一种桩基井事故钻头打捞设备的构想

周亚峰 董世方 韦应琪 刘侠龙

(兰州城市学院，甘肃 兰州 730070)

1 项目背景

在桩基井成孔作业中，冲击式钻进方法是钻孔技术中最传统的方法，使用冲孔式打桩机进行成孔作业所利用的正是这种冲击式钻进的方法。冲孔式打桩机因其施工工艺简单、适应性强、对地层无特殊要求,目前在桩基础工程施工中仍发挥着重要的作用。为能快速打捞出坠井钻头，设计出泥浆井钻头打捞设备，一方面实现代替潜水员下潜工作，另一方面降低钻头坠井带来的损失。

2 打捞方案

在成孔作业过程中，钻头会因钢索断裂坠井，这种情况相对来说普遍打捞难度小。解决方案是当设备到达事故现场后，现场对设备进行简单的调试，分析现场的打捞环境，将井中黏稠的泥浆冲出井，待泥浆井中泥浆黏稠度降低后，开始做打捞前期工作。调试设备探测系统、机械手臂系统，以及推进系统，连接牵引钢索和电缆，查看设备总体运行状态。将设备放入泥浆井中，通过钢索缓慢下降，待设备与目标钻头快要接触时，地面操作人员根据水下声呐探测器反馈过来的信息判断钻头与设备的位置关系，启动水下推进器对设备位置进行微调，使得其契合在目标钻头上，设备下降，使得核心电磁推杆装置嵌套在钻头上部圆柱端。接下来机械手臂开始运作，通过液压杆让三个机械手臂与钻头侧面接触靠紧，目的是稳定设备，摆正设备姿态，防止设备在泥浆搅拌的复杂情况下与钻头脱落。待设备稳定后，核心电磁推杆机构嵌套在钻头上部的圆柱上，通过大角度的旋转，找出钻头主孔，电磁驱动连接杆穿过钻头主孔，实现钻头与设备的连接。之后操作人员根据具体的情况将设备与钻头通过地面卷扬机设备缓慢吊出水面，从而完成打捞工作。

3 设备结构设计

3.1 设备外形设计

设备外形采用圆锥形结构，主要考虑到与钻头容易契合，方便打捞设备工作。工作时圆锥形工作面与坠井钻头契合在一起，形成设备包裹钻头，完成第一步设备与钻头接触工作。设备核心牵引捆绑装置位于设备的中间偏上位置，采用双层圆柱形结构，配合传动结构及传感器探测模块，对目标钻头进行连接。

3.2 核心电磁连接装置设计

在主要穿过钻头主孔的杆件一端缠绕多匝线圈，配合圆盘基座上的电磁激励装置，通过两只通反向电流的方式 ，实现磁极异同对调，在磁力同相吸引，异相排斥的电磁力作用下完成穿过钻头主孔的运动。

3.3 水下姿态微调设计

为实现设备在水下能较好快速连接设备，在设备上安装水下推进系统作为姿态微调系统，通过推进器的旋转运行，使得设备在较大直径的井下能够多角度水平自由移动，完成设备与钻头的初步契合，当设备在推进器的推动下运行到钻头正上方时，再次下放设备，进行连接工作。

3.4 控制系统的设计

整套设备stm32f103微处理器作为核心控制单元，配合多种传感器，电机马达，实现整套设备的运行。

3.5 机械手臂的设计

机械手臂的主要功能是设备在下潜与钻头契合时扶正设备或者钻头。

4 项目创新

4.1 有效避免人工打捞带来的风险

机器设备不同于工人，不用承担人身危险，设备能有效打捞事故钻头，有效规避了因人工打捞而带来的风险。

4.2 最大限度地降低因事故钻头带来的工程损失

桩基井事故钻头打捞设备其自身具备的优势能快速应对桩基井所发生的各种情况，能在短时间内解决事故问题，从时间成本上就为工程减少了很大一部分损失。

5 结语

目前，冲孔式打桩机还广泛应用于灌注桩的施工中，发生钻头坠井事故也是时常发生。本设计方案提供了一种应对钻头坠井后及时打捞的方案，通过机器操作的方式将深井中的钻头打捞出水，从而避免人工打捞风险，降低打捞成本。