的岩土工程施工系统、设备设计与作业使用方法。

[0010] 为实现上述设计目的，本申请所述的自钻式管柱支护装置，包括有安装于钻头支架上的动力钻机，泵送弯管和管桩连接器分别连通于动力钻机；

[0011] 其中，管桩连接器具有中空的管状结构，其垂向两端分别连接于动力钻机和管桩；拉杆沿垂向依次地贯穿连接动力钻机、管桩连接器和管桩，在拉杆的垂向底端连接可提拉

钻头；可提拉钻头包括有容纳拉杆贯穿连接的、位于轴向中心的轴身，在轴身外周侧枢轴连

接有数个带有钻齿体的钻齿支架；所述的钻齿支架沿轴身外周侧的枢轴连接点具有周向运

动的趋势；在拉杆沿垂向向上运动时，钻齿支架被水平推向并收纳于管桩的底端。

[0012] 进一步地，所述的管桩连接器，其顶端通过螺纹固定连接于动力钻机，其底端设置有用于嵌套连接于管桩顶端的管桩连接器底盖。

[0013] 进一步地，所述的管桩底端设置有内部环状底部凹槽，当钻齿支架被向上拉伸时，钻齿支架被水平地定位于轴身、底部凹槽之间，可提拉钻头整体地固定连接于管桩的底端。

[0014] 进一步地，在所述可提拉钻头的轴身的外侧周向形成有卡箍凸头；钻齿支架的水平内侧端形成有卡箍凹槽，卡箍凸头与卡箍凹槽形成相互配合的嵌套结构；钻齿支架的水

平外侧端形成有支撑凸头，支撑凸头与底部凹槽形成相互配合的嵌套结构；钻齿支架的水

平内侧端，通过转轴枢轴连接于轴身。

[0015] 进一步地，在所述拉杆上、轴身上下两端套设有拉杆端头上端和拉杆端头下端。[0016] 应用如上述自钻式管柱支护装置的使用方法，包括有以下步骤：[0017] 1)设备安装[0018] 钻机支架固定安装动力钻机，泵送弯管设置在动力钻机上，该泵送弯管的内腔与管桩连接器、管桩的内腔连通，从而实现向环形管桩中持续地注浆；管桩连接器和动力钻机

通过螺纹进行固定连接，动力钻机通过管桩连接器与管桩连接一起；

[0019] 2)钻进作业[0020] 动力钻机通电开启，动力钻机通过管桩连接器驱动管桩旋转，管桩底部的可提拉钻头同时一体同步地旋转，钻齿体不断地切削岩土，管桩不断地沿垂向伸入土体中；

[0021] 3)分离管桩[0022] 钻进结束后，拉杆向上提起，拉杆端头下端提拉轴身，带动支撑凸头逆时针转动，随着继续拉动拉杆，支撑凸头和转轴作为支点，基于杠杆原理引导钻齿支架也逆时针旋转，

从而促使卡箍凸头和卡箍凹槽随着转轴转动脱开，钻齿支架整体向内折叠。

[0023] 支撑凸头和底部凹槽脱开，可提拉钻头在拉杆的带动下从管桩内腔上移。[0024] 4)重复作业[0025] 分离管桩之后，钻机整体设备自行运行到下一个位置；然后向管桩内腔注入水泥浆液直至灌满，最终这一管桩就安装完毕。

[0026] 在新的安装工位，重新将管桩连接器、可提拉钻头和拉杆连接安装一新的管桩，重复上述作业步骤，直至钻入指定深度。

[0027] 如上所述，本申请自钻式管柱支护装置及其方法具有的优点是：整体结构简单易行，易于拆卸与再次重新组装；可适应于各类地基土体条件下的大直径、较大深度的管桩钻

进与注浆作业施工，从而有效地节省施工周期、降低了现场作业的难度与施工成本。

附图说明[0028] 现结合以下附图进一步地说明本申请；[0029] 图1是一种所述自钻式管柱支护装置的整体结构示意图；[0030] 图2是管桩连接器的主视与俯视对照示意图；[0031] 图3是管桩连接器连接于管桩顶端的使用状态图；[0032] 图4是管桩的结构示意图；[0033] 图5是可提拉钻头与拉杆在使用状态下的连接示意图；[0034] 图6是可提拉钻头的俯视示意图；[0035] 图7是拉杆向上收起时与可提拉钻头的连接示意图；[0036] 图8是自钻式管柱支护体系完工后的示意图。[0037] 如图1至图8所示，1、动力钻机；2、泵送弯管；3、管桩连接器；3?1、管桩连接器底盖；4、管桩；4?1、底部凹槽；5、可提拉钻头；5?1、钻齿体；5?2钻齿支架；5?3、卡箍凸头；5?4、卡箍

凹槽；5?5、转轴；5?6、支撑凸头；5?7、轴身；6、钻头支架；7、拉杆；7?1、拉杆端头上端；7?2、拉

杆端头下端。

具体实施方式[0038] 实施例1，为更进一步阐述本申请为达成预定发明目的所采取的技术手段，现结合附图提出以下较为优选的实施方案。

[0039] 本申请所述的自钻式管柱支护装置，提供了一种新型管柱支护体系并组合现有大直径管桩专用钻机设备和专用环形管桩而主要包括有，安装于钻头支架6上的动力钻机1，

泵送弯管2和管桩连接器3分别连通于动力钻机1。

[0040] 其中，管桩连接器3具有中空的管状结构，其垂向两端分别连接于动力钻机1和管桩4；

[0041] 拉杆7沿垂向依次地贯穿连接动力钻机1、管桩连接器3和管桩4，在拉杆7的垂向底端连接可提拉钻头5；

[0042] 可提拉钻头5包括有容纳拉杆7贯穿连接的、位于轴向中心的轴身5?7，在轴身5?7外周侧枢轴连接有数个带有钻齿体5?1的钻齿支架5?2；

[0043] 所述的钻齿支架5?2沿轴身5?7外周侧的枢轴连接点具有周向运动的趋势；[0044] 在拉杆7沿垂向向上运动时，钻齿支架5?2被水平推向并收纳于管桩4的底端。[0045] 所述的管桩连接器3，其顶端通过螺纹固定连接于动力钻机1，其底端设置有用于嵌套连接于管桩4顶端的管桩连接器底盖3?1。

[0046] 所述的管桩4底端设置有内部环状底部凹槽4?1，当钻齿支架5?2被向上拉伸时，钻齿支架5?2可被水平地定位于轴身5?7、底部凹槽4?1之间，从而将可提拉钻头5整体地固定

连接于管桩4的底端。

[0047] 在所述可提拉钻头5的轴身5?7的外侧周向形成有卡箍凸头5?3；钻齿支架5?2的水平内侧端形成有卡箍凹槽5?4，卡箍凸头5?3与卡箍凹槽5?4形成相互配合的嵌套结构；钻齿

支架5?2的水平外侧端形成有支撑凸头5?6，支撑凸头5?6与底部凹槽4?1形成相互配合的嵌

套结构；

[0048] 钻齿支架5?2的水平内侧端，通过转轴5?5枢轴连接于轴身5?7。[0049] 在所述拉杆7上、轴身5?7上下两端套设有拉杆端头上端7?1和拉杆端头下端7?2。[0050] 应用上述结构设计方案的自钻式管柱支护装置，其使用方法是当确定需打桩位置后，先将专用大直径环形管桩4连接并安装于钻机1，动力钻机1定位后由钻机带动环形管桩

4一体同步地旋转。可提拉钻头5与管桩4的底端契合，管桩4旋转并带动钻头一起旋转，在环

形管桩4不断地钻进、旋转过程中，钻齿体5?1会破碎管壁内外的土体或者岩体。从而实现在

各种土基条件如沙砾、粘土、碎石等的岩土工程施工。

[0051] 具体地，所述自钻式管柱支护装置的使用方法包括有以下步骤：[0052] 1)设备安装[0053] 如图1所示，钻机支架6固定安装动力钻机1，泵送弯管2设置在动力钻机1上，该泵送弯管2的内腔与管桩连接器3、管桩4的内腔连通，从而实现向环形管桩4中持续注浆的功

能。其中，管桩连接器3和动力钻机1通过螺纹进行固定连接，动力钻机1通过管桩连接器3与

管桩连接一起，从而带动管桩4一体、同步地旋转。

[0054] 如图2至图4所示，管桩连接器3通过管桩连接器底盖3?1与管桩4连接在一起，管桩连接器底盖3?1整体卡在管桩4端头处，面与面的贴合保证二者固定在一起。

[0055] 如图4至图6所示，管桩4的底部凹槽4?1与可提拉钻头5的支撑凸头5?5契合，从而固定可提拉钻头5并带动可提拉钻头5一体同步地旋转，用于驱动钻齿支架5?2上的钻齿体

5?1进行切削岩土作业。

[0056] 安装在轴身5?7的卡箍凸头5?3和卡箍凹槽5?4通过转轴5?5连接，二者通过面与面之间的挤压契合，保证钻齿支架5?2的水平伸展。

[0057] 如图1和图7所示，拉杆7贯穿整个装置并与可提拉钻头5固定在一体，拉杆端头上端7?1保证钻齿支架5?2的水平定位。

[0058] 2)钻进作业[0059] 动力钻机1通电开启，动力钻机1通过管桩连接器3驱动管桩4旋转，管桩4底部的可提拉钻头5同时一体同步地旋转，钻齿体5?1不断地切削岩土，管桩4不断地沿垂向伸入土体

中。

[0060] 3)分离管桩[0061] 钻进结束后，拉杆7向上提起，拉杆端头下端7?2提拉轴身5?7，带动支撑凸头5?6逆时针转动，随着继续拉动拉杆7，支撑凸头5?6和转轴5?5作为支点，杠杆的原理引导钻齿支

架5?2也逆时针旋转，从而促使卡箍凸头5?3和卡箍凹槽5?4随着转轴5?5转动脱开，钻齿支

架5?2整体向内折叠。

[0062] 如图7所示，支撑凸头5?6和底部凹槽4?1脱开，可提拉钻头5在拉杆7的带动下从管桩4内腔上移。管桩连接器3和管桩4的脱开是通过拉杆端头上端7?1带动管桩连接器底盖3?

1向上移动脱离管桩4的内腔。

[0063] 4)重复作业[0064] 如图8所示，分离管桩之后，钻机整体设备自行运行到下一个位置；然后向管桩4内腔注入水泥浆液直至灌满，最终这一管桩就安装完毕。

[0065] 在新的安装工位，重新将管桩连接器3、可提拉钻头5和拉杆7连接安装一新的管桩4，重复上述作业步骤，直至钻入指定深度。

[0066] 如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构的方案内容，均仍属于本申请技术方案的权利范围。