履帶式全空間液壓鉆機(jī)的研制及應(yīng)用

張 霄，于 昊，譚志兵，郝彭帥，萬(wàn)長(zhǎng)明，李相輝

（1. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061；2. 江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司 南昌西管理中心，江西 南昌330036；3. 山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

公路隧道運(yùn)營(yíng)期間，在地下水、地應(yīng)力等因素的長(zhǎng)期作用下，斷層、巖溶等不良地質(zhì)段圍巖逐漸發(fā)生位移并壓迫隧道襯砌結(jié)構(gòu)，造成襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、滲漏水，甚至引發(fā)突水突泥等重大地質(zhì)災(zāi)害[1]。注漿是突水突泥災(zāi)害處治的常用技術(shù)手段，通過(guò)鉆孔注漿的形式在隧道周邊圍巖加固與堵水帷幕，達(dá)到隔斷地下水通道與提供圍巖穩(wěn)定性的效果[2]。鉆機(jī)是注漿加固工程關(guān)鍵鉆探裝備，對(duì)注漿施工效率及治理效果起決定性作用。

鉆機(jī)從結(jié)構(gòu)上可分為分段式鉆機(jī)和履帶式鉆機(jī)，分段式鉆機(jī)布局靈活而履帶式鉆機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。研究人員依據(jù)礦山、隧道實(shí)際工程場(chǎng)景對(duì)現(xiàn)有鉆機(jī)開(kāi)展了單機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化和多機(jī)協(xié)同工作策略的研究。在單機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化方面，研究人員改進(jìn)了液壓動(dòng)力裝置的傳動(dòng)裝置[3]，優(yōu)化了鉆進(jìn)系統(tǒng)的鉆頭螺紋[4]和擰卸系統(tǒng)[5]等，解決了鉆機(jī)遠(yuǎn)距離行走效率低下的問(wèn)題，提高了鉆具的鉆探效率和可靠性。在多機(jī)協(xié)同工作方面，研究人員優(yōu)化了鉆錨設(shè)備布局、機(jī)械臂姿態(tài)[6]，并優(yōu)化了多機(jī)協(xié)同控制算法[7-8]，促進(jìn)了復(fù)雜受限空間下鉆探設(shè)備智能協(xié)同工作能力。鉆機(jī)的優(yōu)化大多針對(duì)露天煤礦的使用工況，而針對(duì)露天煤礦與公路隧道的注漿施工工況的較少。公路隧道設(shè)計(jì)常采用二車(chē)道加應(yīng)急車(chē)道的形式，且同時(shí)需要考慮通風(fēng)、防火等問(wèn)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(xiàn)有鉆機(jī)在使用中存在以下問(wèn)題：分體式鉆機(jī)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(zhuǎn)向；履帶式鉆機(jī)機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)，但機(jī)械大臂舉升高度不超過(guò)4 m，水平回轉(zhuǎn)范圍小[9-11]。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有鉆機(jī)無(wú)法滿足運(yùn)營(yíng)期突水突泥災(zāi)害治理中隧道內(nèi)全空間鉆孔作業(yè)需求，導(dǎo)致注漿施工效率低、治理效果差。

針對(duì)以上問(wèn)題，研制了一種履帶式全空間液壓鉆機(jī)。將升降平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)創(chuàng)新性地集成于履帶式行走機(jī)構(gòu)上，設(shè)置升降平臺(tái)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的抬升，設(shè)置旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)開(kāi)孔姿態(tài)的任意調(diào)整，采用有限元軟件對(duì)鉆桿和動(dòng)力頭進(jìn)行強(qiáng)度分析，建立模型計(jì)算沖擊作用下的鉆機(jī)的穩(wěn)定性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，并將該鉆機(jī)在江西南石壁隧道注漿加固工程中應(yīng)用。

1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

履帶式全空間液壓鉆機(jī)（以下簡(jiǎn)稱鉆機(jī)）主要由動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、行走支撐系統(tǒng)、鉆進(jìn)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成，見(jiàn)圖1。

圖1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 structure of the rig

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)

鉆機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)由R4105柴油、散熱器、發(fā)電機(jī)和啟動(dòng)電源組成，通過(guò)驅(qū)動(dòng)液壓泵為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，使各組件完成各種預(yù)定動(dòng)作，同時(shí)自帶發(fā)電機(jī)，為啟動(dòng)電源充電和為工作電器提供電力。

1.2 行走支撐系統(tǒng)

鉆機(jī)的行走支撐系統(tǒng)主要由履帶、升降平臺(tái)及配套油缸組成。當(dāng)鉆取位置較低時(shí)，鉆機(jī)處于收縮狀態(tài)；當(dāng)鉆取位置較高時(shí)，升降架油缸舉升鉆機(jī)平臺(tái)，底座油缸支撐平臺(tái)保障工作穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)高位鉆孔[12]，鉆機(jī)升降過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 鉆機(jī)升降示意圖Fig.2 schematic diagram of rig lifting

1.3 鉆進(jìn)系統(tǒng)

鉆機(jī)的鉆進(jìn)系統(tǒng)固定在升降平臺(tái)頂部，主要由動(dòng)力頭、滑架、推進(jìn)總成、回轉(zhuǎn)總成組成，見(jiàn)圖3。

圖3 鉆進(jìn)系統(tǒng)Fig.3 Drilling system

鉆進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)，動(dòng)力頭提供回轉(zhuǎn)動(dòng)力[13]，推進(jìn)總成帶動(dòng)動(dòng)力頭完成推進(jìn)、回拉動(dòng)作，通過(guò)起頂油缸推拉滑架繞鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制鉆鑿傾角在-30°～90°內(nèi)調(diào)整，回轉(zhuǎn)總成控制鉆鑿方位角在0°～180°內(nèi)調(diào)整，鉆鑿傾角和鉆鑿方位角的變化范圍實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的靈活性。

1.4 液壓系統(tǒng)

鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)[14]由行走回路和鉆進(jìn)回路組成。液壓系統(tǒng)工作時(shí)，行走回路通過(guò)多路閥控制液壓油的供給，從而實(shí)現(xiàn)行走支撐系統(tǒng)和鉆進(jìn)系統(tǒng)的工作。平臺(tái)支腿多路閥通過(guò)左邊一二聯(lián)手柄控制平臺(tái)的升降和四個(gè)支腿的伸縮，見(jiàn)圖4（a）；行走多路閥則負(fù)責(zé)履帶行走裝置的前進(jìn)和后退，見(jiàn)圖4（b）；鉆進(jìn)回路通過(guò)控制滑架升降油缸控制閥來(lái)調(diào)整滑架鉆鑿傾角，見(jiàn)圖4（c）。

圖4 液壓系統(tǒng)Fig.4 hydraulic system

1.5 電氣系統(tǒng)

鉆機(jī)的電氣系統(tǒng)主要由蓄電池、發(fā)電機(jī)以及有線控制器等組成。發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)帶動(dòng)提供動(dòng)力，蓄電池為柴油機(jī)、散熱器、控制器以及其他電器提供動(dòng)力。有線控制器見(jiàn)圖5，主要通過(guò)切換不同系統(tǒng)、不同轉(zhuǎn)向來(lái)控制鉆機(jī)、行走支撐平臺(tái)以及滑架的工作狀態(tài)。

圖5 有線控制器Fig.5 wired controller

履帶式全空間液壓鉆機(jī)工作過(guò)程包括以下步驟：①通過(guò)行走支撐系統(tǒng)，將履帶式全空間液壓鉆機(jī)行進(jìn)至工作區(qū)域；②根據(jù)鉆孔位置升降平臺(tái)，并控制滑架和回轉(zhuǎn)總成確定鉆鑿傾角和鉆鑿方位角；③控制動(dòng)力頭在滑架上移動(dòng)至指定位置，動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

2 重要零件強(qiáng)度分析

鉆機(jī)在工作過(guò)程中，鉆桿承受載荷最大[15]，主要承受扭矩的作用，取最危險(xiǎn)的部位進(jìn)行受力分析，鉆桿扭矩承載力設(shè)計(jì)值為2000 N·m。依據(jù)鉆桿、動(dòng)力頭實(shí)物建立SolidWorks模型。模型材料選用42CrMo，該材料性質(zhì)見(jiàn)表1。根據(jù)Solidworks Simulation模塊對(duì)鉆桿和動(dòng)力頭進(jìn)行扭矩受力分析。

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

2.1 建立模型

模型網(wǎng)格采用實(shí)體網(wǎng)格，所用網(wǎng)格器為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，雅可比點(diǎn)為4點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為104406，單元總數(shù)為66500，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖6。對(duì)動(dòng)力頭上固定的面即藍(lán)色標(biāo)記面施加約束，見(jiàn)圖7。在鉆桿表面施加2000 N·m扭矩，見(jiàn)圖8。

圖6 網(wǎng)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(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算可知，鉆桿承受的最小應(yīng)力為5.247×10-2N/m2，最大應(yīng)力為2.521×107N/m2。由圖9（a）可見(jiàn)，最大應(yīng)力發(fā)生在鉆桿軸徑和動(dòng)力頭軸徑最小的部位，最小應(yīng)力發(fā)生在鉆桿軸徑和動(dòng)力頭軸徑最大的部位；由圖9（b）可見(jiàn)，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(jiàn)，最小應(yīng)變?yōu)?.576×10-12，最大應(yīng)變?yōu)?.464×10-5。受力分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中的最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度。因此，該材料下的鉆桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度能夠滿足鉆機(jī)的使用要求。

圖9 結(jié)果分析Fig.9 result analysis

3 鉆機(jī)動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

鉆機(jī)工作時(shí)，鉆桿的沖擊力是影響鉆機(jī)穩(wěn)定的主要因素。當(dāng)鉆桿的沖擊力大于鉆機(jī)自重時(shí)，鉆機(jī)就會(huì)產(chǎn)生側(cè)翻。依據(jù)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)合文獻(xiàn)[16]的研究方法，確立了履帶式全空間液壓鉆機(jī)的受力模型，見(jiàn)圖10。

圖10 鉆機(jī)受力模型Fig.10 force model of the rig

圖10 中，線O1O2代表鉆機(jī)底座，點(diǎn)O1、O2分別為底座的兩端，點(diǎn)a、b分別為穩(wěn)鉆壓力作用點(diǎn)；線cd代表平臺(tái)舉升油缸，線L代表升降平臺(tái)；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(diǎn)f為鉆進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)心位置。Fs為鉆機(jī)承受的沖擊力，F(xiàn)a、Fb分別為點(diǎn)a和點(diǎn)b的穩(wěn)鉆壓力，N；α、β分別為鉆鑿傾角和平臺(tái)舉升油缸角，°。

由于滑架立柱相對(duì)較小，受力分析時(shí)可以忽略，簡(jiǎn)化后鉆機(jī)簡(jiǎn)化受力見(jiàn)圖11，圖中線ce為平臺(tái)舉升油缸。

圖11 鉆機(jī)簡(jiǎn)化受力模型Fig.11 simplified force model of drilling rig

鉆機(jī)承受沖擊力時(shí)，當(dāng)沒(méi)有支撐立柱和第一支撐油缸時(shí)，鉆機(jī)自重在底座最右側(cè)產(chǎn)生的抗傾覆力矩最小。以點(diǎn)e和點(diǎn)c為力的作用點(diǎn)，當(dāng)沒(méi)有支撐立柱和第一油缸且α為0°～90°時(shí)，點(diǎn)O2的平衡力矩為

當(dāng)鉆機(jī)向右側(cè)產(chǎn)生傾覆趨勢(shì)時(shí)，穩(wěn)鉆壓力主要集中在點(diǎn)a，F(xiàn)b=0，則有

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

3.1 靜態(tài)穩(wěn)鉆壓力下鉆機(jī)穩(wěn)定性分析

升降平臺(tái)液壓鉆機(jī)中，鉆進(jìn)系統(tǒng)總重G為4 kN，F(xiàn)s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(guī)律，見(jiàn)圖12。由圖12可見(jiàn)，β在25°～70°內(nèi)，F(xiàn)s隨α的減小和β的增大而增大；β在70°～75°內(nèi)，F(xiàn)s隨α的減小和β的減小而增大。當(dāng)β為70°，α為0°時(shí)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(dòng)態(tài)穩(wěn)鉆壓力下鉆機(jī)穩(wěn)定性分析

由于工況復(fù)雜多變，鉆機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中承受的沖擊力是時(shí)刻變化的。查閱有關(guān)資料得知，鉆機(jī)承受的沖擊頻率在10 Hz左右，用簡(jiǎn)諧力Fs'=10+cos(20πt) 來(lái)替代動(dòng)態(tài)沖擊力。取β為70°，α為0°，對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析，通過(guò)Matlab計(jì)算得到動(dòng)態(tài)穩(wěn)鉆壓力隨簡(jiǎn)諧沖擊力變化的規(guī)律，見(jiàn)圖13。

圖13 動(dòng)態(tài)穩(wěn)鉆壓力隨時(shí)間的變化Fig.13 dynamic steady drilling pressure changing with time

從圖13可以得出，鉆機(jī)在動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)諧沖擊力作用下所需的動(dòng)態(tài)穩(wěn)鉆壓力也呈周期性變化，最大動(dòng)態(tài)穩(wěn)鉆壓力為7200 N，并且最大動(dòng)態(tài)穩(wěn)鉆壓力大于最大靜態(tài)穩(wěn)鉆壓力。因此為了鉆機(jī)的穩(wěn)定性，本文在升降平臺(tái)上方設(shè)計(jì)了3個(gè)第一支撐油缸，工作時(shí)支撐住隧道上方；在底座設(shè)計(jì)了4個(gè)支撐立柱支撐地面；同時(shí)在底座與升降平臺(tái)之間設(shè)計(jì)了4個(gè)第二支撐油缸，見(jiàn)圖2。鉆機(jī)承受沖擊力時(shí)，3個(gè)第一支撐油缸和4個(gè)支撐立柱所提供的穩(wěn)鉆壓力大于最大動(dòng)態(tài)穩(wěn)鉆壓力，保證了鉆進(jìn)系統(tǒng)行使鉆取功能時(shí)整個(gè)鉆機(jī)的穩(wěn)定。

3.3 鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

鉆機(jī)的調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)由升降平臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)總成的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和滑架的上下轉(zhuǎn)動(dòng)組成。升降平臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)由平臺(tái)舉升油缸實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)總成的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)螺栓縮進(jìn)固定，控制鉆鑿方位角使其可在0°～180°之間調(diào)整，滑架通過(guò)起頂油缸推拉使其繞著鉸軸上下轉(zhuǎn)動(dòng)，使得滑架的鉆鑿傾角可在-30°～90°之間調(diào)整。

辛德忠[17]在其研制的一種新型的全方位鉆機(jī)鉆孔姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置中采用D-H分析法對(duì)其全方位調(diào)節(jié)裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析。以D-H分析法為基礎(chǔ)建立鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，見(jiàn)圖14，機(jī)構(gòu)連桿各參數(shù)見(jiàn)表2。

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

圖14 鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.14 kinematic model of rig

相鄰兩連桿坐標(biāo)變換矩陣為

將表2中的各連桿參數(shù)值代入式3中可求得鉆機(jī)初始位置相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系坐標(biāo)變換矩陣，對(duì)比末端端點(diǎn)坐標(biāo)的矩陣為

得到鉆機(jī)相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)分量分別為

參照該方法，將鉆機(jī)基本參數(shù)代入鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，利用Matlab求解，可得出鉆機(jī)的有效工作空間，見(jiàn)圖15。通過(guò)升降平臺(tái)升降運(yùn)動(dòng)可

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

實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)垂直工作范圍為3～9 m，通過(guò)滑架起頂油缸伸縮、鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)鉆鑿傾角-30°～90°運(yùn)動(dòng)，通過(guò)滑架回轉(zhuǎn)總成可實(shí)現(xiàn)鉆鑿方位角0°～180°運(yùn)動(dòng)，因此，該履帶式全空間液壓鉆機(jī)可鉆取3～9 m內(nèi)的任意孔。

4 工程應(yīng)用

南石壁隧道位于大廣高速，地處上高縣南港鎮(zhèn)南港水庫(kù)與新余市分宜縣洞村鄉(xiāng)蒼上村之間。南石壁隧道為分離式隧道，全長(zhǎng)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(jīng)歷過(guò)5次重大災(zāi)害，二襯開(kāi)裂涌水、突泥、山頂出現(xiàn)塌坑、仰拱隆起滲流等災(zāi)害相繼發(fā)生。針對(duì)工程地質(zhì)條件及工程難點(diǎn)，依據(jù)涌水治理方案，為保證注漿封堵效果，采用了精細(xì)化過(guò)程控制注漿技術(shù)[18-19]，注漿鉆孔設(shè)計(jì)見(jiàn)圖16。

圖16 左洞ZW-2 B段徑向注漿鉆孔開(kāi)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(jiàn)，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(guò)程中，普通液壓履帶鉆機(jī)換桿長(zhǎng)僅為3～4 m，無(wú)法實(shí)現(xiàn)側(cè)拱、拱頂部分的鉆孔。為解決此問(wèn)題，采用履帶式全空間液壓鉆機(jī)，保證鉆孔施工順利進(jìn)行，施工過(guò)程見(jiàn)圖17。

圖17 履帶式全空間液壓鉆機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.17 Construction site of crawler full space hydraulic drilling rig

采用檢查孔法對(duì)注漿封堵效果進(jìn)行檢查，見(jiàn)圖18。檢查結(jié)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(wú)滲水現(xiàn)象，證明履帶式全空間液壓鉆機(jī)能在復(fù)雜條件公路隧道運(yùn)維中發(fā)揮作用。

圖18 檢查孔巖芯Fig.18 check of hole core

5 結(jié)論

（1）研制了一種履帶式全空間液壓鉆機(jī)，其特點(diǎn)在于將升降平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)集成于履帶式行走機(jī)構(gòu)。升降平臺(tái)使鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)了3～9 m范圍內(nèi)收縮、抬升；旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)使鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)了在-30°～90°鉆鑿傾角和0°～180°鉆鑿方位角范圍內(nèi)可調(diào)。

（2）在最大設(shè)計(jì)承載扭矩作用下，鉆桿和動(dòng)力頭的應(yīng)力、應(yīng)變、位移均在允許范圍內(nèi)，符合材料強(qiáng)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(shí)，穩(wěn)鉆壓力達(dá)到最大動(dòng)態(tài)穩(wěn)鉆壓力。此時(shí)，第一支撐油缸和支撐立柱提供的穩(wěn)鉆壓力大于最大動(dòng)態(tài)穩(wěn)鉆壓力，滿足鉆機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性需求。

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