5000型鉆機創新研制技術

周治民

（中鐵大橋局集團有限公司，湖北 武漢 430050）

5000型鉆機創新研制技術

周治民

（中鐵大橋局集團有限公司，湖北 武漢 430050）

5000型液壓動力頭鉆機是用于橋梁超大直徑、深海長樁、硬巖地質的鉆孔樁鉆孔施工關鍵設備。其最大鉆孔直徑5 m、最大扭矩45 t m、最大鉆深180 m，是國內最大的橋梁鉆孔樁施工鉆機，其主要技術參數和性能滿足平潭海峽大橋4 m、4.5 m大直徑鉆孔樁施工要求，并預留滿足未來沿海橋梁大直徑鉆孔樁施工要求。

5000型鉆機；大直徑鉆孔樁；基礎施工；平潭大橋

1 鉆機研制背景

1.1 項目施工需要

平潭海峽公鐵兩用跨海大橋主墩基礎采用φ4.0 m、φ4.5 m兩種超大直徑柱狀鉆孔支承樁，屬國內首次。該橋施工區域夏有臺風、冬有季風，1年刮6級以上大風天數達330天，而橋梁基礎施工占時較大，更需先進鉆機實現快速施工。

目前國內現有最大橋梁鉆機為4000型鉆機，其當巖層強度≤120 MP a時最大鉆孔直徑為φ4.0 m（當巖層強度≤200 MP a時最大鉆孔直徑為φ3.5 m），最大扭矩為30 t·m，最大鉆孔深度為130 m，其最大鉆孔直徑和扭矩能力均不能滿足平潭大橋鉆孔樁施工要求。

1.2 行業發展需要

鉆機廣泛地應用于大型橋梁、風電建設、建筑等領域的基礎施工，橋梁鉆機制造商有德國B A UE R公司和WI RT H公司、英國S E A C ORE公司、韓國B UMA公司等，國內有武橋重工公司等。國內外橋梁鉆機鉆徑均不超過φ4.0 m，超過φ4.0 m的樁需多級擴孔施工，成孔效率低、能耗大，不滿足現在快速成孔、快速施工、節能環保施工的要求。隨著超大建筑物發展趨勢，鉆機需向滿足超大、超深樁基施工需要發展。

綜上，為滿足平潭大橋樁基施工要求，以及適應和推動未來江河湖泊和沿海橋梁超大直徑、超深鉆孔樁基礎施工技術發展，研制了國內最大的鉆機5000型鉆機，最大鉆孔直徑φ5.0 m，最大扭矩45 t·m，最大鉆孔深度180 m。

2 鉆機技術方案

2.1 方案概述

5000型鉆機（見圖1）主要由鉆機鋼結構、動力頭及滑移橫梁、鉆具、液壓站、電氣控制系統及司機室等組成。其工作原理為：通過動力頭驅動鉆桿旋轉，帶動鉆頭旋轉切削、破碎孔底巖石或泥土，并通過氣舉反循環方式排出鉆渣，不斷鉆進形成樁孔。其動力傳遞為：電動機→液壓泵→液壓馬達→動力頭→鉆桿→鉆頭。

2.2 主要技術參數（見表1）

圖15000 型鉆機外觀圖

3 鉆機創新關鍵技術

（1）鉆孔直徑大、鉆孔深度大、扭轉大，是國內最大的橋梁鉆孔樁基礎施工鉆機，核心參數達到了國內領先、國際前列。

（2）研制的 8臺5000型鉆機已成功完成了平潭大橋4 m、4.5 m鉆孔樁施工，實踐證明成孔效率高、成孔質量好。其4.5 m鉆徑刷新了國內橋梁鉆孔樁最大直徑記錄（此前最大為3.8 m直徑）。

（3）鉆架立柱采用箱型結構，采取有限元分析方法優化結構設計，強度和剛度更大，提高了抵抗動力頭扭矩的能力。底盤與鉆架的連接耳座設計有對位梯形槽，安裝鉆架時對準梯形槽后連接銷軸自動對位，安裝方便快捷。鉆架與底盤連接銷軸設置了快速插拔銷裝置，方便鉆架倒架插拔銷，減小人工勞動強度，提高鉆機自動化程度和施工效率。

（4）底盤設置有調平裝置，能滿足底盤調平要求，從而保證鉆孔垂直度。設有整機吊裝裝置，方便快速移位。

（5）活動式封口盤通過油缸可實現封口大小的調節，可適應不同孔徑施工要求；當鉆孔施工時，兩封口盤對接處設計有封口翻板，可實現孔位的全封閉，防止人員或物件墜落至樁孔內，提高了鉆機安全性。并創新的采用了對開翻轉式或兩級平移折疊式封口盤，既滿足大孔徑封口要求，又能減小底盤尺寸，便于施工作業多機同時布置。

表15000 型鉆機主要技術參數

（6）動力頭采用大扭矩大傳動比傳動，采用變頻電機、變量泵和變量馬達驅動，可實現無級調速和過載自動保護，可調節選取最佳鉆速和扭矩施工，節能高效。采用了旋轉軸用齒形組合密封圈和鍍陶瓷先進工藝，提高了密封效果，增加了密封圈的壽命。承重軸承和防跳軸承的使用，提高了抗沖擊能力和運轉的平穩性。

（7）采用全液壓驅動系統，設置3臺液控柱塞變量主泵，其中2臺主泵給動力頭鉆進提供動力，1臺主泵給動力頭旋轉提供動力，其中3臺主泵還可合流為動力頭旋轉提供強大動力。液壓站設有水冷卻器，以降低油溫，保證鉆機連續運轉。液壓管采用快換錐式密封方式，方便現場安裝使用。

（8）采用恒減壓自動鉆進技術，通過設置鉆壓后，系統會自動保證在該鉆壓下恒壓自動跟進鉆孔施工，可大大減小操作人員施工強度，提高設備自動化水平。

（9）智能操作系統，通過傳感器對鉆孔垂直度、鉆進深度、鉆進扭矩等參數的檢測，可實時記錄鉆機運行數據并做相關處理，智能操作系統可根據地質情況和施工情況，自動選擇最優鉆孔鉆壓、鉆速和扭矩方案，有效保證成孔效率和成孔質量。其與手動操作鉆進系統互鎖，保證安全。

（10）利用互聯網+技術，可以遠程實時監控鉆機的運行狀態，包括工作參數和視頻，方便后臺遠程管控，實現管理人員對鉆機施工情況的遠程掌握和管理。

（11）鉆機排渣采用氣舉反循環系統，并增加中間儲能系統，提高了超深孔的氣舉排渣能力。

（12）鉆桿采用雙壁獨立通道結構形式，采用新材料、新工藝，改善了鉆桿受力狀況，提高鉆桿使用壽命。在可容許范圍內，鉆桿長度加長至4 m，以滿足最大鉆深180 m情況下盡量減少鉆桿接頭，減少鉆桿裝拆頻次提高工效，也降低連接螺栓斷裂掉鉆頭風險。鉆桿連接法蘭上配有螺栓防轉動凹槽，裝拆鉆桿更便利。鉆桿內風管為可拆式鋼編織膠管結構，可隨時更換，抗扭轉、抗剪切效果更好。

（13）鉆頭采用復合式截錐底結構形式，刀具采用罐式鞍式混合布置，提高了鉆頭的破巖能力，有效的解決了大直徑鉆頭孔底排渣不暢問題。刀具合理布置，提高破巖效率和延長刀具壽命。

（14）鉆機能滿足5 m及以內多種直徑鉆孔樁施工。鉆頭和鉆頭鼓形穩定器均采用了可變直徑方式，均采用中心基本直徑塊外接加徑環塊的模式，既滿足鉆機通過改變鉆頭和穩定器直徑而適應5 m及以內不同直徑鉆孔樁的要求，又最大程度充分利用現有鉆頭和穩定器的中心基本直徑塊，經濟適用。

（15）整機采用了先進的油漆涂裝防腐工藝，滿足海上強腐蝕環境施工作業要求。鉆桿采用內壁加厚、外壁涂油漆以抵抗海水腐蝕。

4 結語

5000型鉆機在平潭大橋的成功應用，標志著橋梁鉆孔樁鉆機已從內陸江河湖泊走行沿海深海，開創了橋梁大直徑鉆孔樁全斷面一次性成孔施工工法，推動了超大孔徑、深海長樁、硬巖橋梁鉆孔樁施工技術的發展。

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