機(jī)電液一體化集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的研制與試驗(yàn)

馮美貴， 翁 煒， 蔣 睿

(北京探礦工程研究所,北京100083)

1 技術(shù)背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，建設(shè)樁基的工作量越來(lái)越大，工程對(duì)樁基的承載力要求越來(lái)越高。采用擴(kuò)底樁是提高樁基承載力的一種有效手段。鉆孔擴(kuò)底灌注樁是在直樁基礎(chǔ)上對(duì)施工工法進(jìn)行改進(jìn)和完善而形成的新樁型。鉆孔擴(kuò)底灌注樁具有質(zhì)量可靠、技術(shù)先進(jìn)、適應(yīng)范圍廣、承載能力強(qiáng)、振動(dòng)小、噪聲低、工期短等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1-6]。

目前國(guó)外成熟的旋挖鉆機(jī)擴(kuò)底灌注樁施工用擴(kuò)底鉆機(jī)具主要來(lái)自日本的日本車輛、日立建機(jī)及德國(guó)寶峨，意大利土力公司等，進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴；國(guó)內(nèi)擴(kuò)底灌注樁施工用擴(kuò)底鉆機(jī)具依然以機(jī)械式為主[7-11]，主要依靠鉆桿加壓或上提采用機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)擴(kuò)大翼。機(jī)械式擴(kuò)底鉆機(jī)具主要存在以下問(wèn)題[12]：(1)擴(kuò)孔與取土、清孔分離，擴(kuò)孔作業(yè)完成后，取土、清孔另有專門工序完成，工序復(fù)雜；(2)孔壁不穩(wěn)定、易坍塌，樁成形差，孔內(nèi)沉渣難以清理干凈，施工效率低；(3)沒有特定的檢測(cè)和控制手段，主要依靠經(jīng)驗(yàn)操作，擴(kuò)底鉆進(jìn)成孔的質(zhì)量、精度無(wú)法保證，難以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，研制了一種基于電液控制的新型集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具，利用液壓加壓方式驅(qū)動(dòng)擴(kuò)底鉆具將液壓缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為鉆翼的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)電氣控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度和工作行程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)擴(kuò)孔作業(yè)情況，實(shí)現(xiàn)在成孔過(guò)程中不需要更換鉆頭，集鉆孔、擴(kuò)孔、取土、成孔檢測(cè)為一體，孔壁穩(wěn)定、擴(kuò)底直徑準(zhǔn)確、擴(kuò)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(diǎn)；避免了由于機(jī)械式擴(kuò)底鉆具擴(kuò)底不到位或無(wú)法張開，或者張開后無(wú)法閉合上提鉆具造成的孔內(nèi)事故。

2 集土式擴(kuò)底鉆進(jìn)施工工藝

基于電液控制的集土式擴(kuò)底鉆進(jìn)施工工藝流程如圖1所示。集土式擴(kuò)底鉆進(jìn)施工時(shí)，先用旋挖鉆機(jī)將等直徑孔鉆到設(shè)計(jì)深度后，再將集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具安裝在旋挖鉆機(jī)的鉆桿方頭上，同時(shí)連通液壓油路。當(dāng)鉆機(jī)具被放入到擴(kuò)底樁孔底預(yù)定位置后，用集土式擴(kuò)底鉆具進(jìn)行樁孔底部的擴(kuò)底作業(yè)，鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)同時(shí)帶動(dòng)鉆機(jī)具同步旋轉(zhuǎn)，液壓油缸活塞桿伸出，帶動(dòng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)向下滑動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)并向外旋轉(zhuǎn)推開鉆具鉆翼進(jìn)行邊旋轉(zhuǎn)邊切削邊取土，實(shí)現(xiàn)鉆孔、擴(kuò)孔和取土同步；施工完成后，液壓油缸活塞桿收回，帶動(dòng)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)向上滑動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，鉆具鉆翼旋轉(zhuǎn)收回關(guān)閉，并將周圍土渣擠到鉆具腔體內(nèi)，帶出樁孔；轉(zhuǎn)動(dòng)矛頭機(jī)構(gòu)，集土機(jī)構(gòu)開啟，將鉆具內(nèi)渣土卸掉。整個(gè)擴(kuò)孔施工過(guò)程中，電控系統(tǒng)對(duì)液壓油缸運(yùn)動(dòng)速度和行程通過(guò)內(nèi)置位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)底直徑準(zhǔn)確、擴(kuò)孔精度高。

1-測(cè)量定位；2-開始鉆進(jìn)；3-埋設(shè)護(hù)筒；4-配合泥漿鉆進(jìn)；5-鉆至設(shè)計(jì)深度；6-更換集土式擴(kuò)底鉆具；7-擴(kuò)底清孔；8-測(cè)定深度；9-下入鋼筋籠；10-下入注漿導(dǎo)管；11-氣舉反循環(huán)清孔；12、13-注入混凝土；14-提護(hù)筒成孔

圖1基于電液控制的集土式擴(kuò)底鉆進(jìn)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(kuò)底鉆具的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)擴(kuò)底樁的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)形式，參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2002)，完成了TKG800/1600型集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的總體方案設(shè)計(jì)如下：

鉆具擴(kuò)底率：1.75D；

鉆具規(guī)格：?800 mm；

最大擴(kuò)底直徑：1600 mm；

最大擴(kuò)底角：12°；

集土筒容積：0.25 m3>1.5×單次擴(kuò)底土體積。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于樁基徑800 mm、擴(kuò)底直徑1600 mm、擴(kuò)孔角12°的擴(kuò)底樁形設(shè)計(jì)原則，完成了TGK800/1600型集土式擴(kuò)底鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元數(shù)值分析和優(yōu)化改進(jìn)[13]。集土式擴(kuò)底鉆具主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)、矛頭機(jī)構(gòu)、鉆翼本體機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、集土機(jī)構(gòu)、同步絞車裝置、內(nèi)置位移傳感器、液壓油缸、切削具等組成。優(yōu)化改進(jìn)后TGK800/1600型集土式擴(kuò)底鉆具的擴(kuò)翼和收翼狀態(tài)如圖2所示。

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

4 集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的液壓動(dòng)力源可采用兩種方式：(1)通過(guò)對(duì)旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)升級(jí)改造，依靠旋挖鉆機(jī)本身的液壓動(dòng)力；(2)采用獨(dú)立液壓系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹采用獨(dú)立液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源方式。

根據(jù)旋挖鉆機(jī)施工鉆進(jìn)時(shí)最高轉(zhuǎn)速為30 r/min與集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具處于空載狀態(tài)下?lián)伍_時(shí)間為15 s的要求，通過(guò)理論分析和計(jì)算[14-16]，液壓系統(tǒng)的最高工作壓力為18 MPa，流量為7 L/min，電機(jī)功率為3 kW，液壓缸設(shè)有內(nèi)置位移傳感器，液壓缸的許用工作行程為250 mm。

在工作過(guò)程中，根據(jù)地層特性和施工工藝需求液壓系統(tǒng)應(yīng)具備：液壓缸同步、無(wú)級(jí)調(diào)速、行程任意位置控制，系統(tǒng)應(yīng)急狀態(tài)下利用手搖泵實(shí)現(xiàn)油缸回程，蓄能器和電磁球閥組成模塊自動(dòng)控制，系統(tǒng)壓力與油溫可視化，設(shè)有高低油溫報(bào)警等功能。

液壓系統(tǒng)主要包括動(dòng)力源(由齒輪液壓泵、鐘罩、聯(lián)軸器、電機(jī)、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(dòng)球閥等組成)、執(zhí)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(guò)濾器、空氣濾清器、蓄能器、液位計(jì)、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(kuò)底鉆機(jī)具的液壓系統(tǒng)原理圖和實(shí)物圖如圖3和4所示。

圖3 集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的液壓系統(tǒng)原理Fig.3 Hydraulic system schematic diagram of soil collecting bell bottom drilling tool

圖4 集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的液壓系統(tǒng)實(shí)物Fig.4 Hydraulic system of soil collecting bell bottom drilling tool

5 集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的電控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的液壓系統(tǒng)工作原理，集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鉆具切削過(guò)程中油缸的位移行程與擴(kuò)底角和成孔形狀之間的關(guān)系，通過(guò)高靈敏度傳感器、微電腦處理器與高品質(zhì)液壓控制元器件的配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)底形狀、鉆孔深度、樁基直徑、目標(biāo)擴(kuò)孔直徑和實(shí)際擴(kuò)孔直徑、目標(biāo)深度和實(shí)際深度、孔底高度和擴(kuò)底角度等多種擴(kuò)底相關(guān)重要參數(shù)的檢測(cè)與控制和鉆具姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示，并完成信號(hào)采集、反饋和處理，改變目前國(guó)內(nèi)主要依靠液壓表和流量計(jì)對(duì)擴(kuò)底過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)的現(xiàn)狀，達(dá)到自動(dòng)化檢測(cè)控制和姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示目的，實(shí)現(xiàn)智能化擴(kuò)底鉆進(jìn)。

作業(yè)過(guò)程中，兩個(gè)均內(nèi)置有位移傳感器的液壓缸發(fā)送信號(hào)，通過(guò)控制柜上的信號(hào)采集卡接收位移傳感器的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，控制柜上有可視化軟件界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸位移傳感器的行程姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示，對(duì)擴(kuò)底直徑和擴(kuò)底過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示，監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)Fig.5 Monitoring and control system

施工過(guò)程中，要求電氣控制系統(tǒng)具有：電機(jī)啟?？刂?、液壓泵啟停并可自動(dòng)/手動(dòng)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(dòng)作控制、液壓缸任意運(yùn)動(dòng)位置控制、液壓缸運(yùn)動(dòng)速度無(wú)級(jí)控制、蓄能器和電磁球閥組合自動(dòng)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(guān)，包括電機(jī)啟?？刂崎_關(guān)、液壓泵啟?？刂崎_關(guān)、液壓泵自動(dòng)及手動(dòng)控制切換開關(guān)、電磁比例換向閥調(diào)速控制開關(guān)、電磁比例換向閥啟?？刂崎_關(guān)和液壓缸任意運(yùn)動(dòng)位置控制開關(guān)；報(bào)警指示功能，包括電源指示、壓油堵塞指示、液壓油高溫報(bào)警和液壓油低溫報(bào)警；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能，包括液壓油溫?cái)?shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)顯示和液壓缸位移數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等。電控反饋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖和電控柜實(shí)物圖分別如圖6和7所示。

6 集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的機(jī)電液集成工程試驗(yàn)和效果

在北京地鐵燕房線某施工現(xiàn)場(chǎng)，完成了TGK800/1600型集土式擴(kuò)底鉆具的現(xiàn)場(chǎng)整機(jī)組裝調(diào)試以及現(xiàn)場(chǎng)工程鉆進(jìn)試驗(yàn)。試驗(yàn)概況如下：試驗(yàn)鉆機(jī)為中聯(lián)ZR250A型旋挖鉆機(jī)，鉆機(jī)最大扭矩為250 kN·m，轉(zhuǎn)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理
Fig.6Schematic diagram of electric monitoring system

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)、鉆具擴(kuò)翼、收翼和卸土狀態(tài)分別見圖8、圖9。

圖7 電控柜實(shí)物Fig.7 Electric control cabinet

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Testing site

圖9 鉆具擴(kuò)翼-收翼-卸土狀態(tài)Fig.9 The drilling tool in open/closed/soil releasing position

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，現(xiàn)場(chǎng)自上而下地層為：雜填土、粉質(zhì)粘性土、礫質(zhì)粘性土，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖。樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為鉆孔擴(kuò)底灌注樁，采用旋挖鉆機(jī)施工；樁基孔直徑800 mm，擴(kuò)孔后直徑1600 mm；樁長(zhǎng)≮21 m；試驗(yàn)樁孔數(shù)量為3根；試驗(yàn)孔位距離實(shí)際樁基孔位約9 m；采用干法成孔工藝。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果如下：(1)集成系統(tǒng)無(wú)外滲漏、無(wú)內(nèi)泄漏、運(yùn)行平穩(wěn)；鉆機(jī)具與鉆桿實(shí)時(shí)同步旋轉(zhuǎn)；液壓軟管收放與上提下放鉆機(jī)具實(shí)時(shí)同步；(2)反饋監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)擴(kuò)底狀態(tài)；(3)擴(kuò)收翼正常，無(wú)卡鉆，無(wú)坍塌現(xiàn)象；(4)邊鉆進(jìn)邊擴(kuò)邊集土，實(shí)時(shí)清理沉渣，孔底沉渣小于15 mm，無(wú)需重復(fù)擴(kuò)底-取土-清孔-檢測(cè)，擴(kuò)收翼時(shí)間為106 s,與普通擴(kuò)底工法相比，較傳統(tǒng)機(jī)械式擴(kuò)底鉆具效率提高30%以上；(5)擴(kuò)底樁型設(shè)計(jì)合理，滿足旋挖鉆進(jìn)擴(kuò)底樁的施工、設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具電液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的；(2)鉆機(jī)具集擴(kuò)孔、集土功能于一體，減少了工藝步驟，提高了工作效率；(3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，保證了擴(kuò)孔成形的質(zhì)量和精度，實(shí)現(xiàn)了智能化擴(kuò)底鉆進(jìn)；(4)滿足旋挖鉆進(jìn)擴(kuò)底樁的施工需求。

7 結(jié)論

機(jī)電液一體化集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具，具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

(1)集擴(kuò)孔、集土功能于一體，成孔效率高。通過(guò)采用集土式鉆具，集擴(kuò)孔、集土功能于一體，減少了工藝步驟，提高了擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率；與普通擴(kuò)底工藝相比較，減少了普通擴(kuò)孔鉆具擴(kuò)孔后需要專門清孔的工序，避免了孔內(nèi)沉渣的產(chǎn)生，提高了擴(kuò)底質(zhì)量和工作效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，施工效率提高30%以上。根據(jù)地層特性，配合采用穩(wěn)定液或護(hù)筒護(hù)壁等技術(shù)手段，避免了反復(fù)起下鉆具造成塌孔等危險(xiǎn)。

(2)液壓加壓方式驅(qū)動(dòng)擴(kuò)底，工作可靠，成孔質(zhì)量高。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)機(jī)械式擴(kuò)底鉆頭性能穩(wěn)定性較差，往往造成鉆具擴(kuò)底不到位或無(wú)法張開，甚至于張開后無(wú)法閉合上提而造成孔內(nèi)事故。而液壓加壓方式驅(qū)動(dòng)擴(kuò)底鉆機(jī)具實(shí)現(xiàn)了集土式擴(kuò)底鉆機(jī)具的擴(kuò)孔和集土功能，利用同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了液壓管線在回轉(zhuǎn)的過(guò)程中與鉆具同步。與機(jī)械式擴(kuò)底鉆具相比，液壓式擴(kuò)底鉆具工作更加可靠，成孔質(zhì)量更高。

(3)電氣自動(dòng)反饋控制，智能化程度高。通過(guò)高靈敏度傳感器、微電腦處理器與高品質(zhì)液壓控制元器件的配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)擴(kuò)底形狀、鉆孔深度、樁基直徑、目標(biāo)擴(kuò)孔直徑和實(shí)際擴(kuò)孔直徑、目標(biāo)深度和實(shí)際深度、孔底高度和擴(kuò)底角度等多種擴(kuò)底相關(guān)重要參數(shù)的檢測(cè)與控制和鉆具姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示，改變了目前國(guó)內(nèi)主要依靠液壓表和流量計(jì)對(duì)擴(kuò)底過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)的現(xiàn)狀，達(dá)到了自動(dòng)化檢測(cè)控制目的和姿態(tài)實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)了智能化擴(kuò)底鉆進(jìn)。