2.4 常用凿岩钻孔机械
凿岩钻孔机械种类繁多，水利水电工程施工中，土石方开挖、基础处理、锚固、灌浆等都会使用各种类型的钻机。常用的凿岩钻孔机械有手持式凿岩机、岩芯钻机、锚固钻机、管棚钻机、履带凿岩台车、牙轮钻机、潜孔冲击器等。
2.4.1 手持式凿岩机
手持式凿岩机俗称手风钻，用来钻凿小直径炮孔的钻孔机械。主要用于开挖面狭窄、浅层、建基面保护层和解炮等钻孔爆破作业，配备支腿适用于巷道钻孔作业。各种类型手持式凿岩机见图2-1。
图2-1 各种类型手持式凿岩机示意图
2.4.1.1 手持凿岩机分类
（1）按凿岩机工作动力分为：内燃凿岩机、风动凿岩机、液压凿岩机、电动凿岩机。
（2）按凿岩机操作方式分为：手持式凿岩机、支腿式凿岩机、导轨式凿岩机。
（3）按凿岩机冲击频率分为：一般频率（2500次/min）、高频（2500～5000次/min）。
（4）按凿岩机重量分为：轻型、中型和重型。
2.4.1.2 手持式凿岩机性能参数
内燃、电动凿岩机主要技术参数见表2-4。手持式风动凿岩机主要技术参数见表2-5。支腿式风动凿岩机主要技术参数见表2-6。
表2-4 内燃、电动凿岩机主要技术参数表
表2-5 手持式风动凿岩机主要技术参数表
表2-6 支腿式风动凿岩机主要技术参数表
续表
2.4.2 岩芯钻机
岩芯钻机种类繁多，具有施工作业面适应性强、移动灵活、钻孔精度高、结构简单、维护便捷等特点，能完成地质勘探、地基处理、灌浆孔、检查孔造孔作业，广泛用于水电工程施工中。
回转式岩芯钻机使用较多的是立轴式、导轨式、自行式。通常由回转装置、动力站（液压、电动驱动装置）、空压机、机架（导轨）、控制装置和钻具等组成。
XY系列岩芯钻机，是目前施工现场使用较多的一种机型，由柴油岩芯钻机、电动岩芯钻机驱动（见图2-2）。主要用于地质勘探、取基础岩芯、灌浆孔、检查孔等造孔作业。岩芯钻机主要技术参数见表2-7。
图2-2 XY系列柴油、电动驱动岩芯钻机图
表2-7 岩芯钻机主要技术参数表
续表
2.4.3 锚固钻机
锚固钻机主要用于水电站、铁路、公路边坡、各类地质灾害防治中滑坡及危岩体锚固工程。同时，适用于城市深基坑支护、抗浮锚杆及基础灌浆加固孔、高压旋喷桩、隧道管棚支护等造孔作业。
锚固钻机主要钻进方法有：潜孔锤常规钻进、跟管钻进、螺旋钻进。在不同的复杂地层，采用不同钻进方法，能获得较好造孔效果。
水电工程常用的几种锚固钻机见图2-3～图2-5。
图2-3 MD-50系列轻型锚固钻机图
（1）锚固钻机使用特点。
1）工作环境恶劣。锚固钻机多使用高边坡治理工程，工作环境差，交通不变，钻机的搬运、移位异常困难。在结构上要求锚固钻机轻便、解体性强，搬运、就位快捷。
2）工况复杂。通常边坡处理地质情况复杂，要求锚固钻机能适应多种钻进工艺要求，功能适应性强。
3）锚固工艺质量要求高。随着锚固要求的提高，要求锚固钻机钻孔精度和深度相应提高，对钻机技术性能提出了更高要求。
图2-4 多功能自行式锚固钻机图
图2-5 履带式液压跟管锚固钻机图
根据锚固钻机的使用特点，国内已研发了多款多功能锚固钻机。以MDL系列锚固钻机为例，通过更换钻具，能适应多种钻孔工艺。能适用三翼钻头钻进，泥浆排渣；高压潜孔锤钻进，压缩空气排渣；孔底液动锤钻进，泥浆排渣；套管钻进；钻杆、套管复合钻进；单重、双重、三重旋喷、定喷、摆喷等旋喷工艺。该类钻机钻进速度快，造孔精度高、孔壁质量好，广泛用于各类锚固工程。
（2）锚固钻机构造。锚固钻机从钻机技术性能可分为两种类型：一种是全液压锚固钻机，钻机回转、推进和辅助动作均是以液压为动力，液压工作站由电动机或内燃机驱动；该类钻机使用范围较广、适用孔径和孔深较大，开孔和抗卡钻能力强、操作灵活方便，是目前国内大部分厂家采用的类型；另一种是电动—液压类锚固钻机，该类锚固钻机回转以电动机为动力，推进和辅助动作以液压为动力。
锚固钻机构造一般由主机（动力头、机架）、泵站、操纵台三大构件。结构简单，重量轻，解体性强，便于安装搬迁，适合在高边坡脚手架上施工，亦可装上底架或履带底盘，能适合多种施工场地。
（3）锚固钻机工作方式。锚固钻机主要以回转、推进、配气动潜孔冲击器钻进为主。多功能锚固钻机也可以通过更换钻具，进行螺旋钻进和旋喷钻进。适合钻杆钻进、套管钻进、旋喷钻进等工法。
（4）锚固钻机技术性能参数。部分型号锚固钻机主要技术参数见表2-8。
表2-8 部分型号锚固钻机主要技术参数表
2.4.4 管棚钻机
管棚钻机属锚固钻机类，是管棚法施工中关键设备。管棚超前支护法是近些年发展起来的一种在软弱围岩中进行隧道掘进的新技术，随着管棚施工技术广泛应用，专用管棚钻机应运而生，其作用是沿着隧道断面外轮廓超前钻进并安设管棚。管棚支护具有支护能力强、支护深度大、工序简单、安全性高等特点，被认为是隧道施工中解决挂口、塌方、软弱围岩等最有效的施工方法之一。管棚施工法在城市地下管道、铁路等暗挖工程中也被广泛采用。
（1）管棚施工工艺。管棚施工工艺一般顺序为：钻机就位—钻孔定位—钻孔（跟入灌浆钢管）—清洗孔—顶入注浆钢管—压力注入水泥浆—检查灌浆质量—形成管棚。
（2）管棚钻机分类。管棚钻机可分为坑道、定（导）向、夯管锤管棚钻机等。结构型式上有机架式和履带自行式管棚钻机。管棚钻机按其钻孔方式有：冲击式、回转式、冲击回转式、套管跟进式等多种钻进形式，增强了对施工工艺的适应性。在操作控制上采用机电液一体化控制，自动化程度大大提高。通过更换不同钻具和装置，还适用于预应力锚固孔、围堰加固、高压旋喷导引孔、排水孔等多种钻孔作业。
（3）管棚钻机主要技术参数。部分型号管棚钻机主要技术参数见表2-9。
表2-9 部分型号管棚钻机主要技术参数表
2.4.5 履带凿岩台车
履带凿岩台车是土石方爆破工程主要钻孔机械。一般配有大功率、高性能液压凿岩机或风动潜孔冲击器，配备接杆器，能完成孔径70～150mm、深20m钻孔作业，广泛用于露天矿山、采石场开采、水电、交通等工程爆破孔和预裂孔的钻孔作业。
（1）履带凿岩台车特点。履带凿岩台车属冲击回转钻机，能独立完成凿岩作业钻孔定位、钻孔、自动接杆、钻机移位等工作。其主要特点是：操作简便、机动灵活、钻孔作业辅助时间少、钻孔效率高，是土石方开挖工程钻孔作业最常用的机械。
（2）履带凿岩台车分类。履带凿岩台车按结构形式可分为整体式和分体式。整体式又可分为顶驱式全液压凿岩台车和风动潜孔凿岩台车，分体式多为风动潜孔凿岩台车，一般由凿岩台车和空压机两部分组成。履带凿岩台车见图2-6。
图2-6 履带凿岩台车图
（3）履带凿岩台车构造。履带凿岩台车为便于在作业面行走多为履带式。主要构造由工作装置（凿岩机、钻臂、推进器、接杆器、钻杆和钻头）；动力装置（发动机、液压系统、空压系统）；辅助系统（操作系统、电气系统、集尘系统）；底盘（机架、行走装置）四大部分组成。有整体式和分体式，其区别在于分体式把凿岩台车空压系统独立出来，整机分为两个行走底盘，现场移动时是由钻机底盘牵引空压机行走。
1）工作装置。
A.凿岩机。履带凿岩台车按凿岩机冲击器布置位置可分为顶驱式和潜孔式。顶驱式一般配备液压凿岩机，凿岩机的旋转和冲击机构为一体，位于钻杆的上端。潜孔式则是凿岩机冲击器位于钻杆前端和钻头一体，作业时冲击器潜入孔底工作，钻孔效率高、精度好。适用于风化严重、破碎、裂隙较多岩层中钻孔。
履带凿岩台车为提高凿岩效率，一般配备了大冲击功率、高扭矩的液压凿岩机或中、高风压风动潜孔冲击器。常用顶驱液压凿岩机技术性能参数见表2-10。
表2-10 常用顶驱液压凿岩机技术性能参数表
①bar为非法定计量单位，1bar=105 Pa=0.1MPa。
B.钻臂、推进器。钻臂多为液压伸缩结构。多数制造厂家为了扩大钻孔覆盖面积，常用液压伸缩折叠臂。推进器由推进梁和推进机构组成，推进器的结构型式多为液压马达—链条推进器。推进梁长度由钻杆确定，用户可根据一次钻孔深度，选择推进梁长度。
C.接杆器。主要功用是自动接、换钻杆，由液压机械手操作控制，接杆器可储存6～8根钻杆，便于接、换钻杆。
2）动力装置。
A.发动机。发动机多为大功率水冷或风冷涡轮增压柴油发动机，为液压泵、空压机提供动力。
B.液压泵。一般为两组泵组成。一组是变量柱塞泵，提供凿岩机工作油压和行走液压马达工作油压；另一组是齿轮泵提供辅助装置工作油压。
C.空气压缩机。一般配备中压、高压螺杆式空气压缩机。全液压凿岩台车吹孔、集尘、凿岩机钎尾油—气润滑等装置提供压力气源；若是潜孔式凿岩台车，空压机主要是给冲击器提供工作气压。
3）操作系统。露天凿岩台车操作控制多为先导控制，有先导液控和电控。在操作系统中还配备了推进冲击、旋转、开孔、防卡钎、反冲击等控制回路，使凿岩作业操作简单、定位快捷、开孔容易、钻孔高效。
4）电气控制系统。电气控制为24V弱电控制，由继电控制器、电—液控阀等组成。
5）集尘装置。露天凿岩台车配有大容量集尘装置，用于收集凿岩时粉尘，以保证作业面清洁。集尘装置由集尘箱、集尘管路、液压马达—风扇、过滤网等组件组成。
6）驾驶室。一般满足ROPS防滚翻和FOPS防落石要求的空调驾驶室。
7）底盘。露天凿岩台车配置履带行走机构。为适应崎岖不平作业面，采用了回转式机架和浮动式行走履带，通过性强，行走方便、稳定。
（4）部分型号顶驱式全液压露天凿岩台车主要技术参数见表2-11。部分型号潜孔冲击式露天凿岩台车主要技术参数见表2-12。
2.4.6 牙轮钻机
牙轮钻机是以牙轮钻头为凿岩工具的自行式钻机。与其他类型的钻机相比，具有钻孔孔径大、钻孔深度深、效率高、成本低、可靠性高等优点，适用于中硬和坚硬岩石的钻孔作业，一般用于大规模土石方开挖和露天煤矿开挖（见图2-7）。
表2-11 部分型号顶驱式全液压露天凿岩台车主要技术参数表
续表
表2-12 部分型号潜孔冲击式露天凿岩台车主要技术参数表
续表
图2-7 牙轮钻机图
（1）牙轮钻机分类。牙轮钻机按孔径大小分为重型（孔径200～300mm）和轻型（孔径为90～150mm）两种；按回转和加压方式不同分为底部回转间断加压式（卡盘式）、底部回转连续加压式（转盘式）和顶部回转连续加压式三种；按动力装置不同分为电力驱动和柴油机驱动。
牙轮钻机系列规格和基本参数见表2-13。
表2-13 牙轮钻机系列规格和基本参数表
（2）牙轮钻机工作原理。牙轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构，通过钻杆对牙轮钻头提供轴压力和回转扭矩，对岩石产生挤压和剪切，达到破碎岩石造孔的目的。岩渣由压缩空气，经钻杆内腔从孔底沿钻杆和孔壁环形空间吹至孔外。
（3）牙轮钻机构造。牙轮钻机主要由底盘、动力装置、工作装置、辅助装置和操作系统五大部分组成。牙轮钻机构造见图2-8。
图2-8 牙轮钻机构造示意图（KY-250型）
1—钻架；2—回转机构；3—钻杆架；4—电机、控制柜；5—操作室；6—除尘装置；7—油压千斤顶；8—履带行走机构
1）底盘。主要由履带行走机构、钻机工作时用于固定用的千斤顶和底盘平台组成。
2）动力装置。钻孔作业时动力，主要由电动机、变压器、开关柜、空压机、电气控制装置等组成，行走时由柴油机驱动。
3）工作装置。由钻架、钻具（钻杆、钻头）、回转机构、加压提升机构、液压夹头等组成。
4）辅助装置。由空气净化装置、除尘装置、液压系统、空压系统、润滑系统等组成。
5）操作系统。由操作室、各类操作手杆、仪表指示盘、显示报警等组成。
（4）影响牙轮钻机钻孔效率的因素。一般情况下，除了岩石物理特性外，影响牙轮钻机钻孔效率有钻机钻压、钻机转速和排渣风量、风压。合理选择牙轮钻机钻压、转速和排渣风量可提高钻孔速度，同时，延长钻头使用寿命，降低工程成本。
钻压和转速配置有两种模式。一种是高钻压低转速。钻压约为300～600kN，转速小于150r/min；另一种是低钻压高转速，钻压约为150～300kN，转速约为250～350r/min。经验数据表明：钻压为300～600kN，转速为150～200r/min，压缩空气强吹排渣，钻孔效率高，钻具磨损少。
1）钻压选取。钻机工作时所需钻压，通常取决于岩石物理特性、钻机钻头直径、钻头类型和推力轴承承载能力。一般情况下。为了能有效破碎岩石，钻压宜取岩石破碎极限强度的1.2～1.5倍。牙轮钻机钻压和钻头直径及岩石普氏系数f值的关系见表2-14。
表2-14 牙轮钻机钻压和钻头直径及岩石普氏系数f值的关系表 单位：kN
2）转速选取。钻机回转速度与钻进速度有直接的关系。一般情况，钻机转速低于150r/min时，钻进速度与转速成正比；超过时，钻进速度并非会随转速的提高而提高，相反，转速过高会直接导致钻头温度升高，磨损加剧，降低使用寿命。对软基岩采用低钻压高转速钻进；硬基岩采用高钻压低转速钻进。
3）排渣风量、风压的选取。排渣风量、风压对钻头使用寿命影响很大。目前一般配置中风压、高风压空气压缩机。风量由钻杆与孔壁之间的气流速度来确定，一般在15～30m/s之间，岩渣比重小的取小值，岩渣比重大和含水量大的取值要大一些。
（5）牙轮钻机技术性能参数。部分型号国产牙轮钻机主要技术参数见表2-15。
表2-15 部分型号国产牙轮钻机主要技术参数表
续表
2.4.7 潜孔冲击器
潜孔冲击器主要配备潜孔式钻机。潜孔冲击器以压缩空气为动力，通过冲击活塞不间断地冲击钻头，破碎岩石，压缩空气通过钻头到孔底，排除岩渣形成炮孔。潜孔冲击器具有钻孔导向性能好、钻孔深、效率高、成孔质量好等特点，在水利水电、铁路、地勘、港口等建设工程中广泛使用。潜孔冲击器外形见图2-9。
图2-9 潜孔冲击器外形图
（1）潜孔冲击器分类。按工作压力潜孔冲击器分为低气压、中气压、高气压潜孔冲击器。按配气结构型式潜孔冲击器分为有阀冲击器和无阀冲击器。
潜孔冲击器的标识如下。
（2）潜孔冲击器主要技术性能指标。潜孔冲击器钻孔效率，通常用冲击功、冲击频率、空气耗量等主要技术性能指标来衡量。
1）冲击功：指冲击活塞冲击钻头的能量。
2）冲击频率：指冲击活塞在单位时间冲击的次数。
3）空气耗量：指冲击器单位时间消耗压缩空气量。
国家规定的低气压、中气压、高气压潜孔冲击器主要技术参数见表2-16。
表2-16 低气压、中气压、高气压潜孔冲击器主要技术参数表
注 1.低气压是在气压为（0.63±0.02）MPa时测得。
2.中气压是在气压为（1.0±0.02）MPa时测得。
3.高气压是在气压为（1.5±0.02）MPa时测得。
（3）潜孔冲击器构造。潜孔冲击器按冲击机构配气方式分为有阀冲击器和无阀冲击器；按压缩空气排渣孔位置分为侧强排和中心强排。潜孔冲击器构造见图2-10。
图2-10 潜孔冲击器构造图
1—钻杆接头；2—密封圈；3—逆止阀；4—调整圈；5—橡胶圈；6—焦点座；7—弹簧；8—配气座；9—内缸；10—外缸；11—活塞；12—O形圈；13—卡环；14—卡钎套；15—钻头
（4）潜孔冲击器与潜孔钻机匹配要求。潜孔钻机为了适应不同种类的岩石和作业需要，一般都有几种潜孔冲击器的配置方案。配置通常考虑岩石特性、作业工况、钻机推压、钻机旋转速度、钻杆直径等因素。潜孔冲击器与潜孔钻机工作参数匹配值见表2-17。
表2-17 潜孔冲击器与潜孔钻机工作参数匹配值
（5）潜孔冲击器钻头配置。根据不同种类岩石和钻孔工艺要求，同种规格潜孔冲击器，可以选择配置不同大小的钻头，以满足不同的钻孔要求。潜孔冲击器钻头配置见表2-18。
表2-18 潜孔冲击器钻头配置表
