1、北京南车时代重工 TR 系列旋挖钻机1第一章 概述随着全球经济的高速发展，基本建设范围的持续拓宽，以人为本和保护环境的理念及至相关法津法规实施的不断强化，使 桩基础特别是现场混凝土灌注桩基础得到了广泛的应用空间。旋挖 钻机因其效率高、污 染少、功能多的特点，适应上述综合发展的需求，在国内外的现浇混凝上灌注桩施工中已占据主力机型的位置。旋挖钻机的英文名称为 Rotary Drilling Rig ，一般适用于粘土，粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层。 对于具有大扭矩动力头和自动内锁式伸缩钻杆的钻机，可以适应微风化岩层 的施工。为了满足施工要求，旋挖钻机底盘和工作装置的配置
2、具大钻孔直径为 3m ，最大钻孔深度达 120m ，最大 钻孔扭矩 620 kN.m 。有装机功率大、输出扭矩大、机动灵活、多功能、施工效率高等特点。目前，旋挖钻机的最一、旋挖钻机在基础工程机械中的地位（一）旋挖钻机的适用性基础工程机械按其成桩形式可分为预制桩施工机械和灌注桩施工机械两大类：灌注桩施工机械可分为取土成孔灌注桩施上机械和挤土成孔灌注桩施工机械。取土成孔灌注桩施工机械又有旋转掘削和冲击掘削两大类。目前所说的旋挖钻机主要是指能附带摇动套管驱动机构、配备回转斗和短螺旋及扩孔机具、全液压驱动、具有大扭矩输出的履带式钻孔机。在国外，这种钻机其实是在 1947 年美国首先开发的回转斗钻孔机的
3、基础上，为了适应欧洲的地质将法国的配有冲抓斗的摇管驱动机构加以合成而发展起来的。旋转掘削的施工机具除了回转斗、短螺旋之外， 还有长螺旋、正反循环钻具等。从该设备的施工能力来看，旋挖钻机也可以经过局部改动后，在预制桩施工中使用（特北京南车时代重工 TR 系列旋挖钻机2别是立柱附有支腿时）。因此将其改加各种基础工程施工机具，扩大使用范围，又可称之 为多功能钻孔机。（二）旋挖钻机是用于灌注桩施工的一种主要基础工程机械从前述可知，旋挖钻机是一种取土成孔灌注桩施工机械。灌注桩是随着近年来建筑材料和施工技术的不断完善而发展起来的。在 桩基础及其施工中，一般来说， 还是预制桩的承载保障能力强、基础稳定性好。
4、如果在旋挖 钻机上配置超高频液压振动器或液压桩锤等，在 满足施工限制要求的同时，将会 扩大旋挖钻机的使用范围。（三）旋挖钻机是间断式作业的成孔灌注桩施工机械旋挖钻机是靠钻杆带动回转斗旋转切削，然后提升至孔外卸土的周期性循环作业的取土成孔灌注桩施工机械。二、旋挖钻机的迅猛发展旋挖钻机在二战以前首先在美国卡尔维尔特公司问世，二战之后在欧洲得到发展。1948 年意大利迈特公司率先研制，接着意大利、德国开始 发展，到了二十世 纪 7080 年代在日本得到快速发展。当时日本称之 为回转斗成桩，也叫阿司特利工法（ Earih Drill ) ，在德国、日本这类工法相当普遍。旋挖 钻机因其效率高、 污染少、
5、功能多，在国内外的灌注桩施工中得到广泛应用。尤其是在欧洲和日本等发达国家已经成为大直径钻孔灌注桩施工的主力机型。我国在二十世纪 80 年代初从日本引进过工作装置，配装在 KH125 型履带起重机上。1984 年，天津探矿机械厂引 进美国 RDI 公司的旋挖钻机并进行消化吸收。1987 年在北京展览馆首次展出了意大利土力公司（SOILMEC）产 品，1988 年北京城建机械厂根据土力公司的样机开发了 1.5m 直径的履 带起重机附着式旋挖 钻机。1994 年郑州勘察机械厂引进英国BSP 公司附着式旋挖钻孔机的生产技术，但都没有形成批量生产。1992 年宝峨公司在中国北北京南车时代重工 TR 系列
6、旋挖钻机3京设立了代表处，开始了对华的业务。并于 1995 年在天津成立了独资子公司宝峨天津机械工程有限公司，组装适合中国市场的宝峨 BG20 型旋挖钻机。1998 年在上海又成立了中德合资上海宝峨金泰工程机械股份有限公司，生产组装 BG15 型旋挖钻机。目前国内生产旋挖钻孔机的厂商已有二十余家，主要有北京南车时代重工、三一重工、湖南山河智能、北方重汽、徐工集团、宇通重工等。国外主要生产厂商有意大利意马 （TIM）公司、意大利 CMV 公司、意大利 迈特公司、意大利土力公司、德国宝峨公司、芬兰永腾 （JUNTTAN）、日本日立、日本日车、日本神钢等。三、旋挖成孔的工艺优势（一）广泛的适应性在硬
7、土地层，由于传统钻机的自重有限，不可能给钻头施加更大的进给压力。而旋挖 钻机由于采用动力头装置，动 力头的给进力加上钻杆的重量，钻进能力强。据 统计，在相同的地层中，旋挖钻机的成孔速度是 转盘钻机的 510 倍。（二）良好的环保性目前国内传统钻机多采用连接钻杆形式和掏渣桶掏渣，在钻进过程中多采用泥浆循环方式，泥浆起润滑、孔壁支护、置 换和携带钻渣的作用。随着城市建设对环保要求愈加严格，传统钻机面临更大危机。而旋挖 钻机采用动力头形式，其工作原理是用短螺旋钻头或旋挖斗，利用强大的扭矩直接将土或砂砾等钻渣旋转挖掘，然后快速提出孔外，在不需要泥浆支护的情况下，可实现干法施工。即使在特殊地 层需要泥浆
8、护 壁的情况下，泥 浆也只起孔壁支护作用，钻削中的泥 浆含量相当低， 这使污染源大大减少，改善了施工 环境，同时降低了施工成本。（三）提高灌注桩的承载力由于旋挖钻机的特殊成孔工艺，它仅需要静压泥浆作护壁。所采用的泥浆一般用膨润土、火碱、纤维 素等配置，在孔壁不会形成很厚的泥皮。此外由于钻头的多次上下往复，使孔壁北京南车时代重工 TR 系列旋挖钻机4粗糙度较高、且不易产生缩径。与 传统的钻孔灌注桩相比，旋挖 钻孔灌注桩的承载能力提高。四、旋挖钻机的结构及技术特点（一）旋挖钻机的底盘底盘可分为专用底盘、履带液压挖掘机底盘、履 带起重机底盘、步履式底 盘、汽车底盘等。履带专 用底盘结构布置合理、运
9、输方便、外形美观、但造价较高。履带起重机底盘，工作装置采用附着形式，主臂分为可伸缩箱型结构和珩架结构，可兼作旋挖钻机和履带式起重机，节约设备投资。步履式底盘 ，一般为三支点液压步履式行走支架，稳定性好，但移动运输不够方便、造价低，目前国内少数厂家采用。在 80 年代国外曾采用过汽车底盘，是以重型载重汽车底盘为基础，工作时 放下支腿。目前国外生产 的旋挖钻机绝大多数采用的是专用底盘，只有少数采用挖掘机底盘或起重机底盘，这些底盘在设计上没有兼顾旋挖钻机施工特点，在稳定性方面存在着一定缺陷。（二）钻杆、钻具钻杆是一个关键部件，分为内摩阻式外加压伸缩钻杆和自动内锁互扣式加压伸缩钻杆。内摩阻式钻杆在软土
10、层钻进效率高， 锁扣式钻杆提高了动力头施于钻杆并传到钻具的下压力，适于钻进硬岩层，对操作的要求也 较高。为了提高作 业效率，一台钻机大多配备两套钻杆。钻具 则多种多样，目前有长 螺旋、大直径短螺旋钻头、回转钻斗、捞砂斗、筒形钻斗、扩底钻头、岩心 钻头等。（三）动力头动力头主要有液压传动、电机传动、 发动机传动，无论何种都具备低速钻进、反转高速甩土功能。目前大都采用液压驱动，有双 变量液压马 达、双速减速机 驱动或低速大扭矩液压马达驱动。 动力头的钻进速度一般都具有多档，适合在多种工况下作业。 电机驱动一般采用特制的恒功率双速电机，力矩大、过载能力强。80 年代在履 带起重机上附着工作装置，单设
11、北京南车时代重工 TR 系列旋挖钻机5一台发动机驱动，目前由于液压技术和底盘制造技术的进步，此种方式一般已不采用。（四）电子控制技术90 年代国外旋挖钻机的控制技术逐步实现智能化，目前国外旋挖钻机普遍具备发动机和泵的电子控制系统，能指 导主泵最佳输出，使液压负载与发动机转速相匹配，从而利用发动机的最大功率。发动机 转速可在负荷较小或无负荷时实现自动控制，自动降低发动机转速，减少油耗、降低噪声和废气的排放量。桅杆垂直度自动调平系统能对桅杆进行实时监控，可实现手动和自动切换，在一定范 围内自动调整角度，保证施工中桩孔的垂直度要求，提高施工质量。 还具备回转倒土控制、 钻孔深度测量及显 示、 车身工
12、作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测、报警及信息显 示、整机启 动前预先自 动检测功能。国外旋挖钻机还设有GPS 定位系统和移动电话 数据传输系统。五、旋挖钻机在国内的应用1993 1994 年在上海浦东八百伴大厦基础灌注基础工程中全部采用了旋挖成孔法施工并取得成功，在国内起到了一定的推动作用；在北京五环路的基础施工中，旋挖钻机已占了绝大多数，最多时达到了 30 多台。国家重点工程青藏铁路大规模施工于 2001 年正式启动，而在青藏铁路格拉段的施工段，地 层很多是冰冻 土层、砂 砾、不规则泥页岩还有软硬互层灰岩，有的冻土厚度达到百米以上，中 铁集团采用旋挖钻进施工工艺， 2002 年 3 月
13、开始，大量的旋挖钻机进入青藏铁路线施工，到 8 月中旬统计有 100 多台，其中国产设备 9 台。青藏铁路的大量使用引起了施工和生产制造企业的格外关注，无疑推动了旋挖钻机开发和应用。2003 年山西省机械施工公司申报了静态泥浆护壁、旋挖式钻孔灌注桩施工国家级工法。国土资源部勘探技术研究所抓住了北京等大城市和青藏铁路线大量使用旋挖钻机的机遇，及时地把研制的旋挖钻机推向市场，并在旋挖钻进工艺方面也作了深入的研究。2000 年徐工集团 RD18 型钻机研制成功，最大成孔直径 2m、最大钻深 60m，有 3 台在青藏铁路和多台北京南车时代重工 TR 系列旋挖钻机6在北京的工程中使用。2001 年北京经
14、纬巨力工程机械有限公司研试成功 ZY 120 、ZY 160、ZY200 型旋挖钻机参加青藏 铁路建设的施工 热潮 。2004 年 北京南车时代重工研制成功履带可伸缩的 NSR 220 C（TR220D 的前身）型旋挖 钻机先后在北京、天津、陕西、湖南、湖北、京沪线、哈大线等地接受了施工考验。在陕西西安二 环线工地一次使用旋挖钻机 4 台。由于受北京奥运、上海世博会以及高速客运专线工程的拉动，给旋挖钻机提供了一个巨大的发展空间，近几年我国的旋挖成孔法的大量采用，旋挖 钻机使用量大大增加，特 别是许多厂家的旋挖钻机产品相继研制成功，推 动了旋挖钻机的生产和应用。六、旋挖钻机的市场发展趋势（一）初
15、期阶段：2003 年，国内旋挖钻机的生产企业还只有徐工、巨力等少数几家，并且没有形成规模。市场几乎被以德国宝峨（ Bauer）、意大利土力（Soilmec）等品牌，以及日本的日本车辆、日立、加藤、住友等公司的二手设备占领。由于青藏铁路工程以及以北京为中心的华北地区市场的拉动，旋挖 钻机开始被市场逐渐认可。（二 扩张阶 段：进入 2004 年，尤其是 进入 2005 年，以北京南车时代重工、宇通、福田、中联等集团公司为代表的企业，纷纷进入该市场，使进入企业总数超过 20 家，产品型号超过 30 个。国内企业的进入，使国内品牌和国外品牌的占有率发生了根本性的改变。 2004 年，国内品牌的销量首次
16、超过国外品牌（国内 62 台国外 47 台）。 2005 年国内品牌达到 115 台，而国外品牌下降至不足 10 台。有些国外公司甚至已被迫撤离国内市场。（三）激烈竞争阶段：进入 2006 年以来，受宏观经济形式的影响，旋挖钻机市场呈现出跨越式增长。由于国家高速铁 路建设、奥运工程和世博会工程的影响， 预计这个阶段将持续。北京南车时代重工 TR 系列旋挖钻机7第一节 旋挖钻机的发展历史1980 年以前，各类基础工程中的桩基础施工一般都采用以打击法或振入法为主的预制桩施工机械。1980 年以后， 对工程建设，尤其是城市建设中环境噪声、振 动、油烟污染等的限制日益趋向严格，预制桩 基础工程法所普遍
17、使用的柴油锤、振动锤等机械的使用范围受到了极大地限制，甚至被停止使用。另一方面，建筑工程越来越向大型化及超大型化发展，其抗震、抗陷、抗裂等要求也日益提高，传统的基础施工工法及其装备已不能满足上述的工程需求。现场 灌注桩施工工法在于能克服 预制桩等工法所带来的噪声、振动、油烟 污染等负面影响，并且其单桩承载力比起 预制桩能够做得更大，因而得到了极大的普及应用，与此相 对应的超大口径钻孔施工机械得到了长足的发展。此外， 现代基础工程对施工规模、施工速度和质量的要求也日益苛刻，加上新材料、新技术发展与普及，使集机、电、液及智能化控制为一体的新型基础工程机械具备了市场发展空间和条件。旋挖钻机作为超大口
18、径钻孔灌注桩施工机械中的一种正是在上述背景条件下得到了长足的发展，并已经成为现场 灌注桩施工机械的主力机型。一、国内外钻孔机的发展状况美国早在第一次世界大战前就开发了旋挖钻孔机，当时仅用于钻孔作业，以后逐渐推广应用于基础工程的灌注桩施工。旋挖 钻孔机目前在欧美国家已被广泛应用，并且常采用混凝土泵与之配合。通过导管直接灌注混凝土而成 桩，日本在 1968 年实施噪声管制法后，旋挖 钻孔机得到迅速发展，许多施工方法都以旋挖 钻孔机为主机或辅助设备，同时还开发了用于漂石层和岩土施工用的凿岩旋挖钻孔机。配置短螺旋、回 转斗的旋挖钻机在第二次世界大战前由美国卡尔威尔特公司研制成功。其后，意大利和日本分
19、别引进技术逐渐推广起来。由法国发明了配置冲抓斗的全套管钻孔机，由德国发明了循环钻孔机，在基础工程施工中均发挥了很大作用。北京南车时代重工 TR 系列旋挖钻机81950 年以前欧洲在桩基础施工中以打击法施工为主，其桩型多为木桩和钢桩， 1950 年以后，由于第二次世界大战中遭受破坏地区的经济复兴、以及城市中振动、嗓声和油烟 污染的限制，灌注桩施工开始逐 渐普及。此外，由于欧洲的土 质主要是紧密的砂砾层，除了沿海地区外，一般钻深 2025m 就可到达桩的支持层 ，因此 发展至今，所使用的施工机械以旋挖钻机为主， 对驱动装置稍加改 动后即可安装长螺旋，还可配置摇动式全套管驱动装置，使旋挖钻机做到了多
20、功能，可 进行多种作业。在日本的建筑工程中，因旋挖 钻机具有高效率、低公害、经济性好而成为灌注 桩施工机械的主力机种。在东南亚和香港、台湾、 韩国等地区还较多使用反循环钻孔机。总的来说，世界各国和地区根据本国的经济历史背景、地质情况、工程 规模、施工传统等各种因素，相互引进技术 、消化吸收并加以创新，使各种灌注桩施工机械得到了迅速发展。我国在 1970 年之前因高、大、重建筑及工程较少，大型桩基础应用很少除桥梁工程外，普遍采用预制桩基础。1980 年，随着大型工程的逐步增加，灌注桩发展较快、应用范围逐步扩大，目前已形成钻、挖、冲、沉管等多种施工工 艺，并仿制或研制了相应的国外设备，取得了一些经
21、济效益。但新技术 的推广普及工作较差，达不到预期的效果；新技术及其设备的开发研究不够；施工质量检测技术落后，从而使地基基础工程的整体技术水平相对落后。国内 1972 年开始在建筑桩基中采用长螺旋钻孔进行混凝土灌注桩施工，以后又研制了短螺旋钻孔机、螺旋钻扩 机等。其施工能力范围在孔径 400mm；深度 12m 以内。80 年代后期又从国外引进了部分旋挖钻机、冲抓斗、连续墙 抓斗等机械，但因机具 单一，不能适应国内各种复杂的地质条件等，没能 发挥较大作用。另外，由于 对振动、噪声的限制不严大量的老旧设备还被广为使用，使技 术先进的钻机没有得到应有的重视和发展。 二、施工工法在我国的发展近年来随着我
22、国经济发展状况的不断提高，高、大、重建筑工程越来越多，灌注桩基础北京南车时代重工 TR 系列旋挖钻机9已成为发展方向，灌注桩基础一般来说都采用取土成孔方式施工。大量地采用灌注桩基础则对钻孔施工机械提出了更高的要求。对于不同的地质条件，不同的施工条件，需要采用某种特定的施工方法及其施工机械。为了缩短工程周期，降低工程成本，减 轻劳动强度，提高基础工程的经济效益，必须配备高质高效的施工机械。灌注桩能在多种地质条件下施工成桩，其桩径、 桩型变化范围大。采用大直径灌注 桩或扩底灌注桩作为高层建筑的桩基础，解决了在某些环境下无法进行预制桩施工的问题。满足了单桩大载荷需要，同时大量 节约了投资，技 术经济
23、 效益尤为显著。我国幅员辽阔，地质条件复杂多变。近二十年建筑、 桥梁、港口桩基础工程建筑规模十分巨大，灌注桩已逐步成为 其主体。因此，各 类灌注 桩的成孔成桩技术发展迅速，其主要特点可概括为以下三点：第一、传统施工技术一部分得到改进提高，少部分 趋向淘汰；第二、自主创新成绩斐然，一部分新桩型、新工 艺、新技术研发成功，并在一定范围内得到推广应用；第三、结合国情引进先进工艺及其设备， 对提升我国桩基施工水平效果显著。根据成孔成桩过程及特点可将灌注桩分为以下三大类： l 、非挤土成桩法干作业法长螺旋钻孔桩（d =400800mm,L25m ）机动洛阳铲成孔灌注桩（d =300500mm,L20m
24、）人工挖孔灌注桩（d =8003000mm,L30m ）钻孔压注无砂混凝土灌注桩（d =600800mm,L20m）*长螺旋钻灌合一灌注桩（d =400600mm,L25m ）*泥浆护壁法北京南车时代重工 TR 系列旋挖钻机10正、反循环钻孔灌注桩（d =5003000mm,L110m）*潜水钻成孔灌注桩（d =5001000mm,L50m ）*大锅堆钻成孔灌注桩（d =500800mm,L50m ）*旋挖成孔灌注桩（d =6002000mm,L70m ）*套管护壁法贝诺托灌注桩（d =8003000mm,L50m ）*短螺旋钻孔灌注桩（d =300800mm,L20m ）2、部分挤土成桩法冲
25、击成孔灌注桩（d =6001200mm,L50m ）多支盘挤扩灌注桩（d =6001000mm,L40m ）*水泥土预制芯桩复合桩（d =500600mm,L15m ）*3、挤土成桩法振动沉管灌注桩 （d =300500mm,L24m） 锤击沉管灌注桩（d =300500mm,L24m ）*锤击振动沉管灌注桩（d =300500mm,L20m ）夯压成型灌注桩（d =325400mm,L24m ）*弗兰克桩（d =600,L20m ）*灌注桩后注浆技术 PPG 工法*注：*为我国自主研发技术*为引进技术三、工程实践对灌注桩成孔技术提出新要求灌注桩的成孔成桩原理、工艺、承 载力大小、 质量的可靠性必 须适应建设场地的地层地
