一种扇叶型超大直径旋挖钻头

1.本实用新型涉及旋挖工艺技术领域，特别是涉及一种扇叶型超大直径旋挖钻头。


背景技术：

2.目前，在我国城市高层建筑、地铁、环线、轻轨及高速、高铁等建设中，旋挖工艺依靠其施工快速、承载力强、成本低廉、地层实用性强等显著特点，在大直径灌注桩基础施工领域已实现大范围推广应用。
3.其中，大直径桩，指直径大于或等于2.50米的钻孔灌注桩，超大直径桩是指直径大于3.5m的桩。
4.旋挖工艺(旋挖钻机、旋挖钻头)：旋挖钻机是一种综合性的钻机，它可以用多种底层，具有成孔速度快、污染少、机动性强等特点；旋挖机采用多层伸缩式钻杆，钻进辅助时间少，劳动强度低，不需要泥浆循环排渣，节约成本，适合于城建、桥梁等桩基础施工；旋挖钻头与旋挖钻机的主体连接，是用来钻孔的主要设备。
5.如图3所示，旋挖钻机最大钻孔直径由钻杆中心与桅杆之间的间距d决定，若使用的钻头半径超过该间距时，钻头斗上提时将与桅杆发生干涉。目前国内最大的旋挖钻机
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800e旋挖钻机，其扭矩为793kn.m，钻杆中心与桅杆之间的间距为2500mm，即允许旋转的最大直径为5000mm，如何突破此间距限制，是旋挖工艺突破超大直径施工的最关键技术难点。
6.目前国内生产的最大直径旋挖钻头为截齿捞砂斗，国内旋挖钻机施工的灌注桩最大直径为目前国内捞砂斗通用的卸渣方式为：钻杆将钻头提升到桅杆上空
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动力头压盘顶开钻头的开合机构
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打开底门卸土、旋转甩土；现要设计超大直径钻头，如使用常规圆形外形和开合结构，即无法将钻头提升到桅杆上空，也无法通过压盘(压盘内外径仅为820mm/1420mm，钻头底门直径至少3000mm)压开整个钻头的底门，无法旋转甩土。
7.目前世界上旋挖钻机最大扭矩为793kn.m，与其配套的最大钻杆
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720钻杆重量为40t，这限制了钻头的最大重量不得超过40t，并且在满足钻机提升力的同时，要做到尽可能减轻钻头重量，克服钻机回转锁定的难题。
8.陆地运输车辆的最大宽度为3m，最大载重约29t(扣除车身自重)，如何解决运输问题是钻头设计的一大难题。
9.防止钻进过程中偏孔，即如何定心和导向，是超大直径钻头设计的重要部分。
10.随着我国经济飞速发展，建设规模不断加大，建筑等级日益提高，结构形式设计日新月异，在电力、交通及城市建设等工程设计中对桩基承载力的要求越来越高，导致桩基础直径、埋深越来越大，涌现出大量以上的超大直径桩基设计。
11.随着城市建设的高速发展，一大批大体量、大跨度、高度超高的建筑在城市密集空间区域相继涌现，此类建筑往往具有超大直径嵌岩桩基础、较大桩长、入岩深度较大的特点；此外还受周边已有建筑基础、地铁隧道(接驳站)等因素制约，对打桩振动、爆破、地下水位变化有严格的限制要求。如何在确保环保、安全文明施工的前提下，在原地面完成大直径
嵌岩桩施工，成为亟待解决的技术难点。
12.在超大直径灌注桩施工难题面前，国内外都进行了探索和尝试，取得了很多成功的案例，其中国内目前采用的工艺有以下几种：
13.(1)正循环工艺成孔，即利用正循环潜水钻机进行分级钻进，如图2所示，泥浆或水从钻杆8进入，携带钻屑钻渣从桩孔9的井口流出；
14.(2)反循环钻进成孔，使用反循环工艺采用分级钻进成孔，如图1所示；
15.(3)人工挖孔+爆破；
16.(4)大直径钢管桩振动锤沉桩工艺；
17.由于受限于没有一种能够匹配旋挖钻机使用的超大直径旋挖钻头，旋挖工艺一直无法应用于超大直径灌注桩施工领域。
18.但是现有技术中存在以下缺点：
19.(1)正循环工艺成孔的缺点为：1、由于桩孔截面积大，钻孔过程中钻进阻力大；2、由于钻孔排渣量大，采用泥浆护壁正循环钻进成孔时，特大直径钻孔灌注桩桩孔内泥浆回升速度较慢，如泥浆指标控制不当或清空不彻底，容易导致孔底沉渣厚度过大；3、由于超大直径钻孔灌注桩孔壁自立稳定性相对较差，容易出现孔壁坍塌的现象。
20.(2)反循环钻成孔的缺点为：1、由于碎石较大，钻头中心管容易堵塞；2、由于需要多级扩孔，分级扩孔开始时容易憋钻；3、由于破碎面积太大，刀具极易磨损。
21.(3)人工挖孔+爆破的缺点为：1、由于开挖大面积桩孔，桩成孔过程中土体的稳定性难以保证；2、由于爆破对地层扰动太大，对周围建筑物及生活环境造成负面影响，不宜推广应用。
22.(4)振动锤沉桩工艺的缺点为：1、由于超大直径钢管桩重量很大，现场需具备大型打桩和起吊设备能力，成本较高；2、由于工艺为振动沉入地面阻力较大，无法适用于硬地层。
23.因此，亟待提供一种扇叶型超大直径旋挖钻头，以解决现有技术中所存在的上述问题。


技术实现要素：

24.本实用新型的目的是提供一种扇叶型超大直径旋挖钻头，增大钻头本体的最大直径，解决当前旋挖工艺受钻头限制无法应用于超大直径灌注桩施工领域的难题，拓宽旋挖钻机的应用市场。
25.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种扇叶型超大直径旋挖钻头，包括钻头本体，所述钻头本体包括中心体，所述中心体的底部设置有切削盘，所述中心体的顶部设置有连接方，用于连接钻杆；还包括扩孔翼，所述扩孔翼设置有若干个，若干个所述扩孔翼均布于所述中心体的侧壁上，所述扩孔翼的底部高于所述中心体的底部；所述扩孔翼以及所述切削盘的底部均设置有齿板。
26.优选的，所述中心体的上方设置有上盘，所述上盘的上方设置有上筋板，所述上筋板的底部与所述上盘连接，所述上筋板的内侧与所述连接方的侧壁连接。
27.优选的，所述连接方的两侧均设置有所述上筋板，所述连接方两侧的所述上筋板对称设置；所述连接方的两侧均设置有两个所述上筋板，每一侧的两个所述上筋板均呈v型
设置。
28.优选的，所述齿板为整体齿板，所述切削盘底部的所述齿板呈锥形设置，所述扩孔翼底部的所述齿板水平设置。
29.优选的，所述齿板上设置有多个截齿。
30.优选的，所述扩孔翼设置有两个，两个所述扩孔翼对称设置于所述中心体的两侧；两个所述扩孔翼与所述上盘垂直设置。
31.优选的，所述扩孔翼与所述中心体分体设置，所述扩孔翼在施工时与所述中心体焊接连接；所述扩孔翼的上方加焊有加强筋板。
32.优选的，所述中心体的直径为3500mm，所述钻头本体的直径为5800mm。
33.优选的，所述钻头本体在钻孔前进行中心体超前导正。
34.本实用新型相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
35.(1)钻头本体采用“风扇型”结构，施工过程中可将钻头提升到桅杆以上进行操作，解决了钻孔最大直径长期受限于钻杆中心与桅杆之间的间距的难题。
36.(2)无论是中心体还是扩孔翼均设计整体齿板，为全断面破碎，减小了钻孔过程中的钻进阻力。
37.(3)单回次钻进时，旋挖钻机反转关闭中心体底门，即可上提进行携渣，不需要泥浆循环排渣。
38.(4)中心体在钻进过程中进行超前导正，不会出现钻进偏孔现象。
39.(5)中心体直径可达3500mm，不需要多级扩孔，不会出现憋钻事故，减少了钻进时间。
40.(6)钻进过程中可使用泥浆护壁，桩孔土体的稳定性强，对地层扰动较小。
41.(7)采用旋挖施工工艺现场不需具备大型打桩和起吊设备能力，成本低。
42.(8)切削具装配截齿，可钻进较硬岩层，地层适用性强。
附图说明
43.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
44.图1为现有技术中反循环钻进工艺示意图；
45.图2为现有技术中正循环钻进工艺示意图；
46.图3为现有技术中钻机最大钻孔直径示意图；
47.图4为本实用新型扇叶型超大直径旋挖钻头的结构示意图；
48.图5为本实用新型扇叶型超大直径旋挖钻头的主视图；
49.图6为本实用新型扇叶型超大直径旋挖钻头的俯视图；
50.图7为本实用新型中心体和上盘连接的第一示意图；
51.图8为本实用新型中心体和上盘连接的第二示意图；
52.图9为本实用新型中心体和上盘连接的主视图；
53.图10为本实用新型中心体和上盘连接的侧视图；
54.图11为本实用新型中心体和上盘连接的俯视图；
55.图12为本实用新型中心体超前导正示意图；
56.其中，1、连接方；2、上筋板；3、上盘；4、中心体；5、切削盘；6、扩孔翼；7、加强筋板；8、钻杆；9、桩孔。
具体实施方式
57.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
58.本实用新型的目的是提供一种扇叶型超大直径旋挖钻头，增大钻头本体的最大直径，解决当前旋挖工艺受钻头限制无法应用于超大直径灌注桩施工领域的难题，拓宽旋挖钻机的应用市场。
59.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
60.实施例一
61.如图4
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12所示，本实施例提供一种扇叶型超大直径旋挖钻头，包括钻头本体，钻头本体包括中心体4，中心体4的底部设置有切削盘5，中心体4的顶部设置有连接方1，用于连接钻杆；还包括扩孔翼6，扩孔翼6设置有若干个，若干个扩孔翼6呈圆周均布于中心体4的侧壁上，扩孔翼6的底部高于中心体4的底部；扩孔翼6以及切削盘5的底部均设置有齿板。
62.在本实施例中，中心体4的上方设置有上盘3，上盘3的上方设置有上筋板2，上筋板2的底部与上盘3连接，上筋板2的内侧与连接方的1侧壁连接，外侧沿着上盘3进行延伸。具体地，连接方1的两侧均设置有两个上筋板2，连接方1两侧的上筋板2对称设置，每一侧的两个上筋板2均呈v型设置。
63.在本实施例中，齿板为整体齿板，切削盘5底部的齿板呈锥形设置，扩孔翼6底部的齿板水平设置；齿板上设置有多个截齿。
64.在本实施例中，扩孔翼6优选设置有两个，两个扩孔翼6对称设置于中心体的两侧；两个扩孔翼6与上盘3垂直设置，形成类似风扇型结构；传统的旋挖钻头截面均为圆形，故钻孔最大直径长期受限于钻杆中心与桅杆之间的间距，本实施例中“风扇型”结构则解决了这一难题，施工过程中桅杆从“扇叶”之间的空隙穿过，即可将钻头本体提升到桅杆以上进行操作。
65.在本实施例中，扩孔翼6与中心体4分体设置，便于单独进行运输，而中心体4和上盘3可组合运输；运输至施工现场后，扩孔翼6与中心体4焊接连接，扩孔翼6的上方加焊有加强筋板7。
66.在本实施例中，中心体4的直径为3500mm，钻头本体的直径为5800mm。
67.在本实施例中，钻头本体在钻孔前进行中心体超前导正，避免钻进偏孔，减少钻进阻力；
68.具体地，如图12所示，在施工过程中，首先使用常规结构的钻头进行d1直径钻孔施工(目前可钻最大孔径为)，然后下入本实施例钻头本体进行d2直径钻孔施工
(d2直径可达)，现设计h2>h1(超前长度可根据d2直径进行调整，d2越大，建议h2超前尺越小)，超前部分直接进入已施工完成的钻孔内，这样在进行扩孔施工时，可保证钻孔同心，钻进呈均匀带状破碎，既减少了钻进阻力，又保证了钻孔垂直度。
69.在本实施例中，单回次钻进时，旋挖钻机反转，关闭中心体4的底门，即可上提进行携渣，不需要泥浆循环排渣。
70.具体地，中心体4的底部设置双层底板
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上底板和下底板，上底板与中心体4的筒体固定焊接，下底板通过中心轴与上底板连接，上底板、下底板均设置进土口，正常钻进时，上底板和下底板的进土口重合，钻渣从进土口进入钻头内部，钻进完成后，钻机反转，带动上底板和下底板发生错位，下底板受限位块限制，可以恰好堵住上底板的进土口，完成携渣功能。
71.本实用新型扇叶型超大直径旋挖钻头，将旋挖钻头的最大直径从目前的3500mm增大到5800mm，进一步完善旋挖施工工艺，解决当前旋挖工艺受钻头限制无法应用于超大直径灌注桩施工领域的难题，拓宽旋挖钻机的应用市场，为社会提供一种低成本、短周期、高质量的施工工艺，贡献于我国的经济建设。
72.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
73.本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。