ZLG22米折塔式履帶螺桿樁機的研制與應用

【摘要】ZLG22米折塔式履帶螺桿樁機是螺桿樁的成樁設備，該樁機具有動力頭扭矩大，主卷揚拉力大，同步控制性能穩(wěn)定等特點，主要用于超硬和復雜巖土地層的成樁，簡化了成樁工藝，提高了單樁承載力，實現(xiàn)一機多能，達到了節(jié)能減排的效果。本文主要介紹了該樁機成樁原理、樁機組成、主要結構特點、技術參數(shù)及實際應用情況。

【關鍵詞】超大扭矩；單排雙出繩；同步控制；螺桿樁

1.概述

螺桿樁是一種高性能、低造價、短周期的新型樁，具有無噪音、無污染、無取土、對周邊建筑無影響的綠色環(huán)保的特點?？梢哉f螺桿樁無論是工程實用性、經(jīng)濟性還是環(huán)保性上都具有顯而易見的優(yōu)點和不可限量的前景。但現(xiàn)有的螺桿樁成樁設備JUS120履帶螺桿樁機（第一代螺桿樁機）存在動力頭扭矩小、同步穩(wěn)定性差、施工效率低等缺點。為了解決這些問題，我們研制了ZLG22米折塔式螺桿樁機，它是東北煤田地質(zhì)局一二八勘探隊的第二代螺桿樁機，主要結構采用折疊塔、收縮行走履帶，拆裝搬運方便，施工效率高，成樁質(zhì)量好，單樁承載力高等諸多優(yōu)點，同時具備螺桿樁、螺旋擠土樁（即SDS樁）、長螺旋大孔徑硬巖樁的施工。施工過程中采用泵送混凝土由樁底向上灌注，施工效率高，成樁質(zhì)量好。適應于淤泥質(zhì)黏土、粉土、砂土、含礫石黏性土、黃土、強風化土、中風化土等?，F(xiàn)已廣泛用于交通、工業(yè)與民用建筑工程領域中。

2.成樁原理

螺桿樁是上部位圓柱型、下部為螺絲型的變截面異形樁。動力頭在直流電機控制下帶動螺桿鉆具作旋轉運動，同時在主卷揚繩的拉力下沿主塔軌道做豎直上下移動。鉆進過程中，動力頭正轉，主卷揚加壓；提升過程中，動力頭反轉，主卷揚提升，通過電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)動力頭轉速與主卷揚加壓、提升過程完全同步化，連續(xù)提升鉆桿至地面，在提鉆同時管內(nèi)泵壓混凝土灌注成樁，最后放鋼筋籠，滿足螺桿樁施工要求。同時動力頭和主卷揚具有單獨操作功能，滿足SDS樁和大孔徑硬巖樁施工。

3.主要結構組成

如圖1所示。1.頂部滑輪組；2.主塔；3.斜支桿；4.電氣系統(tǒng)；5.塔支座；6.配重；7.主卷揚機；8.液壓支腿；9.駕駛室；10.液壓系統(tǒng)；11.工具卷揚機；12.履帶底盤；13.主平臺；14.加壓滑輪組；15. 護筒；16.鉆具；17.動力頭

4.主要結構特點

4.1動力頭部分

現(xiàn)有的設備動力頭采用三環(huán)減速器，由雙75kw直流電動機驅動，輸出扭矩小，只有250KN.m。局限性：不能滿足硬巖及復雜地層的螺桿樁、螺SDS樁、大徑硬巖樁的施工。而且三環(huán)減速器要增加速比，會使體積增大，重量增加，這樣影響樁機行走和工作時的穩(wěn)定性。

該樁機動力頭采用電機直流調(diào)速控制，雙硬齒面二級行星減速，同時驅動一個硬齒面斜齒減速器輸出，帶動鉆具旋轉，同時硬齒面減速器采用水冷方式。主要部件型號及技術參數(shù)：直流電機Z4—250—21，90kw，2臺，轉速0～2250r/min；二級行星減速器HJC1100D.54—01，速比54，2臺；硬齒面斜齒減速器ZZCD710—04，速比4，1臺；經(jīng)計算得出動力頭額定輸出轉矩為450KN.m，國內(nèi)同類機型相比最高，輸出轉速為0～12r/min。特點：采用變頻調(diào)速控制，超大扭矩輸出，滿足了不同巖層及復雜地層的成孔成樁。

4.2主卷揚機部分

現(xiàn)有的設備主卷揚采用電動恒速雙卷筒卷揚機（直流調(diào)速），完成動力頭的提升和加壓，每個卷筒單獨操作，手動控制離合。局限性：（1）加壓和提升換向操作不方便，要通過中間介輪來完成；（2）每個卷筒上的鋼絲繩都采用多層纏繞，收放過程中繩速隨時都在變化，很難保證動力頭轉速與其豎向移動的同步性；（3）單繩拉力小，對復雜地層很難施工。

該樁機主卷揚采用交流變頻控制，大直徑卷筒內(nèi)藏大速比硬齒面減速器，同時采用同一卷筒單排繩雙出繩結構，用于牽引動力頭沿主塔軌道豎直上下移動，使加壓和提升動力頭同速。卷筒直徑φ870mm，長1400mm ；鋼絲繩直徑φ26mm；主要部件型號和技術參數(shù)：電機：YVP225M—8，22kw，1臺；內(nèi)藏減速器型號：QJC1600，速比：260.3。經(jīng)計算得出：主卷揚繩速0～20m/min，單繩拉力175KN，最大提升力可達700KN，國內(nèi)同類機型相比最高。

特點：（1）在交流變頻電機的帶動下，卷筒旋轉，兩根鋼絲繩同速收放，在保證動力頭額定輸出轉矩的同時，收放鋼絲繩同步性更高。滿足了動力頭轉速與其豎向移動的同步性要求，避免了施工中二次成螺等虛假螺紋的現(xiàn)象，提高了成樁質(zhì)量。（2）由于鋼絲繩單層纏繞，因而減少了鋼絲繩的磨損。（3）利用一個卷筒完成兩個卷筒的功能，操作簡單，提高了施工效率，同時節(jié)省了成本。

4.3塔架部分

主塔是樁機的關鍵部分，現(xiàn)有的螺桿樁機主塔采用法蘭連接，而且材質(zhì)多采用普通鋼材制造，體積大，重量大。安裝、拆卸、起落塔必須借助于吊車進行，費時、費力、運輸成本高，同時也給用戶帶來很大麻煩。

該樁機主塔采用高強度鋼材（BS700MC和42CrMo等），增加了結構的強度，同時減輕了整機的重量。塔高28m，經(jīng)三次折疊滿足運輸要求，利用液壓起塔、落塔、折疊。主塔截面尺寸：650mm×480mm。經(jīng)計算主塔的扭轉剪切強度：τmax= 94.19MPa〈 [τ]=233 MPa；扭轉剛度：θ=0.291°/m〈 [θ]=0.5～1°/m。故主塔的強度和剛度均滿足超大扭矩動力頭輸出扭矩450kN.m的要求。特點：塔架結構強度高，具有很高的安全穩(wěn)定性。采用液壓油缸控制和鋼絲繩共同完成起、落塔，操作簡單，效率高，省去組裝塔架、斜支桿、纏繞鋼絲繩等環(huán)節(jié)。折疊式塔架簡化了拆裝和運輸，提高了施工效率。

4.4底盤部分

現(xiàn)有的設備底盤兩側履帶與回轉架體是法蘭連接，展寬不易調(diào)節(jié)，運輸時履帶需要拆掉，操作不便。同時增大了設備轉場及運輸?shù)睦щy，靈活性差。為了解決上述問題，該樁機采用單油缸伸縮式履帶底盤，其特點：結構緊湊，運輸方便，操作運轉靈活。履帶行走采用電動控制，根據(jù)樁架設計要求：履帶行走轉矩為70000N·m，履帶行走速度4～8m/min；為了滿足施工和運輸要求，施工時履帶展寬4.6m，運輸時縮寬3.3m。特點：靈活、迅速、行走平穩(wěn)，而且相對的比其它驅動不僅降低了制造成本和使用成本，故障率也低，操作方便。

4.5螺桿鉆具部分

螺桿鉆具是螺桿樁成樁的關鍵部分。螺桿鉆具由光桿鉆具、帶螺旋葉片的螺桿鉆具和鉆頭三部分組成，鉆具內(nèi)設有泥漿管，作為輸送混凝土的通道。其中帶有葉片的螺桿鉆具部分長度一般為4～8m，這里取6m，其余部分為光桿鉆具。根據(jù)螺桿灌注樁的技術規(guī)程并結合實際應用經(jīng)驗確定螺桿鉆具中心管和葉片尺寸：

樁徑（mm） φ400 φ500 φ600 φ700

樁管直徑（mm）φ291×δ20 φ351×δ20 φ351×δ20 φ426×δ20

螺距（mm） 340 360 380 460

葉片材質(zhì)：低碳耐磨鑄造高強度合金鋼；鉆具接頭材質(zhì)：42CrMo。鉆頭形式采用單開門，優(yōu)點口不易開且吐料好。螺桿鉆具接頭采用內(nèi)、外六方插接，抗剪、抗扭強度好，而且對中性好。

5.與當前國內(nèi)同類研究、同類技術的綜合比較

螺桿樁是國內(nèi)專利產(chǎn)權，是國家推廣的節(jié)能減排樁基礎，當前國內(nèi)螺桿樁機生產(chǎn)共三家。分別是東北煤田地質(zhì)局一二八勘探隊、山東卓力樁機有限公司、武漢武船機電設備有限公司，其性能見下表：

螺桿樁機性能比較表

6.實際應用情況

以遼寧省本溪市某高層建筑施工為例，該地區(qū)的土層情況如下（從上之下）：①雜填土 ②粘土 ③粉質(zhì)粘土（硬塑）④粉質(zhì)粘土（可塑）。對該設備進行了實際應用，對已施工了8根樁徑為500mm試驗樁，有效樁長20m，進行單樁靜荷載試驗，測試結果為：最大加載載荷為7500KN，單樁最大沉降僅為15mm。滿足了單樁承載特征值2800KN，沉降量小于36mm的要求。

ZLG22米折塔式履帶螺桿樁機自投放市場以來，先后有近5臺設備在東北三省及內(nèi)蒙多地多個項目進行了施工作業(yè)，通過現(xiàn)場施工反饋，該樁機械性能穩(wěn)定，成樁質(zhì)量好，施工效率高，與同類型的螺桿樁機相比（如山東卓力樁機有限公司生產(chǎn)的螺桿樁機），動力頭輸出轉矩大，同步性強，輸出轉速高，施工效率能提高15%—20%，拆裝搬運簡化，節(jié)省時間和費用。幾年來為用戶創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟收益，同時為用戶螺桿樁的施工在社會上樹立了良好的形象，獲得了很好的聲譽。

7.結束語

ZLG22米折塔式履帶螺桿樁機的推廣使用，帶動了建筑樁基礎節(jié)能減排的步伐，原始的樁基礎如超流態(tài)、CFG、正反循環(huán)沖擊回轉等樁型面臨著逐漸遠離市場。螺桿樁、SDS樁得到了很好的質(zhì)量保障，為企業(yè)和社會帶來了豐厚的經(jīng)濟效益。同時為推廣螺桿樁、SDS樁起到積極作用，節(jié)能減排，得益于民。

參考文獻

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作者簡介

劉守進（1965年4月— ），男，遼寧沈陽人，大學畢業(yè)，東北煤田地質(zhì)局一二八勘探隊副隊長，高級工程師，從事機械設計及制造工作。