淺析旋挖鑽機的研發

②、施工現場環保、幹淨
旋挖鑽機由鑽頭旋挖取土，鑽杆將鑽頭提出孔內再卸土。旋挖鑽機的泥漿僅僅用來護壁，而不用於排碴，成孔所用泥漿基本上等於孔的體積，且泥漿經過沉澱和除砂還可以多次反複使用。旋挖鑽機使用較少的泥漿，即可滿足鑽孔護壁的需要，因而，施工現場整潔，對環境造成的汙染小，降低了施工成本。
③、行動方便
旋挖鑽機具有履帶，可以自行走，旋挖鑽機鑽進前對孔的定位非常準確、方便。
④、適應地層能力強
旋挖鑽機配備不同鑽頭，即可用於對付沙層、土層、卵礫石、岩層等不同地質，不受地域限製。
⑤、適用各種樁基工程
旋挖鑽機除用於旋挖鑽進外，經簡單改裝後，還可用於長螺旋、地下連續牆等施工；適用範圍極其廣泛。
⑥、機動性強
旋挖鑽機能獨立作業。鑽機的安裝、拆卸無需輔助設施來完成，且能適應複雜地形的工地。占用空間小，能靠牆操作。
⑦、使用方便、維修簡單
旋挖鑽機的主要部件均為較為普遍的原產地部件廠家提供（如泵、發動機、馬達、減速機等），可直接得到原產地廠家的售後服務支持。同時，設備結構簡單，故障率極低。
⑧、孔口回填土對鑽孔樁的影響少
旋挖鑽機一般配備２米左右的孔口護筒（如孔口回填土較厚可加長），而且鑽機本身可埋設護筒，這樣也盡量避免了孔口回填土對鑽孔樁的影響。
⑨、孔口掉泥、產生的沉渣少
水下導管灌注混凝土，是一種非常成熟的灌樁工藝，可避免孔口掉泥、灌注過程中產生的沉渣帶來的不利影響。
２．２、旋挖鑽機的施工缺點：
在地基與基礎施工中常遇到的一些鑽孔樁問題，采用旋挖鑽機施工還很困難或者效率較低，主要表現：
①、當卵石粒徑超過１００ｍｍ時，鑽進困難，對很多直徑大子２００ｍｍ的漂石地層，在這些地層中施工基礎樁時常使用衝擊鑽或利用，組合式潛孔錘鑽進，效率較低，旋挖鑽機目前在這種地層施工還很困難，
②、穩定液管理不適當時，會產生坍孔；
③、廢泥水處理困難；
④、沉渣處理較困難，需用清渣鑽頭：
⑤、施工擴底樁：為了提高單樁承載力，節約工程造價，很多樁基設計采用擴底樁，目前多采用人工挖孔擴底或回轉反循環鑽機擴底，這樣能保證擴底尺寸和孔底幹淨，雖然旋挖鑽機可用擴底鑽頭進行擴底，但很難保證孔底的厚度以及擴底尺寸滿足設計要求。
⑥、套管鑽進：為了減少抽水引起的地麵沉降墓坑工程常設計“咬合樁”阻水方案，即將基坑支護樁和素混凝土樁互相“咬合”。既成為基坑的支護機構，也形成了基坑的阻水結構，為了保證“咬合”的精度，常采用套管鑽進成孔工藝，對切割混凝土的厚度和鑽孔的垂直度要求精度很高，目前一般旋挖鑽機的配置還不能解決這種施工工藝問題：
⑦小徑樁鑽進效率較低：對於直徑＜８００ｍｍ的鑽孔，一般型號較高的旋挖鑽機成孔效率反而大大降低，導致成本增大，在北京地區一般＜２０ｍ的基坑設計護坡樁大都采用中６００—中８００樁徑，並且降水井一般采用直徑６００ｍｍ，這種情況下護坡樁和降水井的數量很多，並且大都進入卵石地層，一般鑽機施工效率很低，並且對垂直度和超徑控製很差，但目前旋挖鑽機在小徑鑽孔方麵還未顯示出明顯的優勢。
⑧、孔底壓灌混凝土後插筋成樁：
為了解決在地下水影響不大（一般是在枯性土地層或粉細砂地層）的情況下快速成樁的問題，常采用鹹孔後從孔底壓灌混凝土至設計標高後，再將鋼筋籠插入混凝土中的方式，這樣既能保證鑽孔不坍塌，又避免了水下灌注的繁鎖，但目前旋挖鑽機還不能解決這種施工工藝問題。
⑨、岩石鑽進：一般嵌岩樁需在強風化、中風化，甚至微風化岩石中鑽進，當用回轉反循環鑽進時，一般采用組合式牙鑽頭將岩石磨碎，然後用泵吸出沉渣。當用中擊反循環鑽進時，一般用衝擊錘將岩石擊碎，然後用泵吸出沉渣，旋挖鑽機也隻能采用組合式牙輪鑽頭，不同的是它是取芯鑽進，在強風化地層其效率將低於前二種工藝，並且孔底沉渣需做特殊處理。
以上是在地基與基礎施工中常遇到的施工工藝問題，有些通過改進旋挖鑽機的配套設施，或選擇合適的設計參數就能解決，但有的問題是旋挖鑽機難於解決的，因此要想用旋挖鑽機來解決所有鑽孔樁的問題是不符合客觀實際的。在旋挖鑽機的設計生產過程中，應考慮功能的主流問題。其它一些問題，可通過其性能價格比較，施工工藝的難易程度綜合分析解決。
（３）、開發時要清楚旋挖鑽機的類型
旋挖鑽機根據其主要工作參數、扭矩、發動機功率、鑽孔直徑、鑽孔深度及鑽機整機質量可以分為三種類型供選購：
①、小型旋挖鑽機
小型旋挖鑽機的應用：各種樓座的護坡樁、樓的部分承重結構樁、城市改造市政項目的各種小於１ｍ的樁、適用於其他用途的樁。小型旋挖鑽機的技術參數：扭矩１００ｋＮ．ｍ。發動機功率１７０ｋＷ，鑽孔直徑０．５～１ｍ，鑽孔深度４０ｍ左右，鑽機整機質量４０ｔ左右。
②、中型旋挖鑽機
中型旋挖鑽機的應用：各種高速公路、鐵路等交通設施橋梁的橋樁、大型建築、港口碼頭承重結構樁、城市內高架橋橋樁、其他適用樁。中型旋挖鑽機的技術參數：扭矩１８０ｋＮ．ｍ，發動機功率２００ｋＷ，鑽孔直徑０．８～１．８ｍ，鑽孔深度６０ｍ左右，鑽機整機質量６５ｔ左右。
③、大型旋挖鑽機
大型旋挖鑽機的應用：各種高速公路、鐵路橋梁的特大橋樁、其他大型建築的特殊結構承重基礎樁。大型旋挖鑽機的技術參數，扭矩２４０ｋＮ．ｍ，發動機功率３００ｋＷ，鑽孔直徑１～２．５ｍ，鑽孔深度８０ｍ，鑽機整機質量１００ｔ以上。
④、國內旋挖鑽機根據下麵條件設計選擇：
ａ、國內旋挖鑽機施工常用：
Ａ．孔徑：≤１０００ｍｍ，孔深：≤３５ｍ（國內旋挖鑽機幹法施工常用）
Ｂ．孔徑：≤１５００ｍｍ，孔深：３６ｍ－５４ｍ（國內旋挖鑽機施工常用）
Ｃ．孔徑：≤２０００ｍｍ，孔深：５５ｍ－７０ｍ（國內旋挖鑽機施工不常用）
Ｄ．孔徑：大於２０００ｍｍ，孔深：大於７０ｍ（國內旋挖鑽機施工不常用）
ｂ、要開發適合國情的旋挖鑽機：
目前國產旋挖鑽機的品種偏少，國內大部分廠家一上來就搞２００ｋＮ·ｍ級的，投資非常大。而實際上據統計，國內的８０％－８５％的樁基礎樁徑在１．２ｍ以下，深度不超過４０－４５ｍ。如日本開發的旋挖鑽機大多為：１００ｋＮ．ｍ以下的，國內進口的扭矩多為１００ｋＮ．ｍ以下的二手日本產旋挖鑽機。用戶反映，使用效果很好。國內的專家認為：青藏鐵路需要大功率的旋挖鑽隻是個例，而且青藏鐵路一旦建成，對大型的旋挖鑽機的需求將減少！大型的旋挖鑽機的需求是階段性的！國內的旋挖鑽機生產廠家，應該開發一些適合中國國情的旋挖鑽機。中國國情就是價格不能太貴，主要性能能滿足要求，這樣旋挖鑽機才能不斷地得到推廣使用。以替代目前我國仍在廣泛使用的工程轉盤鑽機，減少環境汙染，提高樁的施工質量。
ｃ、旋挖鑽機在２０－５０ｍ範圍內施工有優越
旋挖鑽機是靠鑽杆帶動回轉鬥旋轉切削土，然後提升至孔外卸土的周期性循環作業的取土成孔灌注樁施工機械，由於它作業的周期性，決定了它不可能比連續循環作業機械的效率高，如果用旋挖鑽機與長螺旋鑽孔機相比較，旋挖鑽機在２０～５０ｍ範圍內可顯示出其優越性，這是因為長螺旋鑽孔機的切土鑽進機構與輸土機構是合為一體的，當功率一定時，轉速高則扭矩小，扭矩大則轉速低，一般情況下切削需要低轉速大扭矩，而輸土時需要高轉速小扭矩，兩種機構形成了矛盾體，相對旋挖鑽機而言，當鑽孔深度小於２０ｍ時，長螺旋鑽孔機采用較高轉速作業，可以連續輸土鑽進，因此效率遠高於旋挖鑽機，當鑽孔深度超過５０ｍ甚至百米以上時，長螺旋鑽孔機采用較低轉速大扭矩亦可進行作業，而旋挖鑽機因鑽杆長度限製，無法施工，則無效率可言。
（４）、開發時要清楚旋挖鑽機的主要部件與選購件
旋挖鑽機基本組成：各型旋挖鑽機均為全液壓履帶自行式，結構大同小異，都是由主機、履帶式底盤、鑽架、動力頭、加壓油缸、主副卷揚等部分組成，並全部安裝組合在履帶式底盤上。在開發旋挖鑽機時要清楚國內外旋挖鑽機的主要部件與選購件，對不同廠家同等鑽孔能力的旋挖鑽機，要重點對比其動力頭額定回轉扭矩、主卷揚單繩提拔力、機器重量、動力頭額定輸出扭矩、液壓係統額定工作壓力、主卷揚安全係數等等三個參數，認真分析國內外旋挖鑽機的性能價格比等。
（５）、開發時要清楚國內外旋挖鑽機製造的主要特點
１、旋挖鑽機國內的生產公司
旋挖鑽機近年來在我國正逐步推廣應用，而我國同類產品的開發生產隻有較短的發展史，產品數量和品種較少，在世紀之交的今天，我國正處在一個大發展時期，各種工程建設急需大量的建設機械，特別是公路橋梁、鐵路、水利、城市發展，需要大量的樁工機械設備，從其發展的速度來看，旋挖鑽機的市場巨大。但是製約進口鑽機的主要因素是昂貴的進口價格，使大部分施工企業望而卻步，也造成部分地區二手鑽機市場的火爆。旋挖鑽機屬機電一體化設備。設備技術含量高，使用技術和設備保養要求嚴格。近年來，國內有幾家單位對旋挖鑽機陸續進行了一些開發工作，但由於種種原因，都沒有能夠形成係列的成熟產品。
目前旋挖鑽機的國內的生產公司主要有：徐工：ＲＤｌ５，ＲＤｌ８／ＲＤＩ８Ｚ，ＲＤ２２，成樁直徑：１５００ｍｍ－２５００ｍｍ；鑽進深度：６０ｍ。三一：ＳＹＲ２００。北京經緯巨力工程機械有限公司，動力頭扭矩：１２０ｋＮ·ｍ，２００ｋＮ·ｍ，ＺＹ－１２０，ＺＹ－２００。
２、國外旋挖鑽機
目前國外旋挖鑽機在國內的公司主要有：著名的廠家有德國寶峨公司，其產品係列為ＢＧｌ２～ＢＧ２５；意大利土力公司，其產品為Ｒ４１２～Ｒ６１８；ＭＡＩＴ公司的ＨＲｌ３０～ＨＲ２４０；ＩＭＴ公司的ＡＦ６～ＡＦ５０；ＣＭＶ公司的ＴＨｌ２～ＴＨ２５等。國外產品最大扭矩可達３６０ＫＮｍ，發動機功率達４４８ＫＷ，鑽孔直徑４米，鑽深９０餘米。品牌主要集中於土力、寶峨、意馬、麥特、卡薩格蘭第、巨力、日本產小扭矩旋挖鑽機。國外製造的旋挖鑽機主要特點有以下幾點：
①、旋挖鑽機的機、電、液一體化高度集中，結構緊湊，操縱靈活方便，自動化程度高，采用伸縮式鑽杆，節省了人力和加接鑽杆的時間，施工中隻需一人即可操縱整台鑽機，工人勞動強度低；
②、旋挖鑽機可自行移動，自立桅杆，整個工作機構可在履帶底盤上做±３６０°回轉。現場轉移、對孔位靈活方便，輔助時間少。
③旋挖鑽機的回轉扭矩大，並可根據地層情況自動調整。
④、旋挖鑽機的鑽架采用“平行四邊形連杆機構＋三角形”的支撐結構，非常適合城市狹窄場地的施工。
⑤、旋挖鑽機的履帶底盤可以伸縮。
⑥、旋挖鑽機的鑽架上裝有垂直度檢測儀，可以檢測和顯示鑽架的偏斜度，並可通過鑽機的“微動”係統，調整鑽架的垂直度。
⑦、旋挖鑽機的駕駛室控製麵板上裝有孔深和鑽架垂直度顯示儀，以及反映發動機、液壓係統工作狀態的儀表、顯示屏及報警裝置，有的還裝有全電腦操作係統，使操作手能實時掌握鑽進深度、鑽架垂直度，保證鑽孔準確到達設計深度和良好的垂直度：實時掌握各係統工作情況，便於及時采取維修措施，保證鑽機正常運轉。
⑧、旋挖鑽機的鑽杆牙嵌與動力頭齧合情況和鑽杆狀態有顯示功能。鑽杆牙嵌部位是極易磨損的，特別是在齧合不徹底的情況下，磨損後的修複也非常麻煩，以往操作者隻能憑經驗來感覺齧合，所以對操作者熟練程度的要求很高。有了鑽杆牙嵌齧合情況顯示功能後，顯示器上能精確地顯示牙嵌的齧合情況，即便是一位沒有經驗的操作者也能很好地操作，同時大大地減輕了工人的勞動強度。在鑽孔作業時．根據需要鑽孔深度往往達幾十米．由於地質情況，鑽杆與鑽杆，鑽杆與鑽頭連接等方麵的原因，造成鑽杆，鑽頭脫落在孔內的事故，給施工單位造成很大的損失。鑽杆狀態的顯示功能，為操作者提供一個可視的鑽杆，方便了操作者，避免了事故的發生。
⑨、旋挖鑽機可實現多工藝鑽進，能適應不同地層、不同樁基礎處理方法施工的需要。一般類型的旋挖鑽機除能進行旋挖鑽進外，通過更換工作裝置，還可實現跟管鑽進和長螺旋鑽進。國外的旋挖鑽機的一機多能，結構設計上的突破，可做到隻要更換鑽具，就使機器具有螺旋，回轉鬥，連續牆，長螺旋和中抓鬥鑽孔機的功能。
⑩、旋挖鑽機的遠程控製功能的計算機控製係統，為方便操作者工作和實現對機器實時監測，設置了適用於白天工作的觸模式敏感顯示屏。它可顯示以下信息：鑽桅傾角，鑽桅工作參數（扭矩動力頭的旋轉速度、鑽孔深度、卷揚拉力和加壓力），可遠距離收集和調控失效和狀態信息方麵的操作係統，ＧＰＳ定位係統。此外，此係統還可以產生一些特殊信息，如零件磨損和損壞情況、服務信息等。
總之，從國外旋挖鑽機的產品有如下技術特點：整機采用鑽孔深度、垂直度自動檢測及控製；熒屏實時顯示；鑽孔定位技術；液壓履帶式伸縮底盤，保證了整機穩定性及良好的機動性能；自行起落可折疊式鑽桅；大扭矩多節伸縮式鑽杆，可匹配多種鑽具，以適應不同作業需求；雙速自適應動力頭，既可進行鑽孔，又能安放套管；采用了主、副卷揚的高度限位，動臂幅度限位及駕駛室內液控開關等安全保護裝置；應用人機工程原理設計了新型操縱室，布置了冷暖空調，提高了操作舒適性等。
（６）、開發時要清楚旋挖鑽機的的施工規範
旋挖鑽機的施工規範涉及到：施工現場的地質勘探、施工現場的布置、施工現場各項規程製度、施工現場的城市建設的各項規程製度、成孔的一係列控製及各種情況的故障的不同的處理。旋挖鑽機的施工規範的故障有：旋挖鑽機的本身故障、旋挖鑽機的施工成孔的故障、成樁的故障等。在施工現場從看到旋挖鑽機施工工藝步驟看，成孔較複雜。旋挖鑽機施工藝因地層不同，方法不同。如目前國內的在高原凍土層、常年凍土地層（堅硬難鑽、凍土層擾動或形成孔洞地層、軟硬互層或大漂石地層造成孔斜、淤泥地層鑽具轉動攪成泥漿取不出土，造成鑽進無進尺；卵礫石層中夾雜有凍土或冰塊地層；大卵石或漂石地層的鑽具鑽取時在孔底跟著轉，或卡阻鑽具造成孔內事故頻繁；在複雜地層中進行樁很特殊的擴底鑽進等等；漂石和孤石地層的成孔施工；再如在南方地層下的水較多的施工工藝問題。總之，旋挖鑽機的設計者要在旋挖鑽機的市場方麵、旋挖鑽機的設計與工藝方麵、旋挖鑽機的選購方麵、旋挖鑽機的施工與標準等方麵多學習，才能設計出更多更好的低成本旋挖鑽機的係列產品。
四、開發建議
１、研發的建議：旋挖鑽機產品的研發應形成係列化，在國內２００ｋＮ·ｍ級的基礎上，逐步開發形成：１００ｋＮ·ｍ級的、２２０ｋＮ·ｍ級的、２５０ｋＮ·ｍ級的、３００ｋＮ·ｍ級的、４００ｋＮ·ｍ級的等係列產品（對３００ｋＮ?ｍ級的、４００ｋＮ．ｍ級的目前要跟蹤與學習其技術），另外對於２００ｋＮ．ｍ級以下的產品開發出更加滿足國情與市場需要經濟型產品。
２、研發要圍繞著國內旋挖鑽機存在的不足點來開發
國內旋挖鑽機存在的不足點是：
①、國內旋挖鑽機的液壓係統配置達不到國外的先進水平，特別是與世界先進水平的寶峨等鑽機相比還有一定差距。
②、國內旋挖鑽機的關鍵件如鑽杆，特別是機鎖式加壓鑽杆，國產的還不能滿足主機的要求。因為：一是國產鋼管在鋼管加工時，圓度和直線度達不到設計要求，無論是強度還是精度都不能滿足要求，二是鑽杆的加工工藝還處在摸索之中，焊接質量不能保證，焊後易變形，而且變形難以調整。
③、國內旋挖鑽機的整機的外觀及操作室內儀表盤的布置不如國外，這方麵應借鑒其他國產的工程機械，如挖掘機等。
④、國外的旋挖鑽機，有的裝有全電腦操作係統，使操作手能實時掌握鑽進深度、鑽架垂直度，保證鑽孔準確到達設計深度和良好的垂直度。實時掌握各係統工作情況，便於及時采取維修措施，保證鑽機正常運轉，國內的基本靠人工經驗。
⑤、國內旋挖鑽機的鑽杆牙嵌與動力頭齧合情況和鑽杆狀態無顯示功能。國外的旋挖鑽機的鑽杆牙嵌與動力頭齧合情況和鑽杆狀態有顯示功能。
總之，在旋挖鑽機產品發展與開發方麵，更瞄準國際旋挖鑽機先進的技術，探討人機工程，起點高，領域寬，形成國內旋挖鑽機的形象和風格等等。在做好旋挖鑽機的研發工作的同時，實現旋挖鑽機的產品係列化。旋挖鑽機的生產廠家一方麵是要善於向外國旋挖鑽機的企業學習。借鑒國外旋挖鑽機先進技術為我用，在借鑒的基礎上設計，生產適合我國國情的旋挖鑽機產品，另一方麵要加大旋挖鑽機創新的力度，研發具有中國特色的旋挖鑽機，使旋挖鑽機具有外國產品不能比擬的優勢，滿足國內市場需求，填補我國基礎機械領域的空白，跨越相當的時空使我國基礎機械行業進入世界的先進行列，使國內基礎機械行業最快的速度在最短的時期內出現一個嶄新的局麵。

原作者： 徐工研究院 張啟君
來 源： 徐州工程機械雜誌