專利名稱：斜向嵌巖樁施工設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及港口建筑施工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種斜向嵌巖樁施工設(shè)備。
技術(shù)背景目前國(guó)外在港口工程中，斜向嵌巖樁的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，其嵌巖直徑也越來(lái)越大。 國(guó)內(nèi)直樁嵌巖在建筑工程、橋梁工程及港口工程等已較為普遍，如寶鋼馬跡山碼頭嵌巖直 徑也達(dá)Φ 2600mm。但斜向嵌巖樁在港口工程的應(yīng)用實(shí)例較少，目前僅在深圳鹽田二、三期碼頭工程、 浙江舟山冊(cè)子島金山石化油碼頭工程和武漢陽(yáng)邏國(guó)際集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)中心碼頭工程中得到一 定的應(yīng)用，其嵌巖直徑為Φ 800 Φ 1200mm，斜度一般為7 1 5 1，施工所用鉆機(jī)均 為液壓鉆機(jī)。其中深圳鹽田港區(qū)二、三期碼頭工程(四航局承建)，斜向芯柱嵌巖直徑為 Φ 1200mm,樁身斜度6 1，斜樁嵌巖分別采用了日本產(chǎn)L-3型斜孔鉆機(jī)和德國(guó)產(chǎn)B6型斜孔 鉆機(jī)。L-3型鉆機(jī)最大扭矩30kN · m,對(duì)鉆頭施加壓力500kN，鉆機(jī)自重140kN ；B6型鉆機(jī)最 大扭矩95kN*m，對(duì)鉆頭施加壓力800kN，鉆機(jī)自重210kN。浙江舟山冊(cè)子島金山石化油碼頭 工程(三航局承建)，部分樁基斜向芯柱嵌巖樁直徑為Φ 1200πιπι，樁身斜度為5 1，斜樁嵌 巖采用了南京東升公司生產(chǎn)的ZSD-150型斜孔鉆機(jī)。ZSD-150型鉆機(jī)最大扭矩SOkN ·πι，對(duì) 鉆頭施加壓力200kN，鉆機(jī)自重160kN。武漢陽(yáng)邏國(guó)際集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)中心碼頭工程(三航局承 建)，斜向芯柱嵌巖樁直徑為Φ 1000mm，樁身斜度為7 1，采用GPS-150型回旋鉆機(jī)改造底 盤結(jié)構(gòu)后實(shí)施斜樁嵌巖。以上這些工程嵌巖最大直徑Φ 1200mm,隨著碼頭的深水和大型化發(fā)展，在復(fù)雜地 質(zhì)條件下，嵌巖直樁將超過(guò)Φ 1200mm才能滿足要求。國(guó)外的斜向嵌巖樁施工設(shè)備價(jià)格昂 貴，而國(guó)內(nèi)在大直徑斜向嵌巖施工仍處于空白狀態(tài)，無(wú)相應(yīng)的施工經(jīng)驗(yàn)，缺少專業(yè)的斜向嵌 巖施工設(shè)備和廠家。因此申請(qǐng)人結(jié)合洋山港Φ 1500mm的斜向嵌巖樁工程，針對(duì)國(guó)產(chǎn)鉆進(jìn)進(jìn) 行研究和改造，使之滿足工程施工需求
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種斜向嵌巖樁施工設(shè)備。該設(shè)備通過(guò)改進(jìn)鉆頭、鉆桿 桿體、鉆桿穩(wěn)桿器、鉆桿導(dǎo)向器以及配重塊，使得整個(gè)施工設(shè)備的鉆具部分在結(jié)構(gòu)改造后， 能在斜樁嵌巖施工時(shí)保持一定的鉆壓以達(dá)到嵌巖成孔的目的。上述實(shí)用新型的具體技術(shù)方案如下這種斜向嵌巖樁施工設(shè)備，包括鉆機(jī)本體和鉆具；所述鉆具包括通過(guò)法蘭依次連 接的鉆頭、加強(qiáng)鉆桿、導(dǎo)向器以及與用來(lái)鉆機(jī)連接帶動(dòng)整個(gè)鉆具工作的傳力桿；其特征在 于，所述由復(fù)數(shù)節(jié)鉆桿組成的傳力桿，其中每三節(jié)鉆桿設(shè)置一個(gè)穩(wěn)桿器，穩(wěn)桿器間距為9m ； 所述穩(wěn)桿器為軸身上設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)穩(wěn)桿支撐桿(通常安置4個(gè))的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸材質(zhì) 為型鋼，采用鋼珠滾動(dòng)結(jié)構(gòu)。這樣不但可避免轉(zhuǎn)動(dòng)軸損壞現(xiàn)象，并可減少鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。上述方案中，所述導(dǎo)向器通過(guò)法蘭連接安置于加強(qiáng)鉆桿與傳力桿之間，所述導(dǎo)向
3器為一內(nèi)徑小于鋼套筒的圓柱體，其柱側(cè)面設(shè)有用來(lái)和鋼套筒滾動(dòng)連接的復(fù)數(shù)個(gè)導(dǎo)向滾 輪。上述方案中，所述配重塊安置在導(dǎo)向器的上部。上述方案中，所述加強(qiáng)鉆桿成厚壁管狀的，其內(nèi)壁直徑與上部的鉆桿內(nèi)徑相同。上述方案中，所述鉆頭為牙輪鉆頭，牙輪鉆頭上部增設(shè)有封閉的空心筒腔。上述方案的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)對(duì)鉆具總成的改進(jìn)，保證斜樁嵌巖成孔的施工質(zhì)量，提 高施工工效，減少設(shè)備故障。


圖1為鉆頭結(jié)構(gòu)分析圖。圖2a為鉆桿穩(wěn)桿器結(jié)構(gòu)圖。圖2b為圖2a的1-1剖面圖。圖3為鉆桿導(dǎo)向器橫截面示意圖。圖4a為加強(qiáng)鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖。圖4b為圖4a的1-1剖面圖。圖5a為配重塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖5b為圖5a的1-1剖面圖。圖6-1和圖6-2分別為整個(gè)施工設(shè)備和設(shè)備中鉆具的總體結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下 面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。本實(shí)用新型具體通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如這種現(xiàn)有設(shè)備為液壓式動(dòng)力頭回 旋鉆機(jī)。這種鉆機(jī)根據(jù)不同地質(zhì)條件可設(shè)定為恒壓鉆進(jìn)或恒速鉆進(jìn)主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。表1XZ-30型液壓式動(dòng)力頭回旋鉆機(jī)主要性能參數(shù)表 這種鉆機(jī)具有大扭矩和大直徑施工能力，但此前從未實(shí)施過(guò)斜孔嵌巖，尚缺少與 斜孔嵌巖相配套的輔助設(shè)施。本實(shí)用新型通過(guò)結(jié)合具體工程的特點(diǎn)和斜孔樁嵌巖施工原 理，研制和改進(jìn)了這種鉆機(jī)進(jìn)行斜孔嵌巖所需的鉆頭、加強(qiáng)鉆桿、導(dǎo)向器、穩(wěn)桿器和配重塊 等配套設(shè)施。下面從幾方面來(lái)具體介紹(一)鉆頭的改進(jìn)；通常嵌巖成孔鉆進(jìn)時(shí)需要在一定的鉆壓下，旋轉(zhuǎn)鉆頭粉碎巖層，形成嵌巖孔。在直 樁嵌巖施工時(shí)，可以通過(guò)增大配重、鉆頭自重、鉆機(jī)加壓等來(lái)達(dá)到需要的鉆壓，鉆進(jìn)過(guò)程中 鉆桿幾乎不受橫向荷載影響，而可以順利傳遞扭矩并實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)目的。在斜樁嵌巖施工時(shí)，鉆頭出套筒后，如果鉆頭重量太大，會(huì)產(chǎn)生較大的豎向力而導(dǎo) 致鉆孔歪斜，影響斜向嵌巖樁的質(zhì)量。因此，本實(shí)用新型所述設(shè)備通過(guò)減少出套筒后鉆頭的 豎向分力，同時(shí)也保持一定的鉆壓以達(dá)到嵌巖成孔的目的。結(jié)合具體工程時(shí)，嵌巖鉆頭設(shè)計(jì)為球齒形滾刀式牙輪鉆頭，鉆頭外徑為Φ 1500mm， 鉆頭總高度為2. 5m，鉆頭重量35kN，鉆頭結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1。為保證鉆頭出鋼套筒斜向嵌巖鉆進(jìn) 過(guò)程中，避免鉆頭在垂直力作用下發(fā)生向下偏心鉆進(jìn)現(xiàn)象，在牙輪鉆頭上增設(shè)了封閉的空 心筒式結(jié)構(gòu)，空腔102結(jié)構(gòu)體積約為1. 35m3，鉆頭總體排水體積合計(jì)約為1. 8m3，如泥漿比重 按1.45g/cm3計(jì)算，則鉆頭在泥漿中產(chǎn)生的浮力約為26kN，能抵消75%的鉆頭垂直力。同 時(shí)，鉆頭在加強(qiáng)鉆桿101及導(dǎo)向器作用下，保證鉆頭能沿著斜孔樁軸線鉆進(jìn)。( 二)鉆桿穩(wěn)桿器的改進(jìn)；鉆桿是鉆進(jìn)成孔過(guò)程中鉆壓和扭矩由鉆機(jī)傳遞至鉆頭的主要傳力桿。在直樁嵌巖旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工時(shí)，鉆桿的受力方向與鉆桿的軸線基本能吻合，也就基本能夠保證鉆壓和扭 矩的傳遞，滿足施工要求。然而，在斜樁嵌巖過(guò)程中，由于鉆桿存在一定的傾斜角，受自重的 影響，鉆桿受力方向與其軸線方向有了一定的偏角，加上鉆壓的影響，會(huì)導(dǎo)致鉆桿發(fā)生壓桿 失穩(wěn)的危險(xiǎn)。因此，解決此問(wèn)題的思路之一是在鉆桿中間位置設(shè)置垂直于鉆桿的橫向約 束，即穩(wěn)桿器。穩(wěn)桿器同時(shí)可有效防止鉆桿在受壓狀態(tài)下變形，穩(wěn)桿器間距為9m左右，即每三節(jié) 鉆桿設(shè)置一個(gè)穩(wěn)桿器。原鉆桿穩(wěn)桿器轉(zhuǎn)動(dòng)軸為硬質(zhì)木板滑動(dòng)結(jié)構(gòu)，在實(shí)施斜孔嵌巖時(shí)，滑動(dòng) 木板在壓力作用下極易損壞，因此，將轉(zhuǎn)動(dòng)軸設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)和鋼珠滾動(dòng)結(jié)構(gòu)，不但避免轉(zhuǎn)動(dòng) 軸損壞現(xiàn)象，并可減少鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。穩(wěn)桿器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其中，穩(wěn)桿器為兩端設(shè)有鉆桿連接 口 201，且軸身上設(shè)有4個(gè)穩(wěn)桿支撐桿的轉(zhuǎn)動(dòng)軸202。(三)鉆桿導(dǎo)向器設(shè)計(jì)；此前國(guó)內(nèi)的斜樁嵌巖設(shè)備，由于樁徑小，或者巖石強(qiáng)度較低，鉆進(jìn)所需的鉆壓也較 小，以此鉆頭等設(shè)備的重量小，通常也能滿足小直徑嵌巖樁的鉆進(jìn)施工。比如在洋山三期的 1500mm直徑斜樁嵌巖的施工中，需要將樁嵌入到硬質(zhì)巖中，國(guó)內(nèi)的鉆頭已經(jīng)不能滿足要求。 在綜合參考了國(guó)外的鉆機(jī)設(shè)備后，設(shè)計(jì)了導(dǎo)向器來(lái)加強(qiáng)鉆桿出套筒后的穩(wěn)定性。鉆頭出鋼護(hù)筒后，由于鉆頭的自重較大，會(huì)導(dǎo)致在自重作用下鉆桿未出鋼護(hù)筒就 偏離了設(shè)定的軸線，為了加強(qiáng)鉆桿的同軸性，保證扭矩的順利傳遞，研究中在鋼護(hù)筒內(nèi)最底 端的鉆桿上設(shè)置了導(dǎo)向裝置，即鉆桿導(dǎo)向器。導(dǎo)向器不出鋼套筒，導(dǎo)向器亦為一般鉆桿和出 套筒加強(qiáng)鉆桿的連接器。參見(jiàn)圖3，導(dǎo)向器通過(guò)法蘭302連接安置于加強(qiáng)鉆桿與傳力桿之間，為一般鉆桿和 出套筒加強(qiáng)鉆桿的連接器，導(dǎo)向器為一內(nèi)徑稍小于鋼套筒301的圓柱體，其柱側(cè)面設(shè)有用 來(lái)和鋼套筒滾動(dòng)連接的復(fù)數(shù)個(gè)導(dǎo)向滾輪303。由于導(dǎo)向器的直徑較大，稍稍小于鋼套筒內(nèi)徑，因此鉆進(jìn)過(guò)程中導(dǎo)向器與鋼套筒 之間會(huì)產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)摩阻力。為減少動(dòng)力頭效率的損失，保證動(dòng)力頭扭矩盡量轉(zhuǎn)遞到鉆 頭，導(dǎo)向裝置與鋼套筒之間設(shè)計(jì)為滾動(dòng)摩擦。另一方面，導(dǎo)向器的設(shè)置極大程度上保證了鉆桿的同軸性，使鉆進(jìn)成孔得以順利 實(shí)施。(四)加強(qiáng)鉆桿設(shè)計(jì)；如果說(shuō)鋼套筒內(nèi)的鉆桿在穩(wěn)桿器和導(dǎo)向器的作用下能夠保證鉆壓和扭矩順利傳 遞的話，那么鉆桿出套筒后，橫向約束頓時(shí)消失，鉆壓和扭矩的傳遞程度就會(huì)大打折扣。為 了解決這一難題，課題組從出套筒后的鉆桿上著眼研究，設(shè)計(jì)了加強(qiáng)鉆桿。實(shí)踐證明加強(qiáng)鉆 桿如實(shí)的發(fā)揮了它的作用，保證了斜樁嵌巖施工質(zhì)量。首先，出鋼套筒的加強(qiáng)鉆桿部分采用特種鋼材，并將直徑加大至Φ600πιπι，提高了 鉆桿的剛度和強(qiáng)度，減小其在重力和鉆壓作用下的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，為了保證鉆進(jìn)成孔過(guò)程 中泥漿流動(dòng)順暢，加強(qiáng)鉆桿也同樣設(shè)計(jì)成厚壁管狀的，其內(nèi)壁直徑與上部的鉆桿內(nèi)徑相同。其次根據(jù)工程地質(zhì)條件及嵌巖要求，出鋼套筒部分的加強(qiáng)鉆桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為5m，加 強(qiáng)鉆桿及鉆頭出鋼套筒總長(zhǎng)度為7. 5m,即鉆頭出鋼套筒后的嵌巖最大深度為7. 5m,能夠滿 足洋山斜樁嵌巖2 4m的要求。如果要增大嵌巖深度，則需要增加加強(qiáng)鉆桿的長(zhǎng)度。加強(qiáng) 鉆桿大樣見(jiàn)圖4。
6[0046](五)配重塊設(shè)計(jì)；在巖石層鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭與巖石的切削面必須保證一定的壓力。在鉆機(jī)的改造設(shè)計(jì) 時(shí)，為了減小出鋼套筒后重力垂直樁軸線方向分力的影響，要盡量減小鉆頭重量，同時(shí)增大 由鉆機(jī)傳遞下來(lái)的鉆壓。然后增大鉆壓則意味著增加鉆桿發(fā)生壓桿失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)此問(wèn) 題，經(jīng)過(guò)研究，通過(guò)在鋼套筒內(nèi)設(shè)置配重塊的方法，即采用減壓鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)，減小鉆進(jìn)時(shí) 液壓動(dòng)力頭對(duì)鉆桿的壓力，防止鉆桿受壓過(guò)大后出現(xiàn)變形。配重塊設(shè)置在導(dǎo)向器上部，重120kN，高度為1. 5m，直徑為1. 5m。通過(guò)8個(gè)螺栓與 相鄰設(shè)備連接。配重塊大樣詳見(jiàn)圖5。(六)斜孔嵌巖鉆具總裝結(jié)構(gòu)；根據(jù)上文對(duì)鉆具各改進(jìn)部分的詳細(xì)介紹，在斜樁嵌巖成孔鉆進(jìn)時(shí)，專用鉆具總裝 結(jié)構(gòu)自下而上分別為特制鉆頭(牙輪鉆頭)601、加強(qiáng)鉆桿602、導(dǎo)向器603、配重塊604、穩(wěn) 桿器等605、鉆機(jī)606等，組裝結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-2。參見(jiàn)圖6-1，圖中為整個(gè)施工設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)。以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行 業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述 的只是說(shuō)明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還 會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型 要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求斜向嵌巖樁施工設(shè)備，包括鉆機(jī)本體和鉆具；所述鉆具包括通過(guò)法蘭依次連接的鉆頭、加強(qiáng)鉆桿、導(dǎo)向器以及與用來(lái)鉆機(jī)連接帶動(dòng)整個(gè)鉆具工作的傳力桿；其特征在于，所述由復(fù)數(shù)節(jié)鉆桿組成的傳力桿，其中每三節(jié)鉆桿設(shè)置一個(gè)穩(wěn)桿器，穩(wěn)桿器間距為9m；所述穩(wěn)桿器為軸身上設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)穩(wěn)桿支撐桿的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸材質(zhì)為型鋼，采用鋼珠滾動(dòng)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的斜向嵌巖樁施工設(shè)備，其特征在于，所述導(dǎo)向器通過(guò)法蘭連接安 置于加強(qiáng)鉆桿與傳力桿之間，所述導(dǎo)向器為一內(nèi)徑小于鋼套筒的圓柱體，其柱側(cè)面設(shè)有用 來(lái)和鋼套筒滾動(dòng)連接的復(fù)數(shù)個(gè)導(dǎo)向滾輪。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的斜向嵌巖樁施工設(shè)備，其特征在于，所述鉆頭為牙輪鉆頭，牙輪鉆 頭上部增設(shè)有封閉的空心筒腔。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種斜向嵌巖樁施工設(shè)備。該設(shè)備包括鉆機(jī)本體和鉆具；所述鉆具包括通過(guò)法蘭依次連接的鉆頭、加強(qiáng)鉆桿、導(dǎo)向器以及與用來(lái)鉆機(jī)連接帶動(dòng)整個(gè)鉆具工作的傳力桿；其特征在于，所述由復(fù)數(shù)節(jié)鉆桿組成的傳力桿，其中每三節(jié)鉆桿設(shè)置一個(gè)穩(wěn)桿器，穩(wěn)桿器間距為9m左右；所述穩(wěn)桿器為軸身上設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)穩(wěn)桿支撐桿的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸材質(zhì)為型鋼，采用鋼珠滾動(dòng)結(jié)構(gòu)。這樣不但可避免轉(zhuǎn)動(dòng)軸損壞現(xiàn)象，并可減少鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。該設(shè)備通過(guò)對(duì)鉆具總成的改進(jìn)，保證斜樁嵌巖成孔的施工質(zhì)量，提高施工工效，減少設(shè)備故障。
文檔編號(hào)E21B17/10GK201671562SQ201020135048
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日
發(fā)明者嚴(yán)建平, 劉凌云, 尹海卿, 張曦, 徐明賢, 曹義國(guó), 管有干, 陸大偉, 顧華平 申請(qǐng)人:中交第三航務(wù)工程局有限公司