孫 凱 徐 超

（中鐵工程機械研究設計院有限公司，湖北 武漢 430066）

0 前言

在鐵路工程隧道施工中，多功能鉆機具有操作簡單、鉆孔速度快以及可靠性高等優(yōu)點，廣泛應用于地質(zhì)加固和支護等施工[1-2]。近幾年，隨著國家經(jīng)濟建設重心向西部的推進，西部高原地區(qū)成為新一輪經(jīng)濟建設和基礎設施建設的熱土。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、交通不便，給鐵路施工帶來很大挑戰(zhàn)。

為了解決一般鉆機在高海拔地區(qū)特別是隧道內(nèi)無法正常作業(yè)的問題，中鐵工程機械研究設計院有限公司研制了一款ZTZ150T型多功能鉆機，如圖1所示。該鉆機針對高海拔地區(qū)的極端工況進行了大量的適應性設計，具備超前地質(zhì)預報、管棚支護、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型多功能鉆機主要技術參數(shù)，其次詳細介紹了針對高海拔地區(qū)低溫、缺氧等極端工況進行的適應性設計及關鍵技術以及該鉆機具備的3個主要功能。最后，介紹了鉆機在工地上的實際使用情況，鉆機使用期間性能穩(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。

1 主要技術參數(shù)

圖1 ZTZ150T型多功能鉆機

ZTZ150T型多功能鉆機技術參數(shù)主要包括鉆機的動力系統(tǒng)參數(shù)、動力頭技術參數(shù)，進給及提升技術參數(shù)、夾鉗技術參數(shù)以及整機重量和外形尺寸，具體參數(shù)見表1。

表1 鉆機主要技術參數(shù)表

2 關鍵技術

ZTZ150T型多功能鉆機由底盤、上車架、變幅機構、鉆架總成、覆蓋件、駕駛室、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)等組成[3]。該鉆機針對高海拔地區(qū)低溫、缺氧等極端工況進行了大量的適應性設計，具有多項關鍵技術，主要體現(xiàn)在變幅機構、動力頭總成、動力系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)4個方面。

2.1 變幅機構

變幅機構的作用是調(diào)整鉆架的姿態(tài)，實現(xiàn)不同位置快速定位鉆孔作業(yè)。ZTZ150T型多功能鉆機在大臂后端設計回轉(zhuǎn)組件，大臂前端為多連桿變幅機構，兩者結合可以實現(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)動角度達153 °，最大工作仰角42 °，可以實現(xiàn)隧道內(nèi)全斷面、多角度的鉆孔作業(yè)。

2.2 動力頭總成

ZTZ150T型多功能鉆機動力頭系統(tǒng)標配德國歐鉆HD5012動力頭，該動力頭為旋轉(zhuǎn)+沖擊作業(yè)模式，可實現(xiàn)各種復雜地質(zhì)情況下的快速鉆進，鉆孔速度是一般鉆機的3倍以上，達到10 m/h～20 m/h，如圖4所示。

圖2 變幅機構組成

圖3 鉆機回轉(zhuǎn)側(cè)擺最大角度示意圖

另外，動力頭安裝滑架采用模塊化設計，可以根據(jù)不同的工況需求，選擇合適的施工工藝，選可配專用的動力頭（可選配HD5012、TE1000、RH1200和HB50A等動力頭）?；懿捎媚K化設計可實現(xiàn)動力頭的快速更換，尼龍滑塊與軌道接觸，經(jīng)久耐磨，方便拆卸，操作簡便，可實現(xiàn)動力頭和鉆機快速更換。

2.3 動力系統(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型多功能鉆機采用柴動+電動雙動力系統(tǒng)。柴油發(fā)動機用于行走和鉆架的展開與回收，隧道內(nèi)鉆孔施工時采用電機驅(qū)動，杜絕了尾氣排放污染。

圖4 HD5012動力頭及模塊化滑架

柴油發(fā)動機選用東風康明斯QSF2.8系列53 kW發(fā)動機，同時配置渦輪增壓和低溫預熱系統(tǒng)，滿足零下35 ℃正常啟動。供油系統(tǒng)采用Bosch高壓共軌系統(tǒng)，油耗低，經(jīng)濟實用。散熱系統(tǒng)為水散熱器，空空中冷。

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

ZTZ150T型多功能鉆機動力系統(tǒng)如圖5所示。

2.4 液壓系統(tǒng)

為了實現(xiàn)柴動+電動雙動力系統(tǒng)的正常工作，液壓系統(tǒng)擁有2個獨立動力源，其中電機泵油源用于鉆孔作業(yè)，發(fā)動機泵油源用于行走和變幅模式，兩套液壓系統(tǒng)相互獨立，互不干擾。

發(fā)動機

液壓系統(tǒng)執(zhí)行機構包括4個部分：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)包括整機行走、動力頭旋轉(zhuǎn)、頂錘沖擊及動力頭進給。

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型多功能鉆機具有超前地質(zhì)預報、管棚支護、注漿加固等功能，同時通過配置不同的動力頭和輔助設備，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)預報

超前地質(zhì)預報是隧道內(nèi)施工必要的技術措施，主要是對掌子面前方巖性及不良地質(zhì)等進行預報[4]。

ZTZ150T型多功能鉆機通過在電氣系統(tǒng)中匹配獨立的傳感器、處理器和顯示器模塊，即時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），最長預報距離可達150 m。該鉆機標配鉆孔深度、鉆頭轉(zhuǎn)速、進給壓力、動力頭扭矩、沖擊壓力傳感器，同時可選配進水壓力、進水流量、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)過處理后自動生成曲線進行顯示，操作手可以及時地對地質(zhì)的變化進行相對應的操作；同時這些數(shù)據(jù)可以永久地保存在內(nèi)存中，后期數(shù)據(jù)分析時可直接導出，操作簡便。

圖6 超前地質(zhì)預報系統(tǒng)

ZTZ150T型多功能鉆機各傳感器布置如圖6（a）所示。其中鉆孔深度傳感器布置在進給（提升）系統(tǒng)液壓馬達上，轉(zhuǎn)速傳感器布置在動力頭上，進給壓力、動力頭扭矩和沖擊壓力傳感器通過對液壓系統(tǒng)壓力的計算換算成相應的數(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)實時輸出，最下側(cè)為操作按鈕，包括一些基本的操作（如開關機、暫停、USB數(shù)據(jù)導出、系統(tǒng)參數(shù)設置等），其中，通過參數(shù)設置按鈕可以設置數(shù)據(jù)單位、曲線幅度、線條樣式、線條顏色和線條粗細等，按鈕設計合理、操作簡單，方便對數(shù)據(jù)的處理。

3.2 管棚支護

隧道開挖初期，由于山體、邊坡巖體的不穩(wěn)定，需要在隧道口進行管棚支護工序。管棚支護就是在隧道口沿著開挖輪廓周線，用特定的設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)注漿固結鋼管周圍的巖石，最終形成1個棚架支護體系，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型多功能鉆機標配的德國歐鉆HD5012動力頭，兼具跟管和套管鉆孔的功能，可實現(xiàn)89和1 082種規(guī)格管棚的鉆孔作業(yè)。當山體邊坡地質(zhì)情況良好時，可直接進行跟管鉆孔，鉆孔完成后直接將鋼管插入孔中；當?shù)刭|(zhì)情況不良、容易發(fā)生坍塌時，可采用內(nèi)、外鉆桿進行套管鉆進， 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，當掌子面前方圍巖等級較高，地質(zhì)情況不穩(wěn)定時，需要進行注漿加固施工[5]。多功能鉆機注漿加固可以分為3步：1） 液壓動力頭帶動鉆頭沖擊、旋轉(zhuǎn)進行破碎、切削鉆孔。2） 利用泥漿泵或空壓機輸送泥漿或者高壓空氣經(jīng)過鉆桿進行排渣。3） 鉆孔完成后，由注漿機將注漿材料注入孔內(nèi)，對地質(zhì)進行加固處理。

ZTZ150T多功能鉆機搭配注漿輔助設備后，可實現(xiàn)鉆注一體化施工。其注漿工藝分為前進式注漿、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 鉆機在高海拔隧道施工中的應用

4.1 隧道地質(zhì)情況

貴南高鐵GNZQ-5標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，圍巖等級主要以III、IV級圍巖為主。地表為典型的峰從洼地地貌，巖溶作用以垂直方向為主，洞身處于巖溶水季節(jié)變動帶，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 鉆機在隧道內(nèi)的應用情況

ZTZ150T型多功能鉆機主要用于該工程的超前地質(zhì)預報作業(yè)。鉆機在進行超前地質(zhì)預報作業(yè)時采用的是潛孔工法，相關配套設備見表2，各零部件安裝如圖7所示。

超前地質(zhì)預報鉆孔作業(yè)過程如圖8所示，圖8（a）為隧道內(nèi)掌子面前方進行超前地質(zhì)預報鉆孔作業(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，整個掌子面需要鉆3個孔，孔位兩兩間距至少4 m（上側(cè)中心位置1個孔位，左下、右下側(cè)各1個孔位），最終鉆孔深度82 m，平均每個孔用時3小時46分。圖8（b）為隧道外邊坡處進行地質(zhì)預報鉆孔，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，平均每個孔用時1 h18 min。

表2 潛孔工法相關配套設備

圖7 鉆機潛孔作業(yè)配置圖

與現(xiàn)場1臺水平鉆孔設備（型號：志高ZGYX420S鉆機，鉆孔深度最大為50 m，鉆孔直徑最大為110 mm）相比，該鉆機的鉆孔效率更高。鉆機使用期間性能穩(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)預報鉆孔作業(yè)

5 結論

ZTZ150T型多功能鉆機針對高海拔地區(qū)的極端工況進行了大量適應性設計，整機具有多項關鍵技術，提高了鉆機的適應能力。通過配置不同的動力頭和輔助設備，可以實現(xiàn)超前地質(zhì)預報、注漿加固和管棚等功能。

現(xiàn)場實際應用表明， ZTZ150T型多功能鉆機具有性能穩(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。