PST-60搖臂管棚鉆機在軟巖隧道中的應用與維護

劉占理

(北京中鐵瑞威基礎工程有限公司，北京 100055)

本文選取正在建設中的蘭渝鐵路桃樹坪隧道出口工程這一關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。經國內外隧道專家多次論證，北京中鐵瑞威基礎工程有限公司率先在國內引進了PST-60鉆機及其附屬設施，采用國外全新超前預加固技術，結合實際，開展科研攻關，充分發揮了該鉆機自動化程度高，精度質量易于控制，成樁效果穩定快速的優勢，實現了大斷面快速掘進。

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，而這種技術的關鍵就是確定主旋噴機械，進而選配合理的附屬設施，最終實現施工效果。選型過程中應遵循以下原則:

1)設備是否可實施鉆噴一體化，能否達到設計鉆探能力。2)設備能否解決上仰旋噴樁徑和樁間距明顯偏小的缺陷，其實質即能否提高旋噴壓力的問題。3)設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)設備選型是否經濟合理，備件國產轉化率要高，并充分占領當地市場。

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)，是具有領先國際先進技術的特種作業機械，自動化程度高，動力頭輸出扭矩大，操作簡單，質量精度易于控制。

PST-60鉆機配備電力、柴油兩套動力系統，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，質量穩定，清洗簡單。7T505J高壓輸送泵實現遠距離高壓輸送漿液，最高壓力可達95 MPa，協助PST-60鉆機實現鉆孔、洗孔、旋噴作業。輔助機械設備配套包括:7T505J高壓輸送泵站，SGM45水泥攪拌站，意大利SM14多功能鉆機，排水降水設備，空氣動力設備，通風機械，電力設備及其他臨建設施等。

圖1 桃樹坪隧道施工現場的PST-60鉆機

2 PST-60搖臂鉆機在旋噴施工中的應用

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，預測其穩定性。該鉆機及其配套設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體，而后在樁內置入剛性結構物，使其改善掌子面前方地質結構達到預加固核心土的目的。

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，在樁內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鉆機應用分析

PST-60鉆機設備的主要技術優勢體現在鉆機的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，又保證了成樁質量，避免了停鉆帶來的斷樁、縮徑、樁體未咬合等質量問題。目前國內唯有意產PST-60鉆機、SM14鉆機配備一整套高壓注漿系統，具備高壓注漿的功能。其主要技術指標對比如表1所示。

表1 鉆機技術指標對比表

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，符合設計要求。

結合成樁分析，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劈裂、滲透有著本質的區別。因為漿液與周圍巖層充分的攪拌結合成樁后才表現出不同的狀態和強度。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。經分析主要原因為每次水平旋噴前都要采用高壓水和風反復洗孔，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。所以總結出在同旋噴條件下地層的擾動程度和松散系數對成樁的直徑也有著較大的影響。

2.3 PST-60鉆機技術特點分析

PST-60鉆機在動力頭行程、扭矩和最大作業半徑等設備技術經濟指標方面體現了國際先進裝備水平，主要技術特點概括如下:

1)采用液壓搖臂式支撐機構，24 m加長桅桿升降轉動自如，可以實施鉆噴一體化施工，施工連續性良好，擺臂可以在±120°范圍內轉動。鉆機就位后，作業半徑范圍為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。

4)配設雙動力源，可以根據作業環境需要，選用柴油發動機驅動或電動機驅動，以有效減少空氣污染。

5)采用電—液控制系統，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 動力設備

PST-60鉆機及其附屬設施的動力設備除正常保養外，該鉆機及其附屬設施的動力設備維護重點抓好了培養定點備件供應商以及早預防、早診斷、早處理的“三早”機制。

3.2 油料

設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。經排查確認為工序操作失誤。將工序補充為:常規操作時，動力頭選用二擋。卡鉆時，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、大壓力運轉時，多次發生擊穿鉆桿現象。經排查，操作無失誤，鉆具匹配合理，鉆桿更換后仍然擊穿，最后經反復試驗得出結論: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匹配為三擋，經實踐證明，取得明顯效果，排除了這一故障。

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

表2 PST-60鉆機所用油管規格

3)鉆機大臂限位開關失靈。2011年2月PST-60鉆機發生大臂限位開關失靈、后大臂桅桿支架受損事故，造成停工10 h。經分析，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，而協助工人沒有觀察到，致使鉆機手繼續擺動大臂，因角度過大，致使后大臂桅桿支架損壞。正確的技術要求:前、后大臂擺動應保持同步，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，造成作業人員視野不佳。同時，在處理事故過程中，為使大臂復位，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、運轉過程中，關鍵部位、關鍵節點處均有專人瞭望預警等預防措施。

4 結語和討論

國內首臺PST-60鉆機在蘭渝桃樹坪隧道的應用是成功的，體現了新意法和配套機具裝備對于確保旋噴樁質量，有效控制加固核心周圍巖土變形的可行性、可靠性和穩定性。采用以PST-60鉆機為核心的水平旋噴預加固工法，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:針對中國的復雜地質情況，該設備本身及對應的工法要不斷優化改進。隨著隧道向前掘進，在實現長距離高壓旋噴漿液輸送方面，應有后續開發的配套系統。