ZTZ150T型多功能钻机在高海拔隧道施工中的应用

时间：2024-05-17

孙凯徐超

（中铁工程机械研究设计院有限公司，湖北武汉 430066）

0 前言

在铁路工程隧道施工中，多功能钻机具有操作简单、钻孔速度快以及可靠性高等优点，广泛应用于地质加固和支护等施工[1-2]。近几年，随着国家经济建设重心向西部的推进，西部高原地区成为新一轮经济建设和基础设施建设的热土。川藏铁路地处高原，平均海拔3 500 m以上，山岭多、落差大，常年低温缺氧，自然环境恶劣，并且地理位置偏远、交通不便，给铁路施工带来很大挑战。

为了解决一般钻机在高海拔地区特别是隧道内无法正常作业的问题，中铁工程机械研究设计院有限公司研制了一款ZTZ150T型多功能钻机，如图1所示。该钻机针对高海拔地区的极端工况进行了大量的适应性设计，具备超前地质预报、管棚支护、注浆加固等功能，满足在海拔3 000 m以上、-35 ℃的地区正常作业。

该文首先介绍了ZTZ150T型多功能钻机主要技术参数，其次详细介绍了针对高海拔地区低温、缺氧等极端工况进行的适应性设计及关键技术以及该钻机具备的3个主要功能。最后，介绍了钻机在工地上的实际使用情况，钻机使用期间性能稳定、作业可靠、钻孔效率高。ZTZ150T型多功能钻机的研制成功解决了铁路隧道施工过程中遇到的高海拔极端工况问题，是1种真正意义上的适用于高海拔地区的多功能钻机。

1 主要技术参数

图1 ZTZ150T型多功能钻机

ZTZ150T型多功能钻机技术参数主要包括钻机的动力系统参数、动力头技术参数，进给及提升技术参数、夹钳技术参数以及整机重量和外形尺寸，具体参数见表1。

表1 钻机主要技术参数表

2 关键技术

ZTZ150T型多功能钻机由底盘、上车架、变幅机构、钻架总成、覆盖件、驾驶室、动力系统、液压系统以及电气系统等组成[3]。该钻机针对高海拔地区低温、缺氧等极端工况进行了大量的适应性设计，具有多项关键技术，主要体现在变幅机构、动力头总成、动力系统和液压系统4个方面。

2.1 变幅机构

变幅机构的作用是调整钻架的姿态，实现不同位置快速定位钻孔作业。ZTZ150T型多功能钻机在大臂后端设计回转组件，大臂前端为多连杆变幅机构，两者结合可以实现隧道内掌子面一次定位后的作业范围，定位速度快，作业效率高，如图2所示。大臂回转侧摆角度为±104 °（如图3所示），钻架左右转动角度达153 °，最大工作仰角42 °，可以实现隧道内全断面、多角度的钻孔作业。

2.2 动力头总成

ZTZ150T型多功能钻机动力头系统标配德国欧钻HD5012动力头，该动力头为旋转+冲击作业模式，可实现各种复杂地质情况下的快速钻进，钻孔速度是一般钻机的3倍以上，达到10 m/h～20 m/h，如图4所示。

图2 变幅机构组成

图3 钻机回转侧摆最大角度示意图

另外，动力头安装滑架采用模块化设计，可以根据不同的工况需求，选择合适的施工工艺，选可配专用的动力头（可选配HD5012、TE1000、RH1200和HB50A等动力头）。滑架采用模块化设计可实现动力头的快速更换，尼龙滑块与轨道接触，经久耐磨，方便拆卸，操作简便，可实现动力头和钻机快速更换。

2.3 动力系统

由于隧道内空间狭窄密闭，空气流通不畅，环境恶劣，ZTZ150T型多功能钻机采用柴动+电动双动力系统。柴油发动机用于行走和钻架的展开与回收，隧道内钻孔施工时采用电机驱动，杜绝了尾气排放污染。

图4 HD5012动力头及模块化滑架

柴油发动机选用东风康明斯QSF2.8系列53 kW发动机，同时配置涡轮增压和低温预热系统，满足零下35 ℃正常启动。供油系统采用Bosch高压共轨系统，油耗低，经济实用。散热系统为水散热器，空空中冷。

电机选用西门子90 kW电机，具有较高的功率储备，可靠性高，发热量低并且实现零排放，降低噪声，改善施工环境。

ZTZ150T型多功能钻机动力系统如图5所示。

2.4 液压系统

为了实现柴动+电动双动力系统的正常工作，液压系统拥有2个独立动力源，其中电机泵油源用于钻孔作业，发动机泵油源用于行走和变幅模式，两套液压系统相互独立，互不干扰。

发动机

液压系统执行机构包括4个部分：主系统、变幅系统、卸扣系统和冷却系统，其中主系统包括整机行走、动力头旋转、顶锤冲击及动力头进给。

整车行走液压系统有2种操控模式，即液控行走模式和遥控行走模式，整车走行操控更加灵活。

3 主要功能

ZTZ150T型多功能钻机具有超前地质预报、管棚支护、注浆加固等功能，同时通过配置不同的动力头和辅助设备，可以完成顶驱、潜孔、跟管和套管等施工工作。

3.1 超前地质预报

超前地质预报是隧道内施工必要的技术措施，主要是对掌子面前方岩性及不良地质等进行预报[4]。

ZTZ150T型多功能钻机通过在电气系统中匹配独立的传感器、处理器和显示器模块，即时掌握掌子面前方的地质状况（例如岩石软硬、有无涌水和有无溶洞等），最长预报距离可达150 m。该钻机标配钻孔深度、钻头转速、进给压力、动力头扭矩、冲击压力传感器，同时可选配进水压力、进水流量、出水压力、出水流量、倾角以及瓦斯传感器。传感器采集到的数据经过处理后自动生成曲线进行显示，操作手可以及时地对地质的变化进行相对应的操作；同时这些数据可以永久地保存在内存中，后期数据分析时可直接导出，操作简便。

图6 超前地质预报系统

ZTZ150T型多功能钻机各传感器布置如图6（a）所示。其中钻孔深度传感器布置在进给（提升）系统液压马达上，转速传感器布置在动力头上，进给压力、动力头扭矩和冲击压力传感器通过对液压系统压力的计算换算成相应的数据。所有传感器的数据汇集到数据处理中心，通过处理后在显示器上输出。显示器界面如图6（b）所示，界面上侧为钻机姿态和孔位数据，中间为传感器测量的数据，钻孔过程中数据实时输出，最下侧为操作按钮，包括一些基本的操作（如开关机、暂停、USB数据导出、系统参数设置等），其中，通过参数设置按钮可以设置数据单位、曲线幅度、线条样式、线条颜色和线条粗细等，按钮设计合理、操作简单，方便对数据的处理。

3.2 管棚支护

隧道开挖初期，由于山体、边坡岩体的不稳定，需要在隧道口进行管棚支护工序。管棚支护就是在隧道口沿着开挖轮廓周线，用特定的设备将一系列钢管顺着隧道轴线方向，按一定次序打入开挖前方的地层内，然后向管内注浆固结钢管周围的岩石，最终形成1个棚架支护体系，以支撑来自外侧的围岩压力，从而保证其隧洞开挖、衬砌的连续性和安全性。

ZTZ150T型多功能钻机标配的德国欧钻HD5012动力头，兼具跟管和套管钻孔的功能，可实现89和1 082种规格管棚的钻孔作业。当山体边坡地质情况良好时，可直接进行跟管钻孔，钻孔完成后直接将钢管插入孔中；当地质情况不良、容易发生坍塌时，可采用内、外钻杆进行套管钻进，钻孔完成后先撤出内钻杆，待插入管棚钢管后再撤出外钻杆。

3.3 注浆加固

在隧道施工过程中，当掌子面前方围岩等级较高，地质情况不稳定时，需要进行注浆加固施工[5]。多功能钻机注浆加固可以分为3步：1）液压动力头带动钻头冲击、旋转进行破碎、切削钻孔。2）利用泥浆泵或空压机输送泥浆或者高压空气经过钻杆进行排渣。3）钻孔完成后，由注浆机将注浆材料注入孔内，对地质进行加固处理。

ZTZ150T多功能钻机搭配注浆辅助设备后，可实现钻注一体化施工。其注浆工艺分为前进式注浆、后退式注浆和孔口式注浆。目前工地上采用较多的是孔口式注浆。

4 钻机在高海拔隧道施工中的应用

4.1 隧道地质情况

贵南高铁GNZQ-5标德惠隧道位于广西省河池市宜州区龙头乡，该地区海拔高度3 200 m，常年气温在10 ℃以下，最低气温达到了-20 ℃。

隧道为单洞双线断面，全长3 577 m，最大埋深为418 m。全隧穿越灰岩、白岩质灰岩地层，围岩等级主要以III、IV级围岩为主。地表为典型的峰从洼地地貌，岩溶作用以垂直方向为主，洞身处于岩溶水季节变动带，岩溶发育不均匀，地表溶蚀裂隙发育，洼地中常见消水洞，岩溶水丰富，溶洞问题突出。

4.2 钻机在隧道内的应用情况

ZTZ150T型多功能钻机主要用于该工程的超前地质预报作业。钻机在进行超前地质预报作业时采用的是潜孔工法，相关配套设备见表2，各零部件安装如图7所示。

超前地质预报钻孔作业过程如图8所示，图8（a）为隧道内掌子面前方进行超前地质预报钻孔作业，根据施工要求，钻孔直径为110 mm，隧道内掌子面前方钻孔深度要求80 m，整个掌子面需要钻3个孔，孔位两两间距至少4 m（上侧中心位置1个孔位，左下、右下侧各1个孔位），最终钻孔深度82 m，平均每个孔用时3小时46分。图8（b）为隧道外边坡处进行地质预报钻孔，边坡处钻孔深度要求30 m，孔位水平布置，孔位间距5 m左右，最终钻孔深度31 m，钻孔数量为5孔，平均每个孔用时1 h18 min。

表2 潜孔工法相关配套设备

图7 钻机潜孔作业配置图

与现场1台水平钻孔设备（型号：志高ZGYX420S钻机，钻孔深度最大为50 m，钻孔直径最大为110 mm）相比，该钻机的钻孔效率更高。钻机使用期间性能稳定、操作简便、施工效率高，其优秀的性能表现得到了用户的充分肯定。

图8 超前地质预报钻孔作业