一种阶梯式多轴搅拌桩机的制作方法

本实用新型属于土工工程领域用机械设备，涉及一种搅拌桩机，特别涉及一种不同长度钻杆呈阶梯式布置的多轴搅拌桩机。

背景技术：

目前土木工程中常用多轴搅拌桩机进行水泥土墙的搅拌作业，如二轴、三轴、五轴或六轴等搅拌桩机，如现有技术中的CN201210497137.3《一种可减少挤土性的多轴搅拌桩装置及其应用》，动力头依次通过变速箱和减速机带动多根钻杆转动，钻杆设有1～9根，多根钻杆的旋转方向为正反交错，钻杆的上端设有进浆口，钻杆的下端连接带翼钻杆，带翼钻杆的下端可更换式连接多功能钻头，多功能钻头上设有喷浆口与喷气口。与现有技术相比，本实用新型具有减少挤土效应、钻孔成型好、水泥利用率高、对周围环境的影响小等优点。

又如CN201320753981.8《一种可精确定位多轴深层搅拌桩的设备》，包括设备基座、滚轴、钢梁架、钻机升降立柱、行走轨道、钻杆多轴联动电机、钻杆、传动行程电机组、传动轴、传动齿轮；设备基座上设有钢梁架，设备基座和钢梁架之间为滚轴，钢梁架一端上设有钻机升降立柱，钻机升降立柱上设有钻杆多轴联动电机，钻杆多轴联动电机上设有若干钻杆（钻杆数量一般选三个），钢梁架另一端设有行走轨道，设备基座上设有传动行程电机组，传动行程电机组通过传动轴连接有传动齿轮，传动齿轮驱动行走轨道。

再如CN201420482704.2《多排多轴水泥土搅拌桩钻机》，机架上设置有可以上下滑动的动力箱，动力箱连接多排钻杆，每排n根钻杆；每根钻杆下部设置有搅拌叶片或刀片；所述钻杆为中空钻杆，内部设置有通道，钻杆底部设置有开孔；多排钻杆同时旋转形成多排每排n根的水泥土搅拌桩。能一次施工多排水泥土搅拌桩，减少了搭接冷缝，大幅减少人工成本，缩短工期，提高了施工质量，降低施工成本。

再如CN201420451756.3《间隔式多轴水泥土搅拌桩机》，包括机架，机架上设置有动力箱，动力箱连接n根钻杆，n≥2，n根钻杆在同一竖直面上，竖直方向上相互平行，每根钻杆上设置有搅拌叶片或刀片，搅拌叶片或刀片径向长度为d，相邻钻杆的间距为D，d＜D/2；n根钻杆旋转同时形成相互不搭接的n根水泥土搅拌桩。本桩机能一次施工多根间隔式水泥土搅拌桩，桩的间距、垂直度等精度大幅提高，比采用单轴施工间隔桩大幅提高工作效率，特别在咬合桩施工中，大幅减少人工成本，缩短工期，减少劳动强度和降低施工成本。

现有技术中搅拌桩技术正在不断发展，但均未提到搅拌钻杆阶梯式分布，现实使用的搅拌桩机的共同特点是搅拌钻杆长度基本相等，每次只能施工一个单幅搅拌桩，各幅搅拌桩通过套接形成一个连续的水泥土搅拌墙。在施工中对搅拌钻杆的垂直度要求很高，否则各幅搅拌桩之间容易出现开叉缝，如果是进行止水帷幕施工，开叉缝的出现会造成止水失败，直接影响工程施工和安全。另外，现有多轴搅拌桩机的机架高度很大，通常在30m以上，导致其重心高、自重大，在施工中垂直度难以把控，要求施工地面要有足够的强度，常要求铺设较厚碎石和混凝土。当搅拌深度较大时，多根钻杆同时在搅拌深层土体，摩擦阻力大，需要配置较大功率动力系统。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是：提供一种搅拌钻杆呈阶梯式布置的多轴搅拌桩机，其搅拌钻杆按长短不一呈阶梯式布置，每根钻杆负责搅拌不同深度相同厚度的土层，例如三轴搅拌，则每根钻杆搅拌土层厚度等于设计搅拌深度的三分之一。同时，钻杆杆身设置了竖向搅拌和横向切削刀片，使钻杆具备往回横向移动并切削搅拌土体的功能，可对刚刚完成的搅拌桩体之间的土体实行二次搅拌，增加水泥土墙的均匀性和连续性。此外，钻杆上下运动的距离等于总搅拌深度除以搅拌钻杆数，升降空间大幅减少，使整个机架高度和自重大幅减少，重心降低，更容易控制机架垂直度，降低制造成本。

本实用新型解决上述技术问题的方案是：一种阶梯式多轴搅拌桩机，它包括底盘、三支点桩架和动力头，三支点桩架通过底盘实现前后水平移动，所述动力头套接在三支点桩架的竖直导向柱上且上下滑动连接，动力头通过多个立轴与多根钻杆一一连接，所述立轴和钻杆至少各设有一排，每排中的每根钻杆长短不一，由短到长呈阶梯式排列，以前进方向为前，短的在前，长的在后，每根钻杆的刀片纵深长度相等且相加等于搅拌深度；钻杆的刀片中设有横切刀片，在钻杆横向移动时，对土体进行横向切割。

进一步，每根钻杆的长短呈等差数列规律排列，最短钻杆长度等于公差，长度大小等于设计搅拌深度除以钻杆数，最长钻杆等于设计搅拌深度, 每根钻杆的刀片纵深长度相等。

进一步，所述动力头由动力驱动头、立轴限位头和立轴组成，动力驱动头和立轴限位头相对固定在一起并相隔一定距离，立轴上端与动力驱动头连接，下端穿过立轴限位头上带轴承的立轴孔，并露出下端连接丝扣与钻杆连接，立轴及钻杆的垂直度与桩架导向柱相同。

进一步，动力驱动头内有电机和变速箱，电机通过变速箱驱动立轴转动。

进一步，所述钻杆由上段的圆钻杆和下段的刀片钻杆组成，圆钻杆是加长钻杆，即每根钻杆有一节以上的圆钻杆，刀片钻杆杆身有刀片。

进一步，所述刀片钻杆的底端是下切搅拌刀片，下切搅拌刀片上端面处有出浆口；刀片钻杆杆身设有搅拌刀片和横切刀片。

进一步，所述搅拌刀片与下切搅拌刀片结构相似且沿杆身间隔布置，从出浆口往上分布，横切刀片固定在搅拌刀片外侧，前端有刃口，整个刀片的宽度略小于相邻的钻杆之间的净间距，相邻的钻杆之间不发生相互碰撞。

进一步，动力头通过立轴与钻杆一一连接，由前到后，分别为第一立轴、第二立轴、最后的立轴，第一立轴与最短钻杆连接，第二立轴与第二短的钻杆连接，最后的立轴与最长钻杆连接。

进一步，最短钻杆长度等于设计搅拌深度除以钻杆数，即等差数列的公差，整个最短钻杆均为刀片钻杆；第二根钻杆长度等于两倍最短钻杆的长度，其上面一半长度为圆钻杆，下面一半长度为刀片钻杆；以此类推，最长钻杆长度等于设计搅拌深度，其下面相当于公差的长度为刀片钻杆，其余为圆钻杆，即所有钻杆的刀片钻杆长度相等且等于公差；刀片钻杆杆身设有搅拌刀片和横切刀片，在钻杆旋转过程中，各刀片与钻杆之间不发生相互碰撞。

进一步，立轴和钻杆各设有并列的两排，同排相邻的钻杆之间不发生相互碰撞；排与排相邻的钻杆之间不发生相互碰撞。

本实用新型的有益效果是：1、采用长短不一的钻杆按阶梯式布置，可大幅降低三支点桩架的高度、减少自重、降低重心，有利于施工中控制垂直度和减少对地面的压力，防止钻杆偏离。

2、在钻杆杆身设置横向叶片，增加桩体搅拌的均匀性。而在钻杆杆身设置竖向横切叶片，使钻杆具有横向移动切削搅拌功能，可以往回横向移动对刚搅拌桩体搭接处进行搅拌，也可往回移动进行加密喷浆搅拌，极大增加了水泥土搅拌墙的连续性和均匀性，减少整个水泥土墙“开叉”现象。

3、特别开辟了一种钻杆长度呈阶梯式布置的新模式，使搅拌桩机同时具有竖向下切搅拌和横向平移搅拌（主要对刚搅拌桩体搭接处的加密搅拌）的功能，且具有结构简单，操作方便，便于维修的优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例的整体结构示意图。

图2是本实用新型实施例的钻杆阶梯式布置示意图。

图3是本实用新型实施例的刀片钻杆结构示意图。

图4 是本实用新型实施例的A——A剖面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型进行详尽叙述。

实施例1，先根据搅拌厚度，确定钻杆的粗细及立轴和钻杆排数，再根据搅拌深度和立轴确定钻杆长度和数量；本设计的阶梯式多轴搅拌桩机（以下简称阶梯式桩机，参见图1—4），包括底盘1、三支点桩架2、动力头3、钻杆4四部分（参见图1）。下面以阶梯式三轴搅拌桩机为例进行阐述。

本实施例的底盘1和三支点桩架2与现有技术相同。底盘1为履带式或步履式，三支点桩架2固定在底盘1上并可在底盘上前后水平移动，三支点桩架2由两根斜杆201和竖直导向柱202组成，导向柱202呈竖直状，由两根平行排列并相对固定在一起的光滑柱组成，导向柱202的横截面可以是圆形或其他形状，导向柱202的垂直度可调节，即通过调节斜杆可调节导向柱的垂直度。

动力头3由动力驱动头301、立轴限位头302和三根立轴303组成，动力驱动头301和立轴限位头302均套接在导向柱202上，可沿导向柱202上下滑动，动力驱动头301位于立轴限位头302上方，两者相隔一定距离并相对固定在一起（参见图2），即同时沿导向柱202上下滑动。立轴限位头302有竖向带轴承的立轴孔，孔数与立轴根数相同，立轴303为空心，立轴303上端面与动力驱动头301连接，下端穿过立轴限位头302的立轴孔，并露出下端面螺纹丝扣，螺纹丝扣用于与钻杆连接。立轴303在动力驱动头301和立轴限位头302的约束下始终与导向柱202平行，两者保持相同垂直度，动力驱动头301内有电机和变速箱，为立轴303转动提供动力，动力驱动头301驱动立轴303转动，再带动与立轴303相连的钻杆4一起转动，对土层进行搅拌。

钻杆4顶端与动力头3连接，动力头3驱动钻杆4转动，注浆装置通过立轴给钻杆4注浆，浆液通过钻杆4进入搅拌土层，与土层混合。

当动力驱动头301沿导向柱202下降到最低位置时，立轴303下端与地面齐平，动力头3上下移动的最小距离不小于设计搅拌深度除以钻杆数，即刀片钻杆长度。

动力驱动头301内的电机和变速装置驱动立轴303按一定速率转动，立轴303带动钻杆4转动，对土体进行下切搅拌。由于动力驱动头和立轴限位头相对固定在一起，并相隔一定距离，不仅可确保立轴与导向柱保持平行，还可使动力头能够承受一定横向推力，整个动力驱动头301可沿导向柱上下滑动，立轴垂直度与导向柱相同，通过调整导向柱可调整立轴的垂直度，从而调整各钻杆的垂直度。

所述钻杆4由光圆钻杆402（以下简称圆钻杆）和带刀片钻杆401（以下简称刀片钻杆）组成，各钻杆顶端与立轴通过螺纹连接，随着立轴一起转动和上下滑动。

为便于安装和拆卸，每根钻杆分为若干节，每节钻杆通过螺纹丝扣连接。每根钻杆上的刀片钻杆长度相等，大小等于或略小于钻杆长度公差，该公差等于设计搅拌深度除以钻杆数，为便于组装不同长度的刀片钻杆，有横切刀片部分，可以设置成由若干节组成，每节通过螺纹丝扣连接。

如三轴搅拌桩机，三根钻杆4上端面分别与三根立轴303下端面连接，并随立轴303一起转动，钻杆长短不一，其长度成等差数列排列，以前进方向为前，从前到后钻杆按由短到长的顺序排列。最短钻杆长度等于公差，大小等于设计搅拌深度除以钻杆数，最长钻杆长度等于设计搅拌深度，每根钻杆4上的刀片钻杆401均位于钻杆下端，其长度均相等，大小等于最短钻杆长度或公差。

所以，阶梯式三轴搅拌棒桩机的最短钻杆长度等于设计搅拌深度的三分之一，排列安装在最前面第一根立轴上（参见图2），整个钻杆均为刀片钻杆401。第二根钻杆与中间立轴连接，长度等于设计搅拌深度的三分之二，其上面一半长度为圆钻杆402，下面一半长度为刀片钻杆401。第三根钻杆最长，与最后面的立轴连接，长度等于设计搅拌深度，其上面三分之二长度为圆钻杆402，下面三分之一长度为刀片钻杆401。

圆钻杆402同于现有技术，为中空圆柱形钻杆，不具备搅拌功能，作用是加长钻杆。如图3-4所示，刀片钻杆401下端端头为二对四片下切搅拌刀片403对称布置，刀片向旋转方向倾斜一定角度并径向固定在钻杆轴上，前端有刃口，使钻杆能够顺利向下钻进和切削土体。刀片钻杆401杆身不同高度设置有搅拌刀片404和横切刀片405，其刚度较大，不易变形。搅拌刀片404同于下切搅拌刀片403，沿钻杆轴向（即长度方向）分节间隔布置，同一高度位置的刀片组成一节，每节刀片相隔一定距离，每一节叶片由一段螺旋刀片或若干叶片形刀片组成。每层搅拌刀片404之间有一定间距，能防止土体连续往上推挤。横切刀片405固定在搅拌刀片外侧，呈竖向布置，与钻杆轴平行，转动的前进一侧有刃口，用于钻杆往回横向移动旋转时切削土体。

对螺旋式刀片螺距较大，前端有刃口，对叶片式刀片呈径向固定在钻杆上，与水平面有一定倾角，倾向转动方向，前端有刃口，每节叶片之间的间距较大，防止间距太短将土体连续往上推挤。

下切搅拌刀片宽度略小于相邻钻杆之间的净间距，以免和相邻钻杆发生碰撞。紧靠下切搅拌刀片上端面有喷浆口。

钻杆转动时，搅拌刀片对土体进行上下搅拌，增加桩体搅拌均匀性。当钻杆随桩架横向移动时，固定在搅拌刀片外侧的横切刀片具有切削土体的功能，即钻杆一边转动一边横向切削土体，使整个搅拌桩机具有横向切削搅拌功能，可对刚搅拌桩体之间的土体进行二次搅拌，增加桩体之间搭接厚度，也可形成等厚的搅拌水泥土墙。

刀片从钻杆底端钻头喷浆口上端开始布置，往上直到上一级较短钻杆钻头下端面为止，保证杆身刀片和上一级较短钻杆钻头之间不发生相互碰撞。刀片的径向（即钻杆径向）宽度略小于相邻钻杆之间的净间距，在钻杆旋转过程中，刀片与钻杆之间不发生相互碰撞。

实施例2，先根据搅拌厚度，确定钻杆的粗细及立轴和钻杆排数，再根据搅拌深度和立轴确定钻杆长度和数量；立轴和钻杆各设有并列的两排，同排相邻的钻杆之间不发生相互碰撞；排与排相邻的钻杆之间也不发生相互碰撞；其它设计与实施例1类似。

本实施例未述及之处的结构适用于现有技术。

使用本实用新型桩机进行水泥土墙施工的主要步骤与现有多轴搅拌桩机有所不同，以本实用新型的三轴搅拌桩机的三搅两喷施工方法为例进行阐述，所谓三搅两喷施工方法就是下沉搅拌喷浆（一搅一喷）、上提搅拌喷浆（一搅一喷）、下沉搅拌（一搅）。

第一步，搅拌桩机就位，调整导向柱202垂直度，使其处于竖直状态，此时立轴303也处于竖直状态；

第二步，分节安装钻杆。钻杆4为分节连接，先将动力头3提升到较高位置，立轴303下端面到地面高度等于刀片钻杆401的长度。以桩机搅拌前进方向为前，分在前的第一立轴、中间的第二立轴、最后的第三立轴，第一立轴与最短钻杆连接，第三立轴与最长钻杆连接。先在第三立轴上安装刀片钻杆401，并搅拌下沉到土层，只露出连接头部分，将第三立轴与刀片钻杆401卸脱，上提动力头3，在第三立轴和已经下切到土体中的刀片钻杆401之间安装圆钻杆402，此时，钻杆已加长并连接在立轴上，同时在第二立轴上安装刀片钻杆401，将两根钻杆同时搅拌下沉到土层。待刀片钻杆401完全入土后，将钻杆从两根立轴上卸脱，再一次提升动力头3，在第一、二立轴上继续安装圆钻杆404，同时在第一立轴上安装刀片钻杆401，三根钻杆安装完毕。

第三步，第一次喷浆搅拌。整体下沉钻杆并搅拌喷浆，下沉深度等于刀片钻杆401的长度，即最短钻杆的长度，也就是每一根钻杆负责搅拌的土层厚度，该厚度等于设计搅拌深度除以钻杆数，即三分之一的设计搅拌深度。提升钻杆并搅拌喷浆，待最短钻杆底端刚露出地面，又下沉钻杆并搅拌，每次钻杆下沉和提升的距离相等。

第四步，新桩位喷浆搅拌。提升钻杆，最短钻杆底部刚露出地面后，往前移动，移动距离等于相邻钻杆中心距，钻杆可以边转动边移动，便于移动顺利，到达新的桩位后。重复第三步，即进行下沉搅拌喷浆、上提搅拌喷浆和下沉搅拌作业。

第五步，后移搅拌。当完成第二个桩的搅拌喷浆，最长钻杆搅拌到设计深度。将钻杆边搅拌边往后平移，平移距离等于两根相邻钻杆中心距（或中心距的一半），即前一个桩位（或两桩体搭接的中心位置），提升钻杆并搅拌，直到最短钻杆底部刚露出地面。这里所说的平移钻杆，是通过平移整个三支点桩架2来实现的。

第六步，前移和新桩位搅拌。向前移动钻杆，移动距离等于相邻钻杆中心距的的2倍（或1.5倍），到达新桩位位置。重复第三步，在新桩位进行三搅二喷作业。

第七步，不断重复第五步和第六步，不断完成新的桩位搅拌喷浆，整个水泥土搅拌墙就会不断向前延伸，直到完成整个水泥土墙的搅拌作业。

本实施例阶梯式桩机的整体设计特征是多轴钻杆长短不一，由短至长在立轴上呈阶梯式排列，同时，杆身一定范围内设置了搅拌刀片和横切刀片。实现了不同深度的土层由不同钻杆负责搅拌，极大减少了机架的高度和自重，有利于保持机架的垂直度，更主要的是，钻杆往回水平移动时，刀片钻杆401可以对土体进行搅拌和横向切削，从而可以对刚刚搅拌的桩体之间土体或搭接薄弱环节进行再一次搅拌，可有效增加桩体之间的搭接重叠程度和减少桩体之间开叉缝的出现，极大提高水泥土墙的连续性和均匀性。如果往回移动对两个桩体之间的土体进行重复搅拌，可以形成等厚连续的水泥土搅拌墙。

本实施例技术方案与现有技术相比的优点有两点：一是现有技术的钻杆几乎是等长的，多根钻杆在同一平面上切土搅拌，每次下沉和上提的距离等于设计搅拌深度，这样就要求三支点桩架2或导向柱202的高度很大，至少等于设计搅拌深度，尤其是超深搅拌，其高度可达40m。本实用新型的设计方案中，各钻杆长短不一，在立轴303上按等差数列呈阶梯式排列，每根钻杆只负责切削和搅拌一定深度范围内的土层，每根钻杆搅拌的土层厚度是相同的，大小等于公差，即设计搅拌深度除以钻杆数，每次下沉和上提钻杆的高度等于公差，导向柱202的高度可大幅减少。以三轴搅拌桩机为例，每根钻杆搅拌的土层厚度是设计搅拌深度的三分之一，钻杆下沉和提升的最大高度也等于设计搅拌深度的三分之一（即设计搅拌深度除以钻杆数）。所以，可以大幅减少机架高度和自重，有利于机架垂直度控制，减少对地基的压力，也可降低制造成本。

二是现有技术的钻杆只在底部一小段范围设置了竖向下切搅拌刀片，而本实用新型除了在钻杆4底部设置了下切搅拌刀片403，在杆身相当长的范围内设置了搅拌刀片404和横切刀片405，不仅可增加搅拌的均匀性，还可实现钻杆往后移动搅拌，即边往回移动边（喷浆）搅拌，对刚完成的搅拌桩体之间的搭接处进行加密搅拌，或对桩体之间所有土体进行再一次搅拌，形成等厚的水泥土墙，极大增加了水泥土墙的连续性，减少桩体之间开叉缝的出现。

需要说明的是，以上所述只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。