旋挖钻机的发展及应用

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旋挖钻机是一种适合在建筑基础工程中成孔作业的施工机械，具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活、施工效率高等特点，适应我国大部分地区的 土壤地质条件。配合不同钻具，适应于短螺旋、回转斗及岩层的成孔作业。对干硬性黏土可不用稳定液护壁的干式旋挖工法，一般的覆盖层采用静态泥浆护壁的湿式 旋挖工法，它广泛应用于桥梁、市政建设、高层建筑等基础的钻孔灌注桩工程。 

1　旋挖钻机的发展历史 

　　旋挖钻机在二战以前在 美国卡尔维尔特公司问世，二战之后在欧洲得到发展。1948年意大利迈特公司首先开始研制，接着意大利、德国开始发展，到了70～80年代在日本得到快速 发展，当时日本称之为回转斗成桩，也叫阿司特利工法（Earth Drill），在德国、日本这类工法相当普遍。我国在80年代初从日本引进过工作装置， 配装在KH-125型履带起重机上。1984年，天津探矿机械厂引进美国RDI公司的旋挖钻机并进行消化吸收。1988年北京城建机械厂根据土力公司 （SOILMEC）的样机开发了1.5ｍ直径的履带起重机附着式旋挖钻机。1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP公司附着式旋挖钻孔机的生产技术，但都 没有形成批量生产。1992年宝峨公司在北京设立了代表处，开始了对华的业务,并于1995年在天津成立了独资子公司宝峨天津机械工程有限公司，组装适合 中国市场的宝峨BG20型旋挖钻机。1998年在上海又成立了中德合资上海宝峨金泰工程机械股份有限公司,生产组装BG15型旋挖钻机。最近几年我国旋挖 钻机取得了快速发展，目前国内生产旋挖钻孔机厂商有十余家，主要有徐工科技、三一重工、北京经纬巨力、河北石家庄煤机、湖南山河智能、杭州天锐、北方重 汽、哈尔滨四海、郑州金牛、连云港黄海、兰州通用、新河钻机等。国外主要生产厂商有意大利意马（IMT）公司、CMV公司、迈特公司、土力公司、德国宝峨 公司、芬兰永腾（JUNTTAN）、日本日立、日车、神钢等。 


2　旋挖成孔的工艺优势 

　　1）广泛的适应性　在硬土地层,由于传统钻机的自重有限,不可能给钻头施加更大的进给压力。而旋挖钻机由于采用动力头装置,动力头的给进力加上钻杆的重量,钻进能力强。据统计,在相同的地层中,旋挖钻机的成孔速度是转盘钻机的5～10 倍。 

　 　2）良好的环保性　目前国内传统钻机多采用连接钻杆形式和掏渣桶掏渣,在钻进过程中多采用泥浆循环方式,泥浆对于这类钻机起润滑、支护、置换和携带钻渣 的作用。随着对城市建设环保要求愈加严格,传统钻机面临更大危机。而旋挖钻机采用动力头形式,其工作原理是用短螺旋钻头或旋挖斗,利用强大的扭矩直接将土 或砂砾等钻渣旋转挖掘,然后快速提出孔外,在不需要泥浆支护的情况下可实现干法施工,即使在特殊地层需要泥浆护壁的情况下,泥浆也只起支护作用,钻削中的 泥浆含量相当低,这使污染源大大减少,进而降低了施工成本,也改善了施工环境，成孔效率高。
 
　　3）提高灌注桩的承载力　由于旋挖钻机的特 殊成孔工艺,它仅需要静压泥浆作护壁,所采用的泥浆一般用膨润土、火碱、纤维素等配置,在孔壁不形成厚的泥皮。此外由于钻头的多次上下往复,使孔壁粗糙、 不易产生缩径。与传统的钻孔灌注桩相比,旋挖钻孔灌注桩的承载能力提高。 

3　结构特点及技术进步 

　　1）旋挖钻机的底盘　底 盘可分为专用底盘、履带液压挖掘机底盘、履带起重机底盘、步履式底盘、汽车底盘。履带专用底盘结构紧凑、运输方便、外形美观、造价高。履带起重机底盘工作 装置采用附着型式，主臂分为可伸缩箱型结构和框架结构，可兼作旋挖钻机和履带式起重机，节约设备投资。步履式底盘一般为三支点液压步履式行走支架、稳定性 好、但移动运输不够方便、造价低，目前国内少数厂家采用。80年代国外曾采用过汽车底盘，是以重型载重汽车底盘为基础，工作时放下支腿。目前国内外生产的 旋挖钻机绝大多数使用专用底盘，只有少数使用挖掘机底盘或起重机底盘，这些底盘在设计上没有兼顾旋挖钻机施工特点，在稳定性方面存在着一定缺陷。 

　 　2）钻杆、钻具　钻杆是一个关键部件，分为内摩阻式外加压伸缩钻杆和自动内锁互扣式外加压伸缩钻杆。内摩阻式钻杆在软土层钻进效率高，锁扣式钻杆提高了 动力头施于钻杆并传到钻具的下压力，适于钻进硬岩层，对操作的要求也较高。为了提高作业效率,一台钻机大多配备两套钻杆。钻具有多种，目前有长螺旋和大直 径短螺旋钻头、回转钻斗、捞砂斗、筒形钻斗、扩底钻头、岩心钻头等。 

　　3）动力头　动力头有液压驱动、电机驱动、发动机驱动。无论何种都 具备低速钻进、反转高速甩土功能。目前大都采用液压驱动，有双变量液压马达、双速减速机驱动或低速大扭矩液压马达驱动。动力头的钻进速度一般都具有多挡， 适合在多种工况下作业。电机驱动一般采用特制的恒功率双速电机，力矩大、过载能力强。80年代在履带起重机上附着工作装置，单设一台发动机驱动，目前由于 液压技术和底盘制造技术的进步，此种方式一般不用了。 

　　4）电子控制技术　90年代国外旋挖钻机的控制技术逐步实现智能化，目前国外旋挖 钻机普遍具备发动机和泵的电子控制系统，能指导主泵最佳输出，使液压负载与发动机转速相匹配，从而利用发动机的最大功率。发动机转速可在负荷较小或无负荷 时实现自动控制，自动降低发动机转速，减少油耗、降低噪音和废气的排放量。桅杆垂直度自动调平系统能对桅杆进行实时监控，可实现手动和自动切换，在一定范 围内自动调整角度，保证施工中桩孔的垂直度要求，提高施工质量；还具备回转倒土控制、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检 测、报警及信息显示、整机启动前预先自动检测功能。国外旋挖钻机还设有GPS定位系统和移动电话数据传输系统。 

4　旋挖钻机的国内应用 

　 　1993～1994年在上海浦东八百伴大厦基础灌注桩工程中全部采用了旋挖成孔法施工并取得成功，在国内起到了推动作用；在北京五环路的基础施工中，旋 挖钻机占了绝大多数，最多时达到30多台；国家重点工程青藏铁路格拉段的地层多是永冻的土层、砂砾、不规则泥页岩、还有软硬互层灰岩，有的冻土厚度达到百 米以上，中铁集团采用旋挖钻进施工工艺，2002年3月开始，大量的旋挖钻机进入青藏铁路线施工，到8月中旬统计有100多台，其中国产设备9台。青藏铁 路大量使用旋挖钻机引起了施工和生产制造企业的格外关注，无疑推动了旋挖钻机开发和应用。2004年在北京奥运国家体育馆建设工地一次使用旋挖钻机16 台。由于受青藏铁路、北京奥运、上海世博会工程的拉动，旋挖钻机有了一个巨大的发展空间。 

　　2003年山西省机械施工公司申报了静态泥浆 护壁、旋挖式钻孔灌注桩施工国家级工法，国土资源部勘探技术研究所抓住了北京等大城市和青藏铁路线大量使用旋挖钻机的机遇，及时地把研制的旋挖钻头推向市 场，并在旋挖钻进工艺方面也作了深入的研究。2000年徐工集团RD18型钻机研制成功，最大成孔直径2m，最大钻深60m，有3台在青藏铁路和多台在北 京的工程中使用；2003年3月三一重工研制成功履带可伸缩的SYR220型旋挖钻机，先后在青藏铁路、北京银泰大厦、天津、南京等工地接受了施工考验。 近三年我国的旋挖成孔法的大量采用，旋挖钻机使用量增加，特别是2003年许多厂家旋挖钻机相继研制成功，推动了旋挖钻机的生产和应用。目前，国内各种型 号旋挖钻机市场拥有总量(到2003年)为500多台，其中国产旋挖钻机占15％左右，国外二手旋挖钻机约为20％。 

5　值得思考的问题 

　 　1）旋挖钻机受施工地层的制约，主要适用于土层、砂层，以及较松散的、粒径较小的卵砾石层，在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。由于我国大量的公路桥梁、铁路、水利、城市建设等工程，旋挖钻机潜在的巨大市 场已经出现，但由于我国幅员辽阔，地质状况差异较大，经济状况不同，其它桩工机械和钻孔设备仍然存在着发展空间。 

　　2）旋挖钻机的价格 目前较贵，应用最多的旋挖钻机成孔直径在1.5～2m。国产旋挖钻机价格都在400～500万元，进口钻机价格要600多万元人民币。对于一般的基础施工 企业，一次性投资几百甚至上千万元购置设备有一定困难。国内旋挖钻机制造企业应当降低生产成本，控制适当的利润率。同时应发展租赁市场，提高旋挖钻机的使 用率，缩短投资回收期，旋挖钻机的使用量和产品产量将会大大增加。 

　　3）旋挖钻机的全负荷正常工作寿命为6 000多个小时，超过这一寿 命后，一些部件就需要更换修理，尤其是液压系统主泵、动力头以及钻杆钻具，另外加工维修、设备搬迁费用所占成本偏高等，部件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高，相应提高了桩基的施工成本。使用旋挖钻机施工，虽然施工效率较高，工程质量也较好，但利润可能较低。据某些施工企业 统计，一般要达到每年钻进工作量在20 000延米以上，工程造价在500万元以上，才能够发挥其优势。 

　　4）我国大量使用旋挖钻机的时 间短，缺乏工法的研究，尚未编制施工规范；旋挖钻机是桩工机械的一个类型，和土木建筑及施工工艺结合的比较紧密，旋挖钻机制造厂的工程技术人员应熟悉基础 施工，配合基础施工企业开展钻进工艺的研究，提高旋挖钻机在不同地质条件下的作业性能，适时的制定旋挖钻机产品标准及相关标准；行业协会开展施工经验的技 术交流，推动旋挖钻机产品和施工的发展。 

　　5）开展钻杆、钻头、钻具的研究，提高关键部件制造质量。目前国产钻杆尚不能满足主机的要求， 钻杆的生产厂设计能力差，基本是模仿国外产品，焊接大都是手工操作，钻杆的强度和精度不能满足要求；目前有些企业进口原装钻杆，价格至少要50万元人民 币，钻机所使用的各类钻头是易耗品，以国外公司的 1 250mm单头单螺旋钻头为例，其到岸价格约7万人民币，使生产成本增加，而且进口产品供货期为 一个半月到两个月左右。通过对旋挖钻进工艺的研究和钻具的研制，替代进口产品，形成我国的配套体系，不但为我国节省了大量的外汇支出，也可为我国普及推广 旋挖钻进技术和实现设备机具的国产化奠定基础。 

　　6）目前国内已开始生产旋挖钻机的厂家有十五六家，还有一些厂家的产品处在开发阶段。 国内大部分厂家首先开发的是200kNm级、成孔直径2m、钻孔深度60m的旋挖钻机产品。据统计，80%的桩基础桩径在1.2m以下，深度不超过 40m，由于旋挖钻机技术含量高、市场售价在短期内很难下降，一些中小施工企业望而却步，众多的制造企业之间将是一场竞争。从目前国内桩工机械行业的实际 情况出发，在研制旋挖钻机产品时，可以两条腿走路：对于具有技术和资金实力的企业，可以通过不同形式引进国外先进技术，或采取关键件国际配套，开发技术先 进的旋挖钻机，以较高的性能价格比和优质的售后服务满足重点工程的需要；针对目前国内基础施工水平较低、购买力不高，开发一些适合中国国情，在主要性能满 足要求的同时，价格也能被中小施工企业接受的旋挖钻机，以代替转盘式反循环钻机。

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