钻机与泵联动控制技术研究及工程示范

1、课题编号：CSCEC-2012-Z-26密级：公开中建股份科技研发课题任务书课 题 名 称：长螺旋钻孔压灌桩工艺系统中钻机与泵的联动控制技术研究及工程示范课题组织单位：中国建筑股份有限公司课题承担单位（公章）：中国建筑股份公司技术中心课题负责人（签字）：白晨光课题承担单位财务部门负责人（签字）：曾宪芝课 题 起 止 年 限：2012年01月01日至2015年12月31日编 制 日 期：2012年1月中国建筑股份有限公司二一二年十二月填 写 说 明1课题任务书是中建股份有限公司立项的科技研发课题的执行文件，任务书中的甲方为中建股份科技与设计管理部/财务部（以下简称科技部/财务部），乙方为课题承担

2、单位。2课题任务书编号由科技部统一规定。3课题密级一般为公开级。若课题承担单位提出其他密级要求，需申请并获得科技部认定。4课题任务书在原课题申报书的基础上深化并细划，研究内容、考核指标等不得少于原课题申报书的规定。5课题任务书签订流程：（1）课题任务书由课题承担单位编写，经单位财务部门审核，各方签字、盖章认定后，报科技部；（2）科技部汇总课题任务书，会同财务部审核后盖章生效；（3）课题任务书正式文本一式五份，甲方两份（科技部与财务部各一份）、乙方三份（乙方主管部门、课题承担单位和课题组各一份）。 6. 各方核准签定的课题任务书将作为甲乙双方遵循的技术文件。7课题任务书不得手工修改，一律用A4皮

3、纹纸封皮进行胶订，采用塑料封皮等其他装订方法不予受理。扉页与封面内容相同，用于签字、盖章。 课题信息表填表说明:1. 组织机构代码指企事业单位国家标准代码，无组织机构代码的单位填写000000000； 2. 单位名称、单位公章名称及单位开户名称必须一致，如有特殊情况，需说明理由。课题编号CSCEC-2012-Z-26课题名称长螺旋钻孔压灌桩工艺系统中钻机与泵的联动控制技术研究及工程示范课题组织单位中国建筑股份有限公司密级公开参加单位总数3课题承担单位单位名称中国建筑股份公司技术中心单位主管部门中国建筑股份公司单位组织机构代码56580583-4单位法人代表姓名宋中南单位开户名称中国建筑股份公司

4、技术中心开户银行（全称）中国工商银行顺义支行银行账号0200005909200433643单位所属地区北京市电子邮箱baichenguang通信地址北京市顺义区林河工业开发区林河大街15号邮政编码101300其他主要参加单位序号单 位 名 称1中建二局第三建筑工程有限公司2北京工业大学电子与信息控制学院3北京高维兴业科技有限公司相关责任人课题负责人姓 名白晨光性 别男身份证号作单位中国建筑股份公司技术中心电话号机号子邮箱bcg63邮政编码101300学 位博士职 称高级工程师专 业岩土工程出生年月19

5、63-04-29通信地址北京市顺义区林河工业开发区林河大街15号课题联系人姓名白晨光电话号机号真号子邮箱bcg63财务部门负责人姓名曾宪芝身份证号话号机号子邮箱zengxianzhi课题组人数21人高级13人中级8人初级0人其他0人博士3人硕士6人学士12人其他0人投入人月数483人月（本子课题满月度工作量人员数）起始时间2012年01月终止时间2015年12月课题活动类型（2） 1.应用基础研究 2.应用开发 3.产业

6、化开发 4.其他所属技术领域（7）1.建筑设计与勘察 2.市政规划 3.建筑施工技术 4.地基基础 5.建筑材料 6.建筑设备 7.基础设施施工技术 8.信息技术 9.工程管理创新类型（2）1.原始创新 2.集成创新 3.引进消化吸收再创新主要研究内容1、钻机-泵无线联动控制模式与系统研究根据施工作业环境的特点，分析研究传统的长螺旋钻机和混凝凝土输送泵的动力控制系统，在此基础上，改进原有系统，研究并确定出两台设备的无线联动控制模式，确定出联动控制的总体方案，包括：包括初始联动、中间联动、后期联动、混凝土压灌方量四大控制系统的解决方案（原有控件的改进、新增控制件、系统设计等）。2、饱和土层下钻头

7、末端混凝土输出压力临界值的理论模型研究与设备系统对给定压灌量的控制研究成桩过程中，对于饱和的地下土层应要求钻头末端混凝土输出压力保持一个临界值，保证提钻后灌入的混凝土不缩径，大于等于桩的设计直径，自然，这个压力值越大，桩身越饱满，挤土效应约好，桩身承载力越可靠，不言而喻，压灌的混凝土量增加了。本研究建立一个理论模型，并程序化，分析不同地层下应该匹配的混凝土压力输出临界值，在此基础上，建立相应临界压力值下的充盈系数模型，从理论上获得最小充盈系数，进而获得混凝土压灌量的大小。在设备上或寻求在混凝土输送泵上安装一套控制方法，或在钻机上植入传感器，目标将计算获得的压灌量作为控制目标。3、长螺旋钻孔压灌

8、桩工艺成套设备改造与调试将上述研究成果应用于现有的一套设备系统，进行改造、调试，形成一套含有上述研究成果的现代化桩工设备系统，达到工程示范目的。4、具有本项目科研成果的长螺旋钻孔压灌桩工艺成套设备的工程示范：通过2项或以上的工程示范，验证本项科技成果，为后面的推广应用做好工作。预期成果（1、2、3、5、7、8） ）1.专利 2.技术标准（规范） 3.新产品 4.新工艺（工法） 5.新装置（设备） 6.计算机软件 7.论文论著 8.研究报告 9.其他预期知识产权获得国外发明专利 0 项，国内发明专利 0 项，其他专利 3 项。预期技术标准（规范）（4）1.国际标准 2.国家标准 3.行业标准 4

9、.企业标准 5.无预期工法（4）1.国家工法.2.省部级工法 3.企业工法 4.无产学研联合（1）1.是 2.否经费预算400万元，其中财政经费100万元、专项经费117万元，自筹经费183万元。是否符合费用税前扣除规定项目规定项目具体条目课题信息表填表说明1带的条目，请根据条目后所列选项，请在“”内打。2课题承担单位：指课题任务书的乙方单位，按公章的详细名称填写，不要填简称。3课题承担单位上级主管部门及代码，请根据承担单位上级主管单位的隶属情况填写。4参加单位总数：包括承担单位、参加单位在内的单位总数。5课题承担单位名称：请按公章的详细名称填写。6. 承担单位开户名称、开户银行、银行账号将是

10、今后中建股份经费拨付的账号。7课题组人数：包括课题负责人在内的参加该课题研究工作的所有人员。8. 投入人员数：表九合计人月数。一、目标与任务1、课题背景长螺旋钻孔压灌桩工艺是我国90年代初出现并开始发展的，目前，这种工艺不仅广泛用在房建领域中的多层和高层建筑复合地基处理上，根据调查，北京、河北地区高层住宅楼地基加固几乎100%采用这种工艺，此外，随着近年来高速铁路的发展，采用该工艺的压灌桩也应用在了变形要求较严的路基加固上，例如京沪高速铁路、武广高速铁路、哈大铁路、石武客运专线等的路基加固全部采用了这种工艺打桩加固地基.这种工艺除了在地基中灌注混凝土素桩和原地基土形成复合地基应用外，近年来，通

11、过改进，这种施工工艺又演变了一种新的工艺，即后插钢筋笼工艺，目前已经在高层建筑桩基础以及基坑支护护坡桩工程上获得了广泛应用。以上两种工法分别写入了国家行业规范，即建筑地基处理技术规范（JGJ 79-2002）和建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）。然而，尽管该工艺系统发展了十几年，得到了广泛应用，系统中的长螺旋设备与混凝土输送泵之间的联动控制技术仍然是当初的水平，相互独立，没有任何联动控制机构，造成了以上规范中规定的若干“应xxx做”条例，现实中无法科学地去地满足这些规定，只能凭借人工经验和觉悟去执行这些条例，导致了实际应用中的许多问题，突出的表现在工程质量隐患和材料浪费上：(1) 混凝土

12、没有到达管底或管内混凝土量没有达到要求，就开始提钻杆，导致桩端承地层塌落，不利于桩端载力的提高；(2) 提升钻杆过快，就可能产生缩颈断桩或桩径偏小而达不到设计要求。此种情况当检查出来时，就形成了工程质量事故，造成经济损失；当检查不出来的时候，就会埋伏下工程质量隐患；(3) 无灰提钻，发生上述第2种问题；(4) 拔管过慢又会造成水泥浆分布不均，桩身强度不足或形成混合料离析现象，导致桩身强度不足或管路杜塞，形成资源的浪费；(5) 桩顶灌注不能很好控制，导致超灌，资源浪费；或少灌，导致桩的质量问题.综上所述，从工程质量控制、节能和环保的角度出发，“长螺旋钻孔压灌桩工艺系统中钻机与泵的联动控制技术研究

13、”这一课题的研究很有必要。2、课题研究目标研究总目标，填补我国目前长螺旋钻机与泵联动控制技术的空白，从施工质量、节能和环保的角度，提出一套解决方案，研究成果达到国内领先。技术应用后，可以提高施工工效和质量，作业自动化程度大大提高，消除目前该工艺赖以操作人员的觉悟和经验，减少施工操作人员数量，避免施工中因桩顶控制不当而导致无意义的建筑垃圾产生。3、课题研究内容3.1、 钻机-泵无线联动控制模式与系统研究根据施工作业环境的特点，分析研究传统的长螺旋钻机和混凝凝土输送泵的动力控制系统，在此基础上，改进原有系统，研究并确定出钻机与泵两设备间的无线联动控制模式，确定出联动控制的总体方案，研究内容包括：1

14、.1 初始联动控制系统。有两部分内容，一是针对几类不同的土层（粘性土类、粉土类、砂土类），从理论上进行分析研究并确定出钻机桩端部位提钻时钻孔底端的合理压力，理论研究方法有解析法与数值法；二是在设备系统上植入这样的初始提钻压力控制系统，目标是钻机的初始提钻由该控制系统决定。混凝土压力传感器类型选型、植入部位的选择与植入装置的设计、传感器与钻机总路控制系统电气线路图设计。1.2 中间联动控制系统。根据目前工艺系统常用的钻机与混凝土输送泵的匹配，确定出23类常用匹配型号，从土力学上研究其压灌过程中所需要的钻头端部临界压力，在设备控制系统上一是通过泵输送量与钻机提速关系来实现临界压力的控制，一是通过植

15、入压力控制系统来实现，具体哪种简单并且可靠需要具体研究；此外，要研究非正常压灌情况下的两种状态：一是混凝土输送停止（故障、或正常中断），应研究以泵作为控制主机，给钻机操作室发出信号，告知钻机操作人员并同时自动切断钻机提升；二是混凝土输送泵启动供灰时，应联动控制钻机卷扬机的启动或给出信号到钻机操控室告知钻机操作员启动提钻。针对以上状态，设计中间联动控制系统原理图、电气线路图以及装置。1.3 后期联动控制系统。这部分内容主要研究混凝土输送泵何时停止供应混凝土，目的是保证一个合理的施工桩长，不至于桩长不够或过长，保证工程质量，同时节省材料。针对以上情况，设计后期联动控制系统原理图与电气线路图。3.2

16、、饱和土层下钻头末端混凝土输出压力临界值的理论模型研究与设备系统对给定压灌量的控制研究成桩过程中，对于饱和的地下土层应要求钻头末端混凝土输出压力保持一个临界值，保证提钻后灌入的混凝土不缩径，大于等于桩的设计直径，自然，这个压力值越大，桩身越饱满，挤土效应约好，桩身承载力越可靠，不言而喻，压灌的混凝土量增加了。本研究建立一个理论模型，并程序化，分析不同地层下应该匹配的混凝土压力输出临界值，在此基础上，建立相应临界压力值下的充盈系数模型，从理论上获得最小充盈系数，进而获得混凝土压灌量的大小。在设备上或寻求在混凝土输送泵上安装一套控制方法，或在钻机上植入传感器，目标将计算获得的压灌量作为控制目标。3

17、.3、长螺旋钻孔压灌桩工艺成套设备改造与调试选择采购一套目前常用的匹配的钻机与混凝土输送泵，将上述研究成果应用于该套设备系统，通过进行改造、调试，形成一套含有上述研究成果的现代化桩工设备系统，达到工程示范目的。3.4、具有本项目科研成果的长螺旋钻孔压灌桩工艺成套设备的工程示范：通过2项或以上的工程示范，验证本项科技成果，为后面的推广应用做好工作。4、本课题的主要技术难点和解决途径：本课题的研究难点体现在以下几个方面：4.1 初始提钻压力的确定。初始提钻压力涉及到土层性质、桩长等因素，解决途径是通过理论分析和工程经验确定。4.2混凝土压灌量的控制。表现在要具备压灌量的确定、压灌量的控制系统的实现

18、手段。解决途径通过理论分析、已有数据收集分析、多控制手段等途径加以解决。4.3 现有长螺旋钻机与混凝土输送泵设备上进行改进，改进部位多，收到较大的局限性，因此在系统上下功夫，尽可能使新植入的控制系统简单而可靠。5、技术路线长螺旋钻孔压灌桩工艺成套设备工艺中存在问题的调研、归纳总结，制定总体研究方案对方案中关键技术进行设计研究将研究成果应用一套设备上工程示范发表成果整理报告课题结题。研究方法与手段：行业调研、理论分析、控制系统与装置的研究与设计、设备改进、设备调试、工程应用。6、创新与突破通过该项目的研究，实现长螺旋钻机与混凝土泵成桩灌注工艺控制技术的全面提升，达到该施工工艺关键项的可控，提高工

19、程施工质量，降低工程混凝土材料的浪费，减少城市混凝土建筑垃圾的产生。通过该项目成果的推广，不仅可以大大改善该工艺的施工质量，也可改变传统建筑行业粗放式的施工模式，使得现有涉及到该工艺的相关规范中的“应xxx”条款变为真正可控实现的条款，引领建筑行业的绿色施工，为改善我国岩土桩工行业施工设备水平低下起一个引领的作用，对我国岩土工程机械实现可控制的研究工作起到一个推动作用。二、预期成果及考核指标1、考核指标：1.1 专利将形成3项国家专利，发明专利1项，适用新型专利2项。1.2 软件著作权形成1项软件著作权1.3 标准（规范）长螺旋压灌桩工艺控制标准（企业）1.4 论文公开发表5篇以上论文1.6

20、其他（新技术、新产品、新装置等）一套新技术：长螺旋钻机与混凝土输送泵联动控制技术（设计图纸、专利、报告），具有以上技术的一套设备系统。2、主要经济与社会指标对给定桩设计条件下，长螺旋钻孔压灌桩工艺成套设备中安装了的灌注量控制系统，经济效益表现在：(1) 减少超灌混凝土浪费。由于桩顶在地面下每一深度，操作人员在灌注结束之前，他是不知道桩顶具体位置的，他只能根据经验判断来确定桩顶标高，一般情况下，为了满足桩顶标高的设计要求，操作人员一般保守，即多灌注一些。根据统计，每根桩平均超灌量约0.4m，照一个单体高层平均700根桩计算，可节约280米，相应节约的方量35立方（桩直径400mm）和79立方（桩

21、直径600mm）；(2) 减少堵管次数导致的混凝土浪费。长螺旋钻孔压灌桩工艺堵管原因之一就是钻杆提升不正确或提速速度与灌入量不匹配造成的，堵管一次，管路拆卸必然要损失混凝土。(3) 钻机工作效率和施工质量提高，间接提高了经济效益。表现在2个方面，一是系统的先进技术，可以提高人员的效率，减少作业过程中的发生问题，如堵管问题，单位时间内成桩数量提高；第二，消除桩的质量（如缩颈、断桩等）问题，避免后期的处理费用。长螺旋钻孔压灌桩工艺应用目前已遍布全国，据调查，现有的这类设备系统保守估计数量约几千套，具有广泛的市场推广前景。有两种推广方式，一是股份公司技术中心承接设备技术改造业务，收取技术改造费的方式

22、获取效益；二是转让技术或合作参股，目前在河南，山东、河北、兰州等10多个地区地均有这种类设备的工厂，通过收取技术转让费的方式获取效益。体现在社会效益方面，本课题组认为价值在于目前已有的规范建筑地基处理技术规范（JGJ 79-2002，）、建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）以及许多省市中地方标准中的“应xxx”条款能够可控地去实现。3、其他在CFG桩复合地基处理工程或长螺旋压灌桩后插钢筋笼基础桩工程上应用本课题研制的长螺旋与泵的联动控制成套设备及其工艺施工标准，与课题前的传统设备系统作比较，验证取得的课题成果，为推广这项新的技术做好准备。培养我国桩工自动控制专业技术人才10名，推动我国岩土

23、施工技术和桩工设备精细化制造方面向前迈进。三、课题进度计划1. 项目研究完成年限本项目历时5年，2012年1月2015年12月。2. 项目分阶段任务安排第一阶段：2012年1月-2012年12月，调研，形成课题研究总体方案，完成开题工作。第二阶段：2013年1月-2012年12月，按照上述总体计划，完成关键理论研究与技术开发、设计工作，撰写2篇论文，申报3项专利技术，1项发明专利，2项实用性新专利。第三阶段：2014年1月-2014年12月，完成设备改进与调试、试运转，撰2篇论文，发表2篇文论，获得实用新型授权专利2项。第四阶段：2015年1月-2015年10月，完成12项工程示范，并就存在的

24、问题进行整改，撰写1篇论文，发表2篇论文，完成长螺旋压灌桩工艺控制标准（企业），获得授权的1项发明专利。第五阶段：2015年11月-2015年12月，发表1篇林文，资料整理、编写报告，组织项目结题。 四、课题经费支出预算表单位：万元（保留两位小数）序号预算科目名称合计财政经费专项经费自筹经费1一、经费支出400.00100117.00183.0021设备费183.0090.0048.0045.003（1）购置设备费130.0090.0040.004（2）试制设备费50.0045.005.005（3）设备租赁费（或折旧）3.003.0062、材料费20.3010.005.005.3073、测试化

25、验加工费84、燃料动力费7.00795、差旅费32.4010.0022.40106、会议费10.006.004.00117、出版/文献/信息传播/知识产权事务费15.006.009.00128、人员费86.0015.0071.00139、专家咨询费（课题评审、验收、成果论证等）5.005.001410、管理费13.6013.601511、其他（软件、无形资产摊销费等）27.7015.0012.7016二、经费来源171申请项经费获得的资助100.00117.00183.00182自筹经费来源183.0019 （1）其他财政拨款20 （2）单位自有货币资金21 （3）其他资金25五、设备费-购置

26、/试制设备预算明细表项目编号：CSCEC-2012-Z-26项目名称：长螺旋钻孔压灌桩工艺系统中钻机与泵的联动控制技术研究与工程示范 金额单位：万元填表说明：1. 设备分类代码：A购置、B试制；2. 试制设备不需填列本表（7）列、（8）列；3. 单价1万元的设备需填写明细。序号设备名称设备分类单价(万元/台件)数量（台件）金额购置设备型号购置设备生产国别与地区主要技术性能指标用途（与项目研究任务的关系）1 长螺旋钻机A801台78CFG35-600中国CFG25-600 动力头功率：55KW2 最大钻孔深度：35m用于项目研究与改进2 混凝土输送泵A282台50HBT60中国出口压力8mpa,

27、流量60m3/h用于项目研究与改进3改进长螺旋钻机B151台35除原有性能外，增加和泵的控制系统实验、检验、测试用设备4改进混凝土输送泵B51台15除原有性能外，增加和钻机的控制系统实验、检验、测试用设备5租赁设备费B31台3250kw发电机设备研制现场动力6配电箱B0.5252装配及中间试验用单价1万元以上购置设备合计2128单价1万元以下购置设备合计2单价1万元以上试制设备250单价1万元以上租赁设备3累计18333六、材料费预算明细表2项目编号：CSCEC-2012-Z-26项目名称：长螺旋钻孔压灌桩工艺系统中钻机与泵的联动控制技术研究与工程示范金额单位：万元填表说明：大宗及贵重材料，是

28、指项目研究过程中消耗数量过多或单位价格较高、总费用在1万元及以上的材料，需填写明细。序号材料名称计量单位单价（元/单位数量）购置数量金额1豆石混凝土M3380元/m31003.82电缆(5*95)m320元/m1003.23电缆(5*70)m230元/m1002.34钢板吨4000元/吨52.05型钢吨4000元/吨52.06传感原件套若干5.0大宗及贵重材料费合计18.3其他材料费2累计20.3七、产品中间试验、工艺装备开发费预算明细表七、产品中间试验、工艺装备开发费预算明细表课题编号： CSCEC-2012-Z-26课题名称：长螺旋钻孔压灌桩工艺系统中钻机与泵的联动控制技术研究与工程示范

29、金额单位：万元填表说明：量大及价高测试化验，是指课题研究过程中需测试化验加工的数量过多或单位价格较高、总费用在1万元及以上的测试化验加工，需填写明细。序号试验、装备加工的内容试验、装备加工单位计量单位单价（元/单位数量）数量金额1 2 3量大及价高费合计其他小额费累计八、承担单位研究经费支出预算明细表课题编号： CSCEC-2012-Z-26课题名称：长螺旋钻孔压灌桩工艺系统中钻机与泵的联动控制技术研究与工程示范 金额单位：万元填表说明：承担单位性质分为，A、课题第一承担单位 B、其他参与单位序号单位名称组织机构代码承担单位性质任务分工研究任务负责人财政经费专项经费自筹经费1 中国建筑股份有限

30、公司技术中心56580583-4A总负责白晨光100.00117.002 中建二局第三建筑工程有限公司B工程示范倪金华183.003 北京工业大学电子与信息控制学院B自动控制系统软件设计余春暄4 北京高维兴业科技有限公司B自动控制系统设计与加工邱海江5 累计100.00117.00183.00九、课题的承担单位、参加单位及主要研究人员课题编号：CSCEC-2012-Z-26课题名称：长螺旋钻孔压灌桩工艺系统中钻机与泵的联动控制技术研究与工程示范填表说明：1.职称分类：A、正高级 B、副高级 C、中级 D、初级 E、其他；2.投入本课题的全时工作时间：折合成月，是预算中计算工资额的依据3. 在本

31、课题中承担的具体任务要明确。课题负责人序号姓名性别年龄工作单位职务/职称投入本课题的全时工作时间（人月）在本课题中承担的具体任务1 白晨光男49中建股份技术中心岩土所所长/高级工程师18课题组长/总体设计主要研究人员2马庆松男28中建股份技术中心工程师/硕士24工艺与机械控制设计3赖永标男30中建股份技术中心高工/博士后6数值模拟与理论分析3 耿冬青男36中建股份技术中心高工/硕士6工艺过程过程4 宋福渊男36中建股份技术中心高工/硕士6工艺过程过程5 张清林男26中建股份技术中心工程师/硕士6测试与试验6杨春英女26中建股份技术中心硕士/工程师6资料文献7 余春暄女48北京工业大学教授/博士

32、12电器控制设计及软件编制8邱海江男36北京高维兴业科技有限公司高工/硕士12自动控制系统加工9倪金华男49中建二局第三建筑工程有限公司总工教高3工程示范总负责人10李军男50中建二局第三建筑工程有限公司副经理高工3工程示范协调人11闵学军男42中建二局第三建筑工程有限公司项目经理高工3工程示范负责人12韩宗友男41中建二局第三建筑工程有限公司项目总工高工3工程示范13宋作友男43中建二局第三建筑工程有限公司项目付经理高工3工程示范14李安青男35中建二局第三建筑工程有限公司项目付总工工程师3工程示范15陈雷男38中建二局第三建筑工程有限公司项目工长工程师3工程示范16崔秀生男42中建二局第三建筑工程有限公司总工高工3工程示范17张明旭男39中建二局第三建筑工程有限公司项目经理高工3工程示范18马继超男36中建二局第三建筑工程有限公司项目总工高工3工程示范19李林男32中建二局第三建筑工程有限公司项目付经理工程师3工程示范20高峰男38中建二局第三建筑工程有限公司项目质量经理工程师3工程示范21张庆园男38中建二局第三建筑工程