旋挖桩孔内掉钻螺杆机械手打捞施工技术

刘峥志,雷 斌,王怀营,李忠成

(1.深圳市工勘建设集团有限公司 总工办,广东 深圳 518063;2.深圳市工勘岩土集团有限公司 技术中心,广东 深圳 518063;3.江门宝锐机械工程有限公司,广东 江门,529075)

旋挖钻机工作原理多采用连接钻杆的钻头在孔内循环取土、卸土,直至钻至符合设计深度。旋挖钻头与钻杆的连接多采用钻头顶部的方套与钻杆下部方头连接,将钻杆的方头插入钻头的方套内,再插上两根连接销轴及保险销便可完成钻头安装。

在旋挖桩成孔过程中,由于持续的旋转钻进,钻杆承受较大的扭矩,容易造成连接销轴疲劳,固定连接销轴的保险销断开,或由于钻头入孔前销轴固定操作不规范而导致松动脱落问题,使得钻杆方头与钻头方套脱落,造成钻头孔内掉落事故[1]。

旋挖钻头孔内掉落的事故时有发生,由于掉落的钻头处于孔底最深达数十米的泥浆中,打捞难度大。目前,最常用的处理方式有以下3种：一是派潜水员潜入孔内打捞,利用钢丝绳将钻头固定后吊起[1-6]。此种打捞方法危险性较大,尤其当钻孔深度超过50 m时,潜水员在孔内承受超限水压力,难以实施下潜打捞。二是借助钢丝绳下打捞钩沉入孔底,进行盲式打捞。这种打捞方式由于钢丝绳和打捞钩之间是软连接,而且钻头位于几十米深的泥浆中,难以钩住掉落的钻头,耗费时间长,打捞成功率低。三是在各种打捞办法无效时,对掉落钻头的孔桩进行设计变更,对原桩孔报废回填,并在桩位附近重新进行补桩(用2根桩代替),加大施工承台[2]。该方法大大增加了施工成本,拖延工期,经济损失大。

针对目前旋挖钻头打捞方式的主要弊端,通过研究旋挖钻头的结构特性,特制可直接与旋挖钻机钻杆连接的打捞机械手。将机械手下放至孔底钻头脱落位置,通过旋挖钻机旋转操控机械手的开合,使其牢固抓住钻头顶部的方套凸出部位,从而使机械手与掉落的钻头建立新的连接,再通过旋挖钻机提升钻杆将掉落的钻头打捞出孔。通过数个项目的打捞应用,达到了快捷、准确、安全、经济的效果。

打捞机械手能够快速与旋挖机连接,继而下放到孔底,快捷打捞掉落钻头或其他掉落物,具有较强的实用性,以及以下创新性：①带有与旋挖钻头相似的连接方套,可与旋挖钻机钻杆实现快速安装运行,与旋挖机配合可独立完成打捞工作;②采用螺杆原理通过旋挖机旋转螺杆控制机械手的开合,机械手采用仿生设计,可精准打捞掉落钻头,成功率高。

1 应用实例

1.1 某世纪大厦桩基础工程

某世纪大厦桩基础工程位于深圳市罗湖区,用地面积9 321 m2,总建筑面积88 000 m2,场地拟建2栋高层建筑、4层地下室。工程桩采用旋挖钻孔灌注桩,持力层为微风化花岗岩。桩基础桩径为1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m。

ZH2-452#旋挖桩,设计桩径2.0 m,采用旋挖钻孔工艺成孔。钻进过程中,出现掉钻事故,通过现场测量探明,钻具底部位于地下深度56.5 m位置处。在采用打捞钩方法打捞,经多次努力后未果。经建设、监理及项目部共同探讨,采用自主研发的螺杆原理打捞钻头施工技术,项目部利用该机械手高效便捷地完成了事故处理,顺利将脱落钻头打捞出孔,花费成本共1.3万元,打捞用时0.5 d,得到各方参建单位的一致好评。

1.2 某银行大厦桩基础工程

某银行大厦桩基础工程位于深圳市前海片区,项目规划拟建2栋超高层建筑物(27层),建筑高度为144 m,裙楼4层,设置4层地下室。桩基础采用旋挖钻孔灌注桩,持力层为微风化花岗岩。微风化岩层埋藏深度介于43.30～73.20 m,该层层厚5.00～11.10 m。桩径分别为1.4、2.0、2.2、2.8、3.0 m。

D2#旋挖桩,设计桩径2.2 m,采用旋挖钻机施工。钻进过程中,电机出现故障,现场由于更换新的电机功率超出额定值,造成钻机钻速太快,钻头钻进过程中超负荷运转,在钻进至深度60.4 m位置处发生钻头掉落。采用自主研发的螺杆原理打捞钻头施工工法进行处理。采用气举反循环进行清孔,将覆盖在掉落钻头的沉渣清除干净。将原孔内泥浆置换为含砂率低、比重较小的泥浆,以减轻提升钻头的压力。清孔完成后,第一时间开始打捞钻头,防止沉渣再次沉淀堆积在钻头上。

利用机械手高效便捷地完成了事故处理,机械手重复利用,未花费费用,影响工期0.5 d,取得了较好的社会效益和经济效益。

2 旋挖桩孔内掉钻螺杆机械手打捞施工工艺

2.1 适用范围

1)适用于打捞各种掉落孔内的旋挖钻头、旋挖钻头底门板及其他物件。

2) 适用于打捞直径不大于2 500 mm、钻头重量小于10 t的旋挖钻头。

3) 适用于抓取部位尺寸大于260 mm、小于800 mm的掉落物。

2.2 打捞机械手结构设计

打捞机械手由连接方套、螺杆、组合螺母、连接杆、定位法兰、打捞钩等组成,其模型图、结构示意图、实物图如图1所示。

图1 机械手

2.2.1 连接方套、螺杆

打捞机械手顶部设计一个连接方套,与旋挖钻头方套相同,用于与旋挖钻机钻杆安装相连,使打捞机械手可以借助钻机的钻杆下放至桩孔内部进行打捞作业。连接方套外缘尺寸为420 mm×420 mm。

螺杆外径为200 mm,通过焊接与连接方套形成一个整体。主要功能为连接打捞钩,使组合螺母、定位法兰可沿其顺、逆时针方向旋转。螺杆末端定位法兰位置处仅设置卡槽,不设丝扣,使得定位法兰可旋转,但不能上下运动。连接方套及螺杆实物图如图2所示。

图2 连接方套与螺杆实物图

2.2.2 组合螺母、连接杆、定位法兰

组合螺母与螺杆采用螺纹连接,外侧设有连接耳与连接杆通过螺栓连接,可在螺杆中通过顺、逆时针方向旋转进行上下活动。组合螺母的上下活动作用于连接杆,从而实现打捞钩的开合。

连接杆的两头分别通过螺栓连接组合螺母的连接耳以及打捞钩中部。组合螺母在上下运动的过程中通过连接杆作用于打捞钩,使得打捞钩可以内外开合,实现抓取钻头。

定位法兰固定于螺杆最底部,螺杆外仅设卡槽,不设丝扣,所以定位法兰可沿螺杆轴心旋转,但不能上下运动。定位法兰外侧设连接耳与打捞钩通过螺栓连接,使得打捞钩可以在定位法兰处合拢或张开。定位法兰、组织螺母、连接杆实物图如图3所示。

图3 定位法兰、组合螺母、连接杆实物图

2.2.3 打捞钩

通过打捞钩的合拢与张开来实现抓取、松开掉落钻头。考虑到连接方套为正四边形,因此对称设计共4个打捞钩套。打捞钩张开最大尺寸为1 000 mm,合拢最小尺寸为260 mm,因此可以牢靠夹取尺寸为360～420 mm的钻头方套或其他尺寸适合的物件。打捞钩实物图如图4所示。

图4 打捞钩实物图

2.3 机械手打捞原理

在打捞钩张开至最大的状态下,将打捞机械手安装到旋挖钻机的钻杆上。利用旋挖钻机钻杆的伸缩功能把机械手缓慢下放至孔内掉钻位置。下放过程中,不旋转钻杆。当机械手触碰到掉落钻头时,钻杆停止下放,开始控制钻杆沿逆时针方向转动;钻杆转动带动连接方套和螺杆同时转动,打捞钩也随之转动。当打捞钩旋转碰到掉落钻头方套固定板时,转动受阻,停止转动。此时连接方套和螺杆仍然继续转动,使得组合螺母沿着螺杆向下运动,而定位法兰只沿螺杆旋转不能上下活动,所以组合螺母与定位法兰之间的距离被压缩,通过连接杆作用于打捞钩,使得打捞钩向内收缩,完成打捞钩的合拢;当钻杆逆时针旋转受阻,则显示机械手与钻头方头完全夹紧,打捞钩紧紧捕捉住掉落钻头。此时,通过提升钻杆将掉落钻头打捞出孔。

机械手工作原理如图5所示,机械手在打捞掉落钻头实例如图6所示。

图5 机械手工作原理示意图

图6 机械手打捞钻头实例

2.4 工艺流程

基坑支护全护筒咬合桩钢筋笼定位施工工艺流程如图7所示。

图7 施工工艺流程

2.5 操作要点

1)打捞前准备工作。①掌握孔内掉落钻头的详细情况,包括事故经过、钻头型号、大小、掉落位置等;②测量孔内实际深度,与掉落钻头的位置进行比对,摸清孔内沉渣厚度;③检查机械手完好情况,备好泥浆等辅助打捞工具。

2)掉落钻头沉渣清孔。①调配好清孔泥浆,采用空压机形成气举反循环清孔,将孔内覆盖掉落钻头的渣土清除干净,防止沉渣过厚覆盖掉落钻头方套以及加重钻头重量;②清孔至掉落钻头全部露出为宜,并尽可能往下清理孔内沉渣,为掉落钻头提升出孔减少阻力。

3)旋挖钻机安装打捞机械手。①按照旋挖钻头安装方式进行安装机械手,并确保连接销轴安插到位,以及保险销固定牢靠;②安装完成后,检查、确认机械手安装牢固。旋挖钻机打捞机械手安装具体如图8所示。

图8 机械手安装完成

4)机械手下放至孔底。①将旋挖钻机就位,并对准桩位;②下放机械手时缓慢放入,当下放受阻时则停止,并核对钻杆下放深度与掉落钻头方头套内位置是否一致。机械手孔内下放具体如图9所示。

图9 机械手孔内下放模拟图

5)逆时针旋转合拢机械手抓取掉落钻头。①当确认入孔的机械手下放触碰到掉落钻头时,停止下放钻杆,此时开始逆时针方向缓慢旋转钻杆,当机械手的打捞钩触碰掉落钻头方套固定板后则停止转动;②此时持续旋转钻杆,使得组合螺母沿螺杆向下运动,通过连接杆作用于打捞钩,打捞钩收缩合拢;当钻杆无法旋转时,则表明打捞钩收缩至最小状态,显示打捞钩已牢固捕捉住掉落钻头方套;③当打捞钩捕抓住掉落钻头方套后,缓慢提升钻杆,直至打捞钩钩住方套凸出部位。具体如图10所示。

图10 机械手抓取掉落钻头示意图

6) 提升机械手出孔。①确认机械手已经牢靠抓住掉落钻头后,开始缓慢提升钻杆,提升钻头(图11);②提升时避免掉落钻头再次掉落,缓慢、匀速提升钻杆,直至掉落钻头打捞出孔,并放至平地;③提升机械手出孔前,及时向孔内注入泥浆,维持孔内液面高度,防止钻头打捞出孔后造成液面下降而引发塌孔。

图11 提升掉落钻头至孔口

7)顺时针旋转张开机械手完成打捞。①掉落钻头平稳落地,对掉落钻头进行支撑固定后,开始顺时针旋转钻杆,此时机械手张开,移开机械手,完成打捞工作;②清洗机械手,检查机械手是否有损坏,如有及时修复。

2.6 施工工艺特点

1)打捞精准、快捷。打捞机械手与旋挖钻机钻头连接方式相同,实现快速安装,采用旋挖钻机打捞无须另外使用其他机械进行辅助施工;采用螺杆原理通过旋转螺杆控制机械手的开合,机械手采用仿生设计,可精准打捞掉落钻头,成功率高。

2)安全可靠。仅利用旋挖钻机自身的钻杆以及特制打捞机械手便可实施打捞工作,无须潜水员潜入泥浆打捞钻头,机械手采用机械联动组合设计,捕抓掉落物能力强,提升能力大,打捞过程安全可靠。

3)经济效益显著。使用机械手快速将掉落的旋挖钻头打捞出孔,其制作成本费约1.3万元,而且能够循环使用,免除了潜水员入孔打捞的高额费用和安全风险,更是节省了报废该桩孔的巨额费用和重新补桩的时间成本,整体经济效益显著。

3 结语

旋挖钻头孔内掉落的事故时有发生,研发了一种安装在旋挖机钻杆上的打捞机械手,通过旋转钻杆,操控机械手的开合,从而抓取掉落钻头,并打捞出孔。经过多个成功打捞的工程案例证明,相对于现阶段打捞钻头的主要方式,本技术具有快捷、准确、安全、经济等特点,是一种创新、实用的工艺技术,大大减少了事故处理时间,易于技术推广。