全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在國內(nèi)的發(fā)展與應(yīng)用

1、全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在國內(nèi)的發(fā)展與應(yīng)用陳建海 劉可可（徐州盾安重工機(jī)械制造有限公司 徐州 221000）摘要：全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)鉆機(jī)是一種可以驅(qū)動套管做360度回轉(zhuǎn)的全套管施工設(shè)備，是日本在20世紀(jì)80年代中期在搖動式搓管機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的新型貝諾特施工設(shè)備。徐州盾安重工于2011年研發(fā)成功我國第一臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的具有國際先進(jìn)水平的全回轉(zhuǎn)鉆全套管機(jī)，并形成了全系列產(chǎn)品。一、國際上全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)的發(fā)展全套管鉆機(jī)又稱貝諾特（Benoto）鉆機(jī)，它最初是由法國貝諾特公司于上世紀(jì)5年代開發(fā)研制成功的，隨后日本、德國、英國、意大利等國家先后引進(jìn)和研制，機(jī)型和施工方法均有很大發(fā)展。貝諾特施工法為全套管施工法即

2、沖抓斗跟管鉆進(jìn)法，工作裝置由沖抓斗和全套管裝置兩部分組成。最初的全套管裝置為搖動式，即利用兩只搖動液壓缸的伸縮使套管繞其中心以一定的角度往復(fù)轉(zhuǎn)動，從而使套管最下端的切削齒剪切土壤，降低套管壓人阻力；靠另外兩只液壓缸將套管壓人或從土中拔出。隨著樁基礎(chǔ)施工的發(fā)展，樁的直徑越來越大，施工效率和精度要求越來越高，搖動式套管裝置因扭矩小、效率低，已不能完全滿足施工的要求。全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)是一種可以驅(qū)動套管做360度回轉(zhuǎn)的全套管施工設(shè)備，是日本在20世紀(jì)80年代中期在搖動式搓管機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的新型貝諾特施工設(shè)備，目前國際上研制開發(fā)出全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)的主要廠家有日本車輛制造株式會社、三和機(jī)工株式會社、德國L

3、effer公司等。該設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域主要涉及城市地下障礙物（包括舊的混凝土預(yù)制樁、灌注樁、鋼管樁、鋼板樁等）的拔除和置換，城市和沿海地區(qū)軟基或硬巖地區(qū)鉆進(jìn)成孔、復(fù)雜破碎的填石填海地層、沿海灘涂和地下水豐富的砂層、卵礫石地層的全套管成孔灌注樁施工。該工法技術(shù)靈活多樣、機(jī)械化程度高，具有施工安全、可靠，成孔垂精度高、無泥漿污染等特點(diǎn)。在日本已經(jīng)形成10003200mm的系列產(chǎn)品。全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)的研制成功對貝諾特工法的推廣起到了十分積極的作用，由于該工法可以在各種復(fù)雜的底層中進(jìn)行施工，不僅可以施工樁孔。而且還可以施工柱列式樁排擋土墻，并能處理其它工法因施工質(zhì)量問題留下的樁基事故及清理舊樁，因此，全回

4、轉(zhuǎn)全套管施工工法有稱為“萬能施工工法”。二、我國全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)的發(fā)展我國于20世紀(jì)70年代開始少量引進(jìn)搖動式全套管鉆機(jī)（搓管機(jī)），20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)用于橋梁和鐵路建設(shè)。2004年上海隧道股份引進(jìn)兩臺日本車輛RT260H全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)用于地鐵4號線坍塌事故的工程修復(fù)，取得良好效果，是國內(nèi)進(jìn)行大型地下工程事故搶險的成功范例。目前國內(nèi)2000年以后以新機(jī)狀態(tài)從日本進(jìn)口的各型號全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)共6臺，國內(nèi)以二手機(jī)形式進(jìn)口過來的機(jī)器，能夠使用的大約有20臺，基本全是日本制造，生產(chǎn)日期最早可以追溯到上世紀(jì)80年代末期，屬于典型的“文物級”設(shè)備，設(shè)備狀態(tài)差，使用效率低，無奈當(dāng)時中國不能生產(chǎn)。1994

5、年，昆明捷程樁工有限責(zé)任公司研制成功我國第一臺搖動式全套管鉆機(jī)（搓管機(jī)），填補(bǔ)了國內(nèi)搖動式全套管鉆機(jī)的空白，并開發(fā)出搖動式全套管鉆機(jī)系列產(chǎn)品。目前國內(nèi)生產(chǎn)搖動式全套管鉆機(jī)的廠家超過了5家以上，產(chǎn)品規(guī)格已覆蓋1.2m-2.0m樁徑，在軟土層、雜填土等地層的施工中顯露出優(yōu)勢，并在做軟咬合樁上取得了國際領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢。但是搓管機(jī)由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其在大直徑深基礎(chǔ)樁、清除地下障礙等領(lǐng)域無法滿足施工要求。于是全回轉(zhuǎn)鉆全套管機(jī)開始引入國內(nèi)。全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)由于其結(jié)構(gòu)龐大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，國內(nèi)主機(jī)廠商一直未有涉足研發(fā)制造，一直依賴進(jìn)口設(shè)備。2011年，徐州盾安重工機(jī)械制造有限公司開始對全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行深入研究并開始

6、研發(fā)制造，2012年1月，第一臺國產(chǎn)全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)DTR1505在盾安重工下線并成功推廣應(yīng)用，截止2015年底，經(jīng)過4年多的自主研發(fā)和創(chuàng)新，盾安重工已經(jīng)形成DTR1305L、DTR1505、DTR2005H、DTR2605H、DTR3205H全系列全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)的生產(chǎn)能力，成為國內(nèi)規(guī)模最大、型號最全的研發(fā)制造基地，累計制造銷售30多臺并產(chǎn)品成功出口東南亞，參與國際市場競爭。盾安重工全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，共申請國家專利70多項，取得國家專利授權(quán)合計46項，其中國家發(fā)明專利授權(quán)5項，實(shí)用新型專利39項，外觀設(shè)計專利2項，形成了有效的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系。目前國內(nèi)涉足全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)生產(chǎn)的

7、廠家也由盾安重工一家發(fā)展到多家，這些廠家跟隨盾安重工步伐，通過同國外企業(yè)合作或者自主研發(fā)，均已完成了一臺樣機(jī)的試制，隨著技術(shù)水平的不斷提高，國產(chǎn)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)取代進(jìn)口設(shè)備指日可待。三、全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)工法的優(yōu)勢及應(yīng)用領(lǐng)域全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)是集全液壓動力與傳動、機(jī)電液聯(lián)合控制于一體的新型、高效、環(huán)保樁工機(jī)械，具有極高的垂直精度，能夠在卵、漂石地層、含溶洞地層、厚流沙地層、高回填地層、強(qiáng)縮頸地層、沼澤地等各種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下順利實(shí)現(xiàn)灌注樁、置換樁、地下連續(xù)墻等的施工以及清除舊樁等地下障礙物，擁有其它各種鉆機(jī)無法比擬的優(yōu)勢。近年來在城市地鐵、深基坑圍護(hù)咬合樁、廢樁（地下障礙）的清理、高鐵、道橋、城建樁的施工、水庫

8、水壩的加固等項目得到了廣泛的應(yīng)用。1、全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工工法的優(yōu)勢1）無噪音、無振動、安全性高；2）不使用泥漿，作業(yè)面干凈，環(huán)保性好，并避免了泥漿進(jìn)入砼中的可能性，成樁質(zhì)量高，有利于提高砼對鋼筋的握裹力；3）施工鉆進(jìn)時可以很直觀的判別地層及巖石特性；4）鉆進(jìn)速度快，對于一般土層，可達(dá)14m/小時左右；5）鉆進(jìn)深度大，根據(jù)土層情況，最深可達(dá)120m左右；6）成孔垂直度便于掌握，垂直度可以精確到1/500；7）不會產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象，成孔質(zhì)量高；8）成孔直徑標(biāo)準(zhǔn)，充盈系數(shù)小，與其他成孔方法相比，可節(jié)約大量的砼用量；9）清孔徹度，速度快，孔底鉆渣可清至30mm左右。2、全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工常用工法全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)常

9、用工法示意圖1）咬合樁、連續(xù)墻施工工法（ 應(yīng)用領(lǐng)域：地鐵站臺、地下建筑結(jié)構(gòu)圍護(hù)、水庫加固擋水墻等）主要針對于地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工方法，施工順序為先施工B樁兩側(cè)的兩根樁體A樁，然后利用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的切割能力切割掉相鄰A樁相交部分的混凝土，澆筑混凝土后形成咬合樁。2）漂石、孤石地層，喀斯特地層灌注樁施工工法（應(yīng)用領(lǐng)域：高回填層、強(qiáng)縮頸地層，溶洞發(fā)育區(qū)域等）主要針對沿高回填層、巖層、溶洞進(jìn)行施工，由于鉆機(jī)具有強(qiáng)大的扭矩、壓入力，可有效對巖層進(jìn)行切削，且套管本身具有護(hù)壁作用，無需回填塊石或另下保護(hù)護(hù)筒，即可在巖溶區(qū)域完成成樁作業(yè)，目前已完成深度120米的樁基施工。全回轉(zhuǎn)設(shè)備作業(yè)組示意圖3）無損拔樁、地下障

10、礙物清除施工工法（應(yīng)用領(lǐng)域：城市建設(shè)，橋梁改建等地下障礙物清理）主要針對于舊樁及障礙物進(jìn)行施工，利用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)強(qiáng)大的下壓力和回轉(zhuǎn)扭矩，驅(qū)動鋼套管轉(zhuǎn)動，將舊樁周圍的土體及障礙物切削分離，用吊車及沖抓斗將分離后的舊樁體拔除。該工法最大的特點(diǎn)是可將套管鉆入有巖層或高強(qiáng)障礙物的土層，利用套管的護(hù)壁作用，在套管內(nèi)進(jìn)行清障。5）高精度無偏差鋼立柱插入施工工法（應(yīng)用領(lǐng)域：深層開挖、軟弱地層開挖、靠近建筑物施工）主要用于逆作法施工，在蓋挖逆作法施工中全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔與植入鋼立柱一體化作業(yè)，通過全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)自身的兩套液壓夾緊裝置和垂直控制系統(tǒng)，將鋼立柱垂直插入到初凝前的混凝土中。四、DTR系列全回

11、轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)結(jié)構(gòu)自我國第一臺DTR系列全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在徐州盾安重工機(jī)械制造有限公司正式下線并交付客戶使用以來，經(jīng)過多年不斷的努力，盾安重工成為我國最大的、產(chǎn)品系列最全的全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)研發(fā)制造基地。作為國內(nèi)第一家，也是國內(nèi)最大的全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)研發(fā)制造基地，徐州盾安重工把自主研發(fā)作為公司的核心競爭力，投入了大量的人力、物力、財力，緊跟全球設(shè)備制造和施工技術(shù)前沿，通過和國內(nèi)著名高校、科研院所進(jìn)行長期、深入的技術(shù)合作，研發(fā)、制造出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，突破發(fā)達(dá)了國家的技術(shù)封鎖，創(chuàng)造出多個國內(nèi)和國際第一。DTR系列全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)1、工作裝置DTR系列全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)示

12、意圖1）楔形夾緊裝置（發(fā)明專利號ZL201120273730.0）： 與傳統(tǒng)夾緊機(jī)構(gòu)相比，無論在什么位置都能夾緊套管，并使用套管保持高的垂直精度；而且套管的拉拔阻力越大，夾緊力也就越大。2）馬達(dá)減速機(jī) 根據(jù)不同型號配置不同數(shù)量的馬達(dá)減速機(jī)可以提供足夠的扭矩，傳遞給套管強(qiáng)大的回轉(zhuǎn)力，可適應(yīng)復(fù)雜的地層及切削障礙物。3）垂直裝置 液壓垂直裝置，保證施工中鉆孔的垂直度，隨時糾正施工中套管角度。4）口徑變更裝置 方便的口徑變更使得設(shè)備適用于多種口徑的變更要求。5）輔助夾緊裝置 能更好的保證套管的垂直度，同時在大深度挖掘時彌補(bǔ)配套起重機(jī)起吊能力不足的問題。6）、套管防回彈裝置 全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在進(jìn)行大扭矩高深度

13、施工時，由于地質(zhì)情況的不可預(yù)見性，隨著深度的增加，套管所受的阻力隨之加大，套管會由于阻力過大導(dǎo)致鋼管彈性變形，此時如果停止回轉(zhuǎn)，鋼管會在短時間發(fā)生回彈，液壓馬達(dá)會被扭曲的鋼管帶動瞬間高速回轉(zhuǎn)，極易導(dǎo)致馬達(dá)報廢。采用專用液壓閥使鋼管彈性力緩慢釋放，有效保護(hù)液壓馬達(dá)。7）工作行走裝置（選配） 履帶式行走裝置，液壓橫向伸縮功能，可使設(shè)備在場地上方便自行移動及樁心定位。2、液壓動力站DTR系列全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)液壓動力站結(jié)構(gòu)示意圖1）發(fā)動機(jī) 發(fā)動機(jī)巨大的功率能夠給設(shè)備提供巨大的扭矩，使得機(jī)器獲得強(qiáng)大的扭矩去工作，能夠適應(yīng)任何復(fù)雜困難的地層。2）方便的操控系統(tǒng) 微電腦的操控平臺，可根據(jù)工況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、扭矩、壓入力

14、，使機(jī)器處于最佳工作狀態(tài)，極大提高了工作效率。3）刀頭載荷自動控制系統(tǒng)（專利申請?zhí)朇N201210482705.2） 在切削硬巖時，通過電腦的自動控制，能夠很好的保護(hù)刀頭及有效地提高切削效率。可以使套管的壓入力保持一定的數(shù)值，不隨套管質(zhì)量的增加而變化，通過維持適宜的壓入力，防止刀頭因超負(fù)荷而損壞；馬達(dá)泄油的油路中帶有超壓自卸裝置，使油路中的壓力維持在設(shè)定壓力之下，保護(hù)馬達(dá)等硬件不受損傷。4）負(fù)載保護(hù)裝置（專利號ZL 2012 2 0627579.0） 盾安DTR全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)采用了自主研發(fā)設(shè)計的安全可靠的負(fù)載保護(hù)裝置，通過液壓系統(tǒng)壓入管路上壓力傳感器實(shí)時反饋的負(fù)載大小，精確控制套管刀頭的載荷

15、，防止過載情況的發(fā)生。5）瞬間增強(qiáng)系統(tǒng) 在碰到障礙物時，可瞬間加大起拔力和扭矩，使得障礙物得到排除。3、主要技術(shù)參數(shù)型號DTR1305LDTR1505DTR2005HDTR2605HDTR3205H鉆孔直徑（mm）Ø600 Ø1300Ø800 Ø1500Ø1000Ø2000Ø1200 Ø2600Ø2000 Ø3200回轉(zhuǎn)扭（kN·m）1770/1050/5901500/975/600瞬時18002965/1752/990瞬時33915292/3127/1766瞬時61749080/53

16、68/3034瞬時10593回轉(zhuǎn)速度（rpm）1.5/2.6/4.51.6/2.46/4.01.0/1.7/2.90.6/1.0/1.80.6/1.0/1.8套管下壓（KN）最大360KN+自重190最大360KN+ 自重210KN最大600KN+ 自重260KN最大830KN+自重350KN最大1100KN+ 自重600KN套管起拔（kN）26902444瞬間26903760瞬間43003800瞬間43407237瞬間8370壓拔行程（mm）500750750750750工作裝置自重（t）2532465696發(fā)動機(jī)型號Y2-280M-4五十鈴AA-6HK1XQPCummins QSM11-3

17、35Cummins QSX15-500Cummins QSM11-335×2發(fā)動機(jī)功率（kw/rpm）2×90/1480電動機(jī)183.9/2000272/1800367/21002×272/1800發(fā)動機(jī)燃油消耗率（g/kwh）226.6（最大功率時）216（最大功率時）213（最大功率時）216×2（最大功率時）4、DTR系列全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)主要輔助機(jī)具1）沖抓斗沖抓頭是主要的套管內(nèi)部沖挖裝置，依靠吊機(jī)的大小吊鉤配合來完成沖挖作業(yè)。作業(yè)時沖抓斗沿套管內(nèi)壁自由落下，下落速度快、沖擊力強(qiáng)，硬質(zhì)地層可直接沖挖，且作業(yè)效率高；斗刃成圓弧形，且斗體重，可實(shí)現(xiàn)水下

18、沖挖；內(nèi)置滑輪組，抓緊力隨起吊力的增加而成倍增加。2）重錘、十字錘在巖層或有混凝土樁體沖抓斗不能沖挖時，用重錘或十字錘反復(fù)沖擊，破碎后用沖抓斗挖掘，這是經(jīng)常用到的沖抓斗和重錘配合作業(yè)的工法。3）多頭抓爪（專利號ZL 2011 1 0234970.4）是一種套管內(nèi)部挖掘裝置，在清除鋼筋混凝土及鋼樁及破碎塊石等地下障礙物時發(fā)揮巨大威力，它能有效地傳遞套管的扭矩、壓入力。根據(jù)需要多頭爪可以選配旋挖鉆斗。多頭爪在低噪音、低振動的狀態(tài)下工作，能夠選擇懸吊鋼絲繩的數(shù)量，因此可用小型起重機(jī)配合作業(yè)。4）基板、過渡架、反力叉和反力架基板可以保證工作裝置在工作狀態(tài)下的水平穩(wěn)定性，提高對中性。過渡架安裝到工作裝置底座上，用螺栓鎖緊；裝配反力叉、反力架，用銷軸連接固定后，再將配重放置在反力架上面，添加配重克服鉆進(jìn)產(chǎn)生反力，固定反力架克服鉆進(jìn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)反力，保證施工過程機(jī)體的穩(wěn)定性。四、結(jié)論1、全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)，屬裝備制造業(yè)中的大型樁基礎(chǔ)施工裝備，對于重大路橋建設(shè)項目的基礎(chǔ)施工具有關(guān)鍵支撐作用，特別是國家“十一五”期間，高速鐵路網(wǎng)和高速公路網(wǎng)建設(shè)等重大基礎(chǔ)建設(shè)項目更是需要大規(guī)模地采用全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)，從而使鉆孔直徑和鉆孔深度以及嵌巖能力更適應(yīng)鐵路立交橋及公路立交橋的樁基礎(chǔ)施工。2、全回轉(zhuǎn)全套管