工程机械欧盟标准钻机——DINEN791

W.Ensinger

0 引言

岩土工程施工属于工程机械中特种机械的施工范围，其中工程钻机、压桩机、水平定向钻机、旋喷桩机、注浆机等统一被称为大钻机。

在岩土工程施工中，施工工艺和装备对于工程机械的要求是在国家法律中的安全规范章节里规定的。“VBG41压桩机”和“VBG40土工机械”是针对岩土工程施工机械方面的两个最基本和具有权威性的国家法律条文。

在欧洲统一促进会行业标准框架内，对于设备改装有严格明确的规定，并且要按照欧洲统一指导委员会对机械设备安全性的解释来操作。机械规范（EWG89/392、91/368、93/44和93/68）包含了对机械设备的基本安全要求，德国设备安全法第九条例对此作出了相关的规定。

欧盟标准化组织的工作，使规范要求更加具体化。针对施工和施工机械的安全性，欧盟标准化组织成立了151技术委员会，它的主要工作是制定如下两部标准：

——DIN EN 996“压桩机配置——安全性要求”（WG2）

——DIN EN 791“钻机——安全性”（WG3）

欧盟标准化组织的所有成员在1995年对编制的成果提交表决结果，大多数的标准草案被采纳。按照有关约定的协议，这个标准于1996年上半年在所有的欧盟成员国中得到一致的推广。

当前的草稿已经作为新的标准被确定下来，并且由相关部门来解释。完整的标准文本可以通过出版社来订购。

这篇文章分为2部分，第1部分讲述DIN EN 791“钻机——安全性”，第2部分讲述DIN EN 996“压桩机配置——安全性要求”，对于压桩机和吊车的要求，同样也适用于连续墙抓斗和注浆设备，今后这部分内容同样会在岩土工程施工杂志中公开发表。

1 DINEN791的制定

受欧盟委员会和欧盟自由贸易协会的委托，在1995年制定出“钻机——安全性”的标准化草案，这个工作组由U.Ritzler（瑞典）先生领导。

依据国际上的表决程序，表决取得了完美的结果，因此这个标准于1996年1月在德国作为DIN EN 791标准公开发表并出版。

2 DIN EN 791“钻机——安全性”的内容

2.1 适用范围

这个标准包含了施工和装备对于钻机的要求，这种钻机主要应用于如下施工场所：

——建筑施工；

——水井钻孔施工；

——岩石破碎；

——矿山施工；

——隧道施工；

这些施工包括了所有的一般钻孔工艺方式，如冲击钻进、回转钻进和潜孔钻进。

如果使用挖机底盘作为钻机底盘，则这一部分装备必须符合和满足相应的、具有特殊要求的标准，例如：DIN EN 474，特别是第五部分“液压挖机”和第12部分“钢丝绳起重机”。一般地说，在DINEN791标准中不包含这些特别要求的条款。

如果一个钻机可以转换为压桩机，那么对于这种钻机的配置应执行DIN EN 996“压桩机配置——安全性要求”中的相关规定.下面的部分在DINEN791标准中没有规定：

——在周围环境易爆炸的情况下使用的补充要求。例如，在煤田矿山施工；

——对于石油和天然气开采钻孔的配置要求。

图1 旋挖钻机

图2 搓管机

图3 锚杆钻机

图4 隧道钻车

图5 潜孔钻机

图6 水平定向钻机

图7 水平定向钻机

2.2 操作危险

在DIN EN 791标准中，论述了各种形式的特别严重的危险情况。钻机在常规使用过程中（具体地讲，就是考虑了厂家出厂前列明的工作极限情况下），机械部分容易出现这些危险。在标准中的附录D和第四章中引入了这类危险情况下的照片，包括在运输、安装、拆解和工作过程中，在工作现场的维修、以及整机和部件在厂区的存放等所要考虑的问题。

在这些照片的下方，详细说明了在设计、制造和使用期间，以及钻机维修过程中必须注意的安全问题。

另外标准中还指出了在钻机的设计过程中，不仅要考虑常规的使用情况，而且还要考虑其它现实中的应用情况，如多功能的应用。一般来说，所有机械部分、电气部分、液压、气体和其它机器部件发生的危险，以及在标准中论述的危险，不包含在或只是作为相互参照，包含在DIN EN791标准中。

2.3 安全要求

2.3.1 钻机及其部件、和它的配置的操作

对于钻机或者其部件的起吊，必须要清楚钻机底盘上标明的起吊点；在运输过程中，上下车之间的旋转和摆动，必须通过一个有效的机械阻止装置将其固定锁紧。

钻机的部件或装配件，由于它的外形尺寸或者它的重量过大不能用手来搬动，因此在安装时必须使用升降机，这时升降机运行的行程限制器必须保证能可靠的使用。

在用机械或液压来控制的桅杆或钻孔平台上，必须使用安全装置。以便在升降机构出现故障时，该装置可以自动起作用，防止物体下落。

图8 底架上的起吊点

图9 水平定向钻机部件上的起吊点

2.3.2 操作通道和维护通道

所有的工作范围，必须便于操作人员进行操作、调整、保养和维修；并且要配备标识，尽可能地保证安全通道畅通。对于这样的通道系统，在ISO2867“土木机械——通向驾驶员位置和维护保养位置的通道系统”中给出了指导说明。

对于许多工程机械，在运行或维护保养工作中，操作者会在比较高的桅杆或钻塔上进行工作。在DIN EN 791中，对工作台和通道的配置作出了规定。

图10 上车通道上的脚踏板

图11 带有防护装置的爬升梯子

图12 旋挖钻机上的载人电梯

（1）工作台：

通往工作台的通道必须尽可能地配置一个比较适合的梯子或者楼梯，如果梯子的长度大于3米，操作人员必须携带保险器具，并且将保险带扣在滑道上；每隔9米长的楼梯位置上，要设置一个休息平台。

（2）正常工作情况下的载人电梯：

很多不同的从事大型工程机械设备制造的企业都提供载人电梯，作为钻机装备一体化的一部分，它可以满足在高处工作的要求；按照施工工艺，通过载人电梯完成定期经常的上、下桅杆，不仅提高了工作中的安全性，还可以提高效率。

在DIN EN 791中，明确地提出了这样的系统，它的应用，可以减少坠落风险。电梯平台必须设置在旋转钻杆的活动半径之外，电梯容许的行驶速度被限定在0.5m/s之内,提升钢丝绳的安全系数最小是10，并且最细为8毫米。卷扬机要配备一个行程开关、一个紧绳器和一个自动防脱落的制动装置。

（3）为维修、保养服务的可移动平台

在一些装配里，上面提到的载人电梯，经常或者有时以平台的形式安放在钻机配置的部件上，例如固定在钻机动力头的承力结构上，行驶速度限定在0.5m/s，承载系统的安全系数最小是10。

2.3.3 驾驶位置、副驾驶位置、操作位置

（1）视线情况、位置要求

驾驶位置、副驾驶位置、操作位置必须这样设计和制造：设备操作运行时，驾驶员本人和停留在设备周围的人没有危险；这是以钻机在行驶和工作范围内驾驶员的良好视野情况为基础的，必要时可以采用光学仪器的帮助，例如：反光镜、摄像机、显示器等，或者采取另外的措施。关于驾驶员所需的位置大小，放脚室等等，请参阅标准DIN EN 23411和ISO 6682，这些标准的说明，也同样适用于土木机械。

（2）操作位置、驾驶室

钻机必须配置一个驾驶室，可以保护驾驶员免受噪音、灰尘和恶劣气候的干扰和伤害。只有在钻机和工作环境条件不适合使用驾驶室或不可能的情况下，方可考虑放弃配置驾驶室。

根据工作环境条件，驾驶室里应安装带有空气滤清器的通风装置、暖气和空调。驾驶室必须具有防噪音（最大85dB（A）——测量条件见标准的附录A）和防震动功能。原则上应该配置一个与操作者的体重和身材相适应的可调整的座椅，并且带有一个优化的缓冲器。

如果钻机在具有翻转风险的场地工作，那么要设计好司机的操作位置，在这个位置上，司机可以安全操作机器，或者使用遥控器操作。此外，在其它方面，要按照ISO3471-1标准设置一个防翻车的保护系统。

如果在钻机所处的工作范围里，驾驶员随时会被施工场地掉落下来的物体砸伤，那么要配置一个防落物的FOPS系统，以防止司机和钻机被掉落下来的物体砸伤或砸坏。

在这样的工作情况下，除了这个危险以外，如果再没有可选择的操作位置，按照ISO 3449标准要求，配置FOPS二级是必须的。

打桩机在任何情况下都要按照ISO3449一级标准的要求配置一个保护蓬。根据钻进工艺，如有可能，也要安装一个防护装置，来防止从水平方向旋转出来的物体的打击，例如：长螺旋钻机在使用过程中甩出的泥渣打击。

图13 驾驶室

图14 桩机驾驶室的FOPS-I装置

2.3.4 控制装置

除了对主驱动系统的启动，对于钻机的停止，也必须有一个控制装置，以便驾驶员能随意操作。一个上了锁的驾驶室等，诸如此类的可以阻止通过点火开关非法起动机器，如果有更多的起动开关，例如对于钻机不同的运行状况，则这些开关应具备互锁功能。

如果遇到停电或在中断电源后又忽然来电的情况，应保证不会有危险的情况出现。如果要使钻机重新运转，那么必须按照开机时的操作进行，钻机在未受控制的情况下，自动地进入重新运行状态的情况是禁止的。

控制装置应该是使钻机与控制效果相协调一致，各功能手柄要有明确的标牌。在附录E包含了很多图示，根据这些统一的标记，使人很容易明白这些控制手柄的功能，附录中还包括推荐使用的警告标牌和信息标牌的符号。

所有的控制手柄必须在放开后自动回到中性位置（自动回位功能），这个要求只是对于控制一个持续功能的控制手柄而言的，如气体手柄或者对于要求固定的钻孔和搓管机的持续工作的手柄。

在ISO 6682标准中包含了关于控制装置配置的要求（对于操作环境来说，良好的人机工程要求操作手柄的工作半径是第一位，正常要求的工作半径是第二位）。如果控制台是这样安置的，通过随机操作就可以消除带来的危险，那么就必须要安装一个保护装置，可以避免意外的发生。

这个安全开关可以放在驾驶室的上车位置处，它可以避免在上下车时无意抓住或衣角掛在操纵杆上等意外的发生，从而使钻机发生危险的转动。同时在操作杆的四周还要安装一个保护框。

图17 防护框

图15 锚杆钻机上的操作台

图16 安放在驾驶室进门处的安全开关

2.3.5 急停开关

钻机上必须安装急停开关，通过它可以尽可能快的使处于危险运行状态的钻机停止。在标准里，也规定了在操作和驾驶位置上要安装这样的急停开关。

在按下急停开关后，钻机必须一直保持在关机状态，直到手动将急停开关旋起，只有通过平时正常的钻机起动过程开动钻机，才能使钻机继续运转。

图18 水平定向钻机操作台上的急停开关

图19 放在钻杆旁边工作范围之内的拉线安全开关

2.3.6 回转和给进安全装置

为防止被旋转的钻杆卷进去这样严重的事故发生，主管岩土工程施工的专门委员会，很多年前就已经提出在锚杆钻机上安装有效的自动保护装置的要求。自1987年起德国所有的锚杆钻机上都陆续安装了这样的保护装置。

从现在起，这种要求在欧洲DIN EN 791标准中作了统一的规定，对于带给进平台的钻机，工作人员有可能被旋转部分卷进去，造成受伤的危险，所以必须配置一个能快速反应的保护装置。

这个保护装置必须位于旋转钻杆的附近，放置在人员可以接触到的地方。在紧急情况下，通过保护装置，可以立即使钻杆停止旋转和给进。当人体或人体的一部分靠近危险区时，这个防护装置就会有足够的时间自动起作用。

如果钻机配置了一个自动换钻杆操作系统，那么这个补充的保护装置应放在钻杆空闲的一面。

在特殊的、易于发生的、位置限定的工作环境里，不要安置这样在近距离就有反应的保护装置，例如：在基坑角落里的锚杆钻孔。在这种情况下，危险区域是封闭的，任何人员的进入都是被禁止的。

2.3.7 稳定性

钻机必须是这样设计和制造的，在正常的操作过程中，例如：钻进、运输、移位和停放，应有足够的稳定性，没有倾翻和翻倒的风险。钻机的稳定性必须通过计算证明取得。DIN EN 791给出了稳定性计算的说明，并且定义了安全稳定角（关于倾翻的倾翻角）。

（1）计算假设

首先计算整机重量Gt和工作状态下的钻机整机重心（Xt、Yt）。对于运动部件（如动力头、桅杆等），在这里是按照操作手册上容许的极限位置为计算条件，使钻机具有最小的稳定性。

由自身重量合成的系统只是计算动态载荷，例如上车的旋转、风作用力和卷场拉力等在运行时是所产生的力的叠加。按照DIN EN 791的稳定性计算方法，翻转扭矩的影响作用等同于钻机的整机重心在水平方向上的移动的影响作用。

钻机在工作过程中，对于同时产生的不利的载荷合成，按照操作手册上的规定是容许的，例如：

——桅杆最大伸出量和倾角

——在最上面位置的配备

——支承面的最大倾角

——最不利的倾翻边的选择

——由不利方向的风作用力和在标准中给定的风的强度等级

——上车回转产生的离心力

——由于起吊钻具而产生的钢丝绳最大拉力

（2）稳定性的证明

稳定角的定义：是指通过翻转边的垂直平面与通过翻转边和相应的上面计算过程中虚构的移动了的整机重心所形成的平面之间的夹角。

（3）要求

在钻机移位工作中，αmin=10°；

在所有其它工况下（例如正常工作情况下），αmin=5°；

（4）接地比压

在稳定性计算中定义的载荷是计算最大接地比压的载荷，在操作手册中，最高的接地比压是给定的。它的好处在于操作者能够据此确定，工作场地的地基是否可以安全的承受这个载荷，或者是否需要地基加固处理（例如地基置换、使用枕木等）。

（5）稳定性的监控测量系统

在稳定性计算证明过程中的极限条件，如：钻机摆放对地面的要求（最大容许的竖向和横向的倾斜度）和负载力矩都是确定的。这样对工作场地的限制，和钻机在钻进、移位或者停放过程中，可能采取的必要措施，必须按照操作手册的说明来操作。

必须在操作手旁或者驾驶的位置，通过明确的清晰的警告提示，钻机使用限制和特别重要的稳定性的相互关系（例如：在移位和钻孔中容许的承载地面的最大坡度）。

所有的钻机必须最少配备一个简单的装置来调整底盘的水平，这里可以使用水准仪或测倾斜角度的钟摆来调平。

图20 水准仪

图21 测倾斜角度的钟摆

图22 在驾驶员视线范围内的显示仪表

为了使驾驶员能够得到和检查关于钻机稳定性方面的必要的信息，钻机上必须安装有与之相匹配的测量和显示仪器。

假设影响钻机稳定性的重要因素可以消除，例如钻机桅杆的垂直度，那么钻机桅杆的角度就必须是可调整的，并且在桅杆上要安放一个倾角测量仪（测角仪显示当前桅杆的位置）。

如果钻机的一个部件要水平伸出（例如钻臂），那么操作者必须清楚这个部件所处的位置，或者可以通过一个显示器，可以查看到这个部件的任何具体位置。

造成钻机翻倒事故的主要原因，大多是由于钻机工作负载超过了钻机允许的最高负载力矩。吊车和挖机在提升作业时，作为标准配置的负载力矩限制器或者超载警报器，也是钻机操作者需要的有关钻机稳定性方面的重要信息和数据，直至现在也没有被普通地应用在钻机上。

钻进过程中必不可少的卷场和提升机构，DIN EN 791对它们也进行了标准化规定，它们的运行会影响到钻机的稳定性，所以必须安装一个显示器，显示当前的提升载荷或者当前的绳子拉力，通过把这个测量值和位于操作者旁边的提升力指示牌中的相应数据相比较，操作者就能评价剩余的稳定性储备系数。

2.3.8 制动

自动化的钻机必须配备一个制动系统，并且保证在所有的常规工作情况下正常运转。制动系统的设计应该是当构成系统的一个部件或零件脱落时，刹车应自动起作用，使钻机处于静止状态。

配置的基本原则是

——一个运行制动系统；

——一个辅助制动系统（或者第二运行制动系统，例如：履带行走装置的制动系统）；

——一个驻车制动系统；

对于制动检验，DIN EN 791的附录C给出了最小的制动力和证明条件。

2.3.9 提升结构、卷扬和钢丝绳

（1）使用范围

DIN EN 791对提升机构的描述是：“作为提升使用的卷扬、钢丝绳和滑轮，是钻机的一个集成部分，是钻进过程中不可缺少的工具”，因此这个系统包含钻具、钻杆和搓管系统，以及钢丝绳进给系统的运动，同样在标准里也规定了对于构成载人电梯和安放在钻机上的运动平台的卷扬、钢丝绳和滑轮的要求。

在DIN EN 791中不涉及除了前面提到的、用于材料和载人升降使用场合的卷扬、钢丝绳和滑轮，而是在机械规范中规定它们的制造和装配。

（2）钢丝绳和绳子连接件

对钻机上使用的卷扬钢丝绳进行检测所采用的安全系数是3，在特殊运行情况下（不经常出现的，或时间上受限制的运行状态，例如：下放或一定程度上的反复上下工作），这时比较合适的精确的安全系数降低到2.0。

同样在标准里也包含了对其它绳子、滑轮和滚筒的最低要求。

用螺栓夹紧的钢丝绳夹具不允许作为钢丝绳连接件使用，这一点在许多年前德国就已经明文规定了。

（3）卷扬制动

在标准里，运行制动系统和驻车制动系统是两个不同的系统，这两个系统中的每一个制动力都必须保持卷扬机最大允许拉力的1.3倍。使用运行制动必须靠一个向下的缓慢的动载荷（刹车力），直至卷扬静止为止。

驻车制动系统必须自动起作用，要防止停车后自动滑行，如果卷扬的操作手柄放在中位，或者突然停电，那么制动系统必须自动地起作用，从而使卷扬机正在提升的负载处于静止状态。

（4）行程开关

钻机上的卷扬系统必须配备一个行程开关，当卷扬达到限定的地方时就会自动停机。当卷扬提升力小于20KN时，才允许使用一个机械式的限位块来代替行程开关。

（5）自由落钩

在不同的钻孔作业中，自由落钩的功能是必需的，为了保证安全着落，即自由落钩是有意识的，受人支配的释放，则自由落钩这个功能必须是用开关控制的，只有通过同时操作2个互不依赖的操作杆动作，才能实现自由落钩。当要求一个新的自由落钩功能前，两个操作杆必须首先置于0位。

图23 限位开关

一般地说，对于其它的钻进工艺来说，自由落钩不是必需的功能，对于大多设备，自由落钩是通过一个转换机构，将用力向后拉操纵杆，使卷扬运行，作为正常的卷扬运行；根据钻孔工艺，当需要自由落钩时，通过操作可以实现自由落钩；在标准里也指明，允许通过一个钥匙开关，来实现卷扬工况到自由落钩工况的转换。

（6）超载控制和检查

DIN EN 791标准对于钻机和钻进过程中所必需的卷扬和提升机构是没有超载开关和超载警报器要求的。紧急情况下，用于对当前钢丝绳的拉力或者负载进行测量和显示的系统，以及给操作者提供对比的、清晰的、适用的标牌表格在上面已经指明。

2.3.1 0操作系统

（1）概况

对岩土工程施工中出现的事故进行分析得知，直接导致事故发生的重要原因是人与机器共同作用的结果（例如载荷的冲击、钻具的更换）。机械规范里要求设备一般来说必须通过技术上的配置，以尽可能地保证安全。

DIN EN 791对机械规范的一般要求如下：钻机的设计、制造和装配要尽可能地满足钻机在危险区域工作中，不直接用于操作的要求。

在DIN EN 791中，下面的情况是作为异常的事故原因提及的：

——钻杆或护筒的安防和拆卸；

——钻杆螺旋连接部分的磨损和断裂；

——钻机部件的操纵和控制；

——钻进过程的监控；

——钻具的转换。

不同辅助装置的存在，可以避免这些危险情况的发生。

如果工作人员要操作一个质量大于25kg的钻杆，那么钻机上必须配备一个机械的钻杆或护筒操作系统。在钻机上装配的辅卷扬，如同钻杆换钎机构，可以放在钻进平台的一侧或者二侧。

如果由于工作条件的限制，不能使用这样的系统，那么必须用一个机械式的提升机构来代替它，完成钻杆的提升和下放工作。

（2）钻杆卸管器

如果钻杆是用螺纹连接的，那么必须使用一个靠力来驱动的钻杆卸扣装置。与此同时对于这些经常的反复性的工作应该避免使用手动工具（扳手、管钳等）。

与钻杆连接的夹具和钻进用的震动锤的组合，可以作为这个钻杆卸扣系统的一部分。

2.3.1 1对施工和配置方面要求的其它例子

（1）灰尘的抑制

小孔径钻孔施工是用压力空气作为冲洗介质的，那么钻机必须配备一个抑制灰尘的装置。喷水、注射泡沫和在孔口的地方使用集尘器，都能解决这个问题。对于井下作业，建议使用水作为冲洗介质。所有的集尘系统应该在钻机工作装置运转之前，有足够的行之有效的运转时间。

（2）照明

钻机必须配备照明装置，在工作场地的孔口位置光强最少是100lx；钻机行驶路上距离钻机7m远的地方的光强最少应是10lx。

图24 钻杆的操作和放置

图25 自动换钎装置

图26 带有卸管器、换钎装置、拉线安全开关和集尘系统的钻机部件

（3）防火设施

钻机的制造要尽可能的采用耐火材料，并且在机器上要安装灭火器，它的规格取决于发动机的功率。

（4）噪音和振动

不论对于操作人员，还是第三者，这两种危害都要通过合理的设计来达到尽可能降低的目的。噪音和振动的强度主要是通过施工过程，部分是通过机械设计产生的，对于二者产生的干扰如何采取限制，在此机械设计标准中并没有做详细说明。附录A规定的测量方法中，给出了比较实用的、并且可重复使用的测试条件，钻进施工过程中产生的影响不加以考虑。

（5）报警装置

在每一个操作位置或驾驶位置旁，必须设置一个声音报警信号（喇叭）。在钻机发生倾翻的时候，报警装置必须自动的发出声音和光的报警信号。

2.3.1 2用户者使用信息

制造厂家在操作手册中，必须告知钻机的使用者所有的关于钻机安全运转、运输、安装、拆卸和维修保养方面所必须的知识。

值得特别注意的是，设备的操作者在设备首次使用前要借助于使用手册的指导，注意机器的安装方法和所要采取的安全预防措施。

根据维修手册中的说明，要求在所有工作之前，包括安装和拆卸，清楚所要注意的准备工作，以及在哪个时间段和针对哪个范围，对钻机的某个部位进行检查、保养或者测试。例如由有经验的专家，对相关的部件范围进行检查。

2.4 总结

在DIN EN 791标准中，规定了欧洲统一的对施工和装备的要求。通过对这个具体化的标准的介绍，不仅对于这种先进设备的制造者，而且对于使用者来说，也可以了解今天执行的相应规则要求。对于这个新草拟的完美的标准，学术界呼吁，希望能够在规则的制定方面，提出可参考的建议和激励。

[1]Dipl.–Ing，W.Ensinger.Tiefbau[S].1996(5).