一种可防塌孔的桩体钻进装置及施工方法

技术领域

本发明涉及桩基施工技术领域，尤其是一种可防塌孔的桩体钻进装置及施工方法。

背景技术

成孔灌注桩施工工艺因其适用广、施工质量好、成孔速度快、低振动低噪声、环保等优点而得到广泛的应用，可用于填土、黏性土、粉土、砂土、碎石土、软质岩等岩土层。按成孔方法可分为干作业法成孔灌注桩、湿作业法成孔灌注桩、全钢护筒成孔灌注桩三类。各类成孔方法均存在弊端：

(1)干作业法成孔虽然工序少、钻进快、工作效率高，但因为缺少泥浆护壁，在复杂的施工地质条件下容易产生塌孔。(2)湿作业法虽然具有泥浆护壁作为保护，但在富水、松散以及具有强透水性的特殊地层条件下，钻头周围侧阻力大，若此时钻头升降速度较快，钻头外侧和孔壁之间的泥浆会对桩壁形成冲刷，再加上钻头下部产生的负压作用，易造成孔壁径缩、坍塌，从而影响施工效率与成桩质量。(3)全钢护筒法虽然可以有效防止塌孔，但会增加材料和成本，同时需要占用更大的场地空间，增加了施工步序，延长施工工期。

另外，现有钻机在需要改变桩基截面尺寸作业时，通常采用更换伞式、锥式的扩孔钻头的方式进行，而截面尺寸变化部分周围的岩土层稳定性差，受到扰动或水的渗透浸泡时会更容易产生孔壁坍塌，变径效果不尽人意。而现在对变径部分塌孔的预防与补救措施通常有人工浇筑护壁法、混凝土回填护壁法或补桩再开挖等方法。但上述方法因在变径时就破坏了岩土层的稳定性，在实际操作时的局限性较大，同时也会影响工期和成桩质量。此外，目前已有的扩孔钻具大多只能实现等截面扩孔，无法实现变截面改变桩体尺寸的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种可防塌孔的桩体钻进装置及施工方法，实现在桩体施工过程中能随钻头开挖对易塌孔的土层侧壁实时注浆加固，同时不切换钻头即可实现桩身截面尺寸变化。为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种可防塌孔的桩身钻进装置，包括：

钻杆装置，由内层钻杆和外层钻杆形成的双层筒形结构，所述内层钻杆底端设有第一钻头；

防塌孔及变径结构，具有位于所述内层钻杆和所述外层钻杆间中空部位的储浆桶和若干输浆管，所述输浆管一端与所述储浆桶连接，另一端通过增设弯管转换为水平状态且端部设有注浆管，所述输浆管和钻杆装置可伸缩，所述注浆管管身设有均匀布置的若干注浆孔且其端部设有第二钻头。

作为进一步的实现方式，所述注浆管包括内层注浆管和外层注浆管且两层具有相同位置的注浆孔，所述内层注浆管可旋转以实现内外两层注浆孔的错位。

作为进一步的实现方式，所述第二钻头为锥形三角钻头，在所述锥形三角钻头上设有喷孔。

作为进一步的实现方式，所述第一钻头和所述第二钻头均配置有驱动机构。

作为进一步的实现方式，所述储浆桶底部开设和所述输浆管数量一致的第一滑槽，所述输浆管可在所述第一滑槽中滑转以实现桩周侧土的均匀注浆加固。

作为进一步的实现方式，所述内层钻杆和外层钻杆均由多节筒体组成可伸缩结构，外层钻杆最底端的筒体侧壁设置第二滑槽，第二滑槽与第一滑槽对应设置。

作为进一步的实现方式，所述输浆管数量为四个，所述第一滑槽可供所述输浆管滑转60°。

作为进一步的实现方式，所述第一滑槽上方设有垫层，且其开洞大小与所述第一滑槽和所述输浆管直径一致，垫层通过开洞与输浆管顶部开口连接，垫层设于储浆桶内且与储浆桶转动连接。

作为进一步的实现方式，还包括控制系统，用于控制进行防塌孔及变径操作。

第二方面，本发明提供了根据第一方面所述可防塌孔的桩体钻进装置的施工方法，包括以下步骤：

钻进至软弱松散地层，操作各注浆管前第二钻头进行钻进到预定区域并开始注浆，待注浆完成后缩回注浆管并旋转注浆管至一定角度，再次钻进并注浆，待本层注浆完成后，缩回注浆管，继续向下钻进，并重复上述过程，直至桩体钻进完成；若需要变径，则操控注浆管上连通器对内层注浆管进行旋转，并改换浆液泵为高压水泵，通过喷头对横向土体进行冲击切割，完成变径，待变径过程结束后回收装置。

上述本发明的有益效果如下：

1.本发明钻机钻杆由内外双层组成，外层钻杆留有输浆管伸出和进行一定角度旋转的空位，用以保障注浆管对周边地层进行均匀注浆，防止局部塌孔。

2.本发明注浆管端部设置了钻头，在到达软弱松散地层时操作各注浆管前钻头进行钻进到预定区域并开始注浆，能保证对土层内部进行注浆加固，并能通过储浆桶滑槽与外部钻杆实现旋转，保证注浆加固范围更广。

3.本发明设置的双层注浆管，能通过地面操作使内层注浆管进行旋转让内外双层注浆孔错位，防止注浆管周测喷水减低水压，仅使水从横向喷头喷出切割土体，实现横向扩孔，并通过输浆管伸缩及钻杆的竖向移动控制变径形状和大小，以保证桩体变径效果。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例中可防塌孔的桩体钻进装置的结构示意图。

图2是本发明实施例中储浆桶结构示意图。

图3是本发明实施例中储浆桶俯视示意图。

图4是本发明实施中储浆桶与内层钻杆连接示意图。

图5是本发明实施例中输浆管与垫层连接示意图。

图6是本发明实施例中双层钻杆结构示意图。

图7是本发明实施例中双层钻杆俯视示意图。

图8是本发明实施例中钻杆的结构示意图。

图9是本发明实施例中输浆管和注浆管结构示意图。

图10是本发明实施例中第二钻头结构示意图。

图11是本发明实施例中喷孔范围示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1、泵浆连接口；2、储浆桶；3、第一滑槽；4、输浆管；5、外层钻杆；6、注浆管；7、中控箱；8、第二钻头；9、第一钻头；10、内层钻杆；11、走线通道；12、控制系统；13、垫层；14、第二滑槽；15、喷孔；16、内层注浆管；17、轴承；18、连接件；19、外层注浆管；20、外壁滑键；21、筒体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种可防塌孔的桩体钻进装置，包括钻杆装置、储浆桶2、输浆管4、注浆管6以及控制系统12等。

本实施例中，如图2、图3、图6所示，钻杆装置为双层筒形结构，主要包括内层钻杆10、外层钻杆5、储浆桶2与输浆管4。外层钻杆5与内层钻杆10间为中空结构，可容纳储浆桶2与输浆管4。其中，外层钻杆5上侧有与泵浆管连接的泵浆连接口1。内层钻杆10集中走线通过走线通道11与外部控制系统相连，其底端设有第一钻头9，内置动力头。储浆桶2上侧通过连接件18将其卡在合适位置与内层钻杆10侧壁相连，储浆桶2底部有第一滑槽3，第一滑槽3呈弧形，第一滑槽3上方有垫层13，垫层13的开洞大小与第一滑槽3和输浆管4直径一致，便于与输浆管4相连和转动，并防止浆液从第一滑槽3泄露。

如图8所示，内层钻杆10和外层钻杆5均有若干节筒体21组成，每节筒体21间设置外壁滑键20，并于筒体端部设置连接件，用钢丝连接最末端筒体并采用滑轮式机械结构实现钻杆伸缩。内外层钻杆是为了实现与多节输浆管同步伸缩才需要伸缩，如果单内钻杆与钻头向下钻进，就无法实现注浆管的同步注浆加固过程。同时，外钻杆伸缩也起到保护内部的作用，防止漏水漏土漏浆的情况出现。

本实施例的储浆桶2位于内外钻杆第一节筒体(顶部筒体)位置处，其通过连接件与第一节内钻杆筒体固定连接。

参照图4-图5所示，储浆桶2底部留有四处空洞，便于输浆管在空洞范围内转动，空洞即为第一滑槽3；垫层13位于储浆桶2内底部，并且与储浆桶2底部形状大小相同，输浆管与垫层13上的开口相连，开口大小与输浆管顶部开口相同，相连处可采用螺纹或其他机械密封连接形式；垫层13内边缘有滚珠，与储浆桶2转动配合，储浆桶2底部相应位置的第一滑槽13，以此实现垫层13带动输浆管在第一滑槽13范围内转动，并且垫层13的设置，保证浆液不会从第一滑槽13漏出。

本实施例中，设有四个第一滑槽3，相应的有四个输浆管4与之分别配合，输浆管4可在第一滑槽3中滑转以实现桩周侧土的均匀注浆加固。

第一滑槽3相同且均呈弧形且具有设定半径，第一滑槽3可供输浆管4滑转60°。

外层钻杆5主要为保护输浆管4与储浆桶2，下端侧壁留有可供输浆管4走浆与注浆管旋转的第二滑槽14，第二滑槽设于外层钻杆5最下方一节的筒体侧壁上，并且第二滑槽14的位置与第一滑槽3的位置对应，第二滑槽14也为弧形，便于输浆管4滑转时，第二滑槽14能为其提供相同的滑转空间。

外层钻杆5底部侧壁第二滑槽14处的防漏浆措施与储浆桶2底相同(即输浆管4周侧也连接有垫层13，垫层13套设在输浆管4上且可以盖住输浆管4之外的第二滑槽14，此处的垫层13为弧形，与外层钻杆5的内壁形状适配)，垫层可以固定输浆管4，防止输浆管4因距离太长导致移动或破坏。

如图4和图5所示，输浆管4上端通过储浆桶2第一滑槽3开口与垫层13相连，可以理解的是，输浆管是由各管节组呈的伸缩管，各管节上端外部设限位件，下端内部设阻挡件，宽度为各管节间半径差。底端最后一节输浆管4弯曲，通过外层钻杆5下部第二滑槽14与钻杆外输浆管4相连走浆，同时进行固定限位。

本实施例的输浆管4和内层钻杆10、外层钻杆5可共同实现伸缩，并且内层钻杆10、外层钻杆5的各节筒体长度与输浆管4的各管节长度适配。因此当外层钻杆5向下伸出时，最下方一节的筒体能够带动输浆管4共同向下伸出。

如图9-图11所示，注浆管6为双向开口的中空钢管，管身均匀分布注浆孔，管身分为内外双层，分别为外层注浆管19和内层注浆管16，内外双层注浆管上注浆孔位置分布一致且无错位，便于浆液喷出。注浆管6一端与输浆管4连接，另一端与第二钻头8前中控箱7相连，其中外层注浆管19通过连接件18或螺纹等固定，内层注浆管16与转轴相连，通过轴承17可进行旋转，使注浆管6的注浆孔错位，用以实现水流或气流通过喷头对土体进行切割，避免其他孔洞分流。中控箱7内包含动力头，与注浆管6相连处有连接件18与轴承17，第二钻头8旁侧有三个喷孔15，中控箱7内转轴与喷头的旋转，动力头的运行都通过控制系统远程操作，第二钻头8采用锥形三角钻头。

三个喷孔呈等腰三角形布置，每个喷孔喷射范围为120°

控制系统12主要包括内层钻杆的伸缩控制、外层钻杆伸缩控制、钻头控制、储浆桶的第一滑槽控制、输浆管伸缩控制与中控制箱远程控制几个模块。

实施例二

本实施例提供了根据实施例一所述可防塌孔的桩体钻进装置的施工方法，包括以下步骤：

(1)当钻孔为防塌孔时(主要适用于砂土，中粗砂，砾砂等易塌孔土层)

在使用实施例一所述可防塌孔的桩体钻进装置进行土层注浆加固时，应先根据地层条件选取合适的钻头并将其安装于双层钻杆的内层钻杆10端处，将输浆管4与储浆桶2底部第一滑槽3相连，拼接合适长度输浆管4通过连接件将各管节相连，在输浆管4末端连接注浆管6与中控箱7，最后连接第二钻头8。钻进前保证储浆桶2、输浆管4与注浆管内洁净无残渣，储浆桶2连接管处根据需要安装转换阀并与泥浆泵、高压清水泵或气压泵相连，浆液可选用以水泥为主剂的悬浊液，或选用水泥和水玻璃的双液型混合液，中控箱7内液压驱动装置通过内置传感器和连接线与控制系统12连接。开始作业前先通过清水泵注水，测试装置连接密封性与喷浆情况，测试安全后进行钻进作业。

钻进过程中，第一钻头9抵达需要注浆加固的软弱地层后，通过控制系统12操控注浆管6前端第二钻头8向土层内部钻进，并通过连接件18带动注浆管6拉伸至需加固范围(在钻进过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，可用较小压力边钻进边射水)，到达指定位置后打开转换阀，将与储浆桶2连通的管道阀门切换至高压泥浆泵，通过注浆管6喷射浆液至四周地层中，待注浆结束后，缩回注浆管6，通过第一滑槽3旋转外层钻杆15°～30°，再次伸长输浆管4至地层中重复注浆过程(第一滑槽3旋转角度最大为60°)，至该层桩周土注浆加固完成后。

如选用水泥悬浊液，待30min或1h后浆液初凝，控制第一钻头9继续进行竖向钻进至下一注浆点位，到下一需加固地层后重复注浆加固过程直至钻进结束。注浆孔竖向加固间距应根据现场试验确定，宜为1.2m～2.0m。浆液的初凝时间，应根据地基土质条件和注浆目的确定，砂土地基中宜为5min～20min，黏性土地基中宜为1h～2h。

(2)当钻孔过程中进行变径时(适用于土质较好的地层，粉质黏土)

在使用实施例一所述可防塌孔的桩体钻进装置在类似粉质黏土这种土质较好的地层进行变径时，准备工作同(1)中情况，待装置钻进至需要变径位置后，切换转换阀，由泥浆泵改变为高压清水泵或气压泵，通过控制系统12控制轴承17使内层注浆管16进行旋转，与外层注浆管19孔洞错位，使水流或气流仅能从第二钻头8旁侧喷头处喷出，对横向土体进行切割，实现扩孔。

扩孔半径可依据水压大小调节，角度约为120°，如图8所示。待表层土体切割完成，控制注浆管6横向伸出，增大横向变径深度，再通过主钻杆的竖向位移进行竖向切割，以此控制截面尺寸形状。待变径完成后，拆卸注浆管6和输浆管4进行冲洗，以防留有残存浆液。

主转杆为内外钻杆，通过动力头控制钻机进行竖向移动，带动钻杆移动，使喷孔15也随之竖向位移，实现竖向土体切割，并通过水压调节可切割不同形状角度的变径。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。