专利名称：多功能钻机及其施工方法
技术领域：
本发明涉及一种在土木建筑等工程中钻削地层，构筑地下基础桩、对软质地基加固处理的多功能钻机及其施工方法。
背景技术：
目前构筑地下基础桩，可使用如下几种钻机1、螺旋钻机这种被公知的螺旋钻机主要由支撑机，钻机动力头，螺旋钻杆构成；在钻机动力头的驱动下螺旋钻杆一边旋转，一边沿支撑机的立柱向下运动，螺旋钻杆下端的钻头钻削地层，被钻削松散的土砂由螺旋钻杆外周的螺旋叶排至地面，形成桩孔，在桩孔中插入钢筋笼并灌注混凝土，即可构筑成地下基础桩。
日本实用新型专利(实公平7-3269)还公开了另一种螺旋钻机，与上述螺旋钻机的不同之处是，它的钻机动力头是由一组特殊的行星齿轮构成的，可以分别驱动钻头和螺旋叶以不同转速旋转。
2、套筒螺旋钻机(在日本被称为SMD钻机)主要由支撑机、钻机动力头、外套筒和螺旋钻杆构成；在钻机动力头的驱动下，外套筒和螺旋钻杆一边旋转，一边沿支撑机立柱向下运动，钻削地层，由螺旋钻杆外周的螺旋叶排土，形成桩孔，在桩孔中插入钢筋笼并灌注混凝土，即可构筑成地下基础桩。
3、分离驱动套筒螺旋钻机(在日本被称为SDA钻机)主要由支撑机、外侧动力头，内侧动力头，外套筒和螺旋钻杆构成；在外侧动力头和内侧动力头的分别驱动下，外套筒和螺旋钻杆一边旋转，一边沿支撑机立柱向下运动，钻削地层，由螺旋钻杆外周的螺旋叶排土，形成桩孔，在桩孔中插入钢筋笼并灌注混凝土，即可构筑成地下基础桩。
目前，对软质地基加固处理，可使用如下几种钻机1、单向旋转深层搅拌钻机(在日本被称为CDM工法机)主要由支撑机、钻机动力头、搅拌钻杆构成；在钻机动力头的驱动下，搅拌钻杆一边单向旋转、一边向下运动钻削地层，并由钻头前端喷出水泥浆，搅拌钻杆的搅拌叶把钻削松散的土砂与水泥浆进行强制混合搅拌，钻削搅拌至设定深度后，提起钻机动力头和搅拌钻杆；重复上述步骤，并经一定固化时间，即可完成大面积的水泥混合土的加固地基。上述钻机可以是一根搅拌钻杆，也可以是复数搅拌钻杆。
2、双向旋转深层搅拌钻机(在日本被称为ASC工法机)主要由支撑机、钻机动力头、搅拌杆和钻杆构成，在钻机动力头的驱动下，搅拌杆和钻杆分别以不同转速朝相反方向旋转，并同时向下运动，钻杆前端的钻头钻削地层，并从钻头先端喷出水泥浆，用搅拌杆的搅拌叶把钻削松散的土砂与水泥浆进行强制混合搅拌，钻削搅拌至设定深度后，提起钻机动力头、搅拌杆和钻杆；重复上述步骤，并经一段时间固化，即可完成大面积的水泥混合土的加固地基。
上述构筑地下基础桩的钻机技术存在如下缺点1、螺旋钻机1)在钻孔时为了获得较大的切削力，一般采用低转速大扭矩驱动钻头钻削地层；而为了顺畅和高效率的排土，一般需要螺旋钻杆的螺旋叶有较高的转速；但由于这种螺旋钻机的螺旋钻杆的钻头和螺旋叶为同轴的一体结构，钻削和排土无法同时选择两种转速，无法同时实现高效率的钻削和排土。
2)由于螺旋钻杆刚度有限，钻孔较深时，会产生桩孔偏斜的现象；并且不适用于卵、砾石层及岩基地层钻进。
3)当在砂石或较松散地层钻孔时，容易出现孔壁坍塌现象，在这种情况下，一般需要将孔中灌满泥浆护壁，并需要对泥浆比重、灌注、排放进行严格的管理，否则会造成环境污染。
4)采用上述泥浆护壁方法，将造成施工过程的复杂化需从泥浆底部灌注混凝土将泥浆置换出桩孔，并容易出现桩身断面缺损的质量问题。
5)日本实用新型专利(实公平7-3269)公开的螺旋钻机，虽然可以分别驱动钻头低速旋转和螺旋叶高速旋转，但其钻头与螺旋叶转速的相对比例是固定的，仍然存在不能按具体施工条件将钻头和螺旋叶都分别调整到最佳转速的缺点，存在容易出现孔壁坍塌、需用泥浆护壁、造成环境污染的问题，并由于灌注混凝土的工艺复杂，会出现桩身断面缺损的质量问题。
2、套筒螺旋钻机(SMD、SDA钻机)由于在螺旋钻杆之外增设了外套管，可以解决钻孔时孔壁坍塌的问题，但仍然存在螺旋钻杆的钻削和排土无法同时选择不同的最佳转速的缺点。
特别是SDA钻机由外侧动力头和内侧动力头构成的分离驱动的钻机动力头，存在整机重量大，造价高，稳定性差的缺点。
前述对软质地基加固处理的钻机技术存在如下缺点1、单向旋转深层搅拌钻机(CDM工法机)
1)在钻削地层时为了获得较大的切削力，希望低转速大扭矩驱动钻头钻削地层，而为了把注入的水泥浆与被钻削松散的土砂高效率的充分搅拌混合，希望搅拌叶能以较高速度旋转，但由于搅拌杆的钻头和搅拌叶为同轴的一体结构，钻削和搅拌无法同时选择两种转速，无法同时实现高效率的钻削和搅拌，钻进速度较低。
2)由于搅拌杆单向旋转，遇到粘性土层时，粘土会逐渐粘结在搅拌叶上形成粘土坨，与搅拌叶共转，而无法起到水泥浆与土砂充分搅拌混合的作用，造成质量问题。
2、双向旋转深层搅拌钻机(ASC工法机)该机虽然可分别驱动钻头低速旋转，搅拌杆高速旋转，但由于搅拌杆上的两组搅拌叶仍然是向同一方向旋转，仍然存在粘性土与搅拌叶粘结成坨，产生共转的问题。
上述构筑地下基础桩和对软质地基加固处理的两类钻机还存在功能单一、使用有局限性的缺点虽然从单向或双向旋转的驱动原理上看，这两类钻机似乎相同的，但由于施工目的不同，绝对转速值相差很多，例如构筑地下基础桩的各种钻机转速范围在3～40min-1，而对软质地基加固处理的钻机转速范围在20～80min-1。而即使是同一类钻机，由于施工条件(如地层条件、孔径大小)不同，所需要的转速也不同。因此，按照现有技术，构筑地下基础桩或对软质地基加固处理，需分别选用不同的钻机，使投资增大、设备利用率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种即能构筑地下基础桩，又能对软质地基加固处理的一机多用途的多功能钻机及其施工方法；用这种多功能钻机可以在低速大扭矩钻削地层的同时，高速高效率地排土或搅拌；而且桩孔无需泥浆护壁、无环境污染，适用于多种地层施工。
本发明的目的是由下述技术方案实现的一种多功能钻机主要包括支撑机、钻机动力头和钻具。
上述支撑机主要由可在地面上走行的底座，设置在底座上的立柱、卷扬机组、操作室和牵引钢丝绳构成。
上述钻机动力头主要由可移动的机架，设置于机架之上并含有原动机、减速机和出力轴的驱动装置构成；钻机动力头通过牵引钢丝绳悬挂于支撑机的立柱上，并可以上下移动。
上述钻具与钻机动力头的出力轴相互联接。
其特征在于所述钻机动力头的出力轴是由中心出力轴、中间出力轴和外周出力轴构成的三重出力轴；可以分别由1台以上原动机驱动，经减速机减速，按同一轴心，分别以相同或不同转速，朝相同或相反方向旋转。
所述的钻具是可以根据使用需要，由钻具部件进行任意搭配组合而构成的一种组合钻具，钻具部件主要包括由空心钻杆、切削刀盘、联轴器和喷射口构成的钻头，由空心轴、螺旋叶和联轴器构成的螺旋杆，由空心轴、搅拌叶和联轴器构成的搅拌杆，由套筒、切削刀头、联轴器和排土口构成的外周钻筒。上述钻具部件，可以分别单独使用，也可以相互搭配组合使用。
使用上述多功能钻机构筑地下基础桩的施工方法，具有以下步骤多功能钻机走行到施工位置，将所需钻具，即钻头、螺旋杆、外周钻筒，分别与钻机动力头的三重出力轴的中心出力轴、中间出力轴、外周出力轴联接；启动钻机动力头的各个原动机，使钻头按10～20min-1的低转速旋转，使螺旋杆按20～40min-1的高转速并与钻头同方向旋转，使外周钻筒按2～20min-1超低转速并与钻头反方向旋转；钻机动力头向下移动，钻头和外周钻筒随之旋转钻削地层，螺旋杆向上排土；钻削至预定深度后停止钻具旋转，将外周钻筒与联轴器分离，钻头和螺旋杆随钻机动力头向上提升后，多功能钻机向一旁移动一适当距离；向留在地下的外周钻筒中放入钢筋笼并灌注混凝土后，多功能钻机移动回原位置，使用支撑机立柱上的辅助吊钩将外周钻筒吊上地面，并与联轴器联接，地下钢筋混凝土经一段时间固化后，即成为地下基础桩。
使用上述多功能钻机对软质地基加固处理的施工方法，具有如下步骤多功能钻机走行到施工位置，将所需钻具，即钻头、搅拌杆I，搅拌杆II分别与钻机动力头的三重出力轴的中心出力轴、中间出力轴、外周出力轴联接；启动钻机动力头的各个原动机，使钻头按10～30min-1的低转速旋转，使搅拌杆I按30～80min-1的高转速并与钻头反方向旋转，使搅拌杆II按30～80min-1的高转速并与搅拌杆I反方向旋转，钻机动力头向下移动，钻头随之钻削地层并从先端喷射口喷注水泥浆，搅拌杆I和搅拌杆II将钻削松散的土砂与水泥浆进行强制混合搅拌，形成水泥混合土的加固体，钻削搅拌至设定深度后，停止水泥浆喷注，向上提升钻机动力头及钻头、搅拌杆I和搅拌杆II，多功能钻机移动一个工作位置，继续上述过程的向下移动钻削、喷注水泥浆、搅拌和向上提升；重复上述步骤，即可形成一定区域的水泥混合土的加固体，经一段时间固化之后，成为具有一定承载力的坚固地基。
本发明的多功能钻机及其施工方法，有如下积极效果及优点1、按照本发明，钻机动力头的三重出力轴，可以分别带动相应的钻具部件，按最佳组合设定转速和旋转方向，施工效率高，工程质量好。
例如在构筑地下基础桩时，钻头和外周钻筒可以低速大扭矩、相反方向旋转钻削地层，螺旋杆可以高速、高效率排土；同时外周钻筒还可以保护孔壁不坍塌，施工工艺简单，无环境污染；由于是组合钻具，整体刚度强，钻孔成桩不会偏斜，垂直精度高；不仅适用于一般地层和松散地层施工，也适用于卵、砾石层及岩基地层钻进。
又例如对软质地基加固处理时，钻头可以低速大扭矩钻削地层，双重搅拌杆可以高速和相反方向旋转，搅拌混合效果好，又能有效防止粘土成坨的共转现象发生，使质量稳定可靠，施工效率高。
2、按照本发明，三重出力轴可以驱动一组钻具部件，按不同方向钻削、排土或搅拌，扭矩方向相反，产生的反力方向也相反，并有相互抵消的作用，使整体钻机在工作时受力状态平衡稳定，是实现小型轻量化设计的基础。
3、按照本发明，钻机动力头的传动结构紧凑，为一体结构，体积小、重量轻，即可降低制造成本，又使整机移动时的稳定性和安定度提高。
4、按照本发明，针对不同的施工目的和需要，可以灵活地组合配匹相应的钻具部件和设定相应的转速，进行多样化的施工，实现了一机多功能、多用途，可减少设备投资、提高设备的利用率和使用价值。
图1是本发明的实施例1多功能钻机A的主视图。
图2是图1所示多功能钻机A的侧视图。
图3是图1所示多功能钻机A的钻机动力头C的主视图。
图4是图3所示钻机动力头C的侧视图。
图5是图3所示钻机动力头C的驱动装置7的K-K剖面图。
图6是图5所示驱动装置7的L-L剖面图。
图7是图1所示多功能钻机A的钻机动力头C和组合钻具Da联接的结构图。
图8是图1所示多功能钻机A的钻机动力头C和组合钻具Db联接的结构图。
图9a、图9b、图9c、图9d、图9e和图9f是本发明的实施例2使用多功能钻机A构筑地下基础桩的施工方法步骤的示意图。
图10a、图10b、图10c、图10d、图10e和图10f是本发明的实施例3使用多功能钻机A对软质地基加固处理的施工方法步骤的示意图。
图11是本发明的实施例4多轴钻机动力头E的结构图。
图12是本发明的一种四轴组合钻具Dc的结构图。
图13是图12所示四轴组合钻具Dc的N-N向视图。
图14是使用多功能钻机A打设预制桩(水泥管或钢管)的施工方法步骤的示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1多功能钻机A参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8。
一种多功能钻机A，主要包括支撑机B、钻机动力头C和钻具D。
上述支撑机B主要由可在地面GL上走行的底座1，设置在底座1上垂直于地面GL的立柱2，卷扬机组3，操作室4和钢丝绳5构成；所述立柱2上还设有导向滑轨2a、顶部滑轮组2b、辅助吊钩2c、支撑杆2d、支承套2e；所述卷扬机组3可驱动牵引钢丝绳5和辅助吊钩2c。
上述钻机动力头C主要由机架6和置于机架6上的驱动装置7构成；所述机架6上还设置有导向滑槽6a和滑轮组6b，机架6借助旋绕在滑轮组6b上的钢丝绳5悬挂于顶部滑轮组2b之下，并借助导向滑槽6a嵌在立柱2的导向滑轨2a上，在卷扬机3驱动的钢丝绳5的牵引下，机架6可沿立柱2上下移动；所述驱动装置7主要由固定在机架6上的箱体8、原动机9a、9b和9c、设置于箱体8上的行星减速机10a、10b和10c，安装在行星减速机10a、10b和10c的出力轴上的主动齿轮11a、11b和11c，从动齿轮12a、12b和12c、可导入液体的旋转接头15以及出力轴16构成；所述出力轴16是由借助轴承13a和13b支持的空心可旋转的中心出力轴16a，借助轴承13b支持的可旋转的中间出力轴16b，借助轴承13b和13c支持的可旋转的外周出力轴16c构成的三重出力轴；齿轮12a安装在中心出力轴16a上并与齿轮11a啮合，齿轮12b安装在中间出力轴16b上并与齿轮11b啮合，齿轮12c安装在外周出力轴16c上并与齿轮11c啮合；在原动机9a、9b和9c的分别驱动下，通过行星减速机10a、10b和10c减速，经齿轮11a、11b和11c与齿轮12a、12b和12c啮合传递动力，使三重出力轴16的中心出力轴16a、中间出力轴16b和外周出力轴16c按同一轴心，分别以选定转速和方向旋转。
上述钻具D，是可以根据使用需要，选用适当钻具部件进行任意搭配而构成的一种组合钻具；钻具部件主要包括钻头20、螺旋杆21、外周钻筒22、钻头23、搅拌杆24、25；所述钻头20主要由空心钻杆20a、切削刀盘20b、联轴器20c和喷射口20d构成；所述螺旋杆21主要由空心轴21a、螺旋叶21b和联轴器21c构成；所述外周钻筒22主要由套筒22a、切削刀头22b、联轴器22c和排土口22d构成；所述钻头23主要由空心钻杆23a、切削刀盘23b、联轴器23c和喷射口23d构成；所述搅拌杆24、25主要由空心轴24a、25a搅拌叶24b、25b和联轴器24c、25c构成。
一组钻具Da由钻头20、螺旋杆21和外周钻筒22构成，借助联轴器20c、21c和22c分别与三重出力轴16的中心出力轴16a、中间出力轴16b和外周出力轴16c联接，在三重出力轴16的驱动下，可按同一轴心，分别以选定的转速和方向旋转；借助旋转接头15，可经空心的中心出力轴16a向空心钻杆20a内导入液体，由钻头20前端的喷射口20d喷出。
一组钻具Db由钻头23、搅拌杆24、25构成，借助联轴器23c、24c和25c分别与三重出力轴16的中心出力轴16a、中间出力轴16b和外周出力轴16c联接，并在三重出力轴16的驱动下，可按同一轴心，分别以选定的转速和方向旋转；借助旋转接头15，可经空心的中心出力轴16a向空心钻杆23a内导入液体，由钻头23前端的喷射口23d喷出。
实施例2使用多功能钻机A构筑地下基础桩的施工方法。
参照图9a、图9b、图9c、图9d、图9e和图9f。
多功能钻机A走行到施工位置，将一组钻具Da的钻头20，螺旋杆21和外周钻筒22分别与钻机动力头C的三重出力轴16的中心出力轴16a、中间出力轴16b和外周出力轴16c联接，启动驱动装置7，使钻头20在转速n1＝10～20min-1的范围内低速大扭矩旋转，使螺旋杆21在转速n2＝20～40min-1的范围内与钻头20同方向高速旋转，使外周钻筒22在转速n3＝2～20min-1的范围内与钻头20反方向低速大扭矩旋转，具体转速值，根据地层条件和钻孔直径设定；启动卷扬机3，通过钢丝绳5的牵引及钻机动力头C的重力作用，钻机动力头C沿立柱2向下移动，钻头20和外周钻筒22随之向下钻削地层，被钻削的土砂由螺旋杆21向上方输送，并通过排土口22d排出；在钻进过程中，根据地层硬度变化可随时调整钻具Da的转速，钻削至预定深度后，停止钻机动力头C的向下移动，待钻孔内的土砂完全排出后，停止驱动装置7和钻具Da的旋转，将外周钻筒22与联轴器22c分离，钻头20和螺旋杆21随钻机动力头C向上提升到立柱2的顶端；多功能钻机A向一旁移动一适当距离；向留在地下的外周钻筒22中放入钢筋笼27，并灌注混凝土28；多功能钻机A移动回原位置，使用立柱2上的辅助吊钩2c将外周钻筒22吊上地面，并与联轴器22c联接，多功能钻机A可走行到下一个施工位置。地下灌注的钢筋混凝土圆柱体，经一段时间固化后，即成为地下基础桩。
实施例3使用多功能钻机A对软质地基加固处理的施工方法。
参照图10a、图10b、图10c、图10d、图10e和图10f。
多功能钻机A走行到施工位置，将一组钻具Db的钻头23、搅拌杆24和搅拌杆25分别与钻机动力头C的三重出力轴16的中心出力轴16a、中间出力轴16b和外周出力轴16c联接，启动驱动装置7，使钻头23在转速n4＝10～30min-1的范围内低速大扭矩地旋转，使搅拌杆24在转速n5＝30～80min-1的范围内与钻头23反方向高速旋转，使搅拌杆25在转速n6＝30～80min-1的范围内与搅拌杆24反方向高速旋转，具体转速值，根据地层条件和钻孔直孔径设定，启动卷扬机3，通过钢丝绳5的牵引及钻机动力头C的重力作用，钻机动力头C沿立柱2向下移动，钻头23、搅拌杆24和搅拌杆25随之向下进入地中，钻头23钻削地层，并从钻头23先端喷注水泥浆29，搅拌杆24和搅拌杆25将钻削松散的土砂与水泥浆29进行强制混合搅拌，形成水泥混合土的加固体30；在钻削搅拌的过程中，根据地层硬度和土质的变化，可随时调整钻头23、搅拌杆24和搅拌杆25的转速；钻削搅拌至预定深度后，停止喷注水泥浆29，将钻头23、搅拌杆24和搅拌杆25随钻机动力头C向上提升到立柱2的顶端，停止驱动装置7及钻具Db的旋转，一个单元的加固处理完成；多功能钻机A移动位置，重复上述步骤，进行下一个单元的施工，并使每个单元的加固体30相互连接，直至完成预定区域的加固处理施工，连成一片的水泥混合土的加固体30，经一段时间固化之后，即成为具有一定承载力的坚固地基。
实施例4多轴钻机动力头E。
参照图11。
多轴钻机动力头E是由本发明实施例1中的钻机动力头C演变而来的；将两个驱动装置7联接组合，并固定于机架31之上，就构成了具有两个三重出力轴16的多轴钻机动力头E，它可以同时驱动两组钻具D。
结合上述实施例，对本发明进行了说明，但通过对钻机动力头或钻具部件的结构和组合方式作一些适当的改变，对施工步骤的细节作一些适当的调整，就可以在本发明的范围内，派生出各种不同的钻机及其相应的施工方法。
例如图12和图13所示的是一种四轴组合钻具Dc，使用它对软质地基加固处理，具有更高的施工效率。
又例如图14所示的是，使用多功能钻机A打设预制桩(水泥管或钢管等)的施工方法步骤的示意图；利用这种施工方法，可以无振动、无噪音、高效率地打设预制桩。
权利要求
1.一种多功能钻机包括支撑机、钻机动力头和钻具；所述支撑机主要由可在地面上走行的底座、立柱、卷扬机组、操作室和牵引钢丝绳构成；钻机动力头主要由可移动的机架、设置于机架之上并含有原动机、减速机和出力轴的驱动装置构成；钻具与钻机动力头的出力轴相联接；其特征在于所述钻机动力头的出力轴，除可以是单一出力轴或双重出力轴之外，还可以是由中心出力轴、中间出力轴和外周出力轴构成的三重出力轴。
2.按照权利要求1所述的多功能钻机，其特征在于所述三重出力轴的中心出力轴、中间出力轴和外周出力轴可以分别由1台以上原动机驱动，经减速机减速，按同一轴心，分别以相同或不同的转速，朝相同或相反方向旋转。
3.按照权利要求1所述的多功能钻机，其特征在于所述三重出力轴的转速范围是，中心出力轴的转速为10～30min-1，中间出力轴的转速为20～80min-1，外周出力轴的转速为2～80min-1。
4.按照权利要求1所述的多功能钻机，其特征在于所述的钻具是可以根据使用需要，选用适当钻具部件、进行任意搭配组合而构成的一种组合钻具，钻具部件主要有钻头、螺旋杆、搅拌杆、外周钻筒；钻具部件可以分别与三重出力轴的中心出力轴、中间出力轴和外周出力轴相联接。
5.使用权利要求1所述的多功能钻机的施工方法，其特征在于该施工方法具有如下步骤多功能钻机走行到施工位置，将组合钻具的钻具部件分别与三重出力轴的中心出力轴、中间出力轴和外周出力轴相联接，启动钻机动力头的驱动装置，使组合钻具按选定转速及方向旋转，并随钻机动力头下降而钻削地层，根据施工条件及地层变化，在钻进的过程中可随时分别调整钻具部件的转速，使之处于最佳状态，钻进到预定深度后，按选定方式，同时或分别提升钻具至地面，并停止钻具旋转，移动多功能钻机到下一个施工位置。
全文摘要
本发明涉及一种在土木建筑等工程中钻削地层，构筑地下基础桩、对软质地基加固处理的多功能钻机及其施工方法；该多功能钻机主要包括可在地面上走行的支撑机，含有机架、驱动装置、出力轴的钻机动力头和钻具；其特征在于所述钻机动力头的出力轴是由中心出力轴、中间出力轴和外周出力轴构成的三重出力轴，各出力轴按同一轴心、可分别以相同或不同转速、朝相同或相反方向旋转；所述的钻具是可以根据使用需要，选用适当钻具部件、进行任意搭配组合而构成的一种组合钻具。
文档编号E21B7/02GK1458383SQ03137579
公开日2003年11月26日 申请日期2003年6月18日 优先权日2003年6月18日
发明者钱奂云 申请人:钱奂云