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浅析旋挖钻机的研发

2015-3-17 15:07:45      点击:

浅析旋挖钻机的研发

      在我国,把利用短螺旋钻头或钻斗进行干钻或无循环泥浆钻进技术成孔制桩的设备称为旋挖钻机,实际上它就是一种适应不同施工方法的大型工程钻机.旋挖钻机是一种适合建筑基础工程成孔作业的桩工机械。该类钻机以柴油机为动力,全液压驱动,履带行走,360°回转,自行起落架。具有噪声低、振动小、扭矩大、多功能、成孔速度快、机动灵活、施工效率高、多种速度调节、电子自动监控等特点,克服了以往电动式钻孔机的不足。并将有逐步取代电动式钻机的趋势,该类钻机主要适于砂土、粘性土、粉质土等土层施工,在灌注桩、连续墙、基础加固等多种地基基础施工中得到广泛应用,主要用于市政建设、公路桥梁、工业和民用建筑等基础施工中。旋挖钻机是最近和今后3-5年的国内热门货!目前来说,我国正在进行的大规模城市化建设为旋挖钻机提供市场需求。国家统计局1996年的统计资料显示,我国目前共有城市666个,其中人口在100万以上的大城市有35个。随着国民经济的发展,城市化进程还在加快。到2005年,城市数量将达800个,城镇人口将超过4亿,老城市改造和新城市建设中新增的桩基础工程将大幅度增加。按城市建设和国家长期规划中投入巨资进行项目的开发,短期内即将投资的工程项目便有数千亿人民币,对旋挖钻机的市场需求量从每个城市占据2-3台来计算分析来看,旋挖钻机在中国的总数量近几年将达到2000台。旋挖钻孔机由于具有多功能、高效率等优点,在国外发达国家中早已成为灌注桩施工机械中的主力机种。最近几年,国内年需求量预计见下表1:
总之,旋挖钻机的发展在我国有很好的前景,进口产品正大量涌入我国市场,而我国同类产品的开发尚处于初始阶段,未来几年将处于急速发展的上升时期。因此浅析旋挖钻机的开发有着十分重要的意义!
一、几点看法
近年来,国内有几家单位对旋挖钻机陆续进行了一些开发工作,但由于种种原因,都没有能够形成系列的成熟产品。预计国内企业将加快开发旋挖钻机的系列产品。下面就其开发谈点看法:
(1)、开发时要清楚国内常用主要钻孔的方法
目前国内常用主要钻孔的方法有表2所列的几种。
通过上表可见,各种成孔机械都有各自不同的施工特点,受自身机械性能及施工条件的限制。把他们与旋挖钻机作施工工艺、适用地质及施工特点、施工局限性等方面的比较,可以发现旋挖钻机施工较传统方法有很多优点。可以克服传统钻孔工艺施工方法的缺点,充分发挥其施工效能。
(2)、开发时要清楚旋挖钻机的优点与缺点
2.1、旋挖钻机的优点:
①、成孔速度快
原来我国的公路、铁路、桥梁和大型的建筑物的基础桩施工大多采用传统的循环钻机或冲击钻机,生产效率很低,而采用旋挖钻机的工程,由于钻头直接从孔内提取岩土,故成孔速度快。由于孔底沉渣少,易于清孔,故质量得到了充分的保证。旋挖钻机与回旋钻机比较
如下:(表3)
旋挖钻机与回旋钻机比较表3

②、施工现场环保、干净
旋挖钻机由钻头旋挖取土,钻杆将钻头提出孔内再卸土。旋挖钻机的泥浆仅仅用来护壁,而不用于排碴,成孔所用泥浆基本上等于孔的体积,且泥浆经过沉淀和除砂还可以多次反复使用。旋挖钻机使用较少的泥浆,即可满足钻孔护壁的需要,因而,施工现场整洁,对环境造成的污染小,降低了施工成本。
③、行动方便
旋挖钻机具有履带,可以自行走,旋挖钻机钻进前对孔的定位非常准确、方便。
④、适应地层能力强
旋挖钻机配备不同钻头,即可用于对付沙层、土层、卵砾石、岩层等不同地质,不受地域限制。
⑤、适用各种桩基工程
旋挖钻机除用于旋挖钻进外,经简单改装后,还可用于长螺旋、地下连续墙等施工;适用范围极其广泛。
⑥、机动性强
旋挖钻机能独立作业。钻机的安装、拆卸无需辅助设施来完成,且能适应复杂地形的工地。占用空间小,能靠墙操作。
⑦、使用方便、维修简单
旋挖钻机的主要部件均为较为普遍的原产地部件厂家提供(如泵、发动机、马达、减速机等),可直接得到原产地厂家的售后服务支持。同时,设备结构简单,故障率极低。
⑧、孔口回填土对钻孔桩的影响少
旋挖钻机一般配备2米左右的孔口护筒(如孔口回填土较厚可加长),而且钻机本身可埋设护筒,这样也尽量避免了孔口回填土对钻孔桩的影响。
⑨、孔口掉泥、产生的沉渣少
水下导管灌注混凝土,是一种非常成熟的灌桩工艺,可避免孔口掉泥、灌注过程中产生的沉渣带来的不利影响。
2.2、旋挖钻机的施工缺点:
在地基与基础施工中常遇到的一些钻孔桩问题,采用旋挖钻机施工还很困难或者效率较低,主要表现:
①、当卵石粒径超过100mm时,钻进困难,对很多直径大子200mm的漂石地层,在这些地层中施工基础桩时常使用冲击钻或利用,组合式潜孔锤钻进,效率较低,旋挖钻机目前在这种地层施工还很困难,
②、稳定液管理不适当时,会产生坍孔;
③、废泥水处理困难;
④、沉渣处理较困难,需用清渣钻头:
⑤、施工扩底桩:为了提高单桩承载力,节约工程造价,很多桩基设计采用扩底桩,目前多采用人工挖孔扩底或回转反循环钻机扩底,这样能保证扩底尺寸和孔底干净,虽然旋挖钻机可用扩底钻头进行扩底,但很难保证孔底的厚度以及扩底尺寸满足设计要求。
⑥、套管钻进:为了减少抽水引起的地面沉降墓坑工程常设计“咬合桩”阻水方案,即将基坑支护桩和素混凝土桩互相“咬合”。既成为基坑的支护机构,也形成了基坑的阻水结构,为了保证“咬合”的精度,常采用套管钻进成孔工艺,对切割混凝土的厚度和钻孔的垂直度要求精度很高,目前一般旋挖钻机的配置还不能解决这种施工工艺问题:
⑦小径桩钻进效率较低:对于直径<800mm的钻孔,一般型号较高的旋挖钻机成孔效率反而大大降低,导致成本增大,在北京地区一般<20m的基坑设计护坡桩大都采用中600—中800桩径,并且降水井一般采用直径600mm,这种情况下护坡桩和降水井的数量很多,并且大都进入卵石地层,一般钻机施工效率很低,并且对垂直度和超径控制很差,但目前旋挖钻机在小径钻孔方面还未显示出明显的优势。
⑧、孔底压灌混凝土后插筋成桩:
为了解决在地下水影响不大(一般是在枯性土地层或粉细砂地层)的情况下快速成桩的问题,常采用咸孔后从孔底压灌混凝土至设计标高后,再将钢筋笼插入混凝土中的方式,这样既能保证钻孔不坍塌,又避免了水下灌注的繁锁,但目前旋挖钻机还不能解决这种施工工艺问题。
⑨、岩石钻进:一般嵌岩桩需在强风化、中风化,甚至微风化岩石中钻进,当用回转反循环钻进时,一般采用组合式牙钻头将岩石磨碎,然后用泵吸出沉渣。当用中击反循环钻进时,一般用冲击锤将岩石击碎,然后用泵吸出沉渣,旋挖钻机也只能采用组合式牙轮钻头,不同的是它是取芯钻进,在强风化地层其效率将低于前二种工艺,并且孔底沉渣需做特殊处理。
以上是在地基与基础施工中常遇到的施工工艺问题,有些通过改进旋挖钻机的配套设施,或选择合适的设计参数就能解决,但有的问题是旋挖钻机难于解决的,因此要想用旋挖钻机来解决所有钻孔桩的问题是不符合客观实际的。在旋挖钻机的设计生产过程中,应考虑功能的主流问题。其它一些问题,可通过其性能价格比较,施工工艺的难易程度综合分析解决。
(3)、开发时要清楚旋挖钻机的类型
旋挖钻机根据其主要工作参数、扭矩、发动机功率、钻孔直径、钻孔深度及钻机整机质量可以分为三种类型供选购:
①、小型旋挖钻机
小型旋挖钻机的应用:各种楼座的护坡桩、楼的部分承重结构桩、城市改造市政项目的各种小于1m的桩、适用于其他用途的桩。小型旋挖钻机的技术参数:扭矩100kN.m。发动机功率170kW,钻孔直径0.5~1m,钻孔深度40m左右,钻机整机质量40t左右。
②、中型旋挖钻机
中型旋挖钻机的应用:各种高速公路、铁路等交通设施桥梁的桥桩、大型建筑、港口码头承重结构桩、城市内高架桥桥桩、其他适用桩。中型旋挖钻机的技术参数:扭矩180kN.m,发动机功率200kW,钻孔直径0.8~1.8m,钻孔深度60m左右,钻机整机质量65t左右。
③、大型旋挖钻机
大型旋挖钻机的应用:各种高速公路、铁路桥梁的特大桥桩、其他大型建筑的特殊结构承重基础桩。大型旋挖钻机的技术参数,扭矩240kN.m,发动机功率300kW,钻孔直径1~2.5m,钻孔深度80m,钻机整机质量100t以上。
④、国内旋挖钻机根据下面条件设计选择:
a、国内旋挖钻机施工常用:
A.孔径:≤1000mm,孔深:≤35m(国内旋挖钻机干法施工常用)
B.孔径:≤1500mm,孔深:36m-54m(国内旋挖钻机施工常用)
C.孔径:≤2000mm,孔深:55m-70m(国内旋挖钻机施工不常用)
D.孔径:大于2000mm,孔深:大于70m(国内旋挖钻机施工不常用)
b、要开发适合国情的旋挖钻机:
目前国产旋挖钻机的品种偏少,国内大部分厂家一上来就搞200kN·m级的,投资非常大。而实际上据统计,国内的80%-85%的桩基础桩径在1.2m以下,深度不超过40-45m。如日本开发的旋挖钻机大多为:100kN.m以下的,国内进口的扭矩多为100kN.m以下的二手日本产旋挖钻机。用户反映,使用效果很好。国内的专家认为:青藏铁路需要大功率的旋挖钻只是个例,而且青藏铁路一旦建成,对大型的旋挖钻机的需求将减少!大型的旋挖钻机的需求是阶段性的!国内的旋挖钻机生产厂家,应该开发一些适合中国国情的旋挖钻机。中国国情就是价格不能太贵,主要性能能满足要求,这样旋挖钻机才能不断地得到推广使用。以替代目前我国仍在广泛使用的工程转盘钻机,减少环境污染,提高桩的施工质量。
c、旋挖钻机在20-50m范围内施工有优越
旋挖钻机是靠钻杆带动回转斗旋转切削土,然后提升至孔外卸土的周期性循环作业的取土成孔灌注桩施工机械,由于它作业的周期性,决定了它不可能比连续循环作业机械的效率高,如果用旋挖钻机与长螺旋钻孔机相比较,旋挖钻机在20~50m范围内可显示出其优越性,这是因为长螺旋钻孔机的切土钻进机构与输土机构是合为一体的,当功率一定时,转速高则扭矩小,扭矩大则转速低,一般情况下切削需要低转速大扭矩,而输土时需要高转速小扭矩,两种机构形成了矛盾体,相对旋挖钻机而言,当钻孔深度小于20m时,长螺旋钻孔机采用较高转速作业,可以连续输土钻进,因此效率远高于旋挖钻机,当钻孔深度超过50m甚至百米以上时,长螺旋钻孔机采用较低转速大扭矩亦可进行作业,而旋挖钻机因钻杆长度限制,无法施工,则无效率可言。
(4)、开发时要清楚旋挖钻机的主要部件与选购件
旋挖钻机基本组成:各型旋挖钻机均为全液压履带自行式,结构大同小异,都是由主机、履带式底盘、钻架、动力头、加压油缸、主副卷扬等部分组成,并全部安装组合在履带式底盘上。在开发旋挖钻机时要清楚国内外旋挖钻机的主要部件与选购件,对不同厂家同等钻孔能力的旋挖钻机,要重点对比其动力头额定回转扭矩、主卷扬单绳提拔力、机器重量、动力头额定输出扭矩、液压系统额定工作压力、主卷扬安全系数等等三个参数,认真分析国内外旋挖钻机的性能价格比等。
(5)、开发时要清楚国内外旋挖钻机制造的主要特点
1、旋挖钻机国内的生产公司
旋挖钻机近年来在我国正逐步推广应用,而我国同类产品的开发生产只有较短的发展史,产品数量和品种较少,在世纪之交的今天,我国正处在一个大发展时期,各种工程建设急需大量的建设机械,特别是公路桥梁、铁路、水利、城市发展,需要大量的桩工机械设备,从其发展的速度来看,旋挖钻机的市场巨大。但是制约进口钻机的主要因素是昂贵的进口价格,使大部分施工企业望而却步,也造成部分地区二手钻机市场的火爆。旋挖钻机属机电一体化设备。设备技术含量高,使用技术和设备保养要求严格。近年来,国内有几家单位对旋挖钻机陆续进行了一些开发工作,但由于种种原因,都没有能够形成系列的成熟产品。
目前旋挖钻机的国内的生产公司主要有:徐工:RDl5,RDl8/RDI8Z,RD22,成桩直径:1500mm-2500mm;钻进深度:60m。三一:SYR200。北京经纬巨力工程机械有限公司,动力头扭矩:120kN·m,200kN·m,ZY-120,ZY-200。
2、国外旋挖钻机
目前国外旋挖钻机在国内的公司主要有:著名的厂家有德国宝峨公司,其产品系列为BGl2~BG25;意大利土力公司,其产品为R412~R618;MAIT公司的HRl30~HR240;IMT公司的AF6~AF50;CMV公司的THl2~TH25等。国外产品最大扭矩可达360KNm,发动机功率达448KW,钻孔直径4米,钻深90余米。品牌主要集中于土力、宝峨、意马、麦特、卡萨格兰第、巨力、日本产小扭矩旋挖钻机。国外制造的旋挖钻机主要特点有以下几点:
①、旋挖钻机的机、电、液一体化高度集中,结构紧凑,操纵灵活方便,自动化程度高,采用伸缩式钻杆,节省了人力和加接钻杆的时间,施工中只需一人即可操纵整台钻机,工人劳动强度低;
②、旋挖钻机可自行移动,自立桅杆,整个工作机构可在履带底盘上做±360°回转。现场转移、对孔位灵活方便,辅助时间少。
③旋挖钻机的回转扭矩大,并可根据地层情况自动调整。
④、旋挖钻机的钻架采用“平行四边形连杆机构+三角形”的支撑结构,非常适合城市狭窄场地的施工。
⑤、旋挖钻机的履带底盘可以伸缩。
⑥、旋挖钻机的钻架上装有垂直度检测仪,可以检测和显示钻架的偏斜度,并可通过钻机的“微动”系统,调整钻架的垂直度。
⑦、旋挖钻机的驾驶室控制面板上装有孔深和钻架垂直度显示仪,以及反映发动机、液压系统工作状态的仪表、显示屏及报警装置,有的还装有全电脑操作系统,使操作手能实时掌握钻进深度、钻架垂直度,保证钻孔准确到达设计深度和良好的垂直度:实时掌握各系统工作情况,便于及时采取维修措施,保证钻机正常运转。
⑧、旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态有显示功能。钻杆牙嵌部位是极易磨损的,特别是在啮合不彻底的情况下,磨损后的修复也非常麻烦,以往操作者只能凭经验来感觉啮合,所以对操作者熟练程度的要求很高。有了钻杆牙嵌啮合情况显示功能后,显示器上能精确地显示牙嵌的啮合情况,即便是一位没有经验的操作者也能很好地操作,同时大大地减轻了工人的劳动强度。在钻孔作业时.根据需要钻孔深度往往达几十米.由于地质情况,钻杆与钻杆,钻杆与钻头连接等方面的原因,造成钻杆,钻头脱落在孔内的事故,给施工单位造成很大的损失。钻杆状态的显示功能,为操作者提供一个可视的钻杆,方便了操作者,避免了事故的发生。
⑨、旋挖钻机可实现多工艺钻进,能适应不同地层、不同桩基础处理方法施工的需要。一般类型的旋挖钻机除能进行旋挖钻进外,通过更换工作装置,还可实现跟管钻进和长螺旋钻进。国外的旋挖钻机的一机多能,结构设计上的突破,可做到只要更换钻具,就使机器具有螺旋,回转斗,连续墙,长螺旋和中抓斗钻孔机的功能。
⑩、旋挖钻机的远程控制功能的计算机控制系统,为方便操作者工作和实现对机器实时监测,设置了适用于白天工作的触模式敏感显示屏。它可显示以下信息:钻桅倾角,钻桅工作参数(扭矩动力头的旋转速度、钻孔深度、卷扬拉力和加压力),可远距离收集和调控失效和状态信息方面的操作系统,GPS定位系统。此外,此系统还可以产生一些特殊信息,如零件磨损和损坏情况、服务信息等。
总之,从国外旋挖钻机的产品有如下技术特点:整机采用钻孔深度、垂直度自动检测及控制;荧屏实时显示;钻孔定位技术;液压履带式伸缩底盘,保证了整机稳定性及良好的机动性能;自行起落可折叠式钻桅;大扭矩多节伸缩式钻杆,可匹配多种钻具,以适应不同作业需求;双速自适应动力头,既可进行钻孔,又能安放套管;采用了主、副卷扬的高度限位,动臂幅度限位及驾驶室内液控开关等安全保护装置;应用人机工程原理设计了新型操纵室,布置了冷暖空调,提高了操作舒适性等。
(6)、开发时要清楚旋挖钻机的的施工规范
旋挖钻机的施工规范涉及到:施工现场的地质勘探、施工现场的布置、施工现场各项规程制度、施工现场的城市建设的各项规程制度、成孔的一系列控制及各种情况的故障的不同的处理。旋挖钻机的施工规范的故障有:旋挖钻机的本身故障、旋挖钻机的施工成孔的故障、成桩的故障等。在施工现场从看到旋挖钻机施工工艺步骤看,成孔较复杂。旋挖钻机施工艺因地层不同,方法不同。如目前国内的在高原冻土层、常年冻土地层(坚硬难钻、冻土层扰动或形成孔洞地层、软硬互层或大漂石地层造成孔斜、淤泥地层钻具转动搅成泥浆取不出土,造成钻进无进尺;卵砾石层中夹杂有冻土或冰块地层;大卵石或漂石地层的钻具钻取时在孔底跟着转,或卡阻钻具造成孔内事故频繁;在复杂地层中进行桩很特殊的扩底钻进等等;漂石和孤石地层的成孔施工;再如在南方地层下的水较多的施工工艺问题。总之,旋挖钻机的设计者要在旋挖钻机的市场方面、旋挖钻机的设计与工艺方面、旋挖钻机的选购方面、旋挖钻机的施工与标准等方面多学习,才能设计出更多更好的低成本旋挖钻机的系列产品。
四、开发建议
1、研发的建议:旋挖钻机产品的研发应形成系列化,在国内200kN·m级的基础上,逐步开发形成:100kN·m级的、220kN·m级的、250kN·m级的、300kN·m级的、400kN·m级的等系列产品(对300kNm级的、400kN.m级的目前要跟踪与学习其技术),另外对于200kN.m级以下的产品开发出更加满足国情与市场需要经济型产品。
2、研发要围绕着国内旋挖钻机存在的不足点来开发
国内旋挖钻机存在的不足点是:
①、国内旋挖钻机的液压系统配置达不到国外的先进水平,特别是与世界先进水平的宝峨等钻机相比还有一定差距。
②、国内旋挖钻机的关键件如钻杆,特别是机锁式加压钻杆,国产的还不能满足主机的要求。因为:一是国产钢管在钢管加工时,圆度和直线度达不到设计要求,无论是强度还是精度都不能满足要求,二是钻杆的加工工艺还处在摸索之中,焊接质量不能保证,焊后易变形,而且变形难以调整。
③、国内旋挖钻机的整机的外观及操作室内仪表盘的布置不如国外,这方面应借鉴其他国产的工程机械,如挖掘机等。
④、国外的旋挖钻机,有的装有全电脑操作系统,使操作手能实时掌握钻进深度、钻架垂直度,保证钻孔准确到达设计深度和良好的垂直度。实时掌握各系统工作情况,便于及时采取维修措施,保证钻机正常运转,国内的基本靠人工经验。
⑤、国内旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态无显示功能。国外的旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态有显示功能。
总之,在旋挖钻机产品发展与开发方面,更瞄准国际旋挖钻机先进的技术,探讨人机工程,起点高,领域宽,形成国内旋挖钻机的形象和风格等等。在做好旋挖钻机的研发工作的同时,实现旋挖钻机的产品系列化。旋挖钻机的生产厂家一方面是要善于向外国旋挖钻机的企业学习。借鉴国外旋挖钻机先进技术为我用,在借鉴的基础上设计,生产适合我国国情的旋挖钻机产品,另一方面要加大旋挖钻机创新的力度,研发具有中国特色的旋挖钻机,使旋挖钻机具有外国产品不能比拟的优势,满足国内市场需求,填补我国基础机械领域的空白,跨越相当的时空使我国基础机械行业进入世界的先进行列,使国内基础机械行业最快的速度在最短的时期内出现一个崭新的局面。