旋挖钻机在工程中的应用

旋挖钻机在工程中的应用旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械。具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活、施工效率高等特点，一般适用粘土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层，借钻具自重和钻机加压力，耙齿切入土层，在回转力矩的作用下钻斗同时回转配合不同钻具，适应于干式（短螺旋）、湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作业。根据不同的地质条件选用不同的钻杆、钻头及合理的斗齿刃角。对于具有大扭矩动力头和自动内锁式伸缩钻杆的钻机，可以适应微风化岩层的施工。目前，旋挖钻机的最大钻孔直径为3m，最大钻孔深度达120m，（主要集中在40m以内），最大钻孔扭矩620kNm。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。旋挖钻机一般采用液压履带式伸缩底盘、自行起落可折叠钻桅、伸缩式钻杆、带有垂直度自动检测调整、孔深数码显示等，整机操纵一般采用液压先导控制、负荷传感,具有操作轻便、舒适等特点。主、副两个卷扬可适用于工地多种情况的需要。旋挖钻机配合不同钻具,适用于干式（短螺旋）或湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作业,还可配挂长螺旋钻、地下连续墙抓斗、振动桩锤等，实现多种功能，它广泛应用于桥梁、市政建设、高层建筑等基础的钻孔灌注桩工程、水利、防渗护坡等基础施工。1旋挖钻机的发展历史旋挖钻机在二战以前在美国卡尔维尔特公司问世，二战之后在欧洲得到发展。1948年意大利迈特公司首先开始研制，接着意大利、德国开始发展，到了上世纪70～80年代在日本得到快速发展，当时日本称之为回转斗成桩，也叫阿司特利工法（EarthDrill），在德国、日本这类工法相当普遍。我国在上世纪80年代初从日本引进过工作装置，配装在KH-125型履带起重机上。1984年，天津探矿机械厂引进美国RDI公司的旋挖钻机并进行消化吸收。1988年北京城建机械厂根据土力公司（SOILMEC）的样机开发了1.5ｍ直径的履带起重机附着式旋挖钻机。1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP公司附着式旋挖钻孔机的生产技术，但都没有形成批量生产。1992年宝峨公司在北京设立了代表处，开始了对华的业务，并于1995年在天津成立了独资子公司宝峨天津机械工程有限公司，组装适合中国市场的宝峨BG20型旋挖钻机。1998年在上海又成立了中德合资上海宝峨金泰工程机械股份有限公司，生产组装BG15型旋挖钻机。1999年哈尔滨四海工程机械公司和徐州工程机械股份公司先后开发了附着式旋挖钻机和独立式旋挖钻机。2001年经纬巨力第一台旋挖钻机试制成功。2003年后三一、山河智能等多家生产厂家的旋挖钻机陆续下线，产销两旺。最近几年我国旋挖钻机取得了快速发展，目前国内生产旋挖钻孔机厂商有十余家，主要有徐工科技、三一重工、郑州宇通、北京经纬巨力、河北石家庄煤机、湖南山河智能、杭州天锐、北方重汽、哈尔滨四海、郑州金牛、连云港黄海、兰州通用、新河钻机等。国外主要生产厂商有意大利意马（IMT）公司、CMV公司、迈特公司、土力公司、德国宝峨公司、芬兰永腾（JUNTTAN）、日本日立、日车、神钢等。2、旋挖钻机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：2.1小型机扭矩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。小型机的应用市场定位：（1）各种楼座的护坡桩；（2）楼的部分承重结构桩；（3）城市改造市政项目的各种小于1m的桩；（4）适用于其他用途的桩。小型机的市场工作量覆盖比例达到30%以上。1.2中型机扭矩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。中型机的应用市场定位：（1）各种高速公路、铁路等交通设施桥梁的桥桩；（2）大型建筑、港口码头承重结构桩；（3）城市内高架桥桥桩；（4）其他适用桩。中型机的市场工作量覆盖比例达到90%以上。1.3大型机扭矩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。大型机的应用市场定位：（1）各种高速公路、铁路桥梁的特大桥桩；（2）其他大型建筑的特殊结构承重基础桩。大型机的市场工作量覆盖比例达到10%以上。3、旋挖钻机的国内应用1993～1994年在上海浦东八百伴大厦基础灌注桩工程中全部采用了旋挖成孔法施工并取得成功，在国内起到了推动作用；在北京五环路的基础施工中，旋挖钻机占了绝大多数，最多时达到30多台；国家重点工程青藏铁路格拉段的地层多是永冻的土层、砂砾、不规则泥页岩、还有软硬互层灰岩，有的冻土厚度达到百米以上，中铁集团采用旋挖钻进施工工艺，2002年3月开始，大量的旋挖钻机进入青藏铁路线施工，到8月中旬统计有100多台，其中国产设备9台。青藏铁路大量使用旋挖钻机引起了施工和生产制造企业的格外关注，无疑推动了旋挖钻机开发和应用。2004年在北京奥运国家体育馆建设工地一次使用旋挖钻机16台。2006年的郑西铁路客运专线除岩层地质外，其余地层均采用旋挖钻机进行施工，2007年的哈大铁路客运专线及2008年京沪铁路客运专线均采用旋挖钻机进行桥桩基础的施工。2003年山西省机械施工公司申报了静态泥浆护壁、旋挖式钻孔灌注桩施工国家级工法，国土资源部勘探技术研究所抓住了北京等大城市和青藏铁路线大量使用旋挖钻机的机遇，及时地把研制的旋挖钻头推向市场，并在旋挖钻进工艺方面也作了深入的研究。2000年徐工集团RD18型钻机研制成功，最大成孔直径2m，最大钻深60m，有3台在青藏铁路和多台在北京的工程中使用；2003年3月三一重工研制成功履带可伸缩的SYR220型旋挖钻机，先后在青藏铁路、北京银泰大厦、天津、南京等工地接受了施工考验。近几年我国的旋挖成孔法的大量采用，旋挖钻机使用量增加，特别是2003年许多厂家旋挖钻机相继研制成功，推动了旋挖钻机的生产和应用。目前，国内各种型号旋挖钻机市场拥有总量(到2008年)为1000多台，其中国产旋挖钻机占45％左右，国外二手旋挖钻机约为30％。4、旋挖成孔的工艺优势4.1广泛的适应性在硬土地层，由于传统钻机的自重有限，不可能给钻头施加更大的进给压力。而旋挖钻机由于采用动力头装置，动力头的给进力加上钻杆的重量，钻进能力强。据统计，在相同的地层中，旋挖钻机的成孔速度是转盘钻机的5～10倍。4.2良好的环保性目前国内传统钻机多采用连接钻杆形式和掏渣桶掏渣，在钻进过程中多采用泥浆循环方式，泥浆对于这类钻机起润滑、支护、置换和携带钻渣的作用。随着对城市建设环保要求愈加严格，传统钻机面临更大危机。而旋挖钻机采用动力头形式，其工作原理是用短螺旋钻头或旋挖斗，利用强大的扭矩直接将土或砂砾等钻渣旋转挖掘，然后快速提出孔外，在不需要泥浆支护的情况下可实现干法施工，即使在特殊地层需要泥浆护壁的情况下，泥浆也只起支护作用，钻削中的泥浆含量相当低，这使污染源大大减少，进而降低了施工成本，也改善了施工环境，成孔效率高。4.3提高灌注桩的承载力由于旋挖钻机的特殊成孔工艺，它仅需要静压泥浆作护壁，所采用的泥浆一般用膨润土、火碱、纤维素等配置，在孔壁不形成厚的泥皮。此外由于钻头的多次上下往复，使孔壁粗糙、不易产生缩径。在孔壁上形成较明显的螺旋线，有助于提高桩的摩阻力与传统的钻孔灌注桩相比，旋挖钻孔灌注桩的承载能力提高。4.4可在水位较高、卵石较大等用正、反循环及长螺旋钻无法施工的地层中施工。4.5自动化程度高、成孔速度快、质量高。旋挖钻机为全液压驱动，电脑控制，能精确定位钻孔、自动校正钻孔垂直度和自动量测钻孔深度，最大限度地保证钻孔质量。其工效是循环钻机的20倍，最重要的是，工程的质量和进度得到了充分的保证。伸缩钻杆不仅向钻头传递回转力矩和轴向压力，而且利用本身的伸缩性实现钻头的快速升降，快速卸土，以缩短钻孔辅助作业的时间，提高钻进效率。4.6履带底盘承载，接地压力小，适合于各种工况，在施工场地内行走移位方便，机机动灵活，对桩孔的定位非常准确、方便。4.7自带柴油动力，缓解施工现场电力不足的矛盾，并排除了动力电缆造成的安全隐患。5、旋挖钻机的施工工艺5.1施工工艺原理旋挖钻机主要是其成孔工艺与其它桩基不同，旋挖钻机采用静态泥浆护壁钻斗取土的工艺（当然也有干土直接取土工艺，视工地现场地层条件而定），是一种无冲洗介质循环的钻进方法，但钻进时为保护孔壁稳定，孔内要注满优质泥浆（稳定液）。旋挖钻机工作时能原地作整体回转运动。旋挖钻机钻孔取土时，依靠钻杆和钻头自重切入土层，斜向斗齿在钻斗回转时切下土块向斗内推进而完成钻取土；遇硬土时，自重力不足以使斗齿切入土层，此时可通过加压油缸对钻杆加压，强行将斗齿切入土中，完成钻孔取土。钻斗内装满土后，由起重机提升钻杆及钻斗至地面，拉动钻斗上的开关即打开底门，钻斗内的土依靠自重作用自动排出。钻杆向下放关好斗门，再回转到孔内进行下一斗的挖掘。终孔后能快速的移位或至下一桩位施工。5.2旋挖钻机施工工艺流程定桩位→埋护筒→注泥浆→钻进取土→一次清孔→放钢筋笼→插入导管→二次清孔→砼灌注→拔出护筒。5.3施工要点5.3.1泥浆的配比与制备5.3.1.1泥浆的配比泥浆配比中所用材料作用：水：稳定液的主要成份；粘土、膨润土（以蒙特土为主的粘土矿物６～８﹪）：稳定液的主要材料；工业用碱（含量5%）：调节泥浆PH值；重晶石：增加相对密度；CMC（羟甲基纤维素钠盐0.3﹪）：增加粘性，增加泥皮强度；渗水防止剂（纸浆、棉子、锯屑适量）：防止渗水。5.3.1.2泥浆制备现场设泥浆池（含回浆用沉淀池及泥浆储备池）一般为钻孔容积的1.5～2.0倍，要有较好的防渗能力。在沉淀池的旁边设置渣土区，沉渣采用反铲清理后放在渣土区，保证泥浆的巡回空间和存储空间。制务泥浆的的设备有两种，一是用泥浆搅拌机，一是有用水力搅拌器。使用粘土粉造浆时最好用水力搅拌器；使用膨润土造浆时用泥浆搅拌机。护壁泥浆再生处理。施工中采用重力沉降除渣法，即利用泥浆与土渣的相对密度差使土渣产生沉淀以排除土渣的方法。现场设置回收泥浆池用作回收护壁泥浆使用，泥浆经沉淀净化后，输送到储浆池中，在储浆池中进一步处理（加入适量纯碱和CMC改善泥浆性能）经测试合格后重复使用。5.3.2埋设护筒桩基定位后，根据桩定位点拉十字线钉放四个控制桩，以四个控制桩为基准埋设钢护筒，为了保护孔口防止坍塌，形成孔内水头和定位导向，护筒的埋设是旋挖作业中的关键。护筒选用10mm厚钢板卷制而成，护筒内径为设计桩径+20cm，高度2.0m，上部开设2个溢浆孔，护筒埋设时，由人工、机械配合完成，主要利用钻机旋挖斗将其静力压入土中，其顶端应高出地面20cm，并保持水平，埋设深度1.8m，护筒中心与桩位中心的偏差不得大于50mm。护筒埋设要保持垂直，倾斜率应小于1.5％。5.3.3钻孔定位在桩位复核正确，护筒埋设符合要求，护筒、地坪标高已测定的基础上，钻机才能就位；桩机定位要准确、水平、垂直、稳固，钻机导杆中心线、回旋盘中心线、护筒中心线应保持在同一直线。旋挖钻机就位后，利用自动控制系统调整其垂直度，钻机安放定位时，要机座平整，机塔垂直，转盘（钻头）中心与护筒十字线中心对正，注入稳定液后，进行钻孔。5.3.4钻进成孔成孔前必须检查钻头保径装置，钻头直径、钻头磨损情况，施工过程对钻头磨损超标的及时更换；根据土层情况正确选择钻斗底部切削齿的形状、规格和角度；根据护筒标高、桩顶设计标高及桩长，计算出桩底标高，以便钻孔时加以控制。成孔中，按试桩施工确定的参数进行施工，设专职记录员记录成孔过程的各种参数，如加钻杆、钻进深度、地质特征、机械设备损坏、障碍物等情况。记录必须认真、及时、准确、清晰。钻孔过程中根据地质情况控制进尺速度：由硬地层钻到软地层时，可适当加快钻进速度；当软地层变为硬地层时，要减速慢进；在易缩径的地层中，应适当增加扫孔次数，防止缩径；对硬塑层采用快转速钻进,以提高钻进效率；砂层则采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。钻机就位时，必须保持平整、稳固，不发生倾斜。为准确控制孔深，应备有