全回转钻机在国内的发展与应用

1、全回转钻机在国内的发展与应用陈建海 刘可可（徐州盾安重工机械制造有限公司 徐州 221000）摘要：全回转全套管钻机钻机是一种可以驱动套管做360度回转的全套管施工设备，是日本在20世纪80年代中期在摇动式搓管机的基础上开发的新型贝诺特施工设备。徐州盾安重工于2011年研发成功我国第一台具有完全自主知识产权的具有国际先进水平的全回转钻全套管机，并形成了全系列产品。一、国际上全回转全套管钻机的发展全套管钻机又称贝诺特（Benoto）钻机，它最初是由法国贝诺特公司于上世纪5年代开发研制成功的，随后日本、德国、英国、意大利等国家先后引进和研制，机型和施工方法均有很大发展。贝诺特施工法为全套管施工法即

2、冲抓斗跟管钻进法，工作装置由冲抓斗和全套管装置两部分组成。最初的全套管装置为摇动式，即利用两只摇动液压缸的伸缩使套管绕其中心以一定的角度往复转动，从而使套管最下端的切削齿剪切土壤，降低套管压人阻力；靠另外两只液压缸将套管压人或从土中拔出。随着桩基础施工的发展，桩的直径越来越大，施工效率和精度要求越来越高，摇动式套管装置因扭矩小、效率低，已不能完全满足施工的要求。全回转全套管钻机是一种可以驱动套管做360度回转的全套管施工设备，是日本在20世纪80年代中期在摇动式搓管机的基础上开发的新型贝诺特施工设备，目前国际上研制开发出全回转全套管钻机的主要厂家有日本车辆制造株式会社、三和机工株式会社、德国L

3、effer公司等。该设备的应用领域主要涉及城市地下障碍物（包括旧的混凝土预制桩、灌注桩、钢管桩、钢板桩等）的拔除和置换，城市和沿海地区软基或硬岩地区钻进成孔、复杂破碎的填石填海地层、沿海滩涂和地下水丰富的砂层、卵砾石地层的全套管成孔灌注桩施工。该工法技术灵活多样、机械化程度高，具有施工安全、可靠，成孔垂精度高、无泥浆污染等特点。在日本已经形成10003200mm的系列产品。全回转全套管钻机的研制成功对贝诺特工法的推广起到了十分积极的作用，由于该工法可以在各种复杂的底层中进行施工，不仅可以施工桩孔。而且还可以施工柱列式桩排挡土墙，并能处理其它工法因施工质量问题留下的桩基事故及清理旧桩，因此，全回

4、转全套管施工工法有称为“万能施工工法”。二、我国全回转全套管钻机的发展我国于20世纪70年代开始少量引进摇动式全套管钻机（搓管机），20世纪90年代开始引进全回转钻机用于桥梁和铁路建设。2004年上海隧道股份引进两台日本车辆RT260H全回转钻机用于地铁4号线坍塌事故的工程修复，取得良好效果，是国内进行大型地下工程事故抢险的成功范例。目前国内2000年以后以新机状态从日本进口的各型号全回转钻机共6台，国内以二手机形式进口过来的机器，能够使用的大约有20台，基本全是日本制造，生产日期最早可以追溯到上世纪80年代末期，属于典型的“文物级”设备，设备状态差，使用效率低，无奈当时中国不能生产。1994

5、年，昆明捷程桩工有限责任公司研制成功我国第一台摇动式全套管钻机（搓管机），填补了国内摇动式全套管钻机的空白，并开发出摇动式全套管钻机系列产品。目前国内生产摇动式全套管钻机的厂家超过了5家以上，产品规格已覆盖1.2m-2.0m桩径，在软土层、杂填土等地层的施工中显露出优势，并在做软咬合桩上取得了国际领先的技术优势。但是搓管机由于结构特点，其在大直径深基础桩、清除地下障碍等领域无法满足施工要求。于是全回转钻全套管机开始引入国内。全回转全套管钻机由于其结构庞大，控制系统复杂，国内主机厂商一直未有涉足研发制造，一直依赖进口设备。2011年，徐州盾安重工机械制造有限公司开始对全回转钻机进行深入研究并开始

6、研发制造，2012年1月，第一台国产全回转全套管钻机DTR1505在盾安重工下线并成功推广应用，截止2015年底，经过4年多的自主研发和创新，盾安重工已经形成DTR1305L、DTR1505、DTR2005H、DTR2605H、DTR3205H全系列全回转全套管钻机的生产能力，成为国内规模最大、型号最全的研发制造基地，累计制造销售30多台并产品成功出口东南亚，参与国际市场竞争。盾安重工全回转全套管钻机具有完全自主知识产权，共申请国家专利70多项，取得国家专利授权合计46项，其中国家发明专利授权5项，实用新型专利39项，外观设计专利2项，形成了有效的知识产权保护体系。目前国内涉足全回转钻机生产的

7、厂家也由盾安重工一家发展到多家，这些厂家跟随盾安重工步伐，通过同国外企业合作或者自主研发，均已完成了一台样机的试制，随着技术水平的不断提高，国产全回转钻机取代进口设备指日可待。三、全回转钻机工法的优势及应用领域全回转全套管钻机是集全液压动力与传动、机电液联合控制于一体的新型、高效、环保桩工机械，具有极高的垂直精度，能够在卵、漂石地层、含溶洞地层、厚流沙地层、高回填地层、强缩颈地层、沼泽地等各种复杂地质环境下顺利实现灌注桩、置换桩、地下连续墙等的施工以及清除旧桩等地下障碍物，拥有其它各种钻机无法比拟的优势。近年来在城市地铁、深基坑围护咬合桩、废桩（地下障碍）的清理、高铁、道桥、城建桩的施工、水库

8、水坝的加固等项目得到了广泛的应用。1、全回转钻机施工工法的优势1）无噪音、无振动、安全性高；2）不使用泥浆，作业面干净，环保性好，并避免了泥浆进入砼中的可能性，成桩质量高，有利于提高砼对钢筋的握裹力；3）施工钻进时可以很直观的判别地层及岩石特性；4）钻进速度快，对于一般土层，可达14m/小时左右；5）钻进深度大，根据土层情况，最深可达120m左右；6）成孔垂直度便于掌握，垂直度可以精确到1/500；7）不会产生塌孔现象，成孔质量高；8）成孔直径标准，充盈系数小，与其他成孔方法相比，可节约大量的砼用量；9）清孔彻度，速度快，孔底钻渣可清至30mm左右。2、全回转钻机施工常用工法全套管全回转钻机常

9、用工法示意图1）咬合桩、连续墙施工工法（ 应用领域：地铁站台、地下建筑结构围护、水库加固挡水墙等）主要针对于地下围护结构的施工方法，施工顺序为先施工B桩两侧的两根桩体A桩，然后利用全回转钻机的切割能力切割掉相邻A桩相交部分的混凝土，浇筑混凝土后形成咬合桩。2）漂石、孤石地层，喀斯特地层灌注桩施工工法（应用领域：高回填层、强缩颈地层，溶洞发育区域等）主要针对沿高回填层、岩层、溶洞进行施工，由于钻机具有强大的扭矩、压入力，可有效对岩层进行切削，且套管本身具有护壁作用，无需回填块石或另下保护护筒，即可在岩溶区域完成成桩作业，目前已完成深度120米的桩基施工。全回转设备作业组示意图3）无损拔桩、地下障

10、碍物清除施工工法（应用领域：城市建设，桥梁改建等地下障碍物清理）主要针对于旧桩及障碍物进行施工，利用全套管全回转钻机强大的下压力和回转扭矩，驱动钢套管转动，将旧桩周围的土体及障碍物切削分离，用吊车及冲抓斗将分离后的旧桩体拔除。该工法最大的特点是可将套管钻入有岩层或高强障碍物的土层，利用套管的护壁作用，在套管内进行清障。5）高精度无偏差钢立柱插入施工工法（应用领域：深层开挖、软弱地层开挖、靠近建筑物施工）主要用于逆作法施工，在盖挖逆作法施工中全套管全回转钻机成孔与植入钢立柱一体化作业，通过全套管全回转钻机自身的两套液压夹紧装置和垂直控制系统，将钢立柱垂直插入到初凝前的混凝土中。四、DTR系列全回

11、转全套管钻机结构自我国第一台DTR系列全套管全回转钻机在徐州盾安重工机械制造有限公司正式下线并交付客户使用以来，经过多年不断的努力，盾安重工成为我国最大的、产品系列最全的全套管全回转钻机研发制造基地。作为国内第一家，也是国内最大的全套管全回转钻机研发制造基地，徐州盾安重工把自主研发作为公司的核心竞争力，投入了大量的人力、物力、财力，紧跟全球设备制造和施工技术前沿，通过和国内著名高校、科研院所进行长期、深入的技术合作，研发、制造出具有完全自主知识产权的全套管全回转钻机，突破发达了国家的技术封锁，创造出多个国内和国际第一。DTR系列全回转全套管钻机1、工作装置DTR系列全回转钻机钻机工作装置结构示

12、意图1）楔形夹紧装置（发明专利号ZL201120273730.0）： 与传统夹紧机构相比，无论在什么位置都能夹紧套管，并使用套管保持高的垂直精度；而且套管的拉拔阻力越大，夹紧力也就越大。2）马达减速机 根据不同型号配置不同数量的马达减速机可以提供足够的扭矩，传递给套管强大的回转力，可适应复杂的地层及切削障碍物。3）垂直装置 液压垂直装置，保证施工中钻孔的垂直度，随时纠正施工中套管角度。4）口径变更装置 方便的口径变更使得设备适用于多种口径的变更要求。5）辅助夹紧装置 能更好的保证套管的垂直度，同时在大深度挖掘时弥补配套起重机起吊能力不足的问题。6）、套管防回弹装置 全回转钻机在进行大扭矩高深度

13、施工时，由于地质情况的不可预见性，随着深度的增加，套管所受的阻力随之加大，套管会由于阻力过大导致钢管弹性变形，此时如果停止回转，钢管会在短时间发生回弹，液压马达会被扭曲的钢管带动瞬间高速回转，极易导致马达报废。采用专用液压阀使钢管弹性力缓慢释放，有效保护液压马达。7）工作行走装置（选配） 履带式行走装置，液压横向伸缩功能，可使设备在场地上方便自行移动及桩心定位。2、液压动力站DTR系列全回转钻机液压动力站结构示意图1）发动机 发动机巨大的功率能够给设备提供巨大的扭矩，使得机器获得强大的扭矩去工作，能够适应任何复杂困难的地层。2）方便的操控系统 微电脑的操控平台，可根据工况调节转速、扭矩、压入力

14、，使机器处于最佳工作状态，极大提高了工作效率。3）刀头载荷自动控制系统（专利申请号CN201210482705.2） 在切削硬岩时，通过电脑的自动控制，能够很好的保护刀头及有效地提高切削效率。可以使套管的压入力保持一定的数值，不随套管质量的增加而变化，通过维持适宜的压入力，防止刀头因超负荷而损坏；马达泄油的油路中带有超压自卸装置，使油路中的压力维持在设定压力之下，保护马达等硬件不受损伤。4）负载保护装置（专利号ZL 2012 2 0627579.0） 盾安DTR全回转全套管钻机采用了自主研发设计的安全可靠的负载保护装置，通过液压系统压入管路上压力传感器实时反馈的负载大小，精确控制套管刀头的载荷

15、，防止过载情况的发生。5）瞬间增强系统 在碰到障碍物时，可瞬间加大起拔力和扭矩，使得障碍物得到排除。3、主要技术参数型号DTR1305LDTR1505DTR2005HDTR2605HDTR3205H钻孔直径（mm）Ø600 Ø1300Ø800 Ø1500Ø1000Ø2000Ø1200 Ø2600Ø2000 Ø3200回转扭（kN·m）1770/1050/5901500/975/600瞬时18002965/1752/990瞬时33915292/3127/1766瞬时61749080/53

16、68/3034瞬时10593回转速度（rpm）1.5/2.6/4.51.6/2.46/4.01.0/1.7/2.90.6/1.0/1.80.6/1.0/1.8套管下压（KN）最大360KN+自重190最大360KN+ 自重210KN最大600KN+ 自重260KN最大830KN+自重350KN最大1100KN+ 自重600KN套管起拔（kN）26902444瞬间26903760瞬间43003800瞬间43407237瞬间8370压拔行程（mm）500750750750750工作装置自重（t）2532465696发动机型号Y2-280M-4五十铃AA-6HK1XQPCummins QSM11-3

17、35Cummins QSX15-500Cummins QSM11-335×2发动机功率（kw/rpm）2×90/1480电动机183.9/2000272/1800367/21002×272/1800发动机燃油消耗率（g/kwh）226.6（最大功率时）216（最大功率时）213（最大功率时）216×2（最大功率时）4、DTR系列全回转全套管钻机主要辅助机具1）冲抓斗冲抓头是主要的套管内部冲挖装置，依靠吊机的大小吊钩配合来完成冲挖作业。作业时冲抓斗沿套管内壁自由落下，下落速度快、冲击力强，硬质地层可直接冲挖，且作业效率高；斗刃成圆弧形，且斗体重，可实现水下

18、冲挖；内置滑轮组，抓紧力随起吊力的增加而成倍增加。2）重锤、十字锤在岩层或有混凝土桩体冲抓斗不能冲挖时，用重锤或十字锤反复冲击，破碎后用冲抓斗挖掘，这是经常用到的冲抓斗和重锤配合作业的工法。3）多头抓爪（专利号ZL 2011 1 0234970.4）是一种套管内部挖掘装置，在清除钢筋混凝土及钢桩及破碎块石等地下障碍物时发挥巨大威力，它能有效地传递套管的扭矩、压入力。根据需要多头爪可以选配旋挖钻斗。多头爪在低噪音、低振动的状态下工作，能够选择悬吊钢丝绳的数量，因此可用小型起重机配合作业。4）基板、过渡架、反力叉和反力架基板可以保证工作装置在工作状态下的水平稳定性，提高对中性。过渡架安装到工作装置底座上，用螺栓锁紧；装配反力叉、反力架，用销轴连接固定后，再将配重放置在反力架上面，添加配重克服钻进产生反力，固定反力架克服钻进产生的扭转反力，保证施工过程机体的稳定性。四、结论1、全回转全套管钻机，属装备制造业中的大型桩基础施工装备，对于重大路桥建设项目的基础施工具有关键支撑作用，特别是国家“十一五”期间，高速铁路网和高速公路网建设等重大基础建设项目更是需要大规模地采用全回转全套管钻机，从而使钻孔直径和钻孔深度以及嵌岩能力更适应铁路立交桥及公路立交桥的桩基础施工。2、全回转全套管