论文部分内容阅读
【摘要】ZLG22米折塔式履带螺杆桩机是螺杆桩的成桩设备，该桩机具有动力头扭矩大，主卷扬拉力大，同步控制性能稳定等特点，主要用于超硬和复杂岩土地层的成桩，简化了成桩工艺，提高了单桩承载力，实现一机多能，达到了节能减排的效果。本文主要介绍了该桩机成桩原理、桩机组成、主要结构特点、技术参数及实际应用情况。
【关键词】超大扭矩；单排双出绳；同步控制；螺杆桩
1.概述
螺杆桩是一种高性能、低造价、短周期的新型桩，具有无噪音、无污染、无取土、对周边建筑无影响的绿色环保的特点。可以说螺杆桩无论是工程实用性、经济性还是环保性上都具有显而易见的优点和不可限量的前景。但现有的螺杆桩成桩设备JUS120履带螺杆桩机（第一代螺杆桩机）存在动力头扭矩小、同步稳定性差、施工效率低等缺点。为了解决这些问题，我们研制了ZLG22米折塔式螺杆桩机，它是东北煤田地质局一二八勘探队的第二代螺杆桩机，主要结构采用折叠塔、收缩行走履带，拆装搬运方便，施工效率高，成桩质量好，单桩承载力高等诸多优点，同时具备螺杆桩、螺旋挤土桩（即SDS桩）、长螺旋大孔径硬岩桩的施工。施工过程中采用泵送混凝土由桩底向上灌注，施工效率高，成桩质量好。适应于淤泥质黏土、粉土、砂土、含砾石黏性土、黄土、强风化土、中风化土等。现已广泛用于交通、工业与民用建筑工程领域中。
2.成桩原理
螺杆桩是上部位圆柱型、下部为螺丝型的变截面异形桩。动力头在直流电机控制下带动螺杆钻具作旋转运动，同时在主卷扬绳的拉力下沿主塔轨道做竖直上下移动。钻进过程中，动力头正转，主卷扬加压；提升过程中，动力头反转，主卷扬提升，通过电气控制系统实现动力头转速与主卷扬加压、提升过程完全同步化，连续提升钻杆至地面，在提钻同时管内泵压混凝土灌注成桩，最后放钢筋笼，满足螺杆桩施工要求。同时动力头和主卷扬具有单独操作功能，满足SDS桩和大孔径硬岩桩施工。
3.主要结构组成
如图1所示。1.顶部滑轮组；2.主塔；3.斜支杆；4.电气系统；5.塔支座；6.配重；7.主卷扬机；8.液压支腿；9.驾驶室；10.液压系统；11.工具卷扬机；12.履带底盘；13.主平台；14.加压滑轮组；15. 护筒；16.钻具；17.动力头
4.主要结构特点
4.1动力头部分
现有的设备动力头采用三环减速器，由双75kw直流电动机驱动，输出扭矩小，只有250KN.m。局限性：不能满足硬岩及复杂地层的螺杆桩、螺SDS桩、大径硬岩桩的施工。而且三环减速器要增加速比，会使体积增大，重量增加，这样影响桩机行走和工作时的稳定性。
该桩机动力头采用电机直流调速控制，双硬齿面二级行星减速，同时驱动一个硬齿面斜齿减速器输出，带动钻具旋转，同时硬齿面减速器采用水冷方式。主要部件型号及技术参数：直流电机Z4—250—21，90kw，2台，转速0～2250r/min；二级行星减速器HJC1100D.54—01，速比54，2台；硬齿面斜齿减速器ZZCD710—04，速比4，1台；经计算得出动力头额定输出转矩为450KN.m，国内同类机型相比最高，输出转速为0～12r/min。特点：采用变频调速控制，超大扭矩输出，满足了不同岩层及复杂地层的成孔成桩。
4.2主卷扬机部分
现有的设备主卷扬采用电动恒速双卷筒卷扬机（直流调速），完成动力头的提升和加压，每个卷筒单独操作，手动控制离合。局限性：（1）加压和提升换向操作不方便，要通过中间介轮来完成；（2）每个卷筒上的钢丝绳都采用多层缠绕，收放过程中绳速随时都在变化，很难保证动力头转速与其竖向移动的同步性；（3）单绳拉力小，对复杂地层很难施工。
该桩机主卷扬采用交流变频控制，大直径卷筒内藏大速比硬齿面减速器，同时采用同一卷筒单排绳双出绳结构，用于牵引动力头沿主塔轨道竖直上下移动，使加压和提升动力头同速。卷筒直径φ870mm，长1400mm ；钢丝绳直径φ26mm；主要部件型号和技术参数：电机：YVP225M—8，22kw，1台；内藏减速器型号：QJC1600，速比：260.3。经计算得出：主卷扬绳速0～20m/min，单绳拉力175KN，最大提升力可达700KN，国内同类机型相比最高。
特点：（1）在交流变频电机的带动下，卷筒旋转，两根钢丝绳同速收放，在保证动力头额定输出转矩的同时，收放钢丝绳同步性更高。满足了动力头转速与其竖向移动的同步性要求，避免了施工中二次成螺等虚假螺纹的现象，提高了成桩质量。（2）由于钢丝绳单层缠绕，因而减少了钢丝绳的磨损。（3）利用一个卷筒完成两个卷筒的功能，操作简单，提高了施工效率，同时节省了成本。
4.3塔架部分
主塔是桩机的关键部分，现有的螺杆桩机主塔采用法兰连接，而且材质多采用普通钢材制造，体积大，重量大。安装、拆卸、起落塔必须借助于吊车进行，费时、费力、运输成本高，同时也给用户带来很大麻烦。
该桩机主塔采用高强度钢材（BS700MC和42CrMo等），增加了结构的强度，同时减轻了整机的重量。塔高28m，经三次折叠满足运输要求，利用液压起塔、落塔、折叠。主塔截面尺寸：650mm×480mm。经计算主塔的扭转剪切强度：τmax= 94.19MPa〈 [τ]=233 MPa；扭转刚度：θ=0.291°/m〈 [θ]=0.5～1°/m。故主塔的强度和刚度均满足超大扭矩动力头输出扭矩450kN.m的要求。特点：塔架结构强度高，具有很高的安全稳定性。采用液压油缸控制和钢丝绳共同完成起、落塔，操作简单，效率高，省去组装塔架、斜支杆、缠绕钢丝绳等环节。折叠式塔架简化了拆装和运输，提高了施工效率。
4.4底盘部分
现有的设备底盘两侧履带与回转架体是法兰连接，展宽不易调节，运输时履带需要拆掉，操作不便。同時增大了设备转场及运输的困难，灵活性差。为了解决上述问题，该桩机采用单油缸伸缩式履带底盘，其特点：结构紧凑，运输方便，操作运转灵活。履带行走采用电动控制，根据桩架设计要求：履带行走转矩为70000N·m，履带行走速度4～8m/min；为了满足施工和运输要求，施工时履带展宽4.6m，运输时缩宽3.3m。特点：灵活、迅速、行走平稳，而且相对的比其它驱动不仅降低了制造成本和使用成本，故障率也低，操作方便。 4.5螺杆钻具部分
螺杆钻具是螺杆桩成桩的关键部分。螺杆钻具由光杆钻具、带螺旋叶片的螺杆钻具和钻头三部分组成，钻具内设有泥浆管，作为输送混凝土的通道。其中带有叶片的螺杆钻具部分长度一般为4～8m，这里取6m，其余部分为光杆钻具。根据螺杆灌注桩的技术规程并结合实际应用经验确定螺杆钻具中心管和叶片尺寸：
桩径（mm） φ400 φ500 φ600 φ700
桩管直径（mm）φ291×δ20 φ351×δ20 φ351×δ20 φ426×δ20
螺距（mm） 340 360 380 460
叶片材质：低碳耐磨铸造高强度合金钢；钻具接头材质：42CrMo。钻头形式采用单开门，优点口不易开且吐料好。螺杆钻具接头采用内、外六方插接，抗剪、抗扭强度好，而且对中性好。
5.与当前国内同类研究、同类技术的综合比较
螺杆桩是国内专利产权，是国家推广的节能减排桩基础，当前国内螺杆桩机生产共三家。分别是东北煤田地质局一二八勘探队、山东卓力桩机有限公司、武汉武船机电设备有限公司，其性能见下表：
螺杆桩机性能比较表
6.实际应用情况
以辽宁省本溪市某高层建筑施工为例，该地区的土层情况如下（从上之下）：①杂填土 ②粘土 ③粉质粘土（硬塑）④粉质粘土（可塑）。对该设备进行了实际应用，对已施工了8根桩径为500mm试验桩，有效桩长20m，进行单桩静荷载试验，测试结果为：最大加载载荷为7500KN，单桩最大沉降仅为15mm。满足了单桩承载特征值2800KN，沉降量小于36mm的要求。
ZLG22米折塔式履带螺杆桩机自投放市场以来，先后有近5台设备在东北三省及内蒙多地多个项目进行了施工作业，通过现场施工反馈，该桩机械性能稳定，成桩质量好，施工效率高，与同类型的螺杆桩机相比（如山东卓力桩机有限公司生产的螺杆桩机），动力头输出转矩大，同步性强，输出转速高，施工效率能提高15%—20%，拆裝搬运简化，节省时间和费用。几年来为用户创造了可观的经济收益，同时为用户螺杆桩的施工在社会上树立了良好的形象，获得了很好的声誉。
7.结束语
ZLG22米折塔式履带螺杆桩机的推广使用，带动了建筑桩基础节能减排的步伐，原始的桩基础如超流态、CFG、正反循环冲击回转等桩型面临着逐渐远离市场。螺杆桩、SDS桩得到了很好的质量保障，为企业和社会带来了丰厚的经济效益。同时为推广螺杆桩、SDS桩起到积极作用，节能减排，得益于民。
参考文献
[1]桩基工程手册编写委员会.桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.
[2]孙鸣.钢筋混凝土螺旋桩可行分析[J].天津城市建设学院学报.2001.7
[3]刘钟，张义，李志毅，赵琰飞.新型螺旋挤土桩（SDSP）技术[C]，第十届全国地基处理学术讨论会论文集—地基处理理论与技术进展，南京：东南大学出版社，2008.
[4]刘钟，李志毅，卢璟春.短螺旋挤土灌注桩（SDS桩）施工新技术[C].第九届全国桩基工程学术会议论文集—桩基工程技术进展2009，北京：中国建筑工业出版社，2009.
[5]沈保汉，张凤良.螺杆灌注桩施工技术[J].建筑技术，2010，41（5）
作者简介
刘守进（1965年4月— ），男，辽宁沈阳人，大学毕业，东北煤田地质局一二八勘探队副队长，高级工程师，从事机械设计及制造工作。
【关键词】超大扭矩；单排双出绳；同步控制；螺杆桩
1.概述
螺杆桩是一种高性能、低造价、短周期的新型桩，具有无噪音、无污染、无取土、对周边建筑无影响的绿色环保的特点。可以说螺杆桩无论是工程实用性、经济性还是环保性上都具有显而易见的优点和不可限量的前景。但现有的螺杆桩成桩设备JUS120履带螺杆桩机（第一代螺杆桩机）存在动力头扭矩小、同步稳定性差、施工效率低等缺点。为了解决这些问题，我们研制了ZLG22米折塔式螺杆桩机，它是东北煤田地质局一二八勘探队的第二代螺杆桩机，主要结构采用折叠塔、收缩行走履带，拆装搬运方便，施工效率高，成桩质量好，单桩承载力高等诸多优点，同时具备螺杆桩、螺旋挤土桩（即SDS桩）、长螺旋大孔径硬岩桩的施工。施工过程中采用泵送混凝土由桩底向上灌注，施工效率高，成桩质量好。适应于淤泥质黏土、粉土、砂土、含砾石黏性土、黄土、强风化土、中风化土等。现已广泛用于交通、工业与民用建筑工程领域中。
2.成桩原理
螺杆桩是上部位圆柱型、下部为螺丝型的变截面异形桩。动力头在直流电机控制下带动螺杆钻具作旋转运动，同时在主卷扬绳的拉力下沿主塔轨道做竖直上下移动。钻进过程中，动力头正转，主卷扬加压；提升过程中，动力头反转，主卷扬提升，通过电气控制系统实现动力头转速与主卷扬加压、提升过程完全同步化，连续提升钻杆至地面，在提钻同时管内泵压混凝土灌注成桩，最后放钢筋笼，满足螺杆桩施工要求。同时动力头和主卷扬具有单独操作功能，满足SDS桩和大孔径硬岩桩施工。
3.主要结构组成
如图1所示。1.顶部滑轮组；2.主塔；3.斜支杆；4.电气系统；5.塔支座；6.配重；7.主卷扬机；8.液压支腿；9.驾驶室；10.液压系统；11.工具卷扬机；12.履带底盘；13.主平台；14.加压滑轮组；15. 护筒；16.钻具；17.动力头
4.主要结构特点
4.1动力头部分
现有的设备动力头采用三环减速器，由双75kw直流电动机驱动，输出扭矩小，只有250KN.m。局限性：不能满足硬岩及复杂地层的螺杆桩、螺SDS桩、大径硬岩桩的施工。而且三环减速器要增加速比，会使体积增大，重量增加，这样影响桩机行走和工作时的稳定性。
该桩机动力头采用电机直流调速控制，双硬齿面二级行星减速，同时驱动一个硬齿面斜齿减速器输出，带动钻具旋转，同时硬齿面减速器采用水冷方式。主要部件型号及技术参数：直流电机Z4—250—21，90kw，2台，转速0～2250r/min；二级行星减速器HJC1100D.54—01，速比54，2台；硬齿面斜齿减速器ZZCD710—04，速比4，1台；经计算得出动力头额定输出转矩为450KN.m，国内同类机型相比最高，输出转速为0～12r/min。特点：采用变频调速控制，超大扭矩输出，满足了不同岩层及复杂地层的成孔成桩。
4.2主卷扬机部分
现有的设备主卷扬采用电动恒速双卷筒卷扬机（直流调速），完成动力头的提升和加压，每个卷筒单独操作，手动控制离合。局限性：（1）加压和提升换向操作不方便，要通过中间介轮来完成；（2）每个卷筒上的钢丝绳都采用多层缠绕，收放过程中绳速随时都在变化，很难保证动力头转速与其竖向移动的同步性；（3）单绳拉力小，对复杂地层很难施工。
该桩机主卷扬采用交流变频控制，大直径卷筒内藏大速比硬齿面减速器，同时采用同一卷筒单排绳双出绳结构，用于牵引动力头沿主塔轨道竖直上下移动，使加压和提升动力头同速。卷筒直径φ870mm，长1400mm ；钢丝绳直径φ26mm；主要部件型号和技术参数：电机：YVP225M—8，22kw，1台；内藏减速器型号：QJC1600，速比：260.3。经计算得出：主卷扬绳速0～20m/min，单绳拉力175KN，最大提升力可达700KN，国内同类机型相比最高。
特点：（1）在交流变频电机的带动下，卷筒旋转，两根钢丝绳同速收放，在保证动力头额定输出转矩的同时，收放钢丝绳同步性更高。满足了动力头转速与其竖向移动的同步性要求，避免了施工中二次成螺等虚假螺纹的现象，提高了成桩质量。（2）由于钢丝绳单层缠绕，因而减少了钢丝绳的磨损。（3）利用一个卷筒完成两个卷筒的功能，操作简单，提高了施工效率，同时节省了成本。
4.3塔架部分
主塔是桩机的关键部分，现有的螺杆桩机主塔采用法兰连接，而且材质多采用普通钢材制造，体积大，重量大。安装、拆卸、起落塔必须借助于吊车进行，费时、费力、运输成本高，同时也给用户带来很大麻烦。
该桩机主塔采用高强度钢材（BS700MC和42CrMo等），增加了结构的强度，同时减轻了整机的重量。塔高28m，经三次折叠满足运输要求，利用液压起塔、落塔、折叠。主塔截面尺寸：650mm×480mm。经计算主塔的扭转剪切强度：τmax= 94.19MPa〈 [τ]=233 MPa；扭转刚度：θ=0.291°/m〈 [θ]=0.5～1°/m。故主塔的强度和刚度均满足超大扭矩动力头输出扭矩450kN.m的要求。特点：塔架结构强度高，具有很高的安全稳定性。采用液压油缸控制和钢丝绳共同完成起、落塔，操作简单，效率高，省去组装塔架、斜支杆、缠绕钢丝绳等环节。折叠式塔架简化了拆装和运输，提高了施工效率。
4.4底盘部分
现有的设备底盘两侧履带与回转架体是法兰连接，展宽不易调节，运输时履带需要拆掉，操作不便。同時增大了设备转场及运输的困难，灵活性差。为了解决上述问题，该桩机采用单油缸伸缩式履带底盘，其特点：结构紧凑，运输方便，操作运转灵活。履带行走采用电动控制，根据桩架设计要求：履带行走转矩为70000N·m，履带行走速度4～8m/min；为了满足施工和运输要求，施工时履带展宽4.6m，运输时缩宽3.3m。特点：灵活、迅速、行走平稳，而且相对的比其它驱动不仅降低了制造成本和使用成本，故障率也低，操作方便。 4.5螺杆钻具部分
螺杆钻具是螺杆桩成桩的关键部分。螺杆钻具由光杆钻具、带螺旋叶片的螺杆钻具和钻头三部分组成，钻具内设有泥浆管，作为输送混凝土的通道。其中带有叶片的螺杆钻具部分长度一般为4～8m，这里取6m，其余部分为光杆钻具。根据螺杆灌注桩的技术规程并结合实际应用经验确定螺杆钻具中心管和叶片尺寸：
桩径（mm） φ400 φ500 φ600 φ700
桩管直径（mm）φ291×δ20 φ351×δ20 φ351×δ20 φ426×δ20
螺距（mm） 340 360 380 460
叶片材质：低碳耐磨铸造高强度合金钢；钻具接头材质：42CrMo。钻头形式采用单开门，优点口不易开且吐料好。螺杆钻具接头采用内、外六方插接，抗剪、抗扭强度好，而且对中性好。
5.与当前国内同类研究、同类技术的综合比较
螺杆桩是国内专利产权，是国家推广的节能减排桩基础，当前国内螺杆桩机生产共三家。分别是东北煤田地质局一二八勘探队、山东卓力桩机有限公司、武汉武船机电设备有限公司，其性能见下表：
螺杆桩机性能比较表
6.实际应用情况
以辽宁省本溪市某高层建筑施工为例，该地区的土层情况如下（从上之下）：①杂填土 ②粘土 ③粉质粘土（硬塑）④粉质粘土（可塑）。对该设备进行了实际应用，对已施工了8根桩径为500mm试验桩，有效桩长20m，进行单桩静荷载试验，测试结果为：最大加载载荷为7500KN，单桩最大沉降仅为15mm。满足了单桩承载特征值2800KN，沉降量小于36mm的要求。
ZLG22米折塔式履带螺杆桩机自投放市场以来，先后有近5台设备在东北三省及内蒙多地多个项目进行了施工作业，通过现场施工反馈，该桩机械性能稳定，成桩质量好，施工效率高，与同类型的螺杆桩机相比（如山东卓力桩机有限公司生产的螺杆桩机），动力头输出转矩大，同步性强，输出转速高，施工效率能提高15%—20%，拆裝搬运简化，节省时间和费用。几年来为用户创造了可观的经济收益，同时为用户螺杆桩的施工在社会上树立了良好的形象，获得了很好的声誉。
7.结束语
ZLG22米折塔式履带螺杆桩机的推广使用，带动了建筑桩基础节能减排的步伐，原始的桩基础如超流态、CFG、正反循环冲击回转等桩型面临着逐渐远离市场。螺杆桩、SDS桩得到了很好的质量保障，为企业和社会带来了丰厚的经济效益。同时为推广螺杆桩、SDS桩起到积极作用，节能减排，得益于民。
参考文献
[1]桩基工程手册编写委员会.桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.
[2]孙鸣.钢筋混凝土螺旋桩可行分析[J].天津城市建设学院学报.2001.7
[3]刘钟，张义，李志毅，赵琰飞.新型螺旋挤土桩（SDSP）技术[C]，第十届全国地基处理学术讨论会论文集—地基处理理论与技术进展，南京：东南大学出版社，2008.
[4]刘钟，李志毅，卢璟春.短螺旋挤土灌注桩（SDS桩）施工新技术[C].第九届全国桩基工程学术会议论文集—桩基工程技术进展2009，北京：中国建筑工业出版社，2009.
[5]沈保汉，张凤良.螺杆灌注桩施工技术[J].建筑技术，2010，41（5）
作者简介
刘守进（1965年4月— ），男，辽宁沈阳人，大学毕业，东北煤田地质局一二八勘探队副队长，高级工程师，从事机械设计及制造工作。