高頻大功率鑿巖機(jī)可以帶來更高的鉆進(jìn)速度、更大的鉆孔直徑，也會(huì)降低鉆具耗材的使用壽命。而臺(tái)車施工日常消耗的80%來自于鉆具的損壞，如何保證鉆具的正常使用壽命、避免給鉆機(jī)帶來損傷，達(dá)到延長鉆具壽命、減少鉆機(jī)磨損的目的，即如何確定鑿速和消耗二者的臨界值？的確是個(gè)值得正視的問題。

中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司在湛江國家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫工程（簡稱湛江國儲(chǔ)工程）施工中，使用了４臺(tái)阿特拉斯品牌的鑿巖臺(tái)車，其中有１臺(tái)３５３Ｅ型和１臺(tái)ＸＬ３Ｄ型全液壓式鑿巖臺(tái)車，還有２臺(tái)新引進(jìn)的技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度高的ＸＥ３Ｃ型全電腦控制鑿巖臺(tái)車。這４臺(tái)鑿巖臺(tái)車承擔(dān)１條施工巷道和２條主洞庫的開挖施工，現(xiàn)已完成其頂層開挖任務(wù)。本文主要介紹阿特拉斯ＸＥ３Ｃ型全電腦控制鑿巖臺(tái)車鉆具磨耗控制措施。

１．全電腦控制鑿巖臺(tái)車性能

阿特拉斯ＸＥ３Ｃ型全電腦控制鑿巖臺(tái)車是新款液壓驅(qū)動(dòng)鑿巖臺(tái)車，適用于大型隧道開挖，作業(yè)斷面面積最大可達(dá)２０６ｍ2；在較寬的隧道中，若配備超大斷面覆蓋控制臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)更大的鑿巖斷面。其外形如圖１所示。

▲圖1 XE3C型全電腦控制鑿巖臺(tái)車

該鑿巖臺(tái)車在鉆進(jìn)過程中使用計(jì)算機(jī)處理的鑿巖臺(tái)車ＲＣＳ控制系統(tǒng)，通過其智能功能實(shí)現(xiàn)控制，操作手可按照鑿巖臺(tái)車電腦屏幕上指示的孔位進(jìn)行作業(yè)。每個(gè)孔的位置、方向、角度都事先在辦公室用ＵＭ軟件完成設(shè)計(jì)。鉆孔過程由電腦自動(dòng)控制完成，并實(shí)時(shí)記錄鉆孔的進(jìn)度和結(jié)果，可確保實(shí)現(xiàn)高精度鉆進(jìn)、高效生產(chǎn)、更長運(yùn)行時(shí)間和較低運(yùn)行成本。該鑿巖臺(tái)車配備ＣＯＰ２２３８ＨＤ＋型高頻鑿巖機(jī)，其功率為２２ｋＷ，沖擊頻率為７３Ｈｚ，獨(dú)立回轉(zhuǎn)速度為０～３４０ｒ／ｍｉｎ，最大回轉(zhuǎn)扭矩為６４０Ｎ?ｍ。

２．實(shí)際使用情況

湛江國儲(chǔ)工程主洞庫頂層寬度為２０ｍ，高度為１０ｍ，開挖斷面為１７２ｍ2，圍巖強(qiáng)度在１１０ＭＰａ～１２３ＭＰａ之間（局部可達(dá)到１５０ＭＰａ）。在該斷面內(nèi)施工，該鑿巖臺(tái)車可采用全自動(dòng)模式和人工定位，自動(dòng)鉆進(jìn)和退回模式。

該鑿巖臺(tái)車配備高頻ＣＯＰ２２３８ＨＤ＋型鑿巖機(jī)，其鉆具與ＣＯＰ１８３８ＭＥ型鑿巖機(jī)相同，配置Ｔ３８型釬尾和Ｔ３８／Ｔ３８型連接套。鉆桿根據(jù)推進(jìn)梁的型號(hào)選擇，該機(jī)的ＢＭＨ６８１８型推進(jìn)梁配置Ｔ３８／Ｒ３２型５５３０ｍｍ鉆桿。為了充分發(fā)揮鑿巖機(jī)的鉆進(jìn)性能，阿特拉斯服務(wù)工程師將鑿巖機(jī)沖擊油壓調(diào)整為２３ＭＰａ、推進(jìn)油壓調(diào)整為８ＭＰａ。按照上述油壓參數(shù)在主洞庫圍巖上鉆孔，新鉆頭單孔成孔速度可以達(dá)到３.１ｍ／ｍｉｎ。

單孔成孔速度的提高，造成了鉆具使用壽命（成孔長度）的降低。實(shí)際使用中，寶長年品牌直徑為４５ｍｍ的球齒鉆頭成孔長度平均為２０１ｍ，每個(gè)連接套成孔長度平均為２９７ｍ；每根山特維克品牌的５５３０ｍｍ鉆桿平均成孔長度為１９４７ｍ，Ｔ３８釬尾平均成孔長度為１１５６ｍ。以上２個(gè)品牌的鉆具均不能達(dá)到正常使用壽命。施工過程中更換鉆具的頻率增加，既造成整體開挖時(shí)間的延長，也增加了鉆具成本。

３．鉆具磨耗控制措施

如何保證鉆具的正常使用壽命、避免給鉆機(jī)帶來損傷，達(dá)到延長鉆具壽命、減少鉆機(jī)磨損的目的，即如何確定這二者的臨界值？我們通過湛江國儲(chǔ)工程項(xiàng)目，對(duì)全電腦控制鑿巖臺(tái)車的使用情況進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為可從３個(gè)方面控制鉆具磨耗，如下所述。

（１）合理調(diào)整鉆機(jī)參數(shù)

降低鑿巖臺(tái)車的鉆具磨耗，最主要的控制措施是將鑿巖機(jī)的沖擊油壓、推進(jìn)油壓和回轉(zhuǎn)油壓與圍巖的強(qiáng)度特性相匹配。鑿巖機(jī)鉆進(jìn)的工作原理是利用鉆頭上的合金齒通過沖擊力破碎巖石，其成孔方法如下：首先，鉆機(jī)推進(jìn)將鉆頭壓入被破碎的巖石；其次，通過鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭力將破碎的巖石切削成粉狀；最后，高壓水通過鉆桿與成型孔之間的間隙將粉碴排出。如此往復(fù)循環(huán)，直至達(dá)到要求的成孔形狀和深度。鑿巖機(jī)鑿巖成孔方法如圖２所示。

▲圖2 鑿巖機(jī)鑿巖成孔方法

鑿巖機(jī)每一個(gè)工作循環(huán)都是瞬間完成的，沖擊油壓、推進(jìn)油壓和回轉(zhuǎn)油壓３個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的合理選配及每一各工作循環(huán)的銜接，關(guān)系著鉆具特別是合金齒鉆頭磨耗的快慢。鉆頭旋轉(zhuǎn)與切削如圖３所示。

▲圖3 合金齒鉆頭旋轉(zhuǎn)與切削示意圖

鑿巖臺(tái)車參數(shù)調(diào)整過程中，回轉(zhuǎn)油壓可通過切削巖層的反作用力自動(dòng)適應(yīng)，施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)巖石的實(shí)際情況，對(duì)沖擊油壓和推進(jìn)油壓進(jìn)行控制和調(diào)整。

若沖擊油壓調(diào)整過高，將造成巖石過度破碎，增加無用功；若沖擊油壓調(diào)整過低，將造成巖石破碎不足，導(dǎo)致鉆頭合金齒切屑阻力增加、合金齒斷齒。

若推進(jìn)油壓調(diào)整過高，將造成鉆桿因額外受力變得彎曲，可導(dǎo)致鉆桿及鉆頭合金齒斷裂及成孔變?yōu)榉侵本€形；若推進(jìn)油壓調(diào)整過低，將造成鉆頭因未頂壓住巖石而空打，導(dǎo)致鉆具加速磨損，例如鉆具單側(cè)磨損、鉆頭掉齒、連接套斷裂。推進(jìn)力不匹配后果如圖４所示。

▲圖4 推進(jìn)力不匹配后果示意圖

總結(jié)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，沖擊油壓調(diào)整到使單次沖擊破碎巖層的深度為１／３～１／２合金齒長度較為適宜；推進(jìn)油壓調(diào)整到使鉆桿在鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生不超過自身重力產(chǎn)生的微小彎曲，且連接套處未冒白煙較為適宜。

在湛江國儲(chǔ)工程中，原來認(rèn)為全電腦控制鑿巖臺(tái)車應(yīng)配備高頻大功率鑿巖機(jī)，并增加沖擊力和推進(jìn)力，才能在高硬度圍巖中快速掘進(jìn)，但實(shí)際使用中恰恰相反，由此可知在不同圍巖鉆孔應(yīng)有一個(gè)逐步調(diào)整和適應(yīng)的過程。在開始鉆孔時(shí)應(yīng)降低沖擊力，觀察鉆具磨耗情況，再根據(jù)鉆具磨耗情況調(diào)整沖擊力和推進(jìn)力。通過幾個(gè)循環(huán)的參數(shù)調(diào)整，找出合適的沖擊力和推進(jìn)力。最終我們將沖擊油壓下調(diào)至１９.５ＭＰａ，推進(jìn)油壓下調(diào)至６.５～７.０ＭＰａ。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在該參數(shù)下作業(yè)，鉆頭平均成孔長度達(dá)到３０７ｍ，連接套平均成孔長度達(dá)到４１３ｍ，鉆桿平均成孔長度達(dá)到２４１３ｍ，釬尾平均成孔長度達(dá)到１８４７ｍ，均有大幅提高，這說明經(jīng)過調(diào)整的技術(shù)參數(shù)降低了鉆具的磨耗。

（２）適時(shí)更換鉆具

考慮到鑿巖機(jī)鉆頭一次性投入成本以及國產(chǎn)鉆頭技術(shù)已成熟等因素，很多鑿巖臺(tái)車使用單位都選擇寶長年品牌的國產(chǎn)鉆頭。國產(chǎn)鉆頭的合金齒鑲嵌較淺，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮鉆頭二次修磨利用價(jià)值，施工時(shí)通常將鉆頭使用到報(bào)廢為止。這種做法能直接降低鉆具磨耗，但實(shí)際潛在的鉆具磨耗卻被忽略。

常用的直徑為４５ｍｍ的國產(chǎn)鉆頭，其齒座外徑為４６ｍｍ，而山特維克通用鉆桿邊對(duì)邊寬度為３５ｍｍ，棱對(duì)棱寬度為３８ｍｍ，２種鉆頭與成孔之間僅有４.０～５.５ｍｍ的間隙，而這個(gè)間隙是鉆進(jìn)排碴的關(guān)鍵通道。隨著施工中鉆頭的磨損，鉆頭齒座外徑越來越小，排碴通道的間隙也越來越小。此時(shí)鉆進(jìn)速度會(huì)變慢，其原因一方面是鉆頭合金齒磨損，另一方面是排碴不通暢。

若破碎切削的粉碴不能排出，集中在成型孔內(nèi)，造成鉆具加劇磨耗。粉碴越積越多，對(duì)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)的反作用逐漸增大，還會(huì)造成鉆機(jī)的防卡功能起保護(hù)作用，甚至?xí)霈F(xiàn)卡鉆故障。

不能排出的粉碴包裹在鉆桿周圍，特別是包裹在鉆頭與鉆桿的連接處，也加速了鉆桿的磨損。在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)?？梢钥吹姐@桿的成孔長度達(dá)到１０００ｍ或者１５００ｍ時(shí)，其截面就不是原來的六方形了，而是變成了圓形，這就是粉碴包裹造成的。

若鉆頭只有７齒或６齒時(shí)還在使用，除了排碴不順暢造成的影響外，還有一種潛在磨耗。此時(shí)鉆頭對(duì)巖層的破碎和切削成粉碴的效果降低，粉碴中含有的巖石細(xì)小顆粒就會(huì)刮削鉆桿造成刮痕，導(dǎo)致鉆桿因應(yīng)力不平均而斷裂，尤其是在鉆頭與鉆桿連接處最容易斷裂。鉆桿受損斷裂如圖５所示。

▲圖5 鉆桿受損斷裂示意圖

全電腦控制鑿巖臺(tái)車司鉆人員除了憑借以往打鉆的經(jīng)驗(yàn)通過觀察鉆孔排水量進(jìn)行判斷外，還可通過電腦顯示屏顯示的每個(gè)鑿巖機(jī)的鉆進(jìn)速度來直觀判斷。１個(gè)新的寶長年品牌的直徑為４５ｍｍ的球齒鉆頭鉆進(jìn)速度應(yīng)為２.８ｍ／ｍｉｎ，我們要求其鉆進(jìn)速度下降到１.６ｍ／ｍｉｎ時(shí)就應(yīng)更換鉆頭，更換下來的鉆頭可在后期的錨桿孔二次使用。這樣既能保證鉆進(jìn)速度，也能減少對(duì)鉆桿的磨損，還能降低鉆具的磨耗。

（３）掌握鉆桿修復(fù)方法

我們對(duì)鉆桿實(shí)施了修復(fù)和二次利用。修復(fù)時(shí)鉆桿連接鉆頭端的波浪紋弧度加工要自然，盡量保證與原鉆桿的弧度相同，否則鉆頭的連接螺紋會(huì)加快損傷，也容易在鉆桿修復(fù)處再次斷裂。修復(fù)經(jīng)驗(yàn)說明，鉆桿螺紋車削成型后，不需要進(jìn)行熱處理，只要保持鉆桿原材料性質(zhì)，鉆桿修復(fù)后的使用壽命反而會(huì)增加。

很多小型加工廠修復(fù)鉆桿時(shí)只加工鉆桿與鉆頭連接處，無法加工鉆桿連接套處，造成該處磨損嚴(yán)重的鉆桿無法繼續(xù)使用?，F(xiàn)在有一種鉆桿修復(fù)新工藝，即通過高速摩擦焊對(duì)接成型螺紋技術(shù)，可將廢舊鉆桿修復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的鉆桿。這一新技術(shù)的應(yīng)用可解決全電腦控制鑿巖臺(tái)車在全自動(dòng)模式下無法使用修復(fù)鉆桿的問題。應(yīng)用此技術(shù)修復(fù)的鉆桿在湛江國儲(chǔ)工程項(xiàng)目施工中，在全液壓式鑿巖臺(tái)車上配備的ＣＯＰ１８３８ＭＥ型鑿巖機(jī)上試用效果良好，是降低鉆具磨耗的一個(gè)有效途徑。

全電腦控制鑿巖臺(tái)車在鉆具磨耗的控制方面，可以借鑒全液壓式鑿巖臺(tái)車和電液鑿巖臺(tái)車的使用經(jīng)驗(yàn)，但全電腦控制鑿巖臺(tái)車的先進(jìn)功能可以收集更多的實(shí)際數(shù)據(jù)，去驗(yàn)證以往的使用經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)新的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，也有更多的施工課題值得進(jìn)一步研究。