唐愛國

(山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠，山東濟(jì)南250102)

1 概述

YCJF－25型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)(見圖1)是我廠于2002年9月研制成功并投放市場的鉆機(jī)，主要應(yīng)用于大口徑基礎(chǔ)灌注樁的施工。該型鉆機(jī)有2個(gè)突出特點(diǎn):一是鉆機(jī)利用鉆塔上的液壓油缸提升、下落沖擊錘頭，實(shí)現(xiàn)沖擊鉆進(jìn)。因液壓油缸容易實(shí)現(xiàn)提升較大質(zhì)量的沖擊錘頭，所以鉆機(jī)破碎巖石的能量大，破巖效率高。二是鉆機(jī)采用了泵吸(或氣舉)反循環(huán)的排渣方式，排渣速度快，能有效避免孔底巖屑的重復(fù)破碎。這兩方面優(yōu)勢(shì)的結(jié)合使該鉆機(jī)施工時(shí)成孔質(zhì)量好，鉆進(jìn)效率高。該型鉆機(jī)曾獲2005年度山東省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，獲國家4項(xiàng)專利，時(shí)至今日，該型鉆機(jī)已銷售了108臺(tái)，正在得到越來越多的用戶認(rèn)可。

圖1 YCJF－25型鉆機(jī)全景圖片

2 YCJF－25型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)的性能參數(shù)

鉆孔直徑:1.2～2.5 m

鉆孔深度:80 m

沖擊錘頭最大質(zhì)量:10 t

沖擊錘頭沖程:0.1～1.3 m

沖擊頻率:0～30次/min

主卷揚(yáng)提升能力:100 kN

副卷揚(yáng)提升能力:30 kN

排渣方式:泵吸(或氣舉)反循環(huán)

主電機(jī)功率:75 kW

主機(jī)質(zhì)量:19 t

運(yùn)輸尺寸:7760 mm×2800 mm×3300 mm(長×寬×高)

3 YCJF－25型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該型鉆機(jī)主要由鉆塔、底盤、卷揚(yáng)機(jī)、沖擊機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)、液壓動(dòng)力站、操作臺(tái)、沖擊錘頭、6BS型砂石泵、排渣管等部件組成，鉆機(jī)具有如下特點(diǎn)。

(1)采用獨(dú)特的液壓油缸沖擊方式，結(jié)構(gòu)簡單，工作平穩(wěn)，可控性強(qiáng)。液壓沖擊油缸屬單作用式油缸，鉆機(jī)工作時(shí)用液壓力提升沖擊錘頭，靠沖擊錘頭重力下落沖擊孔底。沖擊錘頭下落時(shí)沖擊油缸下腔的液壓油能快速回油，對(duì)沖擊錘頭的下落影響輕微，沖擊時(shí)沖擊錘頭能以近自由狀態(tài)下落，能量利用率高，沖擊力大。鉆機(jī)采用液壓油缸沖擊方式，運(yùn)動(dòng)件少，工作慣性小，同時(shí)鉆機(jī)設(shè)有過載保護(hù)裝置，因此鉆機(jī)工作可靠，易損件少，工作壽命長。

(2)該鉆機(jī)采用機(jī)、電、液一體化技術(shù)，自動(dòng)沖擊和自動(dòng)給進(jìn)采用了單片機(jī)控制，操作方便省力，可靠集中。當(dāng)沖擊旋鈕扳到“自動(dòng)沖擊”擋位，鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖擊，此狀態(tài)下操作人員可以離開操作室，在孔口周圍巡查鉆機(jī)工作情況。在自動(dòng)沖擊過程中，卷揚(yáng)機(jī)能根據(jù)沖擊錘頭進(jìn)尺情況，自動(dòng)適時(shí)、適量放繩，避免打“空錘”現(xiàn)象，能有效地提高鉆進(jìn)效率。也可以選擇手動(dòng)放繩，靈活掌握沖擊給進(jìn)。自動(dòng)沖擊，手動(dòng)沖擊可任意選擇，沖擊行程，沖擊頻率可無級(jí)調(diào)整，能適應(yīng)多種工況和地層。

(3)差動(dòng)雙卷筒卷揚(yáng)機(jī)(見圖2)，提升能力強(qiáng)(最大提升力可達(dá)100 kN)，雙繩提拉沖擊錘頭，讓出中間位置，為反循環(huán)排渣管騰出空間。單繩沖擊鉆機(jī)因無法讓開中間位置，很難采用快速高效的反循環(huán)排渣方式。主卷揚(yáng)機(jī)輸入動(dòng)力的大齒輪安裝在卷揚(yáng)機(jī)主軸的中部，并與制動(dòng)輪設(shè)計(jì)為一體，差動(dòng)裝置安裝在其內(nèi)部，兩個(gè)卷筒設(shè)置在兩側(cè)。卷揚(yáng)機(jī)的主軸為芯軸，只承受彎矩，不承受扭矩，所以該卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單可靠，受力對(duì)稱合理，承載能力大。卷揚(yáng)機(jī)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并配有液壓平衡裝置和液壓剎車裝置，提升下降沖擊錘頭平穩(wěn)，操作輕便，安全可靠。

圖2 差動(dòng)雙卷筒卷揚(yáng)機(jī)外形圖

(4)鉆機(jī)配有液壓步履，裝在鉆機(jī)底盤上，在施工現(xiàn)場鉆機(jī)可方便左右前后移位以對(duì)正孔位。

(5)鉆機(jī)起塔、落塔為液壓油缸控制，操作平穩(wěn)、安全、省力。

(6)鉆機(jī)采用泵吸(或氣舉)反循環(huán)排渣，排渣能力強(qiáng)，可將大的卵石(直徑10 cm左右)不經(jīng)破碎直接排出孔外(見圖3)。反循環(huán)排渣系統(tǒng)在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中排渣迅速、干凈、及時(shí)，避免巖石在孔底的重復(fù)破碎，施工效率高。因反循環(huán)排渣干凈，終孔時(shí)也不用專門清洗孔底。

圖3 砂石泵抽出的卵石

(7)沖擊錘頭采用焊接結(jié)構(gòu)，中間有可通過排渣管的芯管，采用雙繩提引。焊有刀體的幾個(gè)鋼圈從內(nèi)到外呈階梯狀布置，在沖擊錘頭工作時(shí)可形成多個(gè)層次的破碎面，這充分利用了巖石抗剪強(qiáng)度大大低于抗壓強(qiáng)度的特點(diǎn)，利于巖石分層等強(qiáng)度向內(nèi)破碎，碎巖效率高。針對(duì)原有2.5 m口徑的沖擊錘頭在使用中存在結(jié)構(gòu)剛性不足，強(qiáng)度偏弱，容易斷圈、開焊等問題，我們對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，更換了強(qiáng)度更高的材料，并采取了防止卡鉆的措施，應(yīng)用效果較好。

4 YCJF－25型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)的施工效率分析

目前在國內(nèi)灌注樁施工工地上，一般會(huì)有多種機(jī)型在進(jìn)行鉆孔施工。有時(shí)在同一工地上能見到4～5種鉆機(jī)機(jī)型在進(jìn)行相同口徑的灌注樁施工，有各種類型的單繩沖擊鉆機(jī)、回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)，它們各具特色，發(fā)揮著各自的優(yōu)勢(shì)。這些鉆機(jī)通過不斷的技術(shù)改進(jìn)和升級(jí)，如工地上常見的單繩沖擊鉆機(jī)，經(jīng)過改裝后也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖擊，大大減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，但因只能采用正循環(huán)排渣，卵石、石塊需破碎成細(xì)小顆粒后才能隨泥漿排出，出渣效率慢，成孔后還需清洗鉆孔，影響成樁速度。我們通過對(duì)各種機(jī)型在不同工地、不同地層的施工情況進(jìn)行跟蹤和對(duì)比，分析YCJF－25型鉆機(jī)的施工效率等情況。

(1)某用戶在廣東順德高贊大橋樁基施工中對(duì)YCJF－25型鉆機(jī)與回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、單繩沖擊鉆機(jī)在不同地層施工情況進(jìn)行了對(duì)比(樁徑2.5 m)，分別見表1、表2。

表1 高贊大橋22號(hào)墩YCJF－25型鉆機(jī)與回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工效率對(duì)比統(tǒng)計(jì)

表2 高贊大橋21號(hào)墩YCJF－25型鉆機(jī)與單繩鉆機(jī)施工效率對(duì)比統(tǒng)計(jì)

(2)河北建設(shè)勘察研究院在河南省洛陽黃河大橋工地施工，該工地樁孔設(shè)計(jì)有口徑2.0 m(孔深32～36 m)和口徑1.8 m(孔深22～32 m)兩種。地層情況是:17 m以淺地層為亞粘土，粉砂層;17 m以深為漂卵石層，最大卵石直徑400 mm。

在該工地同時(shí)進(jìn)行施工的鉆機(jī)有BZP2.5/100型、S－40型回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，CK－150型手動(dòng)單繩卷揚(yáng)機(jī)式?jīng)_擊鉆機(jī)，YCJF－25型鉆機(jī)。該單位對(duì)這4種鉆機(jī)在該工地的使用情況進(jìn)行了對(duì)比(見表3)。

表3 四種鉆機(jī)在洛陽黃河大橋施工情況對(duì)比

(3)在武漢天興洲長江大橋1、4號(hào)墩工地，用YCJF－25型鉆機(jī)施工2.5 m的樁孔，甲方在成孔后用水下攝像機(jī)進(jìn)行了成孔情況觀測，發(fā)現(xiàn)用該鉆機(jī)施工的樁孔孔壁光滑，鉆孔順直，擴(kuò)孔率低，得到了甲方公司中外國專家的好評(píng)。

(4)在四川廣元嘉陵江大橋工地施工口徑2.5 m的樁孔，孔深19.75 m，10 m以淺為卵礫層，10 m以深為砂巖，在砂巖地層進(jìn)尺效率0.15～0.2 m/h，平均一星期成孔一個(gè)。在該工地使用單繩卷揚(yáng)機(jī)式?jīng)_擊鉆機(jī)施工同樣的鉆孔，40天成孔一個(gè)。

(5)在千島湖大橋工地，在水深40 m下施工2.7 m口徑的鉆孔，地層為第四系覆蓋層，進(jìn)尺效率達(dá)1 m/h，施工深度達(dá)到50 m，50 m以深換用2.4 m口徑的沖擊錘頭，地層為卵礫石和基巖，巖石的抗壓強(qiáng)度為45～60 MPa，在基巖中最高進(jìn)尺效率為0.2～0.3 m/h，最大施工深度達(dá)到79 m。

通過多年來對(duì)YCJF－25型鉆機(jī)施工情況的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)該型鉆機(jī)在不同施工地層的施工效率有了大概的了解。施工口徑2.5 m，一般在卵礫石地層中進(jìn)尺效率為0.3～0.4 m/h;在粘土、粉砂地層進(jìn)尺效率為1.5～2 m/h。在灰?guī)r地層，進(jìn)尺效率為0.5 m/h;在砂巖地層，進(jìn)尺效率為0.2～0.4 m/h;在花崗巖地層，進(jìn)尺效率為0.2 m/h。同樣使用該型鉆機(jī)，由于施工口徑的不同，鉆進(jìn)效率也略有差別。當(dāng)然，影響施工效率的因素很多，除主要的設(shè)備性能因素外，還與鉆機(jī)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，操作水平，對(duì)施工區(qū)域的地層情況了解有關(guān)。

5 鉆機(jī)存在的不足

近幾年，我廠針對(duì)用戶在使用該型鉆機(jī)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行了不斷改進(jìn)和持續(xù)完善，再加上一些液壓新技術(shù)新成果的應(yīng)用，使鉆機(jī)性能更加穩(wěn)定可靠，日趨完美。目前，在全國各地大江大河橋墩平臺(tái)工地上，時(shí)常能見到該型鉆機(jī)“忙碌”的身影(見圖4)。有的鉆機(jī)已使用了10年多，還在繼續(xù)工作。該型鉆機(jī)在施工2.5 m口徑樁孔時(shí)，若巖石強(qiáng)度在100 MPa以下，施工效率還可以。在遇到硬巖時(shí)(曾遇到抗壓強(qiáng)度達(dá)到239 MPa的巖石)，破巖效率不高，沖擊錘頭的強(qiáng)度和剛性也略顯不足，沖擊錘頭在施工中易開焊。目前我們針對(duì)用戶提出的問題，正在做鉆機(jī)的升級(jí)工作，擬設(shè)計(jì)YCJF－30型沖擊鉆機(jī)，施工口徑可達(dá)3 m，沖擊錘頭質(zhì)量可以達(dá)到17 t。

圖4 鉆機(jī)在合(肥)福(州)高鐵聯(lián)絡(luò)線閩江特大橋10號(hào)墩施工

6 結(jié)語

我廠生產(chǎn)的YCJF－25型鉆機(jī)操作簡單，維護(hù)容易，自動(dòng)化程度高，對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)，采用反循環(huán)排渣，出渣快成孔效率高，對(duì)付硬地層時(shí)常有不俗的表現(xiàn)，得到了用戶的普遍認(rèn)可，我們會(huì)繼續(xù)關(guān)注該型鉆機(jī)的使用情況，并針對(duì)鉆機(jī)在使用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行持續(xù)完善和改進(jìn)。

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