混凝土防渗墙造孔机械.docx

第三节 钻孔机械 1 钢绳冲击式钻机 钢绳冲击式钻机（简称冲击钻）通过钻头向下的冲击运动破碎地基土，形成钻孔。它不仅适用于一般的软弱地层，亦可适用砾石、卵石、漂石和基岩。钢绳冲击钻机结构简单，操作、维修和运输方便，价格低廉。因此，尽管效率较低，仍在我国水利水电和其它行业的中小工程中被普遍采用。 1.1钢绳冲击钻机的技术性能 我国使用的钢绳冲击钻机主要型号有CZ-20、CZ-22（图7-3-1）和CZ-30型等，主要技术性能见表7-3-1。各厂也都有一些改进的型号，技术性能稍有差别。表7-3-1 常用冲击式钻机的主要技术性能型 号CZ-20CZ-22CZ-30开孔直径 (mm)6357101000钻具的最大重量 (kg)100013002500钻具的冲程 (m)1.000.451.000.351.000.50钻具冲击次数 (次/min)40，45，5040，45，5040，45，50钻进深度 (m)120150180工具、抽砂、辅助卷扬起重力 (kN)15，1020，13，1530，20，30工具卷筒平均绳速 (m/s)0.52，0.58，0.651.11.41.1，1.25，1.42抽砂卷筒平均绳速 (m/s)0.96，1.08，1.271.21.61.21，1.38，1.68辅助卷筒平均绳速 (m/s)0.801.000.951.22工具卷筒钢丝绳直径 (mm)19.521.526.0抽砂卷筒钢丝绳直径 (mm)13.015.517.5辅助卷筒钢丝绳直径 (mm)15.521.5工具卷筒容绳量 (m)250250350抽砂卷筒容绳量 (m)250250350辅助卷筒容绳量 (m)135210桅杆高度 (m)12.013.516.0桅杆起重量 (t)5.012.025.0电机功率 (kW)203040电机转速 (r/min)970975735钻机重量 (t)6.276.8711.15工作状态的外形尺寸(长宽高)(mmmmmm)580018501230056002300140007700284016000牵引速度 (km/h)202020 1.2钻具 1.2.1钻头 冲击钻头可分为十字钻头、空心钻头、圆钻头和角锥钻头等。在防渗墙施工中常用十字钻头和空心钻头（图7-3-2）。空心钻头主要用于钻进粘土层、砂土层和壤土层等松软地层，钻进时阻力小，切削力大，重心稳。十字钻头用于砂卵石层、风化岩层、卵石、漂石以及基岩等。两种钻头的技术参数见表7-3-2，表7-3-3。图7-3-1 CZ-22型钢绳冲击钻机1-前轮；2-后轮；3-牵引杆；4-底架；5-电动机；6-三角皮带；7-主动轴；8-冲击离合器；9-冲击齿轮；10-冲击轴；11-连杆；12-缓冲装置；13-钻进工具用卷筒离合器；14-链条；15-钻进工具用卷筒；16-抽筒用卷筒离合器；17-齿轮；18-抽筒用卷筒；19-辅助滑车用卷筒离合器；20-齿轮；21-辅助滑车用卷筒；22-桅杆；23-钻进工具钢丝绳天轮；24-抽筒钢丝绳天轮；25-起重用滑轮A-A底视图底视图(a)(b)图7-3-2 冲击式钻头(图中尺寸单位：mm)(a)十字钻头；(b)空心钻头表7-3-2 十字钻头与空心钻头的技术参数钻头名称钻头直径(mm)底 角()摩擦角()摩擦面宽 度(mm)水口宽度(mm)冲击刃角()底刃厚度(mm)十字钻头8308501601701015250300220240601020空心六角8809001401501015200250180200601020空心八角8809001401501015170200140150551020空心十角880900140150101515017012014055601020表7-3-3 钻进不同土质时十字钻头的参数土 质冲击刃角摩擦面角摩擦角底角粘土、细砂704012160堆积层砂卵石805015170坚硬漂卵石906015170 1.2.2钢丝刷 又称钢丝刷钻头(图7-3-3)，是用于对墙段接缝缝面进行刷洗，以清除泥皮的工具。一般用废旧十字钻头或工字钻头加工而成。 1.2.3抽砂筒 抽砂筒(图7-3-4)是抽排孔底沉渣的工具。钻机型号和钻孔直径不同，所用抽砂筒的规格也有所不同。图7-3-3 钢丝刷子钻头1-旧十字钻头体；2-固定拉杆；3-上圆盘；4-钢丝固定压条；5-钢丝穿编龙骨；6-钢丝；7-下圆盘；8-水道口A-A图7-3-4 抽砂筒1-提梁；2-筒体；3-底活门；4-螺栓；5-铰链；6-销轴；7-管靴 1.3施工效率 CZ-22型冲击钻机按进尺计算的钻进平均工效（墙厚0.8m，墙深60m以内）如表7-3-4，可供参考。表7-3-4 CZ-22型钻机钻进平均工效一览表(m/台班)地 层粘土砂壤土粉细砂砾石卵石漂石基岩混凝土接头平均工效2.803.701.501.701.300.800.702.03 2 冲击式反循环钻机 冲击式反循环钻机适用软土、砂砾石、漂卵石和基岩等多种地层。冲击式正循环钻机国内用得很少。 反循环抽渣方式有泵吸、气举及射流三种。泵吸法一般适用于孔深50m以内的钻孔，此时效率较高。深孔用气举法较好，30m以内钻进效率较差。射水反循环在孔深50m以内效果较好。一般多用泵吸与气举反循环配合使用。 2.1主要技术性能 冲击式反循环钻机的工作原理如图7-3-5。CZF-1200型冲击式反循环钻机的外形结构如图7-3-6。部分国产冲击反循环钻机的技术性能见表7-3-5。 2.2钻头 冲击反循环钻机所使用的钻头有圆型套筒式阶梯钻头、套筒式双层弧板圆钻头、套筒式平底六角钻头和双反弧冲击钻头（图7-3-7）等。 2.3钻进工效 CZF-1200型冲击反循环钻机造孔平均工效见表7-3-6。图7-3-5 CZF型冲击式反循环钻机工作原理图1-同步双筒卷扬；2-曲柄连杆冲击机构；3-砂石泵；4-循环管路；5-振动筛；6-旋流器；7-制浆站；8-储浆池；9-循环浆池；10-钻头；11-排渣管图7-3-6 CZF-1200型冲击反循环钻机1-桅杆；2-支撑杆；3-缓冲系统；4-孔口机构；5-操纵系统；6-传动系统；7-主传动轴；8-同步双筒卷扬；9-平台车；10-电动机；11-底盘机架；12-电器箱；13-副卷扬；14-辅助卷扬；15-冲击机构；16-行走系统表7-3-5 部分国产冲击式反循环钻机主要技术性能项目 机型CZF-1200CZF-1500GJD-1500一、基本性能最大造孔直径 (mm)120015001500(岩)；2000(土)最大造孔深度 (m)8010050最大冲击行程 (mm)100010001001000冲击频数 (次/min)4040030主电动机功率 (kW)30453745钻机重量 (t)8.312.515.7外形尺寸(长宽高)(mmm)5.82.338.5工作时8.52.332.8运输时6.62.8410工作时102.843.6运输时5.042.366.38工作时二、同步平衡双筒卷扬提升能力 (kN)203039.2提升速度 (m/s)1.51.64.08钢绳直径 (mm)19.524.0三、副卷扬提升能力 (kN)2640提升速度 (m/s)0.650.61钢绳直径 (mm)15.517.0四、辅助卷扬提升能力 (kN)1530提升速度 (m/s)0.810.95钢绳直径 (mm)15.515.5五、排渣系统6PS-210型砂石泵组流量 (m3/h)180210180扬程 (m)16吸程 (m)8砂石泵电机 (kW)303PNL泵流量 (m3/h)108配用电机 (kW)22配用钻杆内径 (mm)150150重量 (kg)1600外形尺寸 (mm)175014001010六、泥浆净化机JHB-100JHB-200上层筛网除泥沙 (t/h)1.82.2 (200目)下层筛网处理泥浆(m3/h)150220 (74m)200总功率 (kW)17.2重量 (kg)2450外形尺寸 (mm)318717533200七、钻头形式套筒阶梯式、双层弧式、双反弧式等冲击；刮刀；滚刀直径 (mm)60015001500；1500；2000重量 (t)1.23.02.94图7-3-7 冲击反循环钻机用钻头 (a)套筒式阶梯钻头 1-吊耳；2-芯管；3-冲击刃板；4-冲击圆环；5-超前冲击刃 (b)套筒式双层弧板圆钻头 1-吊耳；2-弧形冲击刃；3-芯管；4-超前冲击刃 (c)套筒式平底六角钻头 1-吊耳；2-芯管；3-冲击刃板 (d)双反弧冲击钻头 1-吊耳；2-芯管；3-冲击刃板；4-超前冲击刃；5-侧刃板；6-双反弧冲击刃表7-3-6 CZF-1200型冲击反循环钻机造孔平均工效试 验 或施工地点地 层桩(槽)孔尺寸(m)深 度(m)纯钻效率(m/台日)平均工效(m/台日)河南小浪底粉细砂、漂卵石、砂岩0.86.8槽孔68.010.026.38三 峡一期围堰风化砂、粉细砂、块球体、花岗岩0.8(4.86.8)槽孔平均32.011.527.060.8主孔和1.2付孔各一个22.015.9611.23四 川冶勒水电站粉质壤土、粘土、钙质胶结砾岩1.0桩孔101.46.544.0915.4槽孔100.06.212.22三峡杨家湾码头水上沉桩粉细砂、砂夹块石、斜长花岗岩0.8 桩孔15.026.124.15昆明新茶花宾馆连锁支护墙人工填土、粘土碎石土、粘性土夹粉砂0.9墙厚24.545.220.0北京地铁(东单、王府井站)灌注桩砂卵石、亚粘土、细砂1.25桩孔28.514.76.33 3 回转式钻机 回转式钻机包括回转正循环钻机和回转反循环钻机，它们的工作原理、结构型式、规格、技术性能和配备的钻具见第八章第三节。 使用回转式钻机在我国建造防渗墙的工程实例不多。浙江横山水库、内蒙古察尔森水库等工程采用回转式钻机进行防渗墙造孔的工效如表7-3-7。表7-3-7 回转式钻机造孔工效工 程 名 称地 层钻 机 型 号使用钻头类型深度(m)平均工效(m/台日)浙江横山水库防渗墙粘土心墙GPS回转正循环加重导向刮刀7236.00内蒙古察尔森水库防渗墙砂卵石层ZWY-550回转反循环三翼式刮刀2028.15 4抓斗挖槽机 抓斗挖槽机（简称抓斗）适用的地层比较广泛，除大块的漂卵石、基岩以外，一般的覆盖层均可。不过当地层的标准贯入度N值大于40时，使用抓斗的效率很低。对含有大漂石的地层，需配合采用重锤冲击才可完成钻进。 抓斗挖槽也用泥浆护壁，但泥浆不再有悬浮钻渣的功能，用量较少。 抓斗结构比较简单，易于操作维修，运转费用较低，在较软弱的冲积层中造墙被广泛应用。各种抓斗可挖掘宽度为30150cm，最大深度可达130m。 4.1抓斗的规格和技术性能 根据抓斗结构和工作原理的不同，抓斗分为钢绳抓斗和液压抓斗。钢绳抓斗又分为斗体推压式抓斗（图7-3-8）和中心牵挂式抓斗（图7-3-9）。液压抓斗又分为液压导板抓斗（图7-3-10）、液压导杆抓斗（图7-3-11）和半导杆抓斗（图7-3-12）。他们的技术性能分别如表7-3-8、表7-5-9、表7-3-10和表7-3-11。主绳松副绳紧 图7-3-8 斗体推压式钢绳抓斗 图7-3-9 中心牵挂式钢绳抓斗图7-3-10 液压导板抓斗(图中尺寸单位：mm)图7-3-11 液压导杆抓斗1-导杆；2-油管转盘；3-平台；4-调整油缸；5抓斗图7-3-12 半导杆抓斗1-钢丝绳；2-导杆；3-抓斗；4-油管转盘；5-起重机表7-3-8 钢绳抓斗的技术性能型 号意大利DH3000型国产BSD型国产GSD型成槽宽度(cm)60 80 100 12030 40 5060 80 100 120开斗宽度(m)3.0 3.0 3.0 3.02.8 2.8 2.82.8 2.8 2.8 2.8闭斗高度(m)7.3 7.3 7.3 7.37.1 7.1 7.17.2 7.2 7.2 7.2斗容量(m3)1.0 1.2 1.6 2.00.4 0.5 0.60.8 1.0 1.2 1.5斗 自 重(t)11.0 11.4 11.8 12.27.5 8.0 8.511.0 11.6 12.2 12.8挖掘深度(m)100 100 100 10060 60 60100 100 100 100表7-3-9 日本真砂MHL型液压导板抓斗的技术规格型 号MHL-5070AYMHL-60100AYHMHL-80120AY墙厚 (cm)50，60，7060，70，80，10080，90，100，120斗容量 (m3)0.60，0.74，0.860.65，0.75，0.85，1.050.95，1.09，1.15，1.10斗体自重 (t)8.30，8.80，9.2010.70，11.20，11.50，12.0010.00，10.70，11.00，11.90总重量 (t)9.50，10.28，10.9212.00，12.70，13.20，14.1011.90，12.88，13.30，14.50电缆直径 (mm)20-2220-2220-22液压油缸数目121222闭合力 (MPa，kN)14，32814，42514，656表7-3-10 日本真砂MHL型抓斗液压站技术参数项 目技 术 参 数项 目技 术 参 数最大工作油压 (MPa)14箱容量 (L)700排油量(主油管)(L/min)120/144卷筒恢复力矩 (Nm)660(7.5MPa)主机功率 (kW)4P-45卷筒恢复力 (kN)1.88排油量(卷筒油管)(L/min)48/17油压管长度 (m)60卷筒马达功率 (kW)4P-7.5油压管收回速度 (m/min)2550电源 (V)200/220油压软管内径 (mm)25表7-3-11 意大利液压导杆式抓斗的技术性能抓 斗 型 号KRC-1KRC-2KRC-3BH8BH-12斗体厚度 (cm)5012050120开斗宽度 (m)2.24.02.03.5导向杆长度 (m)3.58.38.35.05.0导杆顶高度 (m)2331311515回转半径 (m)3.94.04.04.74.7斗体重量 (t)*3.54.24.28.011.0导杆重量 (t)2.83.63.64.04.0挖掘深度 (m)3040405050主机功率 (kW)238240重量 (t)50.854.3 * 斗体重量按60cm2.5m规格计。 抓斗由斗体和主机两大部分组成。主机是一台履带式起重机，钢绳抓斗履带起重机单绳的起重力应不小于120kN；液压抓斗的履带起重机应当配置液压系统。许多抓斗自身配有测斜和纠斜装置，能够通过传感器和液压系统感知和纠正斗体的偏斜。 国外及台湾省有许多厂商可生产各种型号的抓斗。上海金泰公司与德国宝峨公司合作生产了GB型抓斗，其性能如表7-3-12。其它厂商和施工单位根据工程需要也曾生产过一些型号的抓斗用于施工，但未形成较大规模的商品化生产。表7-3-12 BH型半导杆抓斗技术性能项 目BH12BH7项 目BH12BH7挖槽宽度(m)6012060120斗体容量(m3)1.21.2斗体开度(cm)250250单边闭合力矩(kNm)390390挖槽深度(m)7060液压站型号2R-1502R-100起重机重量(t)8055液压站发动机(kW)123.079.5起重机发动机(kW)180132最大工作压力(MPa)3030悬挂重量(斗+杆)(t)118油量调节方式自动自动 为适应浅墙和薄墙施工的需要，近年有些单位生产了步履型和轨道型的抓斗，这种简易抓斗不用配备履带式起重机，降低了施工成本。 4.2抓斗的效率 抓斗的效率随抓斗的种类和地层的情况而有所不同。若干工程使用抓斗建造防渗墙的工效如表7-3-13。表7-3-13 若干工程使用抓斗建造防渗墙的工效工 程 名 称地 质 条 件抓 斗 型 号工效(m2/d)备 注黄河小浪底主坝防渗墙砂卵砾石、漂石夹粉细砂意BH-12型导杆抓斗39.0两钻一抓法孔，深6070m承德武烈河橡胶坝防渗墙砂卵砾石层日MHL-80120型液压导板抓斗90.0两钻一抓法，深14.55m山东洪滩水库防渗墙均质亚粘土层日MHL-80120型液压导板抓斗117.0两钻一抓法，深7m湖北王甫洲围堰防渗墙中细砂和含小砾的砂砾石地层意BH-12型导杆抓斗82.2日MHL-80120型导板抓斗56.4国产GSD-600型钢绳抓斗36.2 5 槽孔掘进机 槽孔掘进机（Trench Cutters，曾用名碾磨机、液压铣槽机、双轮铣等）是1973年由法国索列丹斯公司首先研制成功的，现在法国、德国、意大利和日本等国家都有生产。我国于1996年首次引进了一台槽孔掘进机用于长江三峡二期围堰防渗墙施工。这种机械适用于均质的地层，包括比较坚硬的岩层。但不适用于漂卵石地层，或在疏松层内夹有大块石（卵石）的地层。 5.1槽孔掘进机的构造和工作原理 槽孔掘进机成套设备（图7-3-13）由起重机、掘进头、泥浆站三大部分组成。槽孔掘进机造孔施工的工艺流程见图7-3-14。泥浆站包括制浆站、储浆池、筛分除砂设备。图7-3-13 槽孔掘进机成套设备1-起重机；2-掘进头；3-制浆机；4-泥浆处理系统；5-槽孔图7-3-14 槽孔掘进机的工艺流程1-槽孔掘进机；2-泥浆泵；3-除砂装置；4-泥浆罐；5-供浆泵；6-筛除的钻渣；7-补浆泵；8-泥浆搅拌机；9-膨润土储料桶；10-水源 5.2主要技术规格性能 槽孔掘进机的型号规格很多，可挖掘槽孔的宽度（墙厚）从0.43.2m，一次挖槽长度2.23.2m，挖槽深度最大已达到150m。槽孔掘进机的机体尺寸小的仅为2.0m2.5m5.0m(长宽高)，可适应狭窄空间施工的需要。长江三峡开发总公司引进德国宝峨（BAUER）公司的BC30型槽孔掘进机及其配套的泥浆站的规格和技术性能如表7-3-14和表7-3-15。表7-3-14 BC30型槽孔掘进机的主要技术性能项 目指 标项 目指 标项 目指 标A.起重机B 掘进头C 液压站起重机型号BS110钻铣深度(m)80液压站型号H7475发动机型号(水冷型卡特彼勒)3176B铣槽长度(mm)2790主液压泵流量(L/min)2170，1143铣槽宽度(mm)6402200功率(kW)297掘进头高度(m)15.4最大工作压力(MPa)30主卷扬(kN)160最大扭矩(kNm)281功率(kW)235提升速度(单绳)(m/min)060铣轮转速(r/min)025重量(t)8.9导向装置有钢绳直径(mm)26砂石泵口径(mm)152.4掘进机总高(m)24砂石泵流量(m3/h)450起重机自重(t)100掘进头自重(t)35表7-3-15. BC30型槽孔掘进机泥浆站的规格和技术性能项 目指标项 目指标项 目指标型号BE500泥浆含砂率(%)18筛网规格(mm)55，0.425泥浆处理能力(m3/h)500泥浆泵(台)2泥浆密度(t/m3)1.80振动电机(台)6重量(t)14.5泥浆粘度(马氏s)40装备功率(kW)94 5.3钻进效率 据资料介绍，该机对于抗压强度250MPa以下的岩层均可钻掘，强度为50MPa的石灰岩，钻掘速度一般为5m2/h，强度为25MPa的砂岩，钻掘速度可达8m2/h。在疏松的地层，槽孔掘进机挖槽速度极快，例如在砂层或砂卵石层，一般可达20m2/h，最快40m2/h。 槽孔掘进机在长江三峡工程二期上游围堰防渗墙施工中的效率如表7-3-16。表7-3-16 BC30槽孔掘进机在三峡二期围堰防渗墙的施工效率地 层成槽工效纯钻(m2/h)生产(m2/台班)平均(m2/台日)风 化 砂16.9693.60155.01淤 积 砂10.5474.32176.33块石、块球体2.1911.9320.77强风化基岩1.527.5514.96弱风化基岩1.224.576.66综 合5.3223.8533.51 6其它钻孔机械 为适应堤防防渗工程的需要，近年来我国开发了多种施工浅槽孔薄防渗墙的钻孔机械。 6.1射水成槽机 该机以高压射水冲击破坏土体，土渣与水混合回流溢出地面，或反循环抽出，经矩形成槽箱修整后形成槽孔。造孔过程中采用自然泥浆固壁，成槽后用直升导管法浇筑混凝土成墙。射水成槽机主要由正反循环泵组、成型器和拌合浇筑机组成。它的构造见图7-3-15，其技术性能，各厂家的产品略有不同，表7-3-17所示为CSF30型射水成槽机主要技术性能。该机主要适用粒径不大于10cm的细颗粒地层，其成墙深度不超过30m、厚度不超过0.5m、垂直偏差小于1/300。一般工效为100120m2/台日，高峰时可达150200m2/台日。 6.2锯槽机 锯槽机是通过锯管的上下往复运动，以锯齿克取土体，形成连续的沟槽，再浇筑墙体材料成墙，见图7-3-16，技术性能见表7-3-18。该种机械适宜于含少量砾石，最大粒径不大于80mm、标贯击数N不大于30的地层，以及对墙底高程无严格要求的悬挂式帷幕。当槽底有起伏不平的岩面、陡坡时，施工难度大。图7-3-21 射水法造墙机的主要构造1-铁轨枕木；2-护筒；3-8sh-P水泵；4-成形器；5-22kW卷扬机；6-上水管；7-机械手；8-下水管；9-配电柜；10-7.5kW卷扬机；11-混凝土导管；12-混凝土下料斗；13-混凝土斜槽；14-混凝土接料斗；15-混凝土料桶；16-行走轮；17-混凝土搅拌机水箱；201-造孔机；202-混凝土浇筑机；203-混凝土搅拌机表7-3-17 射水成槽机技术性能项 目型 号性 能 指 标泵 组灰 渣 泵4PH60180288m3/h砂 石 泵6BS180m3/h成型器重 量1.11.7t宽 度1845cm长 度200cm卷 扬主 卷 扬JKZ55.0t副 卷 扬JK0.50.5t电动葫芦CD13-63.0t混凝土搅拌机JZM350812m3/h整 机冲击行程1.5m冲击频率1030次/min造孔深度30m功 率165kW尺 寸13.5m4.2m7.5m重 量16t 锯管上下运动的频率决定锯槽机工作的平稳性和锯槽效率。根据经验，锯管运动的频率以2530次min为宜。锯槽机适宜的施工深度为1530m，最大成槽深度50m，成槽宽度为0.10.4m。在20m以内借助辅助的推力装置可以取得较快的锯进效果，一般锯槽效率为120360m2台日。 锯槽成墙所用的材料一般为固化灰浆，便于实现连续施工。图7-3-16 锯槽机工作示意图表7-3-18 锯槽机技术性能项 目性能参数项 目性能参数项 目性能参数锯槽宽度 (mm)200500起吊能力 (kN)180发电机组 (kW)200锯槽深度 (m)550轨距 (mm)2500外形尺寸(mmm)6.02.03.0(运输)行程 (mm)650，750切削驱动电机Y280S-4反循环泵6BS(m3/h)180功率 (kW)75整机重量 (t)22扬程 (m)12转速 (r/min)1500 6.3链斗式挖槽机 悬臂式链斗挖槽机是通过串联的链条及链条上的链斗，对地层进行连续挖掘和排出钻渣，形成沟槽，见图7-3-17。挖掘好的沟槽中可以浇筑混凝土或其它墙体材料，也可以铺设土工膜。 该设备适于在砂壤土中施工，土层中夹杂的卵石粒径应小于130mm。其最大挖槽深度12m，槽宽0.150.30m。挖掘的槽孔宽度一致，连续性好，工效较高，平均工效450600m2/d。图3-7-17 链斗式挖槽机施工示意图1-链斗式挖槽机；2-隔离膜袋；3-已浇筑混凝土；4-正挖槽的槽孔；5-牵引绳；6-地层