专利名称：用于大口径空心桩的施工机械及其施工方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种建筑施工机械及其施工方法，尤其是大口径基桩或顶 管穿越工程的用于大口径空心桩的施工机械及其施工方法和用途。
技术背景现有的大口径大载荷基桩的类型主要有钻孔灌注桩、预制桩等；钻孔 灌注桩的成孔方法有正反循环钻孔、旋挖钻孔和螺旋钻孔、陀螺钻成孔等 成孔法。上述方法分别存有成孔速度慢，护壁(尤其是液化砂土)困难的 不足，而打入预制桩的桩径、桩长都很有限，且遇粉土、粉砂或卵石、风 化岩等地层均沉桩困难，易把桩尖打爆或把桩身挤爆从而导致桩的载荷力 很受限制。这是目前国内外巿场在高承载力桩型施工中遇到的普遍问题， 亟需解决。 发明内容本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于大口径空心桩的施工机 械及其施工方法和用途，满足大直径、大桩长、高荷载基桩的施工。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是 一种用于大口径 空心桩的施工机械，包括钻孔系统、排注系统、压桩系统，所述的钻孔系 统包括带有高喷射流注水装置的钻头、钻头动力装置、钻头步履钻进装置、 位于钻头上部与钻头一体形成的圆筒状护壁圈；所述的压桩系统包括吊装 装置、桩机移动装置、压桩装置；所述的排注系统包括高喷射流注水装置、 注砼装置和排浆管；在空心桩的钻进端的内腔中固定有固定箱，固定箱的 上端与吊装装置相连，固定箱的下端底盘可拆卸地固定在空心桩的钻进端 的法兰上，固定箱内部固定有钻头步履钻进装置，钻头动力装置位于固定 箱的下端底盘的外部，连接在钻头步履钻进装置上，钻头通过水接头连接 在钻头动力装置上；与注砼装置连接的注砼管穿过固定箱固定在下端底盘 上，排浆管穿过固定箱固定在下端底盘上，与高喷射流注水装置连接的高 喷管穿过固定箱固定在水接头进口端，在水接头出口端连接有高喷喷嘴， 高喷喷嘴位于钻头钻齿的中部。所述的排注系统还包括高喷射流注浆装置，与高喷射流注浆装置连接 的高喷射流注浆管穿过固定箱固定在水接头进口端，在水接头出口端连接 有高喷射流注浆喷嘴，高喷射流注浆喷嘴设置在钻头护壁圈的上部。所述的钻头为一个或多个。所述的空心桩为护筒、钢管桩或预制管桩中的一种。 一种用于大口径空心桩的施工机械的施工方法，包括以下步骤a、 启动装在空心桩钻进端的钻头，启动高喷射流注水装置，切割土体， 钻孔造浆，使泥浆通过排浆系统排出；b、 当土层不太硬，钻进与压桩能保持同步时，同步将空心桩压入；c、 当遇到硬层或风化岩，启动步履钻进装置，先钻孔一定深度，再压 桩一定深度，这样循环钻进压桩，即异步压桩；d、 钻孔达到设计深度后，高喷射流注水装置停止注水，用高喷射流注 水装置向桩端土中高压喷注水泥浆，使桩端土得以加固，控制压力，扩大 旋喷直径以形成扩大头；e、 提钻注砼，成桩。本发明用于大口径空心桩的施工机械的施工方法，也可以是包括以下 步骤a、 启动装在空心桩钻进端的钻头，启动高喷射流注水装置，切割土体， 钻孔造浆，使泥桨通过排浆系统排出，同时启动高喷射流注浆装置，向桩周 土体中喷注水泥浆，使桩周土变成水泥土桩并与空心桩形成组合桩；b、 当土层不太硬，钻进与压桩能保持同步时，同步将空心桩压入；c、 当遇到硬层或风化岩，启动步履钻进装置，先钻孔一定深度，再压 桩一定深度，这样循环钻进压桩，即异步压桩；d、 钻孔达到设计深度后，高喷射流注水装置停止注水，用高喷射流注 水装置向桩端土中高压喷注水泥浆，使桩端土得以加固，控制压力，扩大 旋喷直径以形成扩大头；e、 提钻注砼，成桩。所述的步骤e为为封住桩底口，在提钻时同时注砼，到一定深度， 停止注砼，提出钻具及动力装置，放入钢筋笼，再次注砼，成桩。 所述的步骤e为边注砼边提钻，直至达到标高，提出钻具。还包括，成桩后再置入钢筋笼。用于大口径空心桩的施工机械在大口径、超长、大载荷的基桩和顶管 穿越工程中的应用。本发明的有益效果是1、 本发明的设备与工法，集钻进成孔与压桩(或顶进)于一体，使预 制桩的挤土成桩变成了钻孔沉桩，这使沉桩过程中桩的侧摩阻力大大降低， 而端阻力几乎成为零。由于沉桩阻力的大大降低，施工时桩身不会再因穿 过硬土夹层，或为进入设计的持力层粉砂层或风化岩，而将桩头打爆，将 桩身夹爆或在夹桩时因抱夹力太大而造成桩身强度的破坏；预应力管桩、 钢管桩的直径就可以设计的更大，穿过的硬土层就不再成为问题。2、 本发明设备配有高喷射流注浆装置，在沉桩(或顶管)时，可不断 向桩周土中喷射水泥浆来加固桩周土体。桩周土体变为水泥土，加固范围的直径大于管桩直径(20% 30%)，管桩与桩周水泥土啮合而形成组合桩，其总的侧摩阻力可使桩的单桩竖向承载力提高1. 5 1. 8倍；当沉桩达到设计深度，钻头拔出之前高喷射流注水装置向桩端土中高压喷射水泥浆使被钻头扰动的土体被置换成水泥土；进一步加压(30MPa以上)，可在桩端土 中形成一个水泥土的扩大头，此法不但克服了传统钻孔桩孔底沉渣难以清 除而导致端承力往往极小的致命弱点，而且大大提高了桩的端承力。3、 高喷射流注水装置的第三个优点是，在超大口径(1.5m 5.0m)桩 的施工钻进中，利用高压旋喷射流可将多个钻头之间盲区内未扰动的土体 切割破坏成桨，避免了盲区未扰动土在受到上部管桩沉桩压力时受压而将 周围或相邻的钻头挤偏位或挤坏。4、 本发明的设备上装有液压推进装置，该装置的好处是在遇到硬土夹 层，坚硬土层(标贯击数N〉40)或风化岩时，可使沉桩与钻进步履式异步 进行，即沉桩(或顶管)停止，靠液压推进器推动钻头钻进造浆成孔达到 一定深度(比如lm)，然后停止钻进压桩直至达到设计深度，这样循环往 复钻进，沉桩继续，推进器减压下行钻头相对收縮。5、 本发明的机械的第一个益处为大口径桩施工或大口径管子穿越时， 使用钻头钻进，这种方法使钻具水平扭力分期降低，从而使钻进更容易， 且钻速会更快。钻头的动力装置也可以变得更小，更轻巧。
图1是本发明用于大口径空心桩的施工机械的组成示意图。图2是本发明带有一个钻头系统和排注系统的结构图。图3是本发明带有两个钻头系统和排注系统的结构示意图。图4是本发明用于大口径空心桩的施工机械的成桩工法示意图。图中，1、压桩机；2、底盘；3、移动装置；4、动力装置；5、空心桩; 6、高喷射流注水装置；7、注砼装置；8带有高喷射流注水装置的钻头；9、 钻头；10、高喷管；11、钻头动力系统；12、液压推进器；13、液压动力 泵；14、液压动力传输装置；15、排浆管；16、注砼管；17、吊装装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的设备和工法的具体实施方式
作一详细说明 如图1、 2所示，本发明用于大口径空心桩的施工机械，包括钻孔系统、 排注系统、压桩系统，所述的钻孔系统包括带有高喷射流注水装置的钻头9、钻头动力装置ll、钻头步履钻进装置30、位于钻头上部与钻头一体形成的 圆筒状护壁圈27;所述的压桩系统包括吊装装置17、桩机移动装置3、压 桩装置；所述的排注系统包括高喷射流注水装置6、注砼装置25和排浆管 15;在空心桩5的钻进端的内腔中固定有固定箱20，固定箱20的上端与吊 装装置17相连，固定箱20的下端底盘23可拆卸地固定在空心桩5的钻进 端的法兰上，固定箱20内部固定有钻头步履钻进装置30，钻头动力装置 11位于固定箱20的下端底盘23的外部，连接在钻头步履钻进装置30上， 钻头9通过水接头21连接在钻头动力装置11上；与注砼装置7连接的注 砼管16穿过固定箱20固定在下端底盘23上，排浆管15穿过固定箱20固 定在下端底盘23上，与高喷射流注水装置6连接的高喷管10穿过固定箱 20固定在水接头21进口端，在水接头21出口端连接有高喷喷嘴24，高喷 喷嘴24位于钻头9钻齿的中部。所述的排注系统还可以包括高喷射流注浆装置25，与高喷射流注浆装 置25连接的高喷射流注浆管22穿过固定箱20固定在水接头21进口端， 在水接头21出口端连接有高喷射流注浆喷嘴26，高喷射流注浆喷嘴26设 置在钻头护壁圈27的上部。所述的钻头为一个或多个。如图3所示，为带有两个钻头系统和排注系统的结构。所述的空心桩为护筒、钢管桩或预制管桩中的一种。 本发明用于大口径空心桩的施工机械的施工方法，包括以下步骤a、 启动装在空心桩钻进端的钻头，启动高喷射流注水装置，切割土体， 钻孔造浆，使泥浆通过排浆系统排出；b、 当土层不太硬，钻进与压桩能保持同步时，同步将空心桩压入；c、 当遇到硬层或风化岩，启动步履钻进装置，先钻孔一定深度，再压 桩一定深度，这样循环钻进压桩，即异步压桩；d、 钻孔达到设计深度后，高喷射流注水装置停止注水，用高喷射流注 水装置向桩端土中高压喷注水泥浆，使桩端土得以加固，控制压力，扩大 旋喷直径以形成扩大头；e、 提钻注砼，成桩。本发明用于大口径空心桩的施工机械的施工方法，也可以是包括以下 步骤a、 启动装在空心桩钻进端的钻头，启动高喷射流注水装置，切割土体， 钻孔造浆，使泥浆通过排浆系统排出，同时启动高喷射流注浆装置，向桩周 土体中喷注水泥浆，使桩周土变成水泥土桩并与空心桩形成组合桩；b、 当土层不太硬，钻进与压桩能保持同步时，同步将空心桩压入；c、 当遇到硬层或风化岩，启动步履钻进装置，先钻孔一定深度，再压 桩一定深度，这样循环钻进压桩，即异步压桩；d、 钻孔达到设计深度后，高喷射流注水装置停止注水，用高喷射流注 水装置向桩端土中高压喷注水泥浆，使桩端土得以加固，控制压力，扩大 旋喷直径以形成扩大头；e、 提钻注砼，成桩。所述的步骤e为为封住桩底口，在提钻时同时注砼，到一定深度， 停止注砼，提出钻具及动力装置，放入钢筋笼，再次注砼，成桩。所述的步骤e为边注砼边提钻，直至达到标高，提出钻具。还可以 选择成桩后再置入钢筋笼。本发明用于大口径空心桩的施工机械在大口径、超长、大载荷的基桩 和顶管穿越工程中的应用。钻头步履钻进装置30包括液压推进器12，与液压推进器12相连的液 压动力泵13及液压动i传输装置14。固定箱20的下端底盘23通过从钢管或管桩上固紧或卸下的卡具18与 管桩连接卡口 19固定在钢管或预应力管桩法兰内壁上。以下结合附图，以双钻头形成组合桩为例，对上述发明机械的施工工 法进行详细说明如图4 (a)所示，桩机就位，对准桩位，将钢管(桩)或水泥预应力 管桩，并将钻头9、动力系统11等全部穿入管孔内并固定好，启动带高喷 射流注水装置6的钻头开始喷水钻进，并同时启动高喷射流注浆装置25， 向桩周土体中喷注水泥浆。如图4(b)所示，随着钻进，由于水的压力，将泥浆从排泥管15孔内 排出到地面泥浆坑中，同时启动压桩机构l，同步将钢管(桩)或管桩压进 (或顶进)；注意观察压桩机上压力表的压力值，如压力值过高，则停止 同步压桩。如图4 (c)所示，第一节钢管(桩)或管桩压到位之后，启动吊装装 置17，吊起第二节管桩，将全部动力传输系统，排浆管15，高喷射流注水 装置IO、高喷射流注浆装置25等从第二节管桩中穿过并连接好。将第二节 管桩与第一节管桩对位焊接，继续前述图4(b)所示步骤。如图4 (d)、图4 (e)所示，当(钻进)沉桩，遇到硬夹层或进入持 力层时，压力值显示过高，这时，立即停止压桩，改同步压桩为异步压桩， 即启动液压推进器12推动钻头钻进，当钻进完成一行程后，推进器12减 压收縮推杆，同时开始压桩(图4(e))，待压桩达到钻进深度时，再停止 压桩，开启推进器再次钻进排泥成孔，循环往复。异步压桩可避免将钻头 压坏。压力值的控制应参照地质报告与压桩实际经验确定。如图4(f)所示，钻孔压桩到设计要求的标高。如图4 (g)所示，压桩到位后，停止压桩及喷水，将高喷注水转换为 向桩底端扰动的土体中高压旋喷水泥浆，并加压至30MPa以上喷射，使桩 端形成扩大的水泥土大头，并使水泥浆在高压驱动下，向上钻入，管桩外 壁与桩间土的夹缝中，用高压水泥浆将缝隙挤注密实。以此达到既提高端 承力，又提高侧摩阻力的效果，弥补甚或超过了挤土桩改为钻孔桩所损失的侧摩阻力与端承力。如图4 (h)所示，在完成最后高喷注水泥浆后，将钻头9 、卡具18 与管桩连接卡口 19断开，通过注砼管16边压注砼边上提钻头9等管孔中 全部器械，当提到钢筋笼底端以下时，可停止注砼，将全部作业钻具及各 系统提出管桩外。如图4 (i)所示，向管桩内置入钢筋笼。(如设计无钢筋笼，则图4 (h)所示步骤可边注砼边提钻具直到桩顶停止。) 如图4 (j)所示，灌注砼，成桩。如果不启动高喷射流注浆装置25向桩周土体中喷注水泥浆，那么就只 形成单桩。所述的空心桩为护筒、钢管桩或预制管桩中的一种。如果用护 筒，需要将护筒拔出。为便于说明起见，只列出了沉桩的详细图示及说明，对大口径管道边 穿越的施工步骤只要减掉灌砼下笼及桩底加固的步骤即可。本发明为满足大直径(一般在lm以上)大桩长(一般在50m)以上的 高荷载(4000KN-6000認以上)基桩的施工工法及设备的要求，使高荷载、 大直径、大桩长的灌注桩成桩更有保证，速度更快，彻底解决恶劣土层(如 流砂)中钻孔护壁不成、穿不透坚硬土层的难题。具有降低造价、减轻设 备自重、解决施工难题等一系列问题的优点，尤其是海上打桩提供了便捷、 省力、快速、经济的工法。综上所述，本发明的思路为1、 在钢管或管桩等的下端加设一个或数个高喷钻头，靠钻头的旋转破 坏土体并通过管桩或钢护筒(管桩)中孔形成泥浆；在多钻头时，启动高 压喷射注水装置射水将各系统钻头之间未扰动土体用射流水柱切割破坏形 成泥浆；如果设置有高喷射流注浆装置，同时启动高喷射流注浆装置，向 桩周土体中喷注水泥浆，使桩周土变成水泥土桩并与空心桩形成组合桩；2、 把泥浆从排浆通道中排出，以达到清孔的目的；3、 随着孔的逐步加深，把钢管(护筒)或预应力管桩压入；如在软土 中钻进速度能满足压桩或顶进的速度，可同步压入，如遇硬土或风化岩等， 则利用步履式推进器先钻进一定深度，然后再压桩或顶管到该深度，即采 用异步压入或顶进法。4、 待钢管(护筒)或预应力管桩压到设计深度后，停止钻孔并高压射 流注入水泥浆，使桩端扰动土加固并使水泥浆压入桩壁与桩间土之间的夹缝中以保证侧摩阻力；5、 把钻头及旋喷装置动力装置等从护筒或预应力管桩中提出；6、 把钢筋笼放入钢管或预应力管桩内；7、 灌入混凝土，成桩完成。本发明的内容并不局限在的实施例中，相同领域内的有识之士可以在 本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都 包括在本发明的范围之内。
权利要求
1、一种用于大口径空心桩的施工机械，其特征在于，包括钻孔系统、排注系统、压桩系统，所述的钻孔系统包括带有高喷射流注水装置的钻头(9)、钻头动力装置(11)、钻头步履钻进装置(30)、位于钻头上部与钻头一体形成的圆筒状护壁圈(27)；所述的压桩系统包括吊装装置(17)、桩机移动装置(3)、压桩装置；所述的排注系统包括高喷射流注水装置(6)、注砼装置(25)和排浆管(15)；在空心桩(5)的钻进端的内腔中固定有固定箱(20)，固定箱(20)的上端与吊装装置(17)相连，固定箱(20)的下端底盘(23)可拆卸地固定在空心桩(5)的钻进端的法兰上，固定箱(20)内部固定有钻头步履钻进装置(30)，钻头动力装置(11)位于固定箱(20)的下端底盘(23)的外部，连接在钻头步履钻进装置(30)上，钻头(9)通过水接头(21)连接在钻头动力装置(11)上；与注砼装置(7)连接的注砼管(16)穿过固定箱(20)固定在下端底盘(23)上，排浆管(15)穿过固定箱(20)固定在下端底盘(23)上，与高喷射流注水装置(6)连接的高喷管(10)穿过固定箱(20)固定在水接头(21)进口端，在水接头(21)出口端连接有高喷喷嘴(24)，高喷喷嘴(24)位于钻头(9)钻齿的中部。
2、 根据权利要求1所述的用于大口径空心桩的施工机械，其特征在于， 所述的排注系统还包括高喷射流注浆装置(25)，与高喷射流注浆装置(25) 连接的高喷射流注浆管(22)穿过固定箱(20)固定在水接头(21)进口 端，在水接头(21)出口端连接有高喷射流注浆喷嘴(26)，高喷射流注 浆喷嘴(26)设置在钻头护壁圈(27)的上部。
3、 根据权利要求1或2所述的用于大口径空心桩的施工机械，其特征 在于，所述的钻头为一个或多个。
4、 根据权利要求1或2所述的用于大口径空心桩的施工机械，其特征 在于，所述的空心桩为护筒、钢管桩或预制管桩中的一种。
5、 一种权利要求1所述的用于大口径空心桩的施工机械的施工方法， 包括以下步骤a、 启动装在空心桩钻进端的钻头，启动高喷射流注水装置，切割土体， 钻孔造浆，使泥浆通过排浆系统排出；b、 当土层不太硬，钻进与压桩能保持同步时，同步将空心桩压入；C、当遇到硬层或风化岩，启动步履钻进装置，先钻孔一定深度，再压桩一定深度，这样循环钻进压桩，即异步压桩；d、 钻孔达到设计深度后，高喷射流注水装置停止注水，用高喷射流注 水装置向桩端土中高压喷注水泥浆，使桩端土得以加固，控制压力，扩大旋喷直径以形成扩大头；e、 提钻注砼，成桩。
6、 一种权利要求2所述的用于大口径空心桩的施工机械的施工方法， 包括以下步骤a、 启动装在空心桩钻进端的钻头，启动高喷射流注水装置，切割土体， 钻孔造浆，使泥浆通过排浆系统排出，同时启动高喷射流注浆装置，向桩周 土体中喷注水泥浆，使桩周土变成水泥土桩并与空心桩形成组合桩；b、 当土层不太硬，钻进与压桩能保持同步时，同步将空心桩压入；c、 当遇到硬层或风化岩，启动步履钻进装置，先钻孔一定深度，再压 桩一定深度，这样循环钻进压桩，即异步压桩；d、 钻孔达到设计深度后，高喷射流注水装置停止注水，用高喷射流注 水装置向桩端土中高压喷注水泥浆，使桩端土得以加固，控制压力，扩大 旋喷直径以形成扩大头；e、 提钻注砼，成桩。
7、 根据权利要求5或6所述的用于大口径空心桩的施工机械的施工方 法，其特征在于，所述的步骤e为为封住桩底口，在提钻时同时注砼， 到一定深度，停止注砼，提出钻具及动力装置，放入钢筋笼，再次注砼， 成桩。
8、 根据权利要求5或6所述的用于大口径空心桩的施工机械的施工方 法，其特征在于，所述的步骤e为边注砼边提钻，直至达到标高，提出 钻具。
9、 根据权利要求8所述的用于大口径空心桩的施工机械的施工方法， 其特征在于，还包括，成桩后再置入钢筋笼。
10、 权利要求1或2所述的用于大口径空心桩的施工机械在大口径、 超长、大载荷的基桩和顶管穿越工程中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种用于大口径空心桩的施工机械及其施工方法和用途，包括钻孔系统、压桩系统、排注系统于一体。成桩方法为靠装在钢管(护筒)或预制管桩内孔底端的高喷钻头钻孔造浆；泥浆从水接头及排浆管排出；随钻头异步或同步钻进，护筒或管桩异步或同步压进。在沉桩过程中，向孔外侧土体中喷射水泥浆，使桩周土加固并充填桩与桩周土间的间隙；在钻孔达到深度后再次高压喷射水泥浆使桩端土得以加固；将钻头提出；下钢筋笼；浇砼成桩。本发明为大直径超长高荷载基桩及穿越的施工，尤其是海上打桩提供了便捷、省力、快速、经济的设备和工法。
文档编号E02D5/34GK101215836SQ200710060558
公开日2008年7月9日 申请日期2007年12月29日 优先权日2007年12月29日
发明者雷玉华 申请人:雷玉华