唐愛國
(山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠,山東 濟(jì)南 250014)
隨著我國經(jīng)濟(jì)科技不斷發(fā)展進(jìn)步,橋梁工程也在不斷實現(xiàn)新跨越,橋梁基礎(chǔ)鉆孔灌注樁向超大口徑發(fā)展,直徑3 m及以上的大口徑鉆孔灌注樁被不斷應(yīng)用。為滿足不斷增多的3 m口徑鉆孔灌注樁的施工要求,完善我廠全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)的系列規(guī)格(已研制有YCJF-20型、YCJF-25型鉆機(jī)),我們研制了額定施工口徑為3 m的YCJF-30型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)(見圖1)。
圖1 YCJF-30型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)運(yùn)輸狀態(tài)
鉆孔直徑 2~3 m
鉆孔深度 100 m
沖擊錘頭額定質(zhì)量 20 t
沖擊錘頭沖程 0.1~1.3 m
沖擊頻率 0~30次/min
主卷揚(yáng)提升能力 260 kN
副卷揚(yáng)提升能力 50 kN
排渣方式 氣舉(或泵吸)反循環(huán)
排渣管直徑 219 mm
主電機(jī)功率 90 kW
主機(jī)質(zhì)量 28 t
運(yùn)輸尺寸(長×寬×高) 7860 mm×3360 mm×3600 mm
該型鉆機(jī)主機(jī)主要由底盤、鉆塔、沖擊機(jī)構(gòu)、液壓動力站、操作臺、卷揚(yáng)機(jī)、液壓步履等部件組成,另外配套有沖擊錘頭、排渣管、空壓機(jī)(或10BS砂石泵)等輔助器具和設(shè)備。
鉆機(jī)設(shè)計主要圍繞施工口徑3 m、沖擊錘頭額定質(zhì)量20 t這兩個主要性能參數(shù)展開,由此確定鉆機(jī)底盤、鉆塔、主卷揚(yáng)機(jī)、沖擊機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)、液壓動力站等部件的結(jié)構(gòu)尺寸和性能、強(qiáng)度設(shè)計。
2.1.1 底盤
鉆機(jī)底盤是整個鉆機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)件,主要是由槽鋼焊接而成的框架結(jié)構(gòu)。主機(jī)上的所有部件都安裝在底盤上,因此對其有一定的強(qiáng)度和剛度要求,保證在施工過程和整體運(yùn)輸過程中不變形。其具體結(jié)構(gòu)主要由安裝在其上的各部件結(jié)構(gòu)及安裝位置決定。位于底盤前端的孔口裝置主要是安裝、拆卸排渣管時的工作平臺。
2.1.2 鉆塔
鉆塔主要由起塔油缸、底座、塔身、塔梁、緩沖機(jī)構(gòu)、桅塔、天車等部分組成。通過起塔油缸可將鉆塔工作時豎起高立,處于工作狀態(tài);或?qū)@塔放倒落平,處于運(yùn)輸狀態(tài)。緩沖機(jī)構(gòu)主要用于吸收沖擊輪組的沖擊振動,并對沖擊鋼絲繩導(dǎo)正。位于桅塔頂端的天車主要用于副卷揚(yáng)、工具卷揚(yáng)中鋼絲繩的導(dǎo)向。
2.1.3 液壓油缸沖擊機(jī)構(gòu)
液壓油缸沖擊機(jī)構(gòu)主要由沖擊油缸和沖擊輪組組成。沖擊油缸為一特殊設(shè)計油缸,通過沖擊輪組和鋼絲繩提升、下降鉆頭,實現(xiàn)沖擊鉆進(jìn)工作。沖擊輪組除了傳遞油缸對鋼絲繩的拉力外,還在上下運(yùn)動中起導(dǎo)向作用。
2.1.4 液壓動力站
液壓動力站主要由電動機(jī)、主、副液壓泵、油箱、冷卻器、電控柜等組成。主泵采用變量柱塞泵,給沖擊機(jī)構(gòu)和主卷揚(yáng)機(jī)提供壓力油。主泵輸入功率為90 kW,轉(zhuǎn)速1470 r/min,額定工作壓力28 MPa。副泵為齒輪泵,給液壓步履、副卷揚(yáng)、工具卷揚(yáng)和操作系統(tǒng)提供壓力油,副泵輸入功率5.5 kW,轉(zhuǎn)速1440 r/min,額定工作壓力16 MPa。油箱內(nèi)設(shè)有回油濾器和吸油濾器,用以過濾液壓油中的雜質(zhì)。冷卻器用以降低液壓油溫度。
2.1.5 操作臺
操作臺(見圖2)主要由電控部分和液壓控制部分組成。電控部分主要是控制主泵、副泵、冷卻器、工具卷揚(yáng)機(jī)的啟動與關(guān)閉;控制手動沖擊與自動沖擊、手動放繩與自動放繩等轉(zhuǎn)換;在自動沖擊狀態(tài)下,由單片機(jī)自動控制沖擊油缸換向;在自動放繩狀態(tài)下,由單片機(jī)自動控制主卷揚(yáng)機(jī)適時、適量自動放繩。
圖2 鉆機(jī)操作臺Fig.2 Operating platform of drill rig
2.1.6 主卷揚(yáng)機(jī)
主卷揚(yáng)機(jī)主要由液壓馬達(dá)、減速機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)和制動裝置組成,卷揚(yáng)機(jī)為雙筒,帶有差動裝置,用于調(diào)整兩根沖擊鋼絲繩的拉力平衡和提升鉆頭。液壓馬達(dá)可以正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn),由主泵和副泵分別供油,主泵供油用于主卷揚(yáng)機(jī)提升或下降鉆頭,速度可無級調(diào)整。副泵供油用于主卷揚(yáng)給進(jìn)放繩或收繩,速度恒定。
2.1.7 副卷揚(yáng)機(jī)
副卷揚(yáng)機(jī)專用于提升或下降排渣管。
2.1.8 工具卷揚(yáng)機(jī)
工具卷揚(yáng)機(jī)用于施工現(xiàn)場起吊配套鉆具和工具使用。
2.1.9 液壓步履
液壓步履可以使鉆機(jī)在同一工地上短距離移動,對正孔位比較方便。液壓步履主要由鐵履、橫梁、滾輪組、油缸、液壓操作閥組成。通過操縱閥可控制油缸運(yùn)動,使鉆機(jī)實現(xiàn)上下、前后、左右移動。
(1)采用獨(dú)特的液壓油缸沖擊方式,結(jié)構(gòu)簡單,沖擊工作平穩(wěn),可控性強(qiáng)。鉆機(jī)采用液壓油缸沖擊方式,運(yùn)動件少,工作慣性小,同時鉆機(jī)設(shè)有過載保護(hù)裝置,因此鉆機(jī)工作可靠,易損件少,工作壽命長。
(2)該鉆機(jī)采用機(jī)、電、液一體化技術(shù),自動沖擊和自動給進(jìn)采用了單片機(jī)控制,操作方便省力,可靠集中。當(dāng)沖擊旋鈕扳到“自動沖擊”擋位,鉆機(jī)可實現(xiàn)自動沖擊,此狀態(tài)下操作人員可以離開操作臺,在孔口周圍巡查鉆機(jī)工作情況。在自動沖擊過程中,卷揚(yáng)機(jī)能根據(jù)沖擊錘頭進(jìn)尺情況,自動適時、適量下放鋼絲繩,避免打“空錘”現(xiàn)象,能有效地提高鉆進(jìn)效率。當(dāng)沖擊旋鈕扳到“手動沖擊”擋位,可通過操縱手動換向閥來控制卷揚(yáng)機(jī)提升、下落沖擊錘頭,實現(xiàn)沖擊鉆進(jìn)。鉆機(jī)自動沖擊、手動沖擊可任意選擇,沖擊行程、沖擊頻率可無級調(diào)整,能適應(yīng)多種工況和地層。
(3)差動雙卷筒卷揚(yáng)機(jī)提升能力強(qiáng)(最大提升力可達(dá)260 kN)。卷揚(yáng)機(jī)用雙繩提拉沖擊錘頭,讓出沖擊錘頭中間位置,為穿過排渣管騰出空間(單繩沖擊鉆機(jī)因無法讓開沖擊錘頭中間位置,很難采用快速高效的反循環(huán)排渣方式)。卷揚(yáng)機(jī)由液壓馬達(dá)驅(qū)動,并配有液壓平衡裝置和液壓剎車裝置,提升、下降沖擊錘頭平穩(wěn),操作輕便,安全可靠。
(4)鉆機(jī)配有液壓步履,裝在鉆機(jī)底盤上,在施工現(xiàn)場鉆機(jī)可方便左右前后移位以對正孔位。
(5)鉆機(jī)起塔、落塔為液壓油缸控制,操作平穩(wěn)、安全、省力。
(6)沖擊錘頭重(20 t),破巖效率高。
(7)鉆機(jī)采用氣舉(或泵吸)反循環(huán)排渣,排渣管直徑219 mm,排渣能力強(qiáng),可將大的卵石(直徑18 cm左右)不經(jīng)完全破碎直接排出孔外。氣舉和泵吸反循環(huán)排渣系統(tǒng)可共用一套排渣管,兩種系統(tǒng)轉(zhuǎn)換便捷迅速。
大口徑?jīng)_擊錘頭的重量、結(jié)構(gòu)是影響破巖效率的關(guān)鍵因素,結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的反循環(huán)沖擊錘頭,沖擊破碎過程中能在孔底形成合理的坡度,破碎的巖塊在自重和水流的推動下,能快速匯集到排渣管附近并被排出孔外,可避免重復(fù)破碎,提高排渣效率。
在進(jìn)行沖擊錘頭結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度設(shè)計時,對目前工地上正在使用的各種沖擊錘頭的結(jié)構(gòu)、常見損壞形式進(jìn)行了認(rèn)真分析、研究,為直徑3 m的沖擊錘頭設(shè)計做好了技術(shù)積累。現(xiàn)國內(nèi)大口徑?jīng)_擊鉆機(jī)大多施工口徑在2.5 m以下的樁孔,使用沖擊錘頭的質(zhì)量大多在10 t左右,結(jié)構(gòu)上有整體鑄造式和焊接式兩種。在施工過程中沖擊錘頭常出現(xiàn)掉塊、開焊等故障,需要進(jìn)行及時修補(bǔ),影響施工效率。個別沖擊鉆機(jī)沖擊錘頭的質(zhì)量達(dá)到15 t左右,沖擊錘頭強(qiáng)度高,故障率低,鉆機(jī)施工效率相對較高。
鉆機(jī)的試驗工地,施工樁孔直徑為2.8 m。為此專門設(shè)計直徑2.8 m的沖擊錘頭(見圖3),質(zhì)量19 t,是目前國內(nèi)沖擊反循環(huán)鉆機(jī)中使用質(zhì)量最重的沖擊錘頭,這個質(zhì)量是破巖能力的保障,也是保證沖擊錘頭整體強(qiáng)度的基礎(chǔ)。在2.8 m沖擊錘頭的圓斷面上,鋼圈從內(nèi)到外均勻布置,由低到高呈階梯狀布置。沖擊錘頭的這種結(jié)構(gòu),能保證在破巖工作時,在深度方向同時形成5個層次的破碎面。充分利用了巖石抗剪強(qiáng)度大大低于抗壓強(qiáng)度的特點(diǎn),孔底巖石在沖擊錘頭沖擊作用下,分層等強(qiáng)度向內(nèi)剪切破碎,碎巖效率高。
圖3 YC2800沖擊錘頭Fig.3 Structure and outline of YC2800 impact hammer
在進(jìn)行沖擊錘頭結(jié)構(gòu)設(shè)計時,由于考慮全面,分析準(zhǔn)確,生產(chǎn)試驗時排渣效率達(dá)到了預(yù)期的效果。在整個試驗過程中,沖擊錘頭沒有出現(xiàn)停鉆修理的情況,一鉆到底,節(jié)省了輔助時間,解決了沖擊鉆頭在施工過程中容易損壞的問題。
反循環(huán)排渣系統(tǒng)因排渣迅速、干凈、及時,終孔時也不用專門清洗孔底,施工效率高等原因而得到了廣泛的應(yīng)用。該型鉆機(jī)可根據(jù)工地情況或用戶設(shè)備情況采用氣舉或泵吸反循環(huán)排渣方式,兩種排渣方式可使用同一套排渣管完成排渣工作,并且兩種方式轉(zhuǎn)換快速、方便。
我廠系列沖擊反循環(huán)鉆機(jī)以泵吸反循環(huán)為主,由于該型鉆機(jī)施工樁徑的增大,排渣管直徑相應(yīng)加大,砂石泵的泵量同時需要增大,才能保證排渣效率。隨著雙螺桿空壓機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和設(shè)備制造成本的降低,選用大泵量的砂石泵(10BS型)成本與選用空壓機(jī)(額定壓力1 MPa,排氣量10 m3/min)的成本差距在顯著縮小,氣舉反循環(huán)排渣工藝在大口徑鉆孔灌注樁施工中的應(yīng)用將越來越廣泛,有逐步取代泵吸反循環(huán)的趨勢。
我們在充分了解掌握氣舉反循環(huán)排渣工藝的應(yīng)用情況后認(rèn)識到,在大口徑樁孔施工中,氣舉反循環(huán)排渣工藝使用方便、排渣效率更高一些,有其獨(dú)特的優(yōu)勢,另外在此工地上配有合適的空壓機(jī),故此該型鉆機(jī)在此工地上選用了氣舉反循環(huán)排渣系統(tǒng)。
YCJF-30型鉆機(jī)生產(chǎn)制造完成,經(jīng)廠內(nèi)調(diào)試與加載動作試驗后,在中煤集團(tuán)特鑿公司鉆井工程處舟山富翅門大橋樁基工程中進(jìn)行了生產(chǎn)試驗。工地位于B合同段10號墩海上施工平臺上,每個樁孔位置都用振動錘提前下好鋼護(hù)筒。施工平臺臺面標(biāo)高4.500 m(海面標(biāo)高-0.300 m,海底平面標(biāo)高-5.200 m),鋼護(hù)筒頂面標(biāo)高3.978 m,鋼護(hù)筒筒內(nèi)液面標(biāo)高3.700 m,樁底設(shè)計標(biāo)高-73.500 m,樁孔設(shè)計口徑2.800 m。鉆機(jī)在這個平臺上先后施工了2個樁孔,分別是第26號樁和第1號樁孔。
鉆孔灌注樁剛開孔施工時,因為孔內(nèi)埋深不夠,反循環(huán)排渣工藝沒法使用或使用效果不好,一般采用正循環(huán)排渣方式開孔。為提高成孔效率,發(fā)揮各種施工工藝方法的優(yōu)勢,特鑿公司鉆井處在這個工地施工中,采取了沖擊鉆進(jìn)正、反循環(huán)施工工藝組合的方法。先用單繩沖擊鉆機(jī)采用正循環(huán)排渣工藝,進(jìn)行開孔施工;當(dāng)孔深達(dá)到距離護(hù)筒內(nèi)液面23 m(標(biāo)高-19.300 m)后(這個深度已達(dá)到氣舉反循環(huán)施工要求的埋深),再更換鉆機(jī)采用氣舉反循環(huán)施工工藝,進(jìn)行“接力”施工。該型鉆機(jī)施工的1號樁孔,就屬于這種情況。
YCJF-30型鉆機(jī)在這個工地上完成了2個樁徑2.8 m、深度73.5 m的完整樁孔,經(jīng)歷了多種地層的考驗。根據(jù)甲方在樁孔位置進(jìn)行工程勘察獲得的地質(zhì)資料,樁孔位置地層情況見表1(勘察孔處海底平面標(biāo)高-3.760 m)。
因該型鉆機(jī)配備沖擊錘頭質(zhì)量重,破巖效率較高;再加上氣舉反循環(huán)采用的空壓機(jī)風(fēng)量大,排渣速度快,大的粘土泥團(tuán)、卵石、塊石都能連續(xù)快速排出孔外(排出顆粒見圖4),避免重復(fù)破碎,這兩個優(yōu)勢組合使鉆機(jī)保持較高的鉆進(jìn)效率。鉆機(jī)用了10 d時間就從距離護(hù)筒液面23 m(標(biāo)高-19.300 m)鉆進(jìn)到71.400 m(標(biāo)高-67.700 m),平均每天進(jìn)尺4.84 m。隨后,因為處理鋼絲繩斷繩問題和打撈錘頭耽擱了2 d時間,完成整個樁孔(孔深77.2 m,標(biāo)高-73.500 m)用了14 d時間。
在這個工地上,同時施工相同樁徑的鉆機(jī)還有某公司生產(chǎn)的回轉(zhuǎn)-40型鉆機(jī)和單繩卷揚(yáng)沖擊鉆機(jī)?;剞D(zhuǎn)-40型鉆機(jī)屬于全液壓動力頭式回轉(zhuǎn)鉆機(jī),有控制鉆頭鉆壓的加減壓機(jī)構(gòu),額定施工口徑4 m,鉆機(jī)總動力90×3=270 kW,采用氣舉反循環(huán)排渣系統(tǒng),使用相同空壓機(jī),鉆桿內(nèi)徑330 mm。單繩卷揚(yáng)沖擊鉆機(jī),使用12 t重的沖擊錘頭,采用正循環(huán)排渣系統(tǒng),隨著孔深的增加,排渣效果降低明顯,到入巖時由于沖擊錘頭質(zhì)量輕,破巖速度下降較大,每班(12 h)進(jìn)尺只有0.2~0.3 m。對在這一平臺上同時施工的3種鉆機(jī)在不同地層的施工效率進(jìn)行了統(tǒng)計,詳見表2。
YCJF-30型鉆機(jī)沖擊行程設(shè)有3個擋位,分別是低擋、中擋、高擋(位置可根據(jù)地層情況適當(dāng)調(diào)節(jié))。在這個平臺上工作時,沖擊行程大部分工作時間是選擇在中擋,沖擊錘頭提升高度約1 m,沖擊頻率23次/min左右。在強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化凝灰?guī)r地層中施工,沖擊行程選用高擋,沖擊錘頭提升高度約1.2 m,沖擊頻率18次/min左右。沖擊行程擋位選擇,可根據(jù)具體地層情況和排渣管出渣情況靈活調(diào)節(jié)。
表1 鉆孔地層情況Table 1 Formation of the borehole
圖4 氣舉反循環(huán)排渣方式排出的巖塊Fig.4 Rock chips discharged by air lift reverse circulation
鉆 機(jī) 類 型工效/(m·h-1)粉質(zhì)粘土含礫粉質(zhì)粘土全風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r中風(fēng)化凝灰?guī)r錘頭質(zhì)量/t回轉(zhuǎn)40型鉆機(jī)1.401.20.150.10單繩沖擊鉆機(jī)0.320.40.030.0212YCJF30型鉆機(jī)1.201.00.300.2019
鉆機(jī)在沖擊工作時,液壓系統(tǒng)最高工作壓力始終保持在20 MPa左右(低于系統(tǒng)設(shè)計的額定壓力28 MPa)。提升沖擊錘頭時,液壓系統(tǒng)壓力由低到高逐步升高,提升到最高點(diǎn)時壓力最高(因提升滑輪兩側(cè)鋼絲繩的夾角隨提升滑輪上升而變小,合力變大)。沖擊錘頭剛開始下落時,系統(tǒng)壓力瞬時泄壓,壓力迅速下降。沖擊錘頭在連續(xù)不斷地上升、下降過程中,系統(tǒng)壓力也隨之周期性地波動。鉆機(jī)在工作過程中,系統(tǒng)最高壓力始終低于額定壓力,系統(tǒng)工作平穩(wěn)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的電流也小于額定電流,功率消耗較少(主機(jī)電機(jī)功率90 kW),屬于節(jié)能產(chǎn)品。
在該工地上有額定壓力為1.2 MPa,排氣量為20 m3/min的雙螺桿空壓機(jī)(見圖5),可供兩臺鉆機(jī)同時使用。為充分利用現(xiàn)有設(shè)備(一般樁孔使用壓力1 MPa,排氣量10 m3/min的空壓機(jī)就能滿足使用要求),在這個工地上我們采用氣舉反循環(huán)排渣工藝。
圖5 雙螺桿空壓機(jī)Fig.5 Air compressor with double screws
根據(jù)施工口徑,我們選用排渣管的規(guī)格為?219 mm,氣舉反循環(huán)排出泥漿流量約700 m3/h(YCJF-25型鉆機(jī)采用泵吸反循環(huán)工藝,配套6BS型砂石泵,流量180 m3/h,排渣管規(guī)格為?159 mm)。若該型鉆機(jī)采用泵吸反循環(huán)系統(tǒng),配備10BS型砂石泵,排出泥漿流量約500 m3/h,排渣效果也不錯。
該型鉆機(jī)配備的氣舉反循環(huán)排渣系統(tǒng)排出泥漿流量大,在平臺工地上明顯感覺到泥漿上返速度快,排出的卵石、塊石顆粒大,在粉質(zhì)粘土層,大塊的泥團(tuán)能被連續(xù)排出,排渣效果非常好,能有效地避免孔底巖塊重復(fù)破碎,提高鉆進(jìn)效率。
在陸地上施工,反循環(huán)排渣管的出渣口一般直接放在沉淀池內(nèi);在海上施工,為避免破碎巖土直接排放造成的海洋環(huán)境污染,在此平臺上專門制作了除渣箱。排渣管出口通過膠管接在除渣箱的進(jìn)水口(見圖6),大顆粒的渣土經(jīng)過篩網(wǎng)滾落到位于篩網(wǎng)正前方的渣箱(篩網(wǎng)傾斜約45°),泥漿和粉砂從篩網(wǎng)上泄漏流到位于篩網(wǎng)正下方的沉淀箱中,泥漿再從沉淀箱溢流口流回到鉆孔內(nèi)循環(huán)使用。當(dāng)渣箱中的渣土和沉淀箱裝的粉砂充滿箱子后,再用小挖掘機(jī)將渣土、粉砂裝車運(yùn)出工地,達(dá)到保護(hù)海洋環(huán)境的要求。
圖6 采用氣舉反循環(huán)時鉆機(jī)的工作狀態(tài)Fig.6 Working mode with air lift reverse circulation
鉆機(jī)在2個樁孔生產(chǎn)施工中,整體性能能夠滿足沖擊反循環(huán)施工工藝要求,鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)、沖擊油缸的提升能力也得到驗證,鉆塔、底盤等各結(jié)構(gòu)部件的承載能力經(jīng)受住了考驗,液壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),電器控制系統(tǒng)工作可靠;鉆機(jī)的各項性能達(dá)到設(shè)計要求,施工效率也比較高,取得了理想的應(yīng)用效果。
在生產(chǎn)施工和應(yīng)用中,也發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)存在的不足,主要有以下兩個方面:
一是由于沖擊錘頭重(19 t),選用的鋼絲繩直徑偏細(xì)(直徑28 mm),在試鉆過程中發(fā)生了3次斷繩故障,影響了生產(chǎn)進(jìn)度。在該型鉆機(jī)定型生產(chǎn)時,鋼絲繩的型號規(guī)格已重新選擇、更換。二是鉆機(jī)外形尺寸大(長×寬×高:7860 mm×3360 mm×3600 mm),超出普通半掛車運(yùn)輸寬度(3 m),給用戶增加了運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>
生產(chǎn)試驗證明,YCJF-30型鉆機(jī)參數(shù)合理先進(jìn),性能可靠,自動化程度高,操作簡單,維護(hù)容易,使用成本低,能適應(yīng)各種地層施工,可選用氣舉和泵吸兩種反循環(huán)排渣工藝。在硬巖地層中施工,施工效率突出,是目前我廠全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)系列中施工能力最強(qiáng)的施工裝備。
我廠長期致力于沖擊反循環(huán)施工工法在灌注樁施工中的應(yīng)用及研究,并一直為此工法的發(fā)展與進(jìn)步提供優(yōu)良可靠的裝備。