本发明属于基坑支护领域，尤其涉及一种带有伸缩扩孔钻头的预制管桩下沉装置及其施工方法。
背景技术
钻孔灌注桩是一种常用的基坑支护形式，然而其在基坑支护中仍存在一定的缺陷，一方面，成桩过程中经常需要用到泥浆，泥浆的处理将会对环境造成影响；另一方面，混凝土形成强度需要一定的时间，占用了施工工期；采用预制管桩进行基坑支护施工，虽然可以减少工期，但高密度打桩产生的挤土效应将会对周边环境和桩身质量产生较大的影响；钢板桩虽然可以快速施工，且环境污染小，可重复利用，但其较小的抗侧刚度限制了其在基坑支护中的应用。
因此，现亟需一种施工速度快，成桩质量高，整体稳定性好，环境污染小，可重复利用的可用于基坑支护的预制管桩施工机械和施工方法。
技术实现要素：
发明目的：本发明的第一目的是提供一种支护效果佳、适应性强的带有伸缩扩孔钻头的预制管桩下沉装置；
本发明的第二目的是提供采用该装置进行施工的方法。
技术方案：本发明带有伸缩扩孔钻头的预制管桩下沉装置，包括带有螺旋叶片的钻杆、设于该钻杆上端的动力装置以及套设于钻杆上的预制管桩，所述钻杆下端的若干螺旋叶片与钻杆连通设置，其上设有伸缩扩孔钻头，该伸缩扩孔钻头包括设于螺旋叶片上的扩张钻翼，一端与扩张钻翼连接、另一端固定连接于对应螺旋叶片上的弹性元件，以及设于螺旋叶片上、支撑扩张钻翼的限位装置；所述限位装置通过对应螺旋叶片上开设的限位凹槽位于扩张钻翼的下端，该限位装置包括支撑杆及与该支撑杆相连的弹簧，支撑杆上设有限位拉紧绳，扩张钻翼上设有钻翼拉紧绳，限位拉紧绳及钻翼拉紧绳的另一端均延伸至钻杆内，通过设于钻杆内的旋转圆盘收集。
进一步说，本发明钻杆上端设有能够与动力装置同步运动的卷扬机，卷扬机通过绳索连接用于夹持预制管桩的夹持装置。钻杆的底端设有钻尖，该钻尖包括若干将钻杆底端包裹并与钻杆相连通的尖齿，尖齿的下端对应设有转动盘，通过该转动盘连接设有限位钻尖。转动盘包括与尖齿相连的上连接板和与限位钻尖相连接的下连接板，所述上连接板和下连接板间设有滚珠。尖齿上开设有喷射口。
再进一步说，本发明的螺旋叶片上设有限定扩张钻翼伸缩方向的s型滑道，扩张钻翼的下端设有与该s型滑道相配合的滑道凹槽。支撑杆包括通过活动铰链连接的第一支撑杆和第二支撑杆，弹簧的一端固定在第一支撑杆上，另一端固定于限位凹槽内。
更进一步说，本发明的旋转圆盘包括内侧盘、外侧盘及周向设于内侧盘和外侧盘间的旋转滚珠，钻杆上设有供旋转圆盘上下运动的轨道，旋转圆盘的外侧盘上开设有与所述轨道相配合的凹槽。限位拉紧绳及钻翼拉紧绳连接于所述外侧盘上，内侧盘的上端设有连接线，并延伸至钻杆的上端。
本发明采用带有伸缩扩孔钻头的预制管桩下沉装置进行施工的方法，包括如下步骤：通过钻翼拉紧绳和弹性元件使扩张钻翼伸展，并通过限位装置进行固定，启动动力装置带动钻杆进行钻孔，同时下放预制管桩至设定位置，钻孔作业结束后，通过限位拉紧绳及钻翼拉紧绳将扩张钻翼收缩，提升钻杆完成施工作业。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该装置能够最大程度的减少预制管桩在下沉时受到的侧摩阻力，方便预制管桩大规模、高密度施工；采用该装置进行施工时，不仅施工速度快，且显著减少邻桩施工产生的土压力，消除挤土效应，有效避免预制管桩施工容易出现断桩的情况，成桩质量好；同时，在施工过程中喷洒较少的浆液即可，环保无污染；此外，该预制管制施工完成后可根据需用，采用振动的方法进行拔出，节能环保，具有可重复利用的价值，且在钻杆拔出后，填入细砂等材料能够进一步地提高桩身抗剪强度，支护效果好。
附图说明
图1为本发明预制管桩下沉装置的结构示意图；
图2为本发明预制管桩的结构示意图；
图3为本发明伸缩扩孔钻头伸展后的结构示意图；
图4为图3中a部的放大图；
图5为本发明钻杆的俯视图；
图6为本发明旋转圆盘的俯视图；
图7为本发明旋转圆盘的侧视图；
图8为本发明伸缩扩孔钻头收缩后的结构示意图；
图9为图8中b部的放大图；
图10为本发明钻尖的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明带有伸缩扩孔钻头的预制管桩下沉装置，包括带有螺旋叶片30的钻杆1，设于该钻杆1上端、供其上下运动的动力装置2及设于钻杆1下端、具有碎土、破岩及限位作用的钻尖13。钻杆1下端的若干螺旋叶片30与钻杆1连通设置，中部及上端的可不限，下端连通设置的若干螺旋叶片30上分别设有能够自由调节钻孔直径的伸缩扩孔钻头4，如图1所示。该装置还包括套设于钻杆1上的预制管桩3，该预制管桩3通过设于钻杆1上端的卷扬机21进行上下运动，卷扬机21上设有绳索31，绳索31的下端连接用于夹持预制管桩3的夹持装置22，该夹持装置22无异于现有的钻杆装置上的预制管桩夹持装置，且通过调节卷扬机21和动力装置2，使得在钻杆1和预制管桩3下放过程中同步运动，从而能够防止钻孔过后孔壁坍塌或收缩，影响沉桩质量。预制管桩3的底端设有倒角，如图2所示，其下端与最上端的伸缩扩孔钻头4相邻，即预制管桩3的最下端即为伸缩扩孔钻头4，通过倒角的设置使得在钻孔过程中，能够将土层扬起至预制管桩3内的螺旋叶片30上，使得伸缩扩孔钻头4和其上一个螺旋叶片30对接。
其中，伸缩扩孔钻头4包括设于螺旋叶片30上表面的扩张钻翼5，一端与扩张钻翼5连接、另一端固定连接在螺旋叶片30上的弹性元件6(可为弹簧)，以及用于支撑稳固伸缩后的扩张钻翼5的限位装置7，弹性元件6可通过设于螺旋叶片30上的限位块32固定连接在螺旋叶片30上。螺旋叶片30上设有用于安置限位装置7的限位凹槽33和限定扩张钻翼5伸缩方向的s型滑道20，扩张钻翼5的下端设有与该s型滑道20相配合的滑道凹槽，从而对其运动方向进行限定。限位装置7位于扩张钻翼5的下端，包括由第一支撑杆24和第二支撑杆25组合而成的支撑杆8及将两支撑杆活动连接的活动铰链23，第一支撑杆24的下方设有弹簧9，弹簧9的一端固定在第一支撑杆24上，另一端固定于限位凹槽33内。当扩张钻翼5伸展到最大距离(即弹性元件6的极限位置时)，优选的，限位装置7可紧贴该极限位置处设置，从而能够使得扩张钻翼5伸展后，对限位装置7不再约束，在弹簧9的作用下，第一支撑杆24弹升，从而对扩张钻翼5进行支撑，第二支撑杆25依靠限位凹槽33的内壁进行支撑，如图3和图4所示。第一支撑杆24上设有限位拉紧绳10，限位凹槽33内还有对该限位拉紧绳10进行定位的固定块34，该固定块34还可用于支撑第二支撑杆25，相应地，扩张钻翼5上设有钻翼拉紧绳11，两者的另一端均延伸至钻杆1内，并通过钻杆1内设置的旋转圆盘12收集，钻杆1为双层，其内层35用于灌注水泥浆，外层36用于线路设置，如图5所示。旋转圆盘12包括内侧盘26、外侧盘27及周向设于内侧盘26和外侧盘27间的旋转滚珠28，通过设置旋转滚珠28从而使得当外侧盘27随钻杆1进行转动时，通过旋转滚珠28的过渡，从而能够使得内侧盘26保持静止状态。钻杆1上设有供旋转圆盘12上下运动的轨道，旋转圆盘12的外侧盘27上开设有与所述轨道相配合的凹槽29，限位拉紧绳10及钻翼拉紧绳11连接于外侧盘27上，同时内侧盘26的上端设有连接线37，并延伸至钻杆1的上端，如图6和图7所示，通过对连接线37进行拉紧和伸缩，进而带动旋转圆盘12进行上下运动。轨道的长度可根据扩张钻翼5的位移确定。当钻孔作业结束，需要对已伸展的扩张钻翼5进行收缩时，通过拉动连接线37，从而使得旋转圆盘12向上运动，进而带动限位拉紧绳10和钻翼拉紧绳11运动，将扩张钻翼5收缩至螺旋叶片30上，如图8和9所示。
钻尖13包括若干将钻杆1底端包裹并与钻杆1相连通的尖齿14，尖齿14的下端设有转动盘15，通过该转动盘15连接设有限位钻尖16进行导向，该限位钻尖16可为矩形、三角形或多边形等，且其表面设有竖直纹路，以确保钻尖13向下钻孔时方向。转动盘15包括与尖齿14相连的上连接板17和与限位钻尖16相连接的下连接板18，上连接板17和下连接板18间设有滚珠19，通过设置滚珠19，从而能够对旋转运动进行过渡，从而保持下连接板18连接的限位钻尖16不转动，进行有效限位。尖齿14上设有喷射口40，通过从钻杆1内灌注泥浆或者水泥浆，从而能够使得钻尖13的下端有浆液喷射，进而对下沉装置进行润滑和降温，如图10所示。
本发明采用上述预制管桩下沉装置进行施工的方法，包括如下步骤：
(1)根据设计要求，确定需钻孔的位置，并将带有预制管桩3的下沉装置运输至对应位置，运输通过运输设备38和运输设备上的支撑件39进行，且运输设备38上亦设有相应的对下沉装置的方向进行调整的卷扬机21；
(2)下放旋转圆盘12上的连接线，进而松动限位拉紧绳10及钻翼拉紧绳11，在弹性元件6的作用下伸展扩张钻翼5，并通过限位装置7进行限位固定；
(3)启动动力装置2进行钻孔，同时启动卷扬机21同步下放预制管桩3，待钻杆1和预制管桩3下放至设计预定位置，高压注射泥浆或水泥浆并高速空转钻杆1，对该下沉装置进行润滑和降温；
(4)钻孔作业结束后，拉动旋转圆盘12上的连接线37，进而拉紧限位拉紧绳10及钻翼拉紧绳11，对扩张钻翼5进行收缩，启动动力装置2上拔钻杆1，同时调节卷扬机21逐渐下放预制管桩3，预制管桩3可在重力作用下沉入至预定位置；
(5)在预制管桩3内部填充细砂，并确保一定的密实度，完成单个预制管桩3的下沉工作；
(6)重复上述操作，完成多组预制管桩3支护基坑的施工，在施工完成后，可选择性的拔出预制管桩3。