§5.3灌注桩施工机械

§5.3　灌注桩施工机械

5.3.1　冲抓成孔机械

图5.3.1　为冲抓成孔机械的外形构造，该机械是在一台履带式基础车上安装动力装置、卷扬机、钻架、冲抓锥、泥浆泵和卸渣槽等设备组合而成的。在履带式基础车的机架前部安装着可以竖起和放倒的钻架2，在钻架上悬挂着一个冲抓锥3和可以左右回转的卸渣槽4。作业时，卷扬机通过钢丝绳将抓斗提升到一定的高度，使抓斗的瓣片处于张开状态，然后依靠抓斗自重快速下落，瓣片依靠冲击能切入土中，接着，卷扬机旋转，收紧钢丝绳，将瓣片闭合，斗内则抓取了土或石渣，最后将冲抓锥提升至地面并转向孔的侧面，卸去斗内的土、石渣等物，完成一个作业循环。

1—履带式基础车;2—钻架;3—冲抓锥;4—卸渣槽;5—套管

图5.3.1　冲抓成孔机示意图

实际工程中常用的冲抓锥有双瓣式和四瓣式两种，其瓣片的构造型式也不一样，如图5.3.2所示。一般双瓣锥适合冲抓砂土，四瓣锥(强齿式四瓣锥)适合冲抓含砂砾石的土壤。由于冲抓锥的构造型式不同，其操纵方法也不一样，如单绳索操纵式或双绳索操纵式等。

图5.3.2　冲抓锥构造示意图

使用冲抓机械成孔的施工方法一般有泥浆静水压护壁法和全套管护壁法两种，若采用泥浆静水压护壁法施工需另设一台泥浆泵;采用全套管护壁法施工则需设有专用的套管压拔装置。

冲抓成孔机械的规格与技术性能指标如表5.3.1所示。

表5.3.1　冲抓成孔机械的规格与技术性能指标表

5.3.2　螺旋钻孔机械

螺旋钻孔机的工作原理与麻花钻相似。作业时，钻渣(泥土、砂石)可以沿螺旋槽自动排出孔外，钻出来的桩孔规则，且不需要泥浆护壁和高压水清底，钻孔达到要求的深度后，提出钻杆、钻头，浇筑混凝土，待其凝结、硬化后，便形成所需要的基础桩。螺旋钻孔机具有成孔效率高、振动小、噪声低和污染小等优点，是我国桩机发展较快的一种类型。

螺旋钻孔机所用的工作装置一般是长螺杆，有些情况下也采用断续排土的短螺杆，还有一种可以钻成带扩大头桩孔的双螺钻。

1.长螺旋钻孔机

长螺旋钻孔机分汽车式钻孔机和履带式钻孔机两类，由钻架和钻具组成，适合于地下水位较低的粘土及砂土层施工。

(1)长螺旋钻具的结构

长螺旋钻具由动刀头、钻杆、中间稳杆器、下部导向圈和钻头等组成，如图5.3.3所示。钻孔器通过滑轮组悬挂在桩架上。钻孔器的升降、就位由桩架控制。为保证钻杆钻进时的稳定和初钻时插钻的准确性，在钻杆长度处，安装有中间稳杆器，在钻杆下部装有导向圈。导向圈固定在桩架立柱上。

1—滑轮组;2—动力头;3—连接法兰;4—钻杆;

5—中间稳杆器;6—下部导向阀;7—钻头

图5.3.3　长螺旋钻具构造图

1)动力头

动力头是螺旋钻机的驱动装置，有机械驱动和液压驱动两种方式，由电动机(或液压马达)和减速箱组成。国外多用液压马达驱动，液压马达自重轻，调速方便。螺旋钻机应用较多的为单动单轴式，由液压马达通过行星减速箱(或电动机通过减速箱)传递动力。单动单轴式钻机动力头具有传动效率高，传动平稳的特点。

2)钻杆

钻杆在作业中传递力矩，使钻头切削土层，同时将切下来的泥土通过钻杆输送到地面。钻杆是一根焊有连续螺旋叶片的钢管，长螺杆的钻杆分段制作，钻杆与钻杆的连接可以采用阶梯法兰连接，也可以用六角套筒并通过锥销连接。螺旋叶片的外径比钻头直径小20～30mm，这样可以减少螺旋叶片与孔壁的摩擦阻力。螺旋叶片的螺距约为螺旋叶片直径的0.6～0.7倍。长螺旋钻孔机钻孔时，孔底的土壤沿着钻杆的螺旋叶片上升，把土卸于钻杆周围的地面上，或通过出料斗卸于翻斗车等运输工具运走。切土和排土都是连续的，成孔速度较快，但长螺旋的孔径一般小于1m，深度不超过20m。

3)钻头

钻头用于切削土层，钻头的直径与设计的桩孔直径一致。为提高钻孔的效率，适应不同地层的钻孔需要，长螺旋钻应配备各种不同的钻头，如图5.3.4所示。

图5.3.4　长螺旋钻头型式简图

①双翼尖底钻头。双翼尖底钻头是最常用钻头型式，其翼边上焊有硬质合金刀片，可以用来钻硬粘土或冻土。

②平底钻头。平底钻头的特点是在双螺旋切削刃带上有耙齿式切削片，耙齿上焊有硬质合金刀片。平底钻头适用于松散土层的钻孔。

③耙式钻。耙式钻在钻头上焊了六个耙齿，耙齿露出刃口5cm左右，适用于有砖块瓦块的杂填土层的钻孔。

④筒式钻头。筒式钻头在筒裙下部刃口处镶有八角针状硬质合金刀头，合金刀头外露2mm左右，每次钻取厚度小于筒身高度，钻进时应加水冷却，适用于钻混凝土块、条石等障碍物。

4)中间稳杆器

中间稳杆器用钢丝绳悬挂在钻机的动力头上，并随钻杆动力头沿桩架立柱上下移动，而导向圈则基本上固定在导杆最低处。

(2)钻杆的速度

钻杆的回转速度是影响输土速度的重要参数之一。由于钻杆的转动，钻头切下来的土块被送到螺旋叶片上，由螺旋叶片向上输送。在螺旋叶片中运动的土受力比较复杂，土能在螺旋叶片中上升有两个原因，即土块间的推挤作用和离心作用，即土在螺旋叶片中上升的作用力有两种:推挤上升力和离心上升力。所谓推挤上升力是先切下来的土被后切下来的土推挤而产生的力;离心上升力是指土块受到自身的离心力所产生的摩擦力沿叶片方向上的分力。低转速时，推挤上升力占主导作用，土与叶片间的摩擦力大，损耗功率大。当孔深较大时，容易形成“土塞”，此时，不得不把钻杆提起，清除螺旋叶片的土，然后放下再钻。钻杆的转速越大，离心上升力越大，而推挤上升力越小，当达到某一定的转速时，推挤上升力为零，此时，即使只有一个土块也能顺利排到地面，这个转速称为临界转速。临界转速公式为

式中:r——钻杆角速度;

α——螺旋叶片外缘螺旋角;

f₁——土块与孔壁的摩擦系数;

f₂——土块与叶片之间的摩擦系数;

R——螺旋叶片半径;

g——重力加速度。

当超过临界转速时，土块之间无挤压，不发生“土塞”现象，可以大大提高输土速度和作业效率。

2.短螺旋钻孔机

短螺旋钻机的钻杆与长螺旋钻机钻杆的结构相似，主要不同点在于前者的螺旋叶片较短，即钻杆下部焊接仅2m左右的螺旋叶片。由此，两者作业方式有很大的差别。短螺旋钻的工作过程是将钻头放下进行切削钻进，切下来的土堆积在螺旋叶片之间，当土堆满后把钻杆连同所堆的土提起卸掉。可见，短螺旋钻的提土方式不同于长螺旋钻，长螺旋钻依靠螺旋叶片直接输土，提土是连续的;短螺旋钻依靠提钻卸土，提土是间断的。

短螺旋钻有两种转速:钻进转速和卸土转速。由于短螺旋钻不需依靠离心力输土，所以，短螺旋钻的钻进转速不需超过临界转速。当土堆满螺旋叶片后拔起钻杆，并把钻杆移到卸土地点，通过旋转钻杆把螺旋叶片中的土甩开，此时的速度称为卸土速度。为提高卸土效率和卸净性，卸土速度选得较高。此外，由于短螺旋钻杆自身的重量较小，在钻进时需要加压;而在提钻时，因为携带着大量的土而形成土塞，所以，需要有较大的提升力。短螺旋钻机提钻和下钻频繁，每次下钻都需准确定位，所以，为提高钻孔效率和质量，应有高效、精确的定位装置。

图5.3.5是一种装在汽车底盘上的液压短螺旋钻机。钻杆以护套1罩住，使其不被泥土污染。钻杆下部焊有螺旋叶片5(约1.5m)，叶片下端有切削刃。液压马达4通过变速箱驱动钻杆，钻杆的钻进转速和卸土速度分别为:45r/min和198r/min。短螺旋钻架的传动机构放在下端，这是为了降低重心，提高整机的作业稳定性。

1—护套;2—加压油缸;3—变速箱;4—液压马达;5—钻头

图5.3.5　短螺旋钻示意图

3.双管双螺旋钻扩机

桩的下部带有扩大头的桩称为扩头桩。扩头桩的桩孔可以用钻扩机来完成。钻扩机有多种型式，图5.3.6为一种双管双螺旋钻扩机钻具的总体示意图。该钻具是由两根并列的无缝钢管10组成。钢管内各有一根螺旋叶片5。两根钢管由若干隔板焊在一起，外面有护罩4。在两根钢管的侧面开有若干出土窗口。在两根钢管下端各铰接一段相同直径的钢管6(称为刀管)，刀管内装有螺旋叶片轴，上、下叶片轴用万向节连接。所以，刀管内的螺旋叶片可以随刀管向外张开的同时，也可以在上部钢管的螺旋叶片轴带动下转动。刀管的张开和并拢是由扩孔液压缸3通过推杆8来驱动。在刀管下端装有钻孔刀刃7，在刀管侧面装有扩孔刀刃9。

在开始工作时，下面的两条刀管是并拢的。电动机通过减速器使两根并列的管子绕其共同的轴线旋转(公转)，同时使两根螺旋叶片轴高速旋转(自转)。这时钻孔刀切土，钻出一个圆孔。钻孔刀把切下来的土送进管子里，土被管内高速旋转的螺旋叶片抛向管壁。这里的输送原理与长螺旋钻机的工作原理相同，其不同之处是:在长螺旋钻机里土是被抛向孔壁，而在钻扩机里土是被抛向钢管壁。土被离心力压在管壁上，由于摩擦力的作用，土和叶片之间有了相对运动，这样土块就沿着叶片上升。土块上升到地面以上，就被叶片从管子的出土窗口中甩出来。在地面以下时，由于出土窗口被桩孔壁所封闭，土块不会抛出管外。钻扩机钻直孔的情况如图5.3.7(a)所示。

当直孔钻到预定深度时，就开动液压机构使两条刀管逐渐张开，这时扩孔刀开始切土，如图5.3.7(b)所示，这样就切出一个圆锥头。被扩孔刀切下来的土从侧刃旁的缝中进入管内，然后送到地面上来。扩大到设计直径后，把刀管收拢从孔中提出，即完成一个带扩大头孔的成孔工作。浇筑混凝土后，即成了一个如图5.3.7(c)所示的扩头桩。

双管双螺旋钻扩机巧妙地利用了两条并列的螺旋钻头，既完成了钻孔又完成了扩孔，钻进和扩孔是用同一个钻具。并且钻扩机在工作时一面切土、一面输土，工作是连续的，生产效率较高。

钻扩孔在钻冻土时，应当采用硬质合金刀头作钻孔刀，而扩孔刀仍用锰钢制成，因为扩孔总是在软土内进行的。

1—电动机;2—行星减速器;3—扩孔液压缸;

4—钻杆外罩;5—螺旋叶片轴;6—刀管;

7—钻孔刀刃;8—推杆;9—扩孔刀刃;10—无缝钢管

图5.3.6　双管双螺旋钻扩机钻具的总体示意图

由于刀管要偏转，所以装在管内的螺旋叶片轴也必须跟着偏转，因此在上、下管铰接处的叶片是断开的，下叶片搭在上叶片上。这种处理方法既不妨碍土块的输送，也使叶片的运动不产生相互干涉。

基础的底角α为45°为宜，但上述钻扩机只能切出底角α为60°的扩头孔，如图5.3.7(c)所示。之所以这样，是受到万向节转角的限制，当采用双万向节时，则可以切出底角α为45°的扩头孔，如图5.3.7(d)所示。采用双万向节不仅使刀管偏转角增大，还使刀管内高速旋转叶片轴的转速更加均匀，减少振动。

4.螺旋钻孔机的主要技术性能

螺旋钻孔机的主要技术性能指标如表5.3.2所示。

图5.3.7　钻扩机钻、扩孔工艺示意图

表5.3.2　螺旋钻孔机的主要技术性能指标表

5.3.3　回转斗钻孔机械

回转斗钻孔机使用特制的回转钻头，在钻头旋转时使切下的土进入回转斗，装满回转斗后，停止旋转并提出孔外，打开回转斗弃土，再次进入孔内旋转切土，重复前述步骤进行直至成孔。

回转斗钻孔机由伸缩钻杆、回转斗驱动装置、回转斗、支撑架和履带桩架等组成，如图5.3.8所示。也可以将短螺旋钻头换成回转斗作为回转斗钻孔机使用。

1—伸缩钻杆;2—回转头驱动装置;3—回转斗;

4—支撑架;5—履带桩架

图5.3.8　回转斗成孔机示意图

回转斗是一个直径与桩径相同的圆斗，斗底装有切土刀，斗内可以容纳一定量的土。回转斗与伸缩钻杆连接，由液压马达驱动。工作时，落下钻杆，使回转斗旋转并与土壤接触，回转斗依靠自重(包括钻杆的重量)切削土壤，即可以进行钻孔作业。斗底刀刃切土时将土装入斗内。

装满斗后，提起回转斗，上车回转，打开斗底把土卸入运输工具内，再将钻斗转回原位，放下回转斗，进行下一次钻孔作业。为了防止坍孔，也可以用全套管成孔机作业。这时可以将套管摆动装置与桩架底盘固定。

利用套管摆动装置将套管边摆动边压入，回转斗则在套管内作业。灌注桩完成后把套管拔出，套管可以重复使用。回转斗成孔的直径现已可以达到3m，钻孔深度因受伸缩钻杆的限制，一般只能达到50m左右。

回转斗成孔法的缺点是钻进速度低，功效不高，因为要频繁地进行提起、落下、切土和卸土等动作，且每次钻出的土量又不大。尤其在孔深较大时，钻进效率更低。但回转斗钻孔机可以适用于碎石土、砂土、粘性土等土层的施工，地下水位较高的地区也能使用。