详情

原文传递一种预制管桩用的沉桩助沉装置及施工方法

专利名称：	一种预制管桩用的沉桩助沉装置及施工方法
摘要：	本发明公开一种预制管桩用的沉桩助沉装置及施工方法，所述装置包括助沉组件，助沉组件包括连接组件、钻杆集成、驱动箱集成、扩孔器集成和主钻头，连接组件的一端与钻杆集成的一端连接，另一端用于与外部设备连接，扩孔器集成与驱动箱集连接，套设在钻杆集成上的驱动箱集成用于驱动扩孔器集成沿着钻杆集成的轴向滑动，以使得扩孔器集成收纳于预制管桩的管孔内或暴露于预制管桩的管孔外，钻杆集成与主钻头连接，主钻头用于钻进预制管桩内腔投影面所覆盖的地层，扩孔器集成用于钻进预制管桩内腔投影面外侧的地层，从而通过主钻头和扩孔钻头能够钻进出相比于预制管桩外径更大的钻孔。本发明的引孔孔径大于桩外径，大大降低甚至消除坚硬土层的沉桩阻力。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	广东;44
申请人：	中交四航工程研究院有限公司
发明人：	吕述晖;苏林王;苏世定;张博;李金祥;吴佳琪
专利状态：	有效
申请日期：	2023-08-28T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-28T00:00:00+0800
申请号：	CN202311091278.X
公开号：	CN117127609A
代理机构：	广州君咨知识产权代理有限公司
代理人：	谭启斌
分类号：	E02D13/00;E02D5/24;E02D5/44;E02D15/04;E21B7/28;E;E02;E21;E02D;E21B;E02D13;E02D5;E02D15;E21B7;E02D13/00;E02D5/24;E02D5/44;E02D15/04;E21B7/28
申请人地址：	510000 广东省广州市白云区北太路1633号广州民营科技园科盛路8号配套服务大楼5层A505-398房
主权项：	1.一种预制管桩用的沉桩助沉装置，其特征在于，包括助沉组件，助沉组件包括连接组件、钻杆集成、驱动箱集成、扩孔器集成和主钻头，连接组件的一端与钻杆集成的一端连接，另一端用于与外部设备连接，扩孔器集成与驱动箱集成远离连接组件的一端连接，扩孔器集成位于钻杆集成的一侧，驱动箱集成套设在钻杆集成上，并可沿着钻杆集成的轴向滑动，驱动箱集成用于驱动扩孔器集成沿着钻杆集成的轴向滑动，以使得扩孔器集成收纳于预制管桩的管孔内或暴露于预制管桩的管孔外，并且扩孔器集成暴露于预制管桩的管孔外下，扩孔器集成沿着预制管桩的径向撑开，以使的扩孔器集成上的扩孔钻头位于预制管桩内腔投影面的外侧，也即是通过驱动箱集成来驱动扩孔器集成从预制管桩的管孔内向下滑动而暴露于预制管桩的外部，或者驱动扩孔器集成向上滑动而从预制管桩的外部回收至预制管桩的管孔内，钻杆集成远离连接组件的一端与主钻头连接，主钻头用于钻进预制管桩内腔投影面所覆盖的地层，扩孔器集成用于钻进预制管桩内腔投影面外侧以及包含预制管桩管壁投影范围的地层，从而通过主钻头和扩孔钻头能够钻进出相比于预制管桩外径更大的钻孔。 2.根据权利要求1所述的预制管桩用的沉桩助沉装置，其特征在于，驱动箱集成沿着钻杆集成的轴向滑动的滑动范围限定在第一位置和第二位置之间，第一位置为上行极限位置，也即是驱动箱集成向上滑动的最大距离，第二位置为下行极限位置，也即是驱动箱集成向下滑动的最大距离，驱动箱集成向远离连接组件的方向滑动而到达第二位置之前或刚好到达第二位置，扩孔器集成完全暴露于预制管桩的管孔外，驱动箱集成从第二位置起向靠近连接组件的方向滑动而到达第一位置之前，扩孔器集成完全收纳于预制管桩的管孔内，驱动箱集成处于第一位置和第二位置，钻杆集成上的限位组件限位于驱动箱集成。 3.根据权利要求2所述的预制管桩用的沉桩助沉装置，其特征在于，连接组件包括吊耳、绳索、软管和转换器，吊耳与绳索的一端连接，绳索的另一端与转换器连接，转换器分别与软管与钻杆集成连接，转换器用于连通软管和钻杆集成，吊耳用于与外部设备连接。 4.根据权利要求3所述的预制管桩用的沉桩助沉装置，其特征在于，钻杆集成包括空心的钻杆，以及沿着钻杆远离连接组件的方向依次安装在钻杆上的上卡头组件和下卡头组件，上卡头组件和下卡头组件间隔设置，且均位于主钻头上方，卡头组件包括至少两个卡头组，各个卡头组沿着钻杆的环向设置，并且所有卡头组中，至少有两个卡头组之间的夹角≥180°，以使得钻杆的两侧至少各有一个卡头组，其中，上卡头组件和下卡头组件的卡头组数量相同，上卡头组件用于与到达上行极限位置处的扩孔器集成连接，上下头组件用于与到达下行极限位置处的扩孔器集成连接。 5.根据权利要求4所述的预制管桩用的沉桩助沉装置，其特征在于，卡头组包括卡头筒、卡头弹簧、卡头弹芯和卡头限位孔，卡头筒的一端固定在钻杆的外表面并呈水平设置，卡头筒的另一端设有开口，卡头弹簧的一端固定在卡头筒与钻杆连接一端的内壁上，另一端与经开口伸入至卡头筒腔体内的卡头弹芯连接，卡头弹簧套设在伸入至卡头筒腔体内的卡头弹芯的一端并且与卡头弹芯固定连接，卡头弹簧通过伸缩驱动卡头弹芯的另一端伸出至卡头筒腔体的外部或回缩至卡头筒腔体的内部，卡头弹芯远离弹簧的一端至少一侧的轮廓呈弧形结构，卡头弹芯远离卡头弹簧一端的下侧挖设有卡头限位孔，其中，上卡头组件中的卡头弹芯的下侧的轮廓呈弧形结构，下卡头组件中的卡头弹芯的上侧的轮廓呈弧形结构，以使得驱动箱集成沿着钻杆集成向上滑动带动扩孔器集成向上滑动过程中，能够顺畅地将上卡头组件中位于卡头筒的腔体外部的卡头弹芯的一端依然位于腔体外部且顺利地滑入扩孔器集成内，以及使得驱动箱集成沿着钻杆集成向下滑动带动扩孔器集成向下滑动过程中，能够顺畅地将下卡头组件中位于卡头筒的腔体外部的卡头弹芯的一端依然位于腔体外部且顺利地滑入扩孔器集成内。 6.根据权利要求5所述的预制管桩用的沉桩助沉装置，其特征在于，钻杆集成还包括铰接耳组件，铰接耳组件包括至少两个铰接耳，各个铰接耳沿着钻杆的环向设置，例如等间距设置，并且所有铰接耳中，至少有两个铰接耳之间的夹角≥180°，以使得钻杆的两侧至少各有一个铰接耳，铰接耳与扩孔器集成连接。 7.根据权利要求6所述的预制管桩用的沉桩助沉装置，其特征在于，驱动箱集成包括驱动箱、若干限位液压千斤顶、垫板、若干移位液压千斤顶、若干离合液压千斤顶、高压油管、若干分油器、传动盘、第一齿轮和液压驱动器，传动盘和液压驱动器均安装在驱动箱内，传动盘的外圈设置有第一齿轮，液压驱动器上也设置有齿轮，液压驱动器上的齿轮与第一齿轮啮合，从而使得传动盘与液压驱动器啮合连接，液压驱动器与外部的控油泵连接，钻杆穿过传动盘而与传动盘连接，移位液压千斤顶的非输出端竖直地固定连接在驱动箱的底端，移位液压千斤顶与离合液压千斤顶的数量相同，移位液压千斤顶的输出端与离合液压千斤顶的非输出端连接，以驱动离合液压千斤顶远离或靠近驱动箱，离合液压千斤顶的数量与上卡头组件的卡头组数量相同，从而使得离合液压千斤顶、上卡头组件的卡头组、下卡头组件的卡头组能够两两之间一一对应，离合液压千斤顶的输出端与扩孔器集成连接，从而使得驱动箱集成与扩孔器集成连接，离合液压千斤顶位于卡头组件远离钻杆的一端的外侧，各个限位液压千斤顶均安装在驱动箱的腔体内，并且沿着驱动箱的环向等间距设置，限位液压千斤顶的输出端伸出至箱体外部与位于箱体外部的垫板固定连接，限位液压千斤顶用于驱动垫板靠近或远离预制管桩内壁，从而能够将组件固定在预制管桩内部，各个限位液压千斤顶通过油管连接到同一个分油器、各个移位液压千斤顶通过油管连接到另一个分油器，各个离合液压千斤顶通过油管连接到另一个分油器，以通过输送或禁止输送液压油控制千斤顶的启闭，分油器的输入端与高压油管束连接，并通过高压油管束与外部的控油泵连接，使得三个分油器分别通过高压油管束与外部的控油泵连接，从而可以通过控油泵独立控制各个千斤顶的启闭。 8.根据权利要求7所述的预制管桩用的沉桩助沉装置，其特征在于，扩孔器集成包括移位箱、上连杆、扩孔钻头、下连杆、联动弹簧、联动弹芯、弹芯连杆、第一连接凸出端、第二连接凸出端和第三连接凸出端，移位箱一端设有开口，开口与移位箱内的腔体连通，离合液压驱动器的输出端，伸入至移位箱的腔体内并与移位箱连接，移位箱的底部挖设有一U型腔，U型腔的两端各设置有两个联动弹簧，联动弹簧的一端固定在U型腔的底壁，另一端与安装在U型腔内的联动弹芯连接，两个联动弹芯之间通过弹芯连杆连接，弹芯连杆位于U型腔内并呈水平设置，移位箱的底部上固定连接第一连接凸出端，第一连接凸出端竖直朝下设置，上连杆的一端与第一连接凸出端转动连接，以使得上连杆可相对移位箱/第一连接凸出端转动，上连杆的另一端与连接在扩孔钻头上的第二连接凸出端转动连接，以使得上连杆可相对扩孔钻头转动，第二连接凸出端水平地连接在扩孔钻头上端的一侧，下连杆的一端与连接在扩孔钻头上的第三连接凸出端转动连接，以使得下连杆可相对扩孔钻头转动，第三连接凸出端与第二连接凸出端安装在扩孔钻头的同一侧且平行间隔设置，第三连接凸出端水平地连接在扩孔钻头下端的一侧，第三连接凸出端的另一端与钻杆上的铰接耳转动连接，以使得下连杆可相对铰接耳/钻杆转动连接，其中，扩孔器集成在跟随驱动箱集成沿着钻杆集成的轴向上下滑动过程中，扩孔器集成的上端到达上卡头组件位置，上卡头组件中的卡头弹芯伸出于卡头筒的腔体外而进入至扩孔器集成上端的内部，扩孔器集成的上端到达下卡头组件位置，下卡头组件中的卡头弹芯伸出于卡头筒的腔体外而进入至扩孔器集成上端的内部。 9.根据权利要求8所述的预制管桩用的沉桩助沉装置，其特征在于，还包括注浆器集成，注浆器集成与助沉组件为分体安装，注浆器集成用于主钻头和扩孔钻头对地层钻进作业结束后，注浆器集成穿过预制管桩向钻孔内注入作为注浆液的水泥砂浆，以填充预制管桩近底部钻孔的内腔，以及钻孔的孔径与预制管桩桩的外径之间的空隙，达到提升桩承载能力的作用，注浆器集成包括高压气管、高压注浆管、钢管、内软垫、气囊和外软垫，高压气管均穿过钢管的通孔内，高压注浆管用于注入注浆液，高压气管用于注入气体，钢管竖直地固定在气囊上并穿过气囊，高压气管伸入至气囊内，以便以向气囊内打入空气，高压注浆管跟随钢管也穿过气囊，钢管与气囊的结合处还设置有内软垫，气囊在充气后紧贴于预制管桩的内壁，气囊靠近的外侧表面上安装有外软垫，以使得外软垫贴合在气囊和预制管桩之间，起到增强密封的作用。 10.一种施工方法，其特征在于，基于如权利要求9所述的预制管桩用的沉桩助沉装置，包括以下步骤：步骤1：组装好所述沉桩助沉装置，其中，限位液压千斤顶、移位液压千斤顶和离合液压千斤顶均处于完全卸压状态，以使的离合液压千斤顶位于移位箱上方且无接触，限位液压千斤顶的输出端处于完全回收状态，移位箱与上卡头组件的卡头组处于同一高度位置，卡头弹芯进入移位箱内，联动卡头弹芯插入卡头限位孔内，驱动箱的下端抵触在下限位环的顶端；步骤2：采用动力沉桩设备进行动力沉桩方式将预制管桩沉入土层中，直至进入坚硬土层而无法继续贯入，并移除动力沉桩设备；步骤3：通过起重设备提升吊耳，从而将沉桩助沉装置的助沉组件下放至预制管桩内，直至主钻头接触预制管桩内腔投影面所覆盖的土层泥土面，则停止下放；步骤4：通过高压油管连接至控油泵，软管与泥浆泵连接，并放入泥浆池内，并通过水泵抽水至泥浆池内，保持泥浆池内的水位稳定；步骤5：通过高压油管束连接外部的控油泵，以控制限位液压千斤顶的输出端伸出，直至垫板紧贴于预制管桩的内壁，并维持控油泵的输油压力，以便以将驱动箱集成稳固地固定在预制管桩内；步骤6：通过带滤塞的泥浆泵抽取出预制管桩外部的泥浆池内的泥浆液，并将抽取出的泥浆液通过管道注入预制管桩内，以维持预制管桩内的液面稳定；步骤7：通过控油泵控制液压驱动器驱动钻杆转动，钻杆带动主钻头转动而向土层钻进，泥浆泵同步工作，以将泥浆液经过软管和钻杆排入泥浆池排出至泥浆池内，直至驱动箱的顶部抵触至上限位环；步骤8：通过起重设备提升钻杆，直至钻杆上的下限位环地层驱动箱的底部，并保持当前提升力，同步卸去限位液压千斤顶的压力，以将限位液压千斤顶的输出端回收；步骤9：继续将助沉组件下放至预制管桩底部的泥土面，并重复步骤5-步骤8，直至主钻头钻进至预制管桩内腔投影面的土层中且扩孔钻头伸出至预制管桩外而位于预制管桩底部平面以下；步骤10：通过控油泵控制移位液压千斤顶的输出端伸出，直至离合液压千斤顶完全进入移位箱内，且离合液压千斤顶远离移位液压千斤顶的一端与移位箱腔体的底壁相接触，则停止移位液压千斤顶的输出端伸出，使得联动卡通弹芯完全进入移位箱的腔体内，通过控油泵控制离合液压千斤顶的输出端伸出，将上卡头组件中的卡头弹芯退出移位箱，继续通过控油泵控制移位液压千斤顶的输出端伸出，使得移位箱下移，直至移位箱处于与下卡头组件同一高度位置，则停止移位箱下移，卸去离合液压千斤顶的压力，使其输出端完全收回，下卡头组件中的卡头弹芯进入移位箱，移位箱内的联动卡头弹芯插入下卡头组件中的卡头弹芯的卡头限位孔内，然后卸去移位液压千斤顶的压力，使其输出端完全收回，离合液压千斤顶再次回到移位箱上方且与移位箱无接触；步骤11：重复步骤5-步骤8，直至扩孔钻头钻进至所需的目标深度；步骤12：通过起重设备，提升钻杆，直至驱动箱的底部接触下限位环，并保持当前提升力；步骤13：通过控油泵控制移位液压千斤顶的输出端伸出，直至离合液压千斤顶完全进入移位箱，且离合液压千斤顶的底部与移位箱内腔的底壁相接触即可停止，使得联动卡头弹芯完全压入移位箱内腔的底壁，接着，通过控油泵控制离合液压千斤顶柱塞伸出，将下卡头组件中的卡头弹芯退出移位箱，然后，继续通过控油泵控制移位液压千斤顶的输出端缩回，使移位箱上移，直至移位箱处于与上卡头组件同一高度位置，则停止，卸去离合液压千斤顶的压力，使其输出端完全收回，上卡头组件中的卡头弹芯进入移位箱内，移位箱内的联动卡头弹芯进入上卡头组件中卡头弹芯的卡头限位孔内，卸去移位液压千斤顶的压力，使其柱塞完全收回，使得离合液压千斤顶位于移位箱之上且无接触；步骤14：卸去限位液压千斤顶的压力，回收柱塞，并提升助沉组件，直至将助沉组件完全移除出预制管桩外；步骤15：通过除动力沉桩设备采取动力沉桩方式将预制管桩继续沉入土层中，直至无法继续贯入，并移除动力沉桩设备；步骤16：组装注浆器集成，并将高压气管和高压注浆管分别连接至地面的高压气泵和高压注浆泵，通过起重设备将组装好的注浆器集成下放至预制管桩内，直至气囊距离预制管桩下部的桩端平面约2倍桩径距离停止，启动高压气泵往气囊内充气，直至气囊外环侧面通过外软垫紧密贴合于预制管桩的管桩内壁；步骤17：通过高压注浆泵和注浆管往预制管桩内注入水泥砂浆，直至注浆压力突增或预制管桩的桩顶冒浆即可结束，待水泥砂浆初凝后，卸去气囊压力，回收注浆器集成。