一种嵌岩斜桩施工用筒式高效冲击钻头的制作方法

[0001]
本发明属于工程桩基施工技术领域，尤其涉及一种嵌岩斜桩施工用筒式高效冲击钻头。


背景技术：

[0002]
随着我国海域经济的高速发展，大量沿海城市正兴建众多高桩多功能泊位码头，而码头及其构筑物则多采用海上桩基础。为满足桩基础承压、抗拔、抗剪和垂直要求，桩基础部分设计为嵌岩灌注斜桩，且桩端持力层进入中、微风化基岩中。
[0003]
在嵌岩斜桩施工，尤其是河流或海港码头上进行嵌岩斜桩施工时，施工平台往往是简易搭设的钢平台，此时普通回转钻机难以倾斜安装，造成斜桩成孔困难大；若采用可调节大角度成孔的旋挖钻机施工，则受旋挖钻机自重太大的影响，普通钢结构平台难以满足施工要求。因此，嵌岩斜桩施工通常采用钢丝绳冲击钻机配合冲击钻头进行冲击成孔。
[0004]
目前，嵌岩斜桩施工中常用的冲击钻头为十字型钻头和空心圆筒式钻头。现有冲击钻头及其成孔工艺存在下述技术缺陷：
[0005]
(1)冲击成孔效率低下，通常小于0.1m/h；
[0006]
(2)冲击钻头在冲击过程中只提供冲击力，不能修正钻孔方向；
[0007]
(3)冲击钻头在冲击过程中旋转运动同时受到钻头外壁螺旋状螺纹和提拉钢丝绳的影响，旋转方向和角度不受控制；
[0008]
(4)钻头冲击过程中，孔内泥浆处于无循环状态，造成空气清洁状况不佳，钻头存在重复破岩的现象。鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种嵌岩斜桩冲击成孔用筒式高效冲击钻头及其连续冲击成孔工艺，以提高大直径嵌岩斜桩的施工效率，从而降低生产成本。


技术实现要素：

[0009]
鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种嵌岩斜桩冲击成孔用筒式高效冲击钻头及其连续冲击成孔工艺，以提高大直径嵌岩斜桩的施工效率，从而降低生产成本。
[0010]
一种嵌岩斜桩施工用筒式高效冲击钻头主要包括：圆形钻筒体、齿座、单动装置和反循环排渣装置；
[0011]
所述圆形钻筒体包括：圆形钻筒、螺纹钢和辅绳吊环；
[0012]
所述齿座包括：基座、圆形过流孔、三角形支撑和冲击齿；
[0013]
所述单动装置包括：变径钻筒、l型钻筒、推力轴承、轴承座和主绳吊环；
[0014]
所述反循环排渣装置包括：中心管、单动接头、柔性吸水管、喇叭口和斜撑；
[0015]
所述圆形钻筒体由钢板卷制而成，钻筒外壁上呈螺旋状焊接有螺纹钢；
[0016]
所述齿座通过焊接的方式固定在钻筒下方，并通过三角形支撑进行焊接加固；
[0017]
所述单动装置通过焊接的方式固定在圆形钻筒体的上方；
[0018]
所述反循环排渣装置位于冲击钻头内部，与所述圆形钻筒体、所述齿座、以及所述
单动装置处于同心位置，且通过焊接的方式与所述圆形钻筒体的内壁固定在一起；
[0019]
进一步地，所述钻筒外壁上呈螺旋状焊接有所述螺纹钢，其焊接的螺旋角为30
°
～45
°
，螺纹头数为6～12头，螺纹直径为10mm～25mm，以实现冲击过程中钻头的旋转角度可调；
[0020]
进一步地，所述圆形钻筒体上端的内壁处设有4个辅绳吊环，供冲击钻机安装辅绳用，以防冲击钻头因为主绳脱落或其他原因导致的掉钻事故；
[0021]
进一步地，所述辅绳在靠近辅绳吊环处设有一个转动接头，防止冲击破岩过程中辅绳跟着圆形钻筒体一块转动；
[0022]
进一步地，所述齿座在不同半径处呈内凹环形台阶状，形成3个台阶面，依次为第一台阶面、第二台阶面和第三台阶面，且中心位置内凹深度最大，外环位置最高；
[0023]
进一步地，所述齿座在第二台阶面靠外圈的位置均匀布置有6个圆形过流孔，保持钻筒内外泥浆可顺畅通过；
[0024]
进一步地，所述齿座的3个台阶面上从中心向外圈分布有5圈不同排列方式和尺寸大小的所述冲击齿；
[0025]
进一步地，所述齿座的中心位置(第1圈)为1个锥形齿；第2圈为3个双圆锥齿与3个楔形齿交错排列；第3圈为6个锥形齿；第4圈为6个双圆锥与楔形组合齿；第5圈(最外圈)为18个双圆锥与楔形组合齿；
[0026]
进一步地，所述中心位置的圆锥齿直径大于其他位置的圆锥齿；其他位置的单圆锥齿及双圆锥齿的直径相同；
[0027]
进一步地，所述双圆锥与楔形组合齿为：双圆锥齿在前方，楔形齿在后方；
[0028]
进一步地，所述变径钻筒通过焊接的方式固定在所述圆形钻筒的上方，且所述变径钻筒通过一个圆锥形斜面将尺寸缩小，为其上方的所述推力轴承和所述轴承座安装提供空间；
[0029]
进一步地，所述l型钻筒通过焊接的方式固定在变径钻筒的上方，且所述l型钻筒的短边朝外，为所述推力轴承和所述轴承座的安装提供空间；
[0030]
进一步地，所述推力轴承为2个，分别设置在所述l型钻筒的短边上下，且由所述轴承座进行固定；
[0031]
进一步地，所述轴承座的上方设有4个吊环，供冲击钻机提升和下放冲击钻头用；
[0032]
进一步地，根据所述中心管的长度，所述斜撑分为三层，所述中心管焊接在所述圆形钻筒的内壁上；
[0033]
进一步地，所述喇叭口位于所述中心管的下端，用于增加泵吸反循环的清渣效果；
[0034]
进一步地，所述单动接头下端连接所述中心管，上端连接反循环泵的所述柔性吸水管，以防止在冲击过程中上部的所述柔性吸水管跟着所述中心管和所述圆形钻筒体发生旋转运动；
[0035]
本发明的有益效果在于：
[0036]
(1)该冲击钻头的齿座呈内凹圆形台阶状，使得孔底基岩相应呈中心凸起的圆形阶梯状，外径处最先破坏，而中心处会留下圆形岩芯凸台。该种形状的孔底基岩破碎面可以对冲击钻头起到较好的导向作用，尤其是倾斜岩层中冲击成孔时，对保持钻孔方向作用明显；
[0037]
(2)该冲击钻头采用单圆锥齿、双圆锥齿、楔形齿，以及双圆锥与楔形组合齿的方式进行冲击破岩，并根据冲击齿在齿座上的位置进行优化布置，确保冲击齿的均匀磨损，可提高切削齿的整体使用寿命；
[0038]
(3)圆锥与楔形组合齿破岩过程中，圆锥齿可使岩石内部产生更多裂纹，而紧邻的楔形齿可以促使楔形齿与圆锥齿之间产生大的体积破碎，从而提高钻进效率；
[0039]
(4)在圆形钻筒的顶端设计了单动装置，使得冲锤在下落和提升过程中不受钢丝绳张紧力的影响，即冲锤下落和提升过程中的旋转运动只由钻筒表面呈螺旋状焊接的螺纹钢在水流驱动下产生，保证钻筒单次冲击过程中的旋转方向和旋转角度可控可调，从而能与齿座上的切削齿分布密度配合起来获得更好的破岩效果；
[0040]
(5)钻筒内部的反循环吸水装置可以保证在冲击过程中随时进行反循环排渣，保持孔底清洁，每次冲击齿都能与新鲜基岩相接触，降低岩屑重复破碎；
[0041]
(6)中心管上部的单动接头、l型钻筒上部的推力轴承，以及辅绳在靠近辅绳吊环端的转动接头，可以避免反循环泵的吸水管跟着中心管一块旋转，或者与主钢丝绳发生缠绕。。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1是本发明一种嵌岩斜桩施工用筒式高效冲击钻头的正视图和剖面图；
[0044]
图2是图1中齿座及三角形支撑的结构示意图；
[0045]
图3是图1中单动装置的正视图和剖面图；
[0046]
图4是图1中的反循排渣装置的正视图。
[0047]
图中：
[0048]
1圆形钻筒体：1-1圆形钻筒；1-2螺纹钢；1-3辅绳吊环；
[0049]
2齿座：2-1基座；2-2圆形过流孔；2-3三角形支撑；2-4冲击齿；
[0050]
3单动装置；3-1变径钻筒；3-2l型钻筒；3-3推力轴承；3-4轴承座；3-5主绳吊环；
[0051]
4反循环排渣装置；4-1中心管；4-2单动接头；4-3柔性软管；4-4喇叭口；4-5斜撑。
具体实施方式
[0052]
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0053]
参照图1，图1是本发明一种实施方式提供的一种嵌岩斜桩施工用筒式高效冲击钻头的结构示意图。在本实施方式中，该嵌岩斜桩施工用筒式高效冲击钻头包括：圆形钻筒体1、齿座2、单动装置3和反循环排渣装置4。
[0054]
在本实施方式中，圆形钻筒体1由圆形钻筒1-1、螺纹钢1-2和辅绳吊环1-3组成。
[0055]
圆形钻筒1-1由钢板卷制而成，且钢板的材质和尺寸不做限定；钢板卷成圆筒状之
后，其两边对接处通过焊接的方式进行闭合处理；
[0056]
螺纹钢1-2通过焊接的方式呈螺旋状焊接固定在所述圆形钻筒1-1的外表面；作为一种优选的实施方式，螺纹钢1-2的直径为10～25mm，螺纹头数为6～12头，螺旋角度为15～45
°
，其目的在于使冲击钻头在冲击下行时产生的旋转角度可调。
[0057]
请参考图2，图2是齿座及三角形支撑的结构示意图；在本实施方式中，齿座2由基座2-1、过流孔2-2、三角形支撑2-3和冲击齿2-4组成。
[0058]
基座2-1呈内凹型圆环台阶状，且中心位置内凹深度最大，外圆处最高；作为一种优选的实施方式，基座2-1通过焊接的方式固定在圆形钻筒1-1的下端，且二者同轴；
[0059]
过流孔2-2设置在所述基座2-1的中间台阶面上；作为一种优选的实施方式，过流孔为圆形，个数为6个。
[0060]
三角形支撑2-3位于基座2-1之上，通过焊接的方式将基座2-1与圆形钻筒1-1进行加固；作为一种优选的实施方式，三角形支撑采用等腰直角三角形，均匀地分布在6个过流孔2-2之间；
[0061]
冲击齿2-4分为4类：单圆锥齿、双圆锥齿、楔形齿，以及双圆锥与楔形组合齿，其中单圆锥齿包括大、小两种齿。作为一种优选的实施方式，在基座2-1的中心位置设计了一个大的单圆锥齿；在基座2-1的中间台阶面上设计了3圈冲击齿2-4，其中内圈为3个双锥齿与3个楔形齿交错均匀排布，中间圈为6个单圆锥齿均匀分布，外圈为6组双圆锥与楔形组合齿进行均匀排布；在基座2-1的外层台阶面上均匀分布了18组双圆锥与楔形组合齿。
[0062]
作为一种优选的实施方案，内凹型的基座2-1可使孔底基岩面呈三层凸台型，即(第三台阶面)外沿台阶面最先被冲击破坏，形成一个环槽；中间台阶面(第二台阶面)较宽，因而设计了3圈冲击齿2-4；中心位置(第一台阶面)最后被冲击破坏，所以在孔底会形成一个圆形凸台，但因为周围岩石已经被破坏，所以没有围岩的影响，更容易被冲击破碎。
[0063]
作为一种优选的实施方案，圆锥齿更容易使岩石内部产生裂隙，而与紧邻的楔形齿配合，可以使圆锥齿与楔形齿之间产生大的岩石体积破碎，从而提高冲击钻头的整体破岩效率。
[0064]
参照图3，图3是单动装置的正视图和剖面图；在本实施方式中，单动装置3包括：变径钻筒3-1、l型钻筒3-2、推力轴承3-3、轴承座3-4和主绳吊环3-5。
[0065]
作为一种优选的实施方式，变径钻筒3-1通过焊接的方式固定在圆形钻筒1-1的顶端；2个推力轴承3-3位于l型钻筒3-2的短边上下沿，并固定在轴承座3-4之中；作为一种优选的实施方式，应该将推力轴承3-3和轴承座3-4安装到l型钻筒3-2之上以后，再将l型钻筒3-2通过焊接的方式固定到变径钻筒3-1之上；主绳吊环3-5通过螺纹加焊接的方式固定在轴承座的上端。
[0066]
作为一种优选的实施方式，本方案中采用2个推力轴承3-3和4个主绳吊环3-5，但在其他条件下，推力轴承3-3和主绳吊环3-5的个数，以及主绳吊环3-5的固定方式可相应进行改变。
[0067]
参照图4，图4是反循排渣装置的正视图；在本实施方式中，反循环排渣装置4包括：中心管4-1、单动接头4-2、柔性吸水管4-3、喇叭口4-4和斜撑4-5。
[0068]
作为一种优选的实施方式，中心管4-1通过斜撑4-5焊接固定在圆形钻筒1-1的内壁上；中心管的下方设有一个喇叭口4-4，用于增大反循环的排渣效果，且喇叭口4-4应与齿
座2上的三角支撑2-3保持互不干涉；柔性吸水管4-3通过单动接头4-2与中心管4-1连接在一块，且单动接头4-2保证中心管4-1、喇叭口4-4和斜撑4-5与冲击钻头一块旋转时，单动接头4-2和柔性吸水管4-3不发生旋转，防止柔性吸水管4-3与冲击钻头的主绳或辅绳等发生缠绕。
[0069]
本发明的上述实施方式的有益效果在于：
[0070]
(1)该冲击钻头的齿座呈内凹圆形台阶状，使得孔底基岩相应呈中心凸起的圆形阶梯状，外径处最先破坏，而中心处会留下圆形岩芯凸台。该种形状的孔底基岩破碎面可以对冲击钻头起到较好的导向作用，尤其是倾斜岩层中冲击成孔时，对保持钻孔方向作用明显；
[0071]
(2)该冲击钻头采用单圆锥齿、双圆锥齿、楔形齿，以及双圆锥与楔形组合齿的方式进行冲击破岩，并根据冲击齿在齿座上的位置进行优化布置，确保冲击齿的均匀磨损，可提高切削齿的整体使用寿命；
[0072]
(3)圆锥与楔形组合齿破岩过程中，圆锥齿可使岩石内部产生更多裂纹，而紧邻的楔形齿可以促使楔形齿与圆锥齿之间产生大的体积破碎，从而提高钻进效率；
[0073]
(4)在圆形钻筒的顶端设计了单动装置，使得冲锤在下落和提升过程中不受钢丝绳张紧力的影响，即冲锤下落和提升过程中的旋转运动只由钻筒表面呈螺旋状焊接的螺纹钢在水流驱动下产生，保证钻筒单次冲击过程中的旋转方向和旋转角度可控可调，从而能与齿座上的切削齿分布密度配合起来获得更好的破岩效果；
[0074]
(5)钻筒内部的反循环吸水装置可以保证在冲击过程中随时进行反循环排渣，保持孔底清洁，每次冲击齿都能与新鲜基岩相接触，降低岩屑重复破碎；
[0075]
(6)中心管上部的单动接头、l型钻筒上部的推力轴承，以及辅绳在靠近辅绳吊环端的转动接头，可以避免反循环泵的吸水管跟着中心管一块旋转，或者与主钢丝绳发生缠绕。
[0076]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。