北京卵漂石地层灌注桩机械成孔的适宜性研究
乔华山
摘 要 本文从桩工机械最常用的成孔钻机的现状分析入手，介绍了我国旋挖钻机和回转钻机的发展。对灌注桩成孔机械新技术和新结构进行了分析，并根据目前钻机行业的发展情况对我国钻机今后的发展趋势进行了预测并提出了应对的措施，希望能够有助于我国灌注桩成孔机械今后的发展。
关键词 钻机；新技术；新结构；发展趋势
中图分类号 TU67 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）12-0071-02
在土木建筑中，桩基础是最常用的基础形式。随着我国基础建设和城镇化建设的不断发展，桩基础的施工方法和施工机械也有了巨大的发展。近几十年来，灌注桩得到了飞速发展，灌注桩的成孔机械也随之出现了许多的新技术和新结构。对于这些新技术和新结构进行研究能够有助于我国桩工机械的发展，促进我国桩工机械向国际水平看齐。同时也充分发挥桩工机械在基础工程尤其深大基础工程建设中的巨大作用，推动我国基础机械化施工进入一个新的发展时代。
1 灌注桩成孔机械概述
桩的类型大体可分为两大类：预制桩和就地灌注桩。预制桩一般采用锤击方法将其打入土中。随着高层、超高层建筑越来越多，城市地下空间的开发，预制桩已不能满足深、大直径桩基础的要求。灌注桩已成为桩基础的主要形式。灌注桩成孔机械已为桩工机械最重要的组成部分和最常见的机械。灌注桩成孔机械在桩基础施工中，用来成孔施工等。灌注桩成孔机械主要有两个特点：1）具有较强的专业性，设备制造、施工操作要求相對高；2）施工地区对设备特点针对性强，生产的批量相对小。因为这两个特点，我国灌注桩成孔机械的研究与制造在短短60多年之中，获得了飞速的发展。灌注桩成孔机械行业的发展过程是一个由弱变强的过程。德国宝峨、日本三菱重工等一统天下的局面已经被打破，我国桩工机械行业已迈入世界先进水平行列。桩工机械行业的发展得益于我国施工技术的发展，而桩工机械发展又助推了施工技术的进步与快速成长。
2 我国灌注桩成孔机械的发展
随着我国经济的不断发展，我国工程机械行业也随之得以进步。根据相关的数据统计表示，在2010年我国的桩工机械销售额已经成功的突破80亿元，产品的销售量达到了5 000余台。60%以上为灌注桩成孔机械，旋挖钻机和长螺旋钻机占了半壁江山。虽然我国的桩工机械产值还不能够和国外相比，但是我国在数量上已经赶超国外了。
2.1 旋挖钻机的发展
旋挖钻机是近十多年发展起来的灌注桩成孔专用施工设备。它具有成孔效率高、质量好、对周边环境影响小、机动性、适应性强等特点。国外早在60年代已开始使用，是灌注桩施工成孔的最主要设备。
我国旋挖钻机的生产和应用是从20世纪80年代开始的。1988年北京的城建工程机械厂开发了旋挖钻机，此后对于旋挖钻机的相关生产和探索一直没有停过。20世纪90年代，我国引进了英国履带式旋挖钻机的生产技术，进行研发国产化的旋挖钻机，但是，由于当时生产设备、技术等条件的限制，没有形成批量的生产。我国真正意义上的第一台旋挖钻机的开发也是在1988年，是由徐工集团开发成功的。同样由于受到了生产技术、系统配套能力等限制，也没有形成批量生产。21世纪初，我国当时的旋挖钻机主要是采用进口的方式，因此价格较高，对推广旋挖成孔施工技术起到了阻碍作用。随着青藏铁路的建设，越来越多的生产厂家意识到了旋挖钻机的发展空间，也了解到了其特点。因此，国内许多的生产厂家纷纷的研发旋挖钻机，从而打破了我国旋挖钻机依靠进口的局面。经过10多年不断的创新和研究、发展，我国徐工、三一重工等生产的旋挖钻机性能已经达到了世界先进水平。
2.2 回转成孔钻机的发展
用钻孔法打井在我国已有久远的历史。但回转成孔过程中塌孔等是一施工难题。20世纪50年代，德国人通过研究，只要在回转成孔过程中，始终能保持孔内0.02MPa的水头压差，就可以解决塌孔问题。此后钻孔桩才开始普及，随之转盘式钻机开始研制与批量生产。20世纪60年代，第一代转盘钻机——红星钻机，采用正循环方式施工。近10年来，大直径的回转钻机有了重大发展，郑勘机械厂、洛矿等制造的回转钻机水平均达到或接近国际的先进水平。
在直径较小，深度比较浅的灌注柱成孔中，大多数都是采用的长螺旋钻机。该类钻机大多适用于北方地区，但是随着CFG桩后植入钢筋笼的技术，长螺旋钻机已经被广泛的应用到了多个地区，不仅仅限制于北方地区。长螺旋钻机的发展，一直比较稳定，并且我国相关的生产厂家比较多，同质化竞争激烈。我国目前用的长螺旋钻机施工总体上有很大的发展空间，但施工技术和生产制造模式比较单一。
3 灌注桩成孔机械新技术新结构分析
工程机械需要以科学的合理结构作为基础，这样才能满足在实际使用中的需要。同时，工程机械最大最重要的特点是适应各种恶劣的施工环境的考验。上述两个例子分析了我国灌注桩成孔机械的发展，可以看出我国的灌注桩成孔机械一直在不断的改进和发展。为了能够更好地研究目前我国灌注桩成孔机械行业的发展情况，以旋挖钻机作为例子，介绍其新技术和新结构。
3.1 采用锁定式伸缩钻杆
传统的钻机在短螺旋钻进或者钻头钻进时，很容易造成钻具摆脱拆卸。针对这一问题，为了减少人员的拧接，新型钻机都是选用的锁定式的伸缩钻杆。这种钻杆比较灵活，不会出现钻具摆脱拆卸的情况。国外的新型钻机均是内锁定伸缩钻杆，这样不仅能够保证钻杆力的传递，又能方便钻杆的拆接。进口的钻机都是选用的这种新结构。国内也有厂商在应用。
3.2 定做钻杆原材料
制造商更加注重对钻杆材料的选用以及制造的工艺。目前大多数的钻杆原材料都是根据钻杆的使用情况和需要定制的。这种方法能够更加保证钻杆的质量，保证钻杆的工作性能。目前钻杆制造商其钻杆材料，都是根据工程地质特点选用强度相配匹的材料，制造工艺尤其焊接工艺也与材料相配匹。
3.3 钻进动力系统新结构
在大直径孔进行施工时，对钻机的要求也比较高，需要其钻进力相对较大。一些新型钻机对于钻进系统设计出了新的结构。1）利用油缸拉进作为钻进动力。利用油缸拉进作为钻进动力经常运用在短螺旋、钻头等配用伸缩式主动钻杆的桩机中。现大型钻机中采用油缸同步拉进动力系统钻进取得明显的效果。2）钢绳拉压钻杆作为钻进动力。用钢绳拉压钻杆作为钻进动力，结构简单、可靠。一些比较轻型的钻机都主要采用钢绳拉压钻杆作为钻进动力。现旋挖钻机大部分均采用无极绳拉压钻杆作为钻进动力。3）采用齿条传动作为钻进动力。在桩架或钻机桅杆安装齿条传动机构，作为钻杆钻进动力。对桩架设计、制造要求较高。结构紧凑，设备整体简洁，钻进传动可靠。但是制造成本高。
3.4 桩架采用分段结构
桩架或桅杆采用分段式的结构可以满足目前桩孔施工工艺的一些特殊要求。但是，这种结构对于桅架的高度有着要求。国外的桅杆设计一般都要充分的考虑运输状态桩机的不解体，国内和国外有很大的区别，国内一般都是将桅杆等一系列进行拆下来，然后进行运输。使用时重新对其进行拼装。
3.5 发动机及其整机采用自动化控制系统
随着科学技术的不断发展，目前，桩工钻机的发动机采用自动化控制系统。根据外载荷的大小自动的控制其功率和运转速度。减少钻机的燃料消耗，减少噪音。采用自动化控制系统的整机带有自动监测、检测等功能。对设备维护、检修，保证设备及操作安全有着重要作用。
3.6 双动力头结构
在新型桩工钻机中，都是采用的双动力头系统。双动力头系统能够分开驱动外套管和内钻杆，有效地实现二根钻管的同时钻进。双动力头结构对于一些特殊的地层钻进效果非常有效。例如卵砾石、软弱土夹层等。双动力头需要的动力比较大，对于液压马达和传动结构设计、使用等条件等要求都比较高。目前我国桩工钻机还没有应用双动力头结构。
3.7 钻杆驱动传动系统的动力采用星形布置
钻杆驱动传动系统的动力在中小功率钻机中驱动均为单动力驱动，随着大直径、超深桩的增多，单驱动的动力显然已经不能满足结构的需要，现大多采用多动力，星形布置的形式。国内的大型旋挖钻机、大口径的回转钻机均采用多点驱动的星形布置形式的钻杆动力传动装置。
4 灌注桩成孔机械的发展趋势和相关对策建议
4.1 发展趋势
1）实现自动化操作和半自动化操作。随着科学技术的发展，灌注桩成孔机械将实现自动化操作或者半自动化。因而控制系统和技术创新是今后发展的必然趋势。我国成孔钻机的发展随着城市化进程的加快，今后将会有很大的发展空间，未来10年会在自动控制、智慧操控上有新的突破。
2）利用电子和信息技术完善系统。灌注桩成孔机械会结合电子和信息技术来完善相关系统。首先，对于灌注桩成孔机械施工信息的管理，记录设备施工过程、施工结果等基本信息，其次，是相关的故障诊断系统，并具有远程传输功能。故障诊断系统的完善也是今后发展的必然趋势，因为随着建筑行业的不但断发展，市场的竞争十分激烈。要想加大竞争力，企业必须提高其经济效益。为了减少桩工机械故障，加大成本的投入，机械故障诊断系统的完善是今后发展的必然趋势。
3）朝着环保节能方向发展。灌注桩成孔机械向着环保节能的方向发展也是必然的趋势。首先是材料的选取上，今后将大多使用吸声材料，减少噪声污染。通过对电喷装置进行不断的改善，进一步降低发动机造成的尾气排放量。同时，研制没有污染又经济实惠的动力装置也是今后桩工机械的主要工作之一。
4）机、电、液一体化发展。为了能够更符合今后施工要求，提高工作效率，灌注桩成孔机械将实现機、电、液一体化发展是今后的主要发展趋势。要想实现机、电、液一体化发展应该进要注重提高液压原件、传感元件以及控制元件的可靠和灵敏性。
4.2 国产旋挖钻机应该注意的几点
1）开发不同档次的旋挖钻机。旋挖钻机今后的发展，首先应该从我国施工的实际情况和相关要求作为出发点，研发出不同档次的旋挖钻机，特别是要注重对于中小型旋挖钻机的研发。由于我国市场同质化竞争激烈，因此，降低设计、制造成本，提高设备安全可靠性、地层施工的适应性是关键。2）结合灌注桩施工工法进行研究。应满足施工的需求，要学会结合工法研发出各种新型的产品。要借鉴消化国外旋挖钻机的先进技术，忌盲目引进和抄袭国外技术。根据我国施工工艺习惯特点、操作人员技术能力等要求和现状，积极技术创新，这样才能更好的适应时代的变化的施工要求。
5 对灌注桩成孔机械适应发展的几点思考
5.1 加强创新
创新是发展的动力，因此，为了促进我国灌注桩成孔机械行业的发展，相关生产商一定要注重对于钻机的研究，提升传统产品的性能，维护灌注桩成孔机械的稳定发展。
5.2 提高核心竞争力
我国的桩工机械发展十分的迅猛，但是，整体来说产品和世界先进水平还存在较大的差距。要想打造稳定的市场树立品牌，企业就一定要重视产品和服务的质量，这是提高核心竞争力的基本要求。
5.3 实现共赢
企业的相关发展战略要立足于我国的国情，并且要以相关利益者实现共赢作为主要发展目标。相关企业要对于桩工机械进行不断的创新，这样每个企业才会有属于自己的特色，从而在竞争激烈的今天持续稳定的
发展。
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