摘要
根据目前公路、铁路隧道的两台阶钻爆掘进施工工法，为满足掌子面的炮眼孔，洞壁的系统锚杆、锁脚锚杆孔的施工需求，开发了MG-20S型隧道锚杆钻机。该机为三段臂组成曲臂式变幅机构，具备全方位钻进姿态调整功能，钻进施工可实现自动/手动控制双模式，自由切换，在自动控制模式下，仅需一个按钮便可控制凿岩机回转、冲击和给进，并可根据工况情况及时调整钻进参数；采用无线遥控操作和驾驶室手动操作一键切换，只需1人操作即可成孔；可实现一键展车、一键收车功能，及时完成锚、钻、注工序和装药、爆破、运渣等工序的高效切换，使各种工序专业化、规范化。工业试验表明，该钻机性能可靠、有效，各项参数、功能可以满足隧道两台阶锚、钻施工工艺。
目前国内公路、铁路隧道较多，地层多为软弱围岩、破碎断层，地质结构复杂，特别是已动工的川藏铁路隧桥比高达95
在机械化施工方面，国内外企业一般都是把隧道掌子面的凿孔与洞壁锚固支护做成两种设备，即隧道凿岩台车和锚杆台车，例如铁建重工、四川钻神、阿特拉斯等大型工程机械厂
这些设备只能完成钻掌子面的炮眼或洞壁的系统锚杆、锁脚锚杆等单一的功能，而且都是针对全断面（含仰拱）、大断面、微台阶法等开挖方式而设计的，不能同时满足隧道二台阶开挖和洞壁锚杆支护。而且价格较高，且体积庞大，基本上设备长度都达到16 m以上，无法在隧道内掉头，难以满足狭窄场地施
为此，进行了MG-20S型隧道锚杆钻机的研制，可完成隧道钻爆的二台阶掘进施工工艺，既可钻掌子面的炮眼孔，也可完成系统锚杆、锁脚锚杆孔的施
MG-20S型隧道锚杆钻机（
图1 隧道锚杆钻机
液压系统采取负载敏感控制系统，可具备全方位钻进姿态调整功
主要由履带底盘、回转支撑、机架、曲臂变幅机构、凿岩机、前支腿、驾驶室、电缆盘、动力单
图2 钻机机械部分组成
1—曲臂；2—直臂；3—回转支撑；4—回转臂；5—补偿滑架；6—推进梁；7—前支腿架；8—机架；9—动力单元；10—履带底盘；11—底盘回转支撑
整机采用两套液压系统（见
图3 液压系统
1—液压泵；2—四联多路阀；3—四联多路阀；4—七联多路阀；5—高低速切换阀
MG-20S型隧道锚杆钻机控制系统包括以下几个部分：
（1）动力部分的控制：钻机采用康明斯发动机和90 kW电动机双动力，控制系统必须保证能够在两套动力之间自如切换，两套动力系统切换、启动、急停时，控制系统会将所有输出置零，重新启动时各手柄处于零位，方可启动。
钻机的发动机为电喷发动机，其具备ECU控制单元，支持SAE J1939协议，油门控制采用电位计旋钮在驾驶室和无线遥控器上两处控制。发动机状态监控用虚拟仪表显示，电控系统通过SAE J1939总线与发动机ECU通讯并获得发动机的状态数
（2）无线遥控部分：主要用于车下近距离操作（可以控制所有动作），遥控距离100 m以内，无线遥控器界面布局见
图4 无线遥控操作器面板
（3）线控部分（操作台）：安装在驾驶室内（可以控制所有动作），两个十字自复位手柄见
图5 十字复位手柄面板示意
（4）钻进施工控制系统：有3种模式，第一种模式为行车控制，通过左右手柄的前后方向来控制速度和大小，实现泵、阀、变量马达的速度联调。增加速度的过程调节油泵增大排量，比例阀的开口度随泵调节。系统的加速、减速时间通过控制器调节，通过程序完成起步阶段和停止阶段具有加速上坡和减速下坡的功
（5）一键展车、一键收车控制：通过自动复位按钮实现一键展车与收车。
（6）其他控制：通过自动复位开关控制气路、水路的开与关，并将状态显示于操作器面板上。
MG-20S型隧道锚杆钻机主要技术参数如
| 项目 | 参数项 | 参数值 |
|---|---|---|
| 凿岩机 | 型号 | HYD300 |
| 凿岩孔径 | 38~89 mm | |
| 冲击能 | 300 J | |
| 冲击频率 | 34~50 Hz | |
| 冲击压力 | 16~19 MPa | |
| 冲击流量 | <65 L/min | |
| 回转压力 | <15 MPa | |
| 回转流量 | 55~85 L/min | |
| 回转扭矩 | 300~500 N·m | |
| 转速 | 150~220 r/min | |
| 钻进参数 | 给进行程 | 4.3 m |
| 最大给进力 | 16 kN | |
| 最大起拔力 | 20 kN | |
| 最大钻深 | 16 m | |
| 水平孔最大高度 | 6 m | |
| 发散孔施工高度 | 9.3 m | |
| 姿态调整 | 钻进姿态 | 无线遥控，手动360°调整姿态 |
| 控制方式 | 无线遥控+线控（驾驶室） | |
| 履带底盘 | 牵引力 | 134 kN |
| 接地比压 | 37 kPa | |
| 行驶速度 | 3.2~5.3 km/h | |
| 爬坡能力 | 25° | |
| 底盘总宽 | 2590 mm | |
| 履带宽度 | 600 mm | |
| 履带总长度 | 3658 mm | |
| 动力配置 | 柴油机 | QSF3.8 |
| 功率 | 93 kW | |
| 电动机 | Y160M-4 | |
| 功率 | 90 kW | |
| 尺寸 | 运输尺寸 | 7.2 m×2.67 m×2.96 m |
MG-20S型隧道锚杆钻机在陕西省眉县眉太公路太白山隧道（见
图6 眉太公路太白山隧道施工
图7 川藏铁路贡觉隧道施工
实际应用时锚杆钻机搬运上车及进洞均采用自行走，无需吊装，分别在电/柴两种控制模式下操作试验，高低速行走模式切换自如，达到了设计技术要求。在隧道内通过栈桥时操控自如，操控性得到进一步验证，其中在上下板车时爬坡角度大概在25°左右。
充分利用现场条件，分别就竖直向上孔、45°斜向上孔、竖直向下孔、水平孔和45°斜向下孔等角度都进行了钻孔，验证设计功能，特别是在高位钻孔出现卡钎情况后，结构件刚性得到验证，已经满足360°全方位成孔功
控制功能包括驾驶室控制和遥控控制，现场条件下主要采用遥控控制，驾驶室控制辅助操作。整机动作及参数显示均能在遥控器及驾驶室操作器上显示，包含工作模式切换、成孔动作控制、紧急停机、压力监控等。
（1）手动控制模式下，对凿岩机的回转、冲击，给进力大小均可由一人操作单独控制。
（2）自动控制模式下，现场根据凿岩机技术参数要求和钻进参数要求，调整优化系统预设参数后完成多个成孔，达到设计要求。
（3）两级防卡功能试验。由于边坡位置地质环境松软，难以达到卡钎参数要求，通过更改预设保护参数，人为设置卡钎工况，该功能能正常启动，一级防卡、二级防卡功能均达到设计要求。
（4）遥控及驾驶室操作。主要采用遥控器操作方式完成此项工作，各项功能均能正常工作，同时完成驾驶室内操作，两套操作方式均达到了设计要求。
MG-20S型隧道锚杆钻机主要适用于隧道软弱围岩、断层破碎带二台阶掘进工艺，既可钻掌子面的炮眼孔，又能完成系统锚杆、锁脚锚杆孔的施工，也可用于管棚孔，露天垂直孔、斜孔的施工。该钻机为三段臂组成曲臂式变幅机构，具备全方位钻进姿态调整功能，钻进施工可实现自动/手动控制双模式，自由切换，在自动控制模式下，仅需一个按钮便可控制凿岩机回转、冲击和给进，并可根据工况情况及时调整钻进参数。采用无线遥控操作和驾驶室手动操作一键切换，操作人员远离工作面，安全性高，只需1人操作即可成孔，减轻了工人劳动强度。可实现一键展车、一键收车功能，设备就位和撤离迅速，及时完成锚、钻、注工序和装药、爆破、运渣等工序的高效切换，提高了施工速度、降低安全隐患、减少施工成本，使各种工序专业化、规范化。其结构设计合理，具有小型化、成孔速度快、能效高、使用方便等特点。经生产试验，进一步验证了整机结构、功能、控制系统等性能、参数指标均达到设计技术，能够满足隧道两台阶掘进施工要求。下一步我公司将不断完善、优化设计，为隧道钻爆施工贡献自己的力量。
参考文献
许媛媛，李宗仁，周悦翔.川藏铁路：建好实现第二个百年奋斗目标进程中的标志性工程［N］.人民铁道，2022-06-30（001）. [百度学术]
王刚.川藏铁路大盘已定 工程机械谁在进军极限工程［J］.建设机械技术与管理，2022，35（1）：26-30. [百度学术]
高占奋，王晓辉.国内隧道工程中掘进用凿岩设备市场及技术现状［J］.凿岩机械气动工具，2022，48（3）：54-57. [百度学术]
龙斌，刘志华，肖京.川藏铁路隧道复杂恶劣工况条件下的TBM适应性设计探讨［J］.隧道建设（中英文），2021，41（S2）：626-633. [百度学术]
孙延龙.微台阶法在浅埋软弱围岩隧道中的应用［J］.交通世界（中旬刊），2020（3）：140-141. [百度学术]
黄嘉亿.高速铁路隧道台阶法施工技术参数分析与应用［J］.现代隧道技术，2012，49（3）：77-82. [百度学术]
高轩，王帅帅，王星，等.小断面铁路隧道凿岩台车钻孔施工光面爆破技术研究［J］.现代隧道技术，2022，59（S1）：811-817. [百度学术]
孙伦业，周哲波，马合群.锚杆钻机自动分度数字控制系统的建模与开发［J］.矿山机械，2008，36（19）：10-13. [百度学术]
牛勇，周忠尚，王伟，等.全电脑凿岩台车［J］.凿岩机械气动工具，2022，48（3）：6-12. [百度学术]
罗诗伟，张联库.HMD-7500型多功能全液压锚固钻机的研制［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（3）：44-47. [百度学术]
唐会成.EPEC控制器在锚杆钻臂电液控制中的应用［J］.煤矿机械，2020，41（7）：179-181. [百度学术]
罗诗伟，张联库.HQY-500型全液压钻机的研制［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（3）：46-49. [百度学术]
张华.掘进机控制系统升级改造设计与应用［J］.机械管理开发，2022，37（6）：265-267. [百度学术]
张刚，孙永芳.机械电气安全控制系统设计研究［J］.光源与照明，2021（10）：125-127. [百度学术]
潘丽君，张强.掘锚一体机全自动锚杆钻机的研制［J］.中国新技术新产品，2022（15）：87-90. [百度学术]
张伟，付文庆.三臂凿岩台车钻孔路径优化研究［J］.工程机械，2022，53（12）：32-39，8. [百度学术]
张健.隧道三臂凿岩台车两台阶法施工可行性分析［J］.建筑技术开发，2020，47（24）：64-65. [百度学术]
