ZTZ150T型多功能鉆機(jī)在高海拔隧道施工中的應(yīng)用

孫 凱 徐 超

（中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430066）

0 前言

在鐵路工程隧道施工中，多功能鉆機(jī)具有操作簡單、鉆孔速度快以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)加固和支護(hù)等施工[1-2]。近幾年，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)重心向西部的推進(jìn)，西部高原地區(qū)成為新一輪經(jīng)濟(jì)建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的熱土。川藏鐵路地處高原，平均海拔3 500 m以上，山嶺多、落差大，常年低溫缺氧，自然環(huán)境惡劣，并且地理位置偏遠(yuǎn)、交通不便，給鐵路施工帶來很大挑戰(zhàn)。

為了解決一般鉆機(jī)在高海拔地區(qū)特別是隧道內(nèi)無法正常作業(yè)的問題，中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司研制了一款ZTZ150T型多功能鉆機(jī)，如圖1所示。該鉆機(jī)針對高海拔地區(qū)的極端工況進(jìn)行了大量的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，具備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、管棚支護(hù)、注漿加固等功能，滿足在海拔3 000 m以上、-35 ℃的地區(qū)正常作業(yè)。

該文首先介紹了ZTZ150T型多功能鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，其次詳細(xì)介紹了針對高海拔地區(qū)低溫、缺氧等極端工況進(jìn)行的適應(yīng)性設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)以及該鉆機(jī)具備的3個(gè)主要功能。最后，介紹了鉆機(jī)在工地上的實(shí)際使用情況，鉆機(jī)使用期間性能穩(wěn)定、作業(yè)可靠、鉆孔效率高。ZTZ150T型多功能鉆機(jī)的研制成功解決了鐵路隧道施工過程中遇到的高海拔極端工況問題，是1種真正意義上的適用于高海拔地區(qū)的多功能鉆機(jī)。

1 主要技術(shù)參數(shù)

圖1 ZTZ150T型多功能鉆機(jī)

ZTZ150T型多功能鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)主要包括鉆機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)、動(dòng)力頭技術(shù)參數(shù)，進(jìn)給及提升技術(shù)參數(shù)、夾鉗技術(shù)參數(shù)以及整機(jī)重量和外形尺寸，具體參數(shù)見表1。

表1 鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

2 關(guān)鍵技術(shù)

ZTZ150T型多功能鉆機(jī)由底盤、上車架、變幅機(jī)構(gòu)、鉆架總成、覆蓋件、駕駛室、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)等組成[3]。該鉆機(jī)針對高海拔地區(qū)低溫、缺氧等極端工況進(jìn)行了大量的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，具有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，主要體現(xiàn)在變幅機(jī)構(gòu)、動(dòng)力頭總成、動(dòng)力系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)4個(gè)方面。

2.1 變幅機(jī)構(gòu)

變幅機(jī)構(gòu)的作用是調(diào)整鉆架的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同位置快速定位鉆孔作業(yè)。ZTZ150T型多功能鉆機(jī)在大臂后端設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)組件，大臂前端為多連桿變幅機(jī)構(gòu)，兩者結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)掌子面一次定位后的作業(yè)范圍，定位速度快，作業(yè)效率高，如圖2所示。大臂回轉(zhuǎn)側(cè)擺角度為±104 °（如圖3所示），鉆架左右轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)153 °，最大工作仰角42 °，可以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)全斷面、多角度的鉆孔作業(yè)。

2.2 動(dòng)力頭總成

ZTZ150T型多功能鉆機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)標(biāo)配德國歐鉆HD5012動(dòng)力頭，該動(dòng)力頭為旋轉(zhuǎn)+沖擊作業(yè)模式，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜地質(zhì)情況下的快速鉆進(jìn)，鉆孔速度是一般鉆機(jī)的3倍以上，達(dá)到10 m/h～20 m/h，如圖4所示。

圖2 變幅機(jī)構(gòu)組成

圖3 鉆機(jī)回轉(zhuǎn)側(cè)擺最大角度示意圖

另外，動(dòng)力頭安裝滑架采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同的工況需求，選擇合適的施工工藝，選可配專用的動(dòng)力頭（可選配HD5012、TE1000、RH1200和HB50A等動(dòng)力頭）。滑架采用模塊化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭的快速更換，尼龍滑塊與軌道接觸，經(jīng)久耐磨，方便拆卸，操作簡便，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭和鉆機(jī)快速更換。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)

由于隧道內(nèi)空間狹窄密閉，空氣流通不暢，環(huán)境惡劣，ZTZ150T型多功能鉆機(jī)采用柴動(dòng)+電動(dòng)雙動(dòng)力系統(tǒng)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用于行走和鉆架的展開與回收，隧道內(nèi)鉆孔施工時(shí)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，杜絕了尾氣排放污染。

圖4 HD5012動(dòng)力頭及模塊化滑架

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)選用東風(fēng)康明斯QSF2.8系列53 kW發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)配置渦輪增壓和低溫預(yù)熱系統(tǒng)，滿足零下35 ℃正常啟動(dòng)。供油系統(tǒng)采用Bosch高壓共軌系統(tǒng)，油耗低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。散熱系統(tǒng)為水散熱器，空空中冷。

電機(jī)選用西門子90 kW電機(jī)，具有較高的功率儲(chǔ)備，可靠性高，發(fā)熱量低并且實(shí)現(xiàn)零排放，降低噪聲，改善施工環(huán)境。

ZTZ150T型多功能鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)如圖5所示。

2.4 液壓系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)柴動(dòng)+電動(dòng)雙動(dòng)力系統(tǒng)的正常工作，液壓系統(tǒng)擁有2個(gè)獨(dú)立動(dòng)力源，其中電機(jī)泵油源用于鉆孔作業(yè)，發(fā)動(dòng)機(jī)泵油源用于行走和變幅模式，兩套液壓系統(tǒng)相互獨(dú)立，互不干擾。

發(fā)動(dòng)機(jī)

液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括4個(gè)部分：主系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)、卸扣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，其中主系統(tǒng)包括整機(jī)行走、動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)、頂錘沖擊及動(dòng)力頭進(jìn)給。

整車行走液壓系統(tǒng)有2種操控模式，即液控行走模式和遙控行走模式，整車走行操控更加靈活。

3 主要功能

ZTZ150T型多功能鉆機(jī)具有超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、管棚支護(hù)、注漿加固等功能，同時(shí)通過配置不同的動(dòng)力頭和輔助設(shè)備，可以完成頂驅(qū)、潛孔、跟管和套管等施工工作。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道內(nèi)施工必要的技術(shù)措施，主要是對掌子面前方巖性及不良地質(zhì)等進(jìn)行預(yù)報(bào)[4]。

ZTZ150T型多功能鉆機(jī)通過在電氣系統(tǒng)中匹配獨(dú)立的傳感器、處理器和顯示器模塊，即時(shí)掌握掌子面前方的地質(zhì)狀況（例如巖石軟硬、有無涌水和有無溶洞等），最長預(yù)報(bào)距離可達(dá)150 m。該鉆機(jī)標(biāo)配鉆孔深度、鉆頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給壓力、動(dòng)力頭扭矩、沖擊壓力傳感器，同時(shí)可選配進(jìn)水壓力、進(jìn)水流量、出水壓力、出水流量、傾角以及瓦斯傳感器。傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后自動(dòng)生成曲線進(jìn)行顯示，操作手可以及時(shí)地對地質(zhì)的變化進(jìn)行相對應(yīng)的操作；同時(shí)這些數(shù)據(jù)可以永久地保存在內(nèi)存中，后期數(shù)據(jù)分析時(shí)可直接導(dǎo)出，操作簡便。

圖6 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

ZTZ150T型多功能鉆機(jī)各傳感器布置如圖6（a）所示。其中鉆孔深度傳感器布置在進(jìn)給（提升）系統(tǒng)液壓馬達(dá)上，轉(zhuǎn)速傳感器布置在動(dòng)力頭上，進(jìn)給壓力、動(dòng)力頭扭矩和沖擊壓力傳感器通過對液壓系統(tǒng)壓力的計(jì)算換算成相應(yīng)的數(shù)據(jù)。所有傳感器的數(shù)據(jù)匯集到數(shù)據(jù)處理中心，通過處理后在顯示器上輸出。顯示器界面如圖6（b）所示，界面上側(cè)為鉆機(jī)姿態(tài)和孔位數(shù)據(jù)，中間為傳感器測量的數(shù)據(jù)，鉆孔過程中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出，最下側(cè)為操作按鈕，包括一些基本的操作（如開關(guān)機(jī)、暫停、USB數(shù)據(jù)導(dǎo)出、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等），其中，通過參數(shù)設(shè)置按鈕可以設(shè)置數(shù)據(jù)單位、曲線幅度、線條樣式、線條顏色和線條粗細(xì)等，按鈕設(shè)計(jì)合理、操作簡單，方便對數(shù)據(jù)的處理。

3.2 管棚支護(hù)

隧道開挖初期，由于山體、邊坡巖體的不穩(wěn)定，需要在隧道口進(jìn)行管棚支護(hù)工序。管棚支護(hù)就是在隧道口沿著開挖輪廓周線，用特定的設(shè)備將一系列鋼管順著隧道軸線方向，按一定次序打入開挖前方的地層內(nèi)，然后向管內(nèi)注漿固結(jié)鋼管周圍的巖石，最終形成1個(gè)棚架支護(hù)體系，以支撐來自外側(cè)的圍巖壓力，從而保證其隧洞開挖、襯砌的連續(xù)性和安全性。

ZTZ150T型多功能鉆機(jī)標(biāo)配的德國歐鉆HD5012動(dòng)力頭，兼具跟管和套管鉆孔的功能，可實(shí)現(xiàn)89和1 082種規(guī)格管棚的鉆孔作業(yè)。當(dāng)山體邊坡地質(zhì)情況良好時(shí)，可直接進(jìn)行跟管鉆孔，鉆孔完成后直接將鋼管插入孔中；當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況不良、容易發(fā)生坍塌時(shí)，可采用內(nèi)、外鉆桿進(jìn)行套管鉆進(jìn)， 鉆孔完成后先撤出內(nèi)鉆桿，待插入管棚鋼管后再撤出外鉆桿。

3.3 注漿加固

在隧道施工過程中，當(dāng)掌子面前方圍巖等級(jí)較高，地質(zhì)情況不穩(wěn)定時(shí)，需要進(jìn)行注漿加固施工[5]。多功能鉆機(jī)注漿加固可以分為3步：1） 液壓動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆頭沖擊、旋轉(zhuǎn)進(jìn)行破碎、切削鉆孔。2） 利用泥漿泵或空壓機(jī)輸送泥漿或者高壓空氣經(jīng)過鉆桿進(jìn)行排渣。3） 鉆孔完成后，由注漿機(jī)將注漿材料注入孔內(nèi)，對地質(zhì)進(jìn)行加固處理。

ZTZ150T多功能鉆機(jī)搭配注漿輔助設(shè)備后，可實(shí)現(xiàn)鉆注一體化施工。其注漿工藝分為前進(jìn)式注漿、后退式注漿和孔口式注漿。目前工地上采用較多的是孔口式注漿。

4 鉆機(jī)在高海拔隧道施工中的應(yīng)用

4.1 隧道地質(zhì)情況

貴南高鐵GNZQ-5標(biāo)德惠隧道位于廣西省河池市宜州區(qū)龍頭鄉(xiāng)，該地區(qū)海拔高度3 200 m，常年氣溫在10 ℃以下，最低氣溫達(dá)到了-20 ℃。

隧道為單洞雙線斷面，全長3 577 m，最大埋深為418 m。全隧穿越灰?guī)r、白巖質(zhì)灰?guī)r地層，圍巖等級(jí)主要以III、IV級(jí)圍巖為主。地表為典型的峰從洼地地貌，巖溶作用以垂直方向?yàn)橹鳎瓷硖幱趲r溶水季節(jié)變動(dòng)帶，巖溶發(fā)育不均勻，地表溶蝕裂隙發(fā)育，洼地中常見消水洞，巖溶水豐富，溶洞問題突出。

4.2 鉆機(jī)在隧道內(nèi)的應(yīng)用情況

ZTZ150T型多功能鉆機(jī)主要用于該工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作業(yè)。鉆機(jī)在進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)采用的是潛孔工法，相關(guān)配套設(shè)備見表2，各零部件安裝如圖7所示。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)鉆孔作業(yè)過程如圖8所示，圖8（a）為隧道內(nèi)掌子面前方進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)鉆孔作業(yè)，根據(jù)施工要求，鉆孔直徑為110 mm，隧道內(nèi)掌子面前方鉆孔深度要求80 m，整個(gè)掌子面需要鉆3個(gè)孔，孔位兩兩間距至少4 m（上側(cè)中心位置1個(gè)孔位，左下、右下側(cè)各1個(gè)孔位），最終鉆孔深度82 m，平均每個(gè)孔用時(shí)3小時(shí)46分。圖8（b）為隧道外邊坡處進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)鉆孔，邊坡處鉆孔深度要求30 m，孔位水平布置，孔位間距5 m左右，最終鉆孔深度31 m，鉆孔數(shù)量為5孔，平均每個(gè)孔用時(shí)1 h18 min。

表2 潛孔工法相關(guān)配套設(shè)備

圖7 鉆機(jī)潛孔作業(yè)配置圖

與現(xiàn)場1臺(tái)水平鉆孔設(shè)備（型號(hào)：志高ZGYX420S鉆機(jī)，鉆孔深度最大為50 m，鉆孔直徑最大為110 mm）相比，該鉆機(jī)的鉆孔效率更高。鉆機(jī)使用期間性能穩(wěn)定、操作簡便、施工效率高，其優(yōu)秀的性能表現(xiàn)得到了用戶的充分肯定。

圖8 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)鉆孔作業(yè)

5 結(jié)論

ZTZ150T型多功能鉆機(jī)針對高海拔地區(qū)的極端工況進(jìn)行了大量適應(yīng)性設(shè)計(jì)，整機(jī)具有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提高了鉆機(jī)的適應(yīng)能力。通過配置不同的動(dòng)力頭和輔助設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、注漿加固和管棚等功能。

現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用表明， ZTZ150T型多功能鉆機(jī)具有性能穩(wěn)定可靠、操作簡單以及鉆孔效率高等優(yōu)勢，適合高海拔地區(qū)鉆孔施工。