機電液一體化集土式擴底鉆機具的研制與試驗

馮美貴， 翁 煒， 蔣 睿

(北京探礦工程研究所,北京100083)

1 技術背景

近年來，隨著我國基礎設施建設的快速發展，建設樁基的工作量越來越大，工程對樁基的承載力要求越來越高。采用擴底樁是提高樁基承載力的一種有效手段。鉆孔擴底灌注樁是在直樁基礎上對施工工法進行改進和完善而形成的新樁型。鉆孔擴底灌注樁具有質量可靠、技術先進、適應范圍廣、承載能力強、振動小、噪聲低、工期短等技術優勢[1-6]。

目前國外成熟的旋挖鉆機擴底灌注樁施工用擴底鉆機具主要來自日本的日本車輛、日立建機及德國寶峨，意大利土力公司等，進口設備價格昂貴；國內擴底灌注樁施工用擴底鉆機具依然以機械式為主[7-11]，主要依靠鉆桿加壓或上提采用機械方式驅動擴大翼。機械式擴底鉆機具主要存在以下問題[12]：(1)擴孔與取土、清孔分離，擴孔作業完成后，取土、清孔另有專門工序完成，工序復雜；(2)孔壁不穩定、易坍塌，樁成形差，孔內沉渣難以清理干凈，施工效率低；(3)沒有特定的檢測和控制手段，主要依靠經驗操作，擴底鉆進成孔的質量、精度無法保證，難以達到設計的要求。為解決現有技術中存在的不足，研制了一種基于電液控制的新型集土式擴底鉆機具，利用液壓加壓方式驅動擴底鉆具將液壓缸的直線運動轉換為鉆翼的旋轉運動，通過電氣控制液壓缸的運動速度和工作行程實時監測擴孔作業情況，實現在成孔過程中不需要更換鉆頭，集鉆孔、擴孔、取土、成孔檢測為一體，孔壁穩定、擴底直徑準確、擴孔精度高，成孔速度快、效率高，具有施工安全、高效、可靠、精度高等特點；避免了由于機械式擴底鉆具擴底不到位或無法張開，或者張開后無法閉合上提鉆具造成的孔內事故。

2 集土式擴底鉆進施工工藝

基于電液控制的集土式擴底鉆進施工工藝流程如圖1所示。集土式擴底鉆進施工時，先用旋挖鉆機將等直徑孔鉆到設計深度后，再將集土式擴底鉆機具安裝在旋挖鉆機的鉆桿方頭上，同時連通液壓油路。當鉆機具被放入到擴底樁孔底預定位置后，用集土式擴底鉆具進行樁孔底部的擴底作業，鉆桿旋轉鉆進同時帶動鉆機具同步旋轉，液壓油缸活塞桿伸出，帶動滑動機構沿導向機構向下滑動，連桿機構聯動并向外旋轉推開鉆具鉆翼進行邊旋轉邊切削邊取土，實現鉆孔、擴孔和取土同步；施工完成后，液壓油缸活塞桿收回，帶動滑動機構沿導向機構向上滑動，連桿機構聯動，鉆具鉆翼旋轉收回關閉，并將周圍土渣擠到鉆具腔體內，帶出樁孔；轉動矛頭機構，集土機構開啟，將鉆具內渣土卸掉。整個擴孔施工過程中，電控系統對液壓油缸運動速度和行程通過內置位移傳感器進行實時數據檢測，實現了擴底直徑準確、擴孔精度高。

1-測量定位；2-開始鉆進；3-埋設護筒；4-配合泥漿鉆進；5-鉆至設計深度；6-更換集土式擴底鉆具；7-擴底清孔；8-測定深度；9-下入鋼筋籠；10-下入注漿導管；11-氣舉反循環清孔；12、13-注入混凝土；14-提護筒成孔

圖1基于電液控制的集土式擴底鉆進工藝流程示意
Fig.1The soil collecting bell bottom drilling process based on electro-hydraulic control system

3 集土式擴底鉆具的機械結構設計

根據擴底樁的力學性能和結構形式，參考《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)和《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2002)，完成了TKG800/1600型集土式擴底鉆機具的機械結構設計。

3.1 總體方案設計

集土式擴底鉆機具的總體方案設計如下：

鉆具擴底率：1.75D；

鉆具規格：?800 mm；

最大擴底直徑：1600 mm；

最大擴底角：12°；

集土筒容積：0.25 m3>1.5×單次擴底土體積。

3.2 結構設計

基于樁基徑800 mm、擴底直徑1600 mm、擴孔角12°的擴底樁形設計原則，完成了TGK800/1600型集土式擴底鉆具的結構設計，并對關鍵零部件進行了有限元數值分析和優化改進[13]。集土式擴底鉆具主要由傳動機構、導向機構、滑動機構、限位機構、矛頭機構、鉆翼本體機構、連桿機構、集土機構、同步絞車裝置、內置位移傳感器、液壓油缸、切削具等組成。優化改進后TGK800/1600型集土式擴底鉆具的擴翼和收翼狀態如圖2所示。

圖2 TGK800/1600型集土式擴底鉆具收翼和擴翼狀態Fig.2 TGK800/1600 soil collecting bell bottom drilling tool in closed/open position

4 集土式擴底鉆機具的液壓系統設計

集土式擴底鉆機具的液壓動力源可采用兩種方式：(1)通過對旋挖鉆機液壓系統升級改造，依靠旋挖鉆機本身的液壓動力；(2)采用獨立液壓系統。本文重點介紹采用獨立液壓系統的動力源方式。

根據旋挖鉆機施工鉆進時最高轉速為30 r/min與集土式擴底鉆機具處于空載狀態下撐開時間為15 s的要求，通過理論分析和計算[14-16]，液壓系統的最高工作壓力為18 MPa，流量為7 L/min，電機功率為3 kW，液壓缸設有內置位移傳感器，液壓缸的許用工作行程為250 mm。

在工作過程中，根據地層特性和施工工藝需求液壓系統應具備：液壓缸同步、無級調速、行程任意位置控制，系統應急狀態下利用手搖泵實現油缸回程，蓄能器和電磁球閥組成模塊自動控制，系統壓力與油溫可視化，設有高低油溫報警等功能。

液壓系統主要包括動力源(由齒輪液壓泵、鐘罩、聯軸器、電機、手搖泵等組成)，控制閥組(由溢流閥、電磁比例換向閥、單向閥、手動球閥等組成)、執行元件(帶位移傳感器的液壓缸等組成)和輔助元件(由油箱、吸油過濾器、空氣濾清器、蓄能器、液位計、放油座、溫度傳感器、壓力傳感器、油管、管件和接頭等組成)。集土式擴底鉆機具的液壓系統原理圖和實物圖如圖3和4所示。

圖3 集土式擴底鉆機具的液壓系統原理Fig.3 Hydraulic system schematic diagram of soil collecting bell bottom drilling tool

圖4 集土式擴底鉆機具的液壓系統實物Fig.4 Hydraulic system of soil collecting bell bottom drilling tool

5 集土式擴底鉆機具的電控監測系統設計

根據集土式擴底鉆機具的液壓系統工作原理，集土式擴底鉆機具的機械結構設計與鉆具切削過程中油缸的位移行程與擴底角和成孔形狀之間的關系，通過高靈敏度傳感器、微電腦處理器與高品質液壓控制元器件的配合，實現對擴底形狀、鉆孔深度、樁基直徑、目標擴孔直徑和實際擴孔直徑、目標深度和實際深度、孔底高度和擴底角度等多種擴底相關重要參數的檢測與控制和鉆具姿態實時顯示，并完成信號采集、反饋和處理，改變目前國內主要依靠液壓表和流量計對擴底過程進行檢測的現狀，達到自動化檢測控制和姿態實時顯示目的，實現智能化擴底鉆進。

作業過程中，兩個均內置有位移傳感器的液壓缸發送信號，通過控制柜上的信號采集卡接收位移傳感器的模擬量信號轉換成數字信號，控制柜上有可視化軟件界面，實現對油缸位移傳感器的行程姿態實時顯示，對擴底直徑和擴底過程進行實時監測和顯示，監測控制系統如圖5所示。

圖5 監測控制系統Fig.5 Monitoring and control system

施工過程中，要求電氣控制系統具有：電機啟?？刂?、液壓泵啟停并可自動/手動控制切換、電磁比例換向閥的閥開度控制、電磁比例換向閥動作控制、液壓缸任意運動位置控制、液壓缸運動速度無級控制、蓄能器和電磁球閥組合自動控制等功能，并易于操作。為此電控柜要求具備如下功能：控制開關，包括電機啟?？刂崎_關、液壓泵啟?？刂崎_關、液壓泵自動及手動控制切換開關、電磁比例換向閥調速控制開關、電磁比例換向閥啟?？刂崎_關和液壓缸任意運動位置控制開關；報警指示功能，包括電源指示、壓油堵塞指示、液壓油高溫報警和液壓油低溫報警；實時數據顯示功能，包括液壓油溫數據顯示、系統壓力數據顯示和液壓缸位移數據實時顯示等。電控反饋監測系統原理圖和電控柜實物圖分別如圖6和7所示。

6 集土式擴底鉆機具的機電液集成工程試驗和效果

在北京地鐵燕房線某施工現場，完成了TGK800/1600型集土式擴底鉆具的現場整機組裝調試以及現場工程鉆進試驗。試驗概況如下：試驗鉆機為中聯ZR250A型旋挖鉆機，鉆機最大扭矩為250 kN·m，轉速為6～24 r/min，鉆深能力為70 m，鉆桿直徑為470 mm，鉆桿方頭為200 mm×200 mm。

圖6電控監測系統原理
Fig.6Schematic diagram of electric monitoring system

試驗現場、鉆具擴翼、收翼和卸土狀態分別見圖8、圖9。

圖7 電控柜實物Fig.7 Electric control cabinet

圖8 試驗現場Fig.8 Testing site

圖9 鉆具擴翼-收翼-卸土狀態Fig.9 The drilling tool in open/closed/soil releasing position

根據地質勘察報告顯示，現場自上而下地層為：雜填土、粉質粘性土、礫質粘性土，全風化、強風化、中風化、微風化花崗巖。樁基礎設計為鉆孔擴底灌注樁，采用旋挖鉆機施工；樁基孔直徑800 mm，擴孔后直徑1600 mm；樁長≮21 m；試驗樁孔數量為3根；試驗孔位距離實際樁基孔位約9 m；采用干法成孔工藝。

現場試驗結果如下：(1)集成系統無外滲漏、無內泄漏、運行平穩；鉆機具與鉆桿實時同步旋轉；液壓軟管收放與上提下放鉆機具實時同步；(2)反饋監測控制系統可實時監測擴底狀態；(3)擴收翼正常，無卡鉆，無坍塌現象；(4)邊鉆進邊擴邊集土，實時清理沉渣，孔底沉渣小于15 mm，無需重復擴底-取土-清孔-檢測，擴收翼時間為106 s,與普通擴底工法相比，較傳統機械式擴底鉆具效率提高30%以上；(5)擴底樁型設計合理，滿足旋挖鉆進擴底樁的施工、設計及規范要求。

現場試驗結果表明：(1)集土式擴底鉆機具電液壓控制系統設計合理，達到了設計的目的；(2)鉆機具集擴孔、集土功能于一體，減少了工藝步驟，提高了工作效率；(3)實時監測控制，保證了擴孔成形的質量和精度，實現了智能化擴底鉆進；(4)滿足旋挖鉆進擴底樁的施工需求。

7 結論

機電液一體化集土式擴底鉆機具，具有以下技術優勢：

(1)集擴孔、集土功能于一體，成孔效率高。通過采用集土式鉆具，集擴孔、集土功能于一體，減少了工藝步驟，提高了擴孔鉆進效率；與普通擴底工藝相比較，減少了普通擴孔鉆具擴孔后需要專門清孔的工序，避免了孔內沉渣的產生，提高了擴底質量和工作效率，減輕了工人的勞動強度，施工效率提高30%以上。根據地層特性，配合采用穩定液或護筒護壁等技術手段，避免了反復起下鉆具造成塌孔等危險。

(2)液壓加壓方式驅動擴底，工作可靠，成孔質量高。目前國內大多數機械式擴底鉆頭性能穩定性較差，往往造成鉆具擴底不到位或無法張開，甚至于張開后無法閉合上提而造成孔內事故。而液壓加壓方式驅動擴底鉆機具實現了集土式擴底鉆機具的擴孔和集土功能，利用同步技術，實現了液壓管線在回轉的過程中與鉆具同步。與機械式擴底鉆具相比，液壓式擴底鉆具工作更加可靠，成孔質量更高。

(3)電氣自動反饋控制，智能化程度高。通過高靈敏度傳感器、微電腦處理器與高品質液壓控制元器件的配合，實現了對擴底形狀、鉆孔深度、樁基直徑、目標擴孔直徑和實際擴孔直徑、目標深度和實際深度、孔底高度和擴底角度等多種擴底相關重要參數的檢測與控制和鉆具姿態實時顯示，改變了目前國內主要依靠液壓表和流量計對擴底過程進行檢測的現狀，達到了自動化檢測控制目的和姿態實時顯示，實現了智能化擴底鉆進。