一種地源熱泵快速鉆灌機的研究

曹國巍，石小虎，張偉寧，王 謙

（廊坊凱博建設機械科技有限公司，河北 廊坊 065000）

地源熱泵技術作為可再生能源應用的一種，是利用淺層地熱能資源進行供暖與制冷，具有良好的節能與環保效益。據統計，截至2012年6月底，全國利用淺層地溫能的建筑物面積已達2.4億m2，是2010年以前累計面積的2倍。

地埋管孔施工是地源熱泵工程施工中的重要環節。地埋管孔施工工藝較為復雜，目前業內需采用3種以上設備配套作業，由于井孔較多，需要頻繁移動這些設備，因而大大增加了勞動強度，降低了施工效率。因此，很有必要針對地埋管孔施工的特點，研發一種集移位時間短、鉆進效率高、泥漿回收再利用等優勢為一體多功能鉆機。

1 多功能鉆機的主要結構及工作原理

近年，我院在現有鉆機及注漿泵的基礎上，針對地埋管孔工程的施工需求，研制成功了集快速移位、高效鉆進、泥漿回收再利用為一體的KZG6型多功能鉆機（圖1）。該鉆機主要由液壓履帶、鉆機底盤、鉆架、動力頭、柴油機液壓動力系統、操作臺、泥漿回收與循環利用系統、輔助工具等部分組成。

1.1 行走機構

圖1 鉆機結構外形示意圖

行走機構主要由鋼履帶、驅動輪、導向輪、支重輪、托輪、底盤和2臺行走減速機組成。鉆機整體布置在底盤上，通過控制手柄調節履帶底盤行走速度，可使整機實現方便的移動、轉彎、爬坡、行走等。液壓履帶整體結構合理， 行走平穩， 承載能力大， 通過能力強，施工現場轉場方便。

1.2 鉆機底盤

鉆機底盤安裝在履帶上，承載整個鉆機質量。鉆機底盤采用槽鋼和方管等型鋼焊接而成。它是連接履帶、支撐鉆機、注漿泵及其他部分的主體。鉆機底盤安裝4個液壓支腿， 鉆機工作時使用4個液壓支腿調整鉆機底盤的水平狀態。

1.3 鉆 架

鉆架是工作機構的支撐架， 由固定支架和升降機構組成，可承載鉆具質量和動力頭的反扭矩。

固定支架由型鋼焊接而成，支架上固定有升降機構運行的滑架。升降機構由推進油缸、鏈條、滑板等組成。推進油缸活塞桿伸出及縮回時，通過鏈條使滑板在滑架上上下滑動，從而完成鉆具的前進和后退。滑板上采用鑲塊結構，有效減少滑道的磨損。鉆架底部安裝有旋開式定心器，可分為兩半，外側的一半采用鉸接，可手動旋開。

1.4 動力頭

動力頭是鉆機的核心部件， 是鉆機回轉驅動的動力源。動力頭驅動鉆桿，鉆桿帶動鉆頭回轉鉆進。它由2個低速大扭矩液壓馬達和一級齒輪減速箱組成。2個液壓馬達可并聯或串聯驅動輸出齒輪軸，從而實現大范圍的無級調速和雙扭矩輸出。齒輪減速箱通過銷軸與滑板鉸接，在滑板帶動下在鉆架軌道上做升降運動，從而實現動力頭的加、減壓給進和升降鉆具作業。輸出齒輪軸為中空花鍵軸，與外花鍵主動鉆桿配合傳遞扭矩，驅動鉆具實現回轉作業。

1.5 液壓動力系統

液壓動力系統是鉆機的動力源。為了適應多重施工工況及響應節能減排的號召，液壓動力系統既可以由柴油機驅動，也可以用電動機驅動。

液壓動力系統由柴油機（或電動機）、液壓泵、液壓馬達、液壓油箱、液壓油散熱器、各種液壓控制閥及液壓附件組成。液壓泵有主泵和副泵之分，主泵與動力頭驅動馬達、升降液壓驅動馬達、履帶液壓驅動馬達、主換向閥等組成主液壓傳動系統。副泵與比例閥、溢流閥、減壓閥、油缸等組成給進調壓、液控調速、液壓支腿、鉆塔起落等輔助系統。

1.6 操作臺

操作臺是鉆機的控制單元，由柴油機控制儀表箱、手動換向閥、減壓閥、壓力閥、壓力表、電氣控制按鈕等組成。鉆機所有控制都集中在該操作臺上，通過各種儀表可以隨時觀察了解柴油機及鉆機的運轉情況。

1.7 泥漿回收與循環利用系統

泥漿回收與循環利用系統由吸漿泵、回漿泵、高壓注漿泵、泥漿過濾篩、泥漿攪拌機等組成。可以將現場鉆孔排出來的泥漿進行收集，經過過濾、攪拌，再進行循環利用，具有需要施工場地小，環境污染小等特點。

1.8 輔助工具

除以上主要設備外，多功能鉆機還配備鉆桿箱及一些輔助機具，方便現場施工作業。

2 關鍵技術研究

2.1 動力頭的研究

動力頭是鉆機的核心部件，是鉆機回轉驅動的動力源。在設計中需要考慮以下因素。

1）鉆機的掘進動作由動力頭、鉆桿及掘進鉆頭來實現。動力頭在工作時，不僅要承擔來自掘進鉆頭的反扭矩，還需要承擔其下懸掛鉆具的所有重力。

2）在鉆進不同地層深度時，土壤軟硬不一，即使在同一地層，土壤的硬度也有所不同，故動力頭在工作時要承受很大的變載荷。

3）動力頭還是泥漿的下輸通道，故動力頭內部需要可靠的密封。

綜上所述，結合現場鉆進工藝的需要，動力頭的設計應符合：①輸出軸的布置方式能承受鉆掘時的反扭矩，其軸向也可以承受一定的懸吊重量；②齒輪傳動能夠耐沖擊，能夠承受變載荷；③水密封設計要可靠；④源動力的輸出和所鉆地層的難易程度相匹配。

根據動力頭的工況特點和鉆進本身的特殊性，動力頭需要有2種輸出方式：①難鉆地層時的低轉速、恒扭矩輸出；②易鉆地層的高轉速、恒功率輸出。這就要求源動機的速度和功率必須可調。由于液壓傳動具有過載保護可靠性高、抗沖擊、吸收載荷震動能力強和調速特性穩定等特點，特別適合于鉆機工況。本鉆機采用液壓傳動，其源動機采用變量泵和變量馬達，使動力頭的輸出根據所鉆地層的不同而方便地轉換成恒扭矩或恒功率的輸出形式，又由于變量馬達輸出扭矩的局限性，動力頭一般采用多個變量馬達輸出扭矩，本鉆機采用2臺變量馬達驅動一級齒輪減速箱來實現大扭矩輸出。

2.2 漿料回填技術的研究

漿料回填是地源熱泵地埋管孔后期施工的重要組成部分，有以下主要工程指標要求。

1）回填材料 回填材料一般以地質勘查和巖土熱物性參數的測試結果為基礎，根據不同地質條件選擇不同的回填材料，且在回填時要注意回填料的成分配比優化，使其能夠達到最佳效果。

在理論上，鉆孔過程中所排出的原漿進行回填，可以最經濟地獲得與地層較為一致的熱物性。但是由于施工過程的影響，這些排出的巖土體受到了擾動，已不具有與原地層參數相關的物性，因此，單純的原漿回填難以保證較好的回填效果，故常采用原漿和膨潤土、石英砂、水泥和水按一定配比混合來進行回填。

2）回填時間 鉆孔完畢應立即灌漿回填封孔，隔離含水層。灌漿即使用高壓注漿泵通過灌漿管將混合漿灌入鉆孔中的過程。高壓注漿泵的泵壓足以使孔底的泥漿上返至地表。本鉆機注漿泵采用球閥活塞泵，具有工作壓力高、排量適宜，能夠輸送含砂量較高的砂漿，維護方便等優點。非常適合在地埋管孔回填施工中應用。

在實際使用中，先由吸漿泵將原始泥漿回吸抽送至泥漿過濾篩，將過濾出來的稀泥漿由回漿泵輸送至鉆桿，供鉆塔使用。過濾剩余的漿料進入攪拌機進行攪拌，如有必要，可添加膨潤土、砂、水泥和水。攪拌好的漿料為回填漿料，回填漿料通過高壓注漿泵輸送至回填孔內。灌漿時，應保證灌漿的連續性，采用背壓式回填灌漿工藝（圖2），根據灌漿速度將灌漿管逐漸抽出，使灌漿液自下而上灌注封孔，確保鉆孔灌漿密實，無空腔，否則會降低傳熱效果，影響工程質量。

圖2 背壓式回填灌漿過程

3 主要技術參數

最大鉆孔深度（m） 160

最大鉆孔直徑(mm) ?100～?195

動力頭最大輸出扭矩(Nm) 6100

灌漿排量(m3/h) 6

回填料允許含砂率(%) ≥50

工作方式 回轉鉆進

行走方式 液壓履帶型

動力配置(kW) 50

4 用途及主要特點

PZG6型多功能鉆機主要應用于要求高效作業密集式的地源熱泵地埋管孔工程，同時也適用于水電站、鐵路、公路等巖土工程中的預應力錨固孔、排水孔施工工程，還適用于高層建筑深基坑錨固及抗浮錨固、建筑基礎加固、路基壩基加固、預防滑坡錨固及沙地打井等工程。

PZG6型多功能鉆機有以下技術特點。

1）鉆機設集成程度高，實現了機、電、液一體化，施工效率高，可以在不移機的情況下，完成鉆孔、下管、注漿封孔等全部施工作業。

2）鉆機動力頭使用低速大扭矩液壓馬達驅動，改變主泵排量可實現無級調速，動力頭輸出轉速可在40～80r/min之間無級調整，能適應多種鉆探工藝、不同鉆孔直徑對鉆速和扭矩的需求。

3）鉆機采用柴油機動力，配有液壓履帶，具有自行功能，機動性和通過能力強。

4）鉆機將鉆出來的泥漿回收再利用，避免了環境污染，節約了水和回填材料。

5 結 語

PZG6型多功能鉆機集快速移位、高效鉆進、泥漿回收再利用等功能為一體，完全能滿足地源熱泵地埋管孔現場施工的要求。可以相信，隨著地源熱泵技術在全國廣泛應用，將為PZG6型多功能鉆機帶來廣闊的市場前景。同樣，PZG6型多功能鉆機的大量應用，大大提高施工效率，減少施工成本，促進地源熱泵地埋管技術的更好、更快的發展，為我國的節能減排做出貢獻。