全回转套管钻机SuperTop工法的研究.docx

夹持油缸上层 回转马达压拨油缸中层 支腿油缸底层全回转套管钻机SuperTop工法的研究王选卓，陈云强，雷卫兵（徐州徐工基础工程机械有限公司，江苏 徐州 221000）摘要介绍全回转套管钻机国外发展状况，简述了全回转套管钻机的工作原理并对Super Top工法作了详细描述。Super Top工法适用于大深度硬岩地层施工，研究可为全回转套管钻机施工中的几个关键 点提供一定参考。关键词全回转套管钻机；Super Top工法；硬岩地层中图分类号TH922文献标识码B文章编号1001-554X（2014）12-0108-04Research on Super Top of full casing foundation drilling rigWANG Xuan-zhuo，CHEN Yun-qiang，LEI Wei-bing1概述有效地防止了地面沉降，防水性好同时节约了成本。这些成功案例证明了我国全回转套管钻机的工 法研究已经启动，然而相对目前的主流工法及施工 技术，还有很大距离。全回转套管钻机是根据搓管机的工作原理开发的新型施工设备，主要应用于去除复杂地质的地 下障碍物，混凝土灌桩施工的铁路建设以及地下水 引流、合流的市政工程等。全回转套管钻机的优点 在于具有较高的垂直精度、较小的周面摩擦力，可 在狭小空间施工等，在日本已经得到广泛的使用。 目前日本最大的全回转套管钻机的钻进直径可达3.2m，并已经由横山基础工事公司完成了埋设工 法的实际应用，取得良好效果。另外，低空作业全 回转套管钻机的研发也达到了很高水平，例如惠比 寿机工公司的EMD双发动机系列钻机，最低工作 高度为3.6m。国内对于全回转套管钻机的研究还 属于起步阶段，2012年我国国土资源部勘测技术研 究所借鉴国外先进技术开发了QHZ-2000全回转套 管钻机，虽然其主在性能参数并不逊色于国外同类 钻机，但在结构和工艺上还存在很多不足之处。国外全回转套管钻机施工工法包括：日车的 Super Top工法、日立的CD工法、三和的SDR工法 以及德国LEFFER的RDM工法等。我国从20世纪90 年代开始逐渐引进全回转套管钻机进行施工建设， 部分国外工法也已经得到成功应用，如2003年7月 上海轨道交通4号线发生坍塌事故，Super Top工 法，成功地清除了隧道的地下结构物；2011年在北 京地铁4号线中关村车站出入口的施工中，CD工法2全回转套管钻机2.1全回转套管钻机的结构如图1所示，全回转套管钻机水平放置在地面 上，整机可以用专业起重机实现移动，其组成主要 分为水平调整装置、压拔装置、回转装置和夹持装 置4个部分。图1 全回转套管钻机的结构收稿日期 2014-08-19通讯 地址 王 选 卓 ， 江 苏 省 徐 州 市 经 济 开 区 驮 蓝 山 路36号108建筑机械 2014.12（1）水平调整装置。水平调整装置由装配在对角位置的4个支腿油 缸组成，通过人工操作可以调整套管的倾斜度。（2）压拔装置。 压拔装置主要由装配在对角位置的4个压拔油缸组成，通过带动钻机中盘移动进而实现套管的压 入和拔出。（3）回转装置。 回转装置主要包括钻机中层的驱动齿轮箱、2个回转马达、回转减速机以及传动装置等。（4）夹持装置。 夹持装置主要由4个夹持油缸、传动连杆以及楔形夹块组成。工作时夹持油缸推动钻机上层上下 移动，通过均布的6个楔形夹块获得横向夹持力， 实现套管的夹紧和松弛。2.2 全回转套管钻机的施工流程全回转套管钻机工作时主要分为钻进成孔和 混 凝 土 灌 注 成 桩 两 个 阶 段 ， 具 体 施 工 顺 序 如 图 2 所示。RT-150机型首先提出的，其施工工艺有以下几个特点：（1）采用全回转方式使套管的允许提升力大 幅度提高，如果出现套管卡死现象，液压泵会输出 一个瞬间高压，通过控制阀使压拔油缸压力瞬间提 高，大幅增大起拔力。（2）全回转方式施工是一种环保式作业，在 整个过程中不使用泥浆，因此残土的排除是施工的 一个重点。国内广泛采用的排土机械主要是冲抓 斗，这种设备成本不高、使用简单，通过起重机下 放抓斗到桩底取土，还可下放钢筋笼，协助灌注混凝土，工作十分灵活，但在地下水充足的地层取土效率明显下降。另外，旋挖钻机也可作为排土机械 使用，在软地层或砂质地层的取土效率较高，但造 价昂贵，影响施工效益，因此国内使用频率不高。（3）当套管钻进到硬岩地层时，岩石的破碎 直接影响到钻进的整体效率。目前碎石作业主要是 采用冲击锤击碎岩石，以减小岩石与套管的摩擦阻 力、提高效率。此外，高压水流喷射钻进方法也有 所应用，即把高压水管放至套管底部，钻进中喷射 高压水流，协助碎石的同时对钻具进行冷却，是一 种效率较高的钻进方法。3.2 摩擦力的计算在施工前要进行严格的地质调查与勘测，根 据勘测数据制定详细的施工方法，选取适当的钻进 机械以及钻具等。假设某施工工程的条件为（1）桩径：=2000mm；（2）深度：30m；（3）地质条件：010m粘土，N=10；-10-20m淤泥，N=15；-20-30m沙砾，N30。 其中N表示标贯实验的实测锤击数。 则套管的单位表面积可表示为（1）（2）（3）（4）图2 施工流程（1）调整钻机的位置和垂直度，压入套管；（2）套管旋转，一边切割地层一边钻进；（3）套管继续旋转，插入冲抓斗或旋挖钻机 取土、排土；（4）插入钢筋笼，灌注混凝土，拔出套管。 需 要 注 意 的 是 在 第 （ 1 ） 阶 段 钻 进 成 孔 过 程中，如遇到漂石或者硬岩等障碍物，可以利用冲击 锤等设备击碎障碍物并用冲抓斗或旋挖钻机取出。S=1m总的周面摩擦力可以表示（1）3Super Top工法3.1施工工艺Super Top工法是日本车辆在1988年7月针对iF = ) mi fi Si（2）1其中m土层厚度（m）；CONSTRUCTION MACHINERY 2014.12 109施工技术CONSTRUCTION TECHNOLOGYi地层层数；f土质的单位摩擦系数（t/m2）。 对于不同地层f的数值可查表1。 根据上述公式，设定的工程可以计算出的摩擦力F=106.76kN。表1 土质的单位摩擦系数根据该工程所述施工条件假设所采用发动机提 供 的 最 大 额 定 提 升 力 P= 2 3 8 0 k N ， 额 定 转 矩 下 可提供的横向力T=1860kN，套管质量CW=67.1t， 其 他 结 构 件 的 质 量 BW= 2 5 t ， 代 入 式 （ 3 ） 以 及 式（ 4 ） 可 以 计 算 直 接 提 升 时 所 允 许 的 最 大 提 升 力F =1459kN，而旋转提升时所允许的最大提升力为F 1=2360kN。对比可见，采用全回转方式提升时允许的最大提升力比直接提升时的提升力会大幅上升，因此全回转方式可以克服的套管周面摩擦阻力也更大。3.4 垂直度的设定全回转套管钻机使用的是高硬度钢板套管， 为防止套管变形，施工时不可在非垂直状态下钻 进。一般影响垂直度的因素有3个，一是地层的耐 力不足，二是套管埋入初期垂直度设置不准，三是 钻进中地下障碍物的影响。（1）地层耐力不足的对策。 在地层耐力不足的软地层施工时，由于土质松软，而大型设备自重大，往往会造成因地质下沉 难以保证垂直度的现象。这时可采用H型钢进行地 层的强度补充，如图3所示。3.3提升力的计算在实际施工时经常遇见地层下沉或者孔 壁坍塌现象，造成套管无法起拔，这是因为套管摩 擦力增大而造成的。另外，特定的地质条件，例如 细沙层在钻进过程中水分蒸发、土质硬化，摩擦力 也会增大。因此，在施工前必须充分了解施工的地 质条件以及所用机型的额定提升力、最大转矩等重 要参数。套管的提升分为直接提升和旋转提升，直 接提升所需的提升力大，但一般不会引起孔壁坍 塌，旋转提升所需提升力小，适合用于软土地层。直接提升时设备允许的最大提升力为平垫钢板压拨油缸F = P CW BW（3）其中P所选机型的最大额定提升力，一般工作效率认定为额定值的90%；F 起拔时允许的最大提升力；H型钢板图3 铺设H型钢H型钢要埋设在油缸正下方，H型钢埋入后， 要在地面上铺设平垫钢板，全回转钻机则在平垫钢 板上施工。H 型 钢 的 选 材 多 样 ， 一 般 软 地 层 可 以 采 用400400mm（厚10mm）、长度为510m。另 外，为了增加回转反作用力的支承能力，在固定处 还可采用特殊反力支架与H型钢结合使用的结构。CW套管质量；BW与 套 管 连 接 的 上 下 部 分 其 他 结 构 件质量。旋转提升时设备允许的最大提升力为22F = T +CP CW BW3（4）其中T额定转矩下的横向力。110建筑机械 2014.12地质条件单位摩擦系数f /（t/m2）混凝土 沙砾 N20淤泥、砂、粘土N20 软岩 硬岩0.1以下0.60.70.50.60.30.13.5钻具及套管的选取以 一 般 地 层 为 例 ， 钻 头 的 旋 转 方 向 设 为 右 旋，可采用外齿、中齿、内齿的钻具型号为DCS- M40KR、DCS-CM40K、DCS-M40KL，钻具齿形 如图6所示。反力支架为高强度钢材，可以承受较大力矩，如图4所示。特殊压 力支架H型钢板图4 反力支架的安装（2）初期垂直度的测定。初期垂直度的控制非常重要，直接影响到桩 孔的成孔质量，从而影响工程进度。目前在初期垂 直度测定上采用人工检测和自适应调节相结合的方 法。全回转套管钻机上装有倾角传感器以及支腿油 缸的位移传感器。自适应检测时保持支腿油缸在其 行程的一半位置，通过控制器自动调节钻机中盘的 水平度以保证套管的垂直度。在套管钻进后使用水 平仪重新测量X-X、Y-Y方向的水平度。（3）地中障碍物的影响与对策。 在钻进过程中地层里往往含有障碍物，这时垂直度会突然变化，转矩增大，这多半是由于受到 障碍物侧压的影响。这时一旦套管拔出，再次压入 时就要缓慢旋转压入以保证硬岩被充分切割。图5a所示，为全套管理机在地层中遇见的障碍 物被充分切割；图5b所示为障碍物与钻具碰撞，引 起套管倾斜，周面摩擦力增大，套管提升困难。内齿外齿中齿图6 钻具齿形钻具的数量可按照钻头的周长平均排列，一般为18或24个。排列的顺序为外齿、内齿的穿插 组合。套管的选取主要考虑结构和板厚，一般有两 种套管可供选取，一种是双层板结构，另一种为单 层板结构。双层板厚度大、不容易变形、结实，但 自重大、价格高；而单层板质量轻、价格便宜，但 变形后不易复原。套管类型如图7所示。内板外板a 双层板结构单层板b 单层板结构图7 套管的类型4结论在实际施工中，Super Top工法施工人员也可根据实际地质条件和施工条件进行改进。Super Top 工法虽然成熟，但也有一定的缺点，如全回转钻进 设备造价高，单位时间内施工单价上升；自身不具（下转第113页）ab图5 充分切割与侧压的产生CONSTRUCTION MACHINERY 2014.12 111舶的GM系数进行对比分析。将稳定性好、具有承压能力的货物放在底层；对电气设备及怕挤压设备 单独设置区域最后装船；对在摆动状态下稳定性较 差、甲板上不易绑扎的设备安排在舱内。在充分考 虑船舶平衡的基础上，有效利用舱容和甲板放货， 同时又利于货物的绑扎。（2）对体积大和较重设备，在保证船舶整体 平衡及良好的稳性前提下，确定位置，再用其他不 规则零部件进行合理配置填充，充分利用空间。在船舶预配载确定之后，绑扎公司根据配载 情况，针对设备在舱内和甲板的摆放位置，做好隔 垫、支撑和绑扎加固工作，最后制定实施方案交海 事部门审批并备案。的平板车，做到放正放稳，不偏载不集重。（2）在吊运过程中，由专职安全员对吊索具 的栓挂、设备起吊后的平稳状况、各个吊索具的受 力情况、运行轨迹上障碍物以及落货点准备、人员 安全位置等进行全面检查司索人员在每次吊索具 栓挂之前进行全面检查，包括钢丝绳断丝、磨损情 况，承重横梁焊缝等。对无固定吊点、重心不在几 何中心上的设备，起吊过程中要严格检查设备平衡 性、吊索具受力情况等。在装船时，指导员按照货 物配载，先装船舱四周向舱口围，舱内至甲板的顺 序组织装船；设备逐层堆码，摆放整齐，舱内设备 移动时用叉车辅助作业。（3）装船过程中，首先在各舱底层装重、大件设备，在确定摆放位置之后，门座起重机预先在 空载状态下进行定位，便于起重机在重载入舱时的 调整。虽然已有设备装船的预配载计划，但要根据 实际情况进行调整。小件设备全部运到码头，采取 积木配载法装船，即对舱内各个部位，圆筒设备内 部、设备之间、设备与舱壁间的有效空间进行测 量，选择相应尺寸的小设备填充，使舱容的利用率 最大化。在装第二层设备时，必须注意操作的安全 性。需在底层圆筒设备上放置操作平台，便于操作 人员进行设备位置调整、工属具的栓挂等。在整个作业过程中，注意保持船体平衡，横 倾不超过3。同时对设备进行逐层隔垫、绑扎， 既保证作业安全，又保证航运安全。通过慎密组织 和精心操作，经海事部门检查验收合格，该船舶成 套设备顺利装船启运。3成套设备的集港、装船和绑扎码头装船吊运采用M25t/35m门座式起重机， 其额定起重能力40t，最大回转半径25m；库场装 卸吊运采用全液压50t轮胎起重机，在臂长19m、 幅度5.5m的状态下最大额定起重量为37t。由于货物体积较大，重量已接近起重机额定 起重量，为保证装卸工作的安全可靠，需认真落实 各