YCJF-30型全液壓沖擊反循環鉆機的研制與應用

唐愛國

(山東省地質探礦機械廠,山東 濟南 250014)

隨著我國經濟科技不斷發展進步，橋梁工程也在不斷實現新跨越，橋梁基礎鉆孔灌注樁向超大口徑發展，直徑3 m及以上的大口徑鉆孔灌注樁被不斷應用。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鉆機的系列規格(已研制有YCJF-20型、YCJF-25型鉆機)，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鉆機(見圖1)。

圖1 YCJF-30型全液壓沖擊反循環鉆機運輸狀態

1 YCJF-30型全液壓沖擊反循環鉆機的主要性能參數

鉆孔直徑 2～3 m

鉆孔深度 100 m

沖擊錘頭額定質量 20 t

沖擊錘頭沖程 0.1～1.3 m

沖擊頻率 0～30次/min

主卷揚提升能力 260 kN

副卷揚提升能力 50 kN

排渣方式 氣舉(或泵吸)反循環

排渣管直徑 219 mm

主電機功率 90 kW

主機質量 28 t

運輸尺寸(長×寬×高) 7860 mm×3360 mm×3600 mm

2 YCJF-30型全液壓沖擊反循環鉆機的結構組成與特點

2.1 鉆機的結構組成

該型鉆機主機主要由底盤、鉆塔、沖擊機構、液壓動力站、操作臺、卷揚機、液壓步履等部件組成，另外配套有沖擊錘頭、排渣管、空壓機(或10BS砂石泵)等輔助器具和設備。

鉆機設計主要圍繞施工口徑3 m、沖擊錘頭額定質量20 t這兩個主要性能參數展開，由此確定鉆機底盤、鉆塔、主卷揚機、沖擊機構、緩沖機構、液壓動力站等部件的結構尺寸和性能、強度設計。

2.1.1 底盤

鉆機底盤是整個鉆機設備的基礎件，主要是由槽鋼焊接而成的框架結構。主機上的所有部件都安裝在底盤上，因此對其有一定的強度和剛度要求，保證在施工過程和整體運輸過程中不變形。其具體結構主要由安裝在其上的各部件結構及安裝位置決定。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、緩沖機構、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；或將鉆塔放倒落平，處于運輸狀態。緩沖機構主要用于吸收沖擊輪組的沖擊振動，并對沖擊鋼絲繩導正。位于桅塔頂端的天車主要用于副卷揚、工具卷揚中鋼絲繩的導向。

2.1.3 液壓油缸沖擊機構

液壓油缸沖擊機構主要由沖擊油缸和沖擊輪組組成。沖擊油缸為一特殊設計油缸，通過沖擊輪組和鋼絲繩提升、下降鉆頭，實現沖擊鉆進工作。沖擊輪組除了傳遞油缸對鋼絲繩的拉力外，還在上下運動中起導向作用。

2.1.4 液壓動力站

液壓動力站主要由電動機、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，給沖擊機構和主卷揚機提供壓力油。主泵輸入功率為90 kW，轉速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、工具卷揚和操作系統提供壓力油，副泵輸入功率5.5 kW，轉速1440 r/min，額定工作壓力16 MPa。油箱內設有回油濾器和吸油濾器，用以過濾液壓油中的雜質。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、工具卷揚機的啟動與關閉；控制手動沖擊與自動沖擊、手動放繩與自動放繩等轉換；在自動沖擊狀態下，由單片機自動控制沖擊油缸換向；在自動放繩狀態下，由單片機自動控制主卷揚機適時、適量自動放繩。

圖2 鉆機操作臺Fig.2 Operating platform of drill rig

2.1.6 主卷揚機

主卷揚機主要由液壓馬達、減速機、卷揚機和制動裝置組成，卷揚機為雙筒，帶有差動裝置，用于調整兩根沖擊鋼絲繩的拉力平衡和提升鉆頭。液壓馬達可以正轉、反轉，由主泵和副泵分別供油，主泵供油用于主卷揚機提升或下降鉆頭，速度可無級調整。副泵供油用于主卷揚給進放繩或收繩，速度恒定。

2.1.7 副卷揚機

副卷揚機專用于提升或下降排渣管。

2.1.8 工具卷揚機

工具卷揚機用于施工現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動，使鉆機實現上下、前后、左右移動。

2.2 鉆機的特點

(1)采用獨特的液壓油缸沖擊方式，結構簡單，沖擊工作平穩，可控性強。鉆機采用液壓油缸沖擊方式，運動件少，工作慣性小，同時鉆機設有過載保護裝置，因此鉆機工作可靠，易損件少，工作壽命長。

(2)該鉆機采用機、電、液一體化技術，自動沖擊和自動給進采用了單片機控制，操作方便省力，可靠集中。當沖擊旋鈕扳到“自動沖擊”擋位，鉆機可實現自動沖擊，此狀態下操作人員可以離開操作臺，在孔口周圍巡查鉆機工作情況。在自動沖擊過程中，卷揚機能根據沖擊錘頭進尺情況，自動適時、適量下放鋼絲繩，避免打“空錘”現象，能有效地提高鉆進效率。當沖擊旋鈕扳到“手動沖擊”擋位，可通過操縱手動換向閥來控制卷揚機提升、下落沖擊錘頭，實現沖擊鉆進。鉆機自動沖擊、手動沖擊可任意選擇，沖擊行程、沖擊頻率可無級調整，能適應多種工況和地層。

(3)差動雙卷筒卷揚機提升能力強(最大提升力可達260 kN)。卷揚機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排渣方式)。卷揚機由液壓馬達驅動，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，操作輕便，安全可靠。

(4)鉆機配有液壓步履，裝在鉆機底盤上，在施工現場鉆機可方便左右前后移位以對正孔位。

(5)鉆機起塔、落塔為液壓油缸控制，操作平穩、安全、省力。

(6)沖擊錘頭重(20 t)，破巖效率高。

(7)鉆機采用氣舉(或泵吸)反循環排渣，排渣管直徑219 mm，排渣能力強，可將大的卵石(直徑18 cm左右)不經完全破碎直接排出孔外。氣舉和泵吸反循環排渣系統可共用一套排渣管，兩種系統轉換便捷迅速。

2.3 配套沖擊錘頭的設計

大口徑沖擊錘頭的重量、結構是影響破巖效率的關鍵因素，結構設計合理的反循環沖擊錘頭，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，可避免重復破碎，提高排渣效率。

在進行沖擊錘頭結構、強度設計時，對目前工地上正在使用的各種沖擊錘頭的結構、常見損壞形式進行了認真分析、研究，為直徑3 m的沖擊錘頭設計做好了技術積累。現國內大口徑沖擊鉆機大多施工口徑在2.5 m以下的樁孔，使用沖擊錘頭的質量大多在10 t左右，結構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掉塊、開焊等故障，需要進行及時修補，影響施工效率。個別沖擊鉆機沖擊錘頭的質量達到15 t左右，沖擊錘頭強度高，故障率低，鉆機施工效率相對較高。

鉆機的試驗工地，施工樁孔直徑為2.8 m。為此專門設計直徑2.8 m的沖擊錘頭(見圖3)，質量19 t，是目前國內沖擊反循環鉆機中使用質量最重的沖擊錘頭，這個質量是破巖能力的保障，也是保證沖擊錘頭整體強度的基礎。在2.8 m沖擊錘頭的圓斷面上，鋼圈從內到外均勻布置，由低到高呈階梯狀布置。沖擊錘頭的這種結構，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度大大低于抗壓強度的特點，孔底巖石在沖擊錘頭沖擊作用下，分層等強度向內剪切破碎，碎巖效率高。

圖3 YC2800沖擊錘頭Fig.3 Structure and outline of YC2800 impact hammer

在進行沖擊錘頭結構設計時，由于考慮全面，分析準確，生產試驗時排渣效率達到了預期的效果。在整個試驗過程中，沖擊錘頭沒有出現停鉆修理的情況，一鉆到底，節省了輔助時間，解決了沖擊鉆頭在施工過程中容易損壞的問題。

2.4 反循環排渣工藝的選擇

反循環排渣系統因排渣迅速、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用。該型鉆機可根據工地情況或用戶設備情況采用氣舉或泵吸反循環排渣方式，兩種排渣方式可使用同一套排渣管完成排渣工作，并且兩種方式轉換快速、方便。

我廠系列沖擊反循環鉆機以泵吸反循環為主，由于該型鉆機施工樁徑的增大，排渣管直徑相應加大，砂石泵的泵量同時需要增大，才能保證排渣效率。隨著雙螺桿空壓機技術的不斷進步和設備制造成本的降低，選用大泵量的砂石泵(10BS型)成本與選用空壓機(額定壓力1 MPa，排氣量10 m3/min)的成本差距在顯著縮小，氣舉反循環排渣工藝在大口徑鉆孔灌注樁施工中的應用將越來越廣泛，有逐步取代泵吸反循環的趨勢。

我們在充分了解掌握氣舉反循環排渣工藝的應用情況后認識到，在大口徑樁孔施工中，氣舉反循環排渣工藝使用方便、排渣效率更高一些，有其獨特的優勢，另外在此工地上配有合適的空壓機，故此該型鉆機在此工地上選用了氣舉反循環排渣系統。

3 YCJF-30型全液壓沖擊反循環鉆機的生產試驗情況

YCJF-30型鉆機生產制造完成，經廠內調試與加載動作試驗后，在中煤集團特鑿公司鉆井工程處舟山富翅門大橋樁基工程中進行了生產試驗。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筒。施工平臺臺面標高4.500 m(海面標高-0.300 m，海底平面標高-5.200 m)，鋼護筒頂面標高3.978 m，鋼護筒筒內液面標高3.700 m，樁底設計標高-73.500 m，樁孔設計口徑2.800 m。鉆機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。

3.1 鉆進施工工藝

鉆孔灌注樁剛開孔施工時，因為孔內埋深不夠，反循環排渣工藝沒法使用或使用效果不好，一般采用正循環排渣方式開孔。為提高成孔效率，發揮各種施工工藝方法的優勢，特鑿公司鉆井處在這個工地施工中，采取了沖擊鉆進正、反循環施工工藝組合的方法。先用單繩沖擊鉆機采用正循環排渣工藝，進行開孔施工；當孔深達到距離護筒內液面23 m(標高-19.300 m)后(這個深度已達到氣舉反循環施工要求的埋深)，再更換鉆機采用氣舉反循環施工工藝，進行“接力”施工。該型鉆機施工的1號樁孔，就屬于這種情況。

3.2 鉆機在不同地層的施工效率

YCJF-30型鉆機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，經歷了多種地層的考驗。根據甲方在樁孔位置進行工程勘察獲得的地質資料，樁孔位置地層情況見表1(勘察孔處海底平面標高-3.760 m)。

因該型鉆機配備沖擊錘頭質量重，破巖效率較高；再加上氣舉反循環采用的空壓機風量大，排渣速度快，大的粘土泥團、卵石、塊石都能連續快速排出孔外(排出顆粒見圖4)，避免重復破碎，這兩個優勢組合使鉆機保持較高的鉆進效率。鉆機用了10 d時間就從距離護筒液面23 m(標高-19.300 m)鉆進到71.400 m(標高-67.700 m)，平均每天進尺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還有某公司生產的回轉-40型鉆機和單繩卷揚沖擊鉆機。回轉-40型鉆機屬于全液壓動力頭式回轉鉆機，有控制鉆頭鉆壓的加減壓機構，額定施工口徑4 m，鉆機總動力90×3=270 kW，采用氣舉反循環排渣系統，使用相同空壓機，鉆桿內徑330 mm。單繩卷揚沖擊鉆機，使用12 t重的沖擊錘頭，采用正循環排渣系統，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量輕，破巖速度下降較大，每班(12 h)進尺只有0.2～0.3 m。對在這一平臺上同時施工的3種鉆機在不同地層的施工效率進行了統計，詳見表2。

3.3 鉆機施工時的沖擊擋位的選擇

YCJF-30型鉆機沖擊行程設有3個擋位，分別是低擋、中擋、高擋(位置可根據地層情況適當調節)。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。在強風化和中風化凝灰巖地層中施工，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，可根據具體地層情況和排渣管出渣情況靈活調節。

表1 鉆孔地層情況Table 1 Formation of the borehole

圖4 氣舉反循環排渣方式排出的巖塊Fig.4 Rock chips discharged by air lift reverse circulation

鉆 機 類 型工效/(m·h-1)粉質粘土含礫粉質粘土全風化強風化凝灰巖中風化凝灰巖錘頭質量/t回轉40型鉆機1.401.20.150.10單繩沖擊鉆機0.320.40.030.0212YCJF30型鉆機1.201.00.300.2019

鉆機在沖擊工作時，液壓系統最高工作壓力始終保持在20 MPa左右(低于系統設計的額定壓力28 MPa)。提升沖擊錘頭時，液壓系統壓力由低到高逐步升高，提升到最高點時壓力最高(因提升滑輪兩側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，系統壓力瞬時泄壓，壓力迅速下降。沖擊錘頭在連續不斷地上升、下降過程中，系統壓力也隨之周期性地波動。鉆機在工作過程中，系統最高壓力始終低于額定壓力，系統工作平穩。電機運轉時的電流也小于額定電流，功率消耗較少(主機電機功率90 kW)，屬于節能產品。

3.4 氣舉反循環排渣系統的使用情況

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(見圖5)，可供兩臺鉆機同時使用。為充分利用現有設備(一般樁孔使用壓力1 MPa，排氣量10 m3/min的空壓機就能滿足使用要求)，在這個工地上我們采用氣舉反循環排渣工藝。

圖5 雙螺桿空壓機Fig.5 Air compressor with double screws

根據施工口徑，我們選用排渣管的規格為?219 mm，氣舉反循環排出泥漿流量約700 m3/h(YCJF-25型鉆機采用泵吸反循環工藝，配套6BS型砂石泵，流量180 m3/h，排渣管規格為?159 mm)。若該型鉆機采用泵吸反循環系統，配備10BS型砂石泵，排出泥漿流量約500 m3/h，排渣效果也不錯。

該型鉆機配備的氣舉反循環排渣系統排出泥漿流量大，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，在粉質粘土層，大塊的泥團能被連續排出，排渣效果非常好，能有效地避免孔底巖塊重復破碎，提高鉆進效率。

在陸地上施工，反循環排渣管的出渣口一般直接放在沉淀池內；在海上施工，為避免破碎巖土直接排放造成的海洋環境污染，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水口(見圖6)，大顆粒的渣土經過篩網滾落到位于篩網正前方的渣箱(篩網傾斜約45°)，泥漿和粉砂從篩網上泄漏流到位于篩網正下方的沉淀箱中，泥漿再從沉淀箱溢流口流回到鉆孔內循環使用。當渣箱中的渣土和沉淀箱裝的粉砂充滿箱子后，再用小挖掘機將渣土、粉砂裝車運出工地，達到保護海洋環境的要求。

圖6 采用氣舉反循環時鉆機的工作狀態Fig.6 Working mode with air lift reverse circulation

4 YCJF-30型全液壓沖擊反循環鉆機存在的不足

鉆機在2個樁孔生產施工中，整體性能能夠滿足沖擊反循環施工工藝要求，鉆機卷揚機、沖擊油缸的提升能力也得到驗證，鉆塔、底盤等各結構部件的承載能力經受住了考驗，液壓系統運轉平穩，電器控制系統工作可靠；鉆機的各項性能達到設計要求，施工效率也比較高，取得了理想的應用效果。

在生產施工和應用中，也發現鉆機存在的不足，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(直徑28 mm)，在試鉆過程中發生了3次斷繩故障，影響了生產進度。在該型鉆機定型生產時，鋼絲繩的型號規格已重新選擇、更換。二是鉆機外形尺寸大(長×寬×高：7860 mm×3360 mm×3600 mm)，超出普通半掛車運輸寬度(3 m)，給用戶增加了運輸的成本。

5 結語

生產試驗證明，YCJF-30型鉆機參數合理先進，性能可靠，自動化程度高，操作簡單，維護容易，使用成本低，能適應各種地層施工，可選用氣舉和泵吸兩種反循環排渣工藝。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鉆機系列中施工能力最強的施工裝備。

我廠長期致力于沖擊反循環施工工法在灌注樁施工中的應用及研究，并一直為此工法的發展與進步提供優良可靠的裝備。