5000型钻机创新研制技术

2017-12-28周治民

中国设备工程 2017年24期

关键词：平潭成孔钻杆

周治民

（中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉 430050）

5000型钻机创新研制技术

周治民

（中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉 430050）

5000型液压动力头钻机是用于桥梁超大直径、深海长桩、硬岩地质的钻孔桩钻孔施工关键设备。其最大钻孔直径5 m、最大扭矩45 t m、最大钻深180 m，是国内最大的桥梁钻孔桩施工钻机，其主要技术参数和性能满足平潭海峡大桥4 m、4.5 m大直径钻孔桩施工要求，并预留满足未来沿海桥梁大直径钻孔桩施工要求。

5000型钻机；大直径钻孔桩；基础施工；平潭大桥

1 钻机研制背景

1.1 项目施工需要

平潭海峡公铁两用跨海大桥主墩基础采用φ4.0 m、φ4.5 m两种超大直径柱状钻孔支承桩，属国内首次。该桥施工区域夏有台风、冬有季风，1年刮6级以上大风天数达330天，而桥梁基础施工占时较大，更需先进钻机实现快速施工。

目前国内现有最大桥梁钻机为4000型钻机，其当岩层强度≤120 MP a时最大钻孔直径为φ4.0 m（当岩层强度≤200 MP a时最大钻孔直径为φ3.5 m），最大扭矩为30 t·m，最大钻孔深度为130 m，其最大钻孔直径和扭矩能力均不能满足平潭大桥钻孔桩施工要求。

1.2 行业发展需要

钻机广泛地应用于大型桥梁、风电建设、建筑等领域的基础施工，桥梁钻机制造商有德国B A UE R公司和WI RT H公司、英国S E A C ORE公司、韩国B UMA公司等，国内有武桥重工公司等。国内外桥梁钻机钻径均不超过φ4.0 m，超过φ4.0 m的桩需多级扩孔施工，成孔效率低、能耗大，不满足现在快速成孔、快速施工、节能环保施工的要求。随着超大建筑物发展趋势，钻机需向满足超大、超深桩基施工需要发展。

综上，为满足平潭大桥桩基施工要求，以及适应和推动未来江河湖泊和沿海桥梁超大直径、超深钻孔桩基础施工技术发展，研制了国内最大的钻机5000型钻机，最大钻孔直径φ5.0 m，最大扭矩45 t·m，最大钻孔深度180 m。

2 钻机技术方案

2.1 方案概述

5000型钻机（见图1）主要由钻机钢结构、动力头及滑移横梁、钻具、液压站、电气控制系统及司机室等组成。其工作原理为：通过动力头驱动钻杆旋转，带动钻头旋转切削、破碎孔底岩石或泥土，并通过气举反循环方式排出钻渣，不断钻进形成桩孔。其动力传递为：电动机→液压泵→液压马达→动力头→钻杆→钻头。

2.2 主要技术参数（见表1）

图15000 型钻机外观图

3 钻机创新关键技术

（1）钻孔直径大、钻孔深度大、扭转大，是国内最大的桥梁钻孔桩基础施工钻机，核心参数达到了国内领先、国际前列。

（2）研制的 8台5000型钻机已成功完成了平潭大桥4 m、4.5 m钻孔桩施工，实践证明成孔效率高、成孔质量好。其4.5 m钻径刷新了国内桥梁钻孔桩最大直径记录（此前最大为3.8 m直径）。

（3）钻架立柱采用箱型结构，采取有限元分析方法优化结构设计，强度和刚度更大，提高了抵抗动力头扭矩的能力。底盘与钻架的连接耳座设计有对位梯形槽，安装钻架时对准梯形槽后连接销轴自动对位，安装方便快捷。钻架与底盘连接销轴设置了快速插拔销装置，方便钻架倒架插拔销，减小人工劳动强度，提高钻机自动化程度和施工效率。

（4）底盘设置有调平装置，能满足底盘调平要求，从而保证钻孔垂直度。设有整机吊装装置，方便快速移位。

（5）活动式封口盘通过油缸可实现封口大小的调节，可适应不同孔径施工要求；当钻孔施工时，两封口盘对接处设计有封口翻板，可实现孔位的全封闭，防止人员或物件坠落至桩孔内，提高了钻机安全性。并创新的采用了对开翻转式或两级平移折叠式封口盘，既满足大孔径封口要求，又能减小底盘尺寸，便于施工作业多机同时布置。

表15000 型钻机主要技术参数

（6）动力头采用大扭矩大传动比传动，采用变频电机、变量泵和变量马达驱动，可实现无级调速和过载自动保护，可调节选取最佳钻速和扭矩施工，节能高效。采用了旋转轴用齿形组合密封圈和镀陶瓷先进工艺，提高了密封效果，增加了密封圈的寿命。承重轴承和防跳轴承的使用，提高了抗冲击能力和运转的平稳性。

（7）采用全液压驱动系统，设置3台液控柱塞变量主泵，其中2台主泵给动力头钻进提供动力，1台主泵给动力头旋转提供动力，其中3台主泵还可合流为动力头旋转提供强大动力。液压站设有水冷却器，以降低油温，保证钻机连续运转。液压管采用快换锥式密封方式，方便现场安装使用。

（8）采用恒减压自动钻进技术，通过设置钻压后，系统会自动保证在该钻压下恒压自动跟进钻孔施工，可大大减小操作人员施工强度，提高设备自动化水平。

（9）智能操作系统，通过传感器对钻孔垂直度、钻进深度、钻进扭矩等参数的检测，可实时记录钻机运行数据并做相关处理，智能操作系统可根据地质情况和施工情况，自动选择最优钻孔钻压、钻速和扭矩方案，有效保证成孔效率和成孔质量。其与手动操作钻进系统互锁，保证安全。

（10）利用互联网+技术，可以远程实时监控钻机的运行状态，包括工作参数和视频，方便后台远程管控，实现管理人员对钻机施工情况的远程掌握和管理。

（11）钻机排渣采用气举反循环系统，并增加中间储能系统，提高了超深孔的气举排渣能力。

（12）钻杆采用双壁独立通道结构形式，采用新材料、新工艺，改善了钻杆受力状况，提高钻杆使用寿命。在可容许范围内，钻杆长度加长至4 m，以满足最大钻深180 m情况下尽量减少钻杆接头，减少钻杆装拆频次提高工效，也降低连接螺栓断裂掉钻头风险。钻杆连接法兰上配有螺栓防转动凹槽，装拆钻杆更便利。钻杆内风管为可拆式钢编织胶管结构，可随时更换，抗扭转、抗剪切效果更好。

（13）钻头采用复合式截锥底结构形式，刀具采用罐式鞍式混合布置，提高了钻头的破岩能力，有效的解决了大直径钻头孔底排渣不畅问题。刀具合理布置，提高破岩效率和延长刀具寿命。

（14）钻机能满足5 m及以内多种直径钻孔桩施工。钻头和钻头鼓形稳定器均采用了可变直径方式，均采用中心基本直径块外接加径环块的模式，既满足钻机通过改变钻头和稳定器直径而适应5 m及以内不同直径钻孔桩的要求，又最大程度充分利用现有钻头和稳定器的中心基本直径块，经济适用。

（15）整机采用了先进的油漆涂装防腐工艺，满足海上强腐蚀环境施工作业要求。钻杆采用内壁加厚、外壁涂油漆以抵抗海水腐蚀。