一種用于不良地質(zhì)的新型硬巖錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)

張明明

(中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410100)

1 前言

在硬巖隧道施工中，TBM施工工法在長(zhǎng)距離硬巖隧道掘進(jìn)中具有比其他施工工法更高效、安全以及環(huán)境友好等特點(diǎn)因而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)是TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中為了保護(hù)隧道施工安全的重要一環(huán)，它配備有液壓鑿巖機(jī)可以高效地對(duì)洞壁鉆孔，鉆孔可以在隧道施工中起到釋放巖石內(nèi)部擠壓應(yīng)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(qiáng)洞壁強(qiáng)度的作用[2]。以國(guó)內(nèi)某引水隧道使用的TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)為例，它裝備的由法國(guó)蒙特貝品牌HC109液壓鑿巖機(jī)通過(guò)活塞沖擊釬尾做功進(jìn)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(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)以及拉壓應(yīng)變力的作用，受力情況十分復(fù)雜。如何在隧道施工各種不良工況中提高錨護(hù)作業(yè)時(shí)液壓鑿巖機(jī)和釬具的使用壽命，減少消耗量進(jìn)而達(dá)到降低施工成本、提高掘進(jìn)效率效果是值得研究的問(wèn)題[3]。

本文針對(duì)TBM隧道施工中液壓鑿巖機(jī)工作過(guò)程中存在的空打、卡釬等現(xiàn)象對(duì)現(xiàn)有TBM產(chǎn)品的錨桿鉆機(jī)液壓系統(tǒng)提出設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，達(dá)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(shè)計(jì)目的。

2 鉆機(jī)系統(tǒng)卡釬和空打

2.1 液壓鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)鉆機(jī)系統(tǒng)配備的液壓鑿巖機(jī)主要由沖擊活塞、蓄能器、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、釬尾、殼體、沖洗通道等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 液壓鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 卡釬原因分析

TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)配備的液壓鑿巖機(jī)通過(guò)高壓油驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)釬尾以及連接在釬尾上的釬具轉(zhuǎn)動(dòng)，釬具旋轉(zhuǎn)不僅可以讓鑿巖的能量均勻地作用于巖石上，釬頭對(duì)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(zhuǎn)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(guī)則性對(duì)釬具造成的阻力。根據(jù)以上分析可得，鉆機(jī)在鑿巖過(guò)程中承受的阻力矩M主要由釬具旋轉(zhuǎn)剪切鑿碎的巖石阻力矩以及鉆具和洞壁、巖石殘?jiān)哪Σ亮氐冉M成。

在鉆孔過(guò)程中，通常會(huì)遇到下列不良地質(zhì)的情況：巖石層硬度突然加大時(shí)，沖擊功率沒(méi)有相應(yīng)加大或相應(yīng)地減小液壓鑿巖機(jī)的進(jìn)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(dāng)遇到上述不良地質(zhì)情況時(shí)，釬具旋轉(zhuǎn)的阻力轉(zhuǎn)矩M1大于液壓鑿巖機(jī)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)所能夠提供的轉(zhuǎn)矩M2時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)卡釬[5]。一旦隧道施工中出現(xiàn)鉆機(jī)系統(tǒng)卡釬，則需要對(duì)TBM整機(jī)進(jìn)行停機(jī)處理，對(duì)掘進(jìn)效率造成了極大的影響。不僅如此，卡釬如果無(wú)法取出釬桿，則需要對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)切割等破壞性處理，造成了釬具的浪費(fèi)，增加了隧道掘進(jìn)成本。

2.3 空打原因分析

液壓鑿巖機(jī)并不是通過(guò)高壓油控制沖擊活塞直接撞擊工作介質(zhì)，它通過(guò)釬桿(力學(xué)模型中常稱之為彈性桿)將沖擊活塞的沖擊能以應(yīng)力波的形式傳遞到工作介質(zhì)巖石上，在沖擊機(jī)械大家族中液壓鑿巖機(jī)屬于二元沖擊機(jī)械。由于液壓鑿巖機(jī)二元沖擊的這種能量傳遞形式，如果在鉆孔施工過(guò)程中出現(xiàn)了巖層的裂隙、斷層等不良地質(zhì)情況以及推進(jìn)速度和鑿巖速度不匹配的情況，則有可能會(huì)出現(xiàn)活塞撞擊不到釬尾或者釬頭沒(méi)頂?shù)娇變?nèi)巖壁導(dǎo)致活塞撞擊到釬尾后能量不能用于破巖的空打現(xiàn)象?？沾虻你@機(jī)系統(tǒng)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(dòng)能部分或者完成由鑿巖機(jī)自身吸收，不僅會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和引起液壓鑿巖機(jī)內(nèi)部的破壞，還會(huì)導(dǎo)致釬尾的經(jīng)常性斷裂[6-7]。

3 TBM鉆機(jī)系統(tǒng)分析

3.1 常見防卡釬系統(tǒng)分析

國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段大多數(shù)TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)，其配備的鉆機(jī)系統(tǒng)防卡釬功能主要靠RPCF(rotation pressure control feed)防卡釬閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)鉆機(jī)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)壓力的變化來(lái)控制防卡釬閥的換向達(dá)到支護(hù)鉆孔時(shí)防卡釬的效果。如圖2所示，當(dāng)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)負(fù)載端壓力因?yàn)閹r層的縫隙、斷層空洞或者巖石抗壓強(qiáng)度相差太大以及出現(xiàn)泥巖等工況而迅速增大時(shí)，來(lái)自旋轉(zhuǎn)馬達(dá)高壓油會(huì)控制液壓換向閥(防卡釬)換向，液壓鉆機(jī)推進(jìn)油缸快速反應(yīng)，從推進(jìn)無(wú)桿腔進(jìn)油變化成有桿腔進(jìn)油。具體表現(xiàn)為液壓鉆機(jī)由向前推進(jìn)動(dòng)作變?yōu)橄蚝笸藙?dòng)作，帶動(dòng)釬具離開卡滯位置，從而達(dá)到防卡釬的目的[8-10]。

圖2 常見防卡釬系統(tǒng)

3.2 常見防空打系統(tǒng)分析

TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)上鉆機(jī)系統(tǒng)中防空打的措施為操作手通過(guò)遙控器上的旋鈕調(diào)節(jié)電控比例減壓閥的壓力來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)油減壓閥的壓力從而控制鑿巖機(jī)推進(jìn)的速度和推力。如圖3所示，電比例閥控制推進(jìn)油缸進(jìn)油減壓閥控制油壓力，減壓閥調(diào)節(jié)彈簧可以控制電比例閥對(duì)推進(jìn)速度控制的靈敏程度，彈簧預(yù)緊力越高則靈敏度越低，反之則越高。這種控制方式對(duì)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)操作手的經(jīng)驗(yàn)要求較高，熟練的操作手可以通過(guò)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(lái)判斷推進(jìn)速度是否和鑿巖速度匹配。通常，如果出現(xiàn)撞擊聲音不清脆的現(xiàn)象則說(shuō)明釬頭沒(méi)有頂緊巖石，沖擊活塞無(wú)法完全沖擊到釬尾端面，需要操作手加大推進(jìn)力；如出現(xiàn)釬桿被頂彎時(shí)則說(shuō)明巖石太硬，推進(jìn)速度大于鑿巖速度，需要操作手減小推進(jìn)力[11-12]。

圖3 常見防空打系統(tǒng)

3.3 小結(jié)

現(xiàn)有的常見TBM錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)，在防卡釬和防止沖擊活塞空打兩大性能關(guān)鍵點(diǎn)上都存在一定的不足之處。在防卡釬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，只要旋轉(zhuǎn)壓力大于防卡釬閥的設(shè)定值則使鉆機(jī)推進(jìn)油缸的高壓油液換向而后退。這種設(shè)計(jì)不僅會(huì)在一定程度上降低鑿巖效率，而且對(duì)防卡釬閥的壓力設(shè)定值準(zhǔn)確性要求很高，很難在防卡釬和提高打鉆效率上尋求一個(gè)平衡壓力設(shè)定。在沖擊活塞防空打設(shè)計(jì)中，靠主觀判斷來(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)壓力對(duì)隧道施工者的技術(shù)要求較高，在一定的環(huán)境下難以判斷鉆機(jī)的使用情況導(dǎo)致出現(xiàn)操作問(wèn)題從而出現(xiàn)空打的情況。

4 新型鉆機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 防卡釬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)TBM防卡釬系統(tǒng)高效、壓力設(shè)定簡(jiǎn)便等要求，設(shè)計(jì)了一種新型鉆機(jī)防卡釬控制系統(tǒng)，如圖4所示。

液壓鑿巖機(jī)正常鑿巖時(shí)，序號(hào)1旋轉(zhuǎn)換向控制閥處于得電狀態(tài)。當(dāng)鉆機(jī)鑿巖速度小于推進(jìn)油缸的推進(jìn)速度時(shí)旋轉(zhuǎn)壓力升高，由于序號(hào)6減壓閥的作用序號(hào)3液壓換向閥右邊控制油壓力會(huì)高于左邊，此時(shí)液控?fù)Q向閥向右位換向，鉆機(jī)系統(tǒng)推進(jìn)速度變慢。如果出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)卡滯的極限情況則液控?fù)Q向閥完全換位到右位，鉆機(jī)向后退防止卡釬。當(dāng)鉆機(jī)沖洗水功能正常時(shí)，序號(hào)8兩位兩通換向閥處于不通油的狀態(tài)，鉆機(jī)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)鉆機(jī)沖洗水系統(tǒng)出現(xiàn)水流量低或者無(wú)沖洗水的突發(fā)情況時(shí)，二位二通換向閥換向，液控?fù)Q向閥左邊控制油直接回油鉆機(jī)向后退，防止因鉆機(jī)系統(tǒng)沖洗水不足導(dǎo)致巖石殘?jiān)鼰o(wú)法及時(shí)從孔中排出導(dǎo)致卡釬。

圖4 新型防卡釬系統(tǒng)

該新型鉆機(jī)防卡釬系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)壓力和鉆機(jī)沖洗水兩大變量來(lái)控制推進(jìn)油缸壓力和流量的方式，三位五通液控?fù)Q向閥可以根據(jù)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)壓力的變化比例控制推進(jìn)油缸壓力、流量等參數(shù)，系統(tǒng)能夠在一個(gè)更加節(jié)能高效的情況下工作。在沒(méi)有沖洗水或者沖洗水流量小的情況下，極易出現(xiàn)因積渣而導(dǎo)致的卡釬，沖洗水換向閥可以保證在沖洗水參數(shù)不達(dá)標(biāo)的情況下減小推進(jìn)速度或者后退鑿巖機(jī)防止卡釬。

4.2 防空打控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)常見TBM鉆機(jī)系統(tǒng)防空打功能存在對(duì)操作手熟練程度要求較高、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型防空打系統(tǒng)，如圖5所示。

液壓鑿巖機(jī)正常鑿巖時(shí)，序號(hào)1和序號(hào)3電磁換向閥處于得電狀態(tài)，此時(shí)鉆機(jī)系統(tǒng)提供給液壓鑿巖機(jī)一個(gè)進(jìn)給力，推進(jìn)油缸無(wú)桿腔壓力遠(yuǎn)高于有桿腔壓力。序號(hào)6減壓閥控制壓力為控制油壓力和彈簧預(yù)緊力之和，鑿巖機(jī)正常高壓沖擊。當(dāng)鉆機(jī)推進(jìn)速度變慢時(shí)，推進(jìn)油缸無(wú)桿腔壓力變小、有桿腔壓力升高，序號(hào)5液控?fù)Q向閥通過(guò)推進(jìn)油缸兩腔的壓差比例調(diào)節(jié)序號(hào)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(tǒng)

該新型TBM鉆機(jī)系統(tǒng)防空打功能采用推進(jìn)油缸有桿腔和無(wú)桿腔壓力差值來(lái)控制液壓鑿巖機(jī)沖擊壓力的方式，二位三通液控?fù)Q向閥能夠根據(jù)推進(jìn)油缸大小兩腔壓力變化比例控制鑿巖的沖擊壓力大小。當(dāng)出現(xiàn)推進(jìn)壓力和速度降低時(shí)，液壓鑿巖機(jī)沖擊壓力下降，從而達(dá)到自動(dòng)防空打的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要分析了：(1)液壓鑿巖機(jī)基本結(jié)構(gòu)和鑿巖過(guò)程中卡釬、空打的原因機(jī)理；(2)TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)常見的防卡釬和防空打的控制系統(tǒng)；(3)設(shè)計(jì)了新型防卡釬鉆機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓力控制液控比例換向閥來(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)壓力和流量的大小，并且考慮鉆機(jī)沖洗水的因素。通過(guò)推進(jìn)油缸有桿腔和無(wú)桿腔的壓力差來(lái)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(jìn)速度的一個(gè)高度匹配，從而達(dá)到鉆機(jī)在鑿巖作業(yè)過(guò)程中防卡釬和防空打的效果。