繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔方法及機具的製作方法
2023-10-11 09:39:24
專利名稱：繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔方法及機具的製作方法
技術領域：
本發明涉及建築樁基施工和水井鑽井方法領域，涉及一種無循環鑽進成孔方法，並涉及該方法所使用的機具。
背景技術：
在建築樁基礎施工中，要在地基上鑽出樁孔。現有技術中樁孔的無循環鑽進成孔方法有以下幾種1、長螺旋鑽進方法在長螺旋鑽進方法中，整個鑽杆柱都帶有螺旋葉片，在鑽進過程中，被鑽頭破碎的巖土屑靠螺旋面連續不斷地輸送到地表。
2、短螺旋鑽進方法在短螺旋鑽進方法中使用短螺旋鑽機，其只是在孔底鑽頭部分或部分鑽杆柱上帶有螺旋葉片(1~4個螺距)，採用伸縮式鑽杆及長桅杆以實現快速提升鑽具排土。在短螺旋鑽進過程中，鑽出的巖土屑就儲存在孔底長度不大的螺旋鑽具葉片上，在鑽完一個回次後，靠鑽杆將鑽具提出地表，清除附著在螺旋葉片上的巖土後再將鑽具下入孔內開始下一回次的鑽進。
3、鑽鬥鑽進方法鑽鬥鑽進類似於短螺旋鑽進，它是在鑽杆柱下端連接一個底部帶切削齒的筒狀鑽具(即鑽鬥)，藉助鑽具重量及鑽機加壓把切削齒切入土層，在迴轉力矩作用下鑽鬥迴轉，鑽掘土層，同時將切削下的土塊收入鬥內。待鬥內土塊裝到一定程度後靠鑽杆將鑽鬥提到孔外，打開鑽鬥，卸去土屑，其後再將鑽鬥下入孔內，重複以上操作。可見，鑽鬥既是切削破碎工具，又是鑽進時的存土容器。
長螺旋鑽進方法不需因排土而提鑽，故鑽進效率高，但儲存在螺旋葉片上的碎屑與孔壁摩擦致使功率消耗增加，隨孔徑與孔深增大，功率消耗增大迅速，因此孔徑與孔深受到限制，而且地表鑽機的桅杆(鑽塔)高度必須略大於鑽孔深度，致使設備龐大。
短螺旋鑽進方法的排土不是連續的，省去了鑽進中很大的輸土功率消耗，可以鑽進大口徑孔，所以工程中應用很廣。鑽鬥鑽進方法排土方式與短螺旋鑽進類似，且也具有短螺旋鑽進方法的優點。但是，短螺旋鑽進和鑽鬥鑽進都需要地表鑽機具有長桅杆(鑽塔)以縮短提下鑽時間，為了加大鑽孔深度，還需使用伸縮鑽杆。這些就導致現有設備結構龐大且複雜，目前國內主要使用的這類進口工程鑽機，造價上千萬元，國產同類鑽機也需數百萬元。
發明內容
本發明的目的在於提供一種不需要使用昂貴的設備及配套的長桅杆和伸縮鑽杆、利用一般頂驅動鑽機就可以完成將鑽屑打撈上來的繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔方法，且該方法可適用於工程深孔鑽進。本發明的另一個目的在於提供一種繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔機具。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔方法所用的鑽機為帶有桅杆、卷揚系統的頂驅動鑽機，驅動裝置連接導向鑽杆並可以驅動其轉動，在該導向鑽杆上設有一可上下滑動且可在導向鑽杆下端的設定位置處與導向鑽杆同步轉動以進行鑽孔的鑽具，在所述導向鑽杆和鑽具之間還設有使鑽具鑽進的止位裝置；在該導向鑽杆上還設有一個可上下滑動的打撈器，其與鑽機卷揚機連接使其沿導向鑽杆上下移動，其與所述鑽具之間構成可脫開的連接結構，所述鑽進成孔方法包括如下步驟(1)利用鑽機卷揚系統將與所述打撈器連接在一起的所述鑽具沿所述導向鑽杆下放至導向鑽杆的下端，止位機構彈出卡住鑽具限制其上移；(2)所述打撈器和鑽具之間的連接脫開，將該打撈器沿所述導向鑽杆提出孔口；(3)啟動鑽機驅動裝置，使導向鑽杆轉動，並通過所述導向鑽杆下端的周向定位裝置例如花鍵配合帶動所述鑽具迴轉切削土層，鑽出的土屑儲存在孔底鑽具內；(4)當鑽具內鑽屑量達到一定程度之後，使所述驅動裝置停止迴轉，將打撈器下入孔內，打撈鉤與鑽具的連接結構連接起來，鑽機卷揚系統提升打撈鉤使止位機構回收，並將孔底鑽具連同鑽屑沿導向鑽杆提出地表；(5)清除所述鑽具中的鑽屑；重複步驟(1)，循環往復，使鑽孔不斷延伸。
在上述方法中所使用的繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔機具包括與鑽機驅動裝置連接的導向鑽杆、與鑽機卷揚系統連接的打撈器和鑽具，鑽機驅動裝置可以驅動所述導向鑽杆轉動，所述鑽具可沿所述導向鑽杆上下滑動且可在導向鑽杆至少其下端(在導向鑽杆的上端也可以設有)的設定位置處與所述導向鑽杆同步轉動，導向鑽杆和鑽具之間還設有使鑽具鑽進的止位裝置，它可以在鑽具到達導向鑽杆底部時卡固住鑽具使其不能上移而進行鑽進，又可以在向上打撈鑽具時從導向鑽杆上鬆開使鑽具可以被提上來，使鑽具可以沿導向鑽杆上下滑動完成提下鑽，且可與導向鑽杆同步轉動進行鑽孔，所述打撈器連接在鑽機卷揚系統的鋼絲繩上；所述打撈器與鑽具上設有相互匹配的卡扣結構，使打撈器與鑽具之間構成可拆連接。
本發明提供的繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔方法及鑽具保持了傳統無循環鑽進方法的特點，同時還具備以下優點1、與短螺旋(或鑽鬥)鑽進方法比較，該鑽進方法不需要伸縮鑽杆和長桅杆，對鑽機的要求較低；2、與長螺旋鑽進方法相比，該鑽進方法鑽機所需功率小，結構簡單、外廓尺寸小，滿足在受限空間下施工的要求；3、工藝簡單、操作方便、可以適應較深孔的鑽進要求。
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
圖1a-1e示出了本發明提供的繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔方法的步驟示意圖；圖2a和2b為本發明提供的繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔鑽具的主視和側視的結構示意圖；圖3a-3c示出了本發明的成孔方法中鑽具放下的過程示意圖；圖4a-4c示出了本發明的成孔方法中打撈鑽具的過程示意圖；圖5a-5b示出了打撈器進行打撈和下放鑽具時打撈器內部狀態的示意圖；圖6a-6b示出了鑽具與導向鑽杆之間的止位卡固結構的示意圖及卡固和解卡原理；具體實施方式
如圖2所示，本發明提供的繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔機具包括與鑽機動力頭相連接的導向鑽杆12、鑽具11、打撈器A、升降滑輪組2和與卷揚機連接的鋼絲繩，鑽機頂驅動裝置與導向鑽杆12連接以驅動導向鑽杆12轉動，本實施例中的鑽具11為螺旋鑽頭，其可上下滑動且可在導向鑽杆下端和上端的設定位置處與導向鑽杆同步轉動的套設於導向鑽杆12上，在導向鑽杆的下端和上端的相應部位上以及鑽具的相應部位上設有相互匹配的花鍵結構。鑽具11也可以是環空型鑽鬥，其與導向鑽杆的連接結構與螺旋鑽頭相同。
打撈器A通過升降滑輪組2上的鋼絲繩與鑽機卷揚系統連接，通過卷揚機使打撈器A沿導向鑽杆12上下移動；打撈器A以及其同鑽具11上各設有的卡扣結構在本實施例中可以是這樣的結構打撈器A主要包括上筒體6、下筒體7、滑輪組2、壓塊4和打撈鉤9，上筒體6和下筒體7同心地套設在導向鑽杆12上，上筒體6在外，下筒體7在內，上筒體6和下筒體7之間設有推力圓錐滾子軸承5，在下筒體7和導向鑽杆12之間的環形間隙中上方一側設有筒型壓塊4，在下筒體7的下部圓周筒壁上對稱地開設若干軸向豁口，在各豁口相對的側壁上設有用銷軸連接的打撈鉤9，在各豁口71相對的側壁上設鉸接軸8』，在該鉸接軸8』上鉸接打撈鉤9，打撈鉤9和導向鑽杆12之間設有彈簧插銷8，其與打撈鉤9的鉤頭分設在鉸接軸8』的兩側。壓塊4的下端的筒內表面為向下漸擴的圓錐面。
壓塊4與上筒體6之間的位移通過一卡固裝置控制，其結構可以使用多種機械連接結構，如圖2以及圖5a-5b示出了一種具體結構上筒體6上端固設座圈1』，在座圈1』上設有該卡固裝置，使壓塊4與上筒體6構成可拆連接，其包括固設在座圈1』上的兩個支座4』、5』，在其中穿彈簧插銷組件，其包括插設在支座上的定位銷軸2』，定位銷軸2』上設定位凸起6』，支座5』的穿設定位銷2』的孔上具有一個豁槽，供定位銷軸2』上的凸起6』通過，在定位銷軸2』和支座4』之間設復位彈簧3』，在壓塊4的相應位置上設有環槽41。通過控制固設在座圈1』上的彈簧插銷組件與壓塊4上的環形凹槽的作用關係，可以使壓塊4處於鎖定狀態或自由下移狀態。進行打撈鑽具時，壓塊4處於鎖定狀態(圖5a)；進行下放鑽具時，壓塊4處於鬆開狀態(圖5b)，當鑽具到達導向鑽杆下端停止下移後，壓塊4在自重作用下繼續下移可壓縮彈簧迫使打撈鉤9張開，實現與鑽具脫開連接；螺旋鑽頭11的上端設有打撈矛10(打撈矛頭的結構見圖6)，使打撈器A與螺旋鑽頭11之間構成可拆連接。
在導向鑽杆12和鑽具11之間設有的使鑽具鑽進的止位裝置也可以使用多種機械結構，圖6a、6b示出了一種具體的結構在導向鑽杆12的下端適當位置上設有環槽121，打撈矛部分主要由打撈矛10、鎖卡103和鑽頭體端件104等部分組成。鑽頭體端件104上下凸緣之間的筒體上上左右用插銷安裝了兩塊鎖卡103，插銷和鎖卡之間配置了扭轉彈簧，能通過扭轉彈簧的作用，使鎖卡103自動復位。圖6a為鑽頭在導向鑽杆12上的定位狀態，當打撈器A下放鑽頭入孔底時，打撈矛10落到鑽頭體端件104的下凸緣上，鎖卡103在扭轉彈簧的作用下，自動卡緊底部導向鑽杆上環槽121，使之不能沿鑽杆上下移動，實現鑽頭和鑽杆之間的軸向定位。圖6b為鑽頭和導向鑽杆12底部脫離的狀態。打撈鑽頭時，打撈矛10上行，並擠壓鎖卡103使之扭轉一個角度，鎖卡103退出導向鑽杆環槽121。然後打撈矛繼續上行，直至到達鑽頭體端件104上端凸緣，最後通過打撈器提取鑽頭上行，提離孔外。
打撈器是這樣工作的如圖3a-3c所示，下放鑽具時，定位銷軸2』鬆開壓塊4(圖5b)，在鑽具11下入到導向鑽杆12下端時，壓塊4在自重的作用下，下行嵌入打撈鉤9和下筒體7之間，使打撈鉤9張開，鑽具11和打撈器A脫離，然後，鋼絲繩通過滑輪組2將打撈器A提離孔口，導向鑽杆12和鑽具11之間止位裝置處於定位狀態，啟動導向鑽杆驅動裝置使導向鑽杆迴轉，進行鑽進工藝；如圖4a-4c所示，在鑽進完成需提取鑽具11時，將定位銷軸鎖緊壓塊4(圖5a)使之固定，在彈簧插銷8的作用下，打撈鉤9恢復到原來的收攏狀態，同時通過卷揚機的作用，鋼絲繩將打撈器下入孔底，打撈鉤9嵌入並卡緊螺旋鑽頭上的打撈矛，然後將打撈器和螺旋鑽頭(或鑽鬥)提離孔口進行排土等作業，在此過程中，導向鑽杆12和鑽具11之間止位裝置處於脫離狀態。在排土過程中，反向轉動導向鑽杆甩土。
在迴轉鑽進和反轉甩土時，在推力圓錐滾子軸承的作用下，打撈器的打撈鉤、下筒體和螺旋鑽頭同導向鑽杆一起迴轉，而滑輪組2、壓塊4以及上筒體6則保持不轉。
使用上述機具進行鑽進作業的工序為如圖3a-3c和4a-4c以及圖1a-1e所示，首先解除壓塊4的鎖定狀態(圖5b)，再利用鑽機的卷揚機，鋼絲繩經鑽機桅杆天車、動力頭和打撈器A上的滑輪2，將打撈器a和短螺旋鑽頭11沿著導向鑽杆12下入到孔底(圖1a)；在鑽頭2到達孔底之前在鑽頭的重力作用下壓塊的下端與打撈鉤的上端相抵，打撈鉤將鑽頭鉤住，隨著鑽頭到達導向鑽杆下端止住下移，打撈鉤與打撈矛頭間的作用力消失，壓塊在重力作用下向下滑入打撈鉤9和下筒體7之間的間隙中，克服彈簧插銷的彈力使打撈鉤張開，打撈鉤與短螺旋鑽頭上部的打撈矛頭脫離，打撈器被提出孔口(圖1b)；此時鑽具止位裝置嵌入導向鑽杆下端的環形槽(圖6a)內，限制鑽具上行；鑽機動力頭迴轉，驅動導向鑽杆並通過導向鑽杆下端的花鍵配合帶動螺旋鑽頭迴轉切削土層，鑽出的巖土屑儲存在孔底長度不大的螺旋鑽具葉片上(或鑽鬥內)，在鑽屑達到一定程度之後，動力頭停止迴轉，將壓塊4置入鎖定狀態(圖5a)，再利用鑽機轉揚系統將打撈器下入孔內，打撈鉤扣住筒式鑽頭上部的打撈矛(圖1c)；鑽機卷揚系統提升打撈鉤使止位機構回收(圖6b)，並將孔底鑽具連同鑽屑沿導向鑽杆提出地表(圖1d)；鑽機反轉甩掉或用其它方法清除附著在螺旋葉片上的(或鑽鬥內的)鑽屑(圖1e)；重複以上工序使鑽孔不斷延伸。
在此需要說明的是，本發明提供的方法所對應的機具的結構可以是多種多樣的，上面僅僅是舉出了一個具體實例，並不意味著對本發明機具的限定。以上所述是本發明的具體實施例及所運用的技術原理，任何基於本發明技術方案基礎上的等效變換，均屬於本發明保護範圍之內。
權利要求
1.一種繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔方法，所用的鑽機為帶有桅杆、卷揚系統的頂驅動鑽機，驅動裝置連接導向鑽杆並可以驅動其轉動，在該導向鑽杆上設有一可上下滑動且可在導向鑽杆下端的設定位置處與導向鑽杆同步轉動以進行鑽孔的鑽具，在該導向鑽杆上還設有一個可上下滑動的打撈器，其與鑽機卷揚機連接使其沿導向鑽杆上下移動；其與所述鑽具之間構成可脫開的連接結構，所述鑽進成孔方法包括如下步驟(1)利用鑽機卷揚系統將與所述打撈器連接在一起的所述鑽具沿所述導向鑽杆下放至導向鑽杆的下端，止位機構彈出卡住鑽具限制其上移；(2)所述打撈器和鑽具之間的連接脫開，將該打撈器沿所述導向鑽杆提出孔口；(3)啟動鑽機驅動裝置，使導向鑽杆轉動，並通過導向鑽杆下端的花鍵配合帶動所述鑽具迴轉切削土層，鑽出的土屑儲存在孔底鑽具內；(4)當鑽具內鑽屑量達到一定程度之後，使所述驅動裝置停止迴轉，將打撈器下入孔內，打撈鉤與鑽具的連接結構連接起來，鑽機卷揚系統提升打撈鉤使止位機構回收，並將孔底鑽具連同鑽屑沿導向鑽杆提出地表；(5)清除所述鑽具中的鑽屑；重複步驟(1)，循環往復，使鑽孔不斷延伸。
2.一種繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔所用的機具，其特徵部件裝置包括與鑽機驅動裝置連接的導向鑽杆、與鑽機卷揚系統連接的打撈器、鑽具。所述鑽具可上下滑動且可在導向鑽杆下端的設定位置處與導向鑽杆同步轉動地套設於所述導向鑽杆上，使鑽具可以沿導向鑽杆上下滑動完成提下鑽，且可與導向鑽杆同步轉動進行鑽孔；所述鑽具為帶有打撈矛頭的短螺旋鑽頭或環形鑽鬥；所述打撈器連接在鑽機卷揚系統的鋼絲繩上；所述打撈器與鑽具上設有相互匹配的卡扣結構，使打撈器與鑽具之間構成可拆連接。
3.根據權利要求2所述的機具，其特徵在於，在所述導向鑽杆下端和鑽具之間還設有止位機構，使在鑽具滑下至所述導向鑽杆的下端時卡住鑽具限制其上移，而當鑽具被提升時解除卡固。
4.根據權利要求2或3所述的機具，其特徵在於，所述打撈器上設有常閉型打撈鉤，所述鑽具上設有打撈矛頭，打撈鉤與打撈矛共同構成打撈器與鑽具之間的可拆連接。
全文摘要
本發明提供一種繩索打撈式排屑無循環鑽進成孔方法及其所用機具，機具包括與鑽機驅動裝置連接的導向鑽杆，在鑽杆上設有一可上下滑動且可在鑽杆下端與鑽杆同步轉動以進行鑽孔的鑽具，在鑽杆上還設有可上下滑動的打撈器，其與鑽機卷揚機連接使其沿鑽杆上下移動；其與鑽具之間構成可脫開的連接結構，該方法包括如下步驟將與打撈器連接在一起的鑽具沿導向鑽杆下放至導向鑽杆的下端，止位機構限制其上移；打撈器和鑽具的連接脫開，將打撈器沿鑽杆提出孔口；啟動鑽機驅動裝置使導向鑽杆轉動，帶動鑽具迴轉切削土層，鑽出的土屑存在鑽具內；將打撈器下入孔內，與鑽具連接起來，提升打撈鉤使止位機構回收，並將鑽具連同鑽屑沿鑽杆提出地表；清除鑽具中的鑽屑。本方法和機具不需用昂貴的設備及配套的長桅杆和伸縮鑽杆，工藝簡單、操作方便、可以適應較深孔的鑽進要求。
文檔編號E21B3/00GK1587630SQ200410069189
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月7日 優先權日2004年7月7日
發明者夏柏如, 劉寶林, 李逵 申請人:中國地質大學(北京)