专利名称：分离驱动式套管螺旋钻机及其施工方法
技术领域：
本发明涉及一种在建筑工程中，用于钻孔灌注桩等施工的分离驱动式套管螺旋钻机及其施工方法。
背景技术：
目前，为解决钻孔灌注桩施工中孔壁坍塌造成桩身质量问题、泥浆护壁造成成本增加及环境污染等问题，采用的技术手段之一是使用套管跟进、护壁成孔的施工设备及施工方法，套管跟进的方式主要有三种1、沉管方式，套管靠锤击、振动或静压沉入地下；2、摇管方式，套管一边被摇动一边靠静压力沉入地下；3、旋转管方式，套管一边旋转一边靠静压力或重力钻入地下。
上述三种方式，从施工效率、质量和环保的要求分析，旋转管方式为最有优势。用旋转管方式施工主要使用的有如下几种钻机及施工方法1、单驱式套管螺旋钻机主要由支撑机、钻机动力头、外套管和螺旋钻杆构成；在钻机动力头的驱动下，外套管和螺旋钻杆一边旋转，一边沿支撑机立柱向下运动，钻削地层，由螺旋钻杆外周的螺旋叶排土，形成桩孔，在桩孔中插入钢筋笼并灌注混凝土，即可构筑成地下基础桩。
2、双驱式套管螺旋钻机主要由支撑机、外侧动力头，内侧动力头，外套管和螺旋钻杆构成(参见图15和图16)；在外侧动力头和内侧动力头的分别驱动下，外套管和螺旋钻杆一边旋转，一边沿支撑机立柱向下运动，钻削地层，由螺旋钻杆外周的螺旋叶排土，形成桩孔；内侧动力头将螺旋钻杆拔出，外套管与外侧动力头脱开留在地下，在外套管中插入钢筋笼并灌注混凝土后，外侧动力头将外套管从地下拔出，即完成地下基础桩施工。
上述两种套管螺旋钻机的外套管既能旋转钻孔，又能起到护壁防止孔壁坍塌的作用，但双驱式套管螺旋钻机更适合将外套管留在地下，灌注混凝土后再从地下拔出外套管的施工工艺。
日本专利特开平9-125854和中国专利号98120410.4公开了类似上述双驱式套管螺旋钻机的技术。
但上述双驱式套管螺旋钻机技术存在如下缺点由于外套管和螺旋钻杆是由动力头进行顶部驱动的，动力头的重心偏高。特别是当钻孔直径较大，钻孔较深时，相应动力头的功率、体积、重量都要增大、外套管和螺旋钻杆的长度要增加、桩架立柱也要增高，整机重心将更高，稳定性差，是施工中的安全隐患；国内外都发生过因桩架失稳而倾翻的安全事故。为提高稳定性虽可采取增大桩架接地面积的措施，但会增加重量和制造成本，使整机价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种驱动方式合理，重心低，稳定性高，使用安全，制造成本低的分离驱动式套管螺旋钻机及其施工方法。
本发明的目的是由下述技术方案实现的一种分离驱动式套管螺旋钻机包括支撑机、外侧动力头、内侧动力头、由外套管和螺旋钻杆构成的钻具。
上述支撑机主要由可在地面上走行的底座，设置在底座上的立柱、卷扬机组、操作室和牵引钢丝绳构成。
上述外侧动力头主要由可移动的机架，设置于机架之上并含有原动机、减速机和中空出力轴的驱动装置构成；钻机动力头通过牵引钢丝绳悬挂于支撑机的立柱上，并可以上下移动。
上述内侧动力头主要由可移动的机架，设置于机架之上并含有原动机、减速机和出力轴的驱动装置构成；钻机动力头通过牵引钢丝绳悬挂于支撑机的立柱上，并可以上下移动。
上述外套管的上端与外侧动力头的中空出力轴相互联接，外套管由外侧动力头在其顶部驱动进行旋转。
上述螺旋钻杆的上端与内侧动力头的出力轴相互联接。螺旋钻杆由内侧动力头在其顶部驱动进行旋转。
其特征在于所述外侧动力头除了可以顶部驱动外套管之外，还可以设置夹持装置在外套管的轴向任意位置驱动外套管旋转。
所述内侧动力头的出力轴还可以是中空结构的出力轴并设置夹持装置，除了可以顶部驱动螺旋钻杆之外，还可以借助夹持装置在螺旋钻杆的轴向任意位置驱动螺旋钻杆旋转。
所述由外套管和螺旋钻杆构成的钻具，是可以根据使用需要、选用适当钻具部件进行任意搭配而构成的一种组合钻具；钻具部件主要包括螺旋钻杆、钻头、伸缩钻杆、套筒、钻套和切削刀头。
所述夹持装置由固定在外侧动力头出力轴或内侧动力头出力轴上的底座、调节机构和夹持块构成，借助调节机构的动作，夹持块可沿底座相对中空出力轴的轴心作轴向和径向的位移。
所述夹持装置还可以是由固定在动力头中空出力轴上的内花键盘构成。
使用上述分离驱动式套管螺旋钻机构筑地下基础桩的施工方法1，具有以下步骤①分离驱动式套管螺旋钻机走行到施工位置，外侧动力头借助夹持装置在外套管的中间部位驱动外套管按逆时针旋转，内侧动力头借助夹持装置在螺旋钻杆的中间部位驱动螺旋钻杆按顺时针旋转；②外侧动力头和内侧动力头同时向下移动，外套管和螺旋钻杆随之旋转钻削地层，螺旋钻杆向上排土，钻削至预定深度后停止旋转；③夹持装置打开，外侧动力头和内侧动力头同时向上移动，外侧动力头借助夹持装置在外套管的顶部驱动外套管按逆时针旋转，内侧动力头借助夹持装置在螺旋钻杆的顶部驱动螺旋钻杆按顺时针旋转；④外侧动力头和内侧动力头同时向下移动，外套管和螺旋钻杆随之旋转钻削地层，螺旋钻杆向上排土，钻削至预定深度后停止旋转；⑤内侧动力头与螺旋钻杆一同向上提升至桩架顶端，外侧动力头的夹持装置打开，外套管留在地下，外侧动力头向上提升提升至适当高度；⑥分离驱动式套管螺旋钻机向一旁移动一适当距离，向留在地下的外周钻筒中放入钢筋笼并灌注混凝土；⑦分离驱动式套管螺旋钻机移动回原位置，外侧动力头向下移动，夹持装置关闭夹住外套管；⑧外侧动力头与外套管一同向上提升，外侧动力头再向下移动，夹持装置关闭夹住外套管，外侧动力头与外套管一同向上提升至地面；⑨分离驱动式套管螺旋钻机移动至下一个施工位置。原位置钻孔灌注的钢筋混凝土经一段时间固化后，即成为地下基础桩。
本发明的分离驱动式套管螺旋钻机及其施工方法，有如下积极效果及优点1、按照本发明，钻机动力头的驱动方式合理，可任意选择不同的位置驱动相应钻具，能适应多种施工工艺。
2、按照本发明，钻机动力头对钻具除可以进行顶部驱动以外，还可以在钻具中间部位或更低部位进行驱动，钻机动力头相对地面的高度比顶部驱动时可降低1/2以上，钻机动力头的重心降低，稳定性提高。
3、按照本发明，由于钻机动力头位置和重心降低，支撑机立柱的高度也可以降低，从而使整机的重量和重心都有大幅度的降低，使整机的稳定性和安全性提高。特别是当钻孔直径较大，钻孔较深时更具优越性。
钻机的稳定性是由钻机整机的总重心位置和倾翻点连线与通过整机重心的垂线所形成的夹角的大小来评价的，角度越大稳定性越高。(参见图17和图18)当构筑同样深度基础桩时(外套管长度一定)，图17是现有技术钻机的重心和稳定性的示意图，图18是本发明钻机的重心和稳定性的示意图，因为β2＞β1，所以，本发明钻机的稳定性优于现有技术钻机。
4、按照本发明，由于整机的稳定性可以提高，在保证相同稳定性的条件下，整机的体积、重量都可以减少，可降低生产制造成本，使整机价格便宜。
图1是本发明的实施例1分离驱动式套管螺旋钻机A的主视图。
图2是图1所示分离驱动式套管螺旋钻机A的侧视图。
图3是图1所示钻机A的内侧动力头C的主视图。
图4是图3所示内侧动力头C的侧视图。
图5是图1所示钻机A的外侧动力头D的主视图。
图6是图5所示外侧动力头D的侧视图。
图7是图3所示内侧动力头C的驱动装置7的I-I剖面图。
图8是图7所示驱动装置7的俯视图。
图9是图3所示外侧动力头D的驱动装置57的L-L剖面图。
图10是图9所示驱动装置57的俯视图。
图11是图3所示内侧动力头C的驱动装置7上安装又一种夹持装置18的结构图。
图12是图11所示内侧动力头C的的驱动装置7上安装又一种夹持装置18的俯视图。
图13图1所示分离驱动式套管螺旋钻机A顶部驱动状态的主视图。
图14图13所示分离驱动式套管螺旋钻机A顶部驱动状态的侧视图。
图15是现有技术的双驱式套管螺旋钻机的外形图。
图16是图15所示双驱式套管螺旋钻机的侧视图。
图17是现有技术钻机的重心和稳定性计算的示意图。
图18是本发明钻机的重心和稳定性计算的示意图。
图19a、图19b、图19c、图19d、图19e、图10f、图19g、图19h和图19i是本发明的实施例2使用分离驱动式套管螺旋钻机A构筑地下基础桩的施工方法步骤的示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1分离驱动式套管螺旋钻机A参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13和图14。
一种分离驱动式套管螺旋钻机A，主要包括支撑机B、内侧动力头C、外侧动力头D和钻具E。
上述支撑机B主要由可在地面GL上走行的底座1，设置在底座1上垂直于地面GL的立柱2，卷扬机组3a、3b，操作室4和钢丝绳5a、5b构成；所述立柱2上还设有导向滑轨2a、顶部滑轮组2b、辅助吊钩2c、支撑杆2d；所述卷扬机组3a、3b可驱动牵引钢丝绳5a、5b。
上述内侧动力头C主要由机架6和置于机架6上的驱动装置7构成；所述机架6上还设置有导向滑槽6a和滑轮组6b，机架6借助旋绕在滑轮组6b上的钢丝绳5a悬挂于顶部滑轮组2b之下，并借助导向滑槽6a嵌在立柱2的导向滑轨2a上，在卷扬机3a驱动的钢丝绳5a的牵引下，机架6可沿立柱2上下移动；所述驱动装置7主要由固定在机架6上的箱体8、原动机9a和9b、设置于箱体8上的行星减速机10a和10b、安装在行星减速机10a和10b的出力轴上的主动齿轮11a和11b、从动齿轮12、设置有法兰盘13a的中空出力轴13和夹持装置15构成；所述中空出力轴13是借助轴承14a和14b支持的可旋转的中空结构的出力轴，齿轮12安装在中空出力轴13上并与齿轮11a和11b啮合，夹持装置15借助法兰盘13a与中空出力轴13连接；在原动机9a和9b的驱动下，通过行星减速机10a和10b减速，经齿轮11a和11b与齿轮12啮合传递动力，使中空出力轴13和夹持装置15按选定转速和方向旋转。
所述夹持装置15由固定在中空出力轴13上的底座15a、调节机构15b和夹持块15c构成；借助调节机构15b的动作，夹持块15c可沿底座15a相对中空出力轴的轴心进行轴向和径向的位移，完成对钻具的夹持或开启动作。
上述外侧动力头D主要由机架56和置于机架56上的驱动装置57构成；所述机架56上还设置有导向滑槽56a和滑轮组56b，机架56借助旋绕在滑轮组56b上的钢丝绳5b悬挂于顶部滑轮组2b之下，并借助导向滑槽56a嵌在立柱2的导向滑轨2a上，在卷扬机3b驱动的钢丝绳5b的牵引下，机架56可沿立柱2上下移动；所述驱动装置57主要由固定在机架56上的箱体58、原动机59a和59b、设置于箱体58上的行星减速机60a和60b、安装在行星减速机60a和60b的出力轴上的主动齿轮61a和61b、从动齿轮62、设置有法兰盘63a的中空出力轴63和夹持装置65构成；所述中空出力轴63是借助轴承64a和64b支持的可旋转的中空结构的出力轴，齿轮62安装在中空出力轴63上并与齿轮61a和61b啮合，夹持装置65借助法兰盘63a与中空出力轴63连接；在原动机59a、和59b的驱动下，通过行星减速机60a和60b减速，经齿轮61a和61b与齿轮62啮合传递动力，使出中空力轴63带动夹持装置65按选定转速和方向旋转。
所述夹持装置65由固定在中空出力轴63上的底座65a、调节机构65b和夹持块65c构成，借助调节机构65b的动作，夹持块65c可沿底座65a相对中空出力轴的轴心进行轴向和径向的位移，完成对钻具的夹持或开启动作。
上述钻具E由螺旋钻杆21和外套管22构成，是可以根据使用需要，选用适当钻具部件进行任意搭配而构成的一种组合钻具；钻具部件主要包括螺旋钻杆21a、钻头21b、伸缩钻杆21c、套筒22a、钻套22b、切削刀头22c。
例如螺旋钻杆21可由螺旋钻杆21a、钻头21b组成；也可由伸缩钻杆21c、螺旋钻杆21a、钻头21b组成；还可以由伸缩钻杆21c、钻头21b组成；外套管22可由套筒22a、钻套22b和切削刀头22c组成。套筒22a上还可以设置复数的排土口22d。
图11和图12所示的是又一种夹持装置18的实施例所述夹持装置18由固定在内侧动力头C的中空出力轴13上的内花键圆盘18a构成，借助内花键圆盘18a可将中空出力轴13的动力传递给伸缩钻杆21c，使伸缩钻杆21c进行旋转，并借助辅助吊钩2c的牵引作上下的轴向移动。
实施例2使用分离驱动式套管螺旋钻机A构筑地下基础桩的施工方法，具有以下步骤参照图19a、图19b、图19c、图19d、图19e、图10f、图19g、图19h和图19i。
①分离驱动式套管螺旋钻机A走行到施工位置，外侧动力头D借助夹持装置65在外套管22的中间部位驱动外套管按逆时针旋转，内侧动力头C借助夹持装置15在螺旋钻杆21的中间偏上的部位驱动螺旋钻杆按顺时针旋转；②外侧动力头D和内侧动力头C同时向下移动，外套管22和螺旋钻杆21随之旋转钻削地层，螺旋钻杆21向上通过排土口22d排土，钻削至预定深度后停止旋转；③夹持装置65和15打开，外侧动力头D和内侧动力头C同时向上移动，外侧动力头D借助夹持装置65在外套管22的顶部驱动外套管按逆时针旋转，内侧动力头C借助夹持装置15在螺旋钻杆21的顶部驱动螺旋钻杆按顺时针旋转；④外侧动力头D和内侧动力头C同时向下移动，外套管22和螺旋钻杆21随之旋转钻削地层，螺旋钻杆21向上通过排土口22d或外套管22顶端排土，钻削至预定深度后停止旋转；⑤内侧动力头C与螺旋钻杆21一同向上提升至桩架顶端，外侧动力头D的夹持装置65打开，外套管22留在地下，外侧动力头D向上提升至适当高度；⑥分离驱动式套管螺旋钻机A向一旁移动一适当距离，向留在地下的外套管22中放入钢筋笼并灌注混凝土；⑦分离驱动式套管螺旋钻机A移动回原位置，外侧动力头D向下移动，夹持装置65关闭夹住外套管22；⑧外侧动力头D与外套管22一同向上提升至一定高度，外侧动力头D的夹持装置65打开，外侧动力头D再向下移动，夹持装置65关闭夹住外套管22，外侧动力头D与外套管65一同向上提升至地面；⑨分离驱动式套管螺旋钻机A移动至下一个施工位置。原位置钻孔灌注的钢筋混凝土经一段时间固化后，即成为地下基础桩。
结合上述实施例，对本发明进行了说明，但通过对钻机动力头或钻具部件的结构和组合方式作一些适当的改变，对施工步骤的细节作一些适当的调整，就可以在本发明的范围内，派生出各种不同的钻机及其相应的施工方法。
例如按照实施例2的施工方法的步骤①～⑤，将一根外套管和螺旋钻杆钻到预定深度后，继续连接另一根外套管和螺旋钻杆，并复上述实施例2的施工方法的步骤①～⑧，就可以在同样高度支撑机立柱的条件下构筑更深的基础桩。
权利要求
1.一种分离驱动式套管螺旋钻机包括支撑机、外侧动力头、内侧动力头、由外套管和螺旋钻杆构成的钻具；上述支撑机主要由可在地面上走行的底座，设置在底座上的立柱、卷扬机组、操作室和牵引钢丝绳构成；上述外侧动力头主要由可移动的机架，设置于机架之上并含有原动机、减速机和中空出力轴的驱动装置构成；钻机动力头通过牵引钢丝绳悬挂于支撑机的立柱上，并可以上下移动；上述内侧动力头主要由可移动的机架，设置于机架之上并含有原动机、减速机和出力轴的驱动装置构成；钻机动力头通过牵引钢丝绳悬挂于支撑机的立柱上，并可以上下移动；上述外套管的上端与外侧动力头的中空出力轴相互联接，外套管由外侧动力头在其顶部驱动进行旋转；上述螺旋钻杆的上端与内侧动力头的出力轴相互联接，螺旋钻杆由内侧动力头在其顶部驱动进行旋转；其特征在于所述外侧动力头除了可以顶部驱动外套管之外，还可以设置夹持装置在外套管的轴向任意位置驱动外套管旋转；所述内侧动力头的出力轴还可以是中空结构的出力轴并设置夹持装置，除了可以顶部驱动螺旋钻杆之外，还可以借助夹持装置在螺旋钻杆的轴向任意位置驱动螺旋钻杆旋转。
2.按照权利要求1所述的分离驱动式套管螺旋钻机，其特征在于所述由外套管和螺旋钻杆构成的钻具，是可以根据使用需要、选用适当钻具部件进行任意搭配而构成的一种组合钻具，钻具部件主要包括螺旋钻杆、钻头、伸缩钻杆、套筒、钻套和切削刀头。
3.按照权利要求1所述的分离驱动式套管螺旋钻机，其特征在于所述夹持装置由固定在外侧动力头出力轴或内侧动力头出力轴上的底座、调节机构和夹持块构成，借助调节机构的动作，夹持块可沿底座相对中空出力轴的轴心作轴向和径向的位移。
4.按照权利要求1所述的分离驱动式套管螺旋钻机，其特征在于所述夹持装置还可以是由固定在动力头中空出力轴上的内花键盘构成。
5.使用权利要求1所述的分离驱动式套管螺旋钻机的施工方法，其特征在于该施工方法具有如下步骤①分离驱动式套管螺旋钻机走行到施工位置，外侧动力头借助夹持装置在外套管的中间部位驱动外套管按逆时针旋转，内侧动力头借助夹持装置在螺旋钻杆的中间部位驱动螺旋钻杆按顺时针旋转；②外侧动力头和内侧动力头同时向下移动，外套管和螺旋钻杆随之旋转钻削地层，螺旋钻杆向上排土，钻削至预定深度后停止旋转；③夹持装置打开，外侧动力头和内侧动力头同时向上移动，外侧动力头借助夹持装置在外套管的顶部驱动外套管按逆时针旋转，内侧动力头借助夹持装置在螺旋钻杆的顶部驱动螺旋钻杆按顺时针旋转；④外侧动力头和内侧动力头同时向下移动，外套管和螺旋钻杆随之旋转钻削地层，螺旋钻杆向上排土，钻削至预定深度后停止旋转；⑤内侧动力头与螺旋钻杆一同向上提升至桩架顶端，外侧动力头的夹持装置打开，外套管留在地下，外侧动力头向上提升至适当高度；⑥分离驱动式套管螺旋钻机向一旁移动一适当距离，向留在地下的外套管中放入钢筋笼并灌注混凝土；⑦分离驱动式套管螺旋钻机移动回原位置，外侧动力头向下移动，夹持装置关闭夹住外套管；⑧外侧动力头与外套管一同向上提升，外侧动力头再向下移动，夹持装置关闭夹住外套管，外侧动力头与外套管一同向上提升至地面；⑨分离驱动式套管螺旋钻机移动至下一个施工位置。原位置钻孔灌注的钢筋混凝土经一段时间固化后，即成为地下基础桩。
全文摘要
本发明涉及一种在建筑工程中，用于钻孔灌注桩等施工的分离驱动式套管螺旋钻机及其施工方法；该钻机包括支撑机、外侧动力头、内侧动力头、由外套管和螺旋钻杆构成的钻具；其特征在于所述动力头除了可以顶部驱动钻具旋转和移动之外，可以借助夹持装置在钻具轴向任意位置驱动钻具旋转、移动进行施工；其具有驱动方式合理、钻机重心低，钻机整机的稳定性高、施工安全、生产制造成本低、价格便宜的优点。
文档编号E21B3/00GK1944939SQ20061013835
公开日2007年4月11日 申请日期2006年11月9日 优先权日2006年11月9日
发明者钱奂云 申请人:北京东方泰晟基础机械技术有限公司