旋转式自护壁成孔灌注桩钻头及钻孔方法与流程

1.本发明涉及建筑工程技术领域，具体为一种旋转式自护壁成孔灌注桩钻头及钻孔方法。


背景技术：

2.灌注桩系是指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩 孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩，依照成孔方法不同，灌注桩又可分为沉管 灌注桩、钻孔灌注桩和挖孔灌注桩等几类。
3.现有的成孔灌注桩有人工成孔和机械成孔两种：
4.一、人工成孔灌注桩采用人工开挖，钢筋混泥土护壁，具有需要设备少，可在大面积完成 成孔后一次同时浇筑，减少现场交叉作业降低浇筑设备成本；桩底清理彻底，可见可控，成桩 质量高且稳定，成本较高但可控，同截面单桩承载力高等优势；
5.但人工桩由于要作业人员下井作业，工人劳动强度高，井下作业人员安全风险大，成桩深 度一般不能超16米，同时需要人员多，进度慢，工人难组织，护壁料成本较高等缺点.目前正 在淘汰
6.二、机械成孔灌注桩目前大部分采用旋挖成孔和机械冲击成孔的方式
7.旋挖成孔灌注桩优势，采用旋挖成孔钢护筒护壁或者泥浆护壁，具有需要作业人员少，人 员劳动强度低，单一地层进度快，作业成本较人工桩低，无井下作业风险.成桩深度无限制； 劣势在于：旋挖成孔应对复杂地层由于护壁需要的设备多，故成本高，并桩底不能清理彻底， 有沉渣，成孔质量不稳定，同截面单桩承载力较人工桩低且复杂地层混泥土浪费大，成本不可 控，有时甚至远超人工桩。
8.冲击成孔灌注桩，采用冲击成孔，泥浆护壁，适应复杂地层，工人劳动强度低，但冲击桩 进度很慢，成本高昂，对场地破话大，成桩质量一般。


技术实现要素：

9.针对以上问题，本发明提供一种旋转式自护壁成孔灌注桩钻头，能够实现水泥搅拌土自护 壁，成孔的同时可实现在护壁层注入水泥浆和速凝剂搅拌快速形成水泥搅拌土护壁。
10.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种旋转式自护壁成孔灌注桩钻头，包括主 钻部件，主钻部件下端设置有钻头，所述主钻部件外壁上套有可旋转的护壁外筒；所述护壁外 筒内壁上设置有凸部；所述主钻部件外壁上设置有用于卡入凸部限制护壁外筒旋转范围的凹 槽；所述护壁外筒上分布有槽口，槽口内设置有可横向翻动的叶片；所述主钻部件上设置有用 于控制叶片张开合拢的推件；所述叶片上设置有用于输出混凝土浆的出浆孔和用于输出速凝剂 的出液孔；所述主钻部件下端设置有进泥孔，内部设置有吸泥管与进泥孔连通。
11.上述技术方案的有益效果为：护壁外筒与主钻部件具有相对旋转范围然后同步旋
转，主钻 部件通过自身的正反旋转控制叶片的张合，实现在钻孔的同时，能够利用护壁外筒对孔的内壁 进行灌浆操作，混凝土浆与速凝剂及泥土快速混合形成混凝土内壁，护壁外筒的叶片在实现扩 孔的同时，还能够将扩孔产生的泥土同时与混凝土混合搅拌均匀，实现混凝土护壁的同步完工。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述主钻部件上设置有用于限制护壁外筒上移的下限位 环；所述护壁外筒上端设置有用于限制护壁外筒下移的上限位环。
13.上述改进的有益效果为：通过上限位环和下限位环限制护壁外筒的上下升降动作，保证护 壁外筒只能旋转运动。
14.作为上述技术方案的进一步改进，所述护壁外筒内壁的上下两端均设置有凸部；所述主钻 部件外壁的上下两端均设置有用于卡入凸部限制护壁外筒旋转范围的凹槽。
15.上述改进的有益效果为：通过限制护壁外筒上端和下端的旋转范围来确保护壁外筒在工作 过程中的受力均衡性，防止因上下受力不均匀而导致外筒扭曲变形。
16.作为上述技术方案的进一步改进，所述叶片呈螺旋状分布在护壁外筒上。
17.上述改进的有益效果为：螺旋状的叶片分布可以使得护壁外筒在旋转的过程中具有自动下 钻的功能，同时还使得被叶片破碎的泥土随着螺旋状的叶片的运动产生上升的运动，防止泥土 下落堆积，同时使得泥土能够均匀的与混凝土浆混合，确保护壁质量。
18.作为上述技术方案的进一步改进，所述出浆孔另一端与注浆管连通；所述出液孔另一端与 注液管连通。
19.上述改进的有益效果为：通过注浆管与混凝土浆输送源连接，通过注液管与速凝剂输送源 连接，注浆管和注液管采用柔性可弯曲结构，便于叶片的张开合拢。
20.作为上述技术方案的进一步改进，所述叶片内设置有滑槽；所述叶片内壁设置有卡槽；所 述卡槽与滑槽连通；所述推件端头设置有推头；所述推头可滑动的设置在滑槽内。
21.上述改进的有益效果为：推件上升时，推头推动叶片张开，推件下降时，推头拉动叶片合 拢；推件不但能够用于控制叶片的张开与合拢，同时推件在上下运动控制叶片合拢过程中还能 够将叶片内壁上的泥土刮擦下来，防止由于叶片内壁上积累泥土导致叶片无法合拢。
22.作为上述技术方案的进一步改进，所述主钻部件为空心结构，内部形成腔体。
23.上述改进的有益效果为：主钻部件内部的腔体能够将主钻部件钻孔产生的泥土通过进泥孔 收集进来，然后便于吸泥管进行吸取排出。
24.作为上述技术方案的进一步改进，所述主钻部件上端设置有旋转接头；所述吸泥管、注浆 管连接旋转接头。
25.作为上述技术方案的进一步改进，所述钻头上设置有出水孔；所述出水孔的另一端与主钻 部件内的进水管连接。
26.上述改进的有益效果为：进水管将水注入到钻头内，从出水孔出来，既能对钻头进行冷却 作用，同时又能润湿泥土，提高钻孔效率，而且使得钻孔破碎的泥土含有足量的水分，便于吸 泥管吸取排出。
27.作为上述技术方案的进一步改进，所述叶片分布在护壁外筒下端；所述护壁外筒上端外壁 为光滑面。
28.上述改进的有益效果为：叶片分布在护壁外筒下端后，既能通过叶片进行扩孔和
护壁成型 工作，同时上端的光滑壁面还能对刚形成的混凝土内壁进行刮平操作，提高护壁的形成质量。
29.一种旋转式自护壁成孔灌注桩钻头进行钻孔的方法，包括如下步骤：
30.一、钻孔操作：主钻部件正向旋转向下钻孔，主钻部件与护壁外筒发生相对旋转运动，使 得叶片张开，主钻部件带动护壁外筒同步旋转运动；主钻部件在钻孔过程中将钻孔产生的泥土 通过吸泥管吸走；张开的叶片对孔壁泥土进行刮擦破碎，同时主浆管将混凝土浆和速凝剂输入 到叶片内，从出浆孔喷出，与被破碎的泥土混合均匀，然后凝固形成混凝土护壁；
31.二、退孔操作：完成钻孔后，停止注入混凝土浆和速凝剂，主钻部件反向旋转，与护壁外 筒发生相对旋转运动，使得叶片合拢；然后钻头整体上升退出灌注孔，护壁外筒对混凝土护壁 进行刮平，形成带有混凝土护壁的灌注桩孔。
附图说明
32.图1为本发明的钻头外部结构示意图；
33.图2为本发明钻头的剖视结构示意图；
34.图3为叶片合拢的结构示意图；
35.图4为叶片张开的结构示意图；
36.图5为叶片结构示意图；
37.图6为护壁外筒与主钻部件的配合截面示意图；
38.图7为旋转接头内部结构俯视图。
39.图中：1、主钻部件；2、钻头；3、进泥孔；4、主轴；5、护壁外筒；6、凸部；7、凹槽； 8、下限位环；9、叶片；10、槽口；11、进水管；12、吸泥管；13、注浆管；14、注液管；15、 油管；16、旋转接头；17、推件；18、推头；19、腔体；20、上限位环；91、滑槽；92、卡槽； 94、出浆孔；95、出液孔；96、注浆口；97、注液口。
具体实施方式
40.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描 述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
41.请参阅图1至图7，在一种具体的实施方式中，一种旋转式自护壁成孔灌注桩钻头，包括主钻部件1，主钻部件1下端设置有钻头2，所述主钻部件1外壁上套有可旋转的护壁外筒5；所述护壁外筒5内壁上设置有凸部6；所述主钻部件1外壁上设置有用于卡入凸部6限制护壁外筒5旋转范围的凹槽7；所述护壁外筒5上分布有槽口10，槽口10内设置有可横向翻动的叶片9；所述主钻部件1上设置有用于控制叶片9张开合拢的推件17；所述叶片9上设置有用于输出混凝土浆的出浆孔94和用于输出速凝剂的出液孔95；所述主钻部件1下端设置有进泥孔3，内部设置有吸泥管12与进泥孔3连通。
42.主钻部件1为空心筒状，顶端中心设置有主轴4，底部有进泥孔3，内部安装有吸泥管12 等各种输送管路，输送管路贴合主钻部件1内壁安装，为了防止泥土对这些管路产生挤压破坏， 主钻部件1侧壁可以设置成双层壁结构，使得各种输送管路处于双层壁的夹层
腔内，与主钻部 件1的内腔隔离开。
43.主钻部件1上端设置有旋转接头16，吸泥管12与旋转接头16连接；吸泥管12随着主钻 部件1的旋转而同步运动，旋转接头16再与外界的管道连接；外界的管道不会随着主钻部件 1的旋转而运动。
44.速凝剂是混凝土专用速凝剂，水泥浆与速凝剂从叶片9中喷出来后与泥土混合可以在10 秒内完成初凝，45秒内达到一定强度；使原本要45分钟才形成初凝的水泥浆在段时间内形成 初凝。
45.出浆孔94与出液孔95处于叶片的上侧位置，可以防止泥土堵住出浆孔94和出液孔95。
46.吸泥管12可以直接与进泥孔3连通，便于吸取泥土，也可以间接连通，进泥孔3将泥土 导入到主钻部件1的腔体内，然后吸泥管12再吸取腔体内的泥土。
47.如图2所示，所述主钻部件1上设置有用于限制护壁外筒5上移的下限位环8；所述护壁 外筒5上端设置有用于限制护壁外筒5下移的上限位环20。
48.下限位环8用于限制凸部6的上移，下限位环8可以固定设置在主钻部件1上，也可以通 过螺栓可拆卸的安装在主钻部件1上；当将下限位环8卸下来后，即可从下往上将护壁外筒拆 卸下来；上限位环29可以固定设置在护壁外筒5上，也可以通过螺栓可拆卸的安装在护壁外 筒5上；当将上限位环29卸下来后，即可从上往下将护壁外筒拆卸下来。
49.如图2所示，所述护壁外筒5内壁的上下两端均设置有凸部6；所述主钻部件1外壁的上 下两端均设置有用于卡入凸部6限制护壁外筒5旋转范围的凹槽7。
50.如图6所示，为凸部6与凹槽7的配合结构，可以看出凹槽7的宽度大于凸部6，这样就 使得凸部6可以在凹槽7内发生水平移动，并受到凹槽7宽度的范围限制，确保护壁外筒5 可以旋转运动，同时又有旋转范围限制。
51.如图1所示，在上述实施例的基础上进一步优化：所述叶片9呈螺旋状分布在护壁外筒5 上。槽口10呈螺旋状分布在护壁外筒5上，然后叶片9安装在槽口10内；钻头旋转时，叶片 的螺旋状线旋转方向与钻头旋转方向相同。
52.如图2所示，在上述实施例的基础上进一步优化：所述出浆孔94另一端与注浆管13连通； 所述出液孔95另一端与注液管14连通。注浆管13与注液管14上端同样连接旋转接头16， 旋转接头16另一端再连接对应的输送管道。
53.如图4-5所示，在上述实施例的基础上进一步优化：所述叶片9内设置有滑槽91；所述叶 片9内壁设置有卡槽92；所述卡槽92与滑槽91连通；所述推件17端头设置有推头18；所述 推头18可滑动的设置在滑槽91内。其中卡槽92的宽度小于滑槽91的宽度；推头18可以为 球状体，卡入在滑槽91内滑动；推头18还可以为滚轮，在滑槽91内滚动；推件17为杆状结 构，直径小于推头18的宽度，也小于卡槽92的宽度。卡槽92和滑槽91可以贯穿叶片9上下 两端面。
54.如图2所示，在上述实施例的基础上进一步优化：所述主钻部件1为空心结构，内部形成 腔体19。主钻部件1底部设置有底板，钻头2并排安装在底板上，底板上开口形成进泥孔3； 腔体19既能用于减轻主钻部件1的重量，同时也可以用于收集破碎的泥土。
55.如图2、7所示，在上述实施例的基础上进一步优化：所述主钻部件1上端设置有旋转接 头16；图7展示的为上部圆盘或下部圆盘的内部结构俯视图；旋转接头16为圆盘状，包
括上 部圆盘和下部圆盘，上部圆盘和下部圆盘合拢，内部呈环形分布有多层相互隔离的腔体，腔体 底部设置有接口分别与各个对应管道连接；上部圆盘和下部圆盘可以相互旋转；下部圆盘与主 钻部件1固定连接，随着主钻部件1旋转而旋转，上部圆盘上的接口与各个对应管道连接保持 固定；与上部圆盘连接的管道将物质输送到环形腔体内，然后从下部圆盘接口处的管道输送出 来。
56.在上述实施例的基础上进一步优化：所述钻头2上设置有出水孔；所述出水孔的另一端与 主钻部件1内的进水管11连接。由于钻头2上设置出水孔属于成熟技术，所以这里不多赘述。
57.如图1所示，在上述实施例的基础上进一步优化：所述叶片9分布在护壁外筒5下端；所 述护壁外筒5上端外壁为光滑面。叶片9保持分布在护壁外筒5下端部位，护壁外筒5上端部 位仍然为光滑整面，上端外壁可以起到对形成的混凝土护壁的刮平作用。
58.一种旋转式自护壁成孔灌注桩钻头径向钻孔的方法，包括如下步骤：
59.一、钻孔操作：主钻部件1正向旋转向下钻孔，主钻部件1与护壁外筒5发生相对旋转运 动，使得叶片9张开，主钻部件1带动护壁外筒5同步旋转运动；主钻部件1在钻孔过程中将 钻孔产生的泥土通过吸泥管12吸走；张开的叶片9对孔壁泥土进行刮擦破碎，同时主浆管13 将混凝土浆和速凝剂输入到叶片9内，从出浆孔94喷出，与被破碎的泥土混合均匀，然后凝 固形成混凝土护壁；
60.二、退孔操作：完成钻孔后，停止注入混凝土浆和速凝剂，主钻部件1反向旋转，与护壁 外筒5发生相对旋转运动，使得叶片9合拢；然后钻头整体上升退出灌注孔，护壁外筒5对混 凝土护壁进行刮平，形成带有混凝土护壁的灌注桩孔。
61.本发明具体工作原理：
62.本发明利用主钻部件1完成灌注桩孔的主要钻孔工作，利用护壁外筒5的叶片9对钻孔进 行扩孔操作，然后同步将混凝土浆和速凝剂灌入灌注桩孔的内壁上，利用叶片9将扩孔产生的 泥土同步与混凝土浆和速凝剂进行混合，形成灌注桩孔的护壁，利用护壁外筒5的外壁对护壁 进行刮平操作。
63.本发明的技术方案与人工成孔灌注桩和传统的旋挖成孔灌注桩的对比如下：
64.[0065][0066]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的 包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括 没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0067]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于 帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于 文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适 当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应 用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。