一种预制管桩植入设备及植桩施工方法与流程

本发明涉及桩基施工技术领域，尤其涉及一种预制管桩植入设备及植桩施工方法。

背景技术：

随钻跟管工法是中掘沉桩工法。施工中将接装有扩孔功能钻头的长螺旋钻杆穿过预制管桩，在预制管桩底端掘土成孔。需钻进时，动力头正转，扩孔钻头的扩孔翼板打开，钻头在预制管桩底端下一段距离旋转掘土，钻渣由螺旋钻杆叶片输送经管桩孔内排出，钻进中预制管桩靠自重跟随钻头下沉。若在沉桩过程中，预制管桩遇阻下桩不顺，可以启用激振器振压预制管桩突破，(现有夹持振动动力头将激振器布置在动力头上端，限制了其在导轨上的行程)。经接钻接桩至标定深度后，动力头反转收回扩孔翼板清渣，随即于桩底灌注混凝土、启动激振器压预制管桩坐入孔底，抽出钻杆、钻机移位。尔后用注浆设备对预制管桩外侧高压注浆处理成桩。

中国发明专利cn102561946b为申请人前期申请的一种预制管桩植入设备及植桩施工方法。参见该专利说明书附图6，动力头、排土装置和激振器固连形成联动机构，后再与主卷扬连接，通过主卷扬拉动该联动机构沿立柱上下滑动。螺旋钻杆总成从下往上依次穿过激振器和排土装置后与动力头安装连接。实际应用中，考虑到安装稳定性，立柱高度不能过高，因而采用该专利

技术实现要素：
中提及先定位预制管桩，接着将螺旋钻杆总成与动力头连接，再将螺旋钻杆总成插入预制管桩内的组装方法，预制管桩和螺旋钻杆总成的长度均不能过长，否则存在干涉问题从而导致螺旋钻杆总成无法插入预制管桩中。对于预制管桩和/螺旋钻杆总成过长的情况，则只能采取该专利中实施例的方式组装，即：先将螺旋钻杆插入预制管桩中，再采用吊装设备定位预制管桩，最后将螺旋钻杆插入动力头中。定位插入螺旋钻杆的预制管桩，实际操作困难，且安全隐患大(具体操作方式参见该专利说明书第【0033】段)。并且，在第一桩成型后，接长后的螺旋钻杆总成长度较长，在进行下一桩成型时，参见该专利说明书第【0034】段，需拆卸螺旋钻杆总成再移机至下一桩位，否则螺旋钻杆总成会干涉下一桩位预制桩的定位。导致在单个工作循环中，接、拆钻杆等辅助作业时间占比70％以上，施工效率低，辅助作业人员的劳动强度大，影响预制桩植入工法的推广应用。

因此，尽可能地节省拆、接钻杆等辅助作业时间，提高施工效率和作业安全性，对预制桩植入工法的推广应用具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种组装便捷、提高施工效率的预制管桩植入设备，还想相应提供利用该预制管桩植入设备进行随钻跟管桩的施工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种预制管桩植入设备，包括钻机主体和钻具总成，所述钻机主体上固定有钻桅，所述钻桅上滑设有用于驱动钻具总成旋转钻进的上动力头，以及用于驱动预制桩下沉的下动力头；所述上动力头上开设有可供钻具总成穿过的第一竖向通道，所述上动力头上设有用于抱紧或松开钻具总成的第一抱紧机构；

所述下动力头上开设有可供预制桩和钻具总成穿过的第二竖向通道，所述下动力头上设有用于抱紧或松开预制桩的第二抱紧机构。

由于钻具总成可贯穿上动力头，从而可通过起吊设备将钻具总成提升至钻具总成与地基之间形成预制桩的定位空间，以便于预制桩的定位。因此，同一桩位多节预制桩或不同桩位预制桩定位时，无需拆卸再组装钻具总成，大大提高了施工效率。并且，也无需采用吊装设备定位插入螺旋钻杆的预制管桩，可操作性和安全性大大提高。

此外，上动力头和下动力头彼此独立滑设于钻桅上，预制桩吊装定位后，可先行下移下动力头压紧预制桩，以便于螺旋钻杆穿入预制管桩中。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述上动力头包括上动力头箱和固定于上动力头箱上的旋转驱动机构，所述第一抱紧机构包括齿轮、抱紧件、伸缩油缸、顶板、下回转支承和上回转支承；所述齿轮与旋转驱动机构传动连接，所述齿轮的下端通过下回转支承与上动力头箱相连，所述顶板设于上动力头箱的上方，所述伸缩油缸竖向布置且固定于上动力头箱和顶板之间，所述抱紧件的上端通过上回转支承与顶板相连；所述齿轮具有可供钻具总成穿过的内腔，所述伸缩油缸收缩时可带动抱紧件伸入所述内腔中并卡接于钻具总成和齿轮之间，所述伸缩油缸伸长时可带动抱紧件从所述内腔中伸出并解除钻具总成和齿轮的连接。

由此，第一抱紧机构通过抱紧件将钻具总成和齿轮固连后，旋转驱动机构即可驱动第一抱紧机构和钻具总成一起旋转，以完成钻孔施工。

所述抱紧件包括多个楔形钳口，所述内腔为倒圆台形结构，所述楔形钳口的外壁与内腔的内壁配合，所述楔形钳口的内壁与钻具总成的外壁配合。

所述楔形钳口通过连杆与上回转支承相连。

所述上回转支承的外圈通过回转盘与连杆相连。

所述下动力头包括下动力头箱，以及设于下动力头箱外侧壁上的振动器，所述振动器用于驱动预制桩下沉，所述振动器部分伸入下动力头箱中；所述第二抱紧机构包括设于下动力头箱中的多个夹具，多个夹具呈环向间隔布置在预制桩的周围；所述夹具包括固定于下动力头箱内侧壁上的驱动件，以及与驱动件相连的压紧块，所述驱动件用于驱动压紧块向所述预制桩施加向内的径向压力或驱动所述压紧块远离预制桩。

通过上述振动器和夹具的布局优化，消除振动器对钻具总成上下往复移动的干涉。

为便于下动力头压紧预制桩，所述第二竖向通道上部设有防止预制桩穿出的止挡台阶，所述止挡台阶设于第二抱紧机构的上方。

所述钻具总成包括螺旋钻杆和安装于螺旋钻杆下端的钻头；所述下动力头上端安装有用于清除螺旋钻杆叶片之间泥土的排土装置，所述排土装置上开设有可供预制桩和钻具总成穿过的第三竖向通孔。

所述钻具总成的上端设有防止钻具总成从第一竖向通道中掉落的止挡件。

所述钻桅上设有防止预制桩倾斜的扶桩器，所述扶桩器上设有可供预制桩穿过的通道；所述扶桩器设于下动力头的下方。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种利用上述的预制管桩植入设备的植桩施工方法，包括以下步骤：

s1：定位预制桩；

s2：下动力头向下滑移至套设在预制桩上后，第二抱紧机构抱紧预制桩；

s3：钻具总成下移至穿过预制桩后与地基抵接，第一抱紧机构抱紧钻具总成；

s4：上动力头驱动钻具总成进行钻进；预制桩依靠自重下沉或下动力头驱动预制桩下沉；

s5：预制桩下沉到位后，第二抱紧机构松开预制桩，下动力头上移，上动力头带动钻具总成上移。

与cn102561946b的施工方法相比，由于钻具总成可通过起吊设备从上往下依次穿过上动力头和预制桩，因此无需考虑干涉问题，对于预制桩高度较小或只有单节预制桩的桩位施工来说，立柱高度可大大缩短，从而提高了施工的安全性和稳定性。

所述步骤s5中，上动力头带动钻具总成上移后，还包括以下步骤：

s5.1：上动力头带动钻具总成上移至露出钻具总成，将钻具总成接长，第一抱紧机构松开钻具总成，上提钻具总成至钻具总成与地基之间形成下一节预制桩的放置空间；

s5.2：定位下一节预制桩后，将下一节预制桩与已下沉的预制桩固连；重复步骤s2-s5，以使下一节预制桩下沉到位。

具体地，对于需要下沉多节预制桩的桩位，可采用起吊设备上提钻具总成，至露出钻具总成上段和下段的接头部位，并将下段与已下沉的预制桩固定，继续上提上段至上段和下段之间留出中段的安装空间，将中段的两端分别与上段和下段可拆卸固连，即完成钻具总成的接长。将钻具总成继续上提至预留下一节预制桩的装配空间，将已下沉预制桩和下一节预制桩固连后，即可继续下一节预制桩的下沉施工。

由于钻具总成可上提至预留钻杆接长和预制桩接长的空间，本发明的钻具总成接长和预制桩接长均可在线上完成，与cn102561946b的线下组装钻具和预制桩再定位组装后的预制桩相比，施工效率和施工安全性大大提高。

所述步骤s5.2后还包括以下步骤：

s5.3：重复s5.1-s5.2，直至完成此桩位的预制桩施工。

还包括以下步骤：

s6：将设备移至下一桩位，第一抱紧机构松开钻具总成，上提钻具总成至钻具总成与地基之间形成预制桩的定位空间；重复步骤s1-s5；以完成下一预制桩的施工；

s7：重复步骤s6，直至完成所有预制桩的植入。

由于钻具总成可上提至预留下一桩位预制桩的定位空间，因此转换桩位时，无需拆卸再组装钻杆，与cn102561946b相比，转换桩位时间大大缩短，从而施工效率大幅提高。

所述步骤s3中，采用起吊设备上提钻具总成或下移钻具总成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的预制管桩植入设备及植桩施工方法，可大大节省拆、接钻杆等辅助作业时间，大幅提高随钻跟管桩施工效率，减轻辅助作业人员的劳动强度。

附图说明

图1为本发明实施例的预制管桩植入设备的结构示意图。

图2为上动力头的主视结构示意图。

图3为上动力头的俯视结构示意图。

图4为上动力头的剖视结构示意图

图5为下动力头的主视结构示意图。

图6为下动力头的俯视结构示意图。

图7为钻具总成的结构示意图。

图8为钻头的结构示意图。

图例说明：1、钻机主体；2、钻具总成；21、螺旋钻杆；211、钻杆节段；212、驱动节段；22、钻头；23、止挡件；24、潜孔冲击器；25、扩孔翼板；3、钻桅；31、导轨；4、上动力头；41、第一竖向通道；42、上抱爪；43、滑轮组；44、上动力头箱；45、旋转驱动机构；451、驱动电机；452、驱动齿轮；5、下动力头；51、第二竖向通道；52、下动力头箱；53、振动器；6、第一抱紧机构；61、齿轮；62、楔形钳口；63、伸缩油缸；64、顶板；65、下回转支承；66、上回转支承；67、连杆；68、回转盘；7、第二抱紧机构；71、驱动件；72、压紧块；8、排土装置；81、第三竖向通孔；82、下抱爪；9、扶桩器；10、在线半自动焊接装置；11、预制桩。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例的预制管桩植入设备，包括钻机主体1和钻具总成2，钻机主体1上固定有钻桅3，钻桅3上设有与钻桅3平行布置的导轨31，导轨31上滑设有用于驱动钻具总成2旋转钻进的上动力头4，以及用于驱动预制桩下沉的下动力头5。

其中钻机主体1为履带桩架式行走装置，钻桅3通过销轴和撑杆与钻机主体1前端连接，钻桅3的中下部位通过螺栓固定有扶桩器9。

如图2和3所示，上动力头4上开设有可供钻具总成2穿过的第一竖向通道41，上动力头4上设有用于抱紧或松开钻具总成2的第一抱紧机构6。

中空螺旋钻进动力头(即上动力头4)通过上抱爪42可抱在钻桅导轨31上上下滑动。中空螺旋钻进动力头(上动力头4)通过可替换规格的夹杆钳口(第一抱紧机构6)夹住不同大小的长螺旋钻的顶部驱动圆柱部分驱动钻进，夹杆钳口也可以夹住钻杆的任意处螺旋叶片。中空螺旋钻进动力头(上动力头4)上有上下两个滑轮或滑轮组43，上滑轮或滑轮组通过钢丝绳与钻机主体1上的上提卷扬相连，下滑轮或滑轮组通过钢丝绳与履带桩架上的下压卷扬相连，从而使得中空螺旋钻进动力头(上动力头4)能在上提及下压卷扬的作用下在钻桅导轨上上下滑动。

如图4所示，上动力头4包括上动力头箱44和固定于上动力头箱44上的旋转驱动机构45，旋转驱动机构45包括固定于上动力头箱44顶部的驱动电机451，以及与驱动电机451传动连接的驱动齿轮452，驱动齿轮452伸入上动力头箱44中。

继续参阅图4，第一抱紧机构6包括齿轮61、抱紧件、伸缩油缸63、顶板64、下回转支承65和上回转支承66。

齿轮61位于上动力头箱44中并与驱动齿轮452啮合。齿轮61的下端与下回转支承65的内圈固连，下回转支承65的外圈与上动力头箱44固连。

顶板64设于上动力头箱44的上方，伸缩油缸63竖向布置且固定于上动力头箱44和顶板64之间。

齿轮61具有可供钻具总成2穿过的内腔，抱紧件包括多个楔形钳口62，内腔为倒圆台形结构，楔形钳口62的外壁与内腔的内壁配合，楔形钳口62的内壁与钻具总成2的外壁配合。楔形钳口62的上端铰接有一连杆67，多个连杆67的上端与一回转盘68铰接。回转盘68与上回转支承66的外圈固连，上回转支承66与顶板固连。

由此，伸缩油缸63收缩时可带动楔形钳口62伸入内腔中并卡接于钻具总成2和齿轮61之间，伸缩油缸63伸长时可带动楔形钳口62从内腔中伸出并解除钻具总成2和齿轮61的连接。

其中，下回转支承65的内圈、上回转支承66的外圈、齿轮61、楔形钳口62、连杆67和回转盘68参与回转。

由此，第一抱紧机构6通过抱紧件将钻具总成2和齿轮61固连后，旋转驱动机构45即可驱动参与回转的构件和钻具总成2一起旋转，以完成钻孔施工。

如图5和6所示，下动力头5上开设有可供预制桩和钻具总成2穿过的第二竖向通道51，下动力头5上设有用于抱紧或松开预制桩的第二抱紧机构7。

下动力头5包括下动力头箱52，以及设于下动力头箱52外侧壁上的振动器53，振动器53用于驱动预制桩下沉，振动器53部分伸入下动力头箱52中。

下动力头5上端安装有用于清除螺旋钻杆21叶片之间泥土的排土装置8，排土装置8上开设有可供预制桩和钻具总成2穿过的第三竖向通孔81。

第二抱紧机构7包括设于下动力头箱52中的多个夹具，多个夹具呈环向间隔布置在预制桩的周围；夹具包括固定于下动力头箱52内侧壁上的驱动件71，以及与驱动件71相连的压紧块72，压紧块72朝向预制桩的壁面为与预制桩外壁配合的圆弧面。驱动件71用于驱动压紧块72向预制桩施加向内的径向压力或驱动压紧块72远离预制桩。

此外，第二竖向通道51上部设有防止预制桩穿出的止挡台阶，止挡台阶设于第二抱紧机构7的上方。下动力头5下压预制桩时，预制桩顶部与止挡台阶抵接。

夹持振动动力头(即下动力头5)位于中空螺旋钻进动力头(上动力头4)的下方。夹持振动动力头(下动力头5)两侧对称布置偏心或往复式振动器53，用于沉桩。夹持振动动力头(下动力头5)内有较桩直径略大的沉孔(第二竖向通道51)，在孔内有沿预制桩圆周方向对称布置的夹具，用于夹桩。夹持振动动力头(下动力头5)上方有排土装置8，用于清除螺旋钻杆叶片之间的泥土，并使泥土沿一定方向排出。排土装置8与夹持振动动力头(下动力头5)通过弹簧或其它缓冲装置相连。排土装置8通过下抱爪82可抱在钻桅导轨31上滑动。排土装置8两侧有吊点，通过钢丝绳与与履带桩架上的卷扬相连，从而使得排土装置8及夹持振动动力头(下动力头5)能在卷扬的作用下在钻桅导轨31上上下滑动。夹持振动动力头(下动力头5)可套在预制桩桩头上，并用第二抱紧机构7夹住预制桩一起上下移动，也可套在送桩器头上，并用第二抱紧机构7夹住送桩器，将预制桩压入地表面以下。

如图7和8所示，钻具总成2包括螺旋钻杆21和安装于螺旋钻杆21下端的钻头22。

其中，螺旋钻杆21主要由一根或多根钻杆节段211及带配气注浆装置的驱动节段212连接而成。驱动节段212顶部有止挡件23，止挡件23用于保证钻具不会从中空螺旋钻进动力头(上动力头4)的孔中掉落。

参见图8，钻头22中心安装潜孔冲击器24。钻头22正转钻进时，钻头24底部的扩孔翼板25打开，钻出直径大于钻杆外径的孔。钻头22反转钻时，扩孔翼板25收回，保证钻头能从桩的内孔抽出。

安装在钻机主体1的机身前部或钻桅3下端安装有在线半自动焊接装置10。在预制桩植入过程中需要接桩时将两段桩焊接在一起。

离线半自动焊接装置(具有摆弧功能)与钻机主体1分离，用于预制桩植入前，预先将两段桩焊接在一起。

本实施例的预制管桩植入设备完成预制桩植入的一种施工过程如下：

(1)定好桩位后，用专用吊具将单根或由两根预制桩焊成一体的长预制桩吊到下动力头5下面的桩位上，用扶桩器9扶住预制桩；

(2)下动力头5下移压在预制桩桩头上，夹住预制桩桩头上下移动调整好桩身垂直度；

(3)上动力头4下移至下动力头5上方，上、下动力头之间设置橡胶缓冲；

(4)起吊长螺旋钻具总成2插入上动力头4的中空夹持孔和预制桩的中间孔中，用上动力头4夹住长螺旋钻具总成2的顶部驱动圆柱部分，扶桩器9松开；

(5)上动力头4驱动长螺旋钻具总成2进行钻进；

(6)预制桩依靠自重和下动力头5上的液压振动器53辅助沉入地基之中；

(7)预制桩下沉到位后，下动力头5放开预制桩开始上提，同时上动力头4带动长螺旋钻具总成2反转上提至露出带配气注浆装置的驱动节段212与钻杆节段211的连接位置，将两钻杆分离，上动力头4带动带配气注浆装置的驱动节段212上提，下动力头5继续上提；

(8)用起重机吊入另一节钻杆节段211，将两节钻杆节段211连接并将其上端与带配气注浆装置的驱动节段212连接；

(9)上动力头4松开长螺旋钻具总成2，用起重机将其提升至一定高度，再吊入另一根预制桩用扶桩器9扶住，下动力头5下移压在新吊入的预制桩桩头上，夹住预制桩桩头上下移动调整对桩，采用在线半自动焊接装置10将其与已植入的预制桩焊接在一起；

(10)上动力头4夹住长螺旋钻具总成2顶部，将其下放到底，扶桩器9松开；

(11)重复(5)(6)步骤，喷气吹渣，注浆成桩；

(12)将设备移至下一桩位；

(13)定好第二根桩位后，起重机吊住长螺旋钻具总成2提升，下动力头5上移,留出进桩空间，将预制桩吊到桩位上，扶桩器9夹稳，重复(2)(10)(5)(6)(9)(10)(11)步骤。

本实施例的预制管桩植入设备完成预制桩植入的另一种施工过程如下：

(1)定好桩位后，用专用吊具将多根预制桩焊成一体的长预制桩吊到下动力头5下面的桩位上，用扶桩器9扶住预制桩；

(2)下动力头5下移压在预制桩桩头上，夹住预制桩桩头上下移动调整好桩身垂直度；

(3)上动力头4下移至下动力头5上方，上、下动力头之间设置橡胶缓冲；

(4)起吊将多根钻杆焊接成一体的长螺旋钻具总成2插入上动力头4的中空夹持孔和预制桩的中间孔中，用上动力头4夹住长螺旋钻具总成2的顶部驱动圆柱部分，扶桩器9松开；

(5)上动力头4驱动长螺旋钻具总成2进行钻进；

(6)预制桩依靠自重和下动力头5上的液压振动器53辅助沉入地基之中；

(7)预制桩下沉到位后，下动力头5放开预制桩开始上提，同时上动力头4带动长螺旋钻具总成2反转上提；

(8)将设备移至下一桩位；起重机吊住长螺旋钻具总成2提升至留出进桩空间；

(9)重复(1)-(7)步骤。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。