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1、超大型旋挖钻机钻斗提升运动分析闻志君1，潘云英2，卢天日1，高文攀1（1. 北京南车时代重工机械有限责任公司，北京 102249；2. 福田雷沃重机股份有限公司，北京 102200）摘 要：运用流体力学工具，分析旋挖钻机成孔取土时，钻斗在充满泥浆的已成孔内提升时的运动情况，找到影响钻斗提升的相关因素及其限制条件，并用以指导超大型旋挖钻机设计和施工。关键词：超大型旋挖钻机；桥梁桩；钻斗提升；成孔能力；运动分析； 同心圆环缝隙流；绕流随着我国铁路、公路桥梁等大批交通基础设施的高速发展,对桥梁桩基的成桩直径和深度、成孔速度等一系列的要求都在不断地提高。建设中的宁安铁路安庆长江大桥3#、4#主墩各采用
2、37根3.4m/3m变径桩基础，桩长108110m,平台以下钻孔深度达143m，入岩深度近100m,大直径变径钻孔桩施工是全桥的重点。南车时代重工顺应桥梁桩发展趋势，在成功研发TR400基础上开发TR500超大型旋挖钻机。大型桥梁桩孔径大，深度深，相应的钻斗直径和钻杆长度都要又大又深。旋挖钻机施工时，主卷扬起升机构性能是决定成孔能力的关键因素。要设计一套好的机构，必须首先弄清它的工况，要设计超大型旋挖钻机就必须研究影响钻斗提升运动的因素。 一、 旋挖钻机成桩取土工艺及孔内泥浆运动分析旋挖钻机成桩取土步骤:操作手操作钻机使钻斗对正桩位，主卷扬下降，钻头入孔下降到孔底，动力头驱动钻杆及其联接钻斗回
3、转切土，此时主卷扬机构浮动，可适当施以加压力，钻斗在重力、加压力和取土掘进力的作用下切入土层，切下的土被挤入钻斗，钻斗继续下降，当钻斗下降到进尺深度后，反转钻斗闭合斗门，主卷扬起升，使钻斗上升出孔，回转卸土，如此往复取土成孔。为防止新成孔壁的塌陷，可采用泥浆护壁（湿法）或者跟随套管护壁（干法），国内施工基本都用泥浆护壁。泥浆护壁施工时在成孔过程中要不断补入泥浆，以保持泥浆液面基本不变。由于孔中充满泥浆，若要提升钻斗，钻斗必须排开泥浆才能移动，泥浆退让只有两个途径：一是随钻斗上升漫出孔口，二是从孔壁与钻斗侧面的间隙流到钻斗下方。若泥浆随钻斗上升，钻斗提升力必须能克服钻斗上方泥浆柱的重量。见图1。
4、以3m的桩孔为例，钻斗在100m深位置时，经过简单计算可知钻斗上方泥浆柱的质量达到700吨左右,任何旋挖钻机要提动都是不可能的，所以深孔取土时，钻斗在提升的过程中，泥浆柱的上段静止不动，接近钻斗的泥浆在钻斗和上方泥浆柱的推挤作用下只能通过钻斗的外侧与孔壁的间隙流往钻斗下方。二、 钻斗在孔内运动分析和卷扬提升力计算若钻斗平稳上升时，受力状态如图2所示，有： (1)式中 _卷扬起升力,kN；_泥浆浮力, kN；_泥浆阻力, kN；_重力, kN。重力包括钻斗、钻杆和钻斗里的土受到的重力，那么： (2)式中 _钻斗质量，kg；_钻杆质量，kg；_钻斗里土的质量，kg。泥浆浮力可分为钻斗、钻杆和钻斗里
5、的土受到的浮力，在深孔取土时钻斗、钻斗里的土完全浸入泥浆中，钻杆除动力头驱动联接位置外都浸入泥浆中，因为钻杆是薄壁钢管，剩余钻杆体积相对很小，为分析方便，此处认为钻杆也完全浸入泥浆中，那么有： （3）式中 _泥浆密度，kg/m3；_钢材密度，kg/m3；_钻斗里的土密度，kg/m3。 泥浆阻力是钻斗上下泥浆压差对钻斗的压力，有: (4)式中 _钻斗直径，m；_钻斗上下表面压差，Pa，。将（2）、（3）、（4）式代入（1）式，经整理可得： (5) 设为当量重力，令 ，那么： （6）深孔取土时，钻斗在提升的过程中，远离钻斗的泥浆柱静止，接近钻斗的泥浆在钻斗和上方泥浆柱的推挤作用下只能通过钻斗的外侧
6、与孔壁的间隙流往钻斗下方。由流体连续性方程，有： （7）式中 _钻斗推动的泥浆流量, m3/s；_泥浆通过缝隙的流量, m3/s。设钻斗提升速度为，那么钻斗推动的泥浆流量有： （8） 钻斗的运动方向与压差的方向相反，根据有相对运动的同心圆环缝隙流量公式，有： （9）式中 _钻斗的外侧与孔壁的间隙，m；_泥浆的动力粘度，Pas，一般Pas；_钻斗高度, m。将（8）、（9）式代入（7）式，经整理可得： （10）将（10）式代入（6）式，经整理可得： （11）钻斗提升速度就是卷扬机构起升速度，钻斗提升时功率等于旋挖钻机的有效功率，那么： （12）式中 _发动机飞轮功率，kW；_传动总效率，一般为0
7、.75。将（12）式代入（11）式，并且卷扬提升力方向只能向上，经整理可得： （13） 分析（13）式可知是量纲为力的单位的量，设其为，那么（13）式可简化为： （14）旋挖钻机成孔作业时，提升钻斗的过程分为在充满泥浆的孔内提升和出泥浆后的提升。令整个提升过程中所需卷扬提升力为，那么： （15） 设计旋挖钻机确定卷扬提升力参数时，必须以较大值为依据，此时由功率限制对应的提升速度为。那么： （16） （17）式中 b_ 当量重量, kN，；c_当量阻力，kN, 。旋挖钻机在取土时不仅要考虑起升机构对钻斗的提升力,即取土能力，还要考虑已成孔的稳定性，即成孔工艺的护壁能力。泥浆在钻斗与孔壁间隙间流动
8、是影响已成孔稳定的重要因素，下面我们对这一影响进行分析。三、 钻斗在孔内运动时钻斗与孔壁间隙间泥浆流动分析提升钻斗时钻斗和泥浆的相互运动，若以钻斗为参照，则可看做泥浆对钻斗的绕流，在图1中分析2-2截面与3-3截面处的泥浆流。 令钻斗推动泥浆的面积为，泥浆在钻斗与孔壁间隙间通流面积为，泥浆流速为，由流体连续性方程有： （18）根据伯努利方程，有： （19）式中 _泥浆在钻斗上方压力，Pa；_泥浆在缝隙中压力，Pa。对深孔取土，因为钻斗高度相对孔深很小，可以认为等于，那么将（18）式代入（19）式并整理得： （20）由流体静压力基本公式知： （21）式中 _大气压力，一标准大气压等于Pa。将（2
9、1）式代入（20）式，得： （22）当时，钻斗与孔壁间出现负压，会导致缩孔卡钻故障，因此泥浆在缝隙中压力为零时钻斗运动的速度，是不发生缩孔的最高速度，设其为。由 (22) 式，整理得： （23）整理为直径关系得： （24）旋挖钻机孔内取土时，孔壁与钻斗初始间隙由边齿扩孔形成，边齿高很小所以孔壁与钻斗初始间隙相对孔径很小，（24）式中的高次幂函数项可以忽略，那么： （25）由（25）式可知离孔口越近，允许提升速度越小。为防止缩孔，旋挖钻机施工时要在孔口埋设钢护筒，在钢护筒下端面不出现缩孔的速度就是允许钻斗最大提升速度，令其为，设护筒高度为，那么有： （26） 由（26）式可知，在标准大气压下，旋
10、挖钻机钻斗允许最大提升速度是一个和泥浆密度、护筒高度、间隙和钻斗直径相关的量。四、 钻斗在孔内运动规律在旋挖钻机设计中的应用由以上分析可知，设计旋挖钻机首先要确定成孔时不出现缩孔的允许钻斗最大提升速度，确保成孔时不缩孔。根据（26）式和常用施工工法参数计算出的值，见表1。表1不同成孔能力允许提升速度计算孔径11.21.51.822.22.534钻斗直径0.91.11.41.71.92.12.42.93.9间隙0.050.050.050.050.050.050.050.050.05护筒高度1.51.52222468泥浆密度110011001100110011001100110011001100大
11、气压强101300101300101300101300101300101300101300101300101300允许速度1.1482190.9394520.7548850.621670.5562310.5032570.4774260.4235780.3348中小旋挖钻机应用最广的是钻1.5m左右的孔，行业经验共识认为0.750.85m/s是施工时最稳定的提升速度，这正与我们的分析数据吻合。旋挖钻机施工常用的预埋护筒工法不同于跟随套管工法，其护筒高度不会太大。通过表1我们可以看出：成桩孔径太大时，不缩孔允许提升速度太小。由于护筒高度和边齿强度限制，通过增大护筒高度和间隙调整的余地不大。此时若以
12、允许提升速度作为设计依据，会严重影响工作速度，若不以它作为设计依据，又可能造成缩孔卡钻。为解决这一矛盾，在大型钻斗中设置联通钻斗上下的导流管，在不改变钻斗与成孔相关尺寸的情况下，增大泥浆运动的通流面积，提高不出现缩孔的钻斗最大提升速度。由以上分析可知：时可充分利用旋挖钻机发动机功率。如图3所示，设置导流管相当于增大间隙，设为当量间隙，为当量通流面积，那么保证护壁要求的允许提升速度等于由旋挖钻机功率限定的提升速度的当量间隙是最小允许间隙，此时的导流管直径就是允许最小直径，设为。由可得： (27)由图3可知: (28)由（27）、（28）式整理得： (29)忽略的高次幂函数项，那么： (30)根据以上分析，将旋挖钻机成孔取土相关参数和对应函数输入excel表，得出的超大旋挖钻机TR400、TR500的主卷扬机参数及其工作条件，见表2。据此设计的TR400旋挖钻机在实际施工中性能非常稳定，截止投稿日期已无故障连续大负荷运行4个多月，深得行业好评。表2 旋挖钻机主卷扬提升力和提升速度计算表参数名称 代号单位 设计值TR400TR500计
