工艺与装备 旋挖钻机与冲击、回转钻机之比较 张金树 （中铁十四局集团第一工程发展有限公司，日照２７６８２６） 摘 要：通过旋挖、冲击、回转钻机的优点与不足的分析比较，提出桩基成孔如何选择钻机和当前旋挖钻机 使用中的误区及分析。 关键词：旋挖钻机 冲击 回转钻机 比较 １前言 旋挖钻机作为一种近几年逐渐被大家接受的成孔机 械，在地下基础施工中得到了普遍的认同。但也出现了一 些问题。现在就旋挖钻机和以往常用的冲击、回转钻机进 行比较，对在桩基施工中如何选择成孔机械给出建议，并 对当前使用旋挖钻机给出建议。 本文就冲击钻机、回转钻机、旋挖钻机三种当前最常 见的钻机进行分析比较。 ２当前几种常用钻机的分析对比 ２．１对冲击钻机的分析 冲击钻机属于“软硬统吃”的一种成孔机械，几乎适用 于各种地质状况，从粘性土、砂性土、到砾石层、卵石、漂 石到软岩、硬岩。冲击钻机特别适用于山区丘陵嵌岩桩的 成孑Ｌ。表层为软弱土时，可以通过换填地表土，以求稳固 住钻机。 冲击钻机也可以根据工地的实际情况自行组装，并且 具有操作简单的特点。在钻机的结构和操作程序的繁简 上，冲击钻优于回转和旋挖钻机。如果单单从地质条件考 虑，不考虑工程进度、经济效益的话，冲击钻均可使用。从 成孔速度上比较，在特定的地质中，冲击钻机不及回转和 旋挖二种钻机。从单孔成孔的每延米造价上进行比较，冲 击钻机最高，回转钻机最低，旋挖钻机的介于二者之间。 三种钻机的成子Ｌ价格对比表（元／米） ｌ回转钻机 旋挖钻机 冲击钻机 备注 『 ５。 ２３０ ５５０ 对按照直径１，冲击钻机按照土石综合价。 ．５米的桩基进行比 ２．２对回转钻机的分析 回转钻机中无论正循环还是分循环的钻机，均适用于 粘性土、含少量砾石、卵石的土层、软岩，不适用于大量卵 石层及硬岩层。其中正循环钻机也适用于粉砂、细中粗砂 层，反循环钻机在砂层中钻机如果泥浆调治的指标不够 或钻机速度过快，可能会造成塌孔的事故。 回转钻机特别适用于内陆冲积层较厚的平原、沿海地 区滩涂地区的摩擦桩成孔。从成孔速度上分析，回转钻机 快于冲击钻机，不及旋挖钻机。从工程造价上分析，回转 钻机是三种钻机中最经济的，价格最便宜的。 ２．３冲击、回转钻机不足之处 综合上述，冲击钻机和回转钻机的共同的特点是本身 设备价格便宜，操作简单，经过几十年的市场选择，已经 成为桩基成孔的主流机械。但是随着社会的进步与发展， 也逐步暴露出一些难以克服的缺点： ２．３．１污染环境，不环保 泥浆护壁和悬浮颗粒出渣均需要泥浆，而泥浆对现场 和周围环境均造成环境污染，无法满足当代社会日益重 视的环境保护和文明施工的要求。 循环泥浆，沉淀出渣需要泥浆池，这就要占用较大的 施工场地。 ２．３．２成孔速度慢 按照正常的施工质量要求和一般地质地层情况，回转 钻机每天钻孔８～１０ｍ左右，而冲击钻成孔速度则更慢。 ２．３．３适应能力差 除冲击钻机的适应能力强外，回转钻机不能对付强风 化层之外的更硬的地层。 冲击钻机和回转钻机都只能钻垂直孔，不能钻斜孔。 ２．３．４自动化程度低，操作工人劳动强度大，工作环境差 冲击钻机和回转钻机的自动化程度不高，基本是露天 操作，工人工作的环境恶劣，已不符合现在社会人性化和 高度自动化的潮流。 ２．４对旋挖钻机的分析 ２．４．１环保卫生 干法成孔时，不会对现场和周遍环境造成污染。即便 采用静态泥浆成孔时，相对于冲击钻机和回转钻机的污 染，旋挖钻机对现场产生污染要少。 ２．４．２成孔速度快 在一般地层，旋挖钻机成孔速度是普通钻机的４ ６ 倍。按照在一般地层和桥梁桩长３０米以内估算，按照正 常的桩基成孔的质量控制要求，成孔一根合格的桩基，回 转钻机大约是２４～３６小时。而熟练的旋挖钻机操作手再 配备技术员指导钻孔，桩基成孔则只需要６～９个小时。 在这方面旋挖钻机的优势明显。 ２．４．３适应能力较强 旋挖钻机可配备不同钻头，常见的旋挖钻头有螺旋钻 头、旋挖斗，另外还有针对不同地质情况的筒式取芯钻 头、扩底钻头、冲击钻头、冲抓锥钻头，可用于砂层、土层、 现代制造技术与装备 岩层等不同地层的钻孔。 旋挖钻机靠履带可以自行走，钻孔前的定位非常准确 ２０１０第６期总第１９９期 采用旋挖钻机成孔时，也与其他钻机一样会发生塌 孔、缩径等常见的桩基施工事故，发生的原因有主观和客 和方便。旋挖钻机不仅钻垂直桩，还可以钻斜桩。 ２．４．４高度自动化，操作工人劳动强度小，工作环境舒适 旋挖钻机是集大功率、全液压、机电一体化、操作舒适 化（人性化）于一身的产物，是当代高科技的结晶，集中体 现了人性化、智能化、高效率的集中统一。 观原因，人为因素和目前机械设备设计的缺陷并存。旋挖 钻机的施工工艺因地层不同，方法不同。如果不能对旋挖 钻机有一个客观的认识，没有对所在地的地层地质情况 有一个深刻的了解，就很难避免发生事故。 （１）遇到易塌陷地层时，采用高质量静态泥浆造壁。 同样应严格遵守以前钻机的慢进多扫的技术要求。不能 只求体现旋挖钻机钻孔进度和经济效益的优势而饮鸩止 渴，忽略泥浆护壁的质量和扫孔的次数，给桩基成孔和桩 ２．５旋挖钻机的不足及使用中的误区分析 旋挖钻机也会受到所施工地层的地质情况、机械的自 身因素、操作手等人为因素等各种条件的制约，出现一些 目前难以应对的情况，主要不适合硬地层。在旋挖钻机使 用的初始阶段，对旋挖钻机的盲目迷信或不了解就容易 给人以错觉造成误区，直接影响到旋挖钻机的使用效果。 ２．５．１旋挖钻机也会受限于有些地质地层 旋挖钻机受地层地质情况的的制约，在硬岩层、较致 密的卵砾石、孤石层时，钻进就变得比较困难，不更换钻 头，易发生事故。 虽然可以针对硬岩层、粒径超过１００ｍｍ的卵石层、直 径大于２００ｍｍ的漂石地层的配备筒式取芯钻头、冲击钻 头、冲抓锥钻头，但其实际效率和实际效果与传统的冲击 钻机相比，其效果仍然不理想，值得探讨与思考。这也是 旋挖钻机以后发展中需要解决的问题。 ２．５．２进行超长桩基的钻进时效率的考虑 旋挖钻机成孔的孔径、深度受钻机机械的因素制约， 逊于回转钻机。通常的旋挖钻机的钻孔深度在２０ ５０ｍ以 内优越性明显，钻孔直径都在２ｍ以内。国产的正反循环 钻机在钻孔直径３ｍ时，钻孔深度可达上百米。 ２００９年国内首台最大吨位４０吨米ＴＲ４００Ｃ型旋挖钻 机成功下线，据报道其最大钻孔直径为３ｍ，最大钻孔深 度为１０５ｍ，其实用性和经济型待在以后的施工中检验。 ２．５．３钻机钻进的效果和效率受现场操作手、技术人员等 诸多人为因素的制约 由于现场技术人员对旋挖钻机、地层地质了解程度、 操作手对设备性能的熟悉和操作熟练程度等诸多的人为 因素的影响，了旋挖钻机的的使用效果和整机性能 的正常发挥。有时需要根据现场实际的地质状况、钻机的 实际而采取一些技术措施手段，来辅助钻机达到最佳施 工效果。 加强旋挖钻机操作手的技能培训，提高操作手的感 知、认识、实践水平，是保证旋挖钻机施工成功的一个重 要的保障。而在操作手技能水平不高的情况下，现场技术 人员的现场施工技术指导就变得很重要。在回转斗侧壁 加焊导流槽，减小桩孔内负压的做法就是人机结合，共同 解决施工难题的成功范例。 ２．５．４扩孔率大、小径桩钻进效率较低 实际孔径比钻头直径大７％一２０％，对于直径＜８００ｒａｍ 的钻孔，一般型号的旋挖钻机成孔效率大大降低。 ２．５．５旋挖钻机使用中的误区分析 基灌注留下隐患。旋挖钻机在通过膨胀性土层时，也应该 加强扫孔，防止缩径的发生。 （２）严格控制成孔过程中提升斗的升降速度 旋挖钻机钻机过程中应严格控制钻进速度，避免钻进 尺度过大。若钻机升降钻斗时速度过快，钻斗外壁和孔壁 之间的泥浆冲刷孔壁，再加上钻斗下部产生较大负压作 用，造成孔壁颈缩、坍塌现象。当钻斗在粉砂层或亚砂土 层作业时，其升降速度应更加缓慢。必要时，针对特殊软 弱地层，钻机作业成孔的时间，不能盲目追求钻进的 速度。通过３～４根的试桩，测定掌握最佳的科学成孔时 间后，再规范指导旋挖钻机正常施工。 （３）钻机配套钻头及其他设备的结构问题 使用有些厂家生产的双门底开式回转斗时，回转斗提 升力明显增大，形成活塞效果，极易造成塌孔、缩孔。 回转斗提升时下方产生较大负压，导致提升阻力增大 及孔壁收缩、坍塌。这个原因导致一些沿海滩涂软基地区 禁止采用旋挖钻机的，可喜的是采用通过技术改进， 侧壁加焊导流槽，以有利于泥浆的导流，减小桩孑Ｌ内的负 压，可以解决这个问题。同时底盘加焊侧齿，控制回转斗 与刀尖间的距离，防止回转斗升降旋转时碰坏孔壁。 宝峨公司的双底旋挖钻斗是在钻斗的筒体内侧，自上 而下作了一个通道，在提升钻斗前，钻斗上部的泥浆经通 道迅速补充到钻斗下方，有效地防止了抽空现象，避免桩 基的塌孔缩径。其他的钻头、设备部件在以后应用过程中 应根据现场实际，进行改进，满足各方面的要求。 （４）成孔后灌注桩基的施工组织 一根桩基从成孔到灌注完毕，需要钢筋工班、砼工班、 运输车辆、灌注工班等多方面的组织与配合。旋挖钻机成 孔速度快，如果因钢筋笼加工不及时、组织不力等因素、 机械故障造成已成孔的桩基不能及时灌注而长时间搁置 就宜引发塌孔等事故。 ３结束语 桩基施工中选择成孔机械时，需要考虑多方面因素。 选择成孔机械时，首先考虑地层地质情况。根据地质柱状 图，有针对性的选择成孔的机械。其次是考虑钻机成孔的 经济成本、工期、环保和文明施工等因素。 可参照表１进行选择： 我国幅员辽阔，地质与水文复杂多样，各类工程要求 工艺与装备 表１三种常用钻机适用范围 钻孔方法 土层 ３７ 期． 适用范围 孔径（ｃｍ 孔深（ｒｒｔ） ［３］刘伟．旋挖钻机的发展及应用．建筑机械化，２００４年１１期． 泥浆作用 浮悬钻碴 并护壁 ［４］公路桥涵施工手册．人民交通出版社．交通部第一公路工程 总公司主编，２０００年３月第１版． ［５］窦春风，杨国俊，童金槽．旋挖钻机的施工工艺控制及应用． 正循环 粘性土，粉砂、细、中、粗砂， 回转钻机 含少量砾石、卵石（含量少 ８０～２５Ｏ 回转 于２０％）的土、软岩 ３０～１【ｘｌ 钻机 反循环 粘性土、砂类土、含少量砾石、 用真空泵＜３５，用空 回转钻机 卵石（含量少于２（】％，粒径小 ８０～３ｏｏ 气吸泥机可达６５， 于钻杆内径２／３）的土、软岩 用气举式可达１２０ 冲击钻机 旋挖钻机 粘性土、砂类土、砾石、卵石、 ６０漂石软岩、硬岩、冻土 ２ｏ０ ～公路交通技术，２００８年第１Ｏ期． 护壁 浮悬钻碴 并护壁 ［６］黎中银，李正泉，李国太，蔡永立，赵明．北京地铁亮马河车 站中桩基柱旋挖钻机施工实践，探矿工程，２００５增刊． 、５０ ３０—９０ 粘性土、砂类土、含有少量 ５０砾石３００ 卵石的土、软岩、冻土 —、湿法成孔时 起护壁作用 ［７］于干良，樊敬亮．南京地区旋挖钻机的施工特征及风险分析． 山西建筑，２００８年第１９期． Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｏｆ Ｒｏｔａｒｙ Ｄｒｉｌｌｅｒ ｔｏ Ｉｍｐａｃｔ ＤｉｒＨｅｒ ａｎｄ ｔｏ Ｗｈｉｒｌ Ｄｉｌｌｅｒ ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｓｂｕ 不尽相同。这就决定了目前是旋挖钻机、回转钻机、冲击 钻机等几种成孔机械并存的一个时期。 集中继承了螺旋钻机、回转钻机、冲击钻机等多种成 孔机械优点的旋挖钻机，在以后的发展中是否能占领更 广阔的桩基施工市场，要看旋挖钻机在以后的科技研发 和工程实践中，能否针对不足逐步完善。 参考文献 （１ｓｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｈｉｓｉｊｕ Ｇｒｏｕｐ，Ｒｉｚｈａｏ ２７６８２６） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｍｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｏ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎ－ ｔａｇｅｓ ｏｆ ｒｏｔａｒｙ ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｉｍｐａｃｔ，ｒｏｔａｒｙ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇ，ｍｉｓｕｎｄｅｒｓｔｎｄｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌａｙｓｉｓ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｉｎ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｈｏｗ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇ ａｎｄ ｒｏｔａｒｙ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇ． ［１］吴允成．旋挖钻斗结构的探讨．探矿工程，２０００年２期，３１ —Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｔａｒｙ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇ，ｉｍｐａｃｔ ｄｒｉｌｌ，ｓｌｅｗｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇ， ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ２８—２８，３１页． 【２］张启君．浅析旋挖钻机的研发．工程机械与维修，２００４年１１ （上接３４页）轮的变位系数ｘ。的改变而改变。故只对排量 ｑ随Ｘ。的变化做分析。 由于 ｒ ｌ＝ｒｌ＋ｍｘｉ ｒ＇推导过程可以为相关的计算、推理提供理论支持。 参考文献 （２０） （２１） ２＝ｒ２＋ｍｘ２ △ｖ： ｌ ￡ 二 ２ （２２） Ｊｚ１－－Ｚ２ ｈａｌ＝（ｈ＊ａ＋ｘ 一△Ｙ）ｍ ｈａ２－（ｘ２＋△ｙ—ｈ ）ｍ （２３） （２４） 根据以上各式及式（１９），由Ｍａｄａｂ仿真可以得到排量 ｑ随ｘ。的变化曲线，如图４所示。 ［１］欧阳中和．齿轮机构两种设计方法的对比设计研究…．贵州 工业大学学报：自然科学版，２００８（１）：４３—４４． ［２］何存兴．液压元件【Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８２． ［３］叶清．内啮合齿轮泵几何参数及流量脉动的研究【Ｄ】．兰卅ｌ理 工大学，２００７． ［４］张展，朱景梓，秦利高．渐开线内啮合圆柱齿轮传动［Ｍ］．国防 工业出版社，１９９１． ［５］齿轮手册编委会编．齿轮手册［Ｍ］．机械工业出版社，１９９０． ［６】齐人光．浅谈变位系数的选取问题［Ｊ】＿机械设计与制造，２００６ （１０）：３０． ［７】董艇舰，王太勇，汪文津，吴玉侠．基于正变位的啮合齿轮副 中心距优化设计…．机械传动，２００４（４）：１９—２１． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｇｅａｒ Ｐｕｍｐ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｎ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ＳＵ Ｘｉｎｇｂａｏ，ＨＥ Ｗｅａｎｊｕ，ＨＡＮ Ｑｉａｎｇ （Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｓｈｉ Ｈｅｎｇ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．ＬＴＤ，Ｆｅｉｃｈｅｎｇ ２７１６１２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｇｅａｒ ｐｕｍｐ ｏｆ ｔｈｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ＩＰＨ．Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｖ ａｎａｌｖｚ— 图４变位系数与排量的关系 ｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｇｅａｒ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｆ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ． ５结论 Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｕｍｐ’Ｓ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｓ ｉｎｃｒｅａ￥一 由图４可以知道，小齿轮的变位系数越大，则内啮合 齿轮泵的排量就越大，也即泵的排量随着小齿轮变位系 数的增减而增减。另外，该文就变位系数与排量的关系的 ｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｅａｒ ｍｏｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｆ’Ｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｎａｌ ｇｅａｒ ｐｕｍｐ，ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ，ｄｉｓｐｌａｃｅ— ｍｅｎｔ
