履帶式全空間液壓鉆機的研制及應用

張 霄，于 昊，譚志兵，郝彭帥，萬長明，李相輝

（1. 山東大學 巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061；2. 江西省交通投資集團有限責任公司 南昌西管理中心，江西 南昌330036；3. 山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061）

0 引言

公路隧道運營期間，在地下水、地應力等因素的長期作用下，斷層、巖溶等不良地質段圍巖逐漸發生位移并壓迫隧道襯砌結構，造成襯砌結構開裂、滲漏水，甚至引發突水突泥等重大地質災害[1]。注漿是突水突泥災害處治的常用技術手段，通過鉆孔注漿的形式在隧道周邊圍巖加固與堵水帷幕，達到隔斷地下水通道與提供圍巖穩定性的效果[2]。鉆機是注漿加固工程關鍵鉆探裝備，對注漿施工效率及治理效果起決定性作用。

鉆機從結構上可分為分段式鉆機和履帶式鉆機，分段式鉆機布局靈活而履帶式鉆機機動性強。研究人員依據礦山、隧道實際工程場景對現有鉆機開展了單機系統優化和多機協同工作策略的研究。在單機系統優化方面，研究人員改進了液壓動力裝置的傳動裝置[3]，優化了鉆進系統的鉆頭螺紋[4]和擰卸系統[5]等，解決了鉆機遠距離行走效率低下的問題，提高了鉆具的鉆探效率和可靠性。在多機協同工作方面，研究人員優化了鉆錨設備布局、機械臂姿態[6]，并優化了多機協同控制算法[7-8]，促進了復雜受限空間下鉆探設備智能協同工作能力。鉆機的優化大多針對露天煤礦的使用工況，而針對露天煤礦與公路隧道的注漿施工工況的較少。公路隧道設計常采用二車道加應急車道的形式，且同時需要考慮通風、防火等問題。公路隧道斷面尺寸較大，一般凈寬不少于10 m、凈高不低于7 m，現有鉆機在使用中存在以下問題：分體式鉆機雖然布局靈活，但僅適于鉆取2 m以下鉆孔，鉆鑿傾角有限且不可水平轉向；履帶式鉆機機動性能強，但機械大臂舉升高度不超過4 m，水平回轉范圍小[9-11]。由此可見，現有鉆機無法滿足運營期突水突泥災害治理中隧道內全空間鉆孔作業需求，導致注漿施工效率低、治理效果差。

針對以上問題，研制了一種履帶式全空間液壓鉆機。將升降平臺、旋轉鉆機創新性地集成于履帶式行走機構上，設置升降平臺實現鉆機的抬升，設置旋轉鉆機實現開孔姿態的任意調整，采用有限元軟件對鉆桿和動力頭進行強度分析，建立模型計算沖擊作用下的鉆機的穩定性，驗證設計的合理性，并將該鉆機在江西南石壁隧道注漿加固工程中應用。

1 鉆機結構設計

履帶式全空間液壓鉆機（以下簡稱鉆機）主要由動力系統、液壓系統、行走支撐系統、鉆進系統和電氣系統等組成，見圖1。

圖1 鉆機結構示意Fig.1 structure of the rig

1.1 動力系統

鉆機的動力系統由R4105柴油、散熱器、發電機和啟動電源組成，通過驅動液壓泵為液壓系統提供動力，使各組件完成各種預定動作，同時自帶發電機，為啟動電源充電和為工作電器提供電力。

1.2 行走支撐系統

鉆機的行走支撐系統主要由履帶、升降平臺及配套油缸組成。當鉆取位置較低時，鉆機處于收縮狀態；當鉆取位置較高時，升降架油缸舉升鉆機平臺，底座油缸支撐平臺保障工作穩定性，從而實現高位鉆孔[12]，鉆機升降過程見圖2。

圖2 鉆機升降示意圖Fig.2 schematic diagram of rig lifting

1.3 鉆進系統

鉆機的鉆進系統固定在升降平臺頂部，主要由動力頭、滑架、推進總成、回轉總成組成，見圖3。

圖3 鉆進系統Fig.3 Drilling system

鉆進系統工作時，動力頭提供回轉動力[13]，推進總成帶動動力頭完成推進、回拉動作，通過起頂油缸推拉滑架繞鉸軸轉動來控制鉆鑿傾角在-30°～90°內調整，回轉總成控制鉆鑿方位角在0°～180°內調整，鉆鑿傾角和鉆鑿方位角的變化范圍實現了鉆機的靈活性。

1.4 液壓系統

鉆機的液壓系統[14]由行走回路和鉆進回路組成。液壓系統工作時，行走回路通過多路閥控制液壓油的供給，從而實現行走支撐系統和鉆進系統的工作。平臺支腿多路閥通過左邊一二聯手柄控制平臺的升降和四個支腿的伸縮，見圖4（a）；行走多路閥則負責履帶行走裝置的前進和后退，見圖4（b）；鉆進回路通過控制滑架升降油缸控制閥來調整滑架鉆鑿傾角，見圖4（c）。

圖4 液壓系統Fig.4 hydraulic system

1.5 電氣系統

鉆機的電氣系統主要由蓄電池、發電機以及有線控制器等組成。發電機由柴油機帶動提供動力，蓄電池為柴油機、散熱器、控制器以及其他電器提供動力。有線控制器見圖5，主要通過切換不同系統、不同轉向來控制鉆機、行走支撐平臺以及滑架的工作狀態。

圖5 有線控制器Fig.5 wired controller

履帶式全空間液壓鉆機工作過程包括以下步驟：①通過行走支撐系統，將履帶式全空間液壓鉆機行進至工作區域；②根據鉆孔位置升降平臺，并控制滑架和回轉總成確定鉆鑿傾角和鉆鑿方位角；③控制動力頭在滑架上移動至指定位置，動力頭帶動鉆桿進行鉆孔作業。

2 重要零件強度分析

鉆機在工作過程中，鉆桿承受載荷最大[15]，主要承受扭矩的作用，取最危險的部位進行受力分析，鉆桿扭矩承載力設計值為2000 N·m。依據鉆桿、動力頭實物建立SolidWorks模型。模型材料選用42CrMo，該材料性質見表1。根據Solidworks Simulation模塊對鉆桿和動力頭進行扭矩受力分析。

表1 42CrMo材料性能參數Tab.1 performance of 42CrMo

2.1 建立模型

模型網格采用實體網格，所用網格器為標準網格，雅可比點為4點，節點總數為104406，單元總數為66500，網格劃分見圖6。對動力頭上固定的面即藍色標記面施加約束，見圖7。在鉆桿表面施加2000 N·m扭矩，見圖8。

圖6 網格劃分Fig.6 meshing

圖7 施加約束Fig.7 apply constraints

圖8 扭矩載荷Fig.8 torque load

2.2 計算結果

經計算可知，鉆桿承受的最小應力為5.247×10-2N/m2，最大應力為2.521×107N/m2。由圖9（a）可見，最大應力發生在鉆桿軸徑和動力頭軸徑最小的部位，最小應力發生在鉆桿軸徑和動力頭軸徑最大的部位；由圖9（b）可見，最小位移為0，最大位移為6.127×10-2mm。軸受力最小的部位，位移最小，軸受力最大的部位，位移最大；由圖9（c）可見，最小應變為2.576×10-12，最大應變為9.464×10-5。受力分析結果表明，結構運行過程中的最大應力小于材料屈服強度。因此，該材料下的鉆桿結構強度剛度能夠滿足鉆機的使用要求。

圖9 結果分析Fig.9 result analysis

3 鉆機動力學與運動學分析

鉆機工作時，鉆桿的沖擊力是影響鉆機穩定的主要因素。當鉆桿的沖擊力大于鉆機自重時，鉆機就會產生側翻。依據鉆機結構結合文獻[16]的研究方法，確立了履帶式全空間液壓鉆機的受力模型，見圖10。

圖10 鉆機受力模型Fig.10 force model of the rig

圖10 中，線O1O2代表鉆機底座，點O1、O2分別為底座的兩端，點a、b分別為穩鉆壓力作用點；線cd代表平臺舉升油缸，線L代表升降平臺；線ed代表滑架立柱；線gh代表滑架初始位置；線g′h′代表滑架任意工作位置；點f為鉆進系統質心位置。Fs為鉆機承受的沖擊力，Fa、Fb分別為點a和點b的穩鉆壓力，N；α、β分別為鉆鑿傾角和平臺舉升油缸角，°。

由于滑架立柱相對較小，受力分析時可以忽略，簡化后鉆機簡化受力見圖11，圖中線ce為平臺舉升油缸。

圖11 鉆機簡化受力模型Fig.11 simplified force model of drilling rig

鉆機承受沖擊力時，當沒有支撐立柱和第一支撐油缸時，鉆機自重在底座最右側產生的抗傾覆力矩最小。以點e和點c為力的作用點，當沒有支撐立柱和第一油缸且α為0°～90°時，點O2的平衡力矩為

當鉆機向右側產生傾覆趨勢時，穩鉆壓力主要集中在點a，Fb=0，則有

式中，lce、l2oc、lg'e分別為線段ce、線段O2c、線段g′e的長，mm。

3.1 靜態穩鉆壓力下鉆機穩定性分析

升降平臺液壓鉆機中，鉆進系統總重G為4 kN，Fs為10 kN，l2oa為3400 mm，l2ob為200 mm，l2oc為2500 mm，lce為3000 mm，lg'e為1180 mm，lf'e為150 mm，取β為25°～75°，α為0°～90°代入式（2），得到Fs隨α和β的變化規律，見圖12。由圖12可見，β在25°～70°內，Fs隨α的減小和β的增大而增大；β在70°～75°內，Fs隨α的減小和β的減小而增大。當β為70°，α為0°時Fs最大，為6.380 kN。

圖12 Fs 隨 α 和 β 變化Fig.12 variation of Fs with α and β

3.2 動態穩鉆壓力下鉆機穩定性分析

由于工況復雜多變，鉆機在實際工作過程中承受的沖擊力是時刻變化的。查閱有關資料得知，鉆機承受的沖擊頻率在10 Hz左右，用簡諧力Fs'=10+cos(20πt) 來替代動態沖擊力。取β為70°，α為0°，對鉆機進行動態穩定性分析，通過Matlab計算得到動態穩鉆壓力隨簡諧沖擊力變化的規律，見圖13。

圖13 動態穩鉆壓力隨時間的變化Fig.13 dynamic steady drilling pressure changing with time

從圖13可以得出，鉆機在動態簡諧沖擊力作用下所需的動態穩鉆壓力也呈周期性變化，最大動態穩鉆壓力為7200 N，并且最大動態穩鉆壓力大于最大靜態穩鉆壓力。因此為了鉆機的穩定性，本文在升降平臺上方設計了3個第一支撐油缸，工作時支撐住隧道上方；在底座設計了4個支撐立柱支撐地面；同時在底座與升降平臺之間設計了4個第二支撐油缸，見圖2。鉆機承受沖擊力時，3個第一支撐油缸和4個支撐立柱所提供的穩鉆壓力大于最大動態穩鉆壓力，保證了鉆進系統行使鉆取功能時整個鉆機的穩定。

3.3 鉆機運動學分析

鉆機的調節運動由升降平臺的升降運動、回轉總成的旋轉運動和滑架的上下轉動組成。升降平臺的升降運動由平臺舉升油缸實現，回轉總成的旋轉運動通過螺栓縮進固定，控制鉆鑿方位角使其可在0°～180°之間調整，滑架通過起頂油缸推拉使其繞著鉸軸上下轉動，使得滑架的鉆鑿傾角可在-30°～90°之間調整。

辛德忠[17]在其研制的一種新型的全方位鉆機鉆孔姿態調節裝置中采用D-H分析法對其全方位調節裝置機構運動學進行了分析。以D-H分析法為基礎建立鉆機運動學模型，見圖14，機構連桿各參數見表2。

表2 連桿參數Tab.2 parameter list of connecting rod

圖14 鉆機運動學模型Fig.14 kinematic model of rig

相鄰兩連桿坐標變換矩陣為

將表2中的各連桿參數值代入式3中可求得鉆機初始位置相對于基準坐標系坐標變換矩陣，對比末端端點坐標的矩陣為

得到鉆機相對于基準坐標系的三個坐標分量分別為

參照該方法，將鉆機基本參數代入鉆機運動學模型，利用Matlab求解，可得出鉆機的有效工作空間，見圖15。通過升降平臺升降運動可

圖15 鉆機有效空間三維視圖Fig.15 three-dimensional view of the effective space of rig

實現鉆機垂直工作范圍為3～9 m，通過滑架起頂油缸伸縮、鉸軸轉動可實現鉆鑿傾角-30°～90°運動，通過滑架回轉總成可實現鉆鑿方位角0°～180°運動，因此，該履帶式全空間液壓鉆機可鉆取3～9 m內的任意孔。

4 工程應用

南石壁隧道位于大廣高速，地處上高縣南港鎮南港水庫與新余市分宜縣洞村鄉蒼上村之間。南石壁隧道為分離式隧道，全長924 m，最大埋深約為110 m，建筑限界凈高為10.75 m，凈寬為5.0 m，斷面采用三心圓曲墻式襯砌。該隧道在2008年、2010年、2012年、2014年、2015年經歷過5次重大災害，二襯開裂涌水、突泥、山頂出現塌坑、仰拱隆起滲流等災害相繼發生。針對工程地質條件及工程難點，依據涌水治理方案，為保證注漿封堵效果，采用了精細化過程控制注漿技術[18-19]，注漿鉆孔設計見圖16。

圖16 左洞ZW-2 B段徑向注漿鉆孔開孔斷面（單位：m）Fig.16 sectional view of the left hole ZW-2 section B radial grouting borehole opening（unit：m）

由圖16可見，鉆孔ZJ6-6、ZJ6-7、ZJ6-5、ZJ6-8、ZJ6-4、ZJ6-9的位置較高，注漿鉆孔施工過程中，普通液壓履帶鉆機換桿長僅為3～4 m，無法實現側拱、拱頂部分的鉆孔。為解決此問題，采用履帶式全空間液壓鉆機，保證鉆孔施工順利進行，施工過程見圖17。

圖17 履帶式全空間液壓鉆機施工現場Fig.17 Construction site of crawler full space hydraulic drilling rig

采用檢查孔法對注漿封堵效果進行檢查，見圖18。檢查結果表明：巖溶裂隙、溶洞被漿液完全充填，檢查孔取芯率約90%，基本無滲水現象，證明履帶式全空間液壓鉆機能在復雜條件公路隧道運維中發揮作用。

圖18 檢查孔巖芯Fig.18 check of hole core

5 結論

（1）研制了一種履帶式全空間液壓鉆機，其特點在于將升降平臺、旋轉鉆機集成于履帶式行走機構。升降平臺使鉆機實現了3～9 m范圍內收縮、抬升；旋轉鉆機使鉆機實現了在-30°～90°鉆鑿傾角和0°～180°鉆鑿方位角范圍內可調。

（2）在最大設計承載扭矩作用下，鉆桿和動力頭的應力、應變、位移均在允許范圍內，符合材料強度、剛度使用要求。

（3）油缸舉升角度β為70°，鉆鑿傾角α為0°時，穩鉆壓力達到最大動態穩鉆壓力。此時，第一支撐油缸和支撐立柱提供的穩鉆壓力大于最大動態穩鉆壓力，滿足鉆機工作時的穩定性需求。

（4）履帶式全空間液壓鉆機在江西南石壁隧道注漿加固工程的應用證明該鉆機在實際工程中的應用價值。