凿岩工具及机械

 
一、 钻孔机械分类 
（1）按凿岩原理分为：冲击回转式、旋转碾压式、回转切削式
（2）按原始驱动动力分：风（气）动、液压、电动、内燃机等。
（3）按工程用途分：露天、地下、水下钻孔机械等
二、 凿岩机 
（1）气动凿岩机

气动凿岩机是国内应用最广的凿岩机，但其能量利用率低，凿岩速度慢、噪声大，有被液压凿岩机取代的趋势，隧道内用的最多的是气腿式凿岩机，钻孔直径为32~45mm，钻孔深度5m以下，超过3m时钻孔速度下降较多，国产气动式凿岩机工作气压约为0.4~0.6MPa。最大耗气量为4.9m3.min-1。

（2）液压凿岩机

国外液压凿岩机大多功率在20kW，用于隧道钻孔直径约为33~64mm，露天钻孔用直径则要大一些，在64~102mm，常用的是瑞典Atlas Copco、芬兰Tamrock、日本古河等公司产品具有代表性。

 
气腿式凿岩机
（1）冲击式凿岩工具称为钎子：包括钎头、钎杆、钎肩和钎尾。
（2）一般钎杆、钎肩和钎尾为一个整体。钎杆断面有圆形与中空六边形二种，用得最多的是中空六边形。
（3）钎头有：十字形及一字形等。其中用得最多的为一字形。一字形钎头用于钻凿坚固和韧性的岩石，与其它钻头相比，其结构简单，凿速较高，故应用最广泛，但其缺点是开眼困难，裂隙性岩石易卡钎，直径磨损较快。十字形钎头基本上能克服以上缺点，但与一字形相比，其硬合金片用量较大，制造困难。修磨比较麻烦，坚固性及钻速均差一些。
（4）在隧道施工中人工一般使用气腿式风动凿岩机，台车凿眼时则采用导轨式液压凿岩机。
（5）气腿式风动凿岩机重量一般在30kG才以下，主机安装在气腿上，靠气腿推力钻进，可钻凿水平或倾斜的炮眼，这类凿岩机有YT24、YT26和YT28等。一般是用得最多的是YT28，主要由主机、气腿和风（水）管路等组成 。Y表示岩、T表示腿。
 
液压式支腿式凿岩机

国内厂家研制成功一种支腿式液压凿岩机组，将多把液压钻机组合在一起，由移动式液压站提供动力，克服了风钻噪音大、能耗高的缺陷，弥补了液压凿岩台车价格昂贵之不足。其缺点是易损，故障率过高。下图为国内生产的支腿式液压凿岩机组

其优点是：环境保护较好。液压钻的噪声比人工手持风钻降低10dB--15dB；液压钻也没有像风钻那样的排气，工作面没有雾气，空气较清新。目前液压钻已广泛应用于隧道工程中。

 
液压式凿岩台车

凿岩钻车是将凿岩机构、推进装置、定位装置安装在机械底盘或钻架上进行凿岩作业的设备。国外凿岩台车向全自动化、智能化方向发展，实现远程控制、无人操作或一人操作多机。以下为国外生产的阿特拉斯（ATLAS Copco WE3）三臂全电脑凿岩台车。

国内常用2台汤姆洛克（TOMRACK Axera T12）型三臂液压凿岩台车实施隧道全断面开挖，从台车就位到通风除尘循环时间约为315min

配备2台三臂凿岩台车进行客专或双线大断面隧道凿岩，可分两个作业班组施工。采用凿岩台车进行钻爆施工具有以几方面优点：

（1）人员少：每班每台台车配备3名操作人员。
（2）钻孔速度快：单孔5米深的炮孔成孔时间为3～5分钟。
（3）工效高：利用台车进行全断面开挖钻眼爆破单循环（进尺4.5米）时间能控制在3.5～4小时，比多功能台架钻爆施工工效可提高60～70%。凿岩台车全断面开挖达到270米/月。
（4）一机多用，提高锚杆施工质量：利用凿岩台车施钻系统锚杆眼孔，提高了锚杆的施工效率，有效的控制锚杆的角度及深度。
（5）安全环保有利：钻孔过程中掌子面不需要大量的操作人员及大量的风水管路，利用高压水跟进钻孔，减少掌子面的岩尘。
三、空压机
（1）空压机的分类
       空气压缩机的种类繁多、形式多样。按动力源区分有：内燃驱动、电机驱动；按润滑方式分有：无油式和有油式；按地基基础分有：固定式和移动式；按结构型式分有：回转式、活塞式、膜片式等多种分类形式。其中，活塞式和回转式中的螺杆式、滑片式三种形式较为多见。滑片式主要以小型机为主。
       活塞式空压机功率小，耗电量少，且易于调节供气量，但该类空压机组的重量大，外形尺寸大易损件多，维修工作量大。
        螺杆式压缩机具有结构简单、零件少，外形紧凑，重量轻，维修量少，没有惯性力，基础小，运转可靠等优点，其缺点是造价高，噪声大，并随排气量的增大而增加，在城市中使用时必须用隔声罩或消声器等。
（2）空压机选型原则
       管路长时要考虑压力损失；对于工期长，用气较为集中的应选用固定式，以便于维修及管理，反之 ，则可采用移动式；电动式的运行成本相对较低，供电条件好时应首选电动式空压机；高原地区活塞式容积效率下降较螺杆式大；活塞式空压机中的立式和卧式已基本上淘汰，不宜使用。
（3）空压机选型中主要参数及工作方式的确定
       排气压力的确定：压缩机排气压力的确定比较重要。压力越高，耗电越多。压力太低，则不能驱动风动工具。一般所需压力为管路损耗引起的压力降加上使用压力即为最下限压力。长距离管路输送压缩气的压力降计算公式如下：

 目前，在隧道施工中常用的风动凿岩YT28的工作气压为0.4～0.63MPa，设管路长度为1000m，风管内径150mm，绝对压力8bar，容积流量20m3／min，代入压力降公式计算得压力降△P为0.03ba r，因此在隧道施工中所配置的空压机排气压力选用0.7MPa为宜。选择空压机的气量要与所需的排气量相匹配，并留有20％的余量，一般用以下方法计算。

总排气量的确定，通常的办法是以较小排量的空压机并联取得较大的排气量，随着用气量增大而逐一开机，这样不但对电网有好处，而且能节约能源。在隧道施工中，一般选用多台容积流量为20m 3／min的压缩机并联。空压机的冷却方式分水冷和风冷两种，水冷却方式有四个缺点：a．必须另外配置完备的上下水系统，耗资大；b．浪费大量的水资源；c水冷式冷却器寿命短；d．寒冷地区使用易冻坏气缸。

 随着海拔高度的增加，空气变得稀薄，空压机的进气压力降低，容积效率也随之降低。为了保证与海平面处相同的使用性能，在设备选型时，对内燃机或电动机的功率消耗要加以考虑，压缩机要选择较大的容积流量。如果海平面处修正系数选1.0，一般按海拔每增加300m，按0.03增加修正系数。

在长隧有轨运输施工中，随着隧道的延伸，空压机也要前移，否则因为管路损失过大将造成极大的浪费。隧道施工一般选用的20m3／min的活塞式空压机全是固定机(大于20m3／min的活塞式电动空压机由于结构原因没有移动式的)，由于移动不便，需要投入较多的高压风管，建设在洞内空气质量较好的前提下采用移动式空压站，即空压机进洞方案，以减少投入及降低损耗。

对于无轨运输施工的隧道，由于洞内空气质量一般较差。建议采用洞外固定式空压站方式，以保证用风质量，减少空压机的磨损。

 20m3／min的活塞式空压机购置价每台9万元左右，移动式螺杆机每台25万元左右，差价1 6万元左右，在相同的条件下，电动压缩机折旧年限1 0年，则在1 0年中活塞机的一般消耗比螺杆机多：而且，活塞机随使用年限增加维修费用成倍增加。因此，在性价比上，螺杆机优于活塞机。

空压站内的空压机台数一般在3~6台，备用量应大于计算供气量的20%左右，但备用量不应少于1台。

对于250km/h的高铁隧道全断面施工而言（单洞双线），一般常配约30把风动式凿岩机，由5~6台常用的20m3/min空压机供风（1台备用），共约100m3风供30把风钻使用。实际施工中每把YT28风钻平均耗气量为3m3/min，28把共耗风量28*3=84m3/min。平均进尺约3.5m，眼数约160个，钻眼耗时约为6h。