摇动式全套管设备和工法浅析分析

1摇动式全套管设备和工法浅析摘要：摇动式全套管设备分为全套管旋挖设备和全套管冲抓设备两大类，旋挖型搓管钻机和冲抓型搓管钻机是设备的核心部分。全套管工法可实现全孔护壁干式钻掘，边起拔套管边灌注，成孔和灌注成桩一次完成，是一种适合在城市施工的环保型和安全型施工技术，能够最大限度地保证施工质量，易于实现科学程序施工。关键词：摇动式全套管设备，旋挖，冲抓，全孔护壁，干式钻掘1.概述近几年，随着整个国民经济的快速发展，我国建筑桩工技术和设备在城市轨道交通、高层建筑、高速路桥建设和铁路建设等领域呈现了“跳跃式”的发展，同时为国民经济的持续快速发展做出了巨大的贡献。纵观目前国内外种类繁多的桩工技术，现场灌注桩工法和预制桩工法是最有代表性的施工方法，下面列出桩工技术的一种分类方法：非套管工法是目前国内较常用的工法，其广泛应用部分归因于其施工设备的普及和施工直接成本相对低廉。但该类工法的不足之处是，为了防止孔壁坍塌，一般要注入泥浆等钻孔稳定液进行护壁，导致PH值较高的废弃物的产生，从而造成环境污染；另外非套管工法在松散、软弱、易坍塌（我国华东和东南沿海的流沙、淤泥和富水砂层等地层）的地层中钻孔时极易发生塌孔和埋钻施工，不仅延误工期，而且带来严重的经济损失和不良的社会影响。全套管工法在国外（特别是欧洲）自八十年代以来就已经在城市建设中被广泛应用，由于其环保、安全和广谱的三大特色，近几年在国内也开始被逐渐认识和采用，是很有推广前景的绿色环保工法。限于篇幅有限，本文主要介绍摇动式全套管工法和设备。2.摇动式全套管工法的国内外发展现状全套管钻机及其施工法50年代初起源于法国贝诺特公司，因而得名“贝诺特”工法。1954年日本引进了法国NO-6型钻机，1955年引进了EDF-55型钻机，1958年引进了超级EDE型钻机，形成了日本三菱、加腾两大具有代表性的全套管设备制造公司，以后又发展到横山、三合等公司。1966年在日本已基本形成系列并向东南亚、欧洲出口。80年代该工法又结合反循环工法与扩底钻使其更加完善。但这一时期的套管钻机基本上以摆动自行式钻机为主，即塔架、搓管机、动力站与自行式底盘形成一体。由于设备比较庞大、笨重，加上结构尺寸上的限制，搓管角度比较小，灵活性差，成孔直径一般在1100mm以内。属于第一代产全套管工法非套管工法全回转全套管工法摇动式全套管工法旋挖钻孔工法反循环钻孔工法长螺旋钻孔工法现场灌注桩工法预制桩工法2品，进入80年代中后期随着基桩口径向1500mm以上大口径方向发展，这种自行式套管钻机已不能满足施工要求，随之出现了附着式搓管机配普通吊机的分体式套管钻机。这种机型极大地增强了套管设备的灵活性，搓管机作为一个工作机构，通过机械接口附着在吊机底盘上，所需动力可以单独配置独立液压泵站，也可通过吊机底盘预留的液压接口直接引用吊机底盘动力。吊机底盘在完成正常冲抓孔作业的同时，在吊臂工作范围内还可起吊套管等其它重物，施工现场一般不用再配备其它专用吊机协助作业。在没有桩基工程时，吊机底盘可用于其它用途作为普通吊机使用，大大提高了设备利用率。套管钻机使用的冲抓斗多为单、双绳两用抓斗。套管分单壁式和双壁式两种结构型式，一般Φ1500mm以下的套管常做成单层，Φ1500mm以上的套管常做成双层。套管之间的联接有平键定位锁销式，切口定位插板式等联接方式。目前国外Φ2000mm以内的套管钻机为附着式搓管机配吊机这种分体结构型式，且作为扭摆套管装置已成为知名厂商中、大直径多功能全套管钻机的标准配置单元。这种钻机除了配备冲锤和抓斗外，还可配套回转钻斗、空心钻头、扩孔钻头、短螺旋和长螺旋钻具等多种钻掘工艺方法。目前国外生产附着式搓管机的知名厂家主要有德国的宝峨、Leffer公司（已被土力公司兼并），意大利的土力、卡沙特兰地等公司。90年代，我国全套管施工设备的研制尚属空白，使用全套管设备开始于80年代初。据不完全统计，从1981年交通部引进日本三菱MT150全套管钻机算起，截止1992年总共进口近70台，多数为摆动自行整体式套管钻机，属于国外早期产品。进入90年代我国深圳特区、云南省有关部门引进了少量附着式搓管钻机，绝大多数产自德国和意大利。在该领域我国与先进国家相比从使用角度看至少落后20年，全套管整套施工设备的自主研制尚属空白。我国该领域的科研开始于1995年，原地质矿产部勘探技术研究所在国内率先进行了“全套管冲抓施工设备、器具及施工工艺”的科研，2000年底研制出首台Φ1500mm搓管钻机，经四年的成果转化，2005年“CG型全套管冲抓成孔设备”被科学技术部等四部委确定为国家重点新产品。设备总体性能达到了国际先进水平，填补了我国在该技术领域的一项空白。目前研究所已形成系列化搓管钻机的产业化生产，产品远销中欧、东欧、中东、南亚的许多国家。3摇动式全套管设备摇动式全套管设备按配套设备（冲抓履带吊机和旋挖钻机）的不同主要分为两种：全套管旋挖设备和全套管冲抓设备。3.1全套管旋挖设备12343图1设备组成（如图1）：主要由1-搓管钻机（旋挖型）、2-钢套管、3-旋挖钻具、4-旋挖钻机等组成。另外单独设计的搓管钻机液压泵站方便了液压取力，使旋挖和搓管作业可同时进行互不干扰，同时大大提高了不同厂家旋挖钻机配套的灵活性。工作原理：施工时需配备主提升力15吨以上的旋挖钻机用于搓管钻机的工作反力和牵引移位。搓管钻机往复小角度搓动钢套管并将其压入地层，同时旋挖钻机驱动旋挖钻具回转并钻掘出套管内岩土，套管护壁钻掘至设计深度后在套管内下入全孔钢筋笼并灌注混凝土，同时搓管钻机继续搓动和起拔套管，边起拔边灌注，直至灌注完毕并起拔出全孔套管，此时成孔和灌注成桩一次完成。不同型号的搓管钻机可施工的套管口径范围不尽相同，目前该设备的施工口径为Ф600～2000mm，套管护壁钻进深度的大小受地层情况和套管靴切削齿的正确选择等方面的影响较大，在第四纪土层中的套管钻进深度一般可达到25-40米，而旋挖钻机驱动器的钻套管深度只有10米左右。3.2全套管冲抓设备图2设备组成（如图2）：主要由1-搓管钻机（冲抓型）、2-钢套管、3-冲抓斗、4-履带吊机、5-液压泵站等组成。工作原理：施工时需配备主卷扬提升力30～50吨、副卷扬提升力5～10吨以上的履带吊机用于搓管钻机的工作反力和牵引移位以及冲抓斗的冲抓作业。搓管钻机往复小角度搓动钢套管并将其压入地层，同时履带吊机操纵冲抓斗冲抓并取出套管内岩土，套管钻进和灌注过程如前所述。1234544摇动式套管钻机（搓管钻机）搓管钻机是摇动式全套管设备的核心部分。下面简要介绍我国勘探技术研究所研发的搓管钻机的两类机型。图3图4旋挖型搓管钻机（见图3）与旋挖钻机配套使用，主要由夹持油缸及夹持臂、搓管油缸和滑动尾架、压拔油缸、下夹持油缸、扶正油缸、液压控制单元和液压接口、有线遥控盒和电器接口、钻机底架和与旋挖钻机底盘连接的伸缩接口板等组成。冲抓型搓管钻机（见图4）与履带吊机配套使用，机身长度较长，钻进能力较大，有遥控和手把操作两种方式。上述两种搓管机既可采用单独液压泵站驱动又可直接采用旋挖钻机或履带吊机的液压动力源。产品特点如下：钻进能力大、效率高：采用恒功率变量双泵分别驱动搓管油缸和压拔油缸，功率损失小，系统效率高。套管的搓动和压拔同时工作且互不干扰，提高了处理拔管事故的能力，技术性能指标达到国际先进水平。搓管换向技术先进可靠：可采用无触点电磁开关、行程开关、液压换向等多种方式控制实现搓管油缸自动换向，换向准确可靠。旋挖搓管机采用远程电液先导液控换向技术，与旋挖操作集成在一起，实现了有线遥控，操作安全灵活。桩孔垂直精度高：采用扶正连杆机构、液压系统同步和背压回路，提高了钻进稳定性和起始套管钻进精度，桩孔垂直精度可提高到0.5‰。一机多径使用范围广：更换不同规格卡瓦可施工Ф600mm～Ф2000mm任意口径的桩孔。5套管（全护筒）套管分为单壁套管和双壁套管。套管一般制成不同长度的标准节，施工时根据桩的长度进行配套。5套管在入土过程中将承受一定的扭矩，而且桩越长所承受的扭矩越大，因此现在的套管多为双壁套管。它是由上下接头及双层卷管焊接而成，上下接头均为经过精心加工的接头，便于套管互换连接。各连接孔加工时有工装保证精度，便于套管的互换安装。套管与套管之间的连接是通过专用的内六角螺栓进行的。双壁套管的外形和规格如图5和表1所示。图5：双壁套管表1：双壁套管规格套管在钻进过程中，可能会遇到各种复杂与较坚硬的土层，为了使套管钻进顺利，在套管下部连接有切削齿的套管钻头。钻头切削齿根据形状不同可分为内侧齿、中齿和外侧齿。切削齿的刃部都镶有硬质合金。切削齿内外出刃15mm左右，一方面便于切削，另一方面可以减少套管与土体磨擦。标准切削齿的选定及配置根据要削土层的不同而异6结论近几年，旋挖设备和工法在我国得到了迅速的发展，其主要原因就是因其具有环保、安全和高效的特点。全套管设备与旋挖设备同属大口径干式环保型钻孔灌注桩施工机械，但后者在泥浆难以护壁的软弱地层、钻头难以钻掘的坚硬岩层或卵砾石层中的使用受限，而前者利用冲击和冲抓等器具可顺利钻掘上述地层。目前国外品牌的旋挖钻机制造商多数已将套管钻机作为旋挖钻机的一个配置单元，以扩大旋挖设备在复杂地层条件下施工的能力。全套管工法是一种适合在城市施工的环保型和安全型施工技术，能够最大限度地保证施工质量，易于实现科学程序施工。采用该工法，可以为施工方节省大笔泥浆材料和泥浆处理费用，可以有效避免因地层复杂和钻进中断造成的断桩和承载力不足等常见质量事故，可以显著减少机械和人为操作不当造成的机械和人身事故，可以避免多数工法对临近建筑地基的扰动和破坏，施工中不扰民、不污染环境，其潜在的经济效益和社会效益是非常巨大的。参考文献：[1]刘古岷，王渝，胡国庆.桩工机械.机械工业出版社[2]五岛朗（日），黄志明.桩基础施工技术和设备.《建筑机械》2001年第9期[3]宋志彬，冯起赠，王年友，张金昌.CG型全套管冲抓成孔设备在基桩工程中的应用.《探矿工程》2007年第9期规格D1/D2(mm)B(mm)S2(mm)S1(mm)CGT1000980/890451810CGT12001180/1090451810CGT13001260/1170452012CGT15001480/13805020126