一种带扩径功能的双向搅拌钻具及施工方法

技术领域

本发明属于固化剂搅拌桩施工技术领域，尤其是涉及一种扩径双向搅拌钻具及施工方法。

背景技术

建筑基础工程中的软土地基处理是保证工程质量的关键环节，并在工程总价中占有较大比例。大量工程实践表明，水泥土搅拌桩法具有施工简单、快速、振动小等优点，能有效地提高软土地基的稳定性，减少和控制沉降量。水泥土搅拌桩现已发展成一种常用的软弱地基处理方法，广泛应用与基坑支护、地基处理中。

现有的常规搅拌桩机一般为单向搅拌桩机，其存在着搅拌方向单一、地面冒浆、搅拌不够均匀，钻杆容易进浆堵塞、成桩质量差，成桩效率低下等问题。此外，很多地基存在不同质地的土层，而不同土层的地基承载力也不尽相同，需要不同桩径的搅拌桩。在基坑支护设计中，实际土体侧压力荷载上部远小于下部荷载，也需要不同桩径的搅拌桩。如果全部按照小桩径进行施工，则水泥土搅拌桩的强度不够，进而导致安全事故；如果全部按照大桩径施工，则大量浪费固化剂，成本增大。传统的变截面桩存在着变径叶片无法完全打开情况，导致未按设计要求完成变径施工，且只能实现两种桩径，操作步骤繁琐等问题。

发明内容

为了克服现有技术中的至少一种缺陷，本发明提出了一种带扩径功能的双向搅拌钻具，能够实现双向旋搅，并且搅拌桩能够根据需求实现快速无极变径，有效提高搅拌桩成桩质量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种带扩径功能的双向搅拌钻具，包括变径机构、钻杆组件、双向搅拌钻头、液压机构、动力单元、悬挂组件和注浆单元，所述钻杆组件包括中空且管径依次减小的外钻杆、内钻杆和中心管；所述动力单元包括上动力头和下动力头，所述外钻杆上端部与下动力头下端部固定连接，所述内钻杆上端部与所述上动力头下端部固定连接；所述液压机构的上下端分别固定连接在所述悬挂组件的双侧上托板和双侧下托板上；所述双侧上托板、双侧下托板分别与所述上动力头、下动力头固定连接；所述变径机构可活动的设置在所述外钻杆上，所述液压机构用于驱动所述双侧下托板靠近或远离所述双侧上托板以带动所述下动力头靠近或远离所述上动力头，从而使得所述外钻杆和内钻杆沿轴向相对靠近或远离，以实现所述变径机构沿径向靠近或远离所述钻杆组件轴心线方向；且所述钻杆组件在所述动力单元的驱动作用下带动所述变径机构沿钻杆组件的周向运动以改变所述变径机构的直径；所述双向搅拌钻头可拆卸的连接在所述钻杆组件的下端，且在所述外钻杆、内钻杆的旋转作用下实现双向旋搅，所述注浆单元分别连通至所述变径机构以及所述双向搅拌钻头。

进一步的，所述变径机构包括环形连接座以及至少两个变径叶片；所述外钻杆包括第一外钻杆和第二外钻杆，所述第一外钻杆与所述内钻杆沿周向可相对转动且沿轴向可滑动，所述第二外钻杆与所述内钻杆沿周向可相对转动，所述环形连接座包括连接在所述第一外钻杆底端的环形上连接座和连接在所述第二外钻杆顶部的环形下连接座；各所述变径叶片均包括上变径叶片和下变径叶片；所述上变径叶片的上端与所述环形上连接座铰接，所述下变径叶片的下端与所述环形下连接座铰接，且所述上变径叶片的下端与所述下变径叶片的上端铰接。

作为一种改进的结构，所述环形下连接座的外周壁上设置有多根沿其轴向延伸的传扭杆，所述环形上连接座的外周壁上对应的设置有多个传扭杆座，各所述传扭杆的上端分别滑动配合在各对应的传扭杆座中。

作为另一种改进结构，所述第一外钻杆的下端连接有外六方传扭公接头，所述第二外钻杆的上端连接有内六方传扭母接头，且所述外六方传扭公接头的下端沿轴向可滑动的插装在所述内六方传扭母接头中。

再进一步的，所述外钻杆与内钻杆之间的环状间隙中设有无油衬套，且所述无油衬套包括设置在所述第一外钻杆下端与内钻杆外壁之间的上无油衬套以及设置在所述第二外钻杆顶部与所述内钻杆外壁之间的下无油衬套；且所述上无油衬套的外圈与所述第一外钻杆固定连接，内圈与所述内钻杆沿轴向滑动配合；所述下无油衬套外圈与所述第二外钻杆固定连接，内圈与所述内钻杆外壁沿周向可相对转动的配合。

再进一步的，所述双向搅拌钻头包括固定连接在所述外钻杆下端的外管以及固定连接在所述内钻杆下端的内管；所述内管外壁上连接有第一搅拌叶片，所述外管上连接有外框架，所述外框架的内壁上设置有第二搅拌叶片，且所述第二搅拌叶片与所述第一搅拌叶片之间能够相对转动互不干涉；所述内管的底端连接有掘进翼片。

再进一步的，所述注浆单元包括设置在所述中心管外部与所述内钻杆内壁之间的第一注浆通道以及设置在所述中心管内的第二注浆通道；所述内钻杆外壁上与所述变径机构相对应的位置开设有与所述第一注浆通道连通的第一喷浆口；所述掘进翼片上设置有与所述第二注浆通道连通的第三喷浆口。

再进一步的，所述液压机构包括液压泵站和两个液压油缸；所述液压泵站固定连接在所述悬挂组件的上盖板下方用于给所述液压油缸提供动力，且所述液压泵站的控制系统通过电磁阀集成在桩机驾驶舱控制面板中；两个所述液压油缸的上下两端分别连接在所述双侧上托板和双侧下托板上。

再进一步的，所述液压机构还包括导向机构，导向机构包括上导向座、导向轴以及下导向座，所述上导向座和下导向座分别固定连接在所述双侧上托板和双侧下托板上；所述导向轴下端与下导向座固定连接，上端与所述上导向座滑动连接。

另外的，本发明还提供了一种上述带扩径功能的双向搅拌钻具的施工方法，其施工工艺包括以下标准步骤：

S1:将需要施工的场地平整；

S2:将带有扩径功能的双向搅拌钻具的桩机运输到待施工场地，按设定桩位定位并对中，连接注浆泵与水龙头，其中水龙头包括三个分别与第一注浆通道、第二注浆通道、第三注浆通道连通的水龙头；

S3:启动桩机和注浆泵，依据预设施工参数通过搅拌钻机运行模块控制钻机动力单元，分别对上下动力头施加顺时针与逆时针扭矩和竖向钻压，依据预设施工参数进行双向搅拌桩施工，在下钻搅拌过程中，可根据设计要求，不启动液压机构、或远程启动一次液压机构带动内钻杆与外钻杆的沿轴向相对移动，或者多次远程启动液压机构带动内钻杆与外钻杆的沿轴向相对移动，并在扩径桩段进行压力注浆，直至下钻搅拌至设计深度；

S4:到达设计深度后，依据预设施工参数通过搅拌钻机运行模块控制钻机动力单元，并对上下动力头施加顺时针和逆时针扭矩与提拔力，进行钻机上行阶段的搅拌桩二次搅拌；在提钻搅拌过程中，可根据设计要求，不启动液压机构、或远程启动一次液压机构带动内钻杆与外钻杆的沿轴向相对移动，或者多次远程启动液压机构带动内钻杆与外钻杆的沿轴向相对移动，并可在扩径桩段进行压力注浆，直至提钻搅拌至地面；

S5:结束本搅拌桩施工，并进行钻机移位至下一根桩位，并重复上述步骤。

与现有技术相比，本发明的双向搅拌钻具及其施工方法具有以下技术效果：

1.基于带有扩径功能的双向搅拌钻具及多层双向互剪搅拌工法，解决了传统单向搅拌钻机固有的搅拌不均匀、地表冒浆、糊钻抱钻、桩身强度低、材料消耗大、施工时间长等弊病，并且在降低材料消耗和节省工期的同时，能够大幅度提升双向搅拌桩的均匀性和桩身强度，全面改善施工质量。

2.传统的变截面桩存在着变径叶片无法完全打开，常导致未按设计要求完成变径施工，且只能实现两种桩径，本发明提供的一种带扩径功能的双向搅拌钻具采用液压系统，杜绝了变径量不足的问题，并且变径机构可以灵活变形调整扩径尺寸，以实现无极变径；在扩径双向搅拌桩成桩过程中，通过双向搅拌技术与扩径机械切割搅拌技术结合，可以同步根据桩身部位与桩身形状设计采用扩径机构实施搅拌桩的机械切割搅拌扩径。

3.本发明提供的一种带扩径功能的双向搅拌钻具，通过电磁阀将控制系统集成在驾驶舱控制面板，能做到变径过程可控可视，方便快捷。采用运行控制(模块)技术，预先设置成桩施工参数，通过成桩深度、扩径参数实时控制，能够在桩身顶部或底部以及中部任意桩段实施不同直径的扩径，还可以通过喷浆控制技术调整不同扩径体的固化剂掺入量，施工大小可变的“糖葫芦状”的变径双向搅拌桩，从而达到调节不同桩段的强度以及提高整桩承载力的目的。

4.本发明的机具装置规避了传统机械式扩径搅拌桩钻具难以解决的张闭操作复杂、构件易损、使用费时、故障率高等弊病，此外，还彻底解决了传统机械式扩径搅拌钻具无法实现在双向搅拌桩底部扩径的技术难题。

另外的，本发明的其他改进特征和优点将在随后的具体实施方式中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本发明的带扩径功能的双向搅拌钻具打开状态结构主视图；

图2是本发明的带扩径功能的双向搅拌钻具打开状态结构轴视图；

图3是本发明的带扩径功能的双向搅拌钻具闭合状态结构主视图；

图4是本发明的带扩径功能的双向搅拌钻具打开状态另一角度轴视图；

图5是本发明的带扩径功能的双向搅拌钻具打开状态剖视图；

图6是本发明中的变径机构的局部剖视图；

图7是本发明中的变径机构打开状态示意图；

图8是本发明的带扩径功能的双向搅拌钻具的液压机构打开状态示意图；

图9是本发明的带扩径功能的双向搅拌钻具的双向搅拌钻头结构示意图；

图10是本发明的带扩径功能的双向搅拌钻具实施例二的打开状态示意图；

图11是本发明的带扩径功能的双向搅拌钻具实施例二的变径节钻杆爆炸结构示意图；

图12是本发明的带扩径功能的双向搅拌钻具实施例二打开状态竖向剖视图；

图13是图12中A-A剖面图；

图14是图12中B-B剖面图；

图15是图12中C-C剖面图；

图16是本发明实施例三的带扩径功能的双向搅拌钻具打开状态结构轴视图；

图17是本发明的带扩径功能的双向搅拌钻具实施例三的变径机构的局部剖视图；

图18是本发明实施例三的钻杆组件的横向剖视图。

其中图中所示：

1、变径机构；2、钻杆组件；3、中心管；4、内钻杆；5、外钻杆；5.1、第一外钻杆；5.2、第二外钻杆；6、注浆单元；6.1、第一注浆通道；6.2、第二注浆通道；6.3、第三注浆通道；7、无油衬套；7.1、上无油衬套；7.2、下无油衬套；8、环形连接座；8.1、环形上连接座；8.2、环形下连接座；9、变径叶片；9.1、上变径叶片；9.2、下变径叶片；10、铰支轴座；10.1、第一铰支轴座；10.2、第二铰支轴座；10.3、第三铰支轴座；11、双侧上托板；12、双侧下托板；14、导向背板；14.1、上滑动导向背板；14.2、下滑动导向背板；15、上动力头；16、下动力头；19、导向机构；19.1、上导向座；19.2、导向轴；19.3、下导向座；20、上盖板；30、液压机构；31、液压泵站；32、液压油缸；33、液压油缸连接座；33.1、液压油缸上连接座；33.2、液压油缸下连接座；34、第一喷浆口；35、第二喷浆口；36、第三喷浆口；37、第一水龙头；38、第二水龙头；39、第三水龙头；40、喷浆管；42、双向搅拌钻头；42.1、外框架；42.2、第一搅拌叶片；42.3、第二搅拌叶片；42.4、掘进叶片；43、柔性管；45、外管；46、内管；50、传扭机构；50.1、传扭杆上支座；50.2、传扭杆；50.3、传扭杆下支座；50.4、外六方传扭公接头；50.5、内六方传扭母接头。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在发明的描述中，需要说明的是，术语“上端”、“下端”、“外侧壁”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

实施例一：

如图1-9所示：本发明提供了一种带扩径功能的双向搅拌钻具，包括变径机构1、钻杆组件2、双向搅拌钻头42、液压机构30、动力单元、悬挂组件和注浆单元6。其中钻杆组件2包括外钻杆5、内钻杆4和中心管3，外钻杆5、内钻杆4和中心管3均为中空结构且管径依次减小；动力单元包括上动力头15和下动力头16，外钻杆5上端部与下动力头16下端部固定连接，内钻杆4上端部与上动力头15下端部固定连接；液压机构30上下端分别固定连接在悬挂组件的双侧上托板11和双侧下托板12上；双侧上托板11和双侧下托板12分别与上动力头15和下动力头16固定连接；变径机构1可活动的设置在外钻杆5上，液压机构30用于驱动双侧下托板12靠近或远离双侧上托板11以带动下动力头16靠近或远离上动力头15，从而使得外钻杆5和内钻杆4沿轴向相对靠近或远离，以实现变径机构1沿径向靠近或远离钻杆组件2轴心线方向；且钻杆组件2在动力单元48的驱动作用下带动变径机构1沿钻杆组件2的周向运动以以改变变径机构1的直径，并最终实现钻具成孔孔径的改变；另外的双向搅拌钻头42可拆卸的连接在钻杆组件2的下端，且在外钻杆5、内钻杆4的旋转作用下实现双向旋搅，注浆单元6分别连通至变径机构1以及双向搅拌钻头42，以实现边搅拌边喷浆。

具体的，如图6、7所示，变径机构1包括环形连接座8以及至少两个变径叶片9；外钻杆5包括第一外钻杆5.1和第二外钻杆5.2，第一外钻杆5.1与内钻杆4沿周向可相对转动且沿轴向可滑动，第二外钻杆5.2与内钻杆4沿周向可相对转动，环形连接座8包括连接在第一外钻杆底端的环形上连接座8.1和连接在第二外钻杆顶部的环形下连接座8.2；各变径叶片9均包括上变径叶片9.1和下变径叶片9.2；上变径叶片9.1的上端与环形上连接座8.1铰接，下变径叶片9.2的下端与环形下连接座8.2铰接，且上变径叶片9.1的下端与下变径叶片9.2的上端铰接。更加具体的，本实施例中，各个铰接处均设置有铰支轴座10，即在环形上连接座8.1外壁上设置有多个沿其周向分布的第一铰支轴座10.1,各上变径叶片9.1的上端转动连接在第一铰支轴座10.1上，同样的，上变径叶片9.1的下端与下变径叶片9.2的上端通过第二铰支轴座10.2转动连接，在环形下连接座8.2的外壁上设置有多个沿其周向分布的第三铰支轴座10.3，各下变径叶片9.2的下端分别转动连接在对应的第三铰支轴座10.3上；通过外钻杆5与内钻杆4之间的相对移动实现上变径叶片9.1、下变径叶片9.2沿着钻杆组件2的径向方向相对转动，以实现钻孔外径的变化调整。

再一方面的，上述结构中为了实现变径机构1具有传扭效果，保证钻孔的稳定性，在上述的变径机构1中还设置了传扭机构50；本实施例中，具体的在环形下连接座8.2的外周壁上设置有多根沿其轴向延伸的传扭杆50.2，相应的，在环形上连接座8.1的外周壁上对应的设置有多个传扭杆上支座50.1，各传扭杆50.2的上端分别滑动配合在各对应的传扭杆上支座50.1中，并且各传扭杆50.2的下端均通过传扭杆下支座50.3连接在环形下连接座8.2上，如图7所示。

另外的，本实施例中，如图5、6所示，为了更好的保证外钻杆5与内钻杆4之间平滑的相对转动，在外钻杆5与内钻杆4之间的环状间隙中设有无油衬套7，且无油衬套7包括设置在第一外钻杆5.1下端与内钻杆4外壁之间的上无油衬套7.1以及设置在第二外钻杆5.2顶部与内钻杆4外壁之间的下无油衬套7.2；且上无油衬套7.1的外圈与第一外钻杆5.1固定连接，内圈与内钻杆4沿轴向滑动配合；下无油衬套7.2外圈与第二外钻杆5.2固定连接，内圈与内钻杆4外壁沿周向可相对转动的配合。此结构中，还可以采用上无油衬套7.1内圈与内钻杆4外壁固定连接，外圈与第一外钻杆5.1滑动配合的形式，相应的下无油衬套7.2内圈与内钻杆4外壁固定连接，外圈与第二外钻杆5.2沿周向可相对转动配合。

再一方面的，如图2、3和9所示，上述结构中双向搅拌钻头包括固定连接在外钻杆5下端的外管45以及固定连接在内钻杆4下端的内钻杆46；内钻杆46外壁上连接有第一搅拌叶片42.2，外管45上连接有外框架42.1，外框架42.1的内壁上设置有第二搅拌叶片42.3，且第二搅拌叶片42.3与第一搅拌叶片42.2之间能够相对转动互不干涉，外钻杆5与内钻杆4在动力单元48作用下相对转动，从而带动双向搅拌钻头42双向搅拌；另外的，在内管的底端连接有掘进翼片42.4，进一步增强旋搅效果，保证搅拌桩质量。

另外的，如图6、13所示，注浆单元6包括设置在中心管3外部与内钻杆4内壁之间的第一注浆通道6.2以及设置在中心管3内的第二注浆通道6.2；内钻杆4外壁上与变径机构1相对应的位置开设有与第一注浆通道6.1连通的第一喷浆口34；另外的，在双向搅拌钻头42中设有至少一个喷浆口，可设置在第一搅拌叶片42.2或掘进叶片42.4上，喷浆口的截面形式可以是圆形、方形、菱形等多种形式。另外的，在内管46外壁上还可以设置有与第一注浆通道6.1连通的第二喷浆口35；掘进翼片42.4上设置有与第二注浆通道6.3连通的第三喷浆口36。更加具体的，在上动力头15上设置有与第一注浆通道6.1连通的第一水龙头37，与第二注浆通道6.2的第二水龙头38，如图2所示。

如图2、4和8所示，液压机构30包括液压泵站31和两个液压油缸32；液压泵站31固定连接在悬挂组件47的上盖板20下方用于给液压油缸32提供动力，且液压泵站31的控制系统通过电磁阀集成在桩机驾驶舱控制面板中；两个液压油缸32的上下两端分别通过液压油缸连接座33连接在双侧上托板11和双侧下托板12上；具体的，在双侧上托板11上均设置有用于供两个液压油缸32的上端连接的液压油缸上连接座33.1，在双侧下托板12上均设置有用于供两个液压油缸32的下端连接的液压油缸下连接座33.2。

为了保证上下动力头之间相对移动的稳定性，上述结构中的液压机构30还包括导向机构19，导向机构19包括上导向座19.1、导向轴19.2以及下导向座19.3，上导向座19.1和下导向座19.3分别固定连接在双侧上托板11和双侧下托板12上；导向轴19.2下端与下导向座19.3固定连接，上端与上导向座19.1滑动连接，如图2、4和8所示。

上述结构中，悬挂组件通过导向背板14与桩机的导向组件滑动配合，具体的，该导向背板14包括上滑动导向背板14.1和下滑动导向背板14.2，另外的，双侧上托板11的一端分别连接在上滑动导向背板14.1的两侧，双侧下托板12的一端分别连接在下滑动导向背板14.2的两侧，如图2所示。

实施例二：

如图10-15所示，本实施例大体结构与实施例一相同，唯一的区别是传扭机构50的具体形式不同；本实施例中在第一外钻杆5.1的下端连接有外六方传扭公接头50.4，第二外钻杆5.2的上端连接有内六方传扭母接头50.5，且外六方传扭公接头50.4的下端沿轴向可滑动的插装在内六方传扭母接头50.5中，通过多边形的插装结构实现传扭，结构简单且传扭平稳。

实施例三：

如图16、17和18所示，本实施例大体结构与实施例一相同，唯一的区别是本实施例中，注浆单元6还可以包括设置在内钻杆4外壁与第一外钻杆5.1内壁之间的第三注浆通道6.3，在下动力头16上设置的有与第三注浆通道6.3连通的第三水龙头39，并且在上变径叶片9.1的内壁上设置有与第三注浆通道6.3连通的喷浆管40，并且该喷浆管40靠近第一外钻杆5.1的一端与第三注浆通道6.3通过柔性管43连接，该喷浆管40出口替代了实施例一中的第一喷浆口34。

另外的，本实施例中的上无油衬套7.1只能采用外圈与第一外钻杆5.1固定连接，内圈与内钻杆4沿轴向滑动配合安装形式；下无油衬套7.2的连接形式与实施例一相同。

另一方面的，本发明还公开了一种带扩径功能的双向搅拌钻具的成桩施工方法，其施工工艺包括以下步骤：

S1:将需要施工的场地平整；

S2:将带有扩径功能的双向搅拌钻具的桩机运输到待施工场地，按设定桩位定位并对中，连接注浆泵与水龙头；

S3:启动桩机和注浆泵，依据预设施工参数通过搅拌钻机运行模块控制钻机动力单元48，分别对上下动力头施加顺时针与逆时针扭矩和竖向钻压，依据预设施工参数进行双向搅拌桩施工，在下钻搅拌过程中，可根据设计要求，不启动液压机构30、或远程启动一次液压机构30带动内钻杆4与外钻杆5的沿轴向相对移动，或者多次远程启动液压机构30带动内钻杆4与外钻杆5的沿轴向相对移动，直至下钻搅拌至设计深度；

S4:到达设计深度后，依据预设施工参数通过搅拌钻机运行模块控制钻机动力单元48，并对上下动力头施加顺时针和逆时针扭矩与提拔力，进行钻机上行阶段的搅拌桩二次搅拌。在提钻搅拌过程中，可根据设计要求，不启动液压机构30、或远程启动一次液压机构30带动内钻杆4与外钻杆5的沿轴向相对移动，或者多次远程启动液压机构30带动内钻杆4与外钻杆5的沿轴向相对移动，直至提钻搅拌至地面；

S5:结束本搅拌桩施工，并进行钻机移位至下一根桩位，并重复上述步骤。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入发明的保护范围。