一种随钻跟管桩用的硬质岩切削钻头及施工方法与流程

本发明涉及桩基工程技术领域中的一种随钻跟管桩用的硬质岩切削钻头及施工方法。

背景技术：

通常，随钻跟管桩的埋深通常较大、内腔作业空间有限、桩底构造复杂且局部扩径，传统旋挖成孔方法难以实现在高硬度岩层桩底扩孔成孔，传统钻头切削得到的岩土渣难以排掉等问题，而随钻跟管桩施工具有施工速度快、经济环保、质量可靠等优点，能够有效降低能耗、减少建筑垃圾、缩短建造工期等，故具有显著的社会与经济效益。由于随钻跟管桩以岩层作为持力层时桩底需要嵌入岩层一定深度，需要用扩孔钻头正向旋挖成孔，而在沿海地区，以花岗岩为代表的硬质岩强度高达50～100mpa不等。钻头旋转钻进过程中，采用常规子弹头布置方法，容易因岩体过于致密、硬度过高，导致钻头的子弹头及其底座被岩体磨损，而无法继续钻进，导致入岩施工失败。

技术实现要素：

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种随钻跟管桩用的硬质岩切削钻头及施工方法，实现可靠、高效的施工。本发明能针对目前的新桩型起到良好的成孔效果，保证随钻跟管钢桩靴嵌入高硬度岩层，产生沉渣小，内腔浇筑的水下封底混凝土能够直接与桩底岩土、桩靴、管桩内腔紧密黏结，使得桩底附近能够形成一个整体结构共同承受桩底反力，进而提高随钻跟管桩施工工艺的掘进效率和嵌岩效果。

根据本发明的第一方面实施例，提供一种随钻跟管桩用的硬质岩切削钻头，包括钻头主体；钻头前爪，所述钻头前爪固定在所述钻头主体的底端面上，所述钻头前爪与所述钻头主体形成阶梯状结构；扩挖机构，所述扩挖机构位于所述钻头主体底端的外侧，所述扩挖机构包括带限位板的活动翼板和扩挖子弹钻头，所述带限位板的活动翼板的一端转动安装在所述钻头主体上，所述限位板用于限定所述活动翼板的纵向位移，所述扩挖子弹钻头倾斜固定在所述带限位板的活动翼板的外侧。为了扩挖子弹钻头切削过程中产生的渣土顺利清走，扩挖子弹钻头的底部与钻头主体底部的螺旋叶片的角度相同，以将被切削至破碎的渣土从螺旋叶片上提排到随钻跟管桩机的出土箱，从而实现渣土的排出。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述扩挖子弹钻头通过底座固定在所述带限位板的活动翼板上，所述底座上还设有第一保护钻头，所述第一保护钻头的长度小于所述扩挖子弹钻头的长度。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述扩挖机构还包括第二保护钻头，所述第二保护钻头固定在所述带限位板的活动翼板第一端的底面，所述第二保护钻头的指向方向与所述扩挖子弹钻头的指向方向之间的夹角小于90°。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述钻头前爪的端部设有第一钻头组，所述第一钻头组包括至少两个倾斜设置的第一子弹钻头，两个所述第一子弹钻头的尖端关于所述钻头前爪的底面中心对称。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述钻头前爪的侧面设有第二钻头组，所述第二钻头组包括至少两个倾斜设置的第二子弹钻头，两个所述第二子弹钻头的尖端关于所述钻头主体的底面中心对称。所述第二子弹钻头的尖端指向方向与正向旋挖的切线方向一致，保证在正向旋挖过程中，第二子弹钻头指向开挖岩面。从而在钻进过程中不断扩大形成钻头尖端部位的临空面，第一钻头组集中开出的孔洞由第二钻头组进行切削扩大，接着由扩孔子弹钻头进一步将第二钻头组形成的孔洞进一步继续扩大，总体呈阶梯状的钻进。通过合理的钻头组层层切削钻进方式设计，第一子弹钻头组合第二子弹钻头组通过每一层扩大临空面而增加更多裂隙，释放更多岩层的内应力，从而减少扩孔子弹钻头的负荷，延长其轴承的使用寿命，提高施工效率。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，所述扩挖子弹钻头的尖端胎体外侧布置有多个尖端切削部，为高强合金制造，所述尖端切削部沿所述扩挖子弹钻头的周向分布。胎体上的尖端切削部的分布错开，一般设置2～3圈，圈间距为尖端切削部的剖面直径，便于土渣从尖端切削部之间的间隙排出，胎体上尖端切削部的错开分布构造，提高了钻头对研磨岩屑岩渣的排土能力。

根据本发明第一方面实施例，进一步地，施工前，须结合场地地质勘察资料明确岩层产状性质，所述扩挖子弹钻头斜向分布式，切削过程中扩挖子弹钻头的中心线与岩石表面之间形成的角度与基底岩石的内摩擦角接近。岩层的产状倾角为β，所述扩挖子弹钻头的指向方向与竖直方向之间的夹角为α，当β＝0时，所述扩挖子弹钻头的指向方向与岩层之间的夹角α为45～60°；当β＞0时，所述扩挖子弹钻头的指向方向与岩层之间的夹角为α+β。施工前，须根据岩层产状性质决定调整子弹钻头的指向方向，子弹钻头保持切削着岩层始终在岩层最不利破坏面，以最合理的钻齿角度实现破岩效果最大化。

根据本发明第二方面实施例，提供一种随钻跟管桩施工方法，包括以下步骤：s10.启动钻机，钻头正向旋转并向下切削，带限位板的活动翼板向外张开，切削过程中扩挖子弹钻头的中心线与岩石表面的夹角与基底岩石的内摩擦角的角度差为0～15°；s20.跟管桩到位后，带限位板的活动翼板向内收回，钻头上提。

根据本发明第二方面实施例，进一步地，在步骤s10中，钻头到达岩基表面时正向旋转，所述扩挖子弹钻头的尖端中心线方向与接触土层表面法线方向的角度小于90度限位板的活动翼板向外张开；进行磨岩钻进时，钻头采用低速大扭矩的旋挖钻进。

根据本发明第二方面实施例，进一步地，钻头反向旋转时，扩挖子弹钻头的尖端中心线方向与接触土层表面法线方向的角度小于90度，在周围渣土挤压与向心力作用下，带限位板的活动翼板向内收回。

本发明的有益效果是：在正向旋挖时，通过向外张开带限位板的活动翼板，使扩挖机构的旋挖半径增加，配合形成阶梯状结构的钻头主体和钻头前爪，以符合破岩时具备的最优子弹头方向和分布，最省力地实现旋转断面的全覆盖及钻头在高硬度基岩中的快速钻进，由于扩挖子弹钻头的中心线与岩石表面的夹角与基底岩石的内摩擦角接近，因此在抗压强度超过100mpa的微风化花岗岩等硬岩地区旋转切削成孔的效果良好，提高了随钻跟管桩施工的掘进效率和嵌岩效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明中随钻跟管桩用的硬质岩切削钻头的正视图；

图2是本发明中扩挖子弹钻头的结构示意图；

图3是本发明中扩挖子弹钻头与岩石表面接触的示意图；

图4是本发明中用于随钻跟管桩施工的钻头的仰视图；

图5是本发明中用于随钻跟管桩施工的钻头的旋挖轨迹示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1～图5，本发明第一方面实施例中的随钻跟管桩用的硬质岩切削钻头，包括钻头主体10、钻头前爪30和扩挖机构20。钻头前爪30固定在钻头主体10的底端面上，钻头前爪30与钻头主体10形成阶梯状结构。扩挖机构20位于钻头主体10底端的外侧，扩挖机构20包括带限位板25的活动翼板21和扩挖子弹钻头22，带限位板25的活动翼板21的一端转动安装在钻头主体10上，限位板25用于限定活动翼板21的纵向位移，扩挖子弹钻头22倾斜固定在带限位板25的活动翼板21的外侧。本实施例中，活动翼板21通过限位板25安装在钻头主体10上，限位板25固定在钻头主体10上，限位板25用于限定活动翼板21的纵向位移，从而避免扩挖子弹钻头22在旋挖时发生纵向位移，影响破岩效果。带限位板25的活动翼板21为钢材质，带限位板25的活动翼板21上设有安装孔，转轴贯穿带限位板25的活动翼板21的安装孔后，转轴的两端均焊接在钻头主体10上，以使带限位板25的活动翼板21可绕转轴转动且不会脱落。本申请中，旋挖半径指的是钻头尖端与钻头主体10中轴线之间的间距。显然，通过调节带限位板25的活动翼板21的张开程度，即可调节扩挖子弹钻头22的旋挖半径。在正向旋挖时，向外张开带限位板25的活动翼板21，即可使带限位板25的活动翼板21上的扩挖子弹钻头22的旋挖半径增大，旋挖成孔直径超过要求的管桩桩径大小2cm，便于后续管桩通过非挤土沉桩方式嵌入持力层。

具体地，扩挖子弹钻头22的尖端221为高硬度的合金钢，从而可在高压外力作用下在岩石表面划痕。根据施工岩石的硬度不同，选用不同硬度的合金钢作为扩挖子弹钻头尖端221的合金钢，扩挖子弹钻头尖端221比拟破岩的岩石硬度大1～2个硬度等级。旋挖过程中扩挖子弹钻头22的指向方向与岩石表面的角度为基底岩石的内摩擦角，为保证成孔效果，结合参照图3，施工前，须结合场地地质勘察资料明确岩层产状性质，扩挖子弹钻头斜向分布式，切削过程中扩挖子弹钻头22的中心线与岩石表面的角度与基底岩石的内摩擦角接近。岩层的产状倾角为β，扩挖子弹钻头22的指向方向与竖直方向之间的夹角为α，当β＝0时，扩挖子弹钻头22的指向方向与岩层之间的夹角α为45～60°；当β＞0时，扩挖子弹钻头22的指向方向与岩层之间的夹角为α+β。施工前，须根据岩层产状性质决定调整扩挖子弹钻头22的指向方向，扩挖子弹钻头22保持切削着岩层始终在岩层最不利破坏面，以最合理的钻齿角度实现破坏效果最大化。进一步地，扩挖子弹钻头22的尖端胎体外侧布置有多排尖端切削部222，为高强合金钢制造，尖端切削部222沿扩挖子弹钻头22的周向分布。胎体上的尖端切削部的分布错开，一般设置2～3圈，圈间距为一个尖端切削部大小左右，便于土渣从尖端切削部之间的间隙排出，胎体上尖端切削部的错开分布构造，提高了钻头对研磨岩屑岩渣的排土能力。在旋挖时，扩挖子弹钻头22侧面的尖端切削部222起到切削岩石的作用，从而提高磨岩效率。

扩挖子弹钻头22通过底座223固定在带限位板25的活动翼板21上，底座223上具有容置槽，扩挖子弹钻头22的底部可通过敲击插入底座223的容置槽中实现紧固连接，为避免扩挖子弹钻头22在破岩的过程中掉落，扩挖子弹钻头22的底端与底座223焊接固定。本实施例中，为提升磨岩效果，底座223上扩挖子弹钻头22的数量为两个，同一底座223上两个扩挖子弹钻头22的旋挖半径不相等，从而能更好地实现旋转断面的全覆盖。进一步地，底座223上还设有第一保护钻头23，第一保护钻头23的长度小于扩挖子弹钻头22的长度。第一保护钻头23位于两个扩挖子弹钻头22之间，当扩挖子弹钻头22在切削硬质岩时掉落，第一保护钻头23可保护底座223及带限位板25的活动翼板21不被磨损，对带限位板25的活动翼板21和底座223起到保护作用。另外，扩挖机构20还包括第二保护钻头24，第二保护钻头24固定在带限位板25的活动翼板21第一端的底面，第二保护钻头24的指向方向与扩挖子弹钻头22的指向方向之间的夹角小于90°。第二保护钻头24安装在转轴的底端，避免转轴在破岩的过程中被破坏。第一保护钻头23和第二保护钻头24的结构可与扩挖子弹钻头22的结构类似，均设沿周向设有多个尖端切削部。

钻头前爪30的端部设有第一钻头组，第一钻头组包括至少两个倾斜设置的第一子弹钻头31，两个第一子弹钻头31的尖端关于钻头前爪30的底面中心对称，亦即两个第一子弹钻头31的旋挖半径相等。结合参照图4～图5，本实施例中，第一钻头组中第一子弹钻头31的数量为两个，第一钻头组的数量为两个，不同第一钻头组中的第一子弹钻头31的旋挖半径不相等，旋挖半径更大的第一钻头组位于旋挖半径小的第一钻头组的外侧。钻头前爪30的侧面设有第二钻头组，第二钻头组包括至少两个倾斜设置的第二子弹钻头32，两个第二子弹钻头32的尖端关于钻头主体10的底面中心对称。本实施例中，第二钻头组中第二子弹钻头32的数量为两个，第二钻头组的数量则为三个，第二钻头组沿周向间隔布置。可选地，各第二钻头组的旋挖半径依次增大或减小，更有利于旋挖。由于钻头前爪30与钻头主体10形成阶梯状结构，旋挖时打开扩挖机构20的带限位板25的活动翼板21，即可使各层级的旋挖半径从下往上依次增加。具体地，钻头前爪30端部的第一钻头组旋挖半径较小，其次，钻头前爪30外侧的第二钻头组旋挖半径较大，最后，带限位板25的活动翼板21上的扩挖子弹钻头22的旋挖半径最大。通过层级设置不同旋挖半径的子弹钻头，实现旋转断面的全覆盖。

具体地，钻头分布的子弹钻头每个层级均能形成一个圆圈，从俯视的角度即形成不同半径大小的圆环。第二保护钻头24的位于各扩挖子弹钻头22的铰接处底面上，在施工过程可以辅助扩挖子弹钻头22组切削岩体，也可以保护转轴不被桩底硬岩磨损，维持正常钻进作业的同时减少因子弹钻头缺失带来的偏孔的风险。

本发明第一方面实施例中的随钻跟管桩硬质岩切削钻头，在施工前先进行预备工序。

选定桩位，根据桩底或附近桩位岩石抽芯检测结果确定桩底岩基的岩石类型、抗压强度、裂缝发育程度、风化程度及岩面标高，通过剪切试验得到岩石的粘聚力和内摩擦角参数，并通过岩芯综合分析出岩石地基的产状，裂隙走向。

按本实施例中的结构组装随钻跟管桩用的硬质岩切削钻头。其中，尤其要注意修正调整扩挖子弹钻头22的指向方向与竖直方向之间的夹角α，使α与岩石的内摩擦角接近，一般以45～60°为宜。优选地，对于均匀花岗岩、沉积岩等岩体，α可以选定为45°，对于节理裂隙发育，不均匀的花岗岩和沉积岩，α可以采用接近岩体产状、裂隙走向的角度。优选地，施工前，须结合场地地质勘察资料明确岩层产状性质，扩挖子弹钻头斜向分布式，切削过程中扩挖子弹钻头22的中心线与岩石表面的角度与基底岩石的内摩擦角接近。岩层的产状倾角为β，扩挖子弹钻头22的指向方向与竖直方向之间的夹角为α，当β＝0时，扩挖子弹钻头22的指向方向与岩层之间的夹角α为45～60°；当β＞0时，扩挖子弹钻头22的指向方向与岩层之间的夹角为α+β。

随钻跟管桩施工方法，包括以下步骤：

s10.启动钻机，钻头正向旋转并向下切削岩石，带限位板25的活动翼板21向外张开。

具体地，在步骤s10中，钻头到达岩基表面时正向旋转，与带限位板25的活动翼板21扩挖子弹钻头22的尖端中心线方向与接触土层表面法线方向的角度小于90度，因而子弹钻头受到离心力作用，带动限位板的活动翼板21向外张开；过程中，每个第一子弹钻头31、第二子弹钻头32和扩挖子弹钻头22在钻机的压力作用下与桩底岩面接触，进而在接触面沿着岩石的内摩擦角施加压力，接触面的岩石受到压剪作用而发生破坏。切削过程中扩挖子弹钻头22的中心线与岩石表面的夹角与基底岩石的内摩擦角接近，可选地，扩挖子弹钻头22的中心线与岩石表面的夹角与基底岩石的内摩擦角的角度差为0～15°。进行磨岩钻进时，钻头采用低速大扭矩的旋挖钻进。钻头主体10正向慢速旋挖后，将在岩石地基表面上形成半径不一的轨迹线，钻头全断面覆盖的特点使得钻进岩面最终磨平，有利于最终实现随钻跟管桩的桩底硬质岩体的扩孔钻进。

s20.跟管到位后，带限位板25的活动翼板21向内收回，钻头上提。带限位板25的活动翼板21向内收回后，可经过跟管桩内部向上提起，不会影响放置到位的跟管桩。

在一些实施例中，钻头反向旋转时，带限位板25的活动翼板21向内收回，避免扩挖子弹钻头22与岩石的受力角度超出适当范围而导致扩挖子弹钻头22被破坏。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。