钢管桩清孔装置及清孔方法与流程

本发明涉及一种清理桩孔底部泥沙的装置，特别涉及一种清理钢管桩底部泥沙的装置及方法，，属于水工工程技术领域。

背景技术

建造码头时需要先打下成矩阵排列的钢管桩，包括部分斜钢管桩，在钢管桩内浇灌混凝土前需先清理钢管桩底部6~8米深的孔底泥沙。由于施工周期较紧，沉桩后急需进行横梁施工，留给清孔的施工时间较短。现有的施工方法必须将钢管桩之间通过型钢焊接成一个整体的框架，在框架顶部搭设型钢平台，然后在型钢平台上需放置空压机、发电机、吊车等设备，此种施工方法存在如下不足：（1）搭设型钢平台所需的型钢和钢板材料较多，增大了施工成本。（2）型钢平台的焊接和拆除施工周期长。（3）型钢平台的焊接施工严重破坏了钢管桩的防腐性，且难以修复，严重影响钢管桩的建造质量。（4）大量的焊接容易产生薄弱点，存在着安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种不需要搭设型钢平台且结构简单、施工成本较低的钢管桩清孔装置及方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种钢管桩清孔装置，包括潜水钻机、钻杆组、空压机、发电机、水泵、限位器，排渣管组、高压风管、吊车、方驳和浮排，所述方驳和浮排分别位于钢管桩的两侧，空压机、发电机和吊车分别设置在方驳上，水泵设置在浮排上；钻杆组采用多节钻杆顺次固定连接而成，吊车通过起重钢丝绳吊住钻杆组的上端，钻杆组的下端与位于钢管桩的底部上的潜水钻机上端连接，潜水钻机下端通过珐琅与钻头上端固定连接，钻头下端钻进钢管桩内下部的泥沙中；限位器固定在钢管桩顶端中心，钻杆组垂直支撑在限位器的中心通孔中，排渣管组平行设置在钻杆组的一侧，排渣管组上端伸出钢管桩，排渣管组下端位于钻头上侧；高压风管设置在排渣管组的外侧，空压机输出端与高压风管上端相连；钻杆组的下部分别通过至少两个上下横置的导向环支撑在钢管桩中。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。

进一步的，所述限位器包括外壳、对称固定在外壳纵向两端外的矩形框和上下排列在限位器内且夹住钻杆两对侧面的两组滚轮，外壳两侧的矩形框分别嵌入钢管桩顶端端口两侧的一对定位杆之间。

进一步的，每组滚轮包括抵靠在钻杆一侧上下的两个滚轮，所述滚轮包括滚轮体和心轴，所述滚轮体为两端直径大于中间支撑段直径的阶梯轴结构，钻杆两对侧分别抵靠在对应滚轮体的中间支撑段上，滚轮体两端分别通过轴承支撑在心轴中部上。

进一步的，外壳包括壳体和侧盖，壳体一端外侧与侧盖一端铰接，侧盖另一端与壳体另一端外侧通过数个连接螺栓组固定连接；位于钻杆一侧上下两根心轴的两端分别固定在壳体纵向两端上，位于钻杆另一侧的上下两根心轴的两端分别固定在侧盖内侧上。

进一步的，导向环包括外环体、内环体和数根水平筋杆，装进钢管桩内的外环体与钢管桩内周面之间留有间隙；内环体的矩形内孔与钻杆的矩形外周面匹配；外环体和内环体之间通过径向均布的数根水平筋杆固定连接，排渣管组穿过两根相邻的筋杆之间。

进一步的，钻头呈圆锥形，包括顶圈和数根成圆锥形均布的刀片，数根刀片上端分别与顶圈下侧固定连接，数根刀片下端固定连接成圆锥尖；顶圈上侧通过数根径向均布的顶圈筋杆与钻杆下端固定连接，珐琅穿过顶圈后与锥尖固定连接；每根刀片外侧焊接一排多颗合金钢刀齿。

一种钢管桩清孔装置的清孔方法，包括以下步骤：

1）第一节钻杆下部依次与限位器、潜水钻机、珐琅和钻头连接

将钻杆组的第一节钻杆下端穿过限位器的中心通孔与潜水钻机上端连接后，拧紧限位器的数个连接螺栓组，限位器内的两组滚轮夹持固定住第一节钻杆的下端；潜水钻机的珐琅穿过至少两个导向环的内环体后与钻头上端固定连接成钻杆组合体；

2）安装第一节排渣管和高压风管

将排渣管组的第一节排渣管下端固定在潜水钻机的一侧，高压风管一端与空压机输出端相连，然后将高压风管固定在第一节排渣管的外侧，高压风管另一端伸进钢管桩内直抵钻头上侧；第一节排渣管上端穿过至少两个导向环后抵靠在限位器的外侧；

3）钻杆组合体安装进钢管桩内及限位器定位在钢管桩顶端端口上

吊车通过起重钢丝绳吊起第一节钻杆的上端，将钻杆组合体连同第一节排渣管吊入钢管桩顶端端口内，直至限位器两侧的矩形框分别嵌入钢管桩顶端端口两侧的一对定位杆中，起重钢丝绳停止下降；松开连接螺栓组，限位器内的两组滚轮松开被夹持固定的第一节钻杆的下端，吊车吊着的第一节钻杆带着钻杆组合体下降；

4）继续安装其余钻杆和排渣管

然后打开限位器的壳体一端外的侧盖，吊车吊着的第一节钻杆沿着壳体一侧上下设置的一组滚轮继续下降；在第一节钻杆上端高于限位器上侧面18～22cm时，关闭侧盖，拧紧数个连接螺栓组，两组滚轮夹持固定住第一节钻杆的上端；接着将第二节钻杆下端和第一节钻杆上端连接起来，同时连接第一节排渣管和第二节排渣管；以此类推，逐根连接完成全部钻杆和全部排渣管的安装；同时将高压风管下端不断往下移动，直至高压风管下端端口伸出排渣管组的下端端口28～32cm；

5）开机清孔

按潜水钻机、水泵、空压机的先后开机顺序依次开机，潜水钻机开钻后，钻头绞松钢管桩内泥沙，通过高压风管的气举反循环负压作用，使排渣管内的泥沙上升喷出钢管桩外，清孔过程中，钢管桩内水位会下降，此时水泵对钢管桩内补水保证钢管桩内所需的水位高度；观察潜水钻机电机的电流表变化，电机正常工作电流为20～25a，如果钻头在钢管桩底遇到硬物，扭矩突然变大，潜水钻机的电机工作电流突然从上升至35~50a或者直接停机，此时需要吊车通过起重钢丝绳缓慢抬升钻头9～11cm，待电流回复正常后，再缓慢下放钻头至原位，使潜水钻机的电机保持电流正常，完成钢管桩第的清孔操作。

本发明的装置结构简单，只需将限位器两端外的矩形框分别嵌入钢管桩顶端端口两侧的一对定位杆之间，不需搭设型钢平台，依靠单根钢管桩和两侧的方驳和浮排上的设备就能完成钢管桩内的清孔作业。本发明的清孔方法大大降低了清孔作业的施工成本，缩短作业周期，提每日可完成5～8根钢管桩的清孔，高了作业效率。本发明的空压机、发电机、吊车和水泵集中放置，方便转移作业。圆锥形均布的数根刀片外侧焊接一排多颗合金钢刀齿的结构适应钻削硬度较高的粉细砂和粘土砂的土层，可以钻进标贯击数为80～120的中密度粘土砂层。潜水钻机的动力部分位于桩底，钻杆不旋转，可以适用于大倾角的斜桩清孔。

本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明

图1是本发明清理钢管桩底部的示意图；

图2是限位器的结构示意图；

图3是图2的a-a剖视图；

图4是图1的b-b剖视放大图。

具体实施方式

下面结合附图和某码头工程钢管桩清孔的实施例对本发明作进一步说明。该码头工程的钢管桩内土质为粉细砂到粘土砂，土质较硬（标贯击数10～80），且钢管桩中还有部分斜率为1:4的斜钢管桩。

如图1～图3所示，本实施例包括潜水钻机1、钻杆组2、空压机3、发电机4、水泵5、限位器6，排渣管组7、高压风管8、吊车9、方驳10和浮排20，方驳10和浮排20分别位于钢管桩30的两侧，空压机3、发电机4和吊车9分别设置在方驳10上，水泵5设置在浮排20上，用于向钢管桩30内补水，保证钢管桩30内的水位高度，便于在钢管桩30实施气举反循环清孔，使得排渣管组7能利用负压输送钢管桩30底部的泥沙。这样设备集中放置的方式，便于在完成一根钢管桩30的清孔施工后立即转移到另一根钢管桩30进行清孔施工。

钻杆组2采用多节钻杆21顺次固定连接而成，吊车9通过起重钢丝绳91吊住钻杆组2的上端，钻杆组2的下端与位于钢管桩30的底部上的潜水钻机1上端连接，潜水钻机1下端通过珐琅22与钻头11上端固定连接，钻头11下端钻进钢管桩30内下部的泥沙中。

钻头11呈圆锥形，包括顶圈111和3根成圆锥形均布的刀片112，3根刀片上端分别与顶圈111下侧焊接固定，3根刀片112下端固定连接成圆锥尖；顶圈111上侧通过4根径向均布的顶圈筋杆113与钻杆21下端固定连接，珐琅22下端端头穿过顶圈111后与锥尖固定连接。每根刀片112外侧焊接一排多颗合金钢刀齿114，提高钻头11钻削能力，使钻头11能从钢管桩30底部往下钻的深度h=6～8m。

如图2和图3所示，限位器6固定在钢管桩30顶端中心，钻杆组2垂直支撑在限位器6的中心通孔611中。限位器6包括外壳61、对称固定在外壳61纵向两端外的型钢焊成的矩形框63和上下排列在限位器6内且夹住呈矩形的钻杆21两对侧面的两组滚轮62，外壳61两侧的矩形框63分别嵌入钢管桩30顶端端口两侧的一对槽钢制成的定位杆301之间，使得限位器6定位在钢管桩30顶端上。

每组滚轮包括抵靠在钻杆21一侧上下的两个滚轮62，滚轮62包括滚轮体621和心轴622，滚轮体621为两端直径大于中间支撑段6211直径的阶梯轴结构，钻杆21两对侧分别抵靠在对应滚轮体621的中间支撑段6211上，滚轮体621两端分别通过轴承624支撑在心轴622中部上。

外壳61包括壳体611和侧盖612，壳体611右端外侧与侧盖612一端通过2个铰接螺栓组613铰接，侧盖612左端与壳体左端外侧通过2个连接螺栓组614固定连接。位于钻杆21一侧上下两根心轴622的两端分别固定在壳体611纵向两端的壳体支板6111上，位于钻杆21另一侧的上下两根心轴622的两端分别固定在侧盖612内侧的侧盖支板6121上。调节连接螺栓组613中螺母的位置，即可调节钻杆21两侧被两组滚轮62的夹紧程度，从而能实现钻杆21或被其两侧的滚轮62夹紧固定，或能沿着滚轮62上下移动。侧盖612能开启关闭的结构也便于维修限位器6。

排渣管组7平行设置在钻杆组2的一侧，排渣管组7上端弯折伸出钢管桩30上端端口。排渣管组7下端位于钻11上侧。高压风管8设置在排渣管组7的外侧，这样的结构能实现气举反循环法排出排出钢管桩30底部内的泥沙。空压机3输出端与高压风管8上端相连，钻杆组2的下部分别通过至少两个上下横置的导向环40支撑在钢管桩30中。

如图1和图4所示，钻杆组2的下部分别通过至少两个上下横置的导向环40支撑在钢管桩30中，如斜桩则需3个导向环40。导向环40包括外环体401、内环体402和4根水平筋杆403，钢管桩内径d与外环体外径d1之差d－d1≈10cm。内环体402的矩形内孔与钻杆21的矩形外周面匹配。外环体401和内环体之间通过径向均布的4根水平筋杆403焊接固连，排渣管组7穿过两根相邻的水平筋杆403之间。导向环40起到保护钢管桩30尤其是斜桩内钻头11的作用，钻头11在钻进的过程中，由于有了导向环40的导向，可以防止钻头11接触到钢管桩30的内壁，避免损坏潜水钻机1的电机及机械轴承。另外，由于钢管桩内径d与钻头外径d2之差d－d2≈16cm，若没有导向环40，清理直桩时，钻头11可能偏向一边，导致另一边无法清理干净。

如图1所示，一种钢管桩清孔装置的清孔方法，包括以下步骤：

1）第一节钻杆211下部依次与限位器6、潜水钻机1、珐琅22和钻头11连接

将钻杆组2的第一节钻杆211下端穿过限位器6的中心通孔61与潜水钻机1上端连接后，拧紧限位器6的2个连接螺栓组614，限位器6内的两组滚轮夹持固定住第一节钻杆211的下端；潜水钻机1的珐琅22穿过至少两个导向环40的内环体402后与钻头11上端固定连接成钻杆组合体。

2）安装第一节排渣管71和高压风管8

将排渣管组7的第一节排渣管71下端固定在潜水钻机1的右侧，高压风管8一端与空压机3输出端相连，然后将高压风管8固定在第一节排渣管71的右侧，高压风管8另一端伸进钢管桩30内直抵钻头11上侧；第一节排渣管71上端穿过至少两个导向环40后抵靠在限位器6的右侧。

3）钻杆组合体安装进钢管桩30内及限位器6定位在钢管桩30顶端端口上

吊车9通过起重钢丝绳91吊起第一节钻杆211的上端，将钻杆组合体连同第一节排渣管71吊入钢管桩30顶端端口内，直至限位器6两侧的矩形框61分别嵌入钢管桩30顶端端口两侧的一对槽钢制成的定位杆301中，起重钢丝绳91停止下降。松开连接螺栓组614，限位器6内的两组滚轮松开被夹持固定的第一节钻杆211的下端，吊车9吊着的第一节钻杆211带着钻杆组合体下降。

4）继续安装其余钻杆21和排渣管71

然后打开限位器6的壳体611一端外的侧盖612，吊车9吊着的第一节钻杆211沿着壳体611一侧上下设置的一组滚轮继续下降；在第一节钻杆21上端高于限位器6上侧面20cm时，关闭侧盖612，拧紧2个连接螺栓组614，两组滚轮夹持固定住第一节钻杆211的上端。接着将第二节钻杆212下端和第一节钻杆211上端连接起来，同时连接第一节排渣管71和第二节排渣管72。以此类推，逐根连接完成全部钻杆21和全部排渣管71的安装。同时将高压风管8下端不断往下移动，直至高压风管8下端端口伸出排渣管组的下端端口30cm。

5）开机清孔

按潜水钻机1、水泵5、空压机3的先后开机顺序依次开机，潜水钻机1开钻后，钻头11绞松钢管桩30内泥沙，通过高压风管8的气举反循环负压作用，使排渣管组7内的泥沙上升喷出钢管桩30外，清孔过程中，钢管桩30内水位会下降，此时水泵5对钢管桩30内补水保证钢管桩30内所需的水位高度。观察潜水钻机1电机的电流表变化，电机正常工作电流为20～25a，如果钻头11在钢管桩30底遇到硬物，扭矩突然变大，潜水钻机1的电机工作电流突然从上升至35~50a或者直接停机，此时需要吊车9通过起重钢丝绳9缓慢抬升钻头11约10cm，待电流回复正常后，再缓慢下放钻头11至原位，使潜水钻机1的电机保持电流正常，完成钢管桩30的清孔操作。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。