YCJF－25型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機及其應(yīng)用效率分析

唐愛國

(山東省地質(zhì)探礦機械廠，山東濟南250102)

1 概述

YCJF－25型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(見圖1)是我廠于2002年9月研制成功并投放市場的鉆機，主要應(yīng)用于大口徑基礎(chǔ)灌注樁的施工。該型鉆機有2個突出特點:一是鉆機利用鉆塔上的液壓油缸提升、下落沖擊錘頭，實現(xiàn)沖擊鉆進。因液壓油缸容易實現(xiàn)提升較大質(zhì)量的沖擊錘頭，所以鉆機破碎巖石的能量大，破巖效率高。二是鉆機采用了泵吸(或氣舉)反循環(huán)的排渣方式，排渣速度快，能有效避免孔底巖屑的重復(fù)破碎。這兩方面優(yōu)勢的結(jié)合使該鉆機施工時成孔質(zhì)量好，鉆進效率高。該型鉆機曾獲2005年度山東省科技進步三等獎，獲國家4項專利，時至今日，該型鉆機已銷售了108臺，正在得到越來越多的用戶認(rèn)可。

圖1 YCJF－25型鉆機全景圖片

2 YCJF－25型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機的性能參數(shù)

鉆孔直徑:1.2～2.5 m

鉆孔深度:80 m

沖擊錘頭最大質(zhì)量:10 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:100 kN

副卷揚提升能力:30 kN

排渣方式:泵吸(或氣舉)反循環(huán)

主電機功率:75 kW

主機質(zhì)量:19 t

運輸尺寸:7760 mm×2800 mm×3300 mm(長×寬×高)

3 YCJF－25型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機的結(jié)構(gòu)特點

該型鉆機主要由鉆塔、底盤、卷揚機、沖擊機構(gòu)、緩沖機構(gòu)、液壓動力站、操作臺、沖擊錘頭、6BS型砂石泵、排渣管等部件組成，鉆機具有如下特點。

(1)采用獨特的液壓油缸沖擊方式，結(jié)構(gòu)簡單，工作平穩(wěn)，可控性強。液壓沖擊油缸屬單作用式油缸，鉆機工作時用液壓力提升沖擊錘頭，靠沖擊錘頭重力下落沖擊孔底。沖擊錘頭下落時沖擊油缸下腔的液壓油能快速回油，對沖擊錘頭的下落影響輕微，沖擊時沖擊錘頭能以近自由狀態(tài)下落，能量利用率高，沖擊力大。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(shè)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(shù)，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(dāng)沖擊旋鈕扳到“自動沖擊”擋位，鉆機可實現(xiàn)自動沖擊，此狀態(tài)下操作人員可以離開操作室，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(jù)沖擊錘頭進尺情況，自動適時、適量放繩，避免打“空錘”現(xiàn)象，能有效地提高鉆進效率。也可以選擇手動放繩，靈活掌握沖擊給進。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)差動雙卷筒卷揚機(見圖2)，提升能力強(最大提升力可達100 kN)，雙繩提拉沖擊錘頭，讓出中間位置，為反循環(huán)排渣管騰出空間。單繩沖擊鉆機因無法讓開中間位置，很難采用快速高效的反循環(huán)排渣方式。主卷揚機輸入動力的大齒輪安裝在卷揚機主軸的中部，并與制動輪設(shè)計為一體，差動裝置安裝在其內(nèi)部，兩個卷筒設(shè)置在兩側(cè)。卷揚機的主軸為芯軸，只承受彎矩，不承受扭矩，所以該卷揚機結(jié)構(gòu)簡單可靠，受力對稱合理，承載能力大。卷揚機由液壓馬達驅(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。

圖2 差動雙卷筒卷揚機外形圖

(4)鉆機配有液壓步履，裝在鉆機底盤上，在施工現(xiàn)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(wěn)、安全、省力。

(6)鉆機采用泵吸(或氣舉)反循環(huán)排渣，排渣能力強，可將大的卵石(直徑10 cm左右)不經(jīng)破碎直接排出孔外(見圖3)。反循環(huán)排渣系統(tǒng)在鉆機鉆進過程中排渣迅速、干凈、及時，避免巖石在孔底的重復(fù)破碎，施工效率高。因反循環(huán)排渣干凈，終孔時也不用專門清洗孔底。

圖3 砂石泵抽出的卵石

(7)沖擊錘頭采用焊接結(jié)構(gòu)，中間有可通過排渣管的芯管，采用雙繩提引。焊有刀體的幾個鋼圈從內(nèi)到外呈階梯狀布置，在沖擊錘頭工作時可形成多個層次的破碎面，這充分利用了巖石抗剪強度大大低于抗壓強度的特點，利于巖石分層等強度向內(nèi)破碎，碎巖效率高。針對原有2.5 m口徑的沖擊錘頭在使用中存在結(jié)構(gòu)剛性不足，強度偏弱，容易斷圈、開焊等問題，我們對結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計，更換了強度更高的材料，并采取了防止卡鉆的措施，應(yīng)用效果較好。

4 YCJF－25型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機的施工效率分析

目前在國內(nèi)灌注樁施工工地上，一般會有多種機型在進行鉆孔施工。有時在同一工地上能見到4～5種鉆機機型在進行相同口徑的灌注樁施工，有各種類型的單繩沖擊鉆機、回轉(zhuǎn)鉆機、旋挖鉆機，它們各具特色，發(fā)揮著各自的優(yōu)勢。這些鉆機通過不斷的技術(shù)改進和升級，如工地上常見的單繩沖擊鉆機，經(jīng)過改裝后也能實現(xiàn)自動沖擊，大大減輕了操作者的勞動強度，但因只能采用正循環(huán)排渣，卵石、石塊需破碎成細小顆粒后才能隨泥漿排出，出渣效率慢，成孔后還需清洗鉆孔，影響成樁速度。我們通過對各種機型在不同工地、不同地層的施工情況進行跟蹤和對比，分析YCJF－25型鉆機的施工效率等情況。

(1)某用戶在廣東順德高贊大橋樁基施工中對YCJF－25型鉆機與回轉(zhuǎn)鉆機、單繩沖擊鉆機在不同地層施工情況進行了對比(樁徑2.5 m)，分別見表1、表2。

表1 高贊大橋22號墩YCJF－25型鉆機與回轉(zhuǎn)鉆機施工效率對比統(tǒng)計

表2 高贊大橋21號墩YCJF－25型鉆機與單繩鉆機施工效率對比統(tǒng)計

(2)河北建設(shè)勘察研究院在河南省洛陽黃河大橋工地施工，該工地樁孔設(shè)計有口徑2.0 m(孔深32～36 m)和口徑1.8 m(孔深22～32 m)兩種。地層情況是:17 m以淺地層為亞粘土，粉砂層;17 m以深為漂卵石層，最大卵石直徑400 mm。

在該工地同時進行施工的鉆機有BZP2.5/100型、S－40型回轉(zhuǎn)鉆機，CK－150型手動單繩卷揚機式?jīng)_擊鉆機，YCJF－25型鉆機。該單位對這4種鉆機在該工地的使用情況進行了對比(見表3)。

表3 四種鉆機在洛陽黃河大橋施工情況對比

(3)在武漢天興洲長江大橋1、4號墩工地，用YCJF－25型鉆機施工2.5 m的樁孔，甲方在成孔后用水下攝像機進行了成孔情況觀測，發(fā)現(xiàn)用該鉆機施工的樁孔孔壁光滑，鉆孔順直，擴孔率低，得到了甲方公司中外國專家的好評。

(4)在四川廣元嘉陵江大橋工地施工口徑2.5 m的樁孔，孔深19.75 m，10 m以淺為卵礫層，10 m以深為砂巖，在砂巖地層進尺效率0.15～0.2 m/h，平均一星期成孔一個。在該工地使用單繩卷揚機式?jīng)_擊鉆機施工同樣的鉆孔，40天成孔一個。

(5)在千島湖大橋工地，在水深40 m下施工2.7 m口徑的鉆孔，地層為第四系覆蓋層，進尺效率達1 m/h，施工深度達到50 m，50 m以深換用2.4 m口徑的沖擊錘頭，地層為卵礫石和基巖，巖石的抗壓強度為45～60 MPa，在基巖中最高進尺效率為0.2～0.3 m/h，最大施工深度達到79 m。

通過多年來對YCJF－25型鉆機施工情況的統(tǒng)計分析，對該型鉆機在不同施工地層的施工效率有了大概的了解。施工口徑2.5 m，一般在卵礫石地層中進尺效率為0.3～0.4 m/h;在粘土、粉砂地層進尺效率為1.5～2 m/h。在灰?guī)r地層，進尺效率為0.5 m/h;在砂巖地層，進尺效率為0.2～0.4 m/h;在花崗巖地層，進尺效率為0.2 m/h。同樣使用該型鉆機，由于施工口徑的不同，鉆進效率也略有差別。當(dāng)然，影響施工效率的因素很多，除主要的設(shè)備性能因素外，還與鉆機操作人員的經(jīng)驗，操作水平，對施工區(qū)域的地層情況了解有關(guān)。

5 鉆機存在的不足

近幾年，我廠針對用戶在使用該型鉆機中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，對鉆機進行了不斷改進和持續(xù)完善，再加上一些液壓新技術(shù)新成果的應(yīng)用，使鉆機性能更加穩(wěn)定可靠，日趨完美。目前，在全國各地大江大河橋墩平臺工地上，時常能見到該型鉆機“忙碌”的身影(見圖4)。有的鉆機已使用了10年多，還在繼續(xù)工作。該型鉆機在施工2.5 m口徑樁孔時，若巖石強度在100 MPa以下，施工效率還可以。在遇到硬巖時(曾遇到抗壓強度達到239 MPa的巖石)，破巖效率不高，沖擊錘頭的強度和剛性也略顯不足，沖擊錘頭在施工中易開焊。目前我們針對用戶提出的問題，正在做鉆機的升級工作，擬設(shè)計YCJF－30型沖擊鉆機，施工口徑可達3 m，沖擊錘頭質(zhì)量可以達到17 t。

圖4 鉆機在合(肥)福(州)高鐵聯(lián)絡(luò)線閩江特大橋10號墩施工

6 結(jié)語

我廠生產(chǎn)的YCJF－25型鉆機操作簡單，維護容易，自動化程度高，對地層適應(yīng)性強，采用反循環(huán)排渣，出渣快成孔效率高，對付硬地層時常有不俗的表現(xiàn)，得到了用戶的普遍認(rèn)可，我們會繼續(xù)關(guān)注該型鉆機的使用情況，并針對鉆機在使用中出現(xiàn)的問題進行持續(xù)完善和改進。

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