雙立柱管棚鉆機的結(jié)構設計

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

管棚超前支護技術是提高軟弱圍巖地層自穩(wěn)能力的一種有效方法，尤其是在破碎帶、松散帶、涌水、涌砂地層中，采用管棚超前注漿支護，能有效地防滲止水、控制地表沉降。管棚鉆機是管棚超前支護施工技術中最關鍵的設備，它的作用是沿著隧道斷面外輪廓超前鉆進并安設管棚[1]。為了應對我國隧道施工的需要，促進國內(nèi)隧道建設的發(fā)展，本文對雙立柱管棚鉆機的結(jié)構進行了設計與分析。

1 管棚鉆機的發(fā)展現(xiàn)狀

管棚鉆機是在20世紀80年代初出現(xiàn)的一種新型隧道施工機械，目前，在國外隧道施工中得到了廣泛的應用。國外管棚法施工所用鉆機品種繁多、結(jié)構多樣，并已形成系列化生產(chǎn)，其大多能夠?qū)崿F(xiàn)自行走、擺臂、大臂升縮等功能，并且具有沖擊功率大，扭矩大，鉆孔深度和鉆孔直徑大等特點。國外管棚鉆機從結(jié)構形式來說主要有單臂式、多臂式、門架式、復合式等多種，各種結(jié)構形式有不同適用工況和優(yōu)缺點。鉆孔方式也從單一的沖擊或旋轉(zhuǎn)鉆進到旋轉(zhuǎn)沖擊并用、套管跟進、正反循環(huán)等多種方式，并且對施工環(huán)境的適應性更強。

目前，國內(nèi)用于管棚施工的專用設備研究和使用還處于起步階段，在管棚施工中絕大多數(shù)是采用其他鉆機代替使用，有少數(shù)公司引進國外專用的管棚鉆機，但其價格昂貴，引進的數(shù)量極其有限，滿足不了施工的需求。

2 雙立柱管棚鉆機的結(jié)構設計

雙立柱管棚鉆機可以在管棚施工中縮短輔助作業(yè)時間，簡化施工工序環(huán)節(jié)，減輕接管勞動強度，提高施工進度。它最大優(yōu)點是導軌變位小、穩(wěn)定性好，可采用較長鉆桿鉆進。雙立柱管棚鉆機結(jié)構形式如圖1所示，主要由鉆進機構、機架、底盤、支腿、鉆具、動力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。

圖1雙立柱管棚鉆機結(jié)構圖

2.1 鉆進機構

鉆進機構的結(jié)構有動力頭、導梁、夾持器、連接座、油缸-鏈條傳動機構、微調(diào)油缸及頂緊裝置等，如圖2所示。

圖2鉆進機構

（1）動力頭。動力頭是整個鉆機的核心部件，是鉆具工作的動力源，其主要功能就是將回轉(zhuǎn)鉆進所需的扭矩、轉(zhuǎn)速及沖擊能量傳給鉆具，驅(qū)動鉆具進行回轉(zhuǎn)和沖擊，其性能是評價整個鉆機技術水平的關鍵指標[2]。在鉆進過程中，鉆頭所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩是根據(jù)所鉆巖層的性質(zhì)、鉆頭直徑、鉆進方法和規(guī)程而變化的，所以動力頭的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩應是無級可調(diào)的，以滿足不同地質(zhì)條件下的鉆孔要求。同時要求動力頭回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動小，且具有沖擊功能。

（2）導梁及連接座。導梁承受著來自動力頭的推進力、回拔力及扭矩等，要求具有足夠的強度、剛度及穩(wěn)定性。導梁截面采用箱型結(jié)構，以便提供足夠的抗扭剛度，同時便于內(nèi)部安裝油缸—鏈條傳動機構。導梁上部設置有動力頭滑動軌道，為動力頭的進給和回拔提供導向。連接座用來實現(xiàn)導梁和舉升臂的鉸接，從而來調(diào)整管棚鉆機的鉆孔角度。

（3）夾持器。夾持器的作用是與動力頭協(xié)調(diào)運動正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鉆桿間對接、脫離、鉆頭拆卸等。該裝置主要由前后兩個液壓鉗和一對卸桿油缸組成，當前鉗和后鉗分別夾住相鄰鉆桿時候，動作卸桿油缸，兩對液壓鉗可以相對轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)相鄰兩鉆桿之間螺紋的擰松。該裝置不僅可以裝卸鉆桿，而且具有對鉆桿起開孔導向控制作用。油缸的工作行程長時為夾緊狀態(tài)，短行程時，可以調(diào)整夾塊與鉆桿之間的間隙。

（4）油缸-鏈條傳動機構。油缸-鏈條傳動機構主要為動力頭提供進給力和回拔力，為進給倍速機構，采用該種方案，在減小管棚鉆機導梁尺寸的同時，使動力頭的工作行程加倍。由于采用油缸提供動力，可以使推進和回拔無級調(diào)速，工作平穩(wěn)可靠[3]。動力頭給進是通過控制給進油缸的伸縮來實現(xiàn)，從圖2可知，當液壓缸無桿腔進油時，鉆桿起拔。反之，鉆桿推進。

（5）微調(diào)油缸。由于管棚的施工斷面一般凸凹不平，并且棚管的間距較小，鉆機對棚管定位時，如果每次都通過調(diào)整底盤來實現(xiàn)頂尖頂緊斷面，會給施工帶來很多不便。因此在導梁的下方設置導梁微調(diào)移動油缸，油缸控制回路上設置壓力傳感器，在鉆機定位時，可以通過調(diào)整微調(diào)油缸來實現(xiàn)導梁的伸縮微調(diào)，從而避免了調(diào)整整個鉆機帶來的不便。當導梁移動使頂尖頂緊斷面時，油缸回路中的壓力會升高，傳感器檢測到油缸壓力后，油缸回路控制閥自動通斷，從而完成鉆機自動定位。

2.2 機架

機架是雙立柱管棚鉆機的主體結(jié)構，用來實現(xiàn)鉆孔位置及支護仰角的調(diào)節(jié)，同時達到鉆孔在施工范圍內(nèi)不存在盲點的要求，主要組成部分由前后舉臂油缸、舉臂導向柱、回轉(zhuǎn)盤、回轉(zhuǎn)馬達及車架組成。雙立柱管棚鉆機的機架為門式結(jié)構，其工作原理是：鉆機前后兩個舉臂油缸實現(xiàn)導梁的升降，兩個舉臂油缸分別裝在前后導向柱內(nèi)，導向柱有導向和支撐作用。導向柱上部與導梁通過鉸接座相連，通過調(diào)整前后兩個舉臂油缸的起升高度，可以調(diào)節(jié)導梁俯仰角的大小，其最大外插角可達10°。舉臂油缸的導向柱焊接在兩個大回轉(zhuǎn)盤上，回轉(zhuǎn)盤內(nèi)焊接大齒輪盤，大齒輪盤由馬達-小齒輪帶動進行回轉(zhuǎn)。

2.3 支腿

雙立柱管棚鉆機的支腿的作用是：在不增加鉆機寬度的情況下，為鉆機工作時提供較大的支撐跨度，從而使導梁回轉(zhuǎn)時，有穩(wěn)定的底部支撐結(jié)構。本設計中支腿采用H型液壓支腿，共有四個支撐點，每個支撐點由一個水平伸縮油缸和一個豎向支承油缸組成。為避免鉆機工作時，支腿出現(xiàn)“軟腿”現(xiàn)象，或行走時出現(xiàn)“掉腿”現(xiàn)象，支腿液壓控制回路配置雙向液壓鎖。

2.4 底盤

底盤是鉆機的行走、回轉(zhuǎn)和支撐機構，也是管棚鉆機平順行駛和穩(wěn)定工作的重要保證，其用來安裝所有的總成和部件，使整機成為一個整體。底盤采用液壓驅(qū)動，車架采用剛性連接式。履帶的傳動由低轉(zhuǎn)速大扭矩的柱塞式液壓馬達，通過多級齒輪減速箱實現(xiàn)。

2.5 鉆具

鉆具配置主要根據(jù)地質(zhì)情況而定，且鉆具的類型較多。不同的地層施工方法不同，主要有先鉆孔后下管施工、跟管鉆進施工兩種。跟管鉆進施工能適用于多種復雜地層，同先鉆孔后下管施工相比具有顯著的優(yōu)點，如減少了鉆具的鉆進阻力，提高鉆進速度，防止孔壁坍塌等。

跟管鉆具主要由鉆頭、內(nèi)鉆桿、導向器、管靴、外套管及鉆頭組成，對心擴孔沖擊跟管鉆具結(jié)構如圖3所示。動力頭帶動內(nèi)鉆桿旋轉(zhuǎn)并沖擊，同時通過內(nèi)鉆桿中心孔將清水輸送到鉆頭前部，進行冷卻鉆頭并排碴。當動力頭通過內(nèi)鉆桿帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)時，外套管由于空套聯(lián)接的作用，并不會隨著鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，而只是隨著內(nèi)鉆桿做向地層的垂直運動，因而減小了動力頭的阻力矩；外套管底端內(nèi)壁設計成階梯形狀，和鍵槽與導向器下端的階梯部分相吻合，當導向器正向旋轉(zhuǎn)振動鉆進時，帶動外套管下端一起旋轉(zhuǎn)跟進。

圖3跟管鉆具結(jié)構示意圖

鉆桿承受著沖擊振動、扭矩及軸壓力等復雜載荷的作用，并且由孔壁和鉆桿之間排出的巖碴對其表面產(chǎn)生噴砂性的磨蝕作用，因此，鉆桿需要有足夠的強度、剛度和沖擊韌性。

鉆頭一端承受沖擊器的沖擊，另一端打擊在巖石上，同時還承受著軸壓、扭矩和巖碴的磨蝕作用，受力狀態(tài)極其復雜。因此，要求鉆頭材料具有較高的動載荷強度和優(yōu)良的耐磨性，結(jié)構上應利于高壓水進入孔底以冷卻鉆頭和排除巖碴。

跟管鉆進鉆具根據(jù)不同的圍巖情況，也應配置不同的鉆具，主要有以下幾種形式：

（1）當?shù)貙訔l件為斷層破碎帶、破損堆積層等時，圍巖軸抗壓強度小于60 MPa的條件下，配置沖擊跟管鉆具，鉆進方式為旋轉(zhuǎn)加沖擊，以沖擊為主。

（2）當?shù)貙訛橥翃A石、砂卵石，碎石夾層等條件時，配置沖擊跟管鉆具，鉆進方式為旋轉(zhuǎn)加沖擊，以旋轉(zhuǎn)為主。

（3）當?shù)貙訔l件為土層、砂層、砂土地層時，配置螺旋跟管鉆具，鉆進方式為旋轉(zhuǎn)擠壓鉆進，以旋轉(zhuǎn)為主。

（4）當?shù)貙訛檎惩翆訒r，配置擠壓跟管鉆具，鉆進方式為旋轉(zhuǎn)擠壓，以擠壓為主。

3 結(jié)束語

在管棚鉆機施工過程中，巖石的性質(zhì)會不斷發(fā)生變化，施工工況和地層具有復雜性、隨機性和模糊性，并且各種因素又交互影響，這些不確定性為管棚鉆機的研發(fā)帶來了很多困難。筆者認為要提高管棚鉆機的自動化程度，需要在自動防卡鉆系統(tǒng)、負載自適應系統(tǒng)、鉆機的自動定位、鉆孔軌跡的監(jiān)測和糾偏等幾個方面繼續(xù)深入研究。

[1]夏 季．管棚鉆機鉆進機構的分析和優(yōu)化[D]．長沙：中南大學，2011．

[2]臧臣坤．SDC1000型鉆機動力頭系統(tǒng)的設計及支架有限元分析[D]．北京：中國地質(zhì)科學院，2009．

[3]劉元堂．管棚鉆機給進機構的方案設計[J]．建設機械技術與管理，2010，(4):86-88．

[4]陳淼林．管棚鉆機液壓系統(tǒng)設計[J]．現(xiàn)代機械，2012，(1):31-34．

[5]李科軍．管棚鉆機液壓系統(tǒng)設計及動力頭給進與回轉(zhuǎn)回路仿真研究[D]．長沙：中南大學，2011．

[6] 齊永前．Z-GP150 型管棚鉆機[J]．工程機械，2011，8(42):9-13．