劉 忠，蔡錦云，王 罡，郭艷軍，熊中剛

（1.桂林航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；3.國網(wǎng)西藏電力有限公司，拉薩 850010；4.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，成都 610041）

0 引言

隨著川藏、青藏等鐵路供電工程的實(shí)施，高海拔山區(qū)鐵路建設(shè)越來越復(fù)雜，施工難度非常大[1]。因此，輸電線路基礎(chǔ)施工需因地制宜，根據(jù)不同類型的地質(zhì)，選用不同的基礎(chǔ)型式[2]。微型鋼管樁基礎(chǔ)是在巖石錨桿基礎(chǔ)和微型混凝土樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型基礎(chǔ)，兼具二者的優(yōu)點(diǎn)，適用性更廣[3]。目前，山區(qū)輸電線路基礎(chǔ)大部分采用人工挖孔基礎(chǔ)，而高原地區(qū)施工工作環(huán)境惡劣，大多處于低氧、低壓的環(huán)境，施工作業(yè)人員在基坑開挖過程中安全隱患大、工作效率偏低，導(dǎo)致挖掘工程開展緩慢[4]。市場上的工程鉆機(jī)普遍存在體積大、質(zhì)量大的特點(diǎn)，并不適用于低氧、低壓的復(fù)雜山區(qū)[5]。針對高原高海拔復(fù)雜山區(qū)的工作環(huán)境，需要研究一種具有體積小、質(zhì)量輕、性能強(qiáng)等特點(diǎn)的微型鋼管樁鉆機(jī)，降低施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工效率[6]。

眾多學(xué)者在微型鋼管樁施工技術(shù)及裝備方面展開了大量的研究。高曉剛[7]以某地鐵車站微型鋼管樁的施工為依托，針對狹小空間中微型鋼管樁的施工技術(shù)開展了研究，最終選擇了液壓錨固鉆機(jī)作為打孔施工設(shè)備，通過改裝鉆機(jī)的詭桿以滿足狹小空間作業(yè)的要求。馮彬等[8]針對某填海場地產(chǎn)生不均勻沉降的問題，設(shè)計(jì)了微型鋼管樁施工加固方法并定制了潛孔鉆機(jī)進(jìn)行成孔工藝試驗(yàn)。徐運(yùn)生[9]將微型鋼管樁施工技術(shù)應(yīng)用到了輸電線路工程中，通過建立不同注漿厚度的注漿微型鋼管樁模型，得到了注漿壁厚的決定因素，同時(shí)研究了注漿厚度基礎(chǔ)下不同樁數(shù)下樁基礎(chǔ)力學(xué)特性差異，基于注漿微型鋼管樁提出了一種新樁型，并得出了各自的適用塔型。任光明等[10]為研究微型鋼管樁基礎(chǔ)在粉質(zhì)黏土地層條件下的各項(xiàng)指標(biāo)性能，開展了高原山區(qū)輸電線路微型鋼管樁基礎(chǔ)驗(yàn)證性試驗(yàn)，進(jìn)行了碎塊石土地基條件下微型樁基礎(chǔ)理論研究、數(shù)值模擬研究以及真型試驗(yàn)，但試驗(yàn)基裝仍采用人工挖孔澆筑。

注漿微型鋼管樁已廣泛應(yīng)用于眾多工程中[11]，但是尚未在輸電線路工程得以應(yīng)用。針對上述問題，本文研制一種適用于復(fù)雜山區(qū)的微型鋼管樁鉆機(jī)，主要對其模塊化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、機(jī)液復(fù)合驅(qū)動(dòng)的方式、整機(jī)性能及試驗(yàn)應(yīng)用情況進(jìn)行研究與探討。

1 技術(shù)分析

1.1 技術(shù)難題

特高壓電塔組立位于的復(fù)雜山地存在著地形、地質(zhì)條件復(fù)雜和交通條件差的挑戰(zhàn)，一般的機(jī)械難以在這種條件下進(jìn)行上山作業(yè)[12]。目前，在輸電線路施工中使用專用的索道運(yùn)輸線來解決這個(gè)問題[13]。然而，目前我國國網(wǎng)輸電線路施工所使用的專用索道的承載能力通常在3.5 t 以下才更為經(jīng)濟(jì)。因此，為了適應(yīng)山地進(jìn)場和作業(yè)條件限制等問題，針對設(shè)備索道運(yùn)輸?shù)壬降剡\(yùn)輸方式的承重限制，微型鋼管樁鉆機(jī)的設(shè)計(jì)需要解決設(shè)備的運(yùn)輸問題。

為適應(yīng)山地復(fù)雜地形作業(yè)，并確?？焖俨鹦逗瓦\(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后能夠快速組裝，需要將設(shè)備輕型化[14]，微型鋼管樁鉆機(jī)必須采用模塊化設(shè)計(jì)且能夠?qū)崿F(xiàn)快速拆裝。

1.2 工作原理

微型鋼管樁鉆機(jī)屬于小型鉆機(jī)，主要用于高海拔復(fù)雜山區(qū)輸電桿塔微型鋼管樁基礎(chǔ)孔施工，基于川藏鐵路輸電工程線路高海拔、溫差梯度大、巖層土質(zhì)結(jié)構(gòu)多變等地理特征[15]，針對性研發(fā)輕便型、模塊化多動(dòng)力耦合匹配裝置，設(shè)計(jì)模塊化兼顧快速拆裝組合式，能夠在復(fù)雜地形自由移動(dòng)的微型鋼管樁鉆機(jī)。本文提出了機(jī)液復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 機(jī)液復(fù)合驅(qū)動(dòng)示意

微型鋼管樁鉆機(jī)以機(jī)械為主、液壓為輔，采用“一拖二”的形式[16]，動(dòng)力源為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)構(gòu)成。機(jī)械傳動(dòng)主要用于鉆進(jìn)工作時(shí)提供高轉(zhuǎn)速，液壓傳動(dòng)主要給鉆機(jī)行走馬達(dá)、回轉(zhuǎn)器以及鉆機(jī)上其他液壓元件提供動(dòng)力，兩種動(dòng)力相結(jié)合可在大口徑鉆進(jìn)時(shí)提供大扭矩，可滿足中小口徑全斷面取芯鉆進(jìn)、螺旋鉆進(jìn)、潛孔錘復(fù)合鉆進(jìn)等施工工藝。在這種配置下，發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)為兩個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，一方面通過皮帶輪將動(dòng)力傳遞到變速齒輪箱，通過變速箱進(jìn)行變速操作，再由兩組錐齒輪改變動(dòng)力傳遞方向及轉(zhuǎn)速，最后傳遞到詭桿齒輪箱和動(dòng)力頭齒輪箱，帶動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)主軸的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鉆桿的正反轉(zhuǎn)以及扭矩的傳遞。另一方面通過皮帶輪帶動(dòng)雙聯(lián)泵為液壓系統(tǒng)供油，輔以各類液壓元器件實(shí)現(xiàn)各操作閥控制液壓馬達(dá)、進(jìn)給油缸完成各種指令動(dòng)作。

1.3 鉆孔流程

了解鉆孔的工藝流程可以幫助確定鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，包括鉆桿的長度和直徑、鉆機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等[17]。這些設(shè)計(jì)要求需要與鉆孔工藝流程相匹配，以確保鉆機(jī)能夠順利進(jìn)行鉆孔操作并達(dá)到預(yù)期的施工效果。微型鋼管樁基礎(chǔ)的施工在確定打孔位置后首先使用微型鋼管樁鉆機(jī)進(jìn)行成孔，確?？椎纳疃群椭睆椒显O(shè)計(jì)要求。開孔完成后，將微型鋼管樁吊放到孔中，并插入初次注漿管進(jìn)行初次注漿，同時(shí)利用初次注漿管進(jìn)行清孔。完成初次注漿后，進(jìn)行注漿成樁，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行二次注漿，可采用投石注漿成樁或者灌注細(xì)石混凝土成樁[18]。所有基樁施工完畢后，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間結(jié)束后，開挖并澆筑承臺(tái)和立柱。具體施工工藝如圖2所示。

2 微型鋼管樁鉆機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

圖2 微型鋼管樁基礎(chǔ)施工工藝流程

微型鋼管樁鉆機(jī)的設(shè)計(jì)遵循模塊化設(shè)計(jì)理念，采用機(jī)液復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及輕量化自行式底盤的設(shè)計(jì)方案。模塊化設(shè)計(jì)是將鉆機(jī)的不同功能和部件劃分為獨(dú)立的模塊，使其可以獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造和維修，以提高鉆機(jī)的靈活性和可維護(hù)性，方便進(jìn)行升級和改造[19]，同時(shí)也是針對設(shè)備索道運(yùn)輸?shù)壬降剡\(yùn)輸方式的承重限制而采取的方案。輕量化設(shè)計(jì)的目的同樣是為減少運(yùn)輸和搬運(yùn)的成本和工作量，在不影響整機(jī)功能和可靠性的前提下，通過采用輕量化材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減少不必要的組件和部件，可以降低鉆機(jī)的自重負(fù)荷，提高機(jī)器的機(jī)動(dòng)性和能效。基于以上設(shè)計(jì)理念，對鉆機(jī)的主要部件進(jìn)行布局，如圖3所示。

圖3 鉆機(jī)布局

2.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)作為鉆機(jī)的主要傳動(dòng)系統(tǒng)，在執(zhí)行微型鋼管樁基礎(chǔ)孔鉆孔的工作時(shí)提供高轉(zhuǎn)速。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)示意

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源采用漢擎麋鹿DV210 柴油機(jī)，電瓶箱為發(fā)電機(jī)供電啟動(dòng)柴油機(jī)為系統(tǒng)提供動(dòng)力，帶動(dòng)皮帶輪經(jīng)過離合器后將動(dòng)力傳遞到變速箱，變速箱再通過轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變動(dòng)力傳遞的軸向，通過轉(zhuǎn)向變速箱經(jīng)六方傳動(dòng)桿和動(dòng)力頭齒輪箱后將動(dòng)力傳遞到鉆桿，實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。其中，離合器為限扭離合器，當(dāng)鉆孔過程中井下情況異常時(shí)，通過滑動(dòng)摩擦片限制扭矩，達(dá)到過載保護(hù)的作用。兩對轉(zhuǎn)向齒輪中，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變動(dòng)力傳遞方向，而轉(zhuǎn)向變速箱輸出軸通過傳動(dòng)桿與鉆桿相連，實(shí)現(xiàn)鉆桿在水平運(yùn)輸與豎直施工狀態(tài)下角度的切換。機(jī)械傳動(dòng)三維模型如圖5所示。

圖5 機(jī)械傳動(dòng)三維模型

2.3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為鉆機(jī)的輔助傳動(dòng)系統(tǒng)，主要為履帶行走裝置中的行走馬達(dá)、詭桿上的回轉(zhuǎn)器以及鉆機(jī)上的其他液壓元件提供動(dòng)力，當(dāng)鉆機(jī)在執(zhí)行大孔徑鉆進(jìn)時(shí)，液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)同時(shí)工作，可提供更大的扭矩，液壓系統(tǒng)原理如圖6所示。當(dāng)執(zhí)行微型鋼管樁基礎(chǔ)孔施工時(shí)，由2個(gè)液壓行走馬達(dá)為履帶提供行走動(dòng)力，4個(gè)支腿油缸為鉆機(jī)提供支撐，同時(shí)在油路上均安裝有液壓鎖以保證其支撐的穩(wěn)定性。起塔油缸用于支撐起詭桿，實(shí)現(xiàn)由平放狀態(tài)0°到豎直狀態(tài)90°的切換。動(dòng)力頭開合馬達(dá)、鎖緊油缸和推進(jìn)油缸分別實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭的開合、鎖緊以及推進(jìn)。

圖6 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)

2.4 輕量化自行式底盤

由于鉆機(jī)施工環(huán)境多是野外，山區(qū)等交通條件惡劣的地方，重大型的施工基礎(chǔ)樁建設(shè)的設(shè)備質(zhì)量、橫向尺寸和縱向尺寸大[20]，造成在交通環(huán)境惡劣的地方難于運(yùn)輸，而底盤作為承載鉆機(jī)各個(gè)模塊部件的重要裝置，同時(shí)也是尺寸、質(zhì)量最大的部件之一，為提高其運(yùn)輸便利性、降低運(yùn)輸成本和時(shí)間，同時(shí)提高鉆機(jī)的整體性能，鉆機(jī)采用輕量化自行式底盤的設(shè)計(jì)方案。底盤的輕量化可以降低驅(qū)動(dòng)力的需求，減少能源消耗，提高機(jī)械的效率和節(jié)能性，同時(shí)使鉆機(jī)更加靈活，適應(yīng)不同的復(fù)雜地形，減提高鉆機(jī)的機(jī)動(dòng)性和操控性，使其更容易在狹小空間或復(fù)雜地形下進(jìn)行施工?；阢@機(jī)各模塊的布局情況，在保證其承載可靠性的前提下，可將鉆機(jī)拆分為可自行式的結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 鉆機(jī)自行式底盤組裝模型

2.5 鉆機(jī)性能參數(shù)

根據(jù)微型鋼管樁基礎(chǔ)工藝要求及設(shè)計(jì)方案，最終所研制的鉆機(jī)三維模型如圖8 所示，性能參數(shù)見表1。鉆機(jī)的主要特點(diǎn)為：

（1）采用模塊化設(shè)計(jì)、機(jī)械式頂驅(qū)動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)，機(jī)液復(fù)合驅(qū)動(dòng)，能耗低；

（2）進(jìn)給有效行程達(dá)2.2 m，縮短大量倒桿、卸桿時(shí)間，鉆進(jìn)工作效率高；

（3） 密 封 方 式 可靠，既能采用泥漿鉆進(jìn)，又能采用壓縮空氣鉆進(jìn)及水氣復(fù)合鉆進(jìn)；

（4）配備多擋變速箱，轉(zhuǎn)速為20～360 r∕min，正反轉(zhuǎn)變速范圍廣，適合不同地層、不同工藝鉆進(jìn)，工作鉆進(jìn)深度10 m，極限鉆進(jìn)深度30 m；

（5）輕量化自行式底盤設(shè)計(jì)，底盤采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行走，移動(dòng)靈活，操作簡便。

圖8 鉆機(jī)工作狀態(tài)三維模型

3 現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用

微型鋼管樁工程鉆機(jī)是針對高原山區(qū)輸電線路電力桿塔微型鋼管樁基礎(chǔ)鉆孔施工，鉆機(jī)研制完成后，為確保鉆機(jī)正常功能的實(shí)現(xiàn)以及驗(yàn)證可靠性，分別在平原地區(qū)和高原地區(qū)展開試驗(yàn)，鉆孔測試遵循先小孔后大孔、先淺孔后深孔的原則，測試從?219 mm 孔徑開始，逐步加大至?325 mm 孔徑，鉆孔深度從5 m 開始，逐步加深至設(shè)計(jì)深度，或不少于12 m，測試工作流程如圖9 所示。

表1 鉆機(jī)性能參數(shù)

圖9 測試流程

在平原地區(qū)展開試鉆，主要驗(yàn)證鉆機(jī)結(jié)構(gòu)功能的可靠性以及合理性，如圖10 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：鉆機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合預(yù)期，成孔效率高，滿足基樁設(shè)計(jì)的要求。在高海拔山區(qū)、晝夜溫差大、空氣稀薄、發(fā)動(dòng)機(jī)存在高原降耗的情況，為更好地驗(yàn)證鉆機(jī)的性能，在海拔高度4 000 m的昌都市察雅縣展開試鉆，如圖11所示。在平原和高原進(jìn)行兩次試鉆的過程中分別對鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性進(jìn)行檢測，得到外特性試驗(yàn)曲線，如圖12 所示。由圖可知，在高原山區(qū)下，鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能仍在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合預(yù)期，通過對比不同海拔下鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線，可以確定鉆機(jī)工作范圍為2 700～3 200 r∕min時(shí)，柴油機(jī)的輸出特性和燃油經(jīng)濟(jì)性較好。

4 結(jié)束語

本文研制了一種適用于復(fù)雜山區(qū)的微型鋼管樁鉆機(jī)，主要對其模塊化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、機(jī)液復(fù)合驅(qū)動(dòng)的方式、整機(jī)性能及試驗(yàn)應(yīng)用情況進(jìn)行研究與探討。

圖10 平原地區(qū)試鉆

圖11 高原山區(qū)試鉆

圖12 鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)曲線

（1）運(yùn)用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，將鉆機(jī)拆分為不同的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，在輸電線路施工中使用專用的索道運(yùn)輸線運(yùn)輸時(shí)，更便于運(yùn)輸。

（2）采用機(jī)液復(fù)合驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，提高了鉆機(jī)性能、降低能耗。以機(jī)械傳動(dòng)為主，液壓傳動(dòng)為輔，在執(zhí)行微型鋼管樁基礎(chǔ)孔鉆孔的工作時(shí)，機(jī)械傳動(dòng)提供高轉(zhuǎn)速，液壓傳動(dòng)為各液壓元件提供動(dòng)力，兩者復(fù)合驅(qū)動(dòng)可為動(dòng)力頭提供更大扭矩。

（3）設(shè)計(jì)了輕量化自行式底盤，鉆機(jī)的各別部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓站、單邊履帶行走裝置等）可組裝為更加輕便、體積更小的自行式機(jī)具，以適應(yīng)各種復(fù)雜地形下的運(yùn)輸，解決了交通不便和人工搬運(yùn)困難的問題，節(jié)省設(shè)備運(yùn)輸時(shí)間，提高施工工作效率。

（4）研制的微型鋼管樁鉆機(jī)經(jīng)過不同海拔下的實(shí)地試鉆，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合預(yù)期，成孔效率高，確定了鉆機(jī)的工作范圍為2 700～3 200 r∕min 時(shí)，柴油機(jī)的輸出特性和燃油經(jīng)濟(jì)性較好，滿足微型鋼管樁基樁設(shè)計(jì)的要求。