專利名稱：斜向嵌巖樁施工設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及港口建筑施工技術領域，特別涉及一種斜向嵌巖樁施工設備。
技術背景目前國外在港口工程中，斜向嵌巖樁的應用已相當普遍，其嵌巖直徑也越來越大。 國內(nèi)直樁嵌巖在建筑工程、橋梁工程及港口工程等已較為普遍，如寶鋼馬跡山碼頭嵌巖直 徑也達Φ 2600mm。但斜向嵌巖樁在港口工程的應用實例較少，目前僅在深圳鹽田二、三期碼頭工程、 浙江舟山冊子島金山石化油碼頭工程和武漢陽邏國際集裝箱轉運中心碼頭工程中得到一 定的應用，其嵌巖直徑為Φ 800 Φ 1200mm，斜度一般為7 1 5 1，施工所用鉆機均 為液壓鉆機。其中深圳鹽田港區(qū)二、三期碼頭工程(四航局承建)，斜向芯柱嵌巖直徑為 Φ 1200mm,樁身斜度6 1，斜樁嵌巖分別采用了日本產(chǎn)L-3型斜孔鉆機和德國產(chǎn)B6型斜孔 鉆機。L-3型鉆機最大扭矩30kN · m,對鉆頭施加壓力500kN，鉆機自重140kN ；B6型鉆機最 大扭矩95kN*m，對鉆頭施加壓力800kN，鉆機自重210kN。浙江舟山冊子島金山石化油碼頭 工程(三航局承建)，部分樁基斜向芯柱嵌巖樁直徑為Φ 1200πιπι，樁身斜度為5 1，斜樁嵌 巖采用了南京東升公司生產(chǎn)的ZSD-150型斜孔鉆機。ZSD-150型鉆機最大扭矩SOkN ·πι，對 鉆頭施加壓力200kN，鉆機自重160kN。武漢陽邏國際集裝箱轉運中心碼頭工程(三航局承 建)，斜向芯柱嵌巖樁直徑為Φ 1000mm，樁身斜度為7 1，采用GPS-150型回旋鉆機改造底 盤結構后實施斜樁嵌巖。以上這些工程嵌巖最大直徑Φ 1200mm,隨著碼頭的深水和大型化發(fā)展，在復雜地 質(zhì)條件下，嵌巖直樁將超過Φ 1200mm才能滿足要求。國外的斜向嵌巖樁施工設備價格昂 貴，而國內(nèi)在大直徑斜向嵌巖施工仍處于空白狀態(tài)，無相應的施工經(jīng)驗，缺少專業(yè)的斜向嵌 巖施工設備和廠家。因此申請人結合洋山港Φ 1500mm的斜向嵌巖樁工程，針對國產(chǎn)鉆進進 行研究和改造，使之滿足工程施工需求
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種斜向嵌巖樁施工設備。該設備通過改進鉆頭、鉆桿 桿體、鉆桿穩(wěn)桿器、鉆桿導向器以及配重塊，使得整個施工設備的鉆具部分在結構改造后， 能在斜樁嵌巖施工時保持一定的鉆壓以達到嵌巖成孔的目的。上述實用新型的具體技術方案如下這種斜向嵌巖樁施工設備，包括鉆機本體和鉆具；所述鉆具包括通過法蘭依次連 接的鉆頭、加強鉆桿、導向器以及與用來鉆機連接帶動整個鉆具工作的傳力桿；其特征在 于，所述由復數(shù)節(jié)鉆桿組成的傳力桿，其中每三節(jié)鉆桿設置一個穩(wěn)桿器，穩(wěn)桿器間距為9m ； 所述穩(wěn)桿器為軸身上設有復數(shù)個穩(wěn)桿支撐桿(通常安置4個)的轉動軸，所述轉動軸材質(zhì) 為型鋼，采用鋼珠滾動結構。這樣不但可避免轉動軸損壞現(xiàn)象，并可減少鉆桿轉動阻力。上述方案中，所述導向器通過法蘭連接安置于加強鉆桿與傳力桿之間，所述導向
3器為一內(nèi)徑小于鋼套筒的圓柱體，其柱側面設有用來和鋼套筒滾動連接的復數(shù)個導向滾 輪。上述方案中，所述配重塊安置在導向器的上部。上述方案中，所述加強鉆桿成厚壁管狀的，其內(nèi)壁直徑與上部的鉆桿內(nèi)徑相同。上述方案中，所述鉆頭為牙輪鉆頭，牙輪鉆頭上部增設有封閉的空心筒腔。上述方案的優(yōu)點在于通過對鉆具總成的改進，保證斜樁嵌巖成孔的施工質(zhì)量，提 高施工工效，減少設備故障。
圖1為鉆頭結構分析圖。圖2a為鉆桿穩(wěn)桿器結構圖。圖2b為圖2a的1-1剖面圖。圖3為鉆桿導向器橫截面示意圖。圖4a為加強鉆桿結構示意圖。圖4b為圖4a的1-1剖面圖。圖5a為配重塊結構示意圖。圖5b為圖5a的1-1剖面圖。圖6-1和圖6-2分別為整個施工設備和設備中鉆具的總體結構圖。
具體實施方式
為了使本實用新型實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下 面結合具體圖示，進一步闡述本實用新型。本實用新型具體通過改進現(xiàn)有設備來實現(xiàn)。例如這種現(xiàn)有設備為液壓式動力頭回 旋鉆機。這種鉆機根據(jù)不同地質(zhì)條件可設定為恒壓鉆進或恒速鉆進主要性能參數(shù)見表1。表1XZ-30型液壓式動力頭回旋鉆機主要性能參數(shù)表 這種鉆機具有大扭矩和大直徑施工能力，但此前從未實施過斜孔嵌巖，尚缺少與 斜孔嵌巖相配套的輔助設施。本實用新型通過結合具體工程的特點和斜孔樁嵌巖施工原 理，研制和改進了這種鉆機進行斜孔嵌巖所需的鉆頭、加強鉆桿、導向器、穩(wěn)桿器和配重塊 等配套設施。下面從幾方面來具體介紹(一)鉆頭的改進；通常嵌巖成孔鉆進時需要在一定的鉆壓下，旋轉鉆頭粉碎巖層，形成嵌巖孔。在直 樁嵌巖施工時，可以通過增大配重、鉆頭自重、鉆機加壓等來達到需要的鉆壓，鉆進過程中 鉆桿幾乎不受橫向荷載影響，而可以順利傳遞扭矩并實現(xiàn)鉆進目的。在斜樁嵌巖施工時，鉆頭出套筒后，如果鉆頭重量太大，會產(chǎn)生較大的豎向力而導 致鉆孔歪斜，影響斜向嵌巖樁的質(zhì)量。因此，本實用新型所述設備通過減少出套筒后鉆頭的 豎向分力，同時也保持一定的鉆壓以達到嵌巖成孔的目的。結合具體工程時，嵌巖鉆頭設計為球齒形滾刀式牙輪鉆頭，鉆頭外徑為Φ 1500mm， 鉆頭總高度為2. 5m，鉆頭重量35kN，鉆頭結構詳見圖1。為保證鉆頭出鋼套筒斜向嵌巖鉆進 過程中，避免鉆頭在垂直力作用下發(fā)生向下偏心鉆進現(xiàn)象，在牙輪鉆頭上增設了封閉的空 心筒式結構，空腔102結構體積約為1. 35m3，鉆頭總體排水體積合計約為1. 8m3，如泥漿比重 按1.45g/cm3計算，則鉆頭在泥漿中產(chǎn)生的浮力約為26kN，能抵消75%的鉆頭垂直力。同 時，鉆頭在加強鉆桿101及導向器作用下，保證鉆頭能沿著斜孔樁軸線鉆進。( 二)鉆桿穩(wěn)桿器的改進；鉆桿是鉆進成孔過程中鉆壓和扭矩由鉆機傳遞至鉆頭的主要傳力桿。在直樁嵌巖旋轉鉆進施工時，鉆桿的受力方向與鉆桿的軸線基本能吻合，也就基本能夠保證鉆壓和扭 矩的傳遞，滿足施工要求。然而，在斜樁嵌巖過程中，由于鉆桿存在一定的傾斜角，受自重的 影響，鉆桿受力方向與其軸線方向有了一定的偏角，加上鉆壓的影響，會導致鉆桿發(fā)生壓桿 失穩(wěn)的危險。因此，解決此問題的思路之一是在鉆桿中間位置設置垂直于鉆桿的橫向約 束，即穩(wěn)桿器。穩(wěn)桿器同時可有效防止鉆桿在受壓狀態(tài)下變形，穩(wěn)桿器間距為9m左右，即每三節(jié) 鉆桿設置一個穩(wěn)桿器。原鉆桿穩(wěn)桿器轉動軸為硬質(zhì)木板滑動結構，在實施斜孔嵌巖時，滑動 木板在壓力作用下極易損壞，因此，將轉動軸設計為鋼結構和鋼珠滾動結構，不但避免轉動 軸損壞現(xiàn)象，并可減少鉆桿轉動阻力。穩(wěn)桿器結構見圖2，其中，穩(wěn)桿器為兩端設有鉆桿連接 口 201，且軸身上設有4個穩(wěn)桿支撐桿的轉動軸202。(三)鉆桿導向器設計；此前國內(nèi)的斜樁嵌巖設備，由于樁徑小，或者巖石強度較低，鉆進所需的鉆壓也較 小，以此鉆頭等設備的重量小，通常也能滿足小直徑嵌巖樁的鉆進施工。比如在洋山三期的 1500mm直徑斜樁嵌巖的施工中，需要將樁嵌入到硬質(zhì)巖中，國內(nèi)的鉆頭已經(jīng)不能滿足要求。 在綜合參考了國外的鉆機設備后，設計了導向器來加強鉆桿出套筒后的穩(wěn)定性。鉆頭出鋼護筒后，由于鉆頭的自重較大，會導致在自重作用下鉆桿未出鋼護筒就 偏離了設定的軸線，為了加強鉆桿的同軸性，保證扭矩的順利傳遞，研究中在鋼護筒內(nèi)最底 端的鉆桿上設置了導向裝置，即鉆桿導向器。導向器不出鋼套筒，導向器亦為一般鉆桿和出 套筒加強鉆桿的連接器。參見圖3，導向器通過法蘭302連接安置于加強鉆桿與傳力桿之間，為一般鉆桿和 出套筒加強鉆桿的連接器，導向器為一內(nèi)徑稍小于鋼套筒301的圓柱體，其柱側面設有用 來和鋼套筒滾動連接的復數(shù)個導向滾輪303。由于導向器的直徑較大，稍稍小于鋼套筒內(nèi)徑，因此鉆進過程中導向器與鋼套筒 之間會產(chǎn)生較大的旋轉摩阻力。為減少動力頭效率的損失，保證動力頭扭矩盡量轉遞到鉆 頭，導向裝置與鋼套筒之間設計為滾動摩擦。另一方面，導向器的設置極大程度上保證了鉆桿的同軸性，使鉆進成孔得以順利 實施。(四)加強鉆桿設計；如果說鋼套筒內(nèi)的鉆桿在穩(wěn)桿器和導向器的作用下能夠保證鉆壓和扭矩順利傳 遞的話，那么鉆桿出套筒后，橫向約束頓時消失，鉆壓和扭矩的傳遞程度就會大打折扣。為 了解決這一難題，課題組從出套筒后的鉆桿上著眼研究，設計了加強鉆桿。實踐證明加強鉆 桿如實的發(fā)揮了它的作用，保證了斜樁嵌巖施工質(zhì)量。首先，出鋼套筒的加強鉆桿部分采用特種鋼材，并將直徑加大至Φ600πιπι，提高了 鉆桿的剛度和強度，減小其在重力和鉆壓作用下的失穩(wěn)風險。同時，為了保證鉆進成孔過程 中泥漿流動順暢，加強鉆桿也同樣設計成厚壁管狀的，其內(nèi)壁直徑與上部的鉆桿內(nèi)徑相同。其次根據(jù)工程地質(zhì)條件及嵌巖要求，出鋼套筒部分的加強鉆桿長度設計為5m，加 強鉆桿及鉆頭出鋼套筒總長度為7. 5m,即鉆頭出鋼套筒后的嵌巖最大深度為7. 5m,能夠滿 足洋山斜樁嵌巖2 4m的要求。如果要增大嵌巖深度，則需要增加加強鉆桿的長度。加強 鉆桿大樣見圖4。
6[0046](五)配重塊設計；在巖石層鉆進時，鉆頭與巖石的切削面必須保證一定的壓力。在鉆機的改造設計 時，為了減小出鋼套筒后重力垂直樁軸線方向分力的影響，要盡量減小鉆頭重量，同時增大 由鉆機傳遞下來的鉆壓。然后增大鉆壓則意味著增加鉆桿發(fā)生壓桿失穩(wěn)的風險。針對此問 題，經(jīng)過研究，通過在鋼套筒內(nèi)設置配重塊的方法，即采用減壓鉆進工藝鉆進，減小鉆進時 液壓動力頭對鉆桿的壓力，防止鉆桿受壓過大后出現(xiàn)變形。配重塊設置在導向器上部，重120kN，高度為1. 5m，直徑為1. 5m。通過8個螺栓與 相鄰設備連接。配重塊大樣詳見圖5。(六)斜孔嵌巖鉆具總裝結構；根據(jù)上文對鉆具各改進部分的詳細介紹，在斜樁嵌巖成孔鉆進時，專用鉆具總裝 結構自下而上分別為特制鉆頭(牙輪鉆頭)601、加強鉆桿602、導向器603、配重塊604、穩(wěn) 桿器等605、鉆機606等，組裝結構見圖6-2。參見圖6-1，圖中為整個施工設備的總體結構。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行 業(yè)的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述 的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還 會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型 要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求斜向嵌巖樁施工設備，包括鉆機本體和鉆具；所述鉆具包括通過法蘭依次連接的鉆頭、加強鉆桿、導向器以及與用來鉆機連接帶動整個鉆具工作的傳力桿；其特征在于，所述由復數(shù)節(jié)鉆桿組成的傳力桿，其中每三節(jié)鉆桿設置一個穩(wěn)桿器，穩(wěn)桿器間距為9m；所述穩(wěn)桿器為軸身上設有復數(shù)個穩(wěn)桿支撐桿的轉動軸，所述轉動軸材質(zhì)為型鋼，采用鋼珠滾動結構。
2.根據(jù)權利要求1的斜向嵌巖樁施工設備，其特征在于，所述導向器通過法蘭連接安 置于加強鉆桿與傳力桿之間，所述導向器為一內(nèi)徑小于鋼套筒的圓柱體，其柱側面設有用 來和鋼套筒滾動連接的復數(shù)個導向滾輪。
3.根據(jù)權利要求1的斜向嵌巖樁施工設備，其特征在于，所述鉆頭為牙輪鉆頭，牙輪鉆 頭上部增設有封閉的空心筒腔。
專利摘要本實用新型公開了一種斜向嵌巖樁施工設備。該設備包括鉆機本體和鉆具；所述鉆具包括通過法蘭依次連接的鉆頭、加強鉆桿、導向器以及與用來鉆機連接帶動整個鉆具工作的傳力桿；其特征在于，所述由復數(shù)節(jié)鉆桿組成的傳力桿，其中每三節(jié)鉆桿設置一個穩(wěn)桿器，穩(wěn)桿器間距為9m左右；所述穩(wěn)桿器為軸身上設有復數(shù)個穩(wěn)桿支撐桿的轉動軸，所述轉動軸材質(zhì)為型鋼，采用鋼珠滾動結構。這樣不但可避免轉動軸損壞現(xiàn)象，并可減少鉆桿轉動阻力。該設備通過對鉆具總成的改進，保證斜樁嵌巖成孔的施工質(zhì)量，提高施工工效，減少設備故障。
文檔編號E21B17/10GK201671562SQ201020135048
公開日2010年12月15日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權日2010年3月18日
發(fā)明者嚴建平, 劉凌云, 尹海卿, 張曦, 徐明賢, 曹義國, 管有干, 陸大偉, 顧華平 申請人:中交第三航務工程局有限公司