CG型全套管成孔设备和施工技术的研究和应用

Research and Application of CG All Casing Foundation Drilling Equipment and Construction Technology

，

宋志彬12，冯起增2，张金昌2，王年友2，

（1.中国地质大学[北京]，北京100083；2. 中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊065000）

摘要：简述了搓管钻机的国内外发展状况；着重阐述了CG型全套管成孔设备的组成、工作原理、技术参数和产品特点；分析了全套管冲抓成孔施工技术（贝诺特工法）在复杂地层条件下的应用领域、工法优势和应用效果。

Abstract: The worldwide progress of Casing oscillator is discribed. CG All casing foundation drilling equipment is stressed in terms of its composition and specification, operating principle and technical features. The construction technology with All casing grab foundation drilling（Benoto）equipment in difficult formations is analyzed.

关键词：全套管成孔设备；搓管钻机；全套管冲抓成孔（贝诺特工法），全套管旋挖成孔，咬合桩

Key words: All casing foundation drilling equipment; Casing oscillator; All casing grab drilling（Benoto）; All casing rotary drilling; Secant pile

1．概述

全套管冲抓成孔设备及工法起源于法国，发展完善于日本、德国和意大利。上个世纪80-90年代世界各国使用的该类设备大多产自上述三国。日本国以整体式搓管机见长后发展为全回转式机型，德、意以分体式为其特色并延续至今。该设备及工法因50年代初起源于法国贝诺特公司，故得名“贝诺特”工法。1954年开始，日本经引进消化吸收形成了以日本三菱、加藤等为代表的自行整体式全套管设备制造公司。进入80年代中后期出现了附着式搓管机配普通吊机的分体式机型，极大地增强了套管设备的灵活性，提高了设备利用率。目前国外生产附着式搓管机的知名厂家主要有德国的宝峨、Leffer公司（已被土力公司兼并），意大利的土力、卡沙特兰地等公司。

20世纪90年代，我国全套管设备的研制尚属空白，进口国外全套管设备开始于80年代初。但进口设备存在着购置费用高、维护费用大等现实问题。设备的国产化逐渐成为我国城市建设急待解决的问题。

2000年，勘探技术研究所经过五年的科研成功研发出了国内首台CGJ1500型搓管钻机，样机在广州进行了生产试验和前期应用，设备总体性能达到了国际先进水平，填补了我国在该技术领域的一项空白。2005年，经过四年的成果转化和推广，“CG型全套管冲抓成孔设备”被确定为“国家重点新产品”。2006年以来，勘探所在国内首次研制成功CGJ1500S型和CGJ1800S型旋挖搓管机并出口俄罗斯和白俄罗斯，填补了国内旋挖搓管机研制和出口的空白。

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2. CG型全套管成孔设备CG All Casing Foundation Drilling Equipment

CG型全套管成孔设备按配套设备（冲抓履带吊机和旋挖钻机）的不同主要分为两种：全套管旋挖设备All casing rotary drilling rig和全套管冲抓设备All casing grab drilling rig。 2.1全套管旋挖设备All casing rotary drilling Equipment

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3 2 1 图1 图2

设备组成（如图1）：主要由1-搓管钻机（旋挖型）、2-钢套管、3-旋挖钻具、4-旋挖钻机等组成。另外单独设计的搓管钻机液压泵站方便了液压取力，使旋挖和搓管作业可同时进行互不干扰，同时大大提高了不同厂家旋挖钻机配套的灵活性。

工作原理：施工时需配备主提升力15吨以上的旋挖钻机用于搓管钻机的工作反力和牵引移位。搓管钻机往复小角度搓动钢套管并将其压入地层，同时旋挖钻机驱动旋挖钻具回转并钻掘出套管内岩土，套管护壁钻掘至设计深度后在套管内下入全孔钢筋笼并灌注混凝土，同时搓管钻机继续搓动和起拔套管，边起拔边灌注，直至灌注完毕并起拔出全孔套管，此时成孔和灌注成桩一次完成。不同型号的搓管钻机可施工的套管口径范围不尽相同，目前该设备的施工口径为Ф600～2000mm，套管护壁钻进深度的大小受地层情况和套管靴切削齿的正确选择等方面的影响较大，在第四纪土层中的套管钻进深度一般可达到25-40米，而旋挖钻机驱动器的钻套管深度只有10米左右。CGJ1500S搓管钻机的全套管旋挖施工现场如图2。

4 3 5 2 1 图3 图4

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2.2 全套管冲抓设备All casing grab drilling Equipment g

设备组成（如图3）：主要由1-搓管钻机（冲抓型）、2-钢套管、3-冲抓斗、4-履带吊机、5-液压泵站等组成。

工作原理：施工时需配备主卷扬提升力30～50吨、副卷扬提升力5～10吨以上的履带吊机用于搓管钻机的工作反力和牵引移位以及冲抓斗的冲抓作业。搓管钻机往复小角度搓动钢套管并将其压入地层，同时履带吊机操纵冲抓斗冲抓并取出套管内岩土，套管钻进和灌注过程如前所述。CGJ1500搓管钻机的全套管冲抓成孔施工现场如图4。 3 CG型搓管钻机和附属设备casing oscillator and accessories

旋挖型搓管钻机casing oscillator (compact type)（见图5）与旋挖钻机配套使用，主要由夹持油缸及夹持臂、搓管油缸和滑动尾架、压拔油缸、下夹持油缸、扶正油缸、液压控制单元和液压接口、有线遥控盒和电器接口、钻机底架和与旋挖钻机底盘连接的伸缩接口板等组成。

冲抓型搓管钻机casing oscillator (sturdy type)（见图6）与履带吊机配套使用，机身长度较长，钻进能力较大，有遥控和手把操作两种方式。

图5 图6

上述两种搓管机既可采用单独液压泵站驱动又可直接采用旋挖钻机或履带吊机的液压动力源。产品特点如下：

 钻进能力大、效率高：采用恒功率变量双泵分别驱动搓管油缸和压拔油缸，功率损

失小，系统效率高。套管的搓动和压拔同时工作且互不干扰，提高了处理拔管事故的能力，技术性能指标达到国际先进水平。

 搓管换向技术先进可靠：可采用无触点电磁开关、行程开关、液压换向等多种方式

控制实现搓管油缸自动换向，换向准确可靠。旋挖搓管机采用远程电液先导液控换向技术，与旋挖操作集成在一起，实现了有线遥控，操作安全灵活。

 桩孔垂直精度高：采用扶正连杆机构、液压系统同步和背压回路，提高了钻进稳定

性和起始套管钻进精度，桩孔垂直精度可提高到0.5‰。

 一机多径使用范围广：更换不同规格卡瓦可施工Ф600mm～Ф2000mm任意口径的桩

孔。

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3.1 旋挖型搓管钻机casing oscillator (compact type)

Specification CGJ1500/S 800～1500 1900 450 1880 1800 4280*2500*1750 18000 搓管直径Max. casing dia. 搓管扭矩Oscillating torque 行程Stroke 起拔力Lifting force 夹管力Clamping force 长*宽*高Size of LWH 重量Weight Type mm KN.m mm KN KN mm Kg CGJ1800/S 1000～1800 2560 450 2280 2250 5200*2900*1750 21000 CGJ1200/S 600～1200 1200 450 1560 1500 4200*2100*1700 13000 3.2冲抓型搓管钻机 casing oscillator (sturdy type)

Specification CGJ1500 800～1500 1900 500 1880 2100 6550*2550*1850 22000 搓管直径Max. casing dia. 搓管扭矩Oscillating torque 行程Stroke 起拔力Lifting force 夹管力Clamping force 长*宽*高Size of LWH 重量Weight 3.3 CGB110液压泵站

Type mm KN.m mm KN KN mm Kg CGJ1800 1000～1800 2560 500 2280 2100 7600*2900*1850 25000 CGJ1200 800～1200 1200 500 1560 1500 6500*2100*1700 15000 图7 图8

泵站为套管钻机的独立液压动力源，有电机泵站Diesel engine power（见图7）和柴油机泵站Electromotor power（见图8）二种，产品特点如下：

 可采用电机驱动或柴油机驱动便于用户根据工地情况选择，电机驱动污染和噪声小、

能效高、使用和维护成本低，适合于城市施工，因此备受国内用户青睐。

 主油路采用恒功率变量双泵系统，摇动和压拔动作互不干扰，动力强劲且能效高。采

用了动力机缓冲和隔振装置、液压泵柔性连接等传动技术。

 设置电器安全自动控制、油箱液位报警、回油堵塞报警、油温报警自动冷却等安全装

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置，确保运行的人身安全和设备安全。

 移动方式采用四轮拖车或滑撬装载，便于用户选择。 配套泵站 Power pack 电机泵站 Electromotor power 柴油机泵站 Diesel engine power 3.4 CGT型双壁套管：

CGB130 130 25 3000×1600×2600 4500 型号 Type CGB110 功率Power KW 110 系统压力pressure MPa 25 外形尺寸Size of LWH mm 3000×1600×1700 重量 Weight Kg 4000 图9 图10

CGT型双壁套管的管体为双壁结构，钻头（套管靴）根据地层设计，直径范围500～2000mm（见图9）。套管接头之间采用圆周等分的锥形锁销连接，同时设计了圆周橡胶线密封，确保全孔套管的可靠互换性连接和水下密封，适用于搓管钻机和全回转套管钻机的配套使用。 3.5 CGD型冲抓斗

为单、双绳两用的机械冲击式重锤抓斗，斗瓣的开合由内部闭合连杆操纵，为全套管施工专用。抓斗内装增力滑轮组。抓斗顶部的开合器与吊机悬吊的脱挂帽配合动作可实现抓斗冲抓的单绳操作。

目前在全套管施工过程中经常遇到软弱淤泥层、含水沙层、粘土层、卵砾石层、中风化岩层等许多复杂地层。CGD型冲抓斗根据冲抓地层的不同可设计成开放型、加强型和混合型等多种类型。经实践表明，开放型抓斗（见图10）在含水地层的使用效果很好。

在含水地层中冲抓时，由于水的浮力和套管内壁的活塞效应，降低了抓斗的冲击力，使抓土效率大幅降低。开放型抓斗体采用开式结构，滑轮组全部外露，形成上下连通的过水通道，减少了抓斗向下冲击时水的阻力，同时直径较大的滑轮设计可有效提高钢绳的使用寿命，方便使用和维修。

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4 CG型全套管成孔设备的应用效果

全套管设备与旋挖钻机同属大口径干式环保型钻孔灌注桩施工机械。旋挖设备在容易缩经的软弱地层、含承压水的流沙和流塑地层，旋挖钻头难以钻掘的坚硬岩层或卵砾石层中的使用受限；全套管冲抓成孔设备利用套管护壁和冲抓器具可顺利钻掘上述地层。 4.1 应用领域Application Fields

 全套管钻孔灌注桩Foundation pile  全套管钻孔咬合桩Secant pile wall

 全套管除障和拔桩Remove of abandoned foundation pile and barrier etc. 4.2 全套管工法三大优势Advantages of ALL CASING Foundation Drilling Technique    

更环保、更安全（全孔套管护壁，无泥浆） Environmental sound and safe pile drilling methed (Drilling with casing, no mud) 适用地层更广（适用于流沙、流塑、承压水、砂卵石等易坍塌和破碎地层的钻进成桩） Widely used in difficult formations where there is a risk of collapse or broken formation, such as quicksand, flowing and plastic soils, high pressure groundwater fomations, gravel and detritus-type soils etc.

 成桩质量更好（桩孔无泥皮和沉渣，桩身无缩径和离析，承载力更高）  High quality cast in-situ pile and secant pile wall. 4.3 典型应用实例Field cases in China

4.3.1 青藏铁路“拉萨河大桥工程”全套管钻孔灌注桩

拉萨河大桥桥桩位于深厚卵砾石覆盖的河床上,地质条件复杂, 卵砾石胶结性差、松散，成孔十分困难。2003年，CGT1300双壁套管配套Φ1500全回转套管钻机完成30米深Φ1300的钻孔灌注桩施工。实践证明：全套管工法无泥浆排放、施工安全、场地清洁、成桩无泥皮、缩径和断桩隐患、成桩质量好，满足青藏铁路工程对环境保护的严格要求；套管的强度、接头的寿命和互换性经受住了高原寒冷和复杂地质条件的考验，为青藏铁路建设和今后的复杂地层施工提供了先进的钻掘手段。 4.3.2 杭州全套管静压拔桩（图11）

2005年，CGJ-1500型全套管设备在杭州市成功完成了深基坑预制方桩拔桩专项工程，采用全套管静压拔桩新工艺创新性地解决了城市环保施工的一项拔桩技术难题，为国内首创。该工地位于杭州市中心的商业繁华区，对施工中的环保要求非常严格。施工地层为较软的粉质粘土和淤泥质粉质粘土且地下水丰富。经千斤顶和冲击钻锤击等拔桩试验后发现，直接拔除方式会造成建筑物地基沉降甚至墙体开裂。后采用全套管冲抓成孔设备实现的全套管静压拔桩新工艺有效避免了上述问题的产生，拔除16根预制方桩仅用了40天。实践证明，该拔桩新工艺具有低噪声、无震动、施工安全、对周边地基沉降不产生影响、设备能力大、机械化程度高等优点，是

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图11

城市拔桩的首选设备和工法，拓宽了全套管设备工法的应用领域。 4.3.3 北京地铁全套管除障灌注桩

2006年， CGJ-1500型全套管设备成功完成了北京地铁五号线除障灌注桩工程，开创了全套管工法有效清除地下锚索并灌注成桩的先河。工程仅用了40天就完成了72根21.5米的除障灌注桩施工，同时在套管冲抓成孔的同时清除了地下-4m～-16m的三道锚索，使除障和钻孔灌注成桩一气呵成，这是其他桩基施工方法无法达到的。实践证明，全套管设备及工法是城市地下旧有建筑物和旧城改造建设中理想的除障施工设备和工法，可实现无循环施工、无噪音施工、无污染施工，对周围地层无扰动施工，适合在建筑物周围及人群居住密集的闹市区施工。

4.3.4 南京地铁承压水地层全套管咬合桩（图12）

2007年， CGJ-1500型全套管设备在南京市胜太路地铁站完成了桩径Φ1000mm桩深20～28m的咬合桩基坑围护工程施工，共完成咬合桩523根。该施工地层为富含承压水的粉质粘土和流塑性的沙粘土，常见很难钻掘的硬质粘土。由于泥浆护壁困难，采用普通循环工法、旋挖工法和连续墙成槽机都无法施工，采用全套管咬合桩是此地进行地下连续墙施工的首选工法。搓管机和抓斗在施工中经受了多种恶劣施工条件的考验，施工结束后经15米开挖检查，地下咬合桩墙

的渗漏和变形大大低于设计值，工程质量被江苏省质检局评为优良样板工程，尤其是使用CGJ-1500型全套管设备的区段质量更优于其他区段。 4.3.5 浙江慈溪全套管咬合桩（图13）

2007年， 4台套CGJ-1500型全套管设备共同完成了慈溪市重点工程“香格广场基坑围护咬合桩工程”。施工现场邻近慈溪市政府大楼和周围居民区，市政府对该工程施工中的污染和噪声的环境保护问题要求很高。基坑总面积26万多平方米，开挖深度接近10米。该基坑围护桩施工中，GPS-15回转钻机也同时在基坑对面施工，施工结束后经开挖揭示证明，用套管钻机施工的咬合桩，桩间结合紧密，桩身自上而下规则平整，十分美观；而用回转钻机和

旋喷施工的连续桩墙，桩间大量存在夹层，桩身自上而下类似糖葫芦状，不规则。后来经过雨季积水的实际考验，再一次证明了套管咬合桩的防渗效果比回转钻+旋喷桩止水帷幕有根本性的提高，对比鲜明。实践证明，全套管设备和工法噪声值很小，没有泥浆污染，不产生振动，被周边市民赞誉为“绿色环保设备”。 施工效率高、咬合桩成墙质量好。 4.3.6 国外应用

截至目前，勘探所的旋挖型搓管钻机与三一、福田、宇通等国内品牌旋挖钻机配套，远销到东欧、中欧和中东等许多国家，在国外城市的基桩工程中得到了广泛的应用。出口国外

图12

图13

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的CGJ1500S型和CGJ1800S型旋挖搓管机在俄罗斯桩基施工的现场照片见图14和15。

图14 图15 5 结语

全套管设备和工法是一种适合在城市施工的环保安全型施工技术，成功解决了常规工法在泥浆难以护壁的软弱地层、含承压水的流沙和流塑地层，易塌孔埋钻地层、松散地层和卵砾石层中无法钻进成桩的难题；能够最大限度地保证施工质量，易于实现科学程序施工；可以为施工方节省大笔泥浆材料和泥浆处理费用，有效避免因地层复杂和钻进中断造成的断桩和承载力不足等常见质量事故，显著减少操作不当造成的机械和人身事故，避免普通工法对临近建筑物基础和地层的扰动和破坏；施工中不扰民、不污染环境，其社会效益是非常巨大的。全套管钻孔咬合桩、全套管钻孔灌注桩、全套管除障和拔桩等桩基施工在城市建设和桩基础施工领域中正在发挥越来越大的作用。

参考文献

[1] 刘广志.钻孔桩成桩工艺与设备的新进展.刘广志探矿(钻掘)工程文选.中国物价出版社.

[2] 张金昌，宋志彬，王年友等. CG1900型全套管冲抓成孔设备、器具及施工工艺的研究和应用.探矿工程,2001年第6期.

[3] 宋志彬，冯起赠，王年友，张金昌. CG型全套管冲抓成孔设备在基桩工程中的应用. 《探矿工程》2007年第9期

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