DGZ150系列多功能钻机设计及应用技术研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研发计划项目()作者简介:姬海东()男河南焦作人高级工程师硕士主要从事隧道地质勘探技术与设备研究:.引文格式:姬海东陈力徐志英.系列多功能钻机设计及应用技术研究.铁道建筑技术():.系列多功能钻机设计及应用技术研究姬海东 陈 力 徐志英(中国铁建重工集团股份有限公司 湖南长沙)摘 要:针对进口多功能钻机价格昂贵、环境适应性差、动力不足、操作方式不友好等问题结合钻探施工工法及客户需求铁建重工研制出适用于隧道超前地质预报的施工利器:系列多功能钻机 在设备布局、功能规划、动力头、臂架结构、推进机构方面均进行了技术升级还可配置高原模块和智能模块满足不同环境和客户的需求 国内多个隧道工程的实践应用表明:超前钻探和地质取芯揭开掌子面前方的“谜团”提升了隧道施工的安全性动力头具备 个回转档位、个冲击档位钻孔效率更高最大钻探深度达 高海拔环境下钻探效率不受影响环境适应性强智能化模块实时更新并记录当前钻进信息便于远程分析及指导施工关键词:多功能钻机 隧道施工 超前地质预报 动力头 双动力中图分类号:.文献标识码:./.():.:.:()引言近年来多功能钻机 在重大铁路、公路专线、水利水电等隧道施工中得到了广泛应用如郑万铁路、玉磨铁路、贵南铁路等工程其通过长距离地质预报、绳索取芯、防突、注浆止水、管棚、锚索等方法保障了隧道施工的安全有效地降低了地质风险的发生已经成为了隧道施工装备中不可或缺的一部分 尤其是在软岩软土、溶洞、富水、煤层等不良地质段隧道施工中多功能钻机已成为保驾护航的尖兵利器 然而发展至今由于设备多数依赖进口以下问题未能得到很好解决阻碍多功能钻机推广应用()进口设备整体采购价格昂贵、货期长配件及售后服务不及时()动力头回转只有两档、冲击只有一档多功能钻进时需配置不同动力头或更换驱动马达()整机动力配置一般为内燃机不符合隧道环保施工要求少数双动力配置却动力偏小不能满足钻深 的施工需要()操作方式较为固定、单一存在视野不佳、操作手易疲惫和靠近危险源等不良因素本文研制的 系列多功能钻机满足国内平铁道建筑技术 ()姬海东 等:系列多功能钻机设计及应用技术研究原、高原等主要工作环境有八档位动力头、双动力驱动、大功率、智能化设计等技术特点有效解决了以上问题 系列多功能钻机集成设计技术 系列多功能钻机是专为微型施工钻孔而设计具有主动和被动安全装置确保更高的安全性为施工人员提供更高的安全保护 同时根据现场作业需要同一机型可进行不同类型的工作从而满足多功能的快速施工要求 此外考虑不同功能、作业环境进行系列化设计满足不同客户需求.主要功能(见表)表 系列多功能钻机主要功能功能型号平原型智能型高原型 超前探孔 超前地质分析 地质取芯管棚支护注浆加固边坡锚固抢险救援数据交互智能升级高原作业 注:表示具备表示不具备但可选配.主要技术参数(见表)表 系列多功能钻机主要技术参数项目参数平原型智能型高原型整机重量/整机尺寸:长 宽 高/发动机额定功率/电机功率/最大钻孔深度/钻孔直径/水平钻孔高度/最高行驶速度(/)/(/)/最大爬坡能力/接地比压/.整机设计技术 图 系列 多功能钻机.整体结构设计技术如图 所示 系列多功能钻机主要由动力头、推进机构总成、臂架总成、车架、底盘、覆盖件、电气系统、液压系统、水气系统、润滑系统等组成 采用履带底盘行走设计、主动俯仰式车架设计、多自由度和整体回转臂架设计、补偿式 刚性推进梁设计、侧置式拖链设计、内外杆夹持器 快速拆卸设计、电动机 发动机双动力设计、独有的八档位回转 三档位冲击动力头设计、标准水头及平衡杆 多种变径接手钻具设计、独有的无线遥控器控制设计、智能化设计、高原化设计、自带电缆卷筒设计等设计技术满足隧道水平和垂直钻进的施工需求.动力头设计技术动力头是 系列多功能钻机的核心零部件之一采用全液压驱动顶锤式结构设计具有 个回转速度档位和 个冲击频率档位既能高速回转钻进又能低速大扭矩冲击钻进满足长距离钻孔和地质取芯不同工况下钻进要求 该款动力头是在传统锚固和取芯动力头的基础上集成设计而成在国内尚属首次应用打破了国外在该技术领域的垄断有利于整机技术的自主创新发展动力头主要技术参数见表 表 动力头主要技术参数项目参数值项目参数值回转速度/(/)回转扭矩/()冲击频率/(/)冲击功/().推进机构总成设计技术推进机构总成主要由推进梁、夹持器组件、拖链总成、动力头底座、驱动总成等组成承担动力头支撑、侧移、前进、后退、行程补偿、钻杆快速安装与拆卸以及取芯卷筒底座支撑等作用 动力头推进与后退采用马达减速机驱动链轮链条方式具有快、慢速两个档位 动力头具有横向侧移功能取芯时方便快捷 夹持器组件由两组内、外杆夹持器和一组拆卸夹持器组成满足双管钻具快速、独立安装与拆卸要求.臂架总成设计技术臂架总成主要负责 系列多功能钻机各种姿态施工要求采用多个油缸满足水平和垂直钻进要求通过马达减速机驱动回转支撑带动主臂进行 大范围回转臂架总成结构件由高强度钢板焊接而成.智能化设计技术 系列多功能钻机具有良好的智能控制技术采用无线遥控器控制整机的运行便于操作手灵活运用和规避视野盲区远离危险源 所有钻进参数如转速、扭矩、冲击能、推进速度、水压等均可自动采集和记录并自动生成工作日志通过搭载的 地质分析铁道建筑技术 ()姬海东 等:系列多功能钻机设计及应用技术研究系统可快速出具地质云图和日志参数曲线图智能辨识施工危险源从而制定预防和整治对策 在网络环境允许的条件下可实时传输施工数据进行远程交互和专家诊断 同时 系列多功能钻机也在远程操控甚至是无人操作、设备自行走和定位方面进行了预留设计用户可在经济允许的情况下选择配置.高原化设计技术高原低温高海拔工作环境是多功能钻机必须克服的一道障碍 由于传统的内燃式动力多功能钻机并未对其进行针对性设计在过去的应用中已暴露了许多问题 系列多功能钻机从根源着手进行专业化设计通过发动机预热技术、液压油加热技术、高原型电机、耐低温液压油、耐低温电气和液压元件等技术手段彻底解决了根本问题提高了多功能钻机在高原环境下的适应能力 系列多功能钻机典型施工应用技术.超前探测和 随钻测量技术如图 所示 系列多功能钻机采用超前探孔并配置 随钻测量系统进行地质预报 通过在钻进过程中采集数据并对其进行分析生成地质云图和报告从而判断前方围岩的分布情况图 地质分析原理.数据采集 地质分析是根据多功能钻机随钻记录的数据对周边地质情况进行分析的技术 因此对新项目进行地质分析前多功能钻机钻孔作业时每.自动采集一次动力头传感器当前钻孔信息(包括推进速度、推进压力、回转压力、钻孔深度、水压力、水流量等钻进参数)然后结合所有施作孔信息生成当前工作循环的钻孔日志.数据分析生成地质云图基于配置文件处理随钻数据生成隧道地质分析 轮次图、隧道地质分析 表面图、隧道地质分析 轮廓图、隧道地质分析 断面图等多种的地质云图如图 所示红色为推进速度快的软弱围岩、黄色为正常的围岩、蓝色为推进速度慢的硬岩(需要注意的是这里的岩石软硬是根据当前隧道地质情况的一个相对值)操作员可以清晰、直观地读出隧道地质情况降低了操作人员对识图相关专业性的要求图 地质分析云图.钢丝绳取芯地质钻进技术 系列多功能钻机采用钢丝绳高速回转钻进取芯方式其工作原理为:动力头带动双管钻具高速(转速一般/)回转钻进双管钻具由外管总成、内管总成、打捞器、卷扬装置、注水头等组成 当岩芯装满内管时停止钻进并将动力头和外管分离将注水头和打捞器与外管连接 打捞器通过钢丝绳与卷扬装置连在一起再利用高压水或泥浆将打捞器送至孔底与内管总成相连 然后通过卷扬装置驱动钢丝绳将打捞器和内管总成从孔底取出拆除打捞器和内管总成 最后安装新的内管总成并通过高压水或泥浆将其送至孔底加装一根外管并再次使动力头和外管连接 重复钻进直至岩芯再次装满内管反复进行直至达到设计取芯深度.工作参数钻孔直径:取芯直径:一次取芯长度:.铁道建筑技术 ()姬海东 等:系列多功能钻机设计及应用技术研究一般取芯速度:./最大取芯深度:.双管钻具结构组成双管钻具主要构成元件见表 表 双管钻具主要构成元件序号产品名称型号 钻杆 绳索取心双管钻具金刚石钻头扩孔器打捞器钻具保护器 水龙头水龙头/绳索钻杆转换接头/打捞钢丝绳 (镀锌)液压绞车.工艺流程多功能钻机钢丝绳取芯工艺流程见图 图 工艺流程.岩芯照片 系列多功能钻机在多个隧道均进行了钢 图 采样岩芯丝绳取芯施工取芯速度达./所取岩芯如图 所示岩芯较为完整满足取芯要求.超前探孔技术 系列多功能钻机配备顶驱式全液压动力头共有 个回转档位和 个冲击档位可轻松实现 钻进成孔最大钻深达 正常采用水排渣方式特殊情况下可配备潜孔钻具通过外接空压机供风实现气动凿岩钻进保证钻进效率 目前已施工隧道钻进深度 最大钻进速度达/.泄水泄压技术 系列多功能钻机采用顶驱式全液压动力头快速钻孔在云桂川黔等具有溶洞、富水地层隧道进行了 图 泄水泄压施工大量施工有效减少了突泥涌水等恶性事件的发生保障了施工安全最大泄水量达 /其现场施工见图.帷幕注浆与地基加固技术 系列多功能钻机满足注浆孔快速施工要求并满足孔口管式、前进式、后退式、钻注一体等多种施工工艺要求设备配备注浆钻具、注浆泵等部件至今已参与了多个隧道帷幕注浆与地基加固施工作业最大钻孔深度 钻孔孔径最大 钻孔速度达 /其现场施工见图 图 帷幕注浆与地基加固施工.管棚施工技术 系列多功能钻机具备管棚快速施工功能 图 超前管棚施工满足单管、套管、跟管、自进等多种钻进工艺要求管棚孔直径包含、等多个类型最大作业高度达 一次定位作业直径为.其现场施工见图.高原施工技术 系列多功能钻机已全面参与高原铁路建设最大工作海拔达 环境温度低至 即便如此冲击钻孔速度保持在 /取芯速度保持在./结论我国正处于铁路、公路、市政、水利水电等大型基础建设的高峰期隧道建设将不可避免遇到各种复杂地质的挑战例如渝昆铁路、包南铁路、西成铁路、滇藏铁路等处于云、桂、川、黔、藏等地质灾害较为严重的省份如何安全、高效、科学地进行施工建设将是工程建设面临的严峻挑战 系列多功能钻机面世至今展现出了以下技术特点:(下转第 页)铁道建筑技术 ()王建伟:中风化石英砂岩地层盾构掘进刀具磨损分析 在相同条件下带齿光圈滚刀比光圈滚刀磨损程度更小掘进里程更长 通过对江阴项目汽 江区间中风化石英砂岩地层的盾构施工实践表明发现在中风化石英砂岩地层的挖掘过程中滚刀宜选择 寸带齿光圈滚刀 结论()提前分析盾构机有效推力大小保证为了使滚刀施工达到对岩土的有效切割和磨损均匀效果具有充分的有效推力()滚刀和刮刀控制贯入度不会比高差大减少了滚刀碎岩效果所受到的冲击()磨损量限值的合理确定将滚刀和刮刀之间的最大差值以及 两者之间的较大值定为中心滚刀的最大磨损量若滚刀磨损超过最大磨损量需进行换刀处理()对地质状况及隧道线路变化情况进行及时跟踪对施工参数进行动态优化改善可减少滚刀磨损参考文献 查俊蔡军许胜才等.基于 二次开发的连续强降雨工况路堑高边坡支护效果研究.矿冶工程():.易振兴吴俊贤张杨.湘南山区公路滑坡基本特征及成因分析.西部资源():.王维.土岩复合地层盾构施工参数对地层及隧道变形特性影响.铁道建筑技术():.杜双江.小直径长距离泥水盾构滚刀失效分析以及改进措施.机电工程技术():.董伯让.泥水盾构刀具失效分析及应对措施.甘肃科技():.孙瑞雪.盾构滚刀刀圈材料 钢冲滑磨损特性研究.成都:西南交通大学:.夏国松.岩溶区盾构带压开仓掌子面加固关键技术研究.铁道建筑技术():.庞丕杰.复合式刀盘刀具合理布置的研究与应用.建筑工程设计与技术():.龚秋明谢兴飞黄流等.引绰济辽工程二标隧洞段 滚刀磨损规律.隧道与地下工程灾害防治():.蒋宏亮.大型 盘形滚刀回转切割破岩特性试验研究.土木工程():.赵前进.土压平衡式盾构中泡沫添加剂的性质测定.中国标准化():.文金华.关于复合地层中盾构机滚刀磨损原因分析及改进.中文科技期刊数据库(引文版)工程技术():.(上接第 页)()安全:无线遥控操作方式操作位置灵活有效规避视野盲区人机工程设计符合大多数操作人员的操作习惯人机交互操作界面信息丰富显示清晰可靠减少操作失误带来的危险()高效:钻机配置的全液压旋转冲击动力头具备 个回转档位和 个冲击档位岩层适应性强钻进速度快钻进速度达 /以上钻机采用自动钻孔控制技术有效发挥了设备效能自动化程度高操作简单降低了对操作手经验的依赖()环保:双动力系统节能环保水排渣模式 气雾排渣模式更加适应不同地质钻孔排渣要求()经济:在性能方面始终坚持自主知识产权、全球成熟配套、全生命周期管理、全球化应用在价格方面与进口多功能钻机功能配置等同主机价格却只有进口产品的 左右施工必备的增压水泵、电缆卷筒等装置不仅机载而且标配较进口产品更为实惠()智能:系列多功能钻机不仅具有更深、更快、更稳定的钻孔能力而且在钻进的同时实时存储数据和显示工作参数工作后对数据导出做进一步管理和分析便于远程专家诊断和后续指导安全施工随着设备应用普及和升级改进 系列多功能钻机必将为隧道建设发挥重要的作用参考文献 张昊.复杂地质条件下铁路隧道勘探钻孔问题及其处理.现代隧道技术():.蔡志山.多功能钻机在铁路隧道施工中的应用分析.现代制造技术与装备():.沈中华熊君臧臣坤等.系列多功能钻机车的研制.地质装备():.王保李桂林张立国等.超前地质预测预报在隧道中的应用.铁道标准设计():.和万春.快速钻机在隧道施工地质预报中的应用研究.铁道建筑技术():.王庆林肖盛能.多功能地质摇臂钻机水平旋喷施工技术.现代隧道技术():.李术才刘斌孙怀凤等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势.岩石力学与工程学报():.覃晖唐玉王峥峥等.综合探测技术在隧道超前地质预报中的应用.现代隧道技术():.陈铁林张顶立.“矿研”多功能钻机的特点及应用.现代隧道技术():.张庆欣.齐岳山隧道超前钻探施工技术.铁道标准设计():.刘东恒李日喜杨勇.超前水平钻探技术在隧道地质勘探中的应用.中国高新技术企业():.孙凯徐超.型多功能钻机在高海拔隧道施工中的应用.中国新技术新产品():.铁道建筑技术 ()