一种双动力高速搅拌钻机及其施工方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，尤其是一种双动力高速搅拌钻机，以及利用双动力高速搅拌钻机施工的方法。

背景技术

随着城市建设的快速发展，土地资源越来越紧张，充分开发和利用地下空间，是城市建设发展的必然趋势。城市地下空间正在朝着更大深度、更大规模的方向发展，大规模的投资与规划引起地下工程建设将面临更多的挑战和难题。目前，桩工机械广泛应用在市政建设、地铁建设、成熟建筑物的维护、水利、机场建设等重点工程建设中，市场需求量很大，同时也对桩工机械的节能环保及高效的性能提出了更高的要求。

搅拌钻机具有装机功率大、输出扭矩大、成孔质量好、操作灵活方便、施工效率高、环境污染小等特点，配合不同钻具，适应大部分地区的地质条件，已成为适合建筑基础工程中钻孔灌注桩施工的主要施工机械。但是，由于搅拌钻机的使用范围不断的扩大，不同施工工况或工法下使用，其对负载的要求也不相同，现有的搅拌钻机仅具有单一的钻进模式，已经无法满足当前多地质工况钻进的要求。此外，桅杆的重量和结构形式严重制约了钻机塔架的高度，迫使深大基坑施工过程中采用加接钻杆的工艺，严重降低了施工效率。

发明内容

为了协调搅拌钻机钻进和搅拌的施工过程，提高了施工的稳定性和安全性，本发明提供了一种双动力高速搅拌钻机及其施工方法，克服了现有技术的不足。通过双动力结构组合，将扭矩输送设备和推进设备分开，两者互不影响，方便施工，另外回转动力装置具有较宽的速度调节范围和较大的扭矩输出；通过设置回转驱动组件，可以实现同时限定轴向和径向的自由度，并同时提供轴向和径向的承载能力，可以对回转盘起到辅助支撑的作用，使得回转盘的轴心更加稳定；轻型桩架通过采用桁架式构件降低了桅杆的重量，减少了风荷载对施工的影响，方便拆卸和运输；通过采用钢管作为第一节桅杆，增大了桅杆的强度，将桅杆的重心下移，提高设备的稳定性和安全性。

一种双动力高速搅拌钻机，包括底盘、钻机前端、钻机后台、动力系统和控制平台，钻机后台和控制平台布置在底盘上，动力系统和钻机前端相连，钻机前端配置在底盘上；钻机后台包括固化剂搅拌系统和高压气供给系统；动力系统为底盘、钻机前端提供动力；其特征在于，所述钻机前端包括承力桩架、轻型桩架、驱动压盘、回转驱动组件、驱动钻杆、驱动压盘链条、回转驱动链条；所述驱动压盘包括驱动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、第三从动齿轮和第四从动齿轮，主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、第一被动齿轮和驱动齿轮相互配合并配置在承力桩架的下端，第二被动齿轮和第三被动齿轮配置在承力桩架的上端，第三从动齿轮和第四从动齿轮配置在轻型桩架的上端；所述轻型桩架包括桩架主体和桩架滑轮，桩架主体的下端和承力桩架相连接，桩架主体上配置有多个桩架滑轮；所述承力桩架包括承力桩架主体和滑轨，滑轨沿承力桩架的主体配置；所述驱动压盘包括压盘基座、端部凸起和驱动压盘主体，压盘基座上设置压盘卡槽，压盘卡槽和轻型桩架上的滑轨配合；所述驱动压盘链条分别连接压盘基座和端部凸起；所述回转驱动组件包括回转主体、回转驱动卡槽、回转驱动旋转仓和锁止装置，回转驱动卡槽和承力桩架上的滑轨相配合，回转驱动旋转仓配置在回转主体上，锁止装置固定回转驱动组件和承力桩架的相对位置；所述回转驱动链条分离连接回转主体的上端面和下端面；所述驱动钻杆和驱动压盘之间通过法兰连接；所述驱动钻杆与外接钻杆、钻头之间通过销连接。

优选的是，驱动钻杆的截面为多边形，外接钻杆的截面为多边形或圆形。

优选的是，承力桩架主体呈圆管状，承力桩架的长度大于外接钻杆的长度，承力桩架的长度还大于钻头的长度。

优选的是，轻型桩架主体的端部焊接有固定架，第三从动齿轮和第四从动齿轮对称布置在固定架上；所述轻型桩架主体为桁架结构。

优选的是，主动齿轮的直径大于第一从动齿轮、第二从动齿轮、第三从动齿轮和第四从动齿轮的直径；第一从动齿轮安装与主动齿轮的上方，第二从动齿轮安装在主动齿轮的下方。

优选的是，压盘卡槽呈半圆弧形；所述主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、第一被动齿轮、第二被动齿轮、第三被动齿轮和驱动齿轮中部设置有轴承，轴承和圆柱轴配合，圆柱轴端部焊接固定在承力桩架或轻型桩架上。

一种双动力高速搅拌钻机的施工方法，利用上述的一种双动力高速搅拌钻机施工，具体的施工步骤如下：

S1.通过控制平台启动钻机，调整底盘和钻机前端的位置，调整至底盘水平、钻杆垂直状态后，钻机运行5-10分钟；

S2.驱动压盘和回转驱动组件工作，驱动压盘主体和回转主体向下运动，驱动压盘带动驱动钻杆和钻头向下运动；当回转主体距离承力桩架下端0-1m时，锁止装置动作，回转驱动组件固定在承力桩架上；

S3.当钻头距离地面0-1m时，回转驱动组件的回转驱动旋转仓向下运动，钻头进入土体后启动固化剂搅拌系统和高压气供给系统，钻机后台控制钻头向土体内泵送固化剂和高压气；

S4.外接钻杆的连接操作包括：当钻头上部距离地面0.5-2m时，关闭钻机后台和动力系统，拆分驱动钻杆和钻头，驱动压盘和回转驱动组件工作，驱动压盘主体和回转主体向上运动，直至回转驱动组件移动至承力桩架的上端，驱动压盘和回转驱动组件停止工作，外接钻杆接入驱动钻杆和钻头之间，重复本步骤接入多根外接钻杆，直至钻孔搅拌至设定深度；

S5.驱动压盘和回转驱动组件工作，驱动压盘主体和回转主体向上运动，驱动钻杆、外接钻杆和钻头向上移动，启动固化剂搅拌系统和高压气供给系统，钻机后台控制钻头持续向土体内泵送固化剂和高压气；

S6.当驱动钻杆的下端提升至地面处，回转驱动组件工作，回转主体向上运动，直至回转驱动组件移动至承力桩架的上端，回转驱动组件的锁止装置动作，回转驱动组件固定在承力桩架的上端，同时继续向上提升驱动钻杆，驱动钻杆的提升速度小于等于回转驱动组件的提升速度；

S7.外接钻杆从移除操作包括：当驱动钻杆下端和回转驱动组件的距离为0.2-1m时，关闭钻机后台和动力系统，拆分外接钻杆和驱动钻杆，移除外接钻杆，驱动压盘工作，驱动压盘主体和驱动钻杆向下运动，连接驱动钻杆和外接钻杆，重新提升驱动钻杆，重复本步骤移除多根钻杆，直至钻头离开土体，钻孔位置形成搅拌桩；

S8.沿搅拌桩外围平整土体表面，向搅拌桩内回灌固化剂并填满固化土至设计标高。

进一步优选的是，驱动钻杆的扭矩大于15000N·m时，通过动力系统增大回转驱动旋转仓的工作功率，保持回转驱动旋转仓的输出转速在5-15r/min的范围内，同时动力系统增大驱动压盘的输出功率，保持驱动压盘向下的移动速度在0.2-1m/min的范围内。

进一步优选的是，驱动压盘主体和回转主体向下的移动速度控制在0.2-1m/min的范围内，驱动压盘主体和回转主体上的移动速度控制在0.5-2m/min的范围内。

进一步优选的是，土体中固化剂的使用量占比10％-40％，所述固化剂包括粉体和浆液，粉体固化剂利用高压气泵送，高压气的气压大于0.8MPa，浆液固化剂与水混合的质量比大于0.8:1。

本发明提供的一种双动力高速搅拌钻机及其施工方法，有益效果包括：

(1)通过双动力结构组合，将扭矩输送设备和推进设备分开，并且使钻杆的转动和推进两者互不影响，方便施工，回转动力装置具有较宽的速度调节范围和较大的扭矩输出，保证了钻进和搅拌的协同配合；(2)通过设置回转动力的装置，可以实现同时限定轴向和径向的自由度，并同时提供轴向和径向的承载能力，可以对回转盘起到辅助支撑的作用，使得回转驱动旋转仓的轴心更加稳定；(3)轻型桩架通过采用桁架式构件降低了桅杆的重量，减少了风荷载对施工的影响，方便拆卸和运输；(4)承力桩架通过采用钢管制作，增大了承力桩架的强度，将塔架的重心下移，提高设备的稳定性和安全性。

附图说明

图1是双动力高速搅拌钻机前端的结构示意图；

图2是承力桩架的结构示意图；

图3是轻型桩架端部的结构示意图；

图4是驱动压盘的安装结构示意图；

图5是驱动压盘的俯视图；

图6是轻型桩架的结构示意图；

图7是回转驱动组件的结构示意图；

图8是双动力高速搅拌钻机前端的工作状态示意图；

图中：1-轻型桩架、2-承力桩架、3-驱动压盘、4-回转驱动组件、5-驱动钻杆、6-钻头、7-固定架、8-驱动压盘链条、9-回转驱动链条、10-主动齿轮、11-第一从动齿轮、12-第二从动齿轮、13-第三从动齿轮、14-第四从动齿轮、15-驱动齿轮、16-第一被动齿轮、17-第二被动齿轮、18-第三被动齿轮、19-回转主体、20-回转驱动卡槽、21-回转驱动旋转仓、22-滑轨、23-压盘基座、24-端部凸起、25-驱动压盘主体、26-压盘卡槽、27-外接钻杆。

具体实施方式

结合图1至图8所示，对本发明提供的一种双动力高速搅拌钻机及其施工方法的具体实施方式进行说明。

一种双动力高速搅拌钻机其包括底盘、钻机前端、钻机后台、动力系统和控制平台，钻机后台和控制平台布置在底盘上，控制平台实现对钻机各个部分的控制，动力系统和钻机前端相连，其中动力系统包括压盘动力系统、环向回转动力系统、垂向回转动力系统、底盘动力系统、桩架动力系统和钻机附件动力系统，为各个部分提供动力，可以使用电驱动或液压驱动。钻机前端配置在底盘上，并随底盘移动，另外钻机前端可以根据施工需要变换钻机前端和底盘的角度和方向。钻机后台包括固化剂搅拌系统和高压气供给系统，固化剂搅拌系统能够向钻头提供搅拌后的固化剂，高压气供给系统可以向钻头部位提供高压气。动力系统为底盘、钻机前端提供动力，控制调整底盘调整水平，以及钻机前端与土体的角度。

其中钻机前端包括承力桩架2、轻型桩架1、驱动压盘3、回转驱动组件4、驱动钻杆5、驱动压盘链条8、回转驱动链条9，各个部件相互配合，实现钻进和转动的双动力推进。驱动压盘3包括驱动齿轮15、第一从动齿轮11、第二从动齿轮12、第三从动齿轮13和第四从动齿轮14，其中驱动齿轮15提供动力，各个从动齿轮配合主动齿轮实现驱动压盘链条8的运动，第一从动齿轮11、第二从动齿轮12、第一被动齿轮16和驱动齿轮15相互配合并配置在承力桩架2的下端，第二被动齿轮17和第三被动齿轮18配置在承力桩架的上端，第三从动齿轮13和第四从动齿轮14配置在轻型桩架1的上端。其中回转驱动链条9连接回转驱动组件4、第一从动齿轮11、驱动齿轮15、第一被动齿轮16、第二从动齿轮12、第二被动齿轮17、第三被动齿轮18等结构，通过齿轮传动控制回转驱动组件沿着承力桩架动。主动齿轮10的直径大于第一从动齿轮11、第二从动齿轮12、第三从动齿轮13和第四从动齿轮14的直径。第一从动齿轮11安装与主动齿轮的上方，第二从动齿轮12安装在主动齿轮的下方。压盘卡槽26呈半圆弧形。主动齿轮10、第一从动齿轮11、第二从动齿轮12、第一被动齿轮16、第二被动齿轮17、第三被动齿轮18和驱动齿轮15中部设置有轴承，轴承和圆柱轴配合，圆柱轴端部焊接固定在承力桩架或轻型桩架上。

轻型桩架1包括桩架主体和桩架滑轮，桩架主体的下端和承力桩架相连接，桩架主体上配置有多个桩架滑轮。轻型桩架主体的端部焊接有固定架7，第三从动齿轮13和第四从动齿轮14对称布置在固定架上。主动齿轮10与第三从动齿轮13和第四从动齿轮14配合控制驱动压盘3沿轻型桩架主体上下移动。轻型桩架主体为桁架结构，轻型桩架主体可以由多节空心圆柱形杆件组成，空心圆柱形杆件采用焊接的方式形成多个三角形构件进而组合轻型桩架主体。其中轻型桩架主体可以和底盘之间设置连接机构，连接结构还可以控制轻型桩架的倾斜角度。

承力桩架2包括承力桩架主体和滑轨，滑轨22沿承力桩架的主体配置，从而方便回转驱动组件的移动。承力桩架主体呈圆管状，承力桩架2的长度大于外接钻杆27的长度，承力桩架2的长度还大于钻头6的长度。

驱动压盘3包括压盘基座23、端部凸起24和驱动压盘主体25，压盘基座23上设置压盘卡槽26，压盘卡槽26和轻型桩架1上的滑轨配合。驱动压盘链条8分别连接压盘基座和端部凸起。回转驱动组件4包括回转主体19、回转驱动卡槽20、回转驱动旋转仓21和锁止装置，回转驱动卡槽20和承力桩架上的滑轨22相配合，回转驱动旋转仓21配置在回转主体上，锁止装置固定回转驱动组件4和承力桩架2的相对位置。回转驱动链条分离连接回转主体的上端面和下端面，从而可以控制回转主体上下移动。驱动钻杆和驱动压盘之间通过法兰连接，保证连接的稳定性。

驱动钻杆与外接钻杆、钻头之间通过销连接。其中驱动钻杆的截面为多边形，外接钻杆的截面为多边形或圆形。

一种双动力高速搅拌钻机的施工方法，利用上述的一种双动力高速搅拌钻机施工，具体的施工步骤如下：

S1.通过控制平台启动钻机，调整底盘和钻机前端的位置，调整至底盘水平、钻杆垂直状态后，钻机运行5-10分钟。

S2.驱动压盘和回转驱动组件工作，驱动压盘主体和回转主体向下运动，驱动压盘带动驱动钻杆和钻头向下运动；当回转主体距离承力桩架下端0-1m时，锁止装置动作，回转驱动组件固定在承力桩架上；启动回转驱动组件锁止装置的同时关闭垂向回转动力系统使得回转驱动组件锁止在承力桩架上。

S3.当钻头距离地面0-1m时，回转驱动组件的回转驱动旋转仓向下运动，钻头进入土体后启动固化剂搅拌系统和高压气供给系统，钻机后台控制钻头向土体内泵送固化剂和高压气，固化剂和高压气均匀掺入土体中。

S4.外接钻杆的连接操作包括：当钻头上部距离地面0.5-2m时，关闭钻机后台和动力系统，拆分驱动钻杆和钻头，驱动压盘和回转驱动组件工作，驱动压盘主体和回转主体向上运动，直至回转驱动组件移动至承力桩架的上端，驱动压盘和回转驱动组件停止工作，外接钻杆接入驱动钻杆和钻头之间，重复本步骤接入多根外接钻杆，直至钻孔搅拌至设定深度。

具体的是，如需加接钻杆时，当钻头顶部距离地面0.5-2m时，关闭压盘动力系统、垂向回转动力系统和环向回转动力系统，关闭钻机后台之后，解除驱动钻杆与钻头之间的锁止装置，使得驱动钻杆与钻头分离，然后启动压盘动力系统和垂向回转动力系统使得主动齿轮和驱动齿轮反向转动，进而带动驱动压盘和回转驱动组件向上移动，当回转驱动组件上移至承力桩架顶部时，关闭压盘动力系统和垂向回转动力系统，然后将外接钻杆上部、下部分别与驱动钻杆、钻头连接并锁止，如要加接多根外接钻杆时，类似地重复本步骤，打开钻机后台，通过向下搅拌将前一节外接钻杆置入土体内，然后解除前一节钻杆与驱动钻杆的锁止装置，将驱动压盘和回转驱动组件向上移动后加接后一节钻杆，重复操作直至添加至最后一根外接钻杆，进行步骤上述步骤的操作，当添加完成最后一节钻杆后或无需添加钻杆时，继续带动驱动钻杆、钻头或外接钻杆旋转并向下移动，直至搅拌至设定深度。

S5.驱动压盘和回转驱动组件工作，驱动压盘主体和回转主体向上运动，驱动钻杆、外接钻杆和钻头向上移动，启动固化剂搅拌系统和高压气供给系统，钻机后台控制钻头持续向土体内泵送固化剂和高压气。

S6.当驱动钻杆的下端提升至地面处，回转驱动组件工作，回转主体向上运动，直至回转驱动组件移动至承力桩架的上端，回转驱动组件的锁止装置动作，回转驱动组件固定在承力桩架的上端，同时继续向上提升驱动钻杆，驱动钻杆的提升速度小于等于回转驱动组件的提升速度。

S7.外接钻杆从移除操作包括：当驱动钻杆下端和回转驱动组件的距离为0.2-1m时，关闭钻机后台和动力系统，拆分外接钻杆和驱动钻杆，移除外接钻杆，驱动压盘工作，驱动压盘主体和驱动钻杆向下运动，连接驱动钻杆和外接钻杆，重新提升驱动钻杆，重复本步骤移除多根钻杆，直至钻头离开土体，钻孔位置形成搅拌桩。

具体的是，如果存在外接钻杆时，当驱动钻杆下端与回转驱动组件的距离为0.2-1.0m时，关闭压盘动力系统和环向回转动力系统，关闭钻机后台，分别解除外接钻杆上部、下部与驱动钻杆、钻头之间的锁止装置，移除外接钻杆，然后启动压盘动力系统使得主动齿轮正向转动，进而带动驱动压盘和驱动钻杆向下移动，直至驱动钻杆与钻头重新连接并进行锁止，如存在多节外接钻杆时，类似地重复本步骤，将上部第一节外接钻杆移除后，然后启动压盘动力系统使得主动齿轮正向转动，进而带动驱动压盘和驱动钻杆向下移动，直至驱动钻杆与下一节外接钻杆重新连接并进行锁止，然后向上提升驱动钻杆，当驱动钻杆下端与回转驱动组件的距离为0.2-1.0m时，关闭压盘动力系统和环向回转动力系统，关闭钻机后台，分别解除外接钻杆上部、下部与驱动钻杆、钻头之间的锁止装置，移除该节外接钻杆，重复操作直至移除完最后一根外接钻杆，使得驱动钻杆与钻头重新连接并进行锁止，当解除完成最后一节外接钻杆后或无解除的外接钻杆时，开启压盘动力系统使得主动齿轮反向转动，进而带动驱动压盘和驱动钻杆向上移动，开启环向回转动力系统使得回转驱动旋转仓反向转动，最终待钻头完全脱离土体后，关闭压盘动力系统、环向回转动力系统，关闭钻机后台。

S8.沿搅拌桩外围平整土体表面，向搅拌桩内回灌固化剂并填满固化土至设计标高。

可以重复上述的步骤，直至完成施工。

驱动钻杆的扭矩大于15000N·m时，通过动力系统增大回转驱动旋转仓的工作功率，保持回转驱动旋转仓的输出转速在5-15r/min的范围内，同时动力系统增大驱动压盘的输出功率，保持驱动压盘向下的移动速度在0.2-1m/min的范围内。

驱动压盘主体和回转主体向下的移动速度控制在0.2-1m/min的范围内，驱动压盘主体和回转主体上的移动速度控制在0.5-2m/min的范围内。

土体中固化剂的使用量占比10％-40％，所述固化剂包括粉体和浆液，粉体固化剂利用高压气泵送，高压气的气压大于0.8MPa，浆液固化剂与水混合的质量比大于0.8:1。

双动力高速搅拌钻机及其施工方法通过双动力结构组合，将扭矩输送设备和推进设备分开，并且使钻杆的转动和推进两者互不影响，方便施工，回转动力装置具有较宽的速度调节范围和较大的扭矩输出，保证了钻进和搅拌的协同配合；通过设置回转动力的装置，可以实现同时限定轴向和径向的自由度，并同时提供轴向和径向的承载能力，可以对回转盘起到辅助支撑的作用，使得回转驱动旋转仓的轴心更加稳定；轻型桩架通过采用桁架式构件降低了桅杆的重量，减少了风荷载对施工的影响，方便拆卸和运输；承力桩架通过采用钢管制作，增大了承力桩架的强度，将塔架的重心下移，提高设备的稳定性和安全性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。