我国旋挖钻进技术及设备的应用与发展.doc

我国旋挖钻进技术及设备的应用与发展 摘要：简述了我国旋挖钻进技术的发展概况及旋挖钻进设备及技术的优点、旋挖钻进施工过程中容易发生的事故及解决措施，分析了旋挖钻进技术发展的制约因素，同时认为目前是我国发展旋挖钻进技术的大好时机。20世纪80年代开始，钻孔灌注桩在我国被广泛应用于高层建筑、地铁车站、城市立交桥、公路及铁路桥梁、大坝基础等领域，其成孔工艺技术及设备也不断发展、改进。先后采用的成孔工艺有冲击钻进、冲抓钻进、正循环回转钻进、反循环回转钻进、冲击回转钻进、冲击反循环钻进，以及旋挖钻进等。所使用的设备也逐步发展，从最初的乌卡斯冲击钻机、冲抓钻机、岩心钻机加装转盘改装成大口径回转工程钻机，到研制出专用的回转桩孔施工钻机、大口径冲击反循环钻机等，以及从国外引进并逐渐自行生产先进的旋挖钻机。在上述钻孔灌注桩成孔施工技术中，旋挖钻进工艺代表了当今的先进水平，是今后基础处理施工技术的发展方向之一。下面谈一谈旋挖钻进技术及设备在我国的应用情况及今后的发展。1.我国旋挖钻进技术的发展概况早在1984年，天津探矿机械厂就首次引进美国RDI公司的旋挖钻机并进行消化吸收11。20世纪80年代末至90年代初，一些施工企业看到了旋挖钻进技术在施工中体现出的巨大优势，逐渐从国外引进旋挖钻机。此时，一些国外的旋挖钻机制造商也纷纷在中国设立办事处，向中国的基础工程施工行业介绍、宣传旋挖钻机及旋挖钻进施工技术。但由于种种原因，这一先进技术在我国的发展比较缓慢，到90年代末期，我国旋挖钻机的拥有量也就100台左右，而且就是这为数不多的钻机，也没有完全用于生产施工，许多企业购置施挖钻机后，由于运行成本较高，并未用于生产施工中，仍然采用一些传统的方法进行施工。最近二三年来，随着我国基础工程行业的投资不断加大，市场竞争不断加剧，基础工程施工行业逐渐认识到了旋挖钻进技术的优越性，使得这一技术在我国的发展非常迅速。据悉，仅2001年一年，某国外旋挖钻机制造商在我国就销售了近20台旋挖钻机，而在前几年，其每年的销售数量只有几台；某国内旋挖钻机生产企业也销售了十几台，这一数量对于刚刚起步的国内旋挖钻机生产企业来说，预示着非常好的前景。在北京五环路的基础施工中，旋挖钻机已占了绝大多数，最多时达到了30多台；而在青藏铁路格拉段的冻土施工中，中铁集团要求必须采用旋挖钻进施工工艺，2002年上半年在该工地施工的旋挖钻机数量已达到80台左右。由此可见，旋挖钻进技术在我国的发展前景是非常大的，据有关人员预测，在今后几年内，我国旋挖钻机的拥有量将达到目前的3倍以上。2.旋挖钻进设备及其技术优点与传统的冲击或回转钻进、泥浆循环护壁成孔技术相比，旋挖钻进无论从技术上还是设备上都具有很多优点。2.1一机多用，实现多种钻进方式在国外，大型桩孔和基础施工用钻机的设计充分利用液压传动技术，采用模块化组合设计方法，在主机不变的情况下，实现“一机多用”，以满足大型施工机械对不同施工方法的适应性。在我国，把利用短螺旋钻头或钻斗进行干钻或无循环泥浆钻进技术成孔制桩的的设备称为旋挖钻机，实际上它就是一种适应不同施工方法的大型工程钻机，除可进行旋挖钻进外，还可进行套管或全套管钻进，配备地下连续墙抓斗施工地下连续墙，双动力头切割桩墙施工，以及进行长螺旋钻进(CFA工法)等，真正做到一机多用。2.2设备性能先进，自动化程度高，劳动强度低旋挖钻机为履带式全液压自行式钻机，采用全套液压系统，有些还配备先进的电脑操作系统。为了确保旋挖钻机的优异性能，大部分旋挖钻机制造商都在世界范围内选购零部件，如美国卡特比勒(CAT)的底盘、德国的液压系统、日本的电器等，这样可延长旋挖钻机的整体寿命，不致因某一个部件损坏而影响其使用。旋挖钻机机、电、液一体化高度集中，结构紧凑，操纵灵活方便，机械化、自动化程度高，施工现场内可自行移动，自立桅杆，移动、对孔位方便、快捷。采用伸缩式钻杆，节省了人力和加接钻杆的时间，辅助时间少，时间利用率高。2.3钻进效率高旋挖钻机可根据地层情况配置不同的钻头，在粘性土层可使用长钻筒，加快钻进速度；对于砂卵石含量较大的地层可使用短钻筒，配置泥浆护壁，控制钻速；对于含孤石、漂石及较硬岩石地层可换用长、短螺旋钻头进行处理，松动后再换上钻筒继续钻进。与常规钻机相比，旋挖钻机回转扭矩大，并可根据地层情况自动调整。钻压大，并易于控制。同时由于旋挖钻进钻头直接从孔内提取岩土，故其钻进速度非常高。一般情况下，在土层、砂层的钻进速度可达10m/h，在粘土层可达4。6mh，是普通回转钻进的3。5倍，甚至更高L23。2.4成桩质量好旋挖钻进对地层扰动小，子L壁泥皮薄，形成的孔壁为粗糙型L23，有利于增加桩侧摩阻力，保证桩基设计承载力。孔底沉渣少，易于清孔，提高桩端承载力。2.5环境污染小旋挖钻进为干式或无循环泥浆钻进，所用泥浆量仅为正反循环钻进的l10120t31。因而，施工现场整洁，对环境造成的污染小。同时旋挖钻进振动小，噪声低。3旋挖钻进施工中易出现的问题及解决措施”613.1卡埋钻具卡埋钻具是旋挖钻进施工中最容易发生的、也是危害较大的事故，因此在施工过程中一定要采取积极主动的措施加以预防，一旦出现事故，要采取有效措施及时处理。3.1.1发生的原因及预防措施3.1.1.1较疏松的砂卵层或流砂层，孔壁易发生大面积塌方而造成埋钻。在钻遇此地层前，应提前制定对策，如调整泥浆性能、埋设长护筒等。3.1.1.2粘泥层一次进尺太深孔壁易缩径而造成卡钻。所以，在这类地层钻进要控制一次进尺量，如在15m以深钻进时，一次钻进深度最好不超过40cmo3.1.1.3钻头边齿、侧齿磨损严重而无法保证成孔直径，钻筒外壁与孔壁间无间隙，如钻进过深，则易造成卡钻。所以，钻筒直径一般应比成孔直径小6cm以上，边齿、侧齿应加长，以占钻斗筒长的23为宜，同时在使用过程中，钻头边齿、侧齿磨损后要及时修复。3.1.1.4因机械事故而使钻头在孔底停留时间过长，导致钻头筒壁四周沉渣太多或孔壁缩径而造成卡埋钻。因此，平时要注意钻机本身的及时保养和维修，同时要调整好泥浆性能，使孔底在一定时间内无沉渣。3.1.2处理措施处理卡埋钻的方法主要有：3.1.2.1直接起吊法，即用吊车或液压顶升机直接向上施力起吊。3.1.2.2钻头周围疏通法，即用反循环或水下切割等方法，清理钻筒四周沉渣，然后再起吊。3.1.2.3高压喷射法，即在原钻孔两侧对称打2个小孔(小孔中心距钻头边缘05m左右)然后下入喷管对准被卡的钻头高压喷射，直至两孔喷穿，使原孔内沉渣落入小孔内，即可回转提升被卡钻头。3.1.2.4护壁开挖法，即卡钻位置不深时，用护筒、水泥等物品护壁，人工直接开挖清理沉渣。3.2主卷扬钢绳拉断钻进过程中如操作不当，易造成主卷扬钢绳拉断。因此，钻进过程中，要注意提下钻时卷扬机卷绳和出绳不可过猛或过松、不要互相压咬，提钻时要先释放地层对钻头的包裹力或先用液压系统起拔钻具。如果钢绳出现拉毛现象应及时更换，以免钢绳拉断而造成钻具脱落事故。3.3动力头内套磨损、漏油发生这一现象的原因除了钻机设计上存在欠缺外，主要是超钻机设计能力钻进所致，所以要注意旋挖钻机的设计施工能力，不要超负荷运行。3.4塌孔主要是因为钻进过程中不使用泥浆，或使用很少的泥浆，护壁效果差所致。为防止钻孔坍塌，钻进过程中应保持孔内水位适当高出地下水位，同时注意控制钻斗的升降速度，避免压力激动。4.旋挖钻进技术推广应用的制约因素旋挖钻进技术虽然具有以上诸多优势，也是以后钻孔灌注桩成孔技术的发展方向之一，但是，在这一先进技术的推广应用过程中，也存在一些制约因素，只有认真分析这些不利因素，并采取有效措施加以克服，才能更好地发挥旋挖钻进技术的优势。4.1设备价格昂贵通常情况下，钻孔桩的桩径一般为1215m，在购置设备时，一般要考虑有安全储备系数，所购置的旋挖钻机的施工能力要稍大一些，因此目前应用最多的旋挖钻机的施工口径在15。2m之间，这样一台旋挖钻机的价格都在400万元以上，如果施工口径再大一些，一台钻机加上配件的价格就要上千万元。对于一般的施工单位而言，尤其是对于绝大多数从事桩基施工的地质队，一次性投资几百甚至上千万元购置设备，一是本身就很难有这么大一笔设备购置资金，二是从现行的管理体制来看，即使有能力购置这一先进的施工设备，单位的领导也会考虑多方面因素而不会轻易购置。4.2运行成本较高设备价格昂贵，其运行成本自然就会较高。根据钻机制造商介绍以及用户的实际使用情况来看，旋挖钻机的全负荷正常工作寿命为6300h，超过这一寿命后，一些部件就需要更换修理，尤其是卷扬系统、液压系统主泵、动力头以及钻杆等，这些部件都比较贵，损坏后更换时间也较长。这就使得旋挖钻机在实际使用中的运行成本大大增加，相应提高了桩基的施工成本。而目前由于桩基市场竞争激烈，加之市场竞争不太规范，许多桩基工程都是经过层层转包后才到了施工企业手中，工程价格都比较低，已没有太大的利润空间，如使用旋挖钻机施工，虽然施工效率较高，工程质量也较好，但利润却很低甚至亏损。这也是许多施工企业将旋挖钻机闲置不用，而仍采用传统的相对比较落后的工法施工的主要原因。4.3工程量的制约正由于旋挖钻机价格昂贵，运行成本较高，这就对采用旋挖钻机施工的工程提出了一定的要求，并不像传统的桩基施工工艺，只要工程的地质情况适合即可施工，而对工程本身没有要求。首先，旋挖钻机施工的工程量要大，场地要开阔、平整。旋挖钻机设备较重，一套设备一般要达到几十吨甚至上百吨，如果单项工程量较小，则搬迁费用很高，而且占用时间长，时间利用率低，这些都不利于旋挖钻机发挥其优势。所以，只有当单项工程量较大时，使得旋挖钻机能够较长时间在同一工地施工，减少搬迁费用，提高时间利用率，才能较好地发挥其优势。除了单项工程量要大外，维持一台旋挖钻机正常运行的总的工程量也有一定的要求，按目前的情况，一般要达到每年钻进工作量在20000延米以上，工程造价在500万元以上，才能够发挥其优势。同时，由于设备较重、较大，要求施工场地比较开阔、平整，且有一定硬度，以免钻机沉陷。不能在地表松散、泥泞、没有夯实的场地施工。其次，旋挖钻机施工的工程，利润要高。由于旋挖钻进设备价格昂贵，运行成本高，所以只有当工程达到一定的利润率后，才有施工的价值。根据工程经验，一般情况下，只有当工程的毛利率达到50以上时，才可以采用旋挖钻机施工。4.4施工地层的制约旋挖钻进适用于土层、砂层，以及较松散的、粒径较小的卵砾石层，在粉质粘土、粘质粉土等粘性土层钻进效果最佳。而在硬岩层、较致密的卵砾石、孤石层施工比较困难，并容易发生孔内事故和机械事故，体现不出旋挖钻进的优越性。5.旋挖钻进技术全面发展的时机5.1旋挖钻机生产发展迅速随着我国基础工程行业的迅速发展，国外的旋挖钻机制造商都看好中国这一巨大的市场，纷纷向中国销售、宣传其旋挖钻机，有的由著名的贸易公司代理，有的直接在中国开设办事处，而有的则直接在中国投资建厂。与此同时，国内的一些企业也通过引进、消化国外技术，开始制造旋挖钻机。据不完全统计，目前在国内市场上应用的旋挖钻机有十几个厂家的几十个型号。如德国宝峨公司，意大利意马公司、天锐公司、土力公司、CMV公司，利勃海尔，日本日立建机，北京经纬巨力公司，徐工集团等。在这些钻机中，有整机从国外直接进口的，如意大利意马公司的AF系列、天锐公司的Tr5ve系列、土力公司的R系列等；有钻机部件在国外制造后在国内组装的，如德国宝峨公司的BG系列；也有国内企业生产的，如北京巨力公司的zY系列等，但其钻机的关键部件仍是从国外进口，以保证其钻机有良好的性能。这些钻机在性能、价格等方面各有优势，用户可根据自己的实际情况选择，选择余地比较大。目前可供选择的旋挖钻机性能范围非常大，就最主要的性能参数孔径而言，各个厂家的主导产品均是最大钻孔直径在15。20m之间，而钻孔灌注桩的最常用的桩径一般为1215m，考虑到安全储备系数，这类钻机对于施工这种桩径是非常适合的。同时，有些厂家生产的钻机孔径范围非常大，4、型的有最大钻孔直径为1m，的，大型钻机孔径可达到3m，为用户提供了一个非常宽的选择范围，可适用不同的工程需要。各厂家钻机采用的加压方式也各不相同，各有优势。主要体现在钻杆的形式上，摩阻式伸缩钻杆，在软土层钻进效率较高；机锁式钻杆，适于钻进硬岩层，但对操作的要求较高，需找到加压点加压；自锁铠式钻杆，可随时加压，传扭效果好。综上所述，每种钻机都有其不同的优点，有的价格较为便宜，有的自动化程度较高但对操作的要求也高，有的性能优异但价格比较贵。用户可根据自己的资金情况及常用的工程情况，综合考虑性价比，选购不同价格、不同性能优势的钻机。5.2施工工具基本实现国产化我国在引进旋挖钻机的同时，就开始了其配套施工工具的消化、吸收工作。旋挖钻机配套的施工工具主要有旋挖钻斗、土层短螺旋钻头、嵌岩短螺旋钻头等，这些施工工具国内已有多家单位生产，目前在青藏铁路工地上施工的旋挖钻机，绝大多数都配有国产的施工工具。与国外旋挖钻机原配套的产品相比，钻进效率基本相同，虽然其寿命稍短一些，但其价格仅相当于国外进口产品的1214，其综合经济效益明显优于国外进口产品。旋挖钻机用户目前也都愿意使用国产的施工工具，一是可以降低施工成本；二是供货及时；三是维修方便，国内专门的施工工具生产单位，都配备专门的售后服务人员，为用户提供及时完备的售后服务，有的企业甚至在青藏铁路工地上设立了办事处及维修车间，在现场随时为用户进行售后服务。同时，许多旋挖钻机制造商，不论是国外企业，还是国内企业，也都纷纷与国内的施工工具生产单位合作，除了销售钻机时配套的施工工具外(有的国内钻机制造商则不生产施工工具，直接与施工工具生产单位合作)，如果用户再需要购置施工工具，他们也都愿意向用户推荐国内的施工工具生产单位，这样他们可以把精力完全放在钻机的销售及售后服务上，既方便了用户，也能够更大地发挥自身的优势。5.3基础工程施工单位体制的转变随着我国机构改革的不断深入，各省市、各部门都纷纷进行机构重组。如地矿部门，在20世纪80年代初期，各地质队纷纷进入基础工程市场，也都相应地更名为地质工程公司、岩土公司等，但其组织机构并没有根本性的转变，仍以原地质队为一独立的经济实体，无论从施工资质、企业资产、人才等各方面来说，其竞争实力都不强。进入90年代，尤其是进入21世纪后，随着国土资源部机构改革的深化，各施工企业都实行了属地化，各省局都相继成立了一个施工企业集团，将原独立经营的各公司进行整合，有的省甚至将地矿、冶金、有色、煤炭等多个部门从事基础施工的企业进行跨行业整合，这样，大大扩大了企业规模，可以进行资产及人才的重组，增强了企业的竞争能力，使其有能力投资购置旋挖钻机这样昂贵、先进的施工设备，承揽更多、更大的工程，也就能够充分发挥旋挖钻机等先进设备的技术优势。5.4基础工程市场不断扩大随着我国经济的发展，给基础工程市场带来了巨大的发展机遇。尤其是近年来，被称为“五大世纪工程”的三峡工程、西气东输、西电东送、南水北调、青藏铁路等工程相继开工；国家西部大开发政策的实施使西部有一大批基础工程要建设；北京申奥成功后将使以北京为主的几个奥运城市进行大规模的城市建设及奥运场馆的建设。这一系列重大事件，使基础工程市场达到了前所未有的规模。与普通的基础工程相比，这些工程有着其不同的特点，如工程量大、持续时间长；对环保要求严格，西部大开发要保护生态环境，奥运工程的建设不能对城市环境造成污染等；工程进度不能拖延，等等。这些特点对基础工程施工技术提出了更严格的要求，采用常规的施工技术是很难满足这些要求的，而必须采用先进的施工设备和技术，旋挖钻进技术正是钻孔灌注桩施工的首选。6.结语旋挖钻机在发达国家已成为钻孔灌注桩施工的主要设备，但在我国的发展比较缓慢。综上所述，旋挖钻进技术及设备具有一系列的优点，虽然其推广应用存在一些制约因素，但无论从我国目前的基础工程施工市场形势及要求、旋挖钻机生产规模、配套工具的生产、基础施工企业的体制等各方面来看，我国旋挖钻进技术全面、快速发展的时期已经到来。随着我国加入WT0及未来有如此大的基础工程市场，国外的基础工程施工企业也必将带着先进的设备及技术涌入中国，国内的施工企业也必须用先进设备及技术“武装”自己，才能在竞争中立于不败之地。笔者相信，今后的几年内，我国旋挖钻机的拥有量将迅速增长，将推动我国基础工程施工设备向机械化、自动化方面发展，同时将使我国基础工程施工技术迈上一个新的台阶。