一種用于不良地質的新型硬巖錨桿鉆機系統

張明明

(中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 前言

在硬巖隧道施工中，TBM施工工法在長距離硬巖隧道掘進中具有比其他施工工法更高效、安全以及環境友好等特點因而得到了廣泛的應用[1]。錨桿鉆機系統是TBM硬巖掘進機掘進過程中為了保護隧道施工安全的重要一環，它配備有液壓鑿巖機可以高效地對洞壁鉆孔，鉆孔可以在隧道施工中起到釋放巖石內部擠壓應力的作用。之后，使用鋼筋插入洞壁中配合錨固劑又可以起到加強洞壁強度的作用[2]。以國內某引水隧道使用的TBM硬巖掘進機為例，它裝備的由法國蒙特貝品牌HC109液壓鑿巖機通過活塞沖擊釬尾做功進行鑿巖，其釬尾每分鐘要承受2 800余次高頻撞擊以及傳遞每次400 J的沖擊能。釬桿和釬頭在工作情況下要受到高頻沖擊、與巖石接觸導致的扭轉以及拉壓應變力的作用，受力情況十分復雜。如何在隧道施工各種不良工況中提高錨護作業時液壓鑿巖機和釬具的使用壽命，減少消耗量進而達到降低施工成本、提高掘進效率效果是值得研究的問題[3]。

本文針對TBM隧道施工中液壓鑿巖機工作過程中存在的空打、卡釬等現象對現有TBM產品的錨桿鉆機液壓系統提出設計改進方案，達到有效地減少釬具的消耗，降低施工成本，提高施工效率的設計目的。

2 鉆機系統卡釬和空打

2.1 液壓鑿巖機結構簡介

TBM硬巖掘進機鉆機系統配備的液壓鑿巖機主要由沖擊活塞、蓄能器、旋轉馬達、釬尾、殼體、沖洗通道等組成，具體結構如圖1所示[4]。

圖1 液壓鑿巖機結構

2.2 卡釬原因分析

TBM硬巖掘進機錨桿鉆機系統配備的液壓鑿巖機通過高壓油驅動馬達旋轉從而帶動釬尾以及連接在釬尾上的釬具轉動，釬具旋轉不僅可以讓鑿巖的能量均勻地作用于巖石上，釬頭對破碎巖石的剪切力也起到了加速巖石脫落的作用。釬具旋轉所要克服的阻力有：釬具和鉆孔之間的摩擦力，以及由于成孔的不規則性對釬具造成的阻力。根據以上分析可得，鉆機在鑿巖過程中承受的阻力矩M主要由釬具旋轉剪切鑿碎的巖石阻力矩以及鉆具和洞壁、巖石殘渣的摩擦力矩等組成。

在鉆孔過程中，通常會遇到下列不良地質的情況：巖石層硬度突然加大時，沖擊功率沒有相應加大或相應地減小液壓鑿巖機的進給速度；遇到錨桿孔串孔，沖洗水大量流入其他孔后流出，沖渣不完全等。

當遇到上述不良地質情況時，釬具旋轉的阻力轉矩M1大于液壓鑿巖機旋轉馬達所能夠提供的轉矩M2時，就會出現卡釬[5]。一旦隧道施工中出現鉆機系統卡釬，則需要對TBM整機進行停機處理，對掘進效率造成了極大的影響。不僅如此，卡釬如果無法取出釬桿，則需要對其進行現場切割等破壞性處理，造成了釬具的浪費，增加了隧道掘進成本。

2.3 空打原因分析

液壓鑿巖機并不是通過高壓油控制沖擊活塞直接撞擊工作介質，它通過釬桿(力學模型中常稱之為彈性桿)將沖擊活塞的沖擊能以應力波的形式傳遞到工作介質巖石上，在沖擊機械大家族中液壓鑿巖機屬于二元沖擊機械。由于液壓鑿巖機二元沖擊的這種能量傳遞形式，如果在鉆孔施工過程中出現了巖層的裂隙、斷層等不良地質情況以及推進速度和鑿巖速度不匹配的情況，則有可能會出現活塞撞擊不到釬尾或者釬頭沒頂到孔內巖壁導致活塞撞擊到釬尾后能量不能用于破巖的空打現象。空打的鉆機系統的損害非常大，如果不能有效地控制空打，使得沖擊活塞的沖擊動能部分或者完成由鑿巖機自身吸收，不僅會產生振動和引起液壓鑿巖機內部的破壞，還會導致釬尾的經常性斷裂[6-7]。

3 TBM鉆機系統分析

3.1 常見防卡釬系統分析

國內現階段大多數TBM硬巖掘進機，其配備的鉆機系統防卡釬功能主要靠RPCF(rotation pressure control feed)防卡釬閥來實現，即通過鉆機馬達旋轉壓力的變化來控制防卡釬閥的換向達到支護鉆孔時防卡釬的效果。如圖2所示，當鉆機旋轉負載端壓力因為巖層的縫隙、斷層空洞或者巖石抗壓強度相差太大以及出現泥巖等工況而迅速增大時，來自旋轉馬達高壓油會控制液壓換向閥(防卡釬)換向，液壓鉆機推進油缸快速反應，從推進無桿腔進油變化成有桿腔進油。具體表現為液壓鉆機由向前推進動作變為向后退動作，帶動釬具離開卡滯位置，從而達到防卡釬的目的[8-10]。

圖2 常見防卡釬系統

3.2 常見防空打系統分析

TBM硬巖掘進機上鉆機系統中防空打的措施為操作手通過遙控器上的旋鈕調節電控比例減壓閥的壓力來調節進油減壓閥的壓力從而控制鑿巖機推進的速度和推力。如圖3所示，電比例閥控制推進油缸進油減壓閥控制油壓力，減壓閥調節彈簧可以控制電比例閥對推進速度控制的靈敏程度，彈簧預緊力越高則靈敏度越低，反之則越高。這種控制方式對錨桿鉆機系統操作手的經驗要求較高，熟練的操作手可以通過耳聽是否有活塞撞擊釬尾的清脆聲音、釬桿是否被頂彎等判斷方法來判斷推進速度是否和鑿巖速度匹配。通常，如果出現撞擊聲音不清脆的現象則說明釬頭沒有頂緊巖石，沖擊活塞無法完全沖擊到釬尾端面，需要操作手加大推進力；如出現釬桿被頂彎時則說明巖石太硬，推進速度大于鑿巖速度，需要操作手減小推進力[11-12]。

圖3 常見防空打系統

3.3 小結

現有的常見TBM錨桿鉆機系統，在防卡釬和防止沖擊活塞空打兩大性能關鍵點上都存在一定的不足之處。在防卡釬控制系統設計中，只要旋轉壓力大于防卡釬閥的設定值則使鉆機推進油缸的高壓油液換向而后退。這種設計不僅會在一定程度上降低鑿巖效率，而且對防卡釬閥的壓力設定值準確性要求很高，很難在防卡釬和提高打鉆效率上尋求一個平衡壓力設定。在沖擊活塞防空打設計中，靠主觀判斷來調節推進壓力對隧道施工者的技術要求較高，在一定的環境下難以判斷鉆機的使用情況導致出現操作問題從而出現空打的情況。

4 新型鉆機控制系統設計

4.1 防卡釬控制系統設計

根據TBM防卡釬系統高效、壓力設定簡便等要求，設計了一種新型鉆機防卡釬控制系統，如圖4所示。

液壓鑿巖機正常鑿巖時，序號1旋轉換向控制閥處于得電狀態。當鉆機鑿巖速度小于推進油缸的推進速度時旋轉壓力升高，由于序號6減壓閥的作用序號3液壓換向閥右邊控制油壓力會高于左邊，此時液控換向閥向右位換向，鉆機系統推進速度變慢。如果出現旋轉卡滯的極限情況則液控換向閥完全換位到右位，鉆機向后退防止卡釬。當鉆機沖洗水功能正常時，序號8兩位兩通換向閥處于不通油的狀態，鉆機系統處于正常工作狀態。當鉆機沖洗水系統出現水流量低或者無沖洗水的突發情況時，二位二通換向閥換向，液控換向閥左邊控制油直接回油鉆機向后退，防止因鉆機系統沖洗水不足導致巖石殘渣無法及時從孔中排出導致卡釬。

圖4 新型防卡釬系統

該新型鉆機防卡釬系統采用旋轉壓力和鉆機沖洗水兩大變量來控制推進油缸壓力和流量的方式，三位五通液控換向閥可以根據鉆機旋轉壓力的變化比例控制推進油缸壓力、流量等參數，系統能夠在一個更加節能高效的情況下工作。在沒有沖洗水或者沖洗水流量小的情況下，極易出現因積渣而導致的卡釬，沖洗水換向閥可以保證在沖洗水參數不達標的情況下減小推進速度或者后退鑿巖機防止卡釬。

4.2 防空打控制系統設計

針對常見TBM鉆機系統防空打功能存在對操作手熟練程度要求較高、自動化程度不高等缺點，設計了一種新型防空打系統，如圖5所示。

液壓鑿巖機正常鑿巖時，序號1和序號3電磁換向閥處于得電狀態，此時鉆機系統提供給液壓鑿巖機一個進給力，推進油缸無桿腔壓力遠高于有桿腔壓力。序號6減壓閥控制壓力為控制油壓力和彈簧預緊力之和，鑿巖機正常高壓沖擊。當鉆機推進速度變慢時，推進油缸無桿腔壓力變小、有桿腔壓力升高，序號5液控換向閥通過推進油缸兩腔的壓差比例調節序號6減壓閥控制壓力的大小，沖擊壓力減弱直至到極限情況停止沖擊。

圖5 新型防空打系統

該新型TBM鉆機系統防空打功能采用推進油缸有桿腔和無桿腔壓力差值來控制液壓鑿巖機沖擊壓力的方式，二位三通液控換向閥能夠根據推進油缸大小兩腔壓力變化比例控制鑿巖的沖擊壓力大小。當出現推進壓力和速度降低時，液壓鑿巖機沖擊壓力下降，從而達到自動防空打的目的。

5 結束語

本文主要分析了：(1)液壓鑿巖機基本結構和鑿巖過程中卡釬、空打的原因機理；(2)TBM硬巖掘進機常見的防卡釬和防空打的控制系統；(3)設計了新型防卡釬鉆機系統，通過旋轉壓力控制液控比例換向閥來調節推進壓力和流量的大小，并且考慮鉆機沖洗水的因素。通過推進油缸有桿腔和無桿腔的壓力差來控制鑿巖壓力的大小。所有的控制都是為了尋求鑿巖速度和推進速度的一個高度匹配，從而達到鉆機在鑿巖作業過程中防卡釬和防空打的效果。