CN111608587A - 限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工系统及施工方法，属于灌注桩施工技术领域，其中，施工系统包括用于在限高区和硬岩土层的环境中施工的全套管回转钻机和改进型钻机，硬岩土层包括上层土层和下层岩层，全套管回转钻机驱动套管组件于上层土层处成孔，改进型钻机驱动潜孔锤于下层岩层处成孔；改进型钻机的高度低于限高区的高度，且其通过钻杆组件连接潜孔锤，钻杆组件由若干首尾接长的短钻杆构成，断开任意短钻杆的顶端并加接新的短钻杆以加长钻杆组件的长度；解决了现有技术采用旋挖机所带来的效率较低且旋挖钻头极易损坏的问题。

Description

限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工系统及施工方法

技术领域

本发明涉及灌注桩施工技术领域，尤其涉及限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工系统及施工方法。

背景技术

目前，针对硬岩地层的灌注桩施工作业，一般采用冲击成孔、回转钻进等传统施工工艺，针对限高区的灌注桩施工作业，一般采用降低旋挖机高度的方式对旋挖机进行改装。

虽然上述施工方法能够满足限高区的施工作业高度要求，但由于旋挖机本身功率和扭矩较小，在硬岩层钻进时效率较低，并且面对硬岩时旋挖钻头极易损坏，因此亟待一种能够针对限高区和硬岩层进行钻进施工的系统和方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于克服限高区环境条件下硬岩灌注桩钻进困难，提供一种新的硬岩钻进成孔施工技术，旨在解决现有技术中施工可行性低、工效低、成本高的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工系统，包括用于在限高区和硬岩土层的环境中施工的全套管回转钻机和改进型钻机，所述硬岩土层包括上层土层和下层岩层，所述全套管回转钻机驱动套管组件于所述上层土层处成孔，所述改进型钻机驱动潜孔锤于所述下层岩层处成孔；所述改进型钻机的高度低于限高区的高度，且其通过钻杆组件连接潜孔锤，所述钻杆组件由若干首尾接长的短钻杆构成，断开任意短钻杆的顶端并加接新的短钻杆以加长钻杆组件的长度。

通过采用上述技术方案，将普通的多功能钻机改装成高度低于限高区高度的改进型钻机，而全套管回转钻机高度在2-3米左右，使得全套管回转钻机和改进型钻机均可在限高区下进行成孔工作，并且在对下层岩层进行破岩工作时，通过钻杆组件将潜孔锤逐步地放至孔内，由于限高区的限制，初始的钻杆组件的高度肯定是不足以将潜孔锤置于孔底的，此时断开任意短钻杆的顶端并加接新的短钻杆以加长钻杆组件的长度，下方一个短钻杆的长度后，再次进行钻杆组件加长工作，如此循环以将潜孔锤置于孔底进行破岩工作；

本发明采用逐步加长钻杆组件的方式，逐步地将潜孔锤送至孔底进行破岩工作，代替现有的旋挖机，解决了采用旋挖机进行破岩工作而导致的效率低、旋挖钻头极易损坏的问题。

作为优选，所述短钻杆的一端为六方母接头，另一端为六方子接头，所述六方母接头与六方子接头之间通过固定插销连接，所述六方母接头的插孔的孔壁厚度不小于5mm。

通过采用上述技术方案，可以让一个短钻杆的六方母接头与另一个短钻杆的六方子接头连接，从而实现首尾接长构成整个钻杆组件，钻杆组件最上方的短钻杆的六方子接头与改进型钻机的动力头连接，钻杆组件最下方的短钻杆的六方母接头与潜孔锤连接；

此外，六方母接头的插孔的孔壁厚度不小于5mm，可以保证子母套接接头具有足够的刚度，有效地传递钻进扭矩。

作为优选，所述短钻杆的长度为2-6m，所述套管组件由若干节套管首尾相接构成，每一节所述套管的长度为1m、2m或3m。

通过采用上述技术方案，短钻杆和单节套管的长度根据限高区的高度选取，例如当限高区的高度为5m时，可采用2m、3m的短钻杆，可采用长度为1m、2m、3m的套管。

作为优选，所述孔的孔口处设有防尘收集箱，所述防尘收集箱包括沿孔四周围合形成的箱体，所述箱体的设有抵压于潜孔锤或钻杆组件的橡胶防尘圈，所述箱体顶部连通水管并向上层箱体内部喷水。

通过采用上述技术方案，潜孔锤钻进过程中，将下层岩层破碎为碎屑，并通过空压机产生的高压气体吹至孔口，当碎屑吹至孔口时，受到橡胶防尘圈的阻隔，气流流向箱体内，上返气流中携带的粉尘遇水雾沉积存留在箱体内，有效减少了飞尘污染。

一种限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工方法，包括以下步骤：

S1、准备改进型吊车、全套管回转钻机和改进型钻机；

S2、将全套管回转钻机移动至预设位置，并利用改进型吊车将带有高强度合金刀头第一节套管吊至全套管回转钻机，全套管回转钻机驱动第一节套管于上层土层处成孔；

S3、待全套管回转钻机将上一节套管驱动以旋入孔后，利用改进型吊车将下一节套管吊至全套管回转钻机，并将下一节套管的底部与上一节套管的顶部固接；

S4、重复步骤S3至套管组件于上层土层处完全成孔；

S5、将改进型钻机移动至预设位置，并利用钻杆组件将潜孔锤安装至改进型钻机；

S6、将潜孔锤深入孔底，对下层岩层破岩钻进至设计深度，在钻杆组件长度不足时，断开任意短钻杆的顶端并加接新的短钻杆以加长钻杆组件的长度。

作为优选，在S1步骤中，拆卸吊车的部分桅杆使吊车的高度低于限高区的高度以形成改进型吊车，拆卸多功能钻机的部分桅杆使钻机的高度低于限高区的高度以形成改进型钻机。

作为优选，在全套管回转钻机成孔过程中，采用边回转边冲抓取土的方式进行取土，套管需超前钻进至少0.5m以上。

作为优选，在S3步骤中，每一节所述套管的长度为1m、2m或3m；在S5步骤中，所述钻杆组件由若干首尾接长的短钻杆构成，每一节短钻杆的长度为2-6m。

作为优选，在S6步骤中，所述加长钻杆组件的长度的具体步骤如下：选取一个短钻杆记为前序钻杆，利用U型卡块将前序钻杆顶端的接头卡于孔口处，断开前序钻杆与改进型钻机的动力头或上方的短钻杆之间的连接，抬高改进型钻机的动力头，取新的短钻杆作为后序钻杆，后序钻杆的底端连接前序钻杆，其顶端连接改进型钻机的动力头或所述上方的短钻杆。

作为优选，所述短钻杆的一端为六方母接头，另一端为六方子接头，所述六方母接头与六方子接头之间通过固定插销连接，所述六方母接头的插孔的孔壁厚度不小于5mm。

本发明的有益效果是：

1、适应能力强

本发明实施组合工序，适用于同时具备限高区和硬岩土层的特殊施工环境，全套管回转钻机采用逐个相接的套管组成的套管组件以实现上层土层的旋挖工作，改进型钻机采用可加长的钻杆组件以将潜孔锤置入孔内进行下层岩层的破岩工作；

2、硬岩钻进效率高

本发明采用可加长的钻杆组件配合潜孔锤，使其在能够满足限高区高度限制的同时，解决现有采用旋挖钻机所导致的钻进效率低、旋挖钻头极易损坏的问题；

3、成孔质量好

本发明采用“全套管回转钻机+低净空潜孔锤”组合钻进工法相结合，上层土层采用套管组件护壁，有效地提高了施工过程中孔壁的稳定性，孔底沉渣少、成孔质量高，桩身观感质量好，施工时对沉降及变形的控制相对容易；

4、施工环境无飞尘或轻微飞尘

本发明在孔口处设置防尘收集箱，在潜孔锤破岩过程中，将上返气流中携带的粉尘通过水雾沉积在箱体内，有效减少了飞尘污染。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明中将吊车改装成改进型吊车的步骤示意图；

图2为本发明中改进型钻机的结构示意图；

图3为本发明中对套管组件进行接长的示意图；

图4为本发明中对钻杆组件进行接长的示意图；

图5为本发明中子母六方接头的结构示意图；

图6为钻进施工系统中防尘收集箱的结构示意图；

图7为钻进施工方法的流程示意图；

图8为钻进施工方法的施工示意图。

图中各附图标记说明如下：

1、改进型吊车；

2、改进型钻机；201、动力头；

3、套管组件；301、套管；302、螺杆；

4、钻杆组件；401、短钻杆；402、前序钻杆；403、后序钻杆；404、U型卡块；405、六方子接头；406、六方母接头；

5、潜孔锤；

6、防尘收集箱；601、箱体；602、橡胶防尘圈。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

一种限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工系统，包括用于在限高区和硬岩土层的环境中施工的改进型吊车1、全套管回转钻机和改进型钻机2，改进型吊车1用于在限高区内将套管301吊至全套管回转钻机，硬岩土层包括上层土层和下层岩层。

如图1所示，拆卸普通吊车的部分桅杆使吊车的高度低于限高区的高度以形成改进型吊车1。

如图2所示，拆卸多功能钻机的部分桅杆使多功能钻机的高度低于限高区的高度以形成改进型钻机2，多功能钻机原桅杆高度为28m，改装后的改进型钻机2的高度为8m，改进型钻机2其余结构与原来的多功能钻机保持不变，主要由底盘、桅杆、随动架、动力头201、转杆及固定架组成。

如图3所示，全套管回转钻机驱动套管组件3于上层土层处成孔，套管组件3是由若干套管301首尾相接所构成，前一套管301由全套管回转钻机旋入孔内后即取新的套管301并安装至前一套管301顶端以加长套管组件3的整体长度，套筒与套筒之间通过开螺孔并在螺孔中贯穿螺杆302实现首尾连接。

改进型钻机2通过钻杆组件4连接潜孔锤5，并驱动潜孔锤5于下层岩层处成孔，改进型钻机2的高度低于限高区的高度，其中，钻杆组件4由若干首尾接长的短钻杆401构成，断开任意短钻杆401的顶端并加接新的短钻杆401以加长钻杆组件4的长度。

加长钻杆组件4的长度的具体步骤如下：选取一个短钻杆401记为前序钻杆402，利用U型卡块404将前序钻杆402顶端的接头卡于孔口处，断开前序钻杆402与改进型钻机2的动力头201或上方的短钻杆401之间的连接，抬高改进型钻机2的动力头201，取新的短钻杆401作为后序钻杆403，后序钻杆403的底端连接前序钻杆402，其顶端连接改进型钻机2的动力头201或所述上方的短钻杆401。

解决技术问题的具体工作原理：将普通的多功能钻机改装成高度低于限高区高度的改进型钻机2，且全套管回转钻机高度在2-3米左右，使得全套管回转钻机和改进型钻机2均可在限高区下进行成孔工作；改进型钻机2在对下层岩层进行破岩工作时，通过钻杆组件4将潜孔锤5逐步地放至孔内，由于限高区的限制，初始的钻杆组件4的高度肯定是不足以将潜孔锤5置于孔底的，此时断开任意短钻杆401的顶端并加接新的短钻杆401以加长钻杆组件4的长度，下放潜孔锤至一个短钻杆401的深度后，再次进行钻杆组件4加长工作，如此循环以将潜孔锤5置于孔底进行破岩工作。

本发明采用逐步加长钻杆组件4的方式，逐步地将潜孔锤5送至孔底进行破岩工作，代替现有的旋挖机，解决了采用旋挖机进行破岩工作而导致的效率低、旋挖钻头极易损坏的问题。

为了实现短钻杆401与短钻杆401之间或者短钻杆401与改进型钻机2的动力头201之间可分离的连接关系，本发明进一步限定短钻杆401如下。

短钻杆401的一端为六方母接头406，另一端为六方子接头405，六方母接头406与六方子接头405之间通过固定插销连接。

可以让一个短钻杆401的六方母接头406与另一个短钻杆401的六方子接头405连接，从而实现首尾接长构成整个钻杆组件4，钻杆组件4最上方的短钻杆401的六方子接头405与改进型钻机2的动力头201连接，钻杆组件4最下方的短钻杆401的六方母接头406与潜孔锤5连接。

并且，六方母接头406的插孔的孔壁厚度不小于5mm；可以保证子母套接接头具有足够的刚度，有效地传递钻进扭矩。

短钻杆401的长度为2-6m，套管组件3由若干节套管301首尾相接构成，每一节套管301的长度为1m、2m或3m；短钻杆401和单节套管301的长度根据限高区的高度选取，例如当限高区的高度为5m时，可采用2m、3m的短钻杆401，可采用长度为1m、2m、3m的套管301。

潜孔锤5在进行破岩工作时，会向孔底内放入连接空压机的风管，将孔底的岩栎吹出，使施工环境的飞尘过多。

如图6所示，为解决该问题，本发明在孔的孔口处设有防尘收集箱6，防尘收集箱6包括沿孔四周围合形成的箱体601，箱体601的设有抵压于潜孔锤5或钻杆组件4的橡胶防尘圈602，箱体601顶部连通水管并向箱体601内部喷水。

潜孔锤5钻进过程中，将下层岩层破碎为碎屑，并通过空压机产生的高压气体吹至孔口，当碎屑吹至孔口时，受到橡胶防尘圈602的阻隔，气流流向箱体601内，上返气流中携带的粉尘遇水雾沉积存留在箱体601内，有效减少了飞尘污染。

在图6中，箱体601分为上层箱和下层箱，上层箱和下层箱连接处采用可以滤水的滤网，将上层箱多余的水流入下层箱并排出。

此外，本发明还提供一种与上述施工系统对应的施工方法如下。

一种限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工方法，如图7和图8所示，包括以下步骤：

S1、准备改进型吊车1、全套管回转钻机和改进型钻机2；

改进型吊车1与改进型钻机2的改装方式为：拆卸吊车的部分桅杆使吊车的高度低于限高区的高度以形成改进型吊车1，拆卸多功能钻机的部分桅杆使钻机的高度低于限高区的高度以形成改进型钻机2。

S2、将全套管回转钻机移动至预设位置，并利用改进型吊车1将带有高强度合金刀头第一节套管301吊至全套管回转钻机，全套管回转钻机驱动第一节套管301于上层土层处成孔；

S2步骤具体为：采用改进型吊车1吊起第一节套管301，进行第一节套管301的安装；第一节套管301带有高强度合金刀头，第一节套管301的施工效果是影响桩基垂直度的主要因素，因此需保证其尽量地垂直，下压过程中从X及Y两个轴线方向，利用测锤配合经纬仪(全站仪)检测套管301垂直度，如若出现偏斜现象，可调整全回转钻机的支腿油缸来确保套管301垂直(调整后必须用经纬仪进行检测)。

S3、待全套管回转钻机将上一节套管301驱动以旋入孔后，利用改进型吊车1将下一节套管301吊至全套管回转钻机，并将下一节套管301的底部与上一节套管301的顶部固接。

在S3步骤中，每一节套管301的长度为1m、2m或3m。

当全套管回转钻机钻进至快要钻到下层岩层时，应当合理安装适当长度的套管301，避免套管301到达下层岩层时，套管组件3长度不够或露出太多导致后序工作不便施工。例如在全套管回转钻机钻进至套管组件3下端与下层岩层距离10m，可以选择3根3m套管301和1根1m套管301进行之后的钻进工作。

在S2和S3步骤，全套管回转钻机成孔过程中，采用边回转边冲抓取土的方式进行取土，套管301需超前钻进至少0.5m以上。

S4、重复步骤S3至套管组件3于上层土层处完全成孔。

至此，上层土层已经由全套管回转钻机完全成孔，并在孔壁处安装了套管组件3，之后的操作将对下层岩层进行破岩成孔工作。

S5、将改进型钻机2移动至预设位置，并利用钻杆组件4将潜孔锤5安装至改进型钻机2。

在S5步骤中，钻杆组件4由若干首尾接长的短钻杆401构成，每一节短钻杆401的长度为2-6m，短钻杆401的一端为六方母接头406，另一端为六方子接头405，六方母接头406与六方子接头405之间通过固定插销连接，六方母接头406的插孔的孔壁厚度不小于5mm。

S6、将潜孔锤5深入孔底，对下层岩层破岩钻进至设计深度，在钻杆组件4长度不足时，断开任意短钻杆401的顶端并加接新的短钻杆401以加长钻杆组件4的长度；

在S6步骤中，加长钻杆组件4的长度的具体步骤如下：选取一个短钻杆401记为前序钻杆402，利用U型卡块404将前序钻杆402顶端的接头卡于孔口处，断开前序钻杆402与改进型钻机2的动力头201或上方的短钻杆401之间的连接，抬高改进型钻机2的动力头201，取新的短钻杆401作为后序钻杆403，后序钻杆403的底端连接前序钻杆402，其顶端连接改进型钻机2的动力头201或所述上方的短钻杆401。

在下层岩层成孔至设计深度后，抬起改进型钻机2的动力头201至限高区顶部，然后利用U型卡块404卡住靠近孔口处的短钻杆401的顶端，拆除该短钻杆401与动力头201之间的短钻杆401，并将动力头201下端与孔口处短钻杆401的顶端相连接，再抬起改进型钻机2的动力头201至限高区顶部，重复操作，将潜孔锤5从孔内移出。

在上层土层和下层岩层均已成孔后，限高区硬岩钻进施工工序完成，之后进行安装钢筋笼、灌注导管等工序，包括如下：

S7、安放钢筋笼、灌注导管

1、根据现场实际情况采用分段吊装入孔的施工方法，在孔口通过套筒连接实现各段钢筋笼的连接；

2、钢筋笼连接完成后，吊装时对准孔位，吊直扶稳，缓慢下放到位；

3、混凝土灌注导管选择直径300mm导管，安放导管前对每节导管进行检查，第一次使用时需做密封水压试验；导管连接部位加密封圈及涂抹黄油，确保密封可靠，导管底部离孔底300～500mm；导管下入时，调接搭配好导管长度。

S8、灌注混凝土和拔出套管301

1、钢筋笼、灌注导管安放完成后，进行孔底沉渣测量，如满足要求则进行水下混凝土灌注；如孔底沉渣厚度超标，则采用气举反循环二次清孔；

2.桩身混凝土采用C35水下商品混凝土，坍落度180～220mm，本项目采用料斗灌注法进行混凝土灌注，初始灌注为确保混凝土能封堵孔底，一次性灌注2～3m3混凝土。；

3.本项目采用震动夹拔出套管301；混凝土灌注过程中,要经常根据灌注高度起拔套管301及导管，既防止套管301及导管凝固在混凝土中，严格控制防止套管301及导管起拔过快露出混凝土面，造成断桩风险，保持套管301及导管底口低于混凝土面2～4m，最大不能大于6m；

4.灌注砼过程中，不时上下提动料斗和导管，以便管内混凝土能顺利下入孔内，直至灌注砼至设计桩顶标高位置超灌0.8m～1.0m。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工系统，其特征在于，包括用于在限高区和硬岩土层的环境中施工的全套管回转钻机和改进型钻机，所述硬岩土层包括上层土层和下层岩层，所述全套管回转钻机驱动套管组件于所述上层土层处成孔，所述改进型钻机驱动潜孔锤于所述下层岩层处成孔；

所述改进型钻机的高度低于限高区的高度，且其通过钻杆组件连接潜孔锤，所述钻杆组件由若干首尾接长的短钻杆构成，断开任意短钻杆的顶端并加接新的短钻杆以加长钻杆组件的长度。

2.根据权利要求1所述的限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工系统，其特征在于，所述短钻杆的一端为六方母接头，另一端为六方子接头，所述六方母接头与六方子接头之间通过固定插销连接，所述六方母接头的插孔的孔壁厚度不小于5mm。

3.根据权利要求1所述的限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工系统，其特征在于，所述短钻杆的长度为2-6m，所述套管组件由若干节套管首尾相接构成，每一节所述套管的长度为1m、2m或3m。

4.根据权利要求1所述的限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工系统，其特征在于，所述孔的孔口处设有防尘收集箱，所述防尘收集箱包括沿孔四周围合形成的箱体，所述箱体的设有抵压于潜孔锤或钻杆组件的橡胶防尘圈，所述箱体顶部连通水管并向上层箱体内部喷水。

5.一种限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、准备改进型吊车、全套管回转钻机和改进型钻机；

S2、将全套管回转钻机移动至预设位置，并利用改进型吊车将带有高强度合金刀头第一节套管吊至全套管回转钻机，全套管回转钻机驱动第一节套管于上层土层处成孔；

S3、待全套管回转钻机将上一节套管驱动以旋入孔后，利用改进型吊车将下一节套管吊至全套管回转钻机，并将下一节套管的底部与上一节套管的顶部固接；

S4、重复步骤S3至套管组件于上层土层处完全成孔；

S5、将改进型钻机移动至预设位置，并利用钻杆组件将潜孔锤安装至改进型钻机；

S6、将潜孔锤深入孔底，对下层岩层破岩钻进至设计深度，在钻杆组件长度不足时，断开任意短钻杆的顶端并加接新的短钻杆以加长钻杆组件的长度。

6.根据权利要求5所述的限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工方法，其特征在于，在S1步骤中，拆卸吊车的部分桅杆使吊车的高度低于限高区的高度以形成改进型吊车，拆卸多功能钻机的部分桅杆使钻机的高度低于限高区的高度以形成改进型钻机。

7.根据权利要求5所述的限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工方法，其特征在于，在全套管回转钻机成孔过程中，采用边回转边冲抓取土的方式进行取土，套管需超前钻进至少0.5m以上。

8.根据权利要求5所述的限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工方法，其特征在于，在S3步骤中，每一节所述套管的长度为1m、2m或3m；在S5步骤中，所述钻杆组件由若干首尾接长的短钻杆构成，每一节短钻杆的长度为2-6m。

9.根据权利要求5所述的限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工方法，其特征在于，在S6步骤中，所述加长钻杆组件的长度的具体步骤如下：选取一个短钻杆记为前序钻杆，利用U型卡块将前序钻杆顶端的接头卡于孔口处，断开前序钻杆与改进型钻机的动力头或上方的短钻杆之间的连接，抬高改进型钻机的动力头，取新的短钻杆作为后序钻杆，后序钻杆的底端连接前序钻杆，其顶端连接改进型钻机的动力头或所述上方的短钻杆。

10.根据权利要求5所述的限高区基坑咬合桩硬岩钻进施工方法，其特征在于，所述短钻杆的一端为六方母接头，另一端为六方子接头，所述六方母接头与六方子接头之间通过固定插销连接，所述六方母接头的插孔的孔壁厚度不小于5mm。

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