用户名:  密码:   刊号:ISSN1001-554X/CN11-1956/TU  
 
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双动力头潜孔锤凿岩钻孔机
政策法规 作者:建筑机械杂志社 来源:建筑机械杂志社 加入时间:2015/6/25 11:10:09 点击:2663 
 

    近年来,我国基础设施建设、城镇化建设发展迅速,高层建筑、铁路、公路、桥梁等建设工程基本都采用钻孔灌注桩。为了提高桩的承载力和抵抗自然灾害的能力,延长建筑物的寿命,嵌岩(入岩)桩和防治地质灾害的抗滑桩的施工量越来越多。这些桩孔往往都在卵、砾石层施工,甚至会遇上大漂石,无论旋挖钻机还是长螺旋钻机等工程钻机,都难以应对复杂地层特别是岩层,而潜孔锤凿岩钻孔机特别适用于入岩桩基础和抗滑桩施工。

1  国内外潜孔锤凿岩钻孔机发展现状
    潜孔锤有液动和气动之分,液动潜孔锤即回转冲击式液压凿岩钻机、锚杆钻机或钻探机,其钻孔直径较小(一般在200mm以下),不能用于桩孔施工。20世纪50??60年代美国开始生产应用气动潜孔锤,用于直径较小的爆破孔、水井、工程和岩石灌浆孔、锚固孔及地质钻探采样取芯等施工。由于其钻进效率高、钻头寿命长、钻孔质量好,发达国家纷纷进行研制,发展越来越多样化和系列化,应用领域越来越广泛,如非开挖潜孔定向钻进和地下管线铺设钻进等。近年来日本、韩国等研制了大直径(≥400mm)双动力头潜孔锤凿岩钻孔机,用于入岩桩基础和抗滑桩施工。
    我国目前所用的入岩设备十分落后,基本上都是冲击钻(见图1),钻进能力差、效率低、易塌孔、泥浆污染严重。在日本、韩国、美国、德国等广泛应用的双动力头潜孔锤凿岩钻孔机(进口双动力头潜孔锤凿岩钻孔机及大直径潜孔锤联合施工,见图2),可在各种软硬松散地层、碎石层、卵石层及岩层等复杂地质条件下快速钻孔,形成大承载力嵌岩(入岩)桩和防治地质灾害的抗滑桩,其适应性强、施工效率高(是普通冲击回转钻进的3??10倍),成孔质量好、无泥浆污染,是目前先进的入岩和松散地层桩孔钻进施工设备,已形成系列化。国外双动力头潜孔锤凿岩钻孔机主要性能参数见表1-3。国内地质勘探等部门经多年研究,已成功开发了小直径(φ200mm以内)气动潜孔锤,并已成功应用于施工当中。但桩基础施工需要的直径400mm以上的设备国内目前还是空白,依赖进口。我国一些基础施工单位已从国外引进上述设备用于山东、浙江、福建、广东等地的入岩桩基工程施工,使用效果非常好,大幅度提高了施工效率。但由于此类进口设备价格昂贵,极大地制约了该设备的推广。

2  双动力头潜孔锤凿岩钻孔机的组成及潜孔锤工作原理 
   双动力头潜孔锤凿岩钻孔机主要有桩架、上动力头、下动力头、气动潜孔锤、螺旋钻杆、外套管、注气缓冲回转接头等组成。
   (1) 桩架。
    国外桩架均为全液压履带式,性能先进,但价格较高;我国目前使用的桩架主要有履带式和步履式两种,液压步履式桩架是中国特色的施工设备,与全液压履带式桩架相比,虽然移动不便,但造价低,施工时稳定性好,更适合中国国情。由于双动力头钻机很重,而施工场地大多不经硬化处理,从施工经验看,小型双动力头钻机(钻孔直径600mm以下)可配套履带式桩架施工,大型双动力头钻机必须配套大型步履式桩架施工。
    (2) 上动力头。
    上动力头(见图3)与通用长螺旋钻孔机动力头类似,一般由1台或2台电机驱动。根据钻孔机的工作特点(工作时间长、重载、冲击大,卡钻停机再启动等),普通电机不能满足要求,必须采用钻孔机专用恒功率双速电动机,其特点是起动转矩大(起动转矩/额定转矩在3.0以上)、绝缘等级高(F级、工作温度可达155℃)、过载能力强(最大转矩/额定转矩在3.0以上);电机内设有温度传感器,达到设定温度可报警显示,防止电机过载烧毁;另外电机可以高低速任意切换,不同转速时功率相同,便于根据地层、钻深情况调整钻杆钻速,以提高工作效率。电机通过行星减速机驱动小齿轮,再由小齿轮带动大齿轮,使中心主轴及下部连接的螺旋钻杆和大直径潜孔锤回转。主轴为空心轴,上部设有回转接头,通过回转接头将高压空气、水泥浆、混凝土注入孔中。
    (3) 下动力头。
    下动力头(见图4)一般由双电机驱动,电机通过行星减速机驱动小齿轮,再由小齿轮带动大齿轮,使大直径中空套筒回转,进而驱动外套管作与螺旋钻杆反向的回转切削钻进,外套管形成护孔壁,防止孔壁坍塌,并与长螺旋钻杆形成螺旋排渣通道。由于上动力头带动的螺旋钻杆和气动潜孔锤需要从下动力头中穿过,所以下动力头中空直径较大,根据型号不同,中空直径为600~1200mm。下动力头用于驱动套管,需具有低转速大转矩功能。
   (4) 大直径气动潜孔锤及其工作原理。
    大直径气动潜孔锤(见图5)是双动力头潜孔锤凿岩钻孔机的核心部件,由外筒、内缸、配气座、活塞、衬套、锤头等零部件组成。其中活塞、衬套及锤头围成的区域构成前气室,活塞、内缸及配气座围成的区域构成后气室。
    大直径潜孔锤在每个冲击作用周期内需要经历一次回程及一次冲程,其中回程和冲程各包括5个阶段,单个周期共有10个阶段。
    回程运动5个阶段工作原理如下(见图6):
    第一阶段: 运动周期刚开始阶段,如图6a所示。气体进入潜孔锤内部,经过内缸与外筒之间的轴向通道进入前气室,前气室充气、活塞从下死点开始向上加速,后气室排气,回程第一阶段即前气室进气、后气室排气。
    第二阶段: 如图6b所示,当活塞上端越过配气座下端后,后气室的排气通道被封堵,这时前气室仍然进气,活塞继续向上加速,后气室处于压缩状态。回程第二阶段即前气室进气、后气室压缩;
    第三阶段: 如图6c所示,当活塞运动至前气室进气通道被封堵后,前气室处于封闭状态,此时前气室压力仍大于后气室压力,活塞继续向上加速。回程第三阶段即前气室膨胀、后气室压缩;
第四阶段: 如图6d所示,当活塞运动至后气室进气通道接通后,后气室开始进气,使后气室压力超过前气室压力,活塞由向上加速变为减速,但速度并未减为零。回程第四阶段即后气室进气、前气室膨胀;
    第五阶段: 如图6e所示,当活塞越过前气室排气通道时,前气室开始排气,压力迅速下降,这时活塞作减速运动,直到速度减为零,通过结构设计,活塞在撞上配气座之前速度减为零。回程第五阶段即前气室排气、后气室进气。
    冲程运动也分为5个阶段,在活塞速度降为零后,活塞开始向下做冲程运动,与回程运动的5个阶段相同,但经历顺序相反。
    活塞上下往复运动冲击锤头,锤头将冲击能量传递到岩石,实现破岩,锤头底面按照一定规则镶嵌一定数量的硬质合金颗粒,可大幅提高破岩的效果,延长锤头的使用寿命。潜孔锤第一、五、六和十阶段前后气室排出的高速空气流将破碎的岩石碎屑吹起,沿螺旋钻杆叶片和外套管形成的螺旋空间区域向上运动,在下动力头的排渣口位置排出孔外。上动力头驱动螺旋钻杆与大直径潜孔锤在一定转速下旋转,使得潜孔锤锤头上每个硬质合金颗粒每次冲击岩石的不同位置,使桩孔得到全断面破碎。反复的冲击运动、旋转运动和气体排渣过程,使潜孔锤能够连续高效破碎岩石。

3  双动力头潜孔锤凿岩钻孔机的主要特点
   (1) 钻进效率高,比液动冲击回转钻进效率高了3??10倍。效率提高的原因是单次冲击功大、排渣风速高、孔底干净、无二次破碎;由于没有液柱压力,在无地下水的情况下,改善了孔底破岩的条件。
   (2) 在地层漂石、块石、卵石等巨粒土地层能有效克服石块塌落卡钻、垂直度偏斜的难题,施工速度快,费用低,噪声低、污染少,保护环境。
   (3) 在复杂地质条件下,大直径嵌岩灌注桩潜孔锤同步跟管成孔施工工艺能有效控制成孔质量;对松散回填土、砂层等地层,外套管同步跟进,能更有效地控制桩身塌孔现象的发生,有效降低混凝土的浪费。更多精彩内容详见PDF文件37.pdf

2018年7月19日
 
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