专利名称：绳索打捞式排屑无循环钻进成孔方法及机具的制作方法
技术领域：
本发明涉及建筑桩基施工和水井钻井方法领域，涉及一种无循环钻进成孔方法，并涉及该方法所使用的机具。
背景技术：
在建筑桩基础施工中，要在地基上钻出桩孔。现有技术中桩孔的无循环钻进成孔方法有以下几种1、长螺旋钻进方法在长螺旋钻进方法中，整个钻杆柱都带有螺旋叶片，在钻进过程中，被钻头破碎的岩土屑靠螺旋面连续不断地输送到地表。
2、短螺旋钻进方法在短螺旋钻进方法中使用短螺旋钻机，其只是在孔底钻头部分或部分钻杆柱上带有螺旋叶片(1~4个螺距)，采用伸缩式钻杆及长桅杆以实现快速提升钻具排土。在短螺旋钻进过程中，钻出的岩土屑就储存在孔底长度不大的螺旋钻具叶片上，在钻完一个回次后，靠钻杆将钻具提出地表，清除附着在螺旋叶片上的岩土后再将钻具下入孔内开始下一回次的钻进。
3、钻斗钻进方法钻斗钻进类似于短螺旋钻进，它是在钻杆柱下端连接一个底部带切削齿的筒状钻具(即钻斗)，借助钻具重量及钻机加压把切削齿切入土层，在回转力矩作用下钻斗回转，钻掘土层，同时将切削下的土块收入斗内。待斗内土块装到一定程度后靠钻杆将钻斗提到孔外，打开钻斗，卸去土屑，其后再将钻斗下入孔内，重复以上操作。可见，钻斗既是切削破碎工具，又是钻进时的存土容器。
长螺旋钻进方法不需因排土而提钻，故钻进效率高，但储存在螺旋叶片上的碎屑与孔壁摩擦致使功率消耗增加，随孔径与孔深增大，功率消耗增大迅速，因此孔径与孔深受到限制，而且地表钻机的桅杆(钻塔)高度必须略大于钻孔深度，致使设备庞大。
短螺旋钻进方法的排土不是连续的，省去了钻进中很大的输土功率消耗，可以钻进大口径孔，所以工程中应用很广。钻斗钻进方法排土方式与短螺旋钻进类似，且也具有短螺旋钻进方法的优点。但是，短螺旋钻进和钻斗钻进都需要地表钻机具有长桅杆(钻塔)以缩短提下钻时间，为了加大钻孔深度，还需使用伸缩钻杆。这些就导致现有设备结构庞大且复杂，目前国内主要使用的这类进口工程钻机，造价上千万元，国产同类钻机也需数百万元。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不需要使用昂贵的设备及配套的长桅杆和伸缩钻杆、利用一般顶驱动钻机就可以完成将钻屑打捞上来的绳索打捞式排屑无循环钻进成孔方法，且该方法可适用于工程深孔钻进。本发明的另一个目的在于提供一种绳索打捞式排屑无循环钻进成孔机具。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的绳索打捞式排屑无循环钻进成孔方法所用的钻机为带有桅杆、卷扬系统的顶驱动钻机，驱动装置连接导向钻杆并可以驱动其转动，在该导向钻杆上设有一可上下滑动且可在导向钻杆下端的设定位置处与导向钻杆同步转动以进行钻孔的钻具，在所述导向钻杆和钻具之间还设有使钻具钻进的止位装置；在该导向钻杆上还设有一个可上下滑动的打捞器，其与钻机卷扬机连接使其沿导向钻杆上下移动，其与所述钻具之间构成可脱开的连接结构，所述钻进成孔方法包括如下步骤(1)利用钻机卷扬系统将与所述打捞器连接在一起的所述钻具沿所述导向钻杆下放至导向钻杆的下端，止位机构弹出卡住钻具限制其上移；(2)所述打捞器和钻具之间的连接脱开，将该打捞器沿所述导向钻杆提出孔口；(3)启动钻机驱动装置，使导向钻杆转动，并通过所述导向钻杆下端的周向定位装置例如花键配合带动所述钻具回转切削土层，钻出的土屑储存在孔底钻具内；(4)当钻具内钻屑量达到一定程度之后，使所述驱动装置停止回转，将打捞器下入孔内，打捞钩与钻具的连接结构连接起来，钻机卷扬系统提升打捞钩使止位机构回收，并将孔底钻具连同钻屑沿导向钻杆提出地表；(5)清除所述钻具中的钻屑；重复步骤(1)，循环往复，使钻孔不断延伸。
在上述方法中所使用的绳索打捞式排屑无循环钻进成孔机具包括与钻机驱动装置连接的导向钻杆、与钻机卷扬系统连接的打捞器和钻具，钻机驱动装置可以驱动所述导向钻杆转动，所述钻具可沿所述导向钻杆上下滑动且可在导向钻杆至少其下端(在导向钻杆的上端也可以设有)的设定位置处与所述导向钻杆同步转动，导向钻杆和钻具之间还设有使钻具钻进的止位装置，它可以在钻具到达导向钻杆底部时卡固住钻具使其不能上移而进行钻进，又可以在向上打捞钻具时从导向钻杆上松开使钻具可以被提上来，使钻具可以沿导向钻杆上下滑动完成提下钻，且可与导向钻杆同步转动进行钻孔，所述打捞器连接在钻机卷扬系统的钢丝绳上；所述打捞器与钻具上设有相互匹配的卡扣结构，使打捞器与钻具之间构成可拆连接。
本发明提供的绳索打捞式排屑无循环钻进成孔方法及钻具保持了传统无循环钻进方法的特点，同时还具备以下优点1、与短螺旋(或钻斗)钻进方法比较，该钻进方法不需要伸缩钻杆和长桅杆，对钻机的要求较低；2、与长螺旋钻进方法相比，该钻进方法钻机所需功率小，结构简单、外廓尺寸小，满足在受限空间下施工的要求；3、工艺简单、操作方便、可以适应较深孔的钻进要求。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1a-1e示出了本发明提供的绳索打捞式排屑无循环钻进成孔方法的步骤示意图；图2a和2b为本发明提供的绳索打捞式排屑无循环钻进成孔钻具的主视和侧视的结构示意图；图3a-3c示出了本发明的成孔方法中钻具放下的过程示意图；图4a-4c示出了本发明的成孔方法中打捞钻具的过程示意图；图5a-5b示出了打捞器进行打捞和下放钻具时打捞器内部状态的示意图；图6a-6b示出了钻具与导向钻杆之间的止位卡固结构的示意图及卡固和解卡原理；具体实施方式
如图2所示，本发明提供的绳索打捞式排屑无循环钻进成孔机具包括与钻机动力头相连接的导向钻杆12、钻具11、打捞器A、升降滑轮组2和与卷扬机连接的钢丝绳，钻机顶驱动装置与导向钻杆12连接以驱动导向钻杆12转动，本实施例中的钻具11为螺旋钻头，其可上下滑动且可在导向钻杆下端和上端的设定位置处与导向钻杆同步转动的套设于导向钻杆12上，在导向钻杆的下端和上端的相应部位上以及钻具的相应部位上设有相互匹配的花键结构。钻具11也可以是环空型钻斗，其与导向钻杆的连接结构与螺旋钻头相同。
打捞器A通过升降滑轮组2上的钢丝绳与钻机卷扬系统连接，通过卷扬机使打捞器A沿导向钻杆12上下移动；打捞器A以及其同钻具11上各设有的卡扣结构在本实施例中可以是这样的结构打捞器A主要包括上筒体6、下筒体7、滑轮组2、压块4和打捞钩9，上筒体6和下筒体7同心地套设在导向钻杆12上，上筒体6在外，下筒体7在内，上筒体6和下筒体7之间设有推力圆锥滚子轴承5，在下筒体7和导向钻杆12之间的环形间隙中上方一侧设有筒型压块4，在下筒体7的下部圆周筒壁上对称地开设若干轴向豁口，在各豁口相对的侧壁上设有用销轴连接的打捞钩9，在各豁口71相对的侧壁上设铰接轴8’，在该铰接轴8’上铰接打捞钩9，打捞钩9和导向钻杆12之间设有弹簧插销8，其与打捞钩9的钩头分设在铰接轴8’的两侧。压块4的下端的筒内表面为向下渐扩的圆锥面。
压块4与上筒体6之间的位移通过一卡固装置控制，其结构可以使用多种机械连接结构，如图2以及图5a-5b示出了一种具体结构上筒体6上端固设座圈1’，在座圈1’上设有该卡固装置，使压块4与上筒体6构成可拆连接，其包括固设在座圈1’上的两个支座4’、5’，在其中穿弹簧插销组件，其包括插设在支座上的定位销轴2’，定位销轴2’上设定位凸起6’，支座5’的穿设定位销2’的孔上具有一个豁槽，供定位销轴2’上的凸起6’通过，在定位销轴2’和支座4’之间设复位弹簧3’，在压块4的相应位置上设有环槽41。通过控制固设在座圈1’上的弹簧插销组件与压块4上的环形凹槽的作用关系，可以使压块4处于锁定状态或自由下移状态。进行打捞钻具时，压块4处于锁定状态(图5a)；进行下放钻具时，压块4处于松开状态(图5b)，当钻具到达导向钻杆下端停止下移后，压块4在自重作用下继续下移可压缩弹簧迫使打捞钩9张开，实现与钻具脱开连接；螺旋钻头11的上端设有打捞矛10(打捞矛头的结构见图6)，使打捞器A与螺旋钻头11之间构成可拆连接。
在导向钻杆12和钻具11之间设有的使钻具钻进的止位装置也可以使用多种机械结构，图6a、6b示出了一种具体的结构在导向钻杆12的下端适当位置上设有环槽121，打捞矛部分主要由打捞矛10、锁卡103和钻头体端件104等部分组成。钻头体端件104上下凸缘之间的筒体上上左右用插销安装了两块锁卡103，插销和锁卡之间配置了扭转弹簧，能通过扭转弹簧的作用，使锁卡103自动复位。图6a为钻头在导向钻杆12上的定位状态，当打捞器A下放钻头入孔底时，打捞矛10落到钻头体端件104的下凸缘上，锁卡103在扭转弹簧的作用下，自动卡紧底部导向钻杆上环槽121，使之不能沿钻杆上下移动，实现钻头和钻杆之间的轴向定位。图6b为钻头和导向钻杆12底部脱离的状态。打捞钻头时，打捞矛10上行，并挤压锁卡103使之扭转一个角度，锁卡103退出导向钻杆环槽121。然后打捞矛继续上行，直至到达钻头体端件104上端凸缘，最后通过打捞器提取钻头上行，提离孔外。
打捞器是这样工作的如图3a-3c所示，下放钻具时，定位销轴2’松开压块4(图5b)，在钻具11下入到导向钻杆12下端时，压块4在自重的作用下，下行嵌入打捞钩9和下筒体7之间，使打捞钩9张开，钻具11和打捞器A脱离，然后，钢丝绳通过滑轮组2将打捞器A提离孔口，导向钻杆12和钻具11之间止位装置处于定位状态，启动导向钻杆驱动装置使导向钻杆回转，进行钻进工艺；如图4a-4c所示，在钻进完成需提取钻具11时，将定位销轴锁紧压块4(图5a)使之固定，在弹簧插销8的作用下，打捞钩9恢复到原来的收拢状态，同时通过卷扬机的作用，钢丝绳将打捞器下入孔底，打捞钩9嵌入并卡紧螺旋钻头上的打捞矛，然后将打捞器和螺旋钻头(或钻斗)提离孔口进行排土等作业，在此过程中，导向钻杆12和钻具11之间止位装置处于脱离状态。在排土过程中，反向转动导向钻杆甩土。
在回转钻进和反转甩土时，在推力圆锥滚子轴承的作用下，打捞器的打捞钩、下筒体和螺旋钻头同导向钻杆一起回转，而滑轮组2、压块4以及上筒体6则保持不转。
使用上述机具进行钻进作业的工序为如图3a-3c和4a-4c以及图1a-1e所示，首先解除压块4的锁定状态(图5b)，再利用钻机的卷扬机，钢丝绳经钻机桅杆天车、动力头和打捞器A上的滑轮2，将打捞器a和短螺旋钻头11沿着导向钻杆12下入到孔底(图1a)；在钻头2到达孔底之前在钻头的重力作用下压块的下端与打捞钩的上端相抵，打捞钩将钻头钩住，随着钻头到达导向钻杆下端止住下移，打捞钩与打捞矛头间的作用力消失，压块在重力作用下向下滑入打捞钩9和下筒体7之间的间隙中，克服弹簧插销的弹力使打捞钩张开，打捞钩与短螺旋钻头上部的打捞矛头脱离，打捞器被提出孔口(图1b)；此时钻具止位装置嵌入导向钻杆下端的环形槽(图6a)内，限制钻具上行；钻机动力头回转，驱动导向钻杆并通过导向钻杆下端的花键配合带动螺旋钻头回转切削土层，钻出的岩土屑储存在孔底长度不大的螺旋钻具叶片上(或钻斗内)，在钻屑达到一定程度之后，动力头停止回转，将压块4置入锁定状态(图5a)，再利用钻机转扬系统将打捞器下入孔内，打捞钩扣住筒式钻头上部的打捞矛(图1c)；钻机卷扬系统提升打捞钩使止位机构回收(图6b)，并将孔底钻具连同钻屑沿导向钻杆提出地表(图1d)；钻机反转甩掉或用其它方法清除附着在螺旋叶片上的(或钻斗内的)钻屑(图1e)；重复以上工序使钻孔不断延伸。
在此需要说明的是，本发明提供的方法所对应的机具的结构可以是多种多样的，上面仅仅是举出了一个具体实例，并不意味着对本发明机具的限定。以上所述是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换，均属于本发明保护范围之内。
权利要求
1.一种绳索打捞式排屑无循环钻进成孔方法，所用的钻机为带有桅杆、卷扬系统的顶驱动钻机，驱动装置连接导向钻杆并可以驱动其转动，在该导向钻杆上设有一可上下滑动且可在导向钻杆下端的设定位置处与导向钻杆同步转动以进行钻孔的钻具，在该导向钻杆上还设有一个可上下滑动的打捞器，其与钻机卷扬机连接使其沿导向钻杆上下移动；其与所述钻具之间构成可脱开的连接结构，所述钻进成孔方法包括如下步骤(1)利用钻机卷扬系统将与所述打捞器连接在一起的所述钻具沿所述导向钻杆下放至导向钻杆的下端，止位机构弹出卡住钻具限制其上移；(2)所述打捞器和钻具之间的连接脱开，将该打捞器沿所述导向钻杆提出孔口；(3)启动钻机驱动装置，使导向钻杆转动，并通过导向钻杆下端的花键配合带动所述钻具回转切削土层，钻出的土屑储存在孔底钻具内；(4)当钻具内钻屑量达到一定程度之后，使所述驱动装置停止回转，将打捞器下入孔内，打捞钩与钻具的连接结构连接起来，钻机卷扬系统提升打捞钩使止位机构回收，并将孔底钻具连同钻屑沿导向钻杆提出地表；(5)清除所述钻具中的钻屑；重复步骤(1)，循环往复，使钻孔不断延伸。
2.一种绳索打捞式排屑无循环钻进成孔所用的机具，其特征部件装置包括与钻机驱动装置连接的导向钻杆、与钻机卷扬系统连接的打捞器、钻具。所述钻具可上下滑动且可在导向钻杆下端的设定位置处与导向钻杆同步转动地套设于所述导向钻杆上，使钻具可以沿导向钻杆上下滑动完成提下钻，且可与导向钻杆同步转动进行钻孔；所述钻具为带有打捞矛头的短螺旋钻头或环形钻斗；所述打捞器连接在钻机卷扬系统的钢丝绳上；所述打捞器与钻具上设有相互匹配的卡扣结构，使打捞器与钻具之间构成可拆连接。
3.根据权利要求2所述的机具，其特征在于，在所述导向钻杆下端和钻具之间还设有止位机构，使在钻具滑下至所述导向钻杆的下端时卡住钻具限制其上移，而当钻具被提升时解除卡固。
4.根据权利要求2或3所述的机具，其特征在于，所述打捞器上设有常闭型打捞钩，所述钻具上设有打捞矛头，打捞钩与打捞矛共同构成打捞器与钻具之间的可拆连接。
全文摘要
本发明提供一种绳索打捞式排屑无循环钻进成孔方法及其所用机具，机具包括与钻机驱动装置连接的导向钻杆，在钻杆上设有一可上下滑动且可在钻杆下端与钻杆同步转动以进行钻孔的钻具，在钻杆上还设有可上下滑动的打捞器，其与钻机卷扬机连接使其沿钻杆上下移动；其与钻具之间构成可脱开的连接结构，该方法包括如下步骤将与打捞器连接在一起的钻具沿导向钻杆下放至导向钻杆的下端，止位机构限制其上移；打捞器和钻具的连接脱开，将打捞器沿钻杆提出孔口；启动钻机驱动装置使导向钻杆转动，带动钻具回转切削土层，钻出的土屑存在钻具内；将打捞器下入孔内，与钻具连接起来，提升打捞钩使止位机构回收，并将钻具连同钻屑沿钻杆提出地表；清除钻具中的钻屑。本方法和机具不需用昂贵的设备及配套的长桅杆和伸缩钻杆，工艺简单、操作方便、可以适应较深孔的钻进要求。
文档编号E21B3/00GK1587630SQ200410069189
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月7日 优先权日2004年7月7日
发明者夏柏如, 刘宝林, 李逵 申请人:中国地质大学(北京)