灌注樁成孔機(jī)械新技術(shù)新結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)淺析

喬華山

摘 要 本文從樁工機(jī)械最常用的成孔鉆機(jī)的現(xiàn)狀分析入手，介紹了我國旋挖鉆機(jī)和回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的發(fā)展。對(duì)灌注樁成孔機(jī)械新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并根據(jù)目前鉆機(jī)行業(yè)的發(fā)展情況對(duì)我國鉆機(jī)今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)并提出了應(yīng)對(duì)的措施，希望能夠有助于我國灌注樁成孔機(jī)械今后的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 鉆機(jī)；新技術(shù)；新結(jié)構(gòu)；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào) TU67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）12-0071-02

在土木建筑中，樁基礎(chǔ)是最常用的基礎(chǔ)形式。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)和城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，樁基礎(chǔ)的施工方法和施工機(jī)械也有了巨大的發(fā)展。近幾十年來，灌注樁得到了飛速發(fā)展，灌注樁的成孔機(jī)械也隨之出現(xiàn)了許多的新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)。對(duì)于這些新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究能夠有助于我國樁工機(jī)械的發(fā)展，促進(jìn)我國樁工機(jī)械向國際水平看齊。同時(shí)也充分發(fā)揮樁工機(jī)械在基礎(chǔ)工程尤其深大基礎(chǔ)工程建設(shè)中的巨大作用，推動(dòng)我國基礎(chǔ)機(jī)械化施工進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)代。

1 灌注樁成孔機(jī)械概述

樁的類型大體可分為兩大類：預(yù)制樁和就地灌注樁。預(yù)制樁一般采用錘擊方法將其打入土中。隨著高層、超高層建筑越來越多，城市地下空間的開發(fā)，預(yù)制樁已不能滿足深、大直徑樁基礎(chǔ)的要求。灌注樁已成為樁基礎(chǔ)的主要形式。灌注樁成孔機(jī)械已為樁工機(jī)械最重要的組成部分和最常見的機(jī)械。灌注樁成孔機(jī)械在樁基礎(chǔ)施工中，用來成孔施工等。灌注樁成孔機(jī)械主要有兩個(gè)特點(diǎn)：1）具有較強(qiáng)的專業(yè)性，設(shè)備制造、施工操作要求相對(duì)高；2）施工地區(qū)對(duì)設(shè)備特點(diǎn)針對(duì)性強(qiáng)，生產(chǎn)的批量相對(duì)小。因?yàn)檫@兩個(gè)特點(diǎn)，我國灌注樁成孔機(jī)械的研究與制造在短短60多年之中，獲得了飛速的發(fā)展。灌注樁成孔機(jī)械行業(yè)的發(fā)展過程是一個(gè)由弱變強(qiáng)的過程。德國寶峨、日本三菱重工等一統(tǒng)天下的局面已經(jīng)被打破，我國樁工機(jī)械行業(yè)已邁入世界先進(jìn)水平行列。樁工機(jī)械行業(yè)的發(fā)展得益于我國施工技術(shù)的發(fā)展，而樁工機(jī)械發(fā)展又助推了施工技術(shù)的進(jìn)步與快速成長(zhǎng)。

2 我國灌注樁成孔機(jī)械的發(fā)展

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國工程機(jī)械行業(yè)也隨之得以進(jìn)步。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表示，在2010年我國的樁工機(jī)械銷售額已經(jīng)成功的突破80億元，產(chǎn)品的銷售量達(dá)到了5 000余臺(tái)。60%以上為灌注樁成孔機(jī)械，旋挖鉆機(jī)和長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)占了半壁江山。雖然我國的樁工機(jī)械產(chǎn)值還不能夠和國外相比，但是我國在數(shù)量上已經(jīng)趕超國外了。

2.1 旋挖鉆機(jī)的發(fā)展

旋挖鉆機(jī)是近十多年發(fā)展起來的灌注樁成孔專用施工設(shè)備。它具有成孔效率高、質(zhì)量好、對(duì)周邊環(huán)境影響小、機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。國外早在60年代已開始使用，是灌注樁施工成孔的最主要設(shè)備。

我國旋挖鉆機(jī)的生產(chǎn)和應(yīng)用是從20世紀(jì)80年代開始的。1988年北京的城建工程機(jī)械廠開發(fā)了旋挖鉆機(jī)，此后對(duì)于旋挖鉆機(jī)的相關(guān)生產(chǎn)和探索一直沒有停過。20世紀(jì)90年代，我國引進(jìn)了英國履帶式旋挖鉆機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)，進(jìn)行研發(fā)國產(chǎn)化的旋挖鉆機(jī)，但是，由于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)等條件的限制，沒有形成批量的生產(chǎn)。我國真正意義上的第一臺(tái)旋挖鉆機(jī)的開發(fā)也是在1988年，是由徐工集團(tuán)開發(fā)成功的。同樣由于受到了生產(chǎn)技術(shù)、系統(tǒng)配套能力等限制，也沒有形成批量生產(chǎn)。21世紀(jì)初，我國當(dāng)時(shí)的旋挖鉆機(jī)主要是采用進(jìn)口的方式，因此價(jià)格較高，對(duì)推廣旋挖成孔施工技術(shù)起到了阻礙作用。隨著青藏鐵路的建設(shè)，越來越多的生產(chǎn)廠家意識(shí)到了旋挖鉆機(jī)的發(fā)展空間，也了解到了其特點(diǎn)。因此，國內(nèi)許多的生產(chǎn)廠家紛紛的研發(fā)旋挖鉆機(jī)，從而打破了我國旋挖鉆機(jī)依靠進(jìn)口的局面。經(jīng)過10多年不斷的創(chuàng)新和研究、發(fā)展，我國徐工、三一重工等生產(chǎn)的旋挖鉆機(jī)性能已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

2.2 回轉(zhuǎn)成孔鉆機(jī)的發(fā)展

用鉆孔法打井在我國已有久遠(yuǎn)的歷史。但回轉(zhuǎn)成孔過程中塌孔等是一施工難題。20世紀(jì)50年代，德國人通過研究，只要在回轉(zhuǎn)成孔過程中，始終能保持孔內(nèi)0.02MPa的水頭壓差，就可以解決塌孔問題。此后鉆孔樁才開始普及，隨之轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)開始研制與批量生產(chǎn)。20世紀(jì)60年代，第一代轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)——紅星鉆機(jī)，采用正循環(huán)方式施工。近10年來，大直徑的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)有了重大發(fā)展，鄭勘機(jī)械廠、洛礦等制造的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)水平均達(dá)到或接近國際的先進(jìn)水平。

在直徑較小，深度比較淺的灌注柱成孔中，大多數(shù)都是采用的長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)。該類鉆機(jī)大多適用于北方地區(qū)，但是隨著CFG樁后植入鋼筋籠的技術(shù)，長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了多個(gè)地區(qū)，不僅僅限制于北方地區(qū)。長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)的發(fā)展，一直比較穩(wěn)定，并且我國相關(guān)的生產(chǎn)廠家比較多，同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)激烈。我國目前用的長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)施工總體上有很大的發(fā)展空間，但施工技術(shù)和生產(chǎn)制造模式比較單一。

3 灌注樁成孔機(jī)械新技術(shù)新結(jié)構(gòu)分析

工程機(jī)械需要以科學(xué)的合理結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，這樣才能滿足在實(shí)際使用中的需要。同時(shí)，工程機(jī)械最大最重要的特點(diǎn)是適應(yīng)各種惡劣的施工環(huán)境的考驗(yàn)。上述兩個(gè)例子分析了我國灌注樁成孔機(jī)械的發(fā)展，可以看出我國的灌注樁成孔機(jī)械一直在不斷的改進(jìn)和發(fā)展。為了能夠更好地研究目前我國灌注樁成孔機(jī)械行業(yè)的發(fā)展情況，以旋挖鉆機(jī)作為例子，介紹其新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)。

3.1 采用鎖定式伸縮鉆桿

傳統(tǒng)的鉆機(jī)在短螺旋鉆進(jìn)或者鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，很容易造成鉆具擺脫拆卸。針對(duì)這一問題，為了減少人員的擰接，新型鉆機(jī)都是選用的鎖定式的伸縮鉆桿。這種鉆桿比較靈活，不會(huì)出現(xiàn)鉆具擺脫拆卸的情況。國外的新型鉆機(jī)均是內(nèi)鎖定伸縮鉆桿，這樣不僅能夠保證鉆桿力的傳遞，又能方便鉆桿的拆接。進(jìn)口的鉆機(jī)都是選用的這種新結(jié)構(gòu)。國內(nèi)也有廠商在應(yīng)用。

3.2 定做鉆桿原材料

制造商更加注重對(duì)鉆桿材料的選用以及制造的工藝。目前大多數(shù)的鉆桿原材料都是根據(jù)鉆桿的使用情況和需要定制的。這種方法能夠更加保證鉆桿的質(zhì)量，保證鉆桿的工作性能。目前鉆桿制造商其鉆桿材料，都是根據(jù)工程地質(zhì)特點(diǎn)選用強(qiáng)度相配匹的材料，制造工藝尤其焊接工藝也與材料相配匹。

3.3 鉆進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)新結(jié)構(gòu)

在大直徑孔進(jìn)行施工時(shí)，對(duì)鉆機(jī)的要求也比較高，需要其鉆進(jìn)力相對(duì)較大。一些新型鉆機(jī)對(duì)于鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了新的結(jié)構(gòu)。1）利用油缸拉進(jìn)作為鉆進(jìn)動(dòng)力。利用油缸拉進(jìn)作為鉆進(jìn)動(dòng)力經(jīng)常運(yùn)用在短螺旋、鉆頭等配用伸縮式主動(dòng)鉆桿的樁機(jī)中?，F(xiàn)大型鉆機(jī)中采用油缸同步拉進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)鉆進(jìn)取得明顯的效果。2）鋼繩拉壓鉆桿作為鉆進(jìn)動(dòng)力。用鋼繩拉壓鉆桿作為鉆進(jìn)動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠。一些比較輕型的鉆機(jī)都主要采用鋼繩拉壓鉆桿作為鉆進(jìn)動(dòng)力。現(xiàn)旋挖鉆機(jī)大部分均采用無極繩拉壓鉆桿作為鉆進(jìn)動(dòng)力。3）采用齒條傳動(dòng)作為鉆進(jìn)動(dòng)力。在樁架或鉆機(jī)桅桿安裝齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，作為鉆桿鉆進(jìn)動(dòng)力。對(duì)樁架設(shè)計(jì)、制造要求較高。結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備整體簡(jiǎn)潔，鉆進(jìn)傳動(dòng)可靠。但是制造成本高。

3.4 樁架采用分段結(jié)構(gòu)

樁架或桅桿采用分段式的結(jié)構(gòu)可以滿足目前樁孔施工工藝的一些特殊要求。但是，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于桅架的高度有著要求。國外的桅桿設(shè)計(jì)一般都要充分的考慮運(yùn)輸狀態(tài)樁機(jī)的不解體，國內(nèi)和國外有很大的區(qū)別，國內(nèi)一般都是將桅桿等一系列進(jìn)行拆下來，然后進(jìn)行運(yùn)輸。使用時(shí)重新對(duì)其進(jìn)行拼裝。

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)及其整機(jī)采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前，樁工鉆機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)。根據(jù)外載荷的大小自動(dòng)的控制其功率和運(yùn)轉(zhuǎn)速度。減少鉆機(jī)的燃料消耗，減少噪音。采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)的整機(jī)帶有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)等功能。對(duì)設(shè)備維護(hù)、檢修，保證設(shè)備及操作安全有著重要作用。

3.6 雙動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)

在新型樁工鉆機(jī)中，都是采用的雙動(dòng)力頭系統(tǒng)。雙動(dòng)力頭系統(tǒng)能夠分開驅(qū)動(dòng)外套管和內(nèi)鉆桿，有效地實(shí)現(xiàn)二根鉆管的同時(shí)鉆進(jìn)。雙動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)對(duì)于一些特殊的地層鉆進(jìn)效果非常有效。例如卵礫石、軟弱土夾層等。雙動(dòng)力頭需要的動(dòng)力比較大，對(duì)于液壓馬達(dá)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用等條件等要求都比較高。目前我國樁工鉆機(jī)還沒有應(yīng)用雙動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)。

3.7 鉆桿驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力采用星形布置

鉆桿驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力在中小功率鉆機(jī)中驅(qū)動(dòng)均為單動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，隨著大直徑、超深樁的增多，單驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力顯然已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)的需要，現(xiàn)大多采用多動(dòng)力，星形布置的形式。國內(nèi)的大型旋挖鉆機(jī)、大口徑的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)均采用多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的星形布置形式的鉆桿動(dòng)力傳動(dòng)裝置。

4 灌注樁成孔機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)和相關(guān)對(duì)策建議

4.1 發(fā)展趨勢(shì)

1）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作和半自動(dòng)化操作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，灌注樁成孔機(jī)械將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作或者半自動(dòng)化。因而控制系統(tǒng)和技術(shù)創(chuàng)新是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國成孔鉆機(jī)的發(fā)展隨著城市化進(jìn)程的加快，今后將會(huì)有很大的發(fā)展空間，未來10年會(huì)在自動(dòng)控制、智慧操控上有新的突破。

2）利用電子和信息技術(shù)完善系統(tǒng)。灌注樁成孔機(jī)械會(huì)結(jié)合電子和信息技術(shù)來完善相關(guān)系統(tǒng)。首先，對(duì)于灌注樁成孔機(jī)械施工信息的管理，記錄設(shè)備施工過程、施工結(jié)果等基本信息，其次，是相關(guān)的故障診斷系統(tǒng)，并具有遠(yuǎn)程傳輸功能。故障診斷系統(tǒng)的完善也是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)，因?yàn)殡S著建筑行業(yè)的不但斷發(fā)展，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。要想加大競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)必須提高其經(jīng)濟(jì)效益。為了減少樁工機(jī)械故障，加大成本的投入，機(jī)械故障診斷系統(tǒng)的完善是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3）朝著環(huán)保節(jié)能方向發(fā)展。灌注樁成孔機(jī)械向著環(huán)保節(jié)能的方向發(fā)展也是必然的趨勢(shì)。首先是材料的選取上，今后將大多使用吸聲材料，減少噪聲污染。通過對(duì)電噴裝置進(jìn)行不斷的改善，進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)造成的尾氣排放量。同時(shí)，研制沒有污染又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的動(dòng)力裝置也是今后樁工機(jī)械的主要工作之一。

4）機(jī)、電、液一體化發(fā)展。為了能夠更符合今后施工要求，提高工作效率，灌注樁成孔機(jī)械將實(shí)現(xiàn)機(jī)、電、液一體化發(fā)展是今后的主要發(fā)展趨勢(shì)。要想實(shí)現(xiàn)機(jī)、電、液一體化發(fā)展應(yīng)該進(jìn)要注重提高液壓原件、傳感元件以及控制元件的可靠和靈敏性。

4.2 國產(chǎn)旋挖鉆機(jī)應(yīng)該注意的幾點(diǎn)

1）開發(fā)不同檔次的旋挖鉆機(jī)。旋挖鉆機(jī)今后的發(fā)展，首先應(yīng)該從我國施工的實(shí)際情況和相關(guān)要求作為出發(fā)點(diǎn)，研發(fā)出不同檔次的旋挖鉆機(jī)，特別是要注重對(duì)于中小型旋挖鉆機(jī)的研發(fā)。由于我國市場(chǎng)同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)激烈，因此，降低設(shè)計(jì)、制造成本，提高設(shè)備安全可靠性、地層施工的適應(yīng)性是關(guān)鍵。2）結(jié)合灌注樁施工工法進(jìn)行研究。應(yīng)滿足施工的需求，要學(xué)會(huì)結(jié)合工法研發(fā)出各種新型的產(chǎn)品。要借鑒消化國外旋挖鉆機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，忌盲目引進(jìn)和抄襲國外技術(shù)。根據(jù)我國施工工藝習(xí)慣特點(diǎn)、操作人員技術(shù)能力等要求和現(xiàn)狀，積極技術(shù)創(chuàng)新，這樣才能更好的適應(yīng)時(shí)代的變化的施工要求。

5 對(duì)灌注樁成孔機(jī)械適應(yīng)發(fā)展的幾點(diǎn)思考

5.1 加強(qiáng)創(chuàng)新

創(chuàng)新是發(fā)展的動(dòng)力，因此，為了促進(jìn)我國灌注樁成孔機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，相關(guān)生產(chǎn)商一定要注重對(duì)于鉆機(jī)的研究，提升傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能，維護(hù)灌注樁成孔機(jī)械的穩(wěn)定發(fā)展。

5.2 提高核心競(jìng)爭(zhēng)力

我國的樁工機(jī)械發(fā)展十分的迅猛，但是，整體來說產(chǎn)品和世界先進(jìn)水平還存在較大的差距。要想打造穩(wěn)定的市場(chǎng)樹立品牌，企業(yè)就一定要重視產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量，這是提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的基本要求。

5.3 實(shí)現(xiàn)共贏

企業(yè)的相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略要立足于我國的國情，并且要以相關(guān)利益者實(shí)現(xiàn)共贏作為主要發(fā)展目標(biāo)。相關(guān)企業(yè)要對(duì)于樁工機(jī)械進(jìn)行不斷的創(chuàng)新，這樣每個(gè)企業(yè)才會(huì)有屬于自己的特色，從而在競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天持續(xù)穩(wěn)定的

發(fā)展。

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