SP30全液压循环钻机的研发与应用

李士战，王宇清，李道华

（上海金泰工程机械有限公司，上海 201805）

1 概述

目前，钻孔灌注桩的主要施工设备有旋挖钻机、回转钻机、冲击钻机、螺旋钻机、潜水钻机、车载钻机等种类，其中回转钻机虽然存在设备安全性差、施工效率低、人工用工量多、设备操作劳动强度大、劳动环境恶劣等诸多缺点，但因其设备操作简单、运行成本低、适应地层能力强、应用面广等突出优势，经过几十年的使用和改进已经成为桩基成孔的主流机械，目前市场上还在应用的有近万台之多。

自1983年上海探矿机械厂（上海金泰工程机械有限公司前身）首创研发GPS系列回转钻机以来，各厂家争相仿制同类产品，近三十年来设备的主体结构形式基本无更新。随着新时代的发展要求和新技术的升级换代，上海金泰工程机械有限公司再次承担回转钻机的创新使命，2012年成功研发了SP30全液压循环钻机，工地应用实践证明该设备稳定可靠、操作安全舒适、施工效率高、成孔质量好、劳动强度低，为国内外的钻孔灌注桩施工领域提供一款高效率的专业化施工设备。

2 钻机主要技术参数

根据目前市场上传统机械式回转钻机的应用情况，经过多轮的市场调研和讨论分析，并结合试制钻机投放市场后的优化改进和反馈情况，最终确定了SP30全液压循环钻机的主要技术参数如下所示，能够满足国内外大多数钻孔灌注桩的施工需求：

（1）主机高度13m

（2）主电动机功率2×45kW

（3）主泵流量2×130L／min

（4）主液压系统压力320bar

（5）回转扭矩30kNm（转速为28r／min时）

（6）回转速度0～120r／min

（7）水龙头通径正循环100mm、反循环150mm

（8）主、副钢丝绳提升能力200kN

（9）行走速度1km／h

（10）履带板宽度600mm

（11）底盘宽度2800mm

（12）主机质量18t（不含钻具）

（13）主机运输尺寸12m×2.8m×3.4m

3 钻机主要部件组成和性能特点

SP30全液压循环钻机主要由可旋转天车、桅杆、水龙头、动力头、驾驶室、钻杆箱、履带底盘、钻具系统、提升系统、动力系统、液压系统、电气控制系统等部件组成，以上各部件通过先进的机电液一体化技术进行组装成套，再辅之以泥浆泵、抽水泵、砂石泵等泥浆循环装置，可实现正、反循环钻进工艺的施工作业。图1为SP30全液压循环钻机施工状态简图，图2为SP30全液压循环钻机运输状态简图，图3为SP30全液压循环钻机在杭州德胜东路快速路工地的施工现场图。

图1 SP30全液压循环钻机施工状态简图

图2 SP30全液压循环钻机运输状态简图

针对传统机械式回转钻机在钻孔施工过程中存在的技术缺陷，考虑当代社会日益重视对节能环保和文明施工的现实要求，在结合目前桩工机械行业机电液一体化先进技术的基础上，充分利用我公司多年研发地下基础施工设备的技术经验，我公司在SP30全液压循环钻机的产品研发过程中给出了相应解决方案，并在试制产品的施工作业过程中得到逐步改进优化和完善到位，具体情况如下：

（1）传统机械式回转钻机的转盘机构为纯机械传动方式，自制变速箱、万向轴等机构很容易出现机械故障，出现孔内卡钻等严重情况时变速箱齿轮将崩断。

解决方案：配置自带负载敏感控制功能的液压动力系统，恒功率变量泵配套液控变量马达，PVG32主阀自带摩擦定位功能可实现无级调速，两个变量泵可分别启动也可实现联动，在孔径小地层软的情况时可单泵轮流工作，在遇到卵石层、岩层等较硬较复杂地层时可双泵联动工作，另外可实现自动卸荷功能避免液压系统和机械结构受到损坏，在节约用电的同时可延长主泵使用寿命。

（2）传统机械式回转钻机移孔位时的走管方式太过原始，操作不方便，工人的劳动强度大，又浪费时间，如果两个桩孔距离稍大时必须借用吊车辅助移位。

图3 SP30全液压循环钻机在杭州德胜东路快速路工地施工现场图

解决方案：配置自行走功能的履带底盘，液压马达驱动，通过左右两个操作手柄的联合动作实现主机的前进、后退和转向功能，钻机移位更加方便，节省了人力和时间，总体来看大大提升了钻机的钻进效率，也充分体现了现代社会的自动化水平。

（3）传统机械式回转钻机配置纯机械传动结构方式的卷扬机，由于都是齿轮传动、四连杆操纵控制、抱闸结构等纯机械传动形式，联动复合动作繁多造成操作过程复杂，操作人员的劳动强度高，另外很容易出现机械故障造成误工损失。

解决方案：配置提升能力200kN的两个高压油缸替代原来的主副卷扬机，通过一个具有导向作用的油缸悬挂装置与桅杆连接在一起，可随桅杆的起塔放塔上下自由滑动，分别实现施工状态和运输状态，一个主提升油缸实现主动钻杆与水龙头的上下提拉，一个副提升油缸实现圆钻杆加接、下放钢筋笼和灌注混凝土功能，操作使用起来简单方便快捷，达到经济实用的目的，结构简单不容易出现机械故障。

（4）传统机械式回转钻机的钻杆闲置时在施工现场胡乱摆放，钻杆加接和转场时经常发生因磕碰损伤钻杆的情况，不符合目前社会文明施工的新要求。

解决方案：在钻机平台上配置钻杆箱，使得钻杆可随主机一起移动，并且利用副提升油缸、辅助吊卷扬机、吊抓和滑车实现加接圆钻杆功能，增加钻机移位的机动灵活性。需要特别指出的是，该钻杆箱是可折叠结构，运输状态时将上架体合起来以防止整机超宽，在施工现场将上架体翻开以方便圆钻杆的加接和摆放。

（5）由于传统机械式回转钻机门式框架结构的活动区域限制，在加接钻杆时需要辅助人员爬到门式框架顶部操作以便主动钻杆让开孔口，费时费力且存在安全隐患。

解决方案：配置可旋转天车和摆臂式辅助吊卷扬机，天车架可液控对中转动确保两个出绳方向分别对准孔口，正常钻进时主钢丝绳对准孔口实现上下提拉功能，加接钻杆时主钢丝绳让开孔口的同时副钢丝绳对准孔口，摆臂式辅助吊卷扬机配合副提升油缸实现圆钻杆从钻杆箱提出，大大减轻劳动强度的同时确保钻机施工的安全。

（6）传统机械式回转钻机的钻具系统主要存在水龙头漏浆、圆钻杆连接密封容易损坏、自重加压方式太笨拙等问题；

解决方案：一方面，合理借用我公司多轴钻机的回转密封技术，可随时对水龙头加注黄油，彻底解决水龙头漏浆问题；一方面，将原有的两处定位销调整为四处定位键，增加定位键的传扭能力从而解决钻杆连接密封问题；另外，在副提升油缸钢丝绳绳头上设计弹簧结构的加压装置，利用弹簧的弹性变形实现自动加压功能。

（7）传统机械式回转钻机的操作机手长期遭受日晒雨淋，劳动环境恶劣，在一定程度上影响了操作工人的劳动效率和工作积极性。

解决方案：配置专用驾驶室内设有雨刷、风扇、空调、照明灯等设施，操作手柄和电气按钮都安装在操作台面上，操作机手可以在驾驶室内集中控制钻机并随时观察钻进情况，避免操作机手长期遭受日晒雨淋，实现人性化设计，大大优化了操作机手的劳动环境。

4 钻机使用情况

SP30全液压循环钻机自2012年7月份投放市场以来，先后有近10台设备在南京新华城、昆山绕城快速路、上海南京西路大中里工地、上海世博园合景广场、杭州德胜东路快速路、台州江南明珠、宁波新江桥、通州南山湖一号等项目进行了施工作业，施工口径最小为800mm，最大为1500mm，最浅为28m，最深为94m，黏土、粉砂、砂岩、泥岩、砾石等各种地层均有施工。

在南京新华城工地，孔径1m孔深78m的工程桩，0～50m为泥岩层，50～70m为砾石层，70～78m为灰岩层，钻进成孔用时51h，进尺效率为1.53m／h。同一工地，GPS20型钻机净钻进成孔用时118h，SD28旋挖钻机钻进成孔用时36h。

在宁波新江桥工地，孔径1.5m孔深94m的桥梁桩，0～10m为江底沉沙，10～30m为淤泥质黏土，25～45m为粉质黏土，45～75m为中砂夹杂粉质黏土，75～85m为圆砾，75～94m为含黏性土角砾和中风化粉砂岩，钻进成孔用时16h，进尺效率为5.88m／h。同一工地，GPS22型钻机净钻进成孔用时44h。

在昆山绕城快速路工地，孔径1.5m孔深61m的桥梁桩，20m以上为黏性淤泥，20～40m为粉砂，40m以下为砂岩，钻进成孔用时12h，进尺效率为5.08m／h。同一工地，GPS20型钻机净钻进成孔用时26h，SR280旋挖钻机钻进成孔用时8h。

在杭州德胜快速路工地，孔径1.2m孔深70m的桥梁桩，15m以上为细砂，15～30m为粉砂，30～58m为卵石，58～70m为强风化泥岩，钻进成孔用时48h，进尺效率为1.46m／h。同一工地，GPS20型钻机净钻进成孔用时6天以上，由于该工段的地层情况太过复杂，老钻机施工相当困难。

在通州南山湖一号工地，孔径800mm孔深70m的工程桩，地层基本为沉积砂层，夹带少许粘土层，钻进成孔用时4h，进尺效率为17.5m／h。同一工地上用潜孔钻机成孔用时5.5h，效率提升明显。

综合以上实际应用情况，SP30全液压循环钻机在桥梁桩的施工过程中施工效率都有两倍以上的提升，在工程桩和围护桩的施工过程中施工效率也提升了50%以上，从实践中进一步说明立项之初确定的“高速小扭矩”设计思路是正确的，真正实现了“快速切削”的钻进目的，完全达到“效率翻番”的研发目标。

5 结束语

实际施工应用证明，SP30全液压循环钻机在各种地层的施工效率都达到了预期目标，主要技术参数和整机布局设计合理，主要使用性能稳定可靠，最大孔径2m，钻深可达100m，完全满足大多数国内钻孔灌注桩的施工作业需求。另外，与目前国内外市场上的传统机械式回转钻机相比，SP30全液压循环钻机的整机稳定性更好，施工效率更高，成孔质量更好，劳动强度更低，维护保养更简单，性价比更高，面对国内如火如荼的基础建设，是一款具有巨大市场前景的专业化施工设备。

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