水利工程施工技术造孔机械水电工程施工技术.docx
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水利工程施工技术造孔机械水电工程施工技术
第三节钻孔机械
1钢绳冲击式钻机
钢绳冲击式钻机（简称冲击钻）通过钻头向下的冲击运动破碎地基土，形成钻孔。
它不仅适用于一般的软弱地层，亦可适用砾石、卵石、漂石和基岩。
钢绳冲击钻机结构简单，操作、维修和运输方便，价格低廉。
因此，尽管效率较低，仍在我国水利水电和其它行业的中小工程中被普遍采用。
1.1钢绳冲击钻机的技术性能
我国使用的钢绳冲击钻机主要型号有CZ-20、CZ-22（图7-3-1）和CZ-30型等，主要技术性能见表7-3-1。
各厂也都有一些改进的型号，技术性能稍有差别。
表7-3-1常用冲击式钻机的主要技术性能
型号
CZ-20
CZ-22
CZ-30
开孔直径（mm）
635
710
1000
钻具的最大重量（kg）
1000
1300
2500
钻具的冲程（m）
1.00～0.45
1.00～0.35
1.00～0.50
钻具冲击次数（次/min）
40，45，50
40，45，50
40，45，50
钻进深度（m）
120
150
180
工具、抽砂、辅助卷扬起重力（kN）
15，10
20，13，15
30，20，30
工具卷筒平均绳速（m/s）
0.52，0.58，0.65
1.1～1.4
1.1，1.25，1.42
抽砂卷筒平均绳速（m/s）
0.96，1.08，1.27
1.2～1.6
1.21，1.38，1.68
辅助卷筒平均绳速（m/s）
——
0.80～1.00
0.95～1.22
工具卷筒钢丝绳直径（mm）
19.5
21.5
26.0
抽砂卷筒钢丝绳直径（mm）
13.0
15.5
17.5
辅助卷筒钢丝绳直径（mm）
——
15.5
21.5
工具卷筒容绳量（m）
250
250
350
抽砂卷筒容绳量（m）
250
250
350
辅助卷筒容绳量（m）
——
135
210
桅杆高度（m）
12.0
13.5
16.0
桅杆起重量（t）
5.0
12.0
25.0
电机功率（kW）
20
30
40
电机转速（r/min）
970
975
735
钻机重量（t）
6.27
6.87
11.15
工作状态的外形尺寸（长×宽×高）
（mm×mm×mm）
5800×1850×12300
5600×2300×14000
7700×2840×16000
牵引速度（km/h）
20
20
20
1.2钻具
1.2.1钻头
冲击钻头可分为十字钻头、空心钻头、圆钻头和角锥钻头等。
在防渗墙施工中常用十字钻头和空心钻头（图7-3-2）。
空心钻头主要用于钻进粘土层、砂土层和壤土层等松软地层，钻进时阻力小，切削力大，重心稳。
十字钻头用于砂卵石层、风化岩层、卵石、漂石以及基岩等。
两种钻头的技术参数见表7-3-2，表7-3-3。
图7-3-1CZ-22型钢绳冲击钻机
1-前轮；2-后轮；3-牵引杆；4-底架；5-电动机；6-三角皮带；7-主动轴；8-冲击离合器；9-冲
击齿轮；10-冲击轴；11-连杆；12-缓冲装置；13-钻进工具用卷筒离合器；14-链条；15-钻进工
具用卷筒；16-抽筒用卷筒离合器；17-齿轮；18-抽筒用卷筒；19-辅助滑车用卷筒离合器；20-齿
轮；21-辅助滑车用卷筒；22-桅杆；23-钻进工具钢丝绳天轮；24-抽筒钢丝绳天轮；25-起重用滑轮
图7-3-2冲击式钻头（图中尺寸单位：
mm）
（a）十字钻头；（b）空心钻头
表7-3-2十字钻头与空心钻头的技术参数
钻头名称
钻头直径（mm）
底角（°）
摩擦角（°）
摩擦面宽度（mm）
水口宽度（mm）
冲击刃角（°）
底刃厚度（mm）
十字钻头
830～850
160～170
10～15
250～300
220～240
60
10～20
空心六角
880～900
140～150
10～15
200～250
180～200
60
10～20
空心八角
880～900
140～150
10～15
170～200
140～150
55
10～20
空心十角
880～900
140～150
10～15
150～170
120～140
55～60
10～20
表7-3-3钻进不同土质时十字钻头的参数
土质
冲击刃角α
摩擦面角β
摩擦角γ
底角φ
粘土、细砂
70°
40°
12°
160°
堆积层砂卵石
80°
50°
15°
170°
坚硬漂卵石
90°
60°
15°
170°
1.2.2钢丝刷
又称钢丝刷钻头（图7-3-3），是用于对墙段接缝缝面进行刷洗，以清除泥皮的工具。
一般用废旧十字钻头或工字钻头加工而成。
1.2.3抽砂筒
抽砂筒（图7-3-4）是抽排孔底沉渣的工具。
钻机型号和钻孔直径不同，所用抽砂筒的规格也有所不同。
图7-3-3钢丝刷子钻头
1-旧十字钻头体；2-固定拉杆；3-上圆盘；4-钢丝固定压条；5-钢丝穿编龙骨；6-钢丝；7-下圆盘；8-水道口
图7-3-4抽砂筒
1-提梁；2-筒体；3-底活门；4-螺栓；5-铰链；6-销轴；7-管靴
1.3施工效率
CZ-22型冲击钻机按进尺计算的钻进平均工效（墙厚0.8m，墙深60m以内）如表7-3-4，可供参考。
表7-3-4CZ-22型钻机钻进平均工效一览表（m/台班）
地层
粘土
砂壤土
粉细砂
砾石
卵石
漂石
基岩
混凝土接头
平均工效
2.80
3.70
1.50
1.70
1.30
0.80
0.70
2.03
2冲击式反循环钻机
冲击式反循环钻机适用软土、砂砾石、漂卵石和基岩等多种地层。
冲击式正循环钻机国内用得很少。
反循环抽渣方式有泵吸、气举及射流三种。
泵吸法一般适用于孔深50m以内的钻孔，此时效率较高。
深孔用气举法较好，30m以内钻进效率较差。
射水反循环在孔深50m以内效果较好。
一般多用泵吸与气举反循环配合使用。
2.1主要技术性能
冲击式反循环钻机的工作原理如图7-3-5。
CZF-1200型冲击式反循环钻机的外形结构如图7-3-6。
部分国产冲击反循环钻机的技术性能见表7-3-5。
2.2钻头
冲击反循环钻机所使用的钻头有圆型套筒式阶梯钻头、套筒式双层弧板圆钻头、套筒式平底六角钻头和双反弧冲击钻头（图7-3-7）等。
2.3钻进工效
CZF-1200型冲击反循环钻机造孔平均工效见表7-3-6。
图7-3-5CZF型冲击式反循环钻机工作原理图
1-同步双筒卷扬；2-曲柄连杆冲击机构；3-砂石泵；4-循环管路；5-振动
筛；6-旋流器；7-制浆站；8-储浆池；9-循环浆池；10-钻头；11-排渣管
图7-3-6CZF-1200型冲击反循环钻机
1-桅杆；2-支撑杆；3-缓冲系统；4-孔口机构；5-操纵系统；6-传动系
统；7-主传动轴；8-同步双筒卷扬；9-平台车；10-电动机；11-底盘机
架；12-电器箱；13-副卷扬；14-辅助卷扬；15-冲击机构；16-行走系统
表7-3-5部分国产冲击式反循环钻机主要技术性能
项目机型
CZF-1200
CZF-1500
GJD-1500
一、基本性能
最大造孔直径（mm）
1200
1500
1500（岩）；2000（土）
最大造孔深度（m）
80
100
50
最大冲击行程（mm）
1000
1000
100～1000
冲击频数（次/min）
40
40
0～30
主电动机功率（kW）
30
45
37～45
钻机重量（t）
8.3
12.5
15.7
外形尺寸
（长×宽×高）（m×m×m）
5.8×2.33×8.5工作时
8.5×2.33×2.8运输时
6.6×2.84×10工作时
10×2.84×3.6运输时
5.04×2.36×6.38工作时
二、同步平衡双筒卷扬
提升能力（kN）
20
30
39.2
提升速度（m/s）
1.5
1.6
4.08
钢绳直径（mm）
19.5
24.0
三、副卷扬
提升能力（kN）
26
40
提升速度（m/s）
0.65
0.61
钢绳直径（mm）
15.5
17.0
四、辅助卷扬
提升能力（kN）
15
30
提升速度（m/s）
0.81
0.95
钢绳直径（mm）
15.5
15.5
五、排渣系统
6PS-210型砂石泵组
流量（m3/h）
180
210
180
扬程（m）
16
吸程（m）
8
砂石泵电机（kW）
30
3PNL泵流量（m3/h）
108
配用电机（kW）
22
配用钻杆内径（mm）
150
150
重量（kg）
1600
外形尺寸（mm）
1750×1400×1010
六、泥浆净化机
JHB-100
JHB-200
上层筛网除泥沙（t/h）
1.8～2.2（200目）
下层筛网处理泥浆（m3/h）
150～220（74μm）
200
总功率（kW）
17.2
重量（kg）
2450
外形尺寸（mm）
3187×1753×3200
七、钻头
形式
套筒阶梯式、双层弧式、双反弧式等
冲击；刮刀；滚刀
直径（mm）
600～1500
≤1500；≤1500；≤2000
重量（t）
1.2～3.0
2.94
图7-3-7冲击反循环钻机用钻头
（a）套筒式阶梯钻头1-吊耳；2-芯管；3-冲击刃板；4-冲击圆环；5-超前冲击刃
（b）套筒式双层弧板圆钻头1-吊耳；2-弧形冲击刃；3-芯管；4-超前冲击刃
（c）套筒式平底六角钻头1-吊耳；2-芯管；3-冲击刃板
（d）双反弧冲击钻头1-吊耳；2-芯管；3-冲击刃板；4-超前冲击刃；5-侧刃板；6-双反弧冲击刃
表7-3-6CZF-1200型冲击反循环钻机造孔平均工效
试验或
施工地点
地层
桩（槽）孔尺寸
（m）
深度
（m）
纯钻效率
（m/台日）
平均工效
（m/台日）
河南小浪底
粉细砂、漂卵石、砂岩
0.8×6.8×槽孔
68.0
10.02
6.38
三峡
一期围堰
风化砂、粉细砂、
块球体、花岗岩
0.8×（4.8～6.8）槽孔
平均32.0
11.52
7.06
0.8主孔和1.2
付孔各一个
22.0
15.96
11.23
四川
冶勒水电站
粉质壤土、粘土、
钙质胶结砾岩
1.0桩孔
101.4
6.54
4.09
1×5.4槽孔
100.0
6.21
2.22
三峡杨家湾
码头水上沉桩
粉细砂、砂夹块
石、斜长花岗岩
0.8桩孔
15.0
26.1
24.15
昆明新茶花宾馆
连锁支护墙
人工填土、粘土碎石土、粘性土夹粉砂
0.9墙厚
24.5
45.2
20.0
北京地铁（东单、
王府井站）灌注桩
砂卵石、亚粘土、细砂
1.25桩孔
28.5
14.7
6.33
3回转式钻机
回转式钻机包括回转正循环钻机和回转反循环钻机，它们的工作原理、结构型式、规格、技术性能和配备的钻具见第八章第三节。
使用回转式钻机在我国建造防渗墙的工程实例不多。
浙江横山水库、内蒙古察尔森水库等工程采用回转式钻机进行防渗墙造孔的工效如表7-3-7。
表7-3-7回转式钻机造孔工效
工程名称
地层
钻机型号
使用钻头类型
深度（m）
平均工效
（m/台日）
浙江横山水库防渗墙
粘土心墙
GPS回转正循环
加重导向刮刀
72
36.00
内蒙古察尔森水库防渗墙
砂卵石层
ZWY-550回转反循环
三翼式刮刀
20
28.15
4抓斗挖槽机
抓斗挖槽机（简称抓斗）适用的地层比较广泛，除大块的漂卵石、基岩以外，一般的覆盖层均可。
不过当地层的标准贯入度N值大于40时，使用抓斗的效率很低。
对含有大漂石的地层，需配合采用重锤冲击才可完成钻进。
抓斗挖槽也用泥浆护壁，但泥浆不再有悬浮钻渣的功能，用量较少。
抓斗结构比较简单，易于操作维修，运转费用较低，在较软弱的冲积层中造墙被广泛应用。
各种抓斗可挖掘宽度为30～150cm，最大深度可达130m。
4.1抓斗的规格和技术性能
根据抓斗结构和工作原理的不同，抓斗分为钢绳抓斗和液压抓斗。
钢绳抓斗又分为斗体推压式抓斗（图7-3-8）和中心牵挂式抓斗（图7-3-9）。
液压抓斗又分为液压导板抓斗（图7-3-10）、液压导杆抓斗（图7-3-11）和半导杆抓斗（图7-3-12）。
他们的技术性能分别如表7-3-8、表7-5-9、表7-3-10和表7-3-11。
图7-3-8斗体推压式钢绳抓斗图7-3-9中心牵挂式钢绳抓斗
图7-3-10液压导板抓斗（图中尺寸单位：
mm）
图7-3-11液压导杆抓斗
1-导杆；2-油管转盘；3-平台；4-调整油缸；5抓斗
图7-3-12半导杆抓斗
1-钢丝绳；2-导杆；3-抓斗；4-油管转盘；5-起重机
表7-3-8钢绳抓斗的技术性能
型号
意大利DH3000型
国产BSD型
国产GSD型
成槽宽度（cm）
6080100120
304050
6080100120
开斗宽度（m）
3.03.03.03.0
2.82.82.8
2.82.82.82.8
闭斗高度（m）
7.37.37.37.3
7.17.17.1
7.27.27.27.2
斗容量（m3）
1.01.21.62.0
0.40.50.6
0.81.01.21.5
斗自重（t）
11.011.411.812.2
7.58.08.5
11.011.612.212.8
挖掘深度（m）
100100100100
606060
100100100100
表7-3-9日本真砂MHL型液压导板抓斗的技术规格
型号
MHL-5070AY
MHL-60100AYH
MHL-80120AY
墙厚（cm）
50，60，70
60，70，80，100
80，90，100，120
斗容量（m3）
0.60，0.74，0.86
0.65，0.75，0.85，1.05
0.95，1.09，1.15，1.10
斗体自重（t）
8.30，8.80，9.20
10.70，11.20，11.50，12.00
10.00，10.70，11.00，11.90
总重量（t）
9.50，10.28，10.92
12.00，12.70，13.20，14.10
11.90，12.88，13.30，14.50
电缆直径（mm）
Φ20-2×2
Φ20-2×2
Φ20-2×2
液压油缸数目
1×2
1×2
2×2
闭合力（MPa，kN）
14，328
14，425
14，656
表7-3-10日本真砂MHL型抓斗液压站技术参数
项目
技术参数
项目
技术参数
最大工作油压（MPa）
14
箱容量（L）
700
排油量（主油管）（L/min）
120/144
卷筒恢复力矩（N·m）
660（7.5MPa）
主机功率（kW）
4P-45
卷筒恢复力（kN）
1.88
排油量（卷筒油管）（L/min）
48/17
油压管长度（m）
60
卷筒马达功率（kW）
4P-7.5
油压管收回速度（m/min）
25～50
电源（V）
200/220
油压软管内径（mm）
Φ25
表7-3-11意大利液压导杆式抓斗的技术性能
抓斗型号
KRC-1
KRC-2
KRC-3
BH—8
BH-12
斗体厚度（cm）
50～120
50～120
开斗宽度（m）
2.2～4.0
2.0～3.5
导向杆长度（m）
3.5
8.3
8.3
5.0
5.0
导杆顶高度（m）
23
31
31
15
15
回转半径（m）
3.9
4.0
4.0
4.7
4.7
斗体重量（t）*
3.5
4.2
4.2
8.0
11.0
导杆重量（t）
2.8
3.6
3.6
4.0
4.0
挖掘深度（m）
30
40
40
50
50
主机功率（kW）
238
240
重量（t）
50.8
54.3
*斗体重量按60cm×2.5m规格计。
抓斗由斗体和主机两大部分组成。
主机是一台履带式起重机，钢绳抓斗履带起重机单绳的起重力应不小于120kN；液压抓斗的履带起重机应当配置液压系统。
许多抓斗自身配有测斜和纠斜装置，能够通过传感器和液压系统感知和纠正斗体的偏斜。
国外及台湾省有许多厂商可生产各种型号的抓斗。
上海金泰公司与德国宝峨公司合作生产了GB型抓斗，其性能如表7-3-12。
其它厂商和施工单位根据工程需要也曾生产过一些型号的抓斗用于施工，但未形成较大规模的商品化生产。
表7-3-12BH型半导杆抓斗技术性能
项目
BH12
BH7
项目
BH12
BH7
挖槽宽度（m）
60～120
60～120
斗体容量（m3）
≥1.2
≥1.2
斗体开度（cm）
250
250
单边闭合力矩（kN·m）
390
390
挖槽深度（m）
70
60
液压站型号
2R-150
2R-100
起重机重量（t）
80
55
液压站发动机（kW）
123.0
79.5
起重机发动机（kW）
180
132
最大工作压力（MPa）
30
30
悬挂重量（斗+杆）（t）
11
8
油量调节方式
自动
自动
为适应浅墙和薄墙施工的需要，近年有些单位生产了步履型和轨道型的抓斗，这种简易抓斗不用配备履带式起重机，降低了施工成本。
4.2抓斗的效率
抓斗的效率随抓斗的种类和地层的情况而有所不同。
若干工程使用抓斗建造防渗墙的工效如表7-3-13。
表7-3-13若干工程使用抓斗建造防渗墙的工效
工程名称
地质条件
抓斗型号
工效（m2/d）
备注
黄河小浪底
主坝防渗墙
砂卵砾石、漂
石夹粉细砂
意BH-12型导杆抓斗
39.0
两钻一抓法孔，
深60～70m
承德武烈河
橡胶坝防渗墙
砂卵砾石层
日MHL-80120型液压导板抓斗
90.0
两钻一抓法，
深14.55m
山东洪滩
水库防渗墙
均质亚粘土层
日MHL-80120型液压导板抓斗
117.0
两钻一抓法，
深7m
湖北王甫洲
围堰防渗墙
中细砂和含小砾的砂砾石地层
意BH-12型导杆抓斗
82.2
日MHL-80120型导板抓斗
56.4
国产GSD-600型钢绳抓斗
36.2
5槽孔掘进机
槽孔掘进机（TrenchCutters，曾用名碾磨机、液压铣槽机、双轮铣等）是1973年由法国索列丹斯公司首先研制成功的，现在法国、德国、意大利和日本等国家都有生产。
我国于1996年首次引进了一台槽孔掘进机用于长江三峡二期围堰防渗墙施工。
这种机械适用于均质的地层，包括比较坚硬的岩层。
但不适用于漂卵石地层，或在疏松层内夹有大块石（卵石）的地层。
5.1槽孔掘进机的构造和工作原理
槽孔掘进机成套设备（图7-3-13）由起重机、掘进头、泥浆站三大部分组成。
槽孔掘进机造孔施工的工艺流程见图7-3-14。
泥浆站包括制浆站、储浆池、筛分除砂设备。
图7-3-13槽孔掘进机成套设备
1-起重机；2-掘进头；3-制浆机；4-泥浆处理系统；5-槽孔
图7-3-14槽孔掘进机的工艺流程
1-槽孔掘进机；2-泥浆泵；3-除砂装置；4-泥浆罐；5-供浆泵；6-
筛除的钻渣；7-补浆泵；8-泥浆搅拌机；9-膨润土储料桶；10-水源
5.2主要技术规格性能
槽孔掘进机的型号规格很多，可挖掘槽孔的宽度（墙厚）从0.4～3.2m，一次挖槽长度2.2～3.2m，挖槽深度最大已达到150m。
槽孔掘进机的机体尺寸小的仅为2.0m×2.5m×5.0m（长×宽×高），可适应狭窄空间施工的需要。
长江三峡开发总公司引进德国宝峨（BAUER）公司的BC30型槽孔掘进机及其配套的泥浆站的规格和技术性能如表7-3-14和表7-3-15。
表7-3-14BC30型槽孔掘进机的主要技术性能
项目
指标
项目
指标
项目
指标
A.起重机
B掘进头
C液压站
起重机型号
BS110
钻铣深度（m）
80
液压站型号
H7475
发动机型号
（水冷型卡特彼勒）
3176B
铣槽长度（mm）
2790
主液压泵流量
（L/min）
2×170，
1×143
铣槽宽度（mm）
640～2200
功率（kW）
297
掘进头高度（m）
15.4
最大工作压力（MPa）
30
主卷扬（kN）
160
最大扭矩（kN·m）
2×81
功率（kW）
235
提升速度（单绳）
（m/min）
0～60
铣轮转速（r/min）
0～25
重量（t）
8.9
导向装置
有
钢绳直径（mm）
26
砂石泵口径（mm）
152.4
掘进机总高（m）
24
砂石泵流量（m3/h）
450
起重机自重（t）
100
掘进头自重（t）
35
表7-3-15.BC30型槽孔掘进机泥浆站的规格和技术性能
项目
指标
项目
指标
项目
指标
型号
BE500
泥浆含砂率（%）
＜18
筛网规格（mm）
5×5，
0.4×25
泥浆处理能力（m3/h）
500
泥浆泵（台）
2
泥浆密度（t/m3）
≤1.80
振动电机（台）
6
重量（t）
14.5
泥浆粘度（马氏s）
＜40
装备功率（kW）
94
5.3钻进效率
据资料介绍，该机对于抗压强度250MPa以下的岩层均可钻掘，强度为50MPa的石灰岩，钻掘速度一般为5m2/h，强度为25MPa的砂岩，钻掘速度可达8m2/h。
在疏松的地层，槽孔掘进机挖槽速度极快，例如在砂层或砂卵石层，一般可达
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