專利名稱：一種鉆擴孔兩用鉆具及施工方法
技術領域：
本發明涉及一種巖土工程中的樁孔成型機具及成型方法，特別是一種多級擴孔樁的鉆擴孔鉆具及其施工方法。
背景技術：
普通鉆孔灌注樁，其成樁過程是:先在地基土中通過鉆孔形成圓柱形的樁孔型腔，在孔中下入鋼筋籠后灌注混凝土，樁孔內的混凝土凝固后形成了鋼筋混凝土灌注樁。為了提高灌注樁的單樁承載力和樁身混凝土強度的利用率，人們發現可通過在樁
身的局部擴大截面------即通過擴孔來實現此目標。針對樁身擴孔的問題，人們發明了多
種擴孔樁的施工方法與機具，其典型工法如:ZL98102841.1和ZL99205417.6中所涉及的擠擴支盤樁施工方法，ZL200410037804.5中所涉及的旋挖鉆鉆擴孔施工方法；為了抗震，日本早已研究和推廣應用擴孔灌注樁，并設計了多種機具和施工方法(見“旋挖鉆斗鉆擴底灌注樁”----沈保漢)。上述兩種擴孔方法，在解決擴孔灌注樁豎向鉆孔與橫向擴孔工藝難題的同時，使得多級擴孔樁得以實際推廣應用，并在應用中取得了良好的效果。上述兩種方法雖采用的機具和擴孔方式不同，其不足之處在于:
對于擴孔灌注樁的鉆擴孔，上述兩種專利方法均采用先用一臺鉆機鉆成等徑豎直孔后，再用擴孔機在鉆成孔內設定部位進行擴孔的雙鉆機兩步成孔模式，因而工序繁雜，效率較低。采用旋挖斗擴孔方法適用于大樁粗樁，其粗大的樁身和高昂的制樁成本，在我國現階段還難于普遍采用。相比而言，擠擴支盤法則多用于小直徑樁，且其擴孔成本要低得多，因此在我國有了較多應用。但是這種擴孔方法受地層中土的地質力學性能影響較大，在較硬土層中擠壓擴孔會因擠不動而使擴孔失敗；在軟土中擠壓擴孔會因產生縮徑甚至塌孔等缺陷，而降低擴孔樁應有的承載力一致性。為解決上述專利和技術中出現的問題，發明人提出過專利申請01100563.7，并在專利01100563.7中提出一種《可測控的差動式鉆擴孔兩用鉆機》，此專利方法已可解決鉆擴孔施工一體的技術問題。為簡化上述專利所述鉆擴孔兩用鉆機的結構并使其鉆擴孔施工操作易于程序化控制，申請人在專利申請01100563.7的基礎上，對鉆具結構作了進一步改進，并提出鉆擴孔兩用鉆具在程序控制下進行多級擴孔樁連續鉆擴孔的施工方法。
發明內容
本發明的目的是:提供一種鉆擴孔一體的兩用鉆具及其適宜程序控制的鉆擴孔施工方法，用于提高擴孔灌注樁的鉆擴孔效率；采用點切削的擴孔切削方式來降低擴孔切削力對孔壁土體的擾動:采用檢測與可程序控制的擴孔方式來提高擴孔質量和鉆頭對不同土層擴孔的適用性。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
一種鉆擴孔兩用鉆具，由鉆擴孔兩用鉆機及其連接在其上部的空心鉆桿、動力電纜和測控電纜和連接在其下部的鉆擴孔兩用鉆頭組成，所述鉆擴孔兩用鉆機由潛水電機與連在其下部的行星減速器和鉆機軸及輸出法蘭組成，所述鉆擴孔兩用鉆頭由鉆頭橫梁和橫梁上法蘭及固接在其下部的鉆尖組成，其特征在于:
a.在潛水電機軸、行星式減速器的太陽輪軸和鉆機軸中心開設的中心通孔內設有一根通長的控制軸，所述控制軸上端設有一電磁制動器，其下端伸入至鉆擴孔兩用鉆頭內；
b.所述鉆擴孔兩用鉆頭有一水平設置的鉆頭橫梁，所述鉆頭橫梁的中心豎直裝有一根上端與控制軸鍵連接下端為錐齒輪的鉆頭中心軸，所述鉆頭橫梁橫斷面為H型，其上翼緣中心開有縱向通孔，所述通孔中對稱設有兩根水平安裝的錐齒輪軸，所述鉆頭橫梁的腹板兩側各設有一根水平安裝且外伸段帶有齒爪刀的擴孔刀桿，兩根擴孔刀桿內各有一根與之內螺紋相嚙合的螺桿，所述鉆頭橫梁下設置有與其固定連接的鉆尖；
c.潛水電機內上端電磁制動器旁設有兩組可對潛水電機軸和控制軸的轉數進行檢測的轉數檢測器。所述電磁制動器由動磁軛與靜磁軛組成,所述動磁軛用花鍵套接在控制軸的上部，所述靜磁軛固定在潛水電機端蓋底面。所述鉆尖由鉆頭圈、鉆頭鋌桿和齒爪翼板構成。所述測控電纜包括檢測信號纜和制動控制纜，所述檢測信號纜連接轉數檢測器，所述制動控制纜連接動磁軛。所述錐齒輪軸的軸孔中線與鉆擴孔兩用鉆具的軸線正交。采用所述的鉆擴孔兩用鉆具進行多級擴孔樁施工方法，其特征在于如下步驟: 步驟一，進行樁位定位、安放護筒等鉆孔前的準備工作；
步驟二，在擴孔刀桿完全縮回鉆擴孔兩用鉆頭內及電磁制動器斷電脫開后，潛水電機啟動正向運轉，鉆擴孔兩用鉆機開始鉆孔作業，潛水電機通過行星減速器及鉆機軸將動力傳給鉆尖進行鉆孔；與此同時，檢測信號纜導通，轉數檢測器開始對潛水電機軸和控制軸進行轉數檢測；
步驟三，當鉆孔深度達到首級擴孔臺的下沿時，繼續向下鉆進不小于I倍孔徑的深度后提鉆，在擴孔刀桿上沿提升至與擴孔臺上沿平齊時，停止提鉆準備擴孔；
步驟四，擴孔時，檢測信號纜和制動控制纜同時導通:檢測信號纜的電源導通，轉數檢測器對潛水電機軸和控制軸進行轉數檢測；連接動磁軛的制動控制纜的電源導通，電磁制動器的動磁軛與靜磁軛得電吸合制動，控制軸及鉆頭中心軸被制動而轉速為零，中心軸下端錐齒輪通過驅動錐齒輪軸和螺桿轉動來推動擴孔刀桿伸出擴孔；擴孔時根據設定的擴孔形狀，采用擴孔刀桿的水平伸出切削與鉆擴孔兩用鉆頭豎直向下鉆孔切削聯動的合成運動切削方法進行擴孔，或采用鉆擴孔兩用鉆頭上的擴孔刀桿水平方向單獨步進伸出切削與擴孔刀桿隨鉆擴孔兩用鉆頭單獨步進豎直向下切削的步進順序切削方法進行擴孔作業，直至達到設定的擴孔形狀；
步驟五，擴孔完成后，電磁制動器得電使控制軸制動，擴孔刀桿在潛水電機反向運轉中縮進鉆頭橫梁內后，電磁制動器斷電脫開，潛水電機恢復正向運轉，鉆尖向下繼續鉆孔；步驟六，當鉆孔為多級擴孔時，重復步驟二、步驟三、步驟四和步驟五中的鉆擴孔作業過程，如此循環往復，直到完成整個樁孔的鉆擴孔作業；
步驟七，最后一級的擴孔作業完成后，繼續向下鉆800mm 1500mm深的收渣孔； 步驟八，換漿清孔后，將鉆擴孔兩用鉆具提出孔外，向鉆孔內下放鋼筋籠與灌灰導管； 步驟九，通過灌灰導管向成型的樁孔內灌注混凝土，最終形成多級擴孔樁。所述步驟四中的擴孔形狀為正圓錐臺、階梯狀圓錐臺或圓柱臺。與現有技術相比本發明具有以下特點和有益效果:
一、擴孔刀桿水平伸出擴孔，因其兩點支撐的受力形式使擴孔鉆頭的尺寸大為縮小以及支座受力簡單合理，使得擴孔刀桿的運動靈活可靠。擴孔時擴孔刀桿的齒爪刃對孔壁的點切削方式，因切削力對孔壁的擾動大幅減小，使得采用本鉆具進行擴孔的孔壁更加穩定。二、采用本鉆具進行鉆擴孔施工，鉆具的鉆孔或擴孔僅與電磁制動器的控制狀態有關，擴孔刀桿運動方向僅與電機轉向有關，擴孔刀桿伸縮行程與電機轉數成比例，這種確定的狀態相關性和運動相關性，使得對鉆具鉆孔或擴孔的過程監測和控制變得簡便易行。三、本發明在專利申請01100563.7的基礎上，取消了電磁離合器，通過上述改進，使得潛水電機向鉆擴孔兩用鉆頭功率分流的控制更為簡單明了，僅通過對電機轉向和制動器的控制就可實現主傳動鉆孔和主副傳動聯合擴孔的功能；利用鉆具所具有的測控功能可對不同硬度土層的擴孔過程進行監測和對擴孔切削的調節控制，使本鉆具對于不同土質中的鉆擴孔施工具有廣泛的適用性。四、由于擴孔刀桿伸縮速度的確定性，在與對鉆具豎向提引的速度控制相結合后，即可構成鉆具豎直向下鉆孔的進尺速度與擴孔刀桿水平伸縮運動速度的合成運動控制；這種對于刀桿擴孔的合成運動控制，和本鉆具擴孔切削爪刃具備伸縮運動可控的合成運動切削功能，使本鉆具可用于樁身設有任意回轉體型腔的多級擴孔樁的鉆擴孔施工。
因此，本發明可廣泛應用于擴孔灌注樁的施工。
下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。附圖1是鉆擴孔兩用鉆具結構示意 附圖2為所示鉆擴孔兩用鉆具剖視 附圖3是圖2中D處電磁制動器的局部視 附圖4是圖2中A-A剖視 附圖5是圖4中C向視 附圖6是圖4中B-B剖視 附圖7是連續鉆擴孔施工的施工流程示意 附圖8是正圓錐臺合成運動擴孔切削施工步驟 附圖9是階梯狀圓錐臺順序步進擴孔切削施工步驟 附圖10是圓柱臺順序步進擴孔切削施工步驟圖。附圖標記:1 一空心鉆桿、2 —鉆擴孔兩用鉆機、3 —鉆擴孔兩用鉆頭、4 一動力電纜、5 —靜磁軛、6 —潛水電機端蓋、7 —動磁軛、8 —潛水電機、9 一行星減速器、10 —法蘭、11 一錐齒輪軸、12 —擴孔刀桿、13 —鉆頭圈、14 一鉆頭鋌桿、15 —齒爪翼板、16 —鉆頭橫梁、17 —螺桿、18 —鉆頭中心軸、19 一鉆機軸、20 —控制軸、21 —轉數檢測器、22 —測控電纜、23 —鋼筋籠、24 —灌灰導管、25 —檢測信號纜、26 —制動控制纜。
具體實施例方式實施例參見圖1、圖2和圖3所不，一種鉆擴孔兩用鉆具，由空心鉆桿I和動力電纜4和測控電纜22與鉆擴孔兩用鉆機2、鉆擴孔兩用鉆頭3自上而下連接組成，所述鉆擴孔兩用鉆機2由潛水電機8和行星減速器9和鉆機軸19及法蘭10自上而下連接而成，所述鉆擴孔兩用鉆頭3由法蘭10、鉆頭橫梁16和下部的鉆尖自上而下固接組成，鉆機軸19與鉆擴孔兩用鉆頭3通過法蘭10連接，其特征在于:
a.在潛水電機軸、行星式減速器的太陽輪軸和鉆擴孔兩用鉆機軸中心開設的中心通孔內設有一根通長的控制軸20，所述控制軸20上端設有一電磁制動器，其下端伸入至鉆擴孔兩用鉆頭內；
b.所述鉆擴孔兩用鉆頭3上部，有一水平設置的鉆頭橫梁16，所述鉆頭橫梁16的中心豎直裝有一根下端為錐齒輪的鉆頭中心軸18，所述鉆頭橫梁16橫截面為H型，其上翼緣中心開有縱向通孔，所述通孔中有兩根水平設置的錐齒輪軸11，所述鉆頭橫梁16的腹板兩側有水平設置的兩根外伸段帶有齒爪刀的擴孔刀桿12，兩根擴孔刀桿12內各有一根與之內螺紋相嚙合的螺桿17，所述鉆頭橫梁16下設置有與其固定連接的鉆尖；
c.潛水電機8內上端電磁制動器旁設有兩組可對潛水電機軸和控制軸20的轉數進行檢測的轉數檢測器21。所述鉆尖由鉆頭圈13、鉆頭鋌桿14和齒爪翼板15構成。所述測控電纜22包括檢測信號纜25和制動控制纜26，所述檢測信號纜25連接轉數檢測器21，所述制動控制纜26連接動磁軛7。所述電磁制動器的結構參見圖3,由動磁軛7與靜磁軛5組成,所述動磁軛7用花鍵套接在控制軸20的上部，所述靜磁軛5固定在潛水電機端蓋6底面。其工作過程為:控制電流通過電刷在旋轉動磁軛7的滑環上滑動接觸導通，動磁軛7因得電與靜磁軛5吸合使控制軸20制動，利用控制軸20制動驅動錐齒輪軸11的自轉來驅動擴孔刀桿12的伸縮運動；動磁軛7失電制動器脫開，控制軸20在隨鉆頭公轉的錐齒輪軸11驅動下與鉆尖同速轉動。電磁制動器旁的兩組轉數檢測器21通過對潛水電機軸8和控制軸20鉆擴孔過程中的轉向和轉數進行檢測，以便于對擴孔刀桿12的伸縮過程進行程序控制。參照圖4，鉆頭橫梁16的通孔中對稱布置有兩根幾何尺寸相同的錐齒輪軸11，所述錐齒輪軸11的軸孔中線與鉆擴孔兩用鉆具的軸線正交；在錐齒輪軸軸孔下方兩側分別各設有一根幾何尺寸相同的擴孔刀桿12，擴孔刀桿12的軸線與錐齒輪軸11的軸線平行。參照圖5、圖6，為使鉆頭橫梁16有足夠的強度，又便于擴孔刀桿12的伸縮運動，還使鉆頭具有足夠的過流面積排除鉆渣，鉆頭橫梁16斷面采用H型結構，擴孔刀桿12臥在鉆頭橫梁腹板兩側的凹槽內，與鉆頭圈13相連的鉆頭橫梁端鐵座上一側設有一個擴孔刀桿12的伸縮通口，另一側設有螺桿17轉動的齒輪箱。所述鉆擴孔兩用鉆具的工作過程為:鉆擴孔兩用鉆機2鉆孔時，擴孔刀桿12處于完全縮回的初始狀態。此時，動力電導通并通過動力電纜4傳給潛水電機8，潛水電機8得電正向旋轉，經行星減速器9減速增矩后，行星減速器9的動力輸出通過與其鍵連接的鉆機軸19及法蘭10驅動鉆擴孔兩用鉆頭3進行鉆孔作業。此時測控電纜22中的信號電纜導通，轉數檢測器21工作，所測得的轉數信號通過測控電纜22傳到地面的控制室，用于監視鉆孔過程；同時，測控電纜22中的制動控制纜26斷電，使電磁制動器的動磁軛7與靜磁軛5處于脫開狀態，控制軸20和與其鍵連接的電磁制動器的動磁軛7及鉆頭中心軸18，受鉆頭橫梁16中停止自轉的錐齒輪軸11的軸端錐齒輪驅動，隨鉆擴孔兩用鉆頭3同速公轉。鉆擴孔兩用鉆機2擴孔時，動力電導通并通過動力電纜4傳給潛水電機8，潛水電機8得電正向運轉，此時測控電纜22中的制動控制纜26和檢測信號纜25同時得電導通:測控電纜22中的信號電纜25得電導通，轉數檢測器21工作，所測得的轉數信號通過測控電纜22傳到地面的控制箱，用于監控鉆孔過程；制動控制纜26得電導通，電磁制動器的動磁軛7與固定在電機端蓋6上的靜磁軛5得電吸合制動，控制軸20及鉆頭中心軸18因制動而轉速為零，使鉆頭橫梁16通孔中兩根錐齒輪軸11的軸端錐齒輪因與鉆頭中心軸18下端錐齒輪的嚙合產生自轉；錐齒輪軸11的轉動通過齒輪副驅動擴孔刀桿12內的螺桿17轉動，螺桿17上的外螺紋與擴孔刀桿12孔中內螺紋的嚙合傳動推動擴孔刀桿12作直線伸出運動。在上述傳動中，電磁制動器得電吸合制動時，潛水電機8的正向轉動使擴孔刀桿12伸出擴孔，潛水電機8的反向轉動拉動擴孔刀桿12縮回，當電磁制動器失電脫開時，擴孔刀桿12停止伸縮運動，此時，擴孔刀桿12伸出段的齒爪可與鉆擴孔兩用鉆頭3上鉆尖的鉆頭圈13、齒爪翼板15、鉆頭鋌桿14的爪齒一同向下鉆孔。由于鉆擴孔兩用鉆機2中行星減速器9的傳動比與鉆頭中心軸18驅動擴孔刀桿12運動的傳動比均為定值，因此擴孔刀桿12的直線伸縮運動速度為定值。采用上述鉆擴孔兩用鉆具進行多級擴孔樁連續鉆擴孔的施工方法，實施步驟參見圖7，
步驟一，進行樁位定位、安放護筒等鉆孔前的準備工作；
步驟二，將擴孔刀桿12完全縮回鉆擴孔兩用鉆頭3內時，鉆擴孔兩用鉆機2啟動開始鉆孔作業，鉆孔時，關閉與動磁軛7連接的制動控制纜26的電源，動磁軛7與靜磁軛5脫開，潛水電機8通過行星減速器9及鉆機軸19將動力傳給鉆尖進行鉆孔；
步驟三，當鉆孔深度達到首級擴孔部位的深度，繼續向下鉆進不小于I倍孔徑深度后提鉆，當提鉆至擴孔刀桿上沿與擴孔錐臺上沿平齊時，停止提鉆準備擴孔；
步驟四，擴孔時，檢測信號纜和制動控制纜同時導通:檢測信號纜的電源導通，轉數檢測器對潛水電機軸和控制軸進行轉數檢測；連接動磁軛的制動控制纜的電源導通，電磁制動器得電，動磁軛7與靜磁軛5吸合制動，控制軸20及鉆頭中心軸18的轉速為零，利用錐齒輪軸11與鉆頭中心軸18下端錐齒輪的嚙合產生的正向自轉，驅動螺桿17轉動，所述螺桿17通過與擴孔刀桿12內螺紋的嚙合傳動，推動擴孔刀桿12伸出擴孔；此時，采用擴孔刀桿12水平伸出切削可與鉆擴孔兩用鉆頭3的豎直向下鉆孔切削形成合成運動切削方法，或采用鉆擴孔兩用鉆頭上的擴孔刀桿12水平方向單獨步進伸出切削與鉆尖單獨步進豎直向下切削的步進順序切削方法進行擴孔作業，直至達到設計的擴孔形狀；
步驟五，擴孔完成后，潛水電機8得電反轉，電磁制動器得電使動磁軛7與靜磁軛5吸合制動，利用受制動的控制軸20及鉆頭中心軸18的轉速為零來驅動錐齒輪軸11反向自轉，錐齒輪軸11的自轉通過驅動齒輪副及螺桿17反向轉動來拉動擴孔刀桿12向鉆頭橫梁16內收縮，擴孔刀桿12縮回到鉆頭橫梁16內后，鉆尖向下繼續鉆孔；
步驟六，當鉆孔深度達到下一級擴孔部位的深度時，重復步驟四中的擴孔作業的過程，如此循環往復，直到完成最后一級的擴孔作業；
步驟七，最后一級的擴孔作業完成后，繼續向下鉆800mm 1500mm孔深的收洛孔；步驟八，換漿清孔后，將鉆擴孔兩用鉆具提起，并下放鋼筋籠23與灌灰導管24 ；
步驟九，通過灌灰導管24向成型的樁孔內灌注混凝土，最終形成多級擴孔樁。步驟四中所述的擴孔形狀為正圓錐臺、階梯狀圓錐臺或圓柱臺。所述正圓錐臺指側壁為光滑斜面的圓錐臺，所述階梯狀圓錐臺指側壁斜面有階梯狀變化的圓錐臺。擴孔方法的實施例一參見圖8，為形成正圓錐臺的擴孔形狀的施工流程，其擴孔過程為:在鉆擴孔兩用鉆機2擴孔時，首先確定擴孔圓錐臺半錐角余切值，并根據機械傳動比的計算原理，通過擴孔刀桿伸出擴孔行程確定對應的電機轉數^ ;按照相似原理，當擴孔刀桿12以確定速度橫向伸出擴孔切削時，提引空心鉆桿I和鉆擴孔兩用鉆機2的卷揚機的鋼絲繩以擴孔刀桿12伸出速度與錐臺半錐角余切值乘積的倍率速度同步下放，使擴孔刀桿12在伸出擴孔的同時與鉆尖以相同的速度同步向下鉆孔，在轉速檢測器21測得電機轉數為~圈時，電磁制動器脫開，擴孔刀桿停止伸出，擴孔結束；鉆擴孔兩用鉆機2按此合成運動方法進行擴孔切削，形成的擴孔型腔即為設定的擴孔圓錐臺型腔，其錐度即為設定錐臺型腔的錐度；如需加強混凝土錐臺強度，可繼續下鉆Λ h深，當鉆頭鉆達Λ h后，擴孔完成。擴孔完成后，潛水電機8反向轉動，電磁制動器得電吸合制動，驅動刀桿縮回；當轉速檢測器21測得潛水電機8反向轉數 為一圈時，擴孔刀桿12完成縮回行程，此時電磁制動器失電脫開，擴孔結束，鉆擴孔兩用鉆機2繼續向下鉆孔。擴孔方法的實施例二參見圖9，為降低鉆機擴孔時的功率消耗，擴孔形式采用階梯狀圓錐臺，根據擴孔型腔設定的錐臺尺寸，可按圖示分層切削的順序步進方法進行擴孔作業。在分層時，分層的層數η應為整數，每層擴孔的層高Λ h應不大于擴孔刀桿12的高度，并使Λ h與每層擴孔刀桿12伸出長度Λ r的比值與錐臺半錐角的余切相等。上述擴孔參數Λ r和Λ h確定后,可據此確定擴孔刀桿12伸出Λ r對應的潛水電機8轉數Δ nr和擴孔刀桿12伸出擴孔的行程的步數η。分層擴孔時，鉆擴孔兩用鉆機2停止豎直向下鉆孔，電磁制動器的動磁軛7與靜磁軛5吸合制動，擴孔刀桿12伸出Λ r擴孔；當轉速檢測器21測得潛水電機8轉過Δ nr圈時，電磁制動器立即失電脫開，擴孔刀桿12停止伸出，并與鉆頭3一同向下鉆孔；當鉆至Λ h時鉆擴孔兩用鉆機2停止向下運動，電磁制動器制動，擴孔刀桿
12再次伸出Δ r擴孔........如此循環往復，直至擴孔刀桿橫向伸出行程為η Δ r和豎直向
下擴孔行程為η Δ h時，階梯狀圓錐臺的擴孔完成，此時電磁制動器失電脫開，擴孔刀桿12停止橫向運動。如需加強混凝土錐臺強度，可繼續下鉆Λ h深，當鉆頭鉆達Λ h后，擴孔完成。擴孔完成后，潛水電機8反向轉動，電磁制動器得電制動并驅動擴孔刀桿12縮回；當轉速檢測器21測得潛水電機8反向轉數為一 η Λ I圈時，擴孔刀桿12完成縮回行程，此時電磁制動器失電脫開，擴孔結束，鉆擴孔兩用鉆機2繼續向下鉆孔。擴孔方法實施例三參照圖10，為降低混凝土消耗，在土質較好且不易塌孔地層擴孔時，可采用圓柱臺型順序步進方法擴孔。擴孔前首先根據擴孔刀桿的伸縮行程Λ r確定對應的電機轉數&和擴孔刀桿12下鉆行程Δ h。當鉆機鉆至擴孔深度后提鉆Λ h并停止向下鉆進；此時電磁制動器得電制動，擴孔刀桿12開始橫向伸出擴孔；當轉速檢測器21測得電機的擴孔轉數達到K時，電磁制動器失電脫開，擴孔刀桿12停止伸出，并且隨鉆尖向下鉆孔，鉆至設定擴孔深度Λ h后，電磁制動器得電制動，電機反轉驅動擴孔刀桿12縮回；當電機反轉的轉數達到一 K時，擴孔刀桿12完成縮回行程，此時電磁制動器失電脫開，擴孔結束，鉆擴孔兩用鉆機2可繼續向下鉆孔。
權利要求
1.一種鉆擴孔兩用鉆具，由空心鉆桿(I)、動力電纜(4)、測控電纜(22)、鉆擴孔兩用鉆機(2)和鉆擴孔兩用鉆頭(3)自上而下連接組成，所述鉆擴孔兩用鉆機(2)由潛水電機(8)、行星減速器(9)、鉆機軸(19)及法蘭(10)自上而下連接而成，所述鉆擴孔兩用鉆頭(3)由法蘭(10)、鉆頭橫梁(16)和下部的鉆尖自上而下固接組成，鉆機軸(19)與鉆擴孔兩用鉆頭(3)通過法蘭(10)連接，其特征在于: a.在潛水電機軸、行星式減速器(9)的太陽輪軸和鉆機軸(19)中心開設的中心通孔內設有一根通長的控制軸(20)，所述控制軸(20)上端設有一電磁制動器，其下端伸入至鉆擴孔兩用鉆頭內； b.所述鉆擴孔兩用鉆頭(3)有一水平設置的鉆頭橫梁(16)，所述鉆頭橫梁(16)的中心豎直裝有一根上端與控制軸(20)鍵連接且下端為錐齒輪的鉆頭中心軸(18)，所述鉆頭橫梁(16)的橫斷面為H型，其上翼緣中心開有縱向通孔，所述通孔中對稱設有兩根水平安裝的錐齒輪軸(11)，所述鉆頭橫梁(16) 的腹板兩側各設有一根水平安裝且外伸段帶有齒爪刀的擴孔刀桿(12)，兩根擴孔刀桿(12)內各有一根與之內螺紋相嚙合的螺桿(17)，所述鉆頭橫梁(16)下設置有與其固定連接的鉆尖； c.潛水電機(8)內部上端電磁制動器旁設有兩組可對潛水電機軸和控制軸(20)的轉數進行檢測的轉數檢測器(21)。
2.根據權利要求1所述的鉆擴孔兩用鉆具，其特征在于:所述電磁制動器由動磁軛(7)與靜磁軛(5 )組成，所述動磁軛(7 )用花鍵套接在控制軸(20 )的上部，所述靜磁軛(5 )固定在潛水電機端蓋(6)底面。
3.根據權利要求1所述的鉆擴孔兩用鉆具，其特征在于:所述測控電纜(22)包括檢測信號纜(25 )和制動控制纜(26 )，所述檢測信號纜(25 )連接轉數檢測器(21)，所述制動控制纜(26)連接動磁軛(7)。
4.采用權利要求1至3任意一項所述的鉆擴孔兩用鉆具進行多級擴孔樁連續鉆擴孔的施工方法，其特征在于如下步驟: 步驟一，進行樁位定位、安放護筒等鉆孔前的準備工作； 步驟二，在擴孔刀桿(12)完全縮回鉆擴孔兩用鉆頭(3)內、及電磁制動器斷電脫開后，潛水電機(8)啟動正向運轉，鉆擴孔兩用鉆機(2)開始鉆孔作業，潛水電機(8)通過行星減速器(9)及鉆機軸(19)將動力傳給鉆尖進行鉆孔；與此同時，檢測信號纜(25)導通，轉數檢測器(21)開始對潛水電機(8)軸和控制軸(20)進行轉數檢測； 步驟三，當鉆孔深度達到首級擴孔臺的下沿時，繼續向下鉆進不小于I倍孔徑的深度后提鉆，當擴孔刀桿上沿與擴孔臺上沿平齊時，停止提鉆準備擴孔； 步驟四，擴孔時，檢測信號纜(25)和制動控制纜(26)同時導通:檢測信號纜(25)的電源導通，轉數檢測器(21)對潛水電機軸和控制軸(20)進行轉數檢測；制動控制纜(26)的電源導通，電磁制動器的動磁軛(7)與靜磁軛(5)得電吸合制動，控制軸(20)及鉆頭中心軸(18)制動轉速為零，中心軸(18)下端錐齒輪通過驅動錐齒輪軸(11)和螺桿(17)轉動來推動擴孔刀桿(12)伸出擴孔；擴孔時根據設定的擴孔形狀，采用擴孔刀桿(12)的水平伸出切削與鉆擴孔兩用鉆頭(3)豎直向下鉆孔切削聯動的合成運動切削方法進行擴孔，或采用鉆擴孔兩用鉆頭(3)上的擴孔刀桿(12)水平方向單獨步進伸出切削與擴孔刀桿(12)隨鉆擴孔兩用鉆頭(3)單獨步進豎直向下切削的步進順序切削方法進行擴孔作業，直至達到設定的擴孔形狀； 步驟五，擴孔完成后，電磁制動器得電使控制軸(20)制動，擴孔刀桿(12)在潛水電機(8)反向運轉中縮進鉆頭橫梁(16)內后，電磁制動器斷電脫開，潛水電機(8)恢復正轉運轉，鉆尖向下繼續鉆孔； 步驟六，當鉆孔為多級擴孔時，重復步驟二、步驟三、步驟四和步驟五中的鉆擴孔作業過程，如此循環往復，直到完成整個樁孔的鉆擴孔作業； 步驟七，最后一級的擴孔作業完成后，繼續向下鉆800mm 1500mm孔深的收洛孔； 步驟八，換漿清孔后，將鉆擴孔兩用鉆具提起，并下放鋼筋籠(23)與灌灰導管(24)； 步驟九，通過灌灰導管(24)向成型的樁孔內灌注混凝土，最終形成多級擴孔樁。
5.根據權利要求4所述的多級擴孔樁連續鉆擴孔施工方法，其特征在于:所述步驟四中的擴孔形狀為正圓錐臺、 階梯狀圓錐臺或圓柱臺。
全文摘要
一種鉆擴孔兩用鉆具及施工方法在潛水鉆機內部，通過制動器對控制軸的轉動控制，使鉆機向鉆頭的功率傳輸可產生分流主傳動用來驅動鉆頭鉆孔，副傳動用來驅動擴孔刀桿伸縮擴孔；鉆具鉆孔時，通過使鉆機的控制軸處于非制動狀態，即可進行常規鉆孔；鉆具擴孔時，通過使鉆機控制軸處于制動狀態即可進行擴孔；對電機軸與控制軸的轉數檢測和對電機軸與控制軸轉動狀態及對豎向鉆進速度的聯動控制，還可使擴孔刀桿的橫向伸出擴孔與豎向鉆孔按程序控制的合成擴孔切削運動方式進行擴孔，因此本鉆機可用于軟土地基中含有設定回轉體擴孔型腔的多級擴孔樁的連續鉆擴孔施工。
文檔編號E21B10/32GK103114805SQ20131008676
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月19日 優先權日2013年3月19日
發明者楊旭, 閻里鵬, 楊政 申請人:天津開發區三友新科技開發有限公司