基础施工技术与设备发展

2014-12-09 335 0

文/北京建筑机械化研究院
北京建研机械科技有限公司
 
  一、概况
  世界上基础施工设备(桩工机械)比较发达的国家主要是德国、意大利和日本,最先进的设备和工法一般也是这三个国家首先开发的。
  美国、英国、法国、荷兰等国的基础施工设备也比较发达。
  在整个桩工机械市场上,宝峨、土力、卡萨格兰地的销售额居世界前三位。
  我国在上世纪五十年代中期, 有一些施工单位的修理厂开始测绘、仿制国外的桩工机械产品。
  六十年代初一机部成立五局,开始组建桩工机械制造业,1963年将上海电工机械厂改为上海工程机械厂,定点生产桩工机械,成为我国最早的桩工机械专业生产厂。
  1964年又将一机械部“建筑机械研究所”第二研究室被确定为桩工机械研究室,至此我国开始自行研制桩工机械。
  七十年代是我国桩工机械行业形成时期。1973年成立了桩工机械行业组,在这时期有桩机生产厂十余家,能生产4大类,30多个品种,年产量400余台。
  八十年代至九十年代是桩工机械行业的壮大时期。八十年代引进日本、德国等桩机技术,转化吸收,研制水平不断提高。
  1984年5月正式成立中国建筑机械化协会桩工机械分会,有会员15家,30余人参加会议。
  1989年销售量1500多台,销售额3.5亿元,行业不断壮大。但产品主要以长螺旋钻机、振动桩锤、柴油打桩锤、步履桩架、潜水钻机、正反循环工程钻机为主。
  进入21世纪以后,我国交通运输业、能源、建筑业等方面的基础工程的施工量大幅度增长,尤其是高铁的建设,为桩工机械行业迎来了一个快速发展时期。
  2002年青藏线开工,100多台旋挖钻机大显身手,至此之后逐步形成“旋挖热”,国内各大企业纷纷介入,开始研发旋挖钻机。
  据中国工程机械工业协会桩工机械分会统计,2002年我国桩工机械产品实现销售额5亿元左右,产品销量2000余台,到2011年我国桩工机械产品实现销售额80多亿元,产品销售量6000余台,销售额10年翻了近16倍,是我国桩工机械行业历史上发展最快的十年。
  基础工程主要包括桩基础、地下连续墙和地基处理。基础工程施工方法很多。但主要可分为以下几种:
  ►混凝土灌注桩施工技术与设备
  ►预制桩施工技术与设备
  ►深基坑工程与施工设备
  二、混凝土灌注桩施工技术与设备
  桩基础主要包括灌注桩和预制桩。
  随着成孔机械的发展和混凝土质量的提高,灌注桩的应用越来越多,世界上最大直径的桩和最深的桩都是灌注桩。
  灌注桩的施工设备主要有旋挖钻机、长螺旋钻孔机、全套管钻机、正反循环工程钻机、冲击钻等。
  1、旋挖钻机
  旋挖钻机是我国桩工机械领域起步较晚但发展最快最成功的一种基础施工机械。
  1988年,北京市城市建设工程机械厂引进意大利土力公司附着式大直径旋挖钻机;
  1994年,郑州勘察机械厂以许可证形式引进英国BSP附着式大直径回转斗(短螺旋)钻机。
  以上两种产品由于技术落后、配套底盘难以解决,很快就销声匿迹了。
  2000年2月,徐工集团成功研制国内首台具有自主知识产权的KHU2000旋挖钻机。但由于当时配套件和工程量少,没有批量生产。
  2003年以前我国的旋挖钻机主要以进口为主,价格昂贵,只有少数有实力的基础施工企业才卖得起。
  因为青藏铁路建设展示了旋挖钻机的优越性,促进了部分大企业纷纷开发旋挖钻机,如三一、南车、山河、中联等。从而导致国产旋挖钻机价格大幅度降低,极大推动了旋挖工法在我国的推广应用。
  我国目前已能生产从6t.m到55t.m大中小型多种规格的旋挖钻机。
  以徐工、中联、南车、三一为代表的中大型旋挖钻机,以郑州富岛、山东鑫国重机、浙江振中为代表的小型旋挖钻机都取得了不错的市场业绩。
  经过近十年的发展,国产旋挖钻机整机的主要性能已接近或达到国际先进水平。
  据桩工机械协会统计2011年我国旋挖钻机产量超过2000台。
  我国目前已是世界上最大的旋挖钻机生产国和使用国。
  北京建筑机械化研究院2003年与山东鑫国基础工程公司合作开发了JR18型全液压履带式旋挖钻机,是立柱可后倾至水平状态的大三角支撑结构,稳定性好运输方便,填补了国内空白,获得2006年华夏建设科学技术奖二等奖。
  北京建筑机械化研究院根据市场需求又陆续开发了12、13.5、16、18、20和22吨米共6种型号全液压履带式旋挖钻机。其中XGR120旋挖钻机获得了2012年山东省科技进步三等奖。
  2、长螺旋钻孔机
  在小直径(800mm以下)小深度(30m以下)混凝土灌注桩施工领域,长螺旋钻机最具有效率高、成本低的优势。
  特别是近几年CFG桩及后植入钢筋笼技术的开发成功大大提高了长螺旋钻孔灌注桩的适用范围,目前已从我国广大北方地区推广应用到湖北、湖南、广东等地。
  高铁客运专线部分路段采用CFG桩进行路基加固,也带动了长螺旋钻机的生产。
  近几年长螺旋钻机的产量都在稳步增长。2010、2011年每年生产液压步履式长螺旋钻机和电动、液压履带式长螺旋钻机都超过1500台。
  目前我国长螺旋钻孔机主要生产企业有河北新钻、河北双兴、郑州勘察、浙江振中、山东卓力等。
  在我国由于生产厂家与施工脱节,多年来设备的改进变型进展不大,长螺旋钻机施工工法比较单一,不仅生产企业陷入了同质低价竞争的恶性循环,而且导致施工单价越来越低,很多施工企业也已经无钱可赚。而日本长螺旋钻机的改进变型很多,工法也非常多。
  最近几年有的国内企业看到了这一点,与施工企业和科研院所联合开发了适合中国国情的长螺旋变型钻机和工法,如螺旋挤土桩机,管桩水泥土复合桩机等。
  3、正反循环工程钻机
  在我国东南沿海地区及其它中小城市混凝土灌注桩的施工,仍然主要以正反循环工程钻机为主,但这种工程钻机施工需要大量的膨润土泥浆护壁,造成严重环境污染。
  根据国际上的经验,随着我国经济水平的提高、环保法规的建全健全及新设备的应用,此种钻机的使用会越来越少。
  当然,在大直径(2米以上)大深度(60米以上)桩基础的施工方面,工程钻机仍有优势。
  我国工程钻机的主要生产厂家主要有郑州勘察机械厂、铁道部大桥局机械厂、南京中升、上海金泰等。
  目前国内大口径钻机大多数在工程桥桩上使用,扭矩多在30t.m以下。
  2006年郑州勘察机械厂研制成功了KT5000型全液压动力头钻机,输出扭矩40t.m,开孔直径5m,是目前最大的该类钻机,既能满足污水处理工程的需要,又能适应铁路、公路、桥梁桩基础的施工要求。该钻机已在杭州湾嘉绍跨海大桥、天津、常熟、唐山等地进行多个大口径工程的施工,用户反映良好。
  4、全套管施工工法及设备
  全套管钻机又称贝诺特钻机,最早是由法国贝诺特公司于二十世纪五十年代初研发而成。
  随后日、德、英、意等国引进研发,机种和施工方法均有很大发展,产品不断更新换代。
  全套管施工法与采用泥浆护壁的钻、冲击成孔及其他干作业法的大直径灌注桩的施工法相比,有以下优点:
  (1)环保效果好:噪声低,振动小;不使用泥浆,无泥浆污染环境的忧虑,施工现场整洁文明,很适合于在市区内施工。
  (2)成孔和成桩质量高:取土时因套管插入整个孔内,孔壁不会坍落;易于控制桩断面尺寸与形状;含水比例小,较容易处理孔底虚土,清底效果好;充盈系数小,节约混凝土。
  (3)配合各种类型抓斗,几乎在各种土层、岩层均可施工,当桩端需嵌岩时,可采用十字冲锤等进行冲击钻进。
  (4)可在各种复杂填土(含有砖渣、石渣及混凝土块等)中施工,适合于旧城改造的基础工程。
  (5)因用套管护壁,可靠近既有建筑物施工。
  全套管工法在日本、欧洲及香港、台湾地区应用非常广泛。
  我国于20世纪70年代开始引进摇动式全套管钻机,如日本三菱重工、德国Leffer等公司的产品,但使用一直很少。
  最近几年,全套管工法在我国很多工程中得到了应用,如:
  昆明捷程公司开发的MZ系列摇动式全套管钻机,在昆明、深圳、杭州、陕西、北京等地的多个工程中应用,取得显著的技术经济效益。
  2004年上海隧道公司引进日本车辆的全套管全回转钻机用于轨道4 号线坍塌事故工程的修复取得了满意的效果。
  此外,在上海、深圳等地利用全套管钻机施工咬合桩作为地下连续墙也取得了成功,比常用的液压抓斗效率更高,成本更低,泥浆污染大幅度降低。
  三、预制桩施工技术与设备
  预制桩包括钢桩(钢管桩、钢板桩等)和混凝土预制桩(空心预应力管桩、方桩等)。
  预制桩的施工可分为打入式、压入式、植入式。
  相应的施工设备主要有静压桩机、桩架、柴油打桩锤、液压打桩锤、振动桩锤、植入桩机等。
  1、静压桩机
  静压桩机是近十年来我国桩工行业发展最快的产品之一。
  管桩的施工以前主要采用柴油锤,柴油锤由于噪音、油烟污染等公害无法解决,在许多地方都受到限制。
  液压静力压桩机的优点是无振动、无噪音、无污染、质量好,所以混凝土预制管桩是我国近几年推广速度很快的一种工法。目前从南方到北方,从沿海到内地大部分省市都有应用,特别在软土地区已成为工民建的首选桩型。
  静压桩机的最大缺点是笨重,运输费用高,转移场地麻烦。
  目前静压桩机主要生产企业有湖南山河智能、湖南有色重工、恒天九五等,主要集中在长沙。
  2、柴油打桩锤
  柴油打桩锤包括筒式柴油锤、导杆式柴油锤。
  柴油锤由于噪音、油烟污染等公害无法解决,总的来说,其使用会越来越少,世界的趋势也是如此。
  柴油锤在向大型化发展。上海工程机械厂为满足我国海上桥梁、风电基础的施工的需要,先后开发了D128/138、D160/180、D220/250超大断面球墨铸铁筒式柴油打桩锤,已经应用于东海大桥、杭州湾大桥、崇启大桥、渤海湾石油平台、东海风电场、港珠澳大桥等重点工程。2012年8月,国内最大型的D250柴油打桩锤成功运用在位于江苏省南通近海滩屿的国家重点风电场建设项目,满足了Φ1.8m×61m钢管桩的沉桩作业,D250柴油锤开创了世界最大型柴油打桩锤成功运用于大型桩基工程的先例。
  3、振动桩锤
  我国电动式振动锤的发展已经非常成熟,从几千瓦到几百千瓦都能自行设计制造。液压振动桩锤的发展也较快。
  北京建筑机械化研究院研发的产品和技术有:
  ►DZ系列振动桩锤45、60、75、90、120、160、180型电动振动桩锤和中空电动振动桩锤;
  ►DZJ(EP)60、80、120、160、180、200、240系列可调偏心力矩电动振动桩锤;
  ►VB型水下电动振动桩锤、振动抓斗;
  ►EP800H型超高频调频调幅液压振动桩锤;
  ►DZM系列60、70、100、150、200型液压振动桩锤。
  北京建筑机械化研究院与浙江振中工程机械有限公司联合开发的DZJ系列可调偏心力矩振动桩锤是目前国内外最先进的电动振动桩锤。
  DZJ系列振动锤在我国的许多重点工程都得到了应用,如上海洋山深水港大规模使用该型振动锤进行海上振动挤密砂桩的施工取得了良好的经济效益。
  DZJ系列振动锤不仅满足了我国基础施工的需要而且大批量出口日本,开创了中国桩工机械出口发达国家的先河。
  DZJ系列振动锤获得1999年建设部科技进步一等奖。
  四、深基坑工程与施工设备
  近20年来,我国高大建筑物、地铁等地下建筑飞速增长,其基坑深度已逐渐由6m、8m发展至10m、20m以上。伴随着这些工程的实施,深基坑工程的设计、施工技术和施工装备已取得了长足进步。
  当基坑深度大于10m时,一般采用桩锚支护或地下连续墙,施工设备有钻孔机、液压抓斗、多轴钻机、双轮铣、锚杆钻机等。
  1、液压抓斗及双轮铣槽机
  2006年之前我国地下连续墙施工设备还主要依赖进口。主要为德国宝峨、利勃海尔、Leffer、意大利土力、卡萨格兰地、日本真砂等公司的产品。
  上海金泰工程机械有限公司于2005年开始研发小型液压抓斗,其后北京建筑机械化研究院、三一、徐工、南车也陆续开发了液压抓斗。目前,国产液压抓斗最小提升力22吨,最大已达60吨,基本满足了国内连续墙施工的需要。
  超深度或要求入岩的地下连续墙的施工采用双轮铣槽机是最有效的办法,如三峡大坝防渗墙、上海静安世博变电站地下连续墙、深圳地铁的一些车站等都是采用双轮铣施工的。
  2、SMW工法地下连续墙施工用多轴钻机
  SMW工法是Soil-Mixing Wall的简称,最早由日本成幸工业株式会社于1976年开发成功。
  SMW工法是利用专门的多轴钻孔机(一般为三轴)钻进切削土体,同时在钻头端部将水泥浆液注入土体,就地充分搅拌混合后,再将H型钢或其他型材插入搅拌后的土体内,形成地下连续墙体,利用该墙体直接作为挡土和止水结构。
  该工法可取代原有的钻孔灌注桩和止水帷幕的围护方法,具有施工速度快、止水效果好、造价低、无污染等优点,是一种很有推广前途的施工工艺。
  SMW工法是近几年推广最快的工法之一。在上海、天津、南京、杭州、郑州、武汉、昆明等地已经推广使用。
  我国SMW工法施工用多轴钻孔机早期全部从日本进口,如日本三和机材、三和机工,主要以二手机为主,价格昂贵。
  1998年北京建筑机械化研究院率先研发了ZLD110三轴钻机。以后又研发了ZLD150、ZLD165、ZLD205、ZLD225型多种规格的三轴钻机。其中ZLD150/85-3三轴式地下连续墙钻孔机获2008年华夏建设科技三等奖。
  三轴钻机的主要生产企业有上海工程、上海金泰、浙江振中等。
  3、锚杆钻机和多功能钻机
  锚杆钻机用于建筑深基坑、矿山巷道、隧道、水利、铁路和公路等工程,对于治理和预防深基坑坍塌、边坡滑落等有独特的优越性,近年来在各个工程领域的应用有了突破性发展。
  我国以前的国产锚杆钻机结构都比较简单,整机性能比较落后,使用范围窄,遇卵石层、岩层施工困难,施工效率低,自动化程度低。
  北京建筑机械化研究院通过国家“十一五科技支撑”项目研制了具有回转冲击功能的全液压履带式锚杆钻机。其采用全液压履带式底盘,机动性强;钻机的钻架能够全方位调节,施工范围大;动力头可边回转边冲击,套管钻进,解决了对 卵石层和岩层无法钻孔或偏孔的问题,施工效率高。该项目获得2012年华夏建设科学技术三等奖。
  目前北京建筑机械化院研发、北京建研机械科技有限公司生产的锚杆钻机和多功能钻机有:
  MG97、MG130全液压回转冲击式履带锚杆钻机;
  JY110、JD110L、JD180、JD180L、JD180R普通型、进给梁加长型、上部全回转型、上部摆动型、伸缩履带型、纯旋转式、回转冲击式、外接气动潜孔锤式等全液压履带多功能施工钻机。
  多功能钻机以垂直钻进为主,主要用于打设钢管桩以及微型、小型桩孔和凿岩钻孔,也可进行锚固施工和水平钻进。
  多功能钻机已在许多工程中应用,并批量出口到香港、新加坡等地。
  北京建筑机械化院的其它桩工机械技术
  ►JB90、JB120、JB140、JB180型液压步履式桩架;
  ►JL90、JL120、JL180型电液履带式桩架;
  ►全液压履带式三支点打桩架;
  ►基础施工用全液压履带式起重机;
  ►系列长螺旋钻孔机;
  ►“十二五”国家科技支撑计划——复杂地层桩基础施工用双动力头潜孔锤凿岩钻机(双动力头带套管长螺旋钻机+大直径气动潜孔锤)
  ►国家级课题JK50建筑基础加固改良用全液压轮式和履带式小型钻机(主要用于拧入钢管桩或原地钻孔加注水泥浆搅拌凝固形成柱体)。
  ►DJU72A-H型全液压履带式三支点打桩架获1993年部级科技进步一等奖。
  主编的有关桩工机械国标和行标有:
  ►GB/T 7920.6-2005《建筑施工机械与设备 打桩设备 术语和商业规格》
  ►GB 22361-2008《打桩设备 安全规范》
  ►GB/T 21682-2008《旋挖钻机》
  ►GB 26545-2011《建筑施工机械与设备 钻孔设备安全规范》
  ►JB/T10599-2006《振动桩锤》
  ►《建筑施工机械与设备 液压抓斗》
  ►《建筑施工机械与设备 长螺旋钻孔机》
  ►《建筑施工机械与设备 桩架》
  ►《建筑施工机械与设备 多轴式地下连续墙钻孔机》
  ►《建筑施工机械与设备 锚杆钻机》
  五、今后几年需要研究的技术
  1、坚硬地层地下连续墙施工设备——双轮铣槽机
  2、坚硬地层地下连续墙施工设备——双轮铣深层搅拌机
  3、施工效率高、成墙质量好的地下连续墙施工设备——TRD工法用切削搅拌机
  4、钻机+气动潜孔锤入岩新技术
  1、双轮铣槽机
  一般地层的地下连续墙施工多用液压抓斗,但遇到硬质地层液压抓斗施工困难,为此宝峨、卡萨格兰地、土力等公司开发了双轮铣槽机。
  双轮铣槽机全液压驱动,配有专用履带式桩架,施工时两个铣轮连续地切削地下的泥土和岩石并破碎成小块,在槽中与护壁泥浆混合,然后通过泵将含有碎石的泥浆抽到地面的泥浆处理设备中,将泥土和岩石碎块与泥浆分离后,干净的泥浆重新送到槽中循环利用。这样重复挖掘就可形成地下连续墙的槽形结构,然后放入钢筋笼,浇注混凝土,形成地下连续墙。
  三峡工程、南水北调穿黄工程、深圳地铁、上海地铁也引进了上述设备,使用效果很好。
  2、双轮铣深层搅拌机
  又称为导杆式双轮铣深层搅拌设备,全液压驱动,下部有两个水平设置的切削头,切削头上镶有硬质合金刀头截齿,上部是一方形导杆,通过滑道与三支点打桩机立柱相联接。
  两个铣轮连续地切削地下的泥土和岩石,并将其破碎成小块,贯穿地层时注入膨润土浆进行第一次搅拌,提钻时注入水泥灰浆进行二次搅拌,就地成墙,搅拌均匀完整,排土和排渣量少,施工环保迅速,工效高。在灰浆初凝前也可打入工字钢等型材(收回后可重复使用),增加墙的强度。
  该机适应面广,在岩石、砾石层中都能施工,施工深度可达35m,施工精度高,成墙防水效果好,无污染。
  3、TRD工法用切削搅拌机
  又称为TRD工法用链锯式铣搅机,其履带或步履底盘上侧向布置一个链轮链条式切削机构,链条上装有切削刀头。
  该机开始先边切削边将链式切削机构接到预定深度,然后全深度横向切削,边切削便注入水泥浆,混合搅拌形成水泥土墙。
  TRD工法具有以下特点:
  ►机械总高度低(施工刀具始终处于地下),稳定性好。
  ►连续墙厚度均匀,具有横向连续性。
  ►连续墙深度方向的质量均匀。
  ►施工效率非常高,施工实绩深度已达60m。
  ►无污染。
  4、钻机+气动潜孔锤入岩新技术
  现在许多桩基础都要求桩要入岩。我国目前所用的入岩设备都十分落后,基本上都是冲击钻,效率低、泥浆污染严重。
  在韩国和日本等国,有一种工法对付岩层十分有效,即双动力头长螺旋钻孔机与气动潜孔锤联合施工。
  施工方法是:
  双动力头潜孔锤凿岩钻孔机悬挂在桩架上,内动力头驱动长螺旋钻杆,钻杆下端装有潜孔锤,钻杆带动潜孔锤回转的   同时,高压空气经过钻杆内孔带动潜孔锤的锤头部分上下冲击运动,边回转边冲击,将岩石破碎成岩屑,岩屑在高压空气的作用下沿螺旋叶片被返至地面。
  外动力头驱动外套管反向旋转跟进,可避免钻孔坍塌和被高压空气冲扩、可纠偏保证垂直度,还有利于岩屑的排出。
  达到预定深度后,将内钻杆及潜孔锤拔出,插入钢筋笼灌注混凝土,然后再将外套管拔出。此种工法施工效率高,成孔质量好,不用泥浆护壁,无泥浆污染。
  旋挖钻机下接气动潜孔锤进行入岩施工。




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