超长距离、大断面引水隧洞钻孔灌浆施工机械化研究与应用

       1.立项的背景和目的。
       （1）立项的背景。
       锦屏二级水电站主要4条长约16.7千米引水隧洞构成，隧洞之间的中心间距60米，一般埋深1500～2000米，最大埋深约2525米。钻爆法施工洞段为马蹄形断面，混凝土衬砌后洞径11.8米。TBM开挖隧洞为圆形断面，混凝土衬砌后洞径为11.2米。经查新，其设计、施工技术水平处于世界前列，为世界最大规模水工隧洞。
       由于锦屏二级水电站引水隧洞施工战线长达23.2千米，其中TBM洞段5.8公里，平均每500米一个施工通道，通风散烟条件差。其中固结灌浆钻灌110.2万米，施工强度最高达7万米每月。隧洞的开挖支护、衬砌、灌浆、混凝土消缺等多工序、多点、密集、交叉、高强作业，施工难度和施工强度世所罕见。如何按期完成如此巨大、高强的灌浆工程，具有极大的挑战性和风险性。
       （2）立项的目的。
       利用我局在锦屏二级东端1、2号引水隧洞的基础处理施工为依托，与专业台车生产厂家联合开发，对大型断面、超长隧洞的钻灌施工平台进行开发研究，从而提高超长距离、大断面引水隧洞钻孔灌浆施工机械化程度，以解决长战线、高强度、大干扰等问题。
       2.研究内容及目标。
       （1）研究内容。
       1）全液压自行式坑道钻孔台车研究与应用。
       根据现场施工环境，台车既要满足钻机的钻孔高度及覆盖范围，满足洞室腰线以上的全部钻孔作业，又要达到台车下方能通过钢筋运输车辆、混凝土运输车辆的目的。台车的构造要简单、合理、安装简便、操作方便。
       2）全液压自行式栈桥台车研究与应用。
       结合圆形洞室的施工条件，既要大型全液压露天钻机在台车上钻孔、调头，又要满足钢筋、混凝土车辆的通过，达到钻机与其他设备错车的目的。台车的构造要简单、合理，安拆简便、操作方便，能有效承受各种荷载，整体承重可靠。
       3）自行式灌浆台车研究与应用。
       根据现场施工环境，既要满足灌浆作业的高度及覆盖范围，又要达到台车下方能通过钢筋运输车辆、混凝土运输车辆的目的。结合公司现有的灌浆设备，充分利用灌浆台车平台的有限空间，多摆放设备，增加灌浆孔数量，提高单台台车的灌浆量的目的。台车的构造要简单、合理、安装简便、操作方便。
       4）引水隧洞钻孔灌浆施工机械配合施工研究。
       针对钻孔、灌浆工作而言，结合引水隧洞的特点和现场施工实际情况，如何满足多工作面的同时施工作业，实现钻孔设备、灌浆设备的安装、拆除及钻孔施工作业的便捷性，采用何种辅助设施，更加有效地控制目标成本，提高经济效益。本课题的完成,能保障各个钻孔灌浆工序快速、高效、经济的实施，避免了与土建施工的干扰，保证项目在工期极其紧张、施工强度极大的情况下快速高效的完成各项施工任务。
       （2）研究目标。
       保障锦屏二级水电站引水隧洞施工各个钻孔灌浆工序快速、高效、经济的实施，从而保证项目在工期极其紧张、施工强度极大的情况下快速高效的完成各项施工任务。为今后类似的长距离、大断面隧洞工程的基础处理施工提供重要的参考价值和指导意义，可获得显著的经济效益和社会效益，解放了劳动力资源。
       3.研究方法和技术路线。
       （1）研究方法。
       本科研课题以锦屏二级水电站东端1、2号引水隧洞工程为依托对象，对洞室的施工条件进行系统全面地研究与分析。通过不同施工方法的论证，对超长距离、大断面引水隧洞钻孔灌浆施工提出合理的施工工艺和方法。利用CAD计算机辅助设计，根据目前公司现有的机械设备情况，设计出能够满足超长距离、大断面引水隧洞钻孔灌浆施工的设备。通过现场调试、运行试验确定最终的参数。根据最终参数进行批次生产投入使用。
       （2）研究技术路线。

图1-1：技术路线图

       4.主要成果及创新点。
       （1）主要成果。
       1）专利成果。
       该项目获得国家实用新型专利4项，目前已受理4项：
       ①自行式隧洞灌浆台车（专利号ZL 2012 2 0307383.3）；
       ②全液压自行式栈桥台车（专利号ZL 2012 2 0307220.5）；
       ③自行式坑道钻孔台车（专利号ZL 2012 2 0307203.5）；
       ④扶正器（专利号ZL 2010 2 0563530.4）。
       该项目申报国家发明专利1项，目前正在受理中：自行式坑道钻孔台车。
       2）研究成果
       ①东端1、2号引水隧洞在施工过程中，开挖支护、衬砌、灌浆混凝土消缺等多工序、多点、密集、交叉、高强作业，施工难度和施工强度世所罕见，施工效果获得业主好评。
       ②东端1、2号引水隧洞共投入钻孔台车17台、灌浆台车37台，回填兼质量检查13台，栈桥台车2台。东端1号引水隧洞台车分布见图1-2。

图1-2：东端1号引水隧洞台车分布图

       ③大型全液压露天钻机施工洞室腰线以下的灌浆孔，钻孔台车施工腰线以下的全部钻孔作业，实现洞室钻孔的无缝连接。

 图1-3：圆形洞室无缝连接方式（左图）及平底洞室无缝连接方式（右图）

       ④2012年2月～2012年7月东端1号引水隧洞处于施工高峰期，月均钻孔强度5.7万米， 灌浆强度5.0万米，2012年11月～2013年5月东端2号引水隧洞进入施工高峰期，月均钻孔强度6.3万米，灌浆强度5.5万米。其中东端1号引水隧洞最高峰月钻孔强度7.2万米，灌浆强度6.4万米，东端2#引水隧洞最高峰月钻孔强度7.9万米，灌浆强度7.1万米。
       ⑤坑道钻孔台车：台车安装完毕后就可以投入使用了，根据台车的类型进行设备安装，如：坑道钻孔台车可以配备的设备有小型全液压坑道钻机、中型全液压钻机等，该台车的可变幅悬臂可以通过液压钻机自身的液压压力控制，每一台设备都可以独立操作，互不影响。见下图。

图1-4：配备哈迈Dm30全液压钻机的台车（左图）及配备重探DH30全液压钻机的台车（右图）

       ⑥栈桥台车：栈桥台车是专门为大型全液压露天凿岩机提供的特殊设备。该设备为大型型全液压露天凿岩机提供了一个80余平米的工作平台，钻机可以在该平台上施工洞室腰线以上的灌浆孔，解决了钻孔台车无法施工的部位，还可以让两种钻机在圆形洞室内调头，减少钻机来回行走的时间以及避免不必要的磨损，增加了钻孔作业时间，提高设备工作效率。

图1-5：D7在栈桥台车上施工腰线孔（左图）及D7在栈桥上停车避让混凝土运输车（右图）

       ⑦灌浆台车：该设备在安装完毕后，能够将全部的灌浆设备容纳在台车内部，形成了浆液配置、搅拌、压送、监控等一系列的灌浆工作的集中管理模式。

图1-6：灌浆台车内部一览（左图）及灌浆台车内部一览（右图）

图1-7在灌浆台车上面，洞室顶孔触手可及（左图）和灌浆台车下部的集中排污系统（右图）

       （2）主要创新点。
       1）研制了一种新型的金刚石柱齿钻头扶正器，解决了弯孔、斜孔和孔壁毛糙的成孔缺陷，保证了各种灌浆器具的正常使用，提高了灌浆塞的卡塞密封能力，保证了灌浆质量。
       2）研制了全液压自行式坑道钻孔台车，解决了洞室腰线以上全部钻孔作业。台车的可移动悬臂和可调环距模块，通过其自身的液压油缸自由变换孔位和环距，轻松实现1-3米之间的任意环距的钻孔作业。
       3）研制了全液压自行式钻孔平台，解决了中型液压设备的钻孔作业。中型液压钻机可以完成腰线以下至底板之间的灌浆孔的钻孔任务，配以钻孔平台，可以完成上顶拱至腰线的钻孔作业。
       4）研制了全液压自行式栈桥台车，解决圆形洞室大型液压钻机与其他设备错
       5）研制了自行式灌浆台车，解决了全洞段的灌浆作业。在台车上，洞室顶部灌浆孔全部触手可及，台车底部排污系统确保了洞室的文明施工。
       6）研制了一种粉尘收集袋，解决了洞室内全液压钻机除尘降尘。集尘罩是可移动式的，在开孔时司机可以很清晰地观察到开孔情况，提高开孔精度。粉尘收集袋配备了高效的粉尘预分离器，可保证除尘器工作更安全，除尘效果更佳。
       5.技术经济效益。
       以锦屏二级为例，采用台车施工方案较采用大面积、多工作面排架施工方案节约3396万元，实现进度效益约4000万元，实现平均月效益231万元，平均日效益7.7万元，具体计算见表1。

表1：大面积、多工作面排架施工与台车施工方案经济效益对比分析表

       备注：负为节约，其他费用只要计算的是安全和文明施工效益。
       本课题研究成果可以为今后类似的长距离、大断面隧洞工程的基础处理施工提供重要的参考价值和指导意义，可获得显著的经济效益和社会效益，解放了劳动力资源。
       二、研究内容及成果
       1.全液压自行式坑道钻孔台车研究与应用。
       （1）研究问题。
       1）解决台车下方能通过各类运输车辆的问题。
       2）解决洞室腰线以上的全部钻孔作业的问题。
       （2）研究内容。
       坑道钻机台车轨道中心线跨距为5.0米，台车轮直径约为300～400毫米，每边4个。台车由电动机驱动行走，台车行走速度5～10米/分钟。端部设有夹轨装置；台车就位后需要有顶升装置，千斤顶作用点在钢轨顶面，千斤顶与钢轨接触通过橡胶块缓冲。各千斤顶在锁定后要能达到不让各轨轮不承重的要求。
       台车平台设计长度约为9米，宽度为10～11米，端部设有活动翼板，翼板放下后与洞面距离约为30厘米，平台两侧要附加4个千斤顶，千斤顶端部与洞面接触通过橡胶块缓冲。
       台车承重及受力情况：每一部坑道钻机总重量约为500千克，不包括钻材、工器具、以及其他辅助设备，钻机在工作时，单台钻机的推进与提拔力最大为1400牛顿。钻机的泵站要均匀分布在平台上，要留有足够的过道和维修空间。
       两端悬臂距离，以钻机安装后，自动力头回转轴中心起测量，距离为6米。
       悬臂的移动，移动采用液压油缸，钻机定位根据1号引水隧洞灌浆孔位布置来锁定，为了避让钢筋层和预埋管的偏差，要求钻机实现在x,y方向上±12厘米的微调，并能在任意一点锁定。
       钻机在固定后，推进梁端部（稳杆器）与洞面距离控制在30厘米左右；
       各钻机的操作平台见图2-1，要求每一部钻机有足够的作业空间，该空间包含钻机操作台、部分钻杆、钻孔时使用的必要工具和钻机在吊装、拆卸时所需要的空间，平台位置要以钻机的工作位置安装，要能在两孔位之间方便操作手作业；要设有顶部钻机的吊装，拆卸装置，起吊重量不得小于钻机重量。

图2-1：操作平台布置图

       台车总电源，配电箱，分电箱：主电源与照明电源的布置与保护，每台钻机功率为18千瓦，分电箱要与泵站实行一对一控制。照明设备共设8盏，每端4盏，功率大于1千瓦并有防水功能的灯具。两端还需设有220伏多用插板，便于给维修提供电源。
       台车的上水管布置，主水管要位于台车下部，方便与水源连接，主水管直径不得小于2.5英寸，并使用镀锌管。主水管由下至上，在平台的两端各分设4个1英寸的球阀，每个球阀上要有一根长度不小于15厘米的拔梢短管，管口向上。
       为方便水、渣收集，要求平台中间略高于两侧，但坡度不大于3.5‰，两侧制作U型集水槽，由端部引管集中排放，平台各个接缝要做防水处理。
       平台中部开孔，便于设备、材料的运输。开孔尺寸请参照已提供的钻机外形尺寸来定，在不使用时用盖盖住，要求所用的盖要能承受钻机最大件的重量。
       上下扶梯，建议设在台车端部，坡度不大于60°。
       针对中型液压钻机的特点，研制了全液压自行式钻孔平台，解决了中型液压设备进行全洞段的钻孔作业问题。中型液压钻机的工作平台可以自行升降且移动方便，主要针对平底板洞室，可以完成腰线以下至底板之间的灌浆孔的钻孔任务，同时配以钻孔平台，可以完成上顶拱至腰线的钻孔作业。由于中型液压钻机体积较小，在施工过程中占用空间小，富余了施工通道，避免了与土建施工的相互干扰，提高了整体施工效率。
       针对洞内使用风动钻机降尘除尘困难的问题，专门设计了一种粉尘收集袋、集尘罩是可移动式的，在开孔时司机可以很清晰地观察到开孔情况，提高开孔精度。粉尘收集袋配备了高效的粉尘预分离器，可保证除尘器工作更安全，除尘效果更佳。
       大型全液压露天钻机的钻孔质量控制，由于大型全液压露天钻机属于锚固型液压钻机，使用金刚石柱齿钻头配以高频顶冲击器来钻孔，其钻孔效率可高达1米/分钟，由于金刚石柱齿钻头在施工倾斜孔和水平孔的时候其导向性较差，再加上钻进速度快，钻具自重等因素，这就导致了成孔出现弯孔、斜孔和孔壁毛糙的现象，使得灌浆器具在部分孔位不能正常使用，经过长期观察并结合现场施工人员的研究，为金刚石柱齿钻头设计了一种新型的扶正器。该扶正器的投入使用，彻底解决了弯孔、斜孔和孔壁毛糙的成孔缺陷，保证了各种灌浆器具的正常使用，提高了灌浆塞的卡塞密封能力，保证了灌浆压力。
       （3）研究成果。
       1）设计“全液压自行式坑道钻孔台车”，满足台车下方能通过钢筋运输车辆、混凝土运输车辆，结合小型、中型全液压钻孔设备，满足洞室腰线以上的全部钻孔作业。
       2）大型全液压露天钻机施工洞室腰线以下的灌浆孔，钻孔台车施工腰线以上的全部钻孔作业，实现洞室钻孔的无缝连接。
       3）设计了全液压自行式钻孔平台，解决了中型液压设备的钻孔作业。中型液压钻机可以完成腰线以下至底板之间的灌浆孔的钻孔任务，配以钻孔平台，可以完成上顶拱至腰线的钻孔作业。
       4）设计了一种新型的金刚石柱齿钻头扶正器，解决了弯孔、斜孔和孔壁毛糙的成孔缺陷，保证了各种灌浆器具的正常使用，提高了灌浆塞的卡塞密封能力，保证了灌浆质量。
       5）设计了一种粉尘收集袋，解决了洞室内全液压钻机除尘降尘。集尘罩是可移动式的，在开孔时司机可以很清晰地观察到开孔情况，提高开孔精度。粉尘收集袋配备了高效的粉尘预分离器，可保证除尘器工作更安全，除尘效果更佳。
       2.全液压自行式栈桥台车研究与应用。
       （1）研究问题。
       1）解决圆形洞室各类运输车辆通过的难题。
       2）解决圆形洞室中型全液压露天钻机错车、调头、钻孔作业的问题。
       （2）研究内容。
       栈桥式台车轨道中心线跨距为5米，台车轮直径约为300-400毫米，每边4个。台车由电动机驱动行走，台车行走速度5-10米/分钟。端部设有夹轨装置。平台面至洞底的垂直高度要小于1.7米。
       结构形式：过车平台长度约10米，宽度约8米。栈桥平台长度与引桥长度验证，要便于运输、安装、拆卸，平台的承重总质量要大于55吨（不包括台车自身重量）。整个台车要具有抗冲击和反推力的能力，特别是针对汽车上下桥时的晃动。

图2-2：栈桥平台长度与引桥长度验证

       平台的举升通过液压油缸实现，平台举升高度考虑在20厘米左右，要保证油缸伸出后整个平台与洞面有15～20厘米的空隙；升降油缸的布置尽量不要凸出平台，避免钻机碰撞。
       平台下落后，两侧要有橡胶板与洞面隔开，橡胶板要具有很高的抗压、防滑性能，该橡胶块要方便采购（加工）和更换。当平台完全与洞面接触后，升降油缸要留有一定的浮动余量，该余量要大于平台过车时橡胶块的变形量，以保证钢轨不承受主要载荷。
       引桥的长度，要求引桥与洞底的夹角控制在9～12°左右，保证各种施工车辆能顺利通过。
       引桥的强度，要满足施工现场最大质量的车辆正常通过并保证不变形，为保护洞面，引桥下端部要安装橡胶块，该橡胶块要有高的抗压、抗裂性能并方便采购（加工）和更换。
       栈桥电源，要配有配电箱，各走线要进行保护。泵站布置在平台下方，升降油缸控制要安全、可靠，操作要方便。照明设施：预计4盏具有防水功能的灯具，分布在平台四周，每盏灯的功率预计为1千瓦。
       （3）研究成果。
       设计“全液压自行式栈桥台车”，解决钻机工作与通行车辆的难题，满足Atlas Roc D7、汤姆洛克700-2全液压露天钻机在台车上钻孔、调头，满足钢筋、混凝土车辆的通过，达到钻机与其他设备错车的目的。
       3.自行式灌浆台车研究与应用。
       （1）研究问题。
       1）解决台车下方能通过各类运输车辆的问题；
       2）解决洞室全部灌浆作业的问题。
       （2）研究内容。
       灌浆台车轨道中心线跨距为5米，台车轮直径约为300～400毫米，每边4个。台车由电动机驱动行走，台车行走速度5～10米/分钟。端部设有夹轨装置；台车就位后需要有顶升装置，千斤顶作用点在钢轨顶面，千斤顶与钢轨接触通过橡胶块缓冲。各千斤顶在锁定后要能达到不让各轨轮不承重的要求。台车平台设计长度约为6米，宽度为9米，平台两侧要附加4个千斤顶，千斤顶端部与洞面接触通过橡胶块缓冲。
       台车承重及受力情况：每一台灌浆泵总重量约为900千克，共放置4台；600型储浆槽在搅浆时总重约合900千克/台，共放置2台；双层低速搅拌机搅浆时总重约合500千克,共放置4台。以上设备在工作状态下合计重量约合7吨，灌浆台车设计承重不得低于12吨。
       为方便水、渣收集，要求平台中间略高于两侧，但坡度不大于3.5‰，两侧制作U型集水槽，由端部引管集中排放，平台各个接缝要做防水处理。
       上下扶梯，建议设在台车端部，坡度不大于60°。
       （3）研究成果。
       设计“自行式灌浆台车”，满足台车下方能通过钢筋运输车辆、混凝土运输车辆；在灌浆台车上，完成洞室边顶拱灌浆孔的卡塞作业问题。使用灌浆台车完成全洞段灌浆作业。
       4.钻孔灌浆施工机械配合研究。
       （1）研究问题。
       1）解决各类台车与现有设备的配合施工问题；
       2）解决洞室钻孔灌浆设备配置与施工进度问题
       （2）研究内容。
       在浇筑过横通道之前，灌浆无法安排施工。衬砌台车过横通道之后，安装配套的台车，同时辅以D7或多臂钻。进行施工，灌浆台车按照月强度1500米/台，在衬砌完成后两个月可以完成灌浆施工。不同的工作面根据具体的交通，衬砌、工程量进行安排。

图2-3：典型断面灌浆布置图

       台车的布置充分考虑衬砌工作面的长度，剩余工程量，施工干扰、施工工期等因素。回填台车紧跟每个衬砌台车，同步进行施工；钻孔台车和灌浆台车按照1:1或者1:2的比例进行协调配置；栈桥台车布置在圆形洞室洞段，为其它施工提供交通，保证灌浆的进行。
引水隧洞内目前的设备配置见下表：

表2-1：引水隧洞内目前的设备配置表

       东端1、2号引水隧洞共投入钻孔台车17台、灌浆台车37台，回填兼质量检查台车13台，栈桥台车2台，湘豹全液压钻机18台，阿特拉斯D7钻机10台，汤姆洛克700-2全液压露天钻机4台，多臂钻4台。
       （3）研究成果。结合大型全液压钻机和开发的钻孔台车、灌浆台车、栈桥台车、回填兼质量检查台车，完成洞室内的全部钻孔灌浆作业，实现超长距离、大断面引水隧洞钻孔灌浆施工机械化。
       实现各类台车之间，台车与现有设备之间的合理配置，保证在工程量巨大、工期紧、施工强度高情况下，引水隧洞钻孔灌浆作业任务的完成。
       三、主要结论
       1.大型全液压露天钻机的钻孔质量控制，由于大型全液压露天钻机属于锚固型液压钻机，使用金刚石柱齿钻头配以高频顶冲击器来钻孔，其钻孔效率可高达1米/分钟，由于金刚石柱齿钻头在施工倾斜孔和水平孔的时候其导向性较差，再加上钻进速度快，钻具自重等因素，这就导致了成孔出现弯孔、斜孔和孔壁毛糙的现象，使得灌浆器具在部分孔位不能正常使用，经过长期观察并结合现场施工人员的研究，为金刚石柱齿钻头设计了一种新型的扶正器（如下图）。该扶正器的投入使用，彻底解决了弯孔、斜孔和孔壁毛糙的成孔缺陷，保证了各种灌浆器具的正常使用，提高了灌浆塞的卡塞密封能力，保证了灌浆压力。

图3-1：扶正器图

图3-2：扶正器、T38（T45、T51）钻杆、金刚石柱齿钻头装配图

图3-3：扶正器工作原理示意图

       2.设计了“全液压自行式坑道钻孔台车”，满足洞室腰线以上的全部钻孔作业。该台车在设计时通过对灌浆孔位分布设计的总图分析，充分考虑了钻孔角度的控制，比如：该工程的引水隧洞都以上部圆的圆心作为洞轴线，在设计时台车，通过不同高度的立柱梁来调整台车悬臂中心轴的高度，使其始终与洞轴线重合（见下图），这样，小型全液压钻机在台车的悬臂上就可以绕洞轴线旋转，让钻具的中心线始终保持与灌浆孔位的切线呈垂直状态，保证了钻孔角度的精确度。根据灌浆孔位分布布置总图，还确定了灌浆孔位的环距长度，坑道钻孔台车可以通过其自身的液压油缸自由变换孔位的环距长度，轻松实现1-3米之间的任意环距，确保了各种密度孔位的钻孔（如下图5-4、5-5）。
       坑道钻孔台车的可移动悬臂和可调环距模块，特别适用于各类不同孔位、不同环距的隧洞施工，突出技术先进、经济合理、安全高效等多方面的优势，是一种可在同类型隧洞建设工程中广泛推广应用的先进技术。

图3-4：坑道钻孔台车正视图坑道钻孔台车侧视图

       3.研制了全液压自行式钻孔平台，解决了中型液压设备的钻孔作业。中型液压钻机可以完成腰线以下至底板之间的灌浆孔的钻孔任务，配以钻孔平台，可以完成上顶拱至腰线的钻孔作业。由于中型体积较小，在施工过程中占用空间小，富余了施工通道，避免了与土建施工的相互干扰，提高了整体施工工作效率。
       4.根据钻机的钻孔高度及覆盖范围，针对钢筋运输车辆、混凝土运输车辆的通行问题，结合现有的中型全液压钻孔设备，针对圆形洞室大型全液压露天钻机在台车上钻孔、调头，钢筋、混凝土车辆通行的问题，设计了“全液压自行式栈桥台车”，达到钻机与其他设备错车目的，充分利用现有的大型全液压露天钻机钻孔设备满足洞室腰线以下的钻孔作业。
       5.根据灌浆作业的高度及覆盖范围，针对钢筋运输车辆、混凝土运输车辆通行的问题，结合公司现有的灌浆设备，设计了“自行式灌浆台车”，充分利用灌浆台车平台的有限空间，多摆放设备，增加灌浆孔数量，提高单台台车的灌浆量。
       6.研制了一种粉尘收集袋，解决了洞室内全液压钻机除尘降尘。集尘罩是可移动式的，在开孔时司机可以很清晰地观察到开孔情况，提高开孔精度。粉尘收集袋配备了高效的粉尘预分离器，可保证除尘器工作更安全，除尘效果更佳。（主创人员：夏中伏、李红福、殷国权、张刚武、胡小顺、单卫华、曾  健、曾  建、雷  舰、蒋  陵、杨  军、王天西、方  虎、韩文丰、韩卫东）