低净空双回转钻机及其施工方法与流程

本发明属于钻孔桩机设备，涉及一种可以在低净空条件下施工的双回转钻机。

背景技术：

随着城市地铁建设的发展，一种在地铁车站施工中效率高、成本低的pba工法应运而生，其无需开挖地表、维持城市环保卫生、不影响地面交通、不影响市民正常生活；但这种工法的施工难点是需要在低净空(狭小的空间)条件下的导洞内钻孔制桩，导洞的横截面尺寸只有3.5～4米宽、4.5～5米高，而钻孔深度需达到二十几米。目前该工法的成孔的方法主要有两种：一是人工挖孔，二是使用反循环钻机钻孔；但其存在的问题是：前者效率低、不安全；后者钻孔时需要使用泥浆护壁，泥浆会对环境造成污染，而且在不稳定底层施工时桩身形状和质量不易控制，施工效率也不尽人意。所以市场目前非常需要有一种没有护壁泥浆污染、既安全环保、又效率高质量好的钻机解决上述问题。

目前，现有技术能解决护壁泥浆污染问题的钻机主要有：搓管机、全套管钻机、双动力头套管钻机、单动力头套管钻机。但前两种钻机依然存在施工效率低的问题，后两种钻机如已公开的：分离驱动式套管螺旋钻机及其施工方法(zl200610138353.3)，多功能钻机及其施工方法(zl0313579.0)；这两种钻机虽能解决护壁泥浆污染问题、也能保证安全环保、效率高质量好，但是其整机外形尺寸过大，无法适应在净空小于10米的低净空条件下的导洞内施工。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对现有的钻机在低净空条件下进行作业的缺陷，提供一种新型的低净空双回转钻机及其施工方法。

本发明采用如下技术方案实现：

低净空双回转钻机，包括钻机平台3、立柱4以及钻机动力头5，其中，

所述钻机平台3支撑设置在两组沿钻机前后方向平行布置的长船1上，所述长船1上设有沿钻机前后方向移动的平移小车1c，所述钻机平台3支撑于平移小车1c上；

所述立柱4固定设置在钻机平台3的前端，所述立柱4上设有竖向的立柱导轨4b，所述钻机动力头5通过机架5g滑动装配在立柱导轨4b上，并在立柱4和机架5g之间设置驱动钻机动力头升降的拉压油缸4d；

所述钻机动力头5包括原动机5c、主减速机5c、分流减速机5b、中心出力轴5d和外周出力轴5e，所述原动机5c、主减速机5c和分流减速机5b固定安装于机架5g上，并依次串联传动连接，所述分流减速机5b具有同一轴心布置的两个动力输出端，所述中心出力轴5d和外周出力轴5e同轴设置，并分别与分流减速机5b的两个动力输出端传动连接；

所述中心出力轴5d与分体式拼接的钻杆8和钻杆钻头9之间可拆卸连接，所述外周出力轴5e与分体式拼接的套管6和套管钻头7之间可拆卸连接。

进一步的，所述长船1的长船底座1a上设有沿钻机前后方向布置的长船导轨1b，所述平移小车1c沿长船导轨1b滚动装配，所述长船底座1a上设有推动平移小车1c移动的平移油缸1d。

进一步的，所述钻机平台3的前后两端支撑设置在相对长船垂直的短船2上，所述短船2的短船底座2a上设有垂直于长船导轨1b的短船导轨2b，所述短船导轨2b上设有横移小车2c，所述钻机平台3的前后两端支撑于横移小车2c上，所述短船底座2a上设有推动横移小车2c移动的横移油缸2d。

进一步的，所述钻机平台3的平台体3a通过顶升油缸3b可升降支撑在长船1的平移小车1c上，通过顶升油缸3b的升降，则可使长船1和短船2交替着地，实现前后与左右移动或转向状态的转换；所述平台体3a的前后两端底部通过旋转底座3d和铰接头3c支撑在短船2的横移小车2c上，这样通过前后两个横移油缸2d从相反方向推动横移小车2c，则可以使平台体3a与短船2之间发生相对转动，从而实现钻机的转向。

进一步的，所述机架5g通过若干组导向块5h滑动装配在立柱导轨4b上，其中一个导向块5h通过铰座4c与设置在立柱4上的拉压油缸4d连接。

进一步的，所述中心出力轴5d和钻杆8之间、所述外周出力轴5e和套筒6之间分别通过快动锥销5f可拆卸装配；所述套筒6之间以及钻杆8之间通过连接锥销拼接。

在本发明的低净空双回转钻机中，所述钻机平台3的平台体3a上设有操作台3f和动力站3e。

本发明还公开了一种上述低净空双回转钻机的施工方法，具体包括如下步骤：

1)双回转钻机进入桩位一侧，钻机平台3沿长船1向后移动，钻机动力头5沿立柱4提升至最高位置，设置套管钻头的套管6与设置钻头钻杆钻头的钻杆8分别吊装至桩位后垂直地面放置；

2)钻机平台3沿长船1向前移动，钻机动力头5沿立柱4下降，将设置钻头钻杆钻头的钻杆8与钻机动力头5的中心出力轴5d连接，再将设置套管钻头的套管6与钻机动力头5的外周出力轴5e连接；

3)启动钻机动力头5，驱动中心出力轴5d和外周出力轴5e分别带动钻杆8和套管6按同一轴心并且以不同转速相反方向旋转，钻机动力头5借助拉压油缸4d驱动，带动钻杆8和套管6一边旋转一边向下方钻进至预定位置；

4)将第3)步中的套管6和钻杆8分别与外周出力轴5e和中心出力轴5d脱开连接，钻机动力头5沿立柱4提升至最高位置，钻机平台3沿长船1向后移动，将下一组不带套管钻头的套管6和不带钻杆钻头的钻杆8吊装至桩位，并分别与已钻入地下的套管和钻杆拼接；

5)钻机平台3沿长船1向前移动，钻机动力头5沿立柱4下降，将第4)中吊装的钻杆8与钻机动力头5的中心出力轴5d连接，再将第4中吊装的套管6与钻机动力头5的外周出力轴5e连接；

6)启动钻机动力头5，驱动中心出力轴5d和外周出力轴5e分别带动第4步中拼接为一体的钻杆8和套管6按同一轴心并且以不同转速相反方向旋转，钻机动力头5借助拉压油缸4d驱动，带动钻杆8和套管6一边旋转一边向下方钻进至预定位置；

7)重复上述第4)、5)、6)步，直至将拼接的套管和钻杆钻至桩孔的设计深度；

8)将最上层的套管与外周出力轴5e脱开连接，套管整体留在地下，钻机动力头5沿立柱4提升，将钻杆和钻杆钻头整体全部上提，通过钻杆分段与中心出力轴5d脱开连接、依次吊离孔位；

9)钻机动力头5沿立柱4提升至最高位置，钻机平台3沿长船1向后移动，将钢筋笼10吊入孔内、浇灌混凝土11；

10)钻机平台3沿长船1向前移动，钻机动力头5沿立柱4提升，将套筒和套筒钻头整体全部上提，通过套筒分段与外周出力轴5e脱开连接、依次吊离孔位；至此一个桩孔的施工完成。

11)重复上述1)～10)步骤，直至完成所有桩孔的施工。

进一步的，每次钻杆8和套管6分段钻进的深度不超过钻杆8和套管6的分段长度。

本发明的双回转钻机及其施工方法，有如下积极效果及优点：

1、采用本发明的低净空双回转钻机，在施工时，套管和套管钻头整体以及钻杆和钻杆钻头整体之间可以相反方向旋转钻进地层，同时外周套筒还可以保护孔壁不坍塌，施工安全，无需使用护壁泥浆，无环境污染；

2、采用本发明的低净空双回转钻机，由于是套管和套管钻头整体与钻杆和钻杆钻头整体组成拼接式钻具结构，整体刚度强，钻孔成桩不会偏斜，垂直精度高，成桩质量好；

3、采用本发明的低净空双回转钻机，利用钻杆的螺旋叶片可以实现高速连续排土，施工效率高；

4、本发明的低净空双回转钻机的行走机构、动力头传动结构紧凑，体积小、重量轻，整机移动及复位稳定可靠，并且采用分段式钻进的施工方式，能够适应低净空的施工条件，实现了低净空条件下环保、安全、高效率、高质量地进行桩基础钻孔施工。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的低净空双回转钻机连接钻具的整体结构示意图。

图2为实施例中的低净空双回转钻机的正视图。

图3为实施例中的低净空双回转钻机的左视图。

图4为实施例中的低净空双回转钻机的右视图。

图5为实施例中的低净空双回转钻机的俯视图。

图6为实施例中的低净空双回转钻机的钻机动力头分别与套筒(包括套筒钻头)和钻杆(包括钻杆钻头)的连接示意图。

图7为实施例中的低净空双回转钻机的钻机动力头连接拼接式套筒和钻杆的连接示意图。

图8a-8i为实施例中的低净空双回转钻机的施工步骤示意图。

图中标号：

1-长船，1a-长船底座，1b-长船导轨，1c-平移小车，1d-平移油缸；

2-短船，2a-短船底座，2b-短船导轨，2c-横移小车，2d-横移油缸；

3-钻机平台，3a-平台体，3b-顶升油缸，3c-铰接头，3d-旋转底座，3f-操作台，3e-动力站；

4-立柱，4a-主立柱，4b-立柱导轨，4c-铰座，4d-拉压油缸；

5-钻机动力头，5a-主减速机，5b-分流减速机，5c-原动机，5d-中心出力轴，5e-外周出力轴，5f-快动锥销，5g-机架，5h-导向块，5i-动力头较座；

6-套管，6a-连接锥销；

7-套管钻头，

8-钻杆，8a-连接锥销；

9-钻杆钻头；

10-钢筋笼；

11-混凝土。

具体实施方式

实施例

参见图1和图2，图示中的低净空双回转钻机为本发明的优选方案，具体包括：长船1、短船2、钻机平台3、立柱4、钻机动力头5以及由套筒6、套筒钻头7、钻杆8和钻杆钻头9组成的钻具。

结合参见图3、图4和图5，其中，长船1包括长船底座1a，设置在长船底座1a上的长船导轨1b、可沿导轨1b移动的平移小车1c和驱动平移小车1c的平移油缸1d；

短船2包括短船底座2a，设置在短底座2a上的短船导轨2b、可沿短导轨2b移动的横移小车2c和驱动横移小车2c的横移油缸2d；

钻机平台3包括平台体3a、设置在平台体3a两侧的顶升油缸3b、设置在平台体3a前后两端下部的旋转底座3d和铰接头3c，以及设置在平台体3a上的动力站3e和操作台3f；

立柱4包括固定在钻机平台3上的主立柱4a以及设置在主立柱4a上的立柱导轨4b、铰座4c和拉压油缸4d；

钻机动力头5包括主减速机5a、分流减速机5b、原动机5c、中心出力轴5d、外周出力轴5e和机架5g以及导向块5h。

具体的，钻机平台3为钻机的主体，其平台体3a通过顶升油缸3b和旋转底座3d支撑设置在长船1和短船2上，两组长船1的长船底座1a沿钻机前后方向平行布置，其上的长船导轨1b沿钻机前后方向平行布置，每条长船导轨1b上设有前后两个平移小车1c，平移小车1c的滚轮沿长船导轨1b滚动，平移油缸1d一端铰接固定在长船底座1a上，另一端连接在平移小车1c上，实现平移小车1c沿钻机前后方向移动。两组短船2的短船底座2a垂直于长船底座布置在钻机平台3的前后两端下方，短船2的短船底座2a上设有垂直于长船导轨1b的短船导轨2b，短船导轨2b上设有横移小车2c，横移小车2c的滚轮沿短船导轨2b滚动，横移油缸2d一端铰接固定在短船底座2a上，另一端连接在横移小车2c上，实现横移小车2c沿钻机左右移动。

钻机平台3通过顶升油缸3b支撑于长船1的平移小车1c上，钻机平台3的平台体3a左右两侧分别设有前后两组顶升油缸3b，顶升油缸3b底部支撑连接在平移小车1c上，另一端固定安装于平台体3a上，通过顶升油缸3b实现钻机平台3和平移小车1c之间的升降连接。平台体3a的前后两端底部通过旋转底座3d和铰接头3c支撑在短船2的横移小车2c上。

通过顶升油缸3b的升降，则可使长船1和短船2交替着地，然后分别通过平移小车1c和横移小车2c的移动，实现钻机整体前后与左右移动或转向状态的转换。

立柱4的主立柱4a固定设置在钻机平台3的前端，主立柱4a上设有竖向的立柱导轨4b，钻机动力头5通过机架5g滑动装配在立柱导轨4b上，机架5g上沿竖直方向设置三组导向块5h，导向块5h滑动装配在立柱导轨4b上，机架5g和最上方的导向块5h之间通过动力头铰座5i连接，实现对钻进过程中一定范围内的摆动调整，在立柱4和机架5g之间设置驱动钻机动力头升降的拉压油缸4d，拉压油缸4d一端连接在主立柱4a上，另一端于最下方的导向块5h通过铰座4c连接，通过拉压油缸4d驱动钻机动力头5沿立柱升降。

如图6和图7所示，钻机动力头5的驱动部件包括原动机5c、主减速机5c、分流减速机5b、中心出力轴5d和外周出力轴5e，其中，原动机5c、主减速机5c和分流减速机5b固定安装于机架5g上，并依次串联传动连接，分流减速机5b具有同一轴心布置的两个动力输出端，中心出力轴5d和外周出力轴5e同轴设置，中心出力轴5d为轴心设置的传动轴，外周出力轴5e可采用以中心出力轴5d为轴心的圆筒轴，中心出力轴5d和外周出力轴5e分别与分流减速机5b的两个动力输出端传动连接，可以分别由至少一台原动机5c驱动，经主减速机5a减速，分流减速机5b将动力分流后，使中心出力轴5d和外周出力轴5e按同一轴心、分别以不同转速相反方向旋转传动，分流减速机5b按照中心出力轴5d和外周出力轴5e的布置选用行星轮系分流减速机。

通过中心出力轴5d与钻杆8和钻杆钻头9之间可拆卸连接，外周出力轴5e与套管6和套管钻头7之间可拆卸连接，其中钻杆8采用螺旋叶片，套筒6套装在钻杆8外周，其端部分别固定镶嵌套筒钻头7和钻杆钻头9。中心出力轴5d和钻杆8之间、外周出力轴5e和套筒6之间分别通过快动锥销5f可拆卸装配，通过可以快速拆装的快动锥销5f可实现分段套筒6和分段钻杆8的快速连接。在中心出力轴5d和外周出力轴5e的驱动下，套管6和套管钻头7之间的整体、钻杆8和钻杆钻头9之间的整体按同一轴心、分别以不同转速相反方向旋转进行钻进。

本实施例的套筒6和钻杆8分别均采用与分体式拼接结构，套筒6之间通过连接锥销6a可拆卸连接，钻杆8之间通过连接锥销8a可拆卸连接。

本实施例的钻机平台3的平台体3a上设有操作台3f和动力站3e，其中，动力站3e为提供平移油缸1d、横移油缸2d、顶升油缸3b、拉压油缸4d以及原动机5c连接的液压系统的液压动力站，操作台3f用于设置连接该液压系统的控制模块，实现对各个液压执行件的操作。具体关于液压动力站和控制模块的设置为常规液压控制技术，本实施例在此不对操作台3f和动力站3e的具体方案进行赘述。

以下结合图8a-8i详细说明本实施例的低净空双回转钻机的具体施工方法。

如图8a所示，双回转钻机进入桩位一侧，钻机平台3在平移油缸1d的驱动下沿长船1向后移动，钻机动力头5在拉压油缸4d的驱动下沿立柱4提升至最高位置，设置套管钻头7的套管6与设置钻头钻杆钻头9的钻杆8分别吊装至桩位后垂直地面放置；

如图8b所示，钻机平台3在平移油缸1d的驱动下沿长船1向前移动，钻机动力头5在拉压油缸4d的驱动下沿立柱4下降，通过快动锥销5f将设置钻头钻杆钻头的钻杆8与钻机动力头5的中心出力轴5d连接，再将设置套管钻头的套管6与钻机动力头5的外周出力轴5e连接；

如图8c所示，启动钻机动力头5的原动机5c，驱动中心出力轴5d和外周出力轴5e分别带动钻杆8和套管6按同一轴心并且以不同转速相反方向旋转，钻机动力头5借助拉压油缸4d驱动，带动钻杆8和套管6一边旋转一边向下方钻进至预定位置；

如图8d所示，将第3步中的套管6和钻杆8分别与外周出力轴5e和中心出力轴5d脱开连接，钻机动力头5在拉压油缸4d的驱动下沿立柱4提升至最高位置，钻机平台3在平移油缸1d的驱动下沿长船1向后移动，将下一组不带套管钻头的套管6和不带钻杆钻头的钻杆8吊装至桩位，并分别与已钻入地下的套管和钻杆拼接；

如图8e所示，钻机平台3在平移油缸1d的驱动下沿长船1向前移动，钻机动力头5在拉压油缸4d的驱动下沿立柱4下降，将第4中吊装的钻杆8与钻机动力头5的中心出力轴5d连接，再将第4中吊装的套管6与钻机动力头5的外周出力轴5e连接；

如图8f所示，启动钻机动力头5的原动机5c，驱动中心出力轴5d和外周出力轴5e分别带动第4步中拼接为一体的钻杆8和套管6按同一轴心并且以不同转速相反方向旋转，钻机动力头5借助拉压油缸4d驱动，带动钻杆8和套管6一边旋转一边向下方钻进至预定位置；

重复上述第4、5、6步，直至将拼接的套管和钻杆钻至桩孔的设计深度；

如图8g所示，将最上层的套管与外周出力轴5e脱开连接，套管整体留在地下，钻机动力头5在拉压油缸4d的驱动下沿立柱4提升，将钻杆8和钻杆钻头9整体全部上提，通过钻杆分段与中心出力轴5d脱开连接、并将钻杆8和钻杆钻头9依次吊离孔位；

如图8h所示，钻机动力头5在拉压油缸4d的驱动下沿立柱4提升至最高位置，钻机平台3在平移油缸1d的驱动下沿长船1向后移动，将钢筋笼10吊入套筒护壁的桩孔内，并浇灌混凝土11；

钻机平台3在平移油缸1d的驱动下沿长船1向前移动，钻机动力头5在拉压油缸4d的驱动下沿立柱4提升，将套筒6和套筒钻头7整体全部上提，通过套筒分段与外周出力轴5e脱开连接、并将套筒6和套筒钻头7依次吊离孔位；至此一个桩孔的钻孔连同浇注施工完成。

重复上述1～10步骤，直至完成所有桩孔的施工。

在每次分段钻进的深度不超过该段钻杆8和套管6的长度，钻进深度优选等于钻杆8和套管6的长度，利于后续的钻杆8和套管6的连接。

在具体施工过程中，钻具的套管6和套管钻头7整体、钻杆8和钻杆钻头9整体，可以如上述施工方法相互搭配组合使用，也可以分别单独使用。

以上仅是本发明的其中一种具体实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，如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，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。