潜孔锤凿岩植入嵌岩预应力管桩设备及其施工方法

摘要

本发明涉及一种潜孔锤凿岩植入嵌岩预应力管桩设备及其施工方法，针对解决现有同类产品结构和施工方法欠佳的问题而设计。该设备包括履带式打桩机、套管、上动力头、下动力头、长螺旋钻杆、潜孔锤、凿岩钻头、油雾器、空气压缩机、风管等；其要点是所述潜孔锤为风动潜孔锤，空气压缩机产生的高压风依次通过风管、油雾器、风管、上动力头后，再通过长螺旋钻杆内孔的风道，直至潜孔锤；所述套管通过下动力头驱动，逆时针方向旋转预埋入黏土层、砾石层和岩层后，套管内放入管桩，管桩嵌入岩层；履带式打桩机将套管慢慢拔出，用落锤锤击管桩的桩帽或送桩器，直至管桩固定于钻孔内，管桩与孔底岩层的岩石面有机结合。其适用于嵌岩预应力管桩的施工。

说明书

技术领域

本发明涉及干式打桩机及其施工方法，是一种潜孔锤凿岩植入嵌岩预应力管桩设备及其施工方法。

技术背景

打桩机一般由桩锤、桩架及附属设备等组成的建筑设备，其主要用于高层建筑的基层建设需要。桩锤一般依附在桩架前部两根平行的竖直导杆之间，两根导杆组成的导向架用以控制打桩方向，使桩按照设计方位准确地贯入地层，同时用提升吊钩吊升。其中，桩架一般为钢结构塔架，在其后部设有卷扬机，用以起吊桩和桩锤。现有一些打桩机采用干式结构，即通过潜孔锤成孔，用于岩层的钻孔和灌桩，如中国专利文献中披露的申请号200910126569.1，授权公告日2012.05.30，发明名称“一种干式气动凿岩钻孔桩机及其工法”；该桩机由桩架、上动力头、螺旋钻杆、下动力头、钢护筒、气动潜孔锤、30-60m³空压机和高压输气管组成；其工法特征一是安装设备，二是用气动潜孔锤破碎岩石，破碎后土体、石渣由螺旋叶片从出渣口排出桩孔外，三是施工土层、砂层与卵砾石层，用钢护筒护壁。但上述打桩机的施工成本较高，施工效率和环保效果虽佳，有待进一步改进和变革。

发明内容

为克服上述不足，本发明的目的是向本领域提供一种潜孔锤凿岩植入嵌岩预应力管桩设备及其施工方法，使其解决现有同类打桩机结构设计、植桩施工方法、嵌岩植桩效果欠佳的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。

一种潜孔锤凿岩植入嵌岩预应力管桩设备，该嵌岩预应力管桩设备的履带式打桩机设有操作室、支撑脚、配重、发电机组、起落架、斜撑、滑轮组、立柱、履带底座，以及对应的钢索、钢绳、卷扬机、线路和管路，所述立柱通过斜撑固定于履带式打桩机，套管的一端通过下动力头与立柱外径一侧的滑道连接，下动力头的外径一侧设有排渣孔；套管内套用的长螺旋钻杆一端与上动力头连接，上动力头与所述立柱的滑道连接，长螺旋钻杆的另一端通过导向接头与潜孔锤的一端连接，套管内的潜孔锤的另一端与凿岩钻头连接，凿岩钻头露出套管的另一端；其结构设计要点是所述潜孔锤为风动潜孔锤，上动力头通过风管与油雾器连接，油雾器通过另一所述风管与空气压缩机连接，即空气压缩机产生的高压风依次通过风管、油雾器、风管、上动力头后，再通过长螺旋钻杆内孔的风道，直至潜孔锤，驱动凿岩钻头打击黏土层、砾石层和岩层；所述套管通过下动力头驱动，逆时针方向旋转预埋入黏土层、砾石层和岩层后，套管内放入管桩，管桩嵌入岩层。上述嵌岩预应力管桩设备主要由履带式打桩机、套管、上动力头、下动力头、长螺旋钻杆、潜孔锤、凿岩钻头、油雾器、空气压缩机、风管等组成，履带式打桩机的操作室分别对于上动力头、下动力头、潜孔锤、凿岩钻头，以及履带式打桩机的支撑脚、卷扬机、发电机组、起落架等设备和履带式打桩机的转向进行控制，调节、纠正套管的中心偏差，移动履带式打桩机的位置，控制上动力头、下动力头、长螺旋钻杆、潜孔锤、凿岩钻头工作。该嵌岩预应力管桩设备通过成孔的套管植入管桩完成打桩，凿岩钻头在岩层成孔后，长螺旋钻杆、潜孔锤、凿岩钻头提离套管，套管内放入管桩，从而防止黏土层、砾石层和岩层中水、沙等流体对于混凝土凝固的影响，以及混凝土凝固过程对于地下水等环境的影响。上述管桩即为潜孔锤凿岩植入的嵌岩预应力管桩，履带式打桩机通过潜孔锤带动凿岩钻头高频振动打穿黏土层、砾石层和岩层，并通过下动力头带动套管与长螺旋钻杆同时跟进钻孔，钻孔形成的同时套管保护成形的钻孔，钻孔过程中黏土层、砾石层和岩层的土石通过长螺旋钻杆排出下动力头的排渣孔。

所述管桩呈圆柱形空心管桩，两端分别设有铁圈，铁圈的端面设有孔槽。铁圈便于管桩的焊接延长，铁圈的孔槽便于焊接位置通过钢筋固定连接和导向。

所述履带式打桩机的立柱一侧设有送桩器，送桩器设有落锤。上述送桩器和落锤设置于履带式打桩机的设置，便于了管桩的放置、锤击和拔出。

根据上结构特征，其潜孔锤凿岩植入嵌岩预应力管桩设备的施工方法为：所述潜孔锤通过风管提供的高压油雾气体带动凿岩钻头高频振动，上动力头带动长螺旋钻杆旋转，下动力头带动套管旋转，随着潜孔锤和凿岩钻头同时跟进，钻孔产生的渣土由长螺旋钻杆旋转、空气压缩机运行随着下动力头的排渣孔排出；具体为：高压油雾气体通过空气压缩机和油雾器产生，开孔时潜孔锤和凿岩钻头采取慢速冲击，冲钻过程中采用匀速慢进；当空气压缩机的气压达到24Mpa压力时，凿岩钻头随旋转振动，开动上动力头进行冲钻；钻孔达到设计孔深后，套管的上口高于地面，潜孔锤的孔底通过气压清孔2～3分钟，并随长螺旋钻杆提升排除沉渣；长螺旋钻杆提升移出套管后，套管与下动力头脱离，履带起重机吊装管桩从套管的上口慢慢下入至孔底，用落锤锤击管桩和套管的桩帽或送桩器，直至管桩和套管固定于钻孔内，管桩与孔底岩层的岩石面有机结合。所述套管通过上动力头、长螺旋钻杆、下动力头、潜孔锤、凿岩钻头预埋入黏土层、砾石层和岩层后，管桩直接放入套管内，从而提高了工作效率和工程质量，较少了环境的污染。

根据上述施工方法，亦可省略套管，仅在钻孔内留下管桩，其具体为：所述潜孔锤通过风管提供的高压油雾气体带动凿岩钻头高频振动，上动力头带动长螺旋钻杆旋转，下动力头带动套管旋转，随着潜孔锤和凿岩钻头同时跟进，钻孔产生的渣土由长螺旋钻杆旋转、空气压缩机运行随着下动力头的排渣孔排出；具体为：高压油雾气体通过空气压缩机和油雾器产生，开孔时潜孔锤和凿岩钻头采取慢速冲击，冲钻过程中采用匀速慢进；当空气压缩机的气压达到24Mpa压力时，凿岩钻头随旋转振动，开动上动力头进行冲钻；钻孔达到设计孔深后，套管的上口高于地面，潜孔锤的孔底通过气压清孔2～3分钟，并随长螺旋钻杆提升排除沉渣；长螺旋钻杆提升移出套管后，套管与下动力头脱离，履带起重机吊装管桩从套管的上口慢慢下入至孔底，履带式打桩机将套管慢慢拔出，用落锤锤击管桩的桩帽或送桩器，直至管桩固定于钻孔内，管桩与孔底岩层的岩石面有机结合。上述施工方法节约了套管的使用，也节约了施工成本，同时能达到相同的技术目的和技术效果。

所述履带式打桩机的立柱一侧设有送桩器，送桩器上设有落锤；钻孔成形后，套管与下动力头脱离，转动履带式打桩机的方向；管桩通过履带起重机放入套管内，再转动履带式打桩机拔起套管；然后用履带式打桩机的卷扬机吊装落锤，通过送桩器对管桩进行锤击。

所述管桩需焊接延长时，管桩放入至高出套管的上口0.5m。套管上口应高于地面，利于套管起拔，同时因中风化层深度起伏较大，套管上口高于地面长度便以控制。

所述凿岩钻头进入岩层时，潜孔锤与套管保持同步跟进，进行1～2次提拔长螺旋钻杆，对套管内进行排渣清孔；上述清孔过程中尤其是在大块径砂卵石的砾石层尤为重要，其有效防止卡钻、埋钻和提高钻进效率。达到设计孔深后，潜孔锤的孔底通过气压清孔2～3分钟随长螺旋钻杆提升排除沉渣。将长螺旋钻杆提升，钻出的渣就可直接排至孔外，完成钻孔的清孔，通过高压高速压力风的清理后，孔底被清理干净，基本不存在沉渣。

本发明为干式植桩设备和实施方法，其结构设计合理，设备进场、装卸、维修方便，施工过程节能环保，施工效率快；适用于嵌岩预应力管桩的施工，及其同类施工方法和设备的改进。

附图说明

图1是本发明的履带式打桩机结构示意图一。

图2是本发明的履带式打桩机结构示意图二。

图3是本发明的实施例结构示意图。

图4是本发明的管桩部分结构示意图。

图5是本发明的潜孔锤和凿岩钻头连接状态结构示意图。

图6是本发明的凿岩钻头结构示意图。

图7本发明的施工流程方框示意图。

附图序号及名称：1、履带式打桩机，2、配重，3、发电机组，4、起落架，5、斜撑，6、滑轮组，7、立柱，8、履带底座，9、落锤，10、送桩器，11、上动力头，12、长螺旋钻杆，13、下动力头，14、套管，15、风管，16、油雾器，17、空气压缩机，18、潜孔锤，19、凿岩钻头，20、管桩。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的结构和使用作进一步描述。如图1～图6所示，该嵌岩预应力管桩设备的履带式打桩机1设有操作室、支撑脚、配重2、发电机组3、起落架4、斜撑5、滑轮组6、立柱7、履带底座8，以及对应的钢索、钢绳、卷扬机和线路，所述立柱通过斜撑固定于履带式打桩机，立柱的顶端设有滑轮组，底端固定于履带式打桩机的前端，履带式打桩机的后端设有发电机组和配重，对应的钢索和钢绳分别与履带式打桩机上的卷扬机连接，履带式打桩机设有前、后支撑脚，履带式打桩机上设有起落架、斜撑，起落架、支撑架采用液压结构。套管14的一端通过下动力头13与立柱外径一侧的滑道连接，下动力头的外径一侧设有排渣孔；套管内套用的长螺旋钻杆12一端与上动力头11连接，上动力头与所述立柱的滑道连接，长螺旋钻杆的另一端通过导向接头与潜孔锤18的一端连接，套管内的潜孔锤的另一端与凿岩钻头19连接，凿岩钻头露出套管的另一端；所述潜孔锤为风动潜孔锤，上动力头11通过风管15与油雾器16连接，油雾器通过另一所述风管与空气压缩机17连接，即空气压缩机产生的高压风依次通过风管、油雾器、风管、上动力头后，再通过长螺旋钻杆12内孔的风道，直至潜孔锤，驱动凿岩钻头19打击黏土层、砾石层和岩层；所述套管14通过下动力头13驱动，逆时针方向旋转预埋入黏土层、砾石层和岩层后，套管内放入管桩20，管桩嵌入岩层，直至管桩与孔底岩层的岩石面有机结合。所述管桩呈圆柱形空心管桩，两端分别设有铁圈，铁圈的端面设有孔槽；所述履带式打桩机的立柱一侧设有送桩器10，送桩器上设有落锤9。

其施工方法具体如图1～图7所示，其流程如下：

（一）、桩位控制

测量放样桩位偏差不大于1cm，套管中心与桩位中心偏差不大于1cm。

（二）、冲钻成孔

由于采用全套管施工工艺，根据设计桩径Φ800 cm，拟选择大于Φ800 cm直径的潜孔锤钻头及外径相适应的套管全长埋设。

开孔时，桩机应平整稳固，保持水平，使长螺旋钻杆及套管垂直于地面，桩孔垂直度偏差小于1%。

履带式打桩机的上、下动力头型号均为200马力；空气压缩机二台，型号为1070HP高压，满足凿岩、排渣清孔的需要。上动力头作用为一边带动长螺旋钻杆、潜孔锤、凿岩钻头旋转，一边通过空气压缩机、风管与长螺旋钻杆、潜孔锤连接，在空气压缩机产生的风动力的驱动下，打击黏土层、砾石层和岩层；下动力头作用为驱动套管，随着潜孔锤进尺而使套管跟进。钻孔产生的渣土由长螺旋钻杆旋转及空气压缩机运行随着下动力头排渣孔排出；为保证套管较好的护壁作用，防止卡钻、埋钻和提高钻进效率，在进入岩石前钻进时，要保持潜孔锤与套管的同步跟进，并且要进行1～2次提拔长螺旋钻杆排渣清孔，尤其是在大块径砂卵石层尤为重要；套管的入岩深度要认真控制，最大进入岩层20cm，以减少套管和岩壁的摩擦，延长套管钻头的使用寿命。

先启动空气压缩机，当气压达到24Mpa压力时，潜孔锤形成随旋转振动，并带动凿岩钻头高频振动，开动钻机上动力头进行冲钻。为防止偏孔，开孔时要采取慢速冲击；套管解决了防止桩孔坍孔、卡钻或埋钻的问题。套管随潜孔锤进尺而跟进至基岩面后关闭下动力头，跟进的套管停止，上动力头带潜孔锤继续冲钻入中风化岩层不小于1m。

冲钻过程中采用匀速慢进，潜孔锤每遇阻力大时长螺旋钻杆向上提升排除钻渣，利用长螺旋钻杆测孔深，孔深达到设计要求的同时采用空气压缩机气压达到24Mpa压力进行清孔。

套管上口应高于地面（利于套管起拔），因中风化层深度起伏较大，套管上口高于地面长度难以控制。

钻进参数：1070HP空气压缩机，钻进过程中为24Mpa气压，进入岩层电流表参数值为220A，潜孔锤气压值2.41～3钻进过程中禁止移动钻机，要保持机架的稳定；按设计要求桩基端头进入持力层1米深度，可本钻机随机取样困难，为保证桩基施工质量，钻孔深度可根据地质勘察报告，再利用桩架上的高度标志进行控制，潜孔锤进入岩层时，从钻机钻进的转动声音判断，入岩深度便于控制。中风化层深度起伏较大，为了工程保险起见，应全段面进入持力层，按1～2倍设计入岩深度来进行控制。

（三）、清孔

钻孔达到设计孔深后潜孔锤孔底通过气压清孔2～3分钟随长螺旋钻杆提升排除沉渣。在钻机潜孔锤头端部设有排渣通道，凿除的渣可利用压力风为介质由排渣通道排到长螺旋钻杆上，将长螺旋钻杆提升，钻出的渣直接排至孔外，完成钻孔的清孔，通过高压高速压力风的清理后，孔底被清理干净，基本不存在沉渣。

（四）、植入管桩施工

下放管桩步骤：管桩按照终孔深度在预备孔中先进行接桩，后用履带起重机吊装已成型管桩，使用钢绳吊装在管桩顶端的抱箍上，把管桩从预备孔中吊起对准套管的孔口慢慢下入，最后将管桩下到孔底。

混凝土预制桩的管桩需要拼接时，管桩的连接采用焊接连接。接管桩的材料应符合下列规定：焊接接桩的钢钣宜采用低碳钢，焊条宜采用E43；并应符合现行行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81要求。同时，符合下列规定：

a、下节管桩段的桩头宜高出地面0.5m；

b、下节管桩的桩头处设有导向箍。接桩时上下节管桩段应保持顺直，错位偏差不大于2mm。接管桩就位纠偏时，不得采用大锤横向敲打；

c、管桩对接前，上下端板表面应采用铁刷子清刷干净，坡口处应刷至露出金属光泽；

d、焊接宜在管桩四周对称地进行，待上下管桩固定后施焊；焊缝应连续、饱满；

e、焊好后的管桩接头应自然冷却后方可继续锤击，自然冷却时间不少于8min；严禁采用水冷却或焊好即施打；雨天焊接时，应采取可靠的防雨措施；

f、焊接接头的质量检查，对于同一工程探伤抽样检验不少于3个接头。

接管桩的方法：一般情况下第一节管桩先下放入15米深的预备孔中，待能够确定桩长后，如已进入持力层面，根据持力层面的深度来确定桩长，再根据桩长起吊第二节管桩进行接桩，第二节管桩焊接前应先调整好垂直度。

（五）、套管起拔

当管桩下放完成，检查无误后，用桩机将套管拔出。

（六）、锤击沉桩

用落锤锤击桩帽或送桩器，达到标准后停锤。

（七）、常见质量问题及技术措施

防止孔斜的措施

1、桩机平台应控制水平，立柱控制垂直向下，套管和长螺旋钻杆保持垂直向下。

2、桩机要稳定，套管不偏斜。

3、钻孔时长螺旋钻杆始终应同套管保持在同一平行线上。