旋挖钻机的使用与选购原则

长久以来,国内基础施工使用的钻孔机主要是电机驱动的转盘钻孔机、浅水工程钻孔机、长螺旋钻机等机械式钻机,行走方式主要为步履式或滚管式,用泥浆泵、沙石泵等正反循环排渣方式,这些钻机技术落后,存在着扭矩小,作业效率低,移动不方便,泥浆污染重等缺点。
目前在国外发达国家,这些钻机已被淘汰且被先进的大扭矩液压履带式钻机施工所代替。在国内,2001年,随着青藏铁路施工的进行,大量旋挖钻机涌入中国,国内的旋挖钻机市场开始很快地发展起来。旋挖钻机可适于砂土、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。

1 旋挖钻机的性能特点
旋挖钻机是一种适合建筑基础工程成孔作业的桩工机械。旋挖钻机一般以柴油机为动力,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。
旋挖钻机通过底部带有活门的桶式钻头的回转破碎岩土,并直接将其装入钻头内,然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土,这样循环往复,不断地取土、卸土,直至钻至设计深度。对粘结性好的岩土层,可采用干式或清水钻进工艺。而在松散易坍塌地层,则必须采用静态泥浆护壁钻进工艺。它的主要特点是:
(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,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,故工程质量得到了充分的保证。
(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。旋挖钻机的泥浆用量很少且仅仅用来护壁,而不用于排渣,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。因而,旋挖钻机施工现场整洁,对环境造成的污染小,降低了施工成本。
(3)移动方便、机动性强。
旋挖钻机底盘采用履带式挖掘机底盘,可自行行走,准确定位钻孔。此外,旋挖钻机能独立作业,机动性强,适应复杂地形,钻机的安装、拆卸无需辅助设施来完成,占用空间小,能靠墙操作。
(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)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,旋挖钻机结构简单,故障率极低。
(7)孔口回填土对钻孔桩的影响少。
旋挖钻机一般配备2m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,这样可尽量避免孔口回填土对钻孔桩的影响。
(8)孔口掉泥、产生的沉渣少。
旋挖钻机采用水下导管灌注混凝土。这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 旋挖钻机选购的原则
目前国内外可供选择的旋挖钻机性能范围非常大,各个厂家的主导产品均是最大钻孔直径在1.5??2.0m之间,而钻孔灌注桩的最常用的桩径一般为1.2??1.5m,考虑到安全储备系数,这类钻机对于施工这种桩径是非常适合的。同时,有些厂家生产的钻机孔径范围非常大,大型钻机孔径可达到3m,为用户提供了一个非常宽的选择范围,可适用不同的工程需要。用户可根据自己的资金情况及常用的工程情况,综合考虑性价比,选购不同价格、不同性能优势的钻机。在此,我们给出一些旋挖钻机选购方面的建议。
2.1　选购前需要考虑的类型
选择旋挖钻机的原则应该是能满足用户目前的主要工程需求,兼顾今后可能发生的工程需求。此外,旋挖钻机的性能参数要留有发展余地。
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。
2.2　选购时需要考虑的参数
确定了大小机型以后,选购旋挖钻机器需要考虑的参数有以下几个:
2.2.1　钻机扭矩
选择钻机扭矩要依据工程需要,确保钻机能够可靠地工作在钻机的高效区,其选择原则有二:一、钻机在正常钻进时能够平均进度5m/h以上。二、在土层,成孔直径每扩大100mm,钻机扭矩应增大10kN·m;在密实度大的砂层、砾石层,成孔直径每增大100mm,钻机扭矩应增大15??20kN·m。
2.2.2　动力、液压、电器系统
动力系统要求工作可靠,无故障工作时间长,一般应采用国内外的名牌发动机,如卡特彼勒、康明斯等。液压系统和电气系统则考虑其可靠性,液压和电子元件应性能可靠,服务好、国内备件好解决。
2.2.3　钻杆
钻机的钻杆可以分为摩擦钻杆和锁紧钻杆两大类。摩擦钻杆是指钻杆上的键只能传递扭矩而不能传递钻压的钻杆,而锁紧钻杆是指钻杆之间通过加压平台可以锁成一个刚性体对地层加压钻进的钻杆。摩擦钻杆在提钻时不需要解锁,操作简单,但由于加压能力有限无法钻进较硬地层。锁紧钻杆的地层适应能力强,但需要解决提钻时可能对钻杆造成强烈冲击的问题。锁紧钻杆又可分为简单的加压式钻杆和六键式嵌岩钻杆。简单加压式钻杆可以实现加压,但加压平台较窄,压强较大,容易磨损造成加压失效,因此不能真正适应坚硬地层的施工;而六键式嵌岩钻杆的加压平台宽大,可以稳定地传递大钻压,又因为是六键结构,钻杆本身抗失稳的能力很强,可以有效地克服钻杆的细长杆效应。
钻杆的选购:目前从钻杆形式上,可分为牙楔式、半牙楔式、摩阻式3种。选择钻杆形式应该按照牙楔式、半牙楔式、磨阻式的顺序。牙楔式、半牙楔式在坚硬的地层中成孔时,可以可靠地实现钻杆加压,在硬地层和一般地层成孔时。钻杆加压力的可控程度很好。钻杆长度应根据成孔深度确定,在成孔深度范围很大时,应选择两套钻杆,一套不短于60m的长钻杆和一套40m左右的短钻杆。为了保证卸渣方便,考虑到钻机的大小,一般中、小型钻机钻杆的最底部安装钻头的四方部分,在钻桅处于最高位置时,距地面应不小于6m,大型钻机应不小于7m。为了保证最大直径的钻头安装,一般中、小型钻机,钻杆中心线和钻桅滑道面距离应不小于1000mm,大型钻机不小于1200mm。
钻杆减振方式的选购:钻杆减振方式目前有橡胶减振、弹簧减振、橡胶--弹簧复合减振。橡胶减振只有减振功能,可以减少每节钻杆端部磨损,有效保证钻杆的使用寿命。弹簧减振、橡胶--弹簧复合减振除了可以有效保证钻杆的使用寿命外,还可以通过振动将钻头内难以卸掉的粘土类渣土卸掉,有效提高工作效率。弹簧减振的钻杆,采用振动卸土方法时弹簧使用寿命较短。应严格控制振动振幅和振动次数,并应备有备用弹簧。建议短钻杆采用弹簧减振,长钻杆采用橡胶减振。
2.2.4　钻桅调整结构
钻机的钻桅调整结构目前有三角形和平行四边形两类。从钻机现场安装、拆卸以及施工中穿越空中障碍等情况看,平行四边形的钻桅调整结构,具有更大的实用优势。
2.2.5　辅助功能
(1)钻桅垂直度自动检测控制功能。
旋挖钻机在工作时,钻桅要经常随着上车回转移动,因油缸泄漏,钻桅受冲击等原因,在工作过程中易造成钻桅的倾斜,影响成孔质量,因此为了保证钻桅在工作过程中的垂直度,满足旋挖钻机工作时钻桅垂直度要求,需考虑旋挖钻机的钻桅垂直度自动检测控制功能。
(2)旋挖钻机回位自动对正功能。
旋挖钻机在循环作业时,每次循环均应精确对准孔位,以确保成孔质量。旋挖钻机回位自动对正系统,就是在回转控制油路中增加信号反馈控制系统,采用角度传感器或限位装置,使旋挖钻机的钻具自动对正孔位。此系统不仅可以提高整机作业效率,减少操作人员的劳动强度,更重要的是提高了成孔质量和整机性能。
(3)钻孔深度自动检测功能。
旋挖钻机在钻孔过程中能通过光电传感器,利用电子检测系统自动全过程检测钻孔的深度,并能通过荧屏进行数码显示。旋挖钻机配备自动测深装置,既可测量每次钻深,又可测量总的钻深。
(4)钻孔速度及扭矩自适应控制技术功能。
钻孔速度及扭矩自适应控制技术功能可根据土壤阻力情况,充分利用发动机功率,自动改变动力头转速及扭矩,最大限度地提高钻进效率。
(5)故障诊断功能。
故障诊断功能通过分布于机器各部位的传感器采集机器工作状态数据,由总线传输至机载PC,进行信号分析,并与工作数据库比较,实现对机器工作状态的实时监测,并能与专家系统连接,实现机器常见机械、液压、电气故障的智能诊断。
(6)安全装置功能。
旋挖钻机有安全装置包括紧急停车和驾驶室防护装置。紧急停车装置主要防止旋挖钻机工作时,驾驶员视力盲区发生旋挖钻机伤人等事故;驾驶室防护装置主要防止飞溅物击中驾驶室以及意外翻车时对驾驶员造成的伤害。
2.2.6　钻头钻具
购买钻机时,根据具体情况应考虑同时购买部分钻头。目前国内外旋挖钻机钻头的三种常用进土结构有:
(1)短螺旋钻头。
旋挖钻头主要以短螺旋钻头为主,它主要靠螺旋叶片之间的间隙来容纳从孔底切削下来的土、砂砾等。这种钻头结构简单、造价低,地层较好时,使用它也可达到好的效果,如果地下砂砾石较多或含水较多时,在提钻时很容易掉块,钻进效率低,甚至于不能成孔。
(2)单层底旋挖钻斗。
在地下水位较高,或含砂砾较多的地层,目前多数旋挖钻机均采用钻斗钻进,用静压泥浆护壁。这种钻孔工艺已明显优于短螺旋钻头钻孔。最早的旋挖钻斗是单层底,在底下方有对称的两扇仅可向斗内方向打开的合页门。当钻斗钻进时,孔底切削下来的土、砂经合页门压入斗内;在提钻时,在斗内土砂的重力作用下,两扇门向下关闭,以阻止砂土漏回孔内。由于这种重力作用不是十分可靠,时常发生合页门关闭不严,造成砂土漏回孔内,降低了钻进效率,还会影响孔底清洁度。
(3)双层底旋挖钻斗。
20世纪90年代以来,国外的一些钻机制造公司,在原单层底钻斗的基础上,开发出双层底的旋挖钻斗。其特点是第二层底可以相对回转一个角度,以实现斗底进土口的打开与关闭。即在顺时针旋转切削时,底部的进土口为开放状态,当钻完一个回次后,将钻斗逆时针旋转一个角度,致使进土口强行关闭,从而使切削物完整地保存在斗内。实践表明,在复杂地层中,双层底钻斗的钻进效率及孔底清洁度明显优于单层底钻斗。
2.2.7　运输尺寸
根据我国运输车辆和城市道路、桥梁的实际情况,钻机的运输尺寸应控制在最大长度13m左右,宽度3.2m以内,高度3.2m以下。

                                                                       徐工集团研究院　　张启君/ ZHANG Qijun 杨裕丰/