PST-60搖臂管棚鉆機在軟巖隧道中的應(yīng)用與維護

劉占理

(北京中鐵瑞威基礎(chǔ)工程有限公司，北京 100055)

本文選取正在建設(shè)中的蘭渝鐵路桃樹坪隧道出口工程這一關(guān)鍵控制性工程為研究對象，該隧道開挖后出露圍巖為富水未成巖粉細砂，已定義為Ⅵ級圍巖。經(jīng)國內(nèi)外隧道專家多次論證，北京中鐵瑞威基礎(chǔ)工程有限公司率先在國內(nèi)引進了PST-60鉆機及其附屬設(shè)施，采用國外全新超前預(yù)加固技術(shù)，結(jié)合實際，開展科研攻關(guān)，充分發(fā)揮了該鉆機自動化程度高，精度質(zhì)量易于控制，成樁效果穩(wěn)定快速的優(yōu)勢，實現(xiàn)了大斷面快速掘進。

1 旋噴機械的選型研究與配套

1.1 旋噴機械及附屬設(shè)施的選擇原則

首先確定施工工法，桃樹坪隧道首次引進新意法概念，而這種技術(shù)的關(guān)鍵就是確定主旋噴機械，進而選配合理的附屬設(shè)施，最終實現(xiàn)施工效果。選型過程中應(yīng)遵循以下原則:

1)設(shè)備是否可實施鉆噴一體化，能否達到設(shè)計鉆探能力。2)設(shè)備能否解決上仰旋噴樁徑和樁間距明顯偏小的缺陷，其實質(zhì)即能否提高旋噴壓力的問題。3)設(shè)備的操作性是否簡便，出入場是否平順，人員安全能否得到保證。4)設(shè)備選型是否經(jīng)濟合理，備件國產(chǎn)轉(zhuǎn)化率要高，并充分占領(lǐng)當?shù)厥袌觥?/p>

1.2 PST-60搖臂管棚鉆機的性能特點

PST-60鉆機由意大利進口(見圖1)，是具有領(lǐng)先國際先進技術(shù)的特種作業(yè)機械，自動化程度高，動力頭輸出扭矩大，操作簡單，質(zhì)量精度易于控制。

PST-60鉆機配備電力、柴油兩套動力系統(tǒng)，可手動或遙控操作，桅桿長達24 m，可不拆卸鉆桿，一次性完成成孔18 m。所配套的SGM45水泥攪拌裝置全電腦控制水泥漿液配比，漿液攪拌均勻，質(zhì)量穩(wěn)定，清洗簡單。7T505J高壓輸送泵實現(xiàn)遠距離高壓輸送漿液，最高壓力可達95 MPa，協(xié)助PST-60鉆機實現(xiàn)鉆孔、洗孔、旋噴作業(yè)。輔助機械設(shè)備配套包括:7T505J高壓輸送泵站，SGM45水泥攪拌站，意大利SM14多功能鉆機，排水降水設(shè)備，空氣動力設(shè)備，通風(fēng)機械，電力設(shè)備及其他臨建設(shè)施等。

圖1 桃樹坪隧道施工現(xiàn)場的PST-60鉆機

2 PST-60搖臂鉆機在旋噴施工中的應(yīng)用

2.1 PST-60鉆機在水平旋噴工法中的作用

新意大利隧道施工工法的核心是通過PST-60鉆機對隧道掌子面前方超前核心土勘察、分析，預(yù)測其穩(wěn)定性。該鉆機及其配套設(shè)施通過制造出高壓水泥漿液切割周邊圍巖并與之充分攪拌混合，形成圓柱狀混合膠結(jié)體，而后在樁內(nèi)置入剛性結(jié)構(gòu)物，使其改善掌子面前方地質(zhì)結(jié)構(gòu)達到預(yù)加固核心土的目的。

以PST-60鉆機在隧道開挖輪廓線外所施作的水平旋噴樁為基礎(chǔ)，在樁內(nèi)下大管棚以使超前核心土周圍形成防水固砂帷幕。對隧道初期支護施作鎖腳旋噴樁，將樁體內(nèi)的大管棚與初期支護鋼拱架焊接形成整體，大大提高了鋼拱架的抗應(yīng)力變形能力，從而有效地降低了初期支護嚴重擠出變形的不安全因素。

2.2 PST-60鉆機應(yīng)用分析

PST-60鉆機設(shè)備的主要技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在鉆機的24 m通長鉆桿，鉆孔及旋噴等多工序過程中不需加卸鉆桿，一次鉆進成孔，而后退鉆旋噴成樁，既大大提高了施工效率，又保證了成樁質(zhì)量，避免了停鉆帶來的斷樁、縮徑、樁體未咬合等質(zhì)量問題。目前國內(nèi)唯有意產(chǎn)PST-60鉆機、SM14鉆機配備一整套高壓注漿系統(tǒng)，具備高壓注漿的功能。其主要技術(shù)指標對比如表1所示。

表1 鉆機技術(shù)指標對比表

開挖揭示在5 cm/8 s的退速、40 MPa的旋噴壓力下，在粉細砂層和黃土中，砂卵石層內(nèi)成樁情況非常好，樁徑為50 cm～80 cm，旋噴壓力提升到55 MPa時，樁徑可達1 100 mm。形狀近似為圓，無斷樁，周邊旋噴樁咬合情況良好，符合設(shè)計要求。

結(jié)合成樁分析，水平旋噴并非單純的置換，因此與常用的注漿工藝在地層內(nèi)劈裂、滲透有著本質(zhì)的區(qū)別。因為漿液與周圍巖層充分的攪拌結(jié)合成樁后才表現(xiàn)出不同的狀態(tài)和強度。由于水平旋噴原理為通過高壓噴漿與圍巖充分攪拌，越靠前樁徑越大。經(jīng)分析主要原因為每次水平旋噴前都要采用高壓水和風(fēng)反復(fù)洗孔，洗孔過程中對樁身周圍圍巖擾動較大，使土體相對樁頭端變得松散，因此樁身成樁直徑要略大。所以總結(jié)出在同旋噴條件下地層的擾動程度和松散系數(shù)對成樁的直徑也有著較大的影響。

2.3 PST-60鉆機技術(shù)特點分析

PST-60鉆機在動力頭行程、扭矩和最大作業(yè)半徑等設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟指標方面體現(xiàn)了國際先進裝備水平，主要技術(shù)特點概括如下:

1)采用液壓搖臂式支撐機構(gòu)，24 m加長桅桿升降轉(zhuǎn)動自如，可以實施鉆噴一體化施工，施工連續(xù)性良好，擺臂可以在±120°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。鉆機就位后，作業(yè)半徑范圍為3 700 mm～6 500 mm，定位準確，如圖2所示。

圖2 鉆機工作范圍

2)動力頭多功能化。PST-60鉆機含雙動力頭配置，大動力頭輸出扭矩為17.47 kN·m，在遇到巖層地質(zhì)情況下，不容易卡鉆，鉆桿可自行拔出。動力頭可與多種鉆桿、接頭進行快速連接。

3)保持高旋噴壓力40 MPa～60 MPa，成樁穩(wěn)定快速。水平旋噴自然成樁后樁體抗壓強度較高為9.1 MPa，樁芯部位的試件比樁側(cè)部位的試件抗壓強度整體要高出20%～30%，樁間距可以達到50 cm，樁體之間皆互相咬合，靠整體受力，避免了集中力的出現(xiàn)。

4)配設(shè)雙動力源，可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境需要，選用柴油發(fā)動機驅(qū)動或電動機驅(qū)動，以有效減少空氣污染。

5)采用電—液控制系統(tǒng)，可手動或遠距離遙控操作，以最大限度地保證操作人員安全。

3 PST-60鉆機的維護

3.1 動力設(shè)備

PST-60鉆機及其附屬設(shè)施的動力設(shè)備除正常保養(yǎng)外，該鉆機及其附屬設(shè)施的動力設(shè)備維護重點抓好了培養(yǎng)定點備件供應(yīng)商以及早預(yù)防、早診斷、早處理的“三早”機制。

3.2 油料

設(shè)備的故障一半左右是因油品管理不善造成的。PST-60鉆機及其配套設(shè)施所需油料達12大類18種。為加強油料管理，采取了卡住油源，油品對路的策略，遵循按質(zhì)換油的思路，嚴格貫徹HSE管理原則，對常見漏油位置，改進密封裝置，油品儲存列入專項重點管理，做好廢油回收工作。

3.3 故障處理舉例

1)動力頭輸出芯軸斷，鉆桿被擊穿。2011年年底操作工人把大動力頭輸出芯軸折斷，造成很大的安全隱患。經(jīng)排查確認為工序操作失誤。將工序補充為:常規(guī)操作時，動力頭選用二擋?？ㄣ@時，選用一擋，加大扭矩，退回鉆桿。一旦所卡鉆具解脫，立即換回二擋，即可解決這一問題。旋噴過程中，鉆桿在高速、大壓力運轉(zhuǎn)時，多次發(fā)生擊穿鉆桿現(xiàn)象。經(jīng)排查，操作無失誤，鉆具匹配合理，鉆桿更換后仍然擊穿，最后經(jīng)反復(fù)試驗得出結(jié)論:旋噴時，所用噴嘴孔徑為3 mm，高壓泵站輸送漿液操作擋位應(yīng)匹配為三擋，經(jīng)實踐證明，取得明顯效果，排除了這一故障。

2)油管爆現(xiàn)象。PST-60鉆機試運行階段常遇到油管爆的問題。經(jīng)核查，油管爆掉的位置均發(fā)生在管接頭，懷疑為管接頭扣壓技術(shù)規(guī)格不過關(guān)，通過大壓力試壓管接頭，取得成功。而后在無現(xiàn)場資料的情況下，對各油管規(guī)格現(xiàn)場測量統(tǒng)計，如表2所示，從而將爆油管現(xiàn)象控制在允許范圍內(nèi)。

表2 PST-60鉆機所用油管規(guī)格

3)鉆機大臂限位開關(guān)失靈。2011年2月PST-60鉆機發(fā)生大臂限位開關(guān)失靈、后大臂桅桿支架受損事故，造成停工10 h。經(jīng)分析，鉆機手在移動收放支腿時，無意中將控制擺臂限位的微動線路擠斷，而協(xié)助工人沒有觀察到，致使鉆機手繼續(xù)擺動大臂，因角度過大，致使后大臂桅桿支架損壞。正確的技術(shù)要求:前、后大臂擺動應(yīng)保持同步，其角度誤差不得超過15°。

客觀原因:因大臂纏有防護布，線路過多，造成作業(yè)人員視野不佳。同時，在處理事故過程中，為使大臂復(fù)位，采取氣焊烘烤的辦法，致使后大臂與桅桿之間的連接銷變形，對原有性能產(chǎn)生了損害。為此，加強了對鉆機手的輔助支持配置，每次在鉆機移動、運轉(zhuǎn)過程中，關(guān)鍵部位、關(guān)鍵節(jié)點處均有專人瞭望預(yù)警等預(yù)防措施。

4 結(jié)語和討論

國內(nèi)首臺PST-60鉆機在蘭渝桃樹坪隧道的應(yīng)用是成功的，體現(xiàn)了新意法和配套機具裝備對于確保旋噴樁質(zhì)量，有效控制加固核心周圍巖土變形的可行性、可靠性和穩(wěn)定性。采用以PST-60鉆機為核心的水平旋噴預(yù)加固工法，在處理Ⅵ級圍巖富水粉細砂隧道變形方面更具優(yōu)勢，該鉆機的引進為中國富水軟巖隧道施工提供了新的施工工法選擇。

改進和提高之處:針對中國的復(fù)雜地質(zhì)情況，該設(shè)備本身及對應(yīng)的工法要不斷優(yōu)化改進。隨著隧道向前掘進，在實現(xiàn)長距離高壓旋噴漿液輸送方面，應(yīng)有后續(xù)開發(fā)的配套系統(tǒng)。