YCJF－25型全液压冲击反循环钻机及其应用效率分析

唐爱国

(山东省地质探矿机械厂，山东济南250102)

1 概述

YCJF－25型全液压冲击反循环钻机(见图1)是我厂于2002年9月研制成功并投放市场的钻机，主要应用于大口径基础灌注桩的施工。该型钻机有2个突出特点:一是钻机利用钻塔上的液压油缸提升、下落冲击锤头，实现冲击钻进。因液压油缸容易实现提升较大质量的冲击锤头，所以钻机破碎岩石的能量大，破岩效率高。二是钻机采用了泵吸(或气举)反循环的排渣方式，排渣速度快，能有效避免孔底岩屑的重复破碎。这两方面优势的结合使该钻机施工时成孔质量好，钻进效率高。该型钻机曾获2005年度山东省科技进步三等奖，获国家4项专利，时至今日，该型钻机已销售了108台，正在得到越来越多的用户认可。

图1 YCJF－25型钻机全景图片

2 YCJF－25型全液压冲击反循环钻机的性能参数

钻孔直径:1.2～2.5 m

钻孔深度:80 m

冲击锤头最大质量:10 t

冲击锤头冲程:0.1～1.3 m

冲击频率:0～30次/min

主卷扬提升能力:100 kN

副卷扬提升能力:30 kN

排渣方式:泵吸(或气举)反循环

主电机功率:75 kW

主机质量:19 t

运输尺寸:7760 mm×2800 mm×3300 mm(长×宽×高)

3 YCJF－25型全液压冲击反循环钻机的结构特点

该型钻机主要由钻塔、底盘、卷扬机、冲击机构、缓冲机构、液压动力站、操作台、冲击锤头、6BS型砂石泵、排渣管等部件组成，钻机具有如下特点。

(1)采用独特的液压油缸冲击方式，结构简单，工作平稳，可控性强。液压冲击油缸属单作用式油缸，钻机工作时用液压力提升冲击锤头，靠冲击锤头重力下落冲击孔底。冲击锤头下落时冲击油缸下腔的液压油能快速回油，对冲击锤头的下落影响轻微，冲击时冲击锤头能以近自由状态下落，能量利用率高，冲击力大。钻机采用液压油缸冲击方式，运动件少，工作惯性小，同时钻机设有过载保护装置，因此钻机工作可靠，易损件少，工作寿命长。

(2)该钻机采用机、电、液一体化技术，自动冲击和自动给进采用了单片机控制，操作方便省力，可靠集中。当冲击旋钮扳到“自动冲击”挡位，钻机可实现自动冲击，此状态下操作人员可以离开操作室，在孔口周围巡查钻机工作情况。在自动冲击过程中，卷扬机能根据冲击锤头进尺情况，自动适时、适量放绳，避免打“空锤”现象，能有效地提高钻进效率。也可以选择手动放绳，灵活掌握冲击给进。自动冲击，手动冲击可任意选择，冲击行程，冲击频率可无级调整，能适应多种工况和地层。

(3)差动双卷筒卷扬机(见图2)，提升能力强(最大提升力可达100 kN)，双绳提拉冲击锤头，让出中间位置，为反循环排渣管腾出空间。单绳冲击钻机因无法让开中间位置，很难采用快速高效的反循环排渣方式。主卷扬机输入动力的大齿轮安装在卷扬机主轴的中部，并与制动轮设计为一体，差动装置安装在其内部，两个卷筒设置在两侧。卷扬机的主轴为芯轴，只承受弯矩，不承受扭矩，所以该卷扬机结构简单可靠，受力对称合理，承载能力大。卷扬机由液压马达驱动，并配有液压平衡装置和液压刹车装置，提升下降冲击锤头平稳，操作轻便，安全可靠。

图2 差动双卷筒卷扬机外形图

(4)钻机配有液压步履，装在钻机底盘上，在施工现场钻机可方便左右前后移位以对正孔位。

(5)钻机起塔、落塔为液压油缸控制，操作平稳、安全、省力。

(6)钻机采用泵吸(或气举)反循环排渣，排渣能力强，可将大的卵石(直径10 cm左右)不经破碎直接排出孔外(见图3)。反循环排渣系统在钻机钻进过程中排渣迅速、干净、及时，避免岩石在孔底的重复破碎，施工效率高。因反循环排渣干净，终孔时也不用专门清洗孔底。

图3 砂石泵抽出的卵石

(7)冲击锤头采用焊接结构，中间有可通过排渣管的芯管，采用双绳提引。焊有刀体的几个钢圈从内到外呈阶梯状布置，在冲击锤头工作时可形成多个层次的破碎面，这充分利用了岩石抗剪强度大大低于抗压强度的特点，利于岩石分层等强度向内破碎，碎岩效率高。针对原有2.5 m口径的冲击锤头在使用中存在结构刚性不足，强度偏弱，容易断圈、开焊等问题，我们对结构进行了重新设计，更换了强度更高的材料，并采取了防止卡钻的措施，应用效果较好。

4 YCJF－25型全液压冲击反循环钻机的施工效率分析

目前在国内灌注桩施工工地上，一般会有多种机型在进行钻孔施工。有时在同一工地上能见到4～5种钻机机型在进行相同口径的灌注桩施工，有各种类型的单绳冲击钻机、回转钻机、旋挖钻机，它们各具特色，发挥着各自的优势。这些钻机通过不断的技术改进和升级，如工地上常见的单绳冲击钻机，经过改装后也能实现自动冲击，大大减轻了操作者的劳动强度，但因只能采用正循环排渣，卵石、石块需破碎成细小颗粒后才能随泥浆排出，出渣效率慢，成孔后还需清洗钻孔，影响成桩速度。我们通过对各种机型在不同工地、不同地层的施工情况进行跟踪和对比，分析YCJF－25型钻机的施工效率等情况。

(1)某用户在广东顺德高赞大桥桩基施工中对YCJF－25型钻机与回转钻机、单绳冲击钻机在不同地层施工情况进行了对比(桩径2.5 m)，分别见表1、表2。

表1 高赞大桥22号墩YCJF－25型钻机与回转钻机施工效率对比统计

表2 高赞大桥21号墩YCJF－25型钻机与单绳钻机施工效率对比统计

(2)河北建设勘察研究院在河南省洛阳黄河大桥工地施工，该工地桩孔设计有口径2.0 m(孔深32～36 m)和口径1.8 m(孔深22～32 m)两种。地层情况是:17 m以浅地层为亚粘土，粉砂层;17 m以深为漂卵石层，最大卵石直径400 mm。

在该工地同时进行施工的钻机有BZP2.5/100型、S－40型回转钻机，CK－150型手动单绳卷扬机式冲击钻机，YCJF－25型钻机。该单位对这4种钻机在该工地的使用情况进行了对比(见表3)。

表3 四种钻机在洛阳黄河大桥施工情况对比

(3)在武汉天兴洲长江大桥1、4号墩工地，用YCJF－25型钻机施工2.5 m的桩孔，甲方在成孔后用水下摄像机进行了成孔情况观测，发现用该钻机施工的桩孔孔壁光滑，钻孔顺直，扩孔率低，得到了甲方公司中外国专家的好评。

(4)在四川广元嘉陵江大桥工地施工口径2.5 m的桩孔，孔深19.75 m，10 m以浅为卵砾层，10 m以深为砂岩，在砂岩地层进尺效率0.15～0.2 m/h，平均一星期成孔一个。在该工地使用单绳卷扬机式冲击钻机施工同样的钻孔，40天成孔一个。

(5)在千岛湖大桥工地，在水深40 m下施工2.7 m口径的钻孔，地层为第四系覆盖层，进尺效率达1 m/h，施工深度达到50 m，50 m以深换用2.4 m口径的冲击锤头，地层为卵砾石和基岩，岩石的抗压强度为45～60 MPa，在基岩中最高进尺效率为0.2～0.3 m/h，最大施工深度达到79 m。

通过多年来对YCJF－25型钻机施工情况的统计分析，对该型钻机在不同施工地层的施工效率有了大概的了解。施工口径2.5 m，一般在卵砾石地层中进尺效率为0.3～0.4 m/h;在粘土、粉砂地层进尺效率为1.5～2 m/h。在灰岩地层，进尺效率为0.5 m/h;在砂岩地层，进尺效率为0.2～0.4 m/h;在花岗岩地层，进尺效率为0.2 m/h。同样使用该型钻机，由于施工口径的不同，钻进效率也略有差别。当然，影响施工效率的因素很多，除主要的设备性能因素外，还与钻机操作人员的经验，操作水平，对施工区域的地层情况了解有关。

5 钻机存在的不足

近几年，我厂针对用户在使用该型钻机中经常出现的问题，对钻机进行了不断改进和持续完善，再加上一些液压新技术新成果的应用，使钻机性能更加稳定可靠，日趋完美。目前，在全国各地大江大河桥墩平台工地上，时常能见到该型钻机“忙碌”的身影(见图4)。有的钻机已使用了10年多，还在继续工作。该型钻机在施工2.5 m口径桩孔时，若岩石强度在100 MPa以下，施工效率还可以。在遇到硬岩时(曾遇到抗压强度达到239 MPa的岩石)，破岩效率不高，冲击锤头的强度和刚性也略显不足，冲击锤头在施工中易开焊。目前我们针对用户提出的问题，正在做钻机的升级工作，拟设计YCJF－30型冲击钻机，施工口径可达3 m，冲击锤头质量可以达到17 t。

图4 钻机在合(肥)福(州)高铁联络线闽江特大桥10号墩施工

6 结语

我厂生产的YCJF－25型钻机操作简单，维护容易，自动化程度高，对地层适应性强，采用反循环排渣，出渣快成孔效率高，对付硬地层时常有不俗的表现，得到了用户的普遍认可，我们会继续关注该型钻机的使用情况，并针对钻机在使用中出现的问题进行持续完善和改进。

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