一种带液压扩大头的旋转成孔装置及施工方法与流程

本发明涉及深基坑支护预应力锚杆/索的施工领域，尤其涉及一种带液压扩大头的旋转成孔装置及施工方法。

背景技术：

近年来，随着土地资源的紧缺，在建筑领域深基坑支护技术迅速发展，深基坑支护是为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。未来基坑支护将向着更大深度、更大面积的方向发展，周边作业环境会越来越复杂，深基坑的开挖和施工难度会越来越大。基坑支护工程控制要点在于对支护结构变形及位移的控制。以后通过施加预应力的方法控制变形将逐步被推广，而预应力锚杆/索的施工质量直接决定了基坑变形及位移大小，预应力锚杆/索的施工质量最直接的反应就是抗拔力的大小。目前使用最普遍的增加抗拔力的方法就是锚杆/索锚固段端头部分设置扩大头，扩大头一般采用高压旋喷成孔的施工方法，通过高压射流切削土体成孔。但在地层深处高压旋喷成孔孔径往往只能通过经验及作业时间来大致确定，且高压旋喷是湿作业，孔内射流成渣一般无法清除干净，孔底沉渣很厚，这种方法无法保证扩大头成孔孔径及孔底沉渣能达到设计规范要求。本发明通过改变钻机钻头构造，钻头采用液压扩张式钻头，在钻至设计要求扩大头深度时通过液压扩张装置边旋转边将钻头逐步扩大至设计要求孔径大小，直至完全达到设计深度，成孔后将钻头缩回，然后提钻杆。此种作业方法可直接采用干作业成孔，在保证扩大头直径的同时也有效的避免了因湿作业成孔造成的沉渣难以清除的质量隐患。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中高压旋喷施工方式难以控制扩孔孔径，且射流成渣无法清除干净的缺陷，提供一种带液压扩大头的旋转成孔装置及施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种带液压扩大头的旋转成孔装置，包括钻杆，钻杆上设置有螺旋形的钻杆叶片，钻杆的末端还设置有油压装置和液压合金钻头，液压合金钻头有多片可开合的钻齿；油压装置还包括进油高压管、出油高压管和加压油泵，进油高压管和出油高压管通过一端与加压油泵相连，另一端穿过钻杆的内部与油压装置相连；

在进行非扩孔段的施工时，液压合金钻头的钻齿闭合，通过闭合状态的液压合金钻头和钻杆叶片配合进行旋转打孔；在进行扩孔段的施工时，加压油泵通过进油高压管向油压装置输入高压油，油压装置控制液压合金钻头的钻齿打开，成孔直径增大；完成扩孔段的施工时，通过出油高压管输出油压装置内的高压油，油压装置控制液压合金钻头的钻齿回收。

进一步地，本发明的液压合金钻头为钻石形结构，分为直径增大部分和直径减小部分，直径减小部分为锥形尖端。

进一步地，本发明的油压装置的两侧设置有限位装置，液压合金钻头的钻石形结构的直径增大部分与限位装置进行配合限位。

进一步地，本发明的液压合金钻头为高强度材料。

进一步地，本发明的液压合金钻头的底部与油压装置相接触的位置设置有高压气流孔。

进一步地，本发明的钻杆的内部设置有套丝。

进一步地，本发明的液压合金钻头的底部设置有转轴，液压合金钻头的各个钻齿绕转轴转动。

本发明提供一种带液压扩大头的旋转成孔装置的施工方法，包括以下步骤：

S1、进行非扩大锚杆长度范围成孔段的施工：通过闭合状态下的液压合金钻头与钻杆叶片相配合，进行旋转成孔；成孔同时使用高压空压机进行高压鼓风，排除转碎的土体；

S2、进行扩大锚杆长度范围成孔段的施工：若为成孔渐变式扩孔，执行步骤S21；若为成孔突变式扩孔，执行步骤S22；

S21、成孔渐变式扩孔：持续旋转钻孔，同时加压油泵通过进油高压管向油压装置输入高压油，油压装置控制钻齿缓慢张开，张开同时持续钻孔，保证钻孔直径逐渐增大；

S22、成孔突变式扩孔：暂停旋转钻孔，加压油泵通过进油高压管向油压装置输入高压油，油压装置控制钻齿直接张开到最大直径，然后继续旋转钻孔；

S3、钻孔达到指定深度后，通过出油高压管输出油压装置内的高压油，油压装置控制钻齿回收，进而提出钻杆和钻头，完成钻孔。

进一步地，本发明的步骤S1中高压空压鼓风机的压力不小于20MPa。

进一步地，本发明的步骤S2中加压油泵的工作压力不小于63MPa。

本发明产生的有益效果是：本发明的带液压扩大头的旋转成孔装置及施工方法，通过液压装置控制液压合金钻头的张开和回收，能够满足需要扩展直径的钻孔的成孔要求；与传统技术中的高压旋喷技术相比，扩展直径部分的成孔直径能够精确控制，提高了基坑的强度，且减小了扩展直径成孔的施工难度；本装置结构简单，使用成本低，能够大大提高扩展直径成孔的施工质量和孔桩的强度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的钻头闭合状态结构示意图；

图3是本发明实施例的钻头张开状态结构示意图；

图4是本发明实施例的成孔渐变式扩孔结构示意图；

图5是本发明实施例的成孔突变式扩孔结构示意图；

图中，1-液压合金钻头，2-油压装置，3-钻杆叶片，4-钻杆，5-套丝，6-进油高压管，7-出油高压管，8-限位装置，9-转轴，10-钻齿，11-高压气流孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的一种带液压扩大头的旋转成孔装置，包括钻杆4，钻杆4上设置有螺旋形的钻杆叶片3，钻杆4的末端还设置有油压装置2和液压合金钻头1，液压合金钻头1有多片可开合的钻齿10；油压装置2还包括进油高压管6、出油高压管7和加压油泵，进油高压管6和出油高压管7通过一端与加压油泵相连，另一端穿过钻杆4的内部与油压装置2相连；

在进行非扩孔段的施工时，液压合金钻头1的钻齿10闭合，通过闭合状态的液压合金钻头1和钻杆叶片3配合进行旋转打孔；在进行扩孔段的施工时，加压油泵通过进油高压管6向油压装置2输入高压油，油压装置2控制液压合金钻头1的钻齿10打开，成孔直径增大；完成扩孔段的施工时，通过出油高压管7输出油压装置2内的高压油，油压装置2控制液压合金钻头1的钻齿10回收。

如图2所示，液压合金钻头1为钻石形结构，分为直径增大部分和直径减小部分，直径减小部分为锥形尖端。底部的直径增大部分能够提高钻头的强度，起到支撑的作用；顶部的锥形尖端能够提高成孔的速度和质量。

如图3所示，油压装置2的两侧设置有限位装置8，液压合金钻头1的钻石形结构的直径增大部分与限位装置8进行配合限位。液压合金钻头1为高强度材料。液压合金钻头1的底部与油压装置2相接触的位置设置有高压气流孔11。钻杆4的内部设置有套丝5。液压合金钻头1的底部设置有转轴9，液压合金钻头1的各个钻齿10绕转轴9转动。

如图4和图5所示，本发明实施例的带液压扩大头的旋转成孔装置的施工方法，包括以下步骤：

S1、进行非扩大锚杆长度范围成孔段的施工：通过闭合状态下的液压合金钻头与钻杆叶片相配合，进行旋转成孔；成孔同时使用高压空压机进行高压鼓风，排除转碎的土体；

S2、进行扩大锚杆长度范围成孔段的施工：若为成孔渐变式扩孔，执行步骤S21；若为成孔突变式扩孔，执行步骤S22；

S21、成孔渐变式扩孔：持续旋转钻孔，同时加压油泵通过进油高压管向油压装置输入高压油，油压装置控制钻齿缓慢张开，张开同时持续钻孔，保证钻孔直径逐渐增大；

S22、成孔突变式扩孔：暂停旋转钻孔，加压油泵通过进油高压管向油压装置输入高压油，油压装置控制钻齿直接张开到最大直径，然后继续旋转钻孔；

S3、钻孔达到指定深度后，通过出油高压管输出油压装置内的高压油，油压装置控制钻齿回收，进而提出钻杆和钻头，完成钻孔。

步骤S1中高压空压鼓风机的压力不小于20MPa。

步骤S2中加压油泵的工作压力不小于63MPa。

在本发明的另一个具体实施例中，将液压扩张钻头用于钻孔施工，液压钻头通过两根油压管与钻孔机加压油泵连接，通过加油与回油控制钻头张开与收回，在预应力锚杆/索非扩孔段施工时不加压，正常钻进，土体随螺旋钻杆带出钻孔，在扩大头范围钻孔时一边钻进一边加压使钻头缓慢张开，在成孔后通过回油装置将钻齿收回，然后将钻杆收回。此种施工方法能精准的控制扩大头成孔孔径，且成孔过程采用干作业成孔可有效控制孔底成渣，保证成孔施工质量有。成孔有如下两种方式：

成孔渐变式扩孔：非扩大锚杆长度范围采用普通钻孔工艺成孔至孔径渐变段—一边继续钻进一边用油泵通过进油管加压作用至扩孔钻头使钻齿缓慢张开，在孔径渐变段完成扩孔过程—到扩大头范围通过扩孔钻头成孔至设计深度。

成孔突变式扩孔：非扩大锚杆长度范围采用普通钻孔工艺成孔—到达扩大头范围钻杆停止钻进但钻头继续旋转，用油泵通过进油管加压作用至扩孔钻头使钻齿缓慢张开完成扩孔过程—扩大头范围继续钻进通过扩孔钻头成孔至设计深度。

施工的具体步骤为：

1)非扩大锚杆长度范围成孔采用普通成孔工艺；

采用普通锚索钻机通过螺旋钻杆用高压空压机鼓风旋转成孔鼓风压力不少于20MPa，保证所有钻碎土体可以完全排除。

2)通过油泵给液压扩张式钻头加压扩孔；

油泵通过进油高压管给液压钻头加压，油泵工作压力不少于63MPa,一边旋转一边扩大钻头成孔，钻头扩张最大行程根据锚杆/索设计要求选用，成扩孔式有成孔渐变式扩孔、成孔突变式扩孔两种，扩孔至最大行程时通过限位装置自动停止扩张。

3)扩大头范围成孔；

利用扩张后的液压扩大钻头旋转成孔至设计深度。

4)通过回油高压管收回扩张钻齿，然后慢慢提出钻杆和钻头。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。