CN101260784A - 隧道超前支护风循环钻进施工方法及钻具 - Google Patents

隧道超前支护风循环钻进施工方法及钻具 Download PDF

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Abstract

一种隧道超前支护风循环钻进施工方法，施工步骤如下：先安装钻具，然后将钻具沿轨道移到指定孔位，根据隧道方位线调整钻具的方位角，使钻具与隧道方位线平行，将钻机与机架紧固。继而开启空气压缩机，风压控制在0.4MPa以上，然后开启钻机，使钻杆向土体匀速钻进，压缩空气经钻管内腔送到钻头部位，风冷钻头，并将钻屑通过钻管与土体之间的隙缝吹出钻孔之外。在钻头内部可安装导向钻进装置。最后终孔注浆，注浆管向钻管内腔压注水泥浆，水泥浆对钻管内腔和钻管外的环状间隙进行充填及压注，再转入下一孔位施工。解决了在土层特别是第四系新黄土地区管棚支护施工中安全、快速钻进的问题，可避免发生土方塌陷，防止发生安全隐患。

Description

隧道超前支护风循环钻进施工方法及钻具
所属技术领域
本发明涉及一种隧道工程中超前支护方法，特别是一种管棚的施工方法。
背景技术
管棚是地下空间建造施工中常用的预支护方法。是在开挖前将一排近水平排列的钢管打入待开挖空间的上方并注浆，形成一个棚状保护结构，用来保护开挖工作安全进行。管棚施工有钻孔法、顶管法和夯管法。按照破碎岩土的方式可分为冲击钻进和回旋钻进。冲击钻进一般用于较硬地层如各种岩石和沙卵石地层，是用压缩空气驱动潜孔冲击器来破碎地层的。回旋钻孔法是用水平钻机将钢管安装进地层中，由钻机通过钻管驱动钻头回旋切削地层，钻进过程中必须用冲洗液来冷却、润滑钻头并带出钻屑。冲洗液又叫泥浆，由水加膨润土等物质配置而成。
然而，在我国第四系新黄土地区，隧道工程施工的地层构造主要是由新黄土构成，由于土中胶黏物质较少，在含水量较少的情况下，很容易碎裂松散，在湿陷性黄土中施工管棚时，如使用传统的回旋钻进方法，冲洗液容易造成周围地层浸水变软，造成自然结构破坏，产生土层塌陷的安全问题，并且钻孔方向也难于控制。因此在这种土层中进行超前支护施工是一个急需解决的技术难题。
发明内容
本发明提供一种隧道超前支护风循环钻进施工方法，要解决在第四系新黄土地区管棚支护施工中安全、快速钻进的问题，并解决保护隧道周围土体、避免发生塌陷、防止产生安全隐患的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
这种隧道超前支护风循环钻进施工方法，其特征在于施工步骤如下：
步骤1，钻具安装，将撑子面前的工作面整平，轨道与撑子面平行并与隧道轴线垂直铺设，在轨道上搭设机架，将用作管棚钢管的钻管水平支撑于机架上的钻机滑架之上，钻管的前端与头部开有出风口的钻头连接，钻管的后端由丝扣与钻机回转动力头驱动连接，钻机回转动力头与钻机的推进机构连接，钻管、钻机的内腔与风管连通，风管末端与空气压缩机的风包连通。
步骤2，将钻具沿轨道移到指定孔位，根据隧道方位线调整钻具的方位角，使钻具与隧道方位线平行，将钻机与机架紧固。
步骤3，开启空气压缩机，风压控制在0.4Mpa以上，然后开启钻机，使钻杆向土体匀速钻进，压缩空气自风包、风管经钻管内腔送到钻头部位，风冷钻头，并将钻屑通过钻管与土体之间的隙缝吹出钻孔之外，钻杆钻进的初始倾角是1至6度。
步骤4，终孔注浆，单孔打设验收合格后，将钻管后端与钻机分离，并将钻管后端与注浆管连通，注浆管向钻管内腔压注水泥浆，水泥浆对钻管内腔和由钻头部位的出风口向钻管外的环状间隙进行压浆，再转入下一孔位施工。
另一技术方案：
上述步骤1中，在钻头前部连接导向板，钻头内部安装导向探棒，导向探棒由支撑固定于钻头内壁，导向探棒由信号线与外部的显示屏和导向钻进装置连接。终孔后钻管最前端在隧道开挖线外的2米范围之内。导向钻进的钻进初始倾角是0.1至5度。导向探棒后部连接钢丝绳22，在获取相关钻进及钻具参数后，可以将导向探棒拽引取出。
上述步骤4后，每打设完成一根钻管现场须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录，每打设完成20米，用探棒后部灯光，用经纬仪进行一次左右测斜，如偏差大于0.3度时，及时纠偏。
上述步骤4中，采用跟踪注浆，管棚打设完后立即注浆，注浆压力大于0.6Mpa，机架由行走油缸驱动。
这种隧道超前支护风循环钻进施工钻具，包括钻机和支撑钻机的机架，其特征在于：
机架位于工作面的轨道上，轨道与撑子面平行并与隧道轴线垂直铺设，用作管棚钢管的钻管水平支撑于机架上的钻机滑架之上，钻管的前端与头部开有出风口的钻头连接，钻管的后端由丝扣与钻机回转动力头驱动连接，钻机回转动力头与钻机的推进机构连接，钻管、钻机的内腔与风管连通，风管末端与空气压缩机的风包连通。
上述机架可包括底盘、横梁和立柱，两立柱之间连接斜拉筋和横拉筋，立柱上端与横梁之间连接提升葫芦。
上述钻头前部可连有导向板，钻头内部安有导向探棒，导向探棒由信号线与外部的显示屏和导向钻进装置连接。
本方法用钻头切削土体，与以往的回旋钻进不同的是不用冲洗液，而代之以压缩空气，压缩机输出的压缩空气通过钻管送到钻头，用于冷却钻头，并将钻屑通过钻管于土体之间的隙缝吹出钻孔之外。当施工较长管棚时，可配导向仪导向钻进，以保证施工精度。用无水风动空气钻进的方法干式破碎土层，进行管棚支护施工，可保证隧道周围土体不受影响。钻孔碎屑可以用压缩空气吹出钻孔。
本发明可采用风动导向跟管钻进施工方法进行管棚施工，即将管棚钢管加工成钻管，利用水平导向钻机将管棚钢管加工成的钻管分节钻入。钻入时利用空气压缩机产生的高压空气将钻渣吹出孔外，利用有线导向仪器控制钻管的打设精度。
本发明的有益效果是：
(1)、采用无水作业可避免对地层造成较大扰动，保证施工安全。
(2)、利用导向跟管钻进技术可实时控制打设精度，保证施工精度。
(3)、一次性长距离打设可避免中间搭接。
(4)、管内进气、管外出气，可保证长距离打设而不会卡钻。
(5)、在管棚施工中用管棚钢管代替钻管，前端加钻头直接钻入地层，实现跟管钻进施工。
本发明可适应西北地区第四系新黄土地区地质情况，适用于以西北地区新黄土地区隧道管棚的施工需要。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明钻具的结构示意图。
图2是钻头的结构示意图。
附图标记：1-轨道、2-底盘、3-横梁、4-立柱、5-风包、6-风管、7-钻机回转动力头、8-钻机滑架、9-钻管、10-钻头、11-提升葫芦、12-斜拉筋、13-横拉筋、14-出风口、15-导向板、16-导向探棒、17-支撑、18-信号线、19-工作面、20-撑子面、21-钻机的推进机构、22-钢丝绳。
(五)具体实施方式
实施例一参见图1所示，这种隧道超前支护风循环钻进施工方法的施工步骤如下：
步骤1，钻具安装，将撑子面20前的工作面19整平，轨道1与撑子面20平行并与隧道轴线垂直铺设，在轨道1上搭设机架，机架侧面、上下用斜拉筋绷紧，底座四角用钢垫板高强螺栓加固，钻机放在二根用来提升的横梁上，在四根立柱的顶端分别挂手拉葫芦来提升放钻机的横梁，横梁与立柱用卡瓦连接，机架用行走油缸移动。将用作管棚钢管的钻管9水平支撑于机架上的钻机滑架8之上，钻管的前端与头部开有出风口的钻头10连接，钻管的后端由丝扣与钻机回转动力头7驱动连接，钻机回转动力头7与钻机的推进机构21连接，钻管、钻机的内腔与风管6连通，风管末端与空气压缩机的风包5连通。
步骤2，将钻具沿轨道1移到指定孔位，根据隧道方位线调整钻具的方位角，使钻具与隧道方位线平行，将钻机与机架紧固。机架侧面、上下用斜拉筋和横拉筋绷紧，底座四角用钢垫板高强螺栓加固，横梁与立柱用卡瓦卡紧，横梁的提升设备为手拉葫芦。
步骤3，开启空气压缩机，风压控制在0.4Mpa以上，然后开启钻机，使钻杆向土体匀速钻进，钻进初始倾角使1至6度。压缩空气自风包、风管经钻管内腔送到钻头部位，风冷钻头，并将钻屑通过钻管与土体之间的隙缝吹出钻孔之外。
步骤4，终孔注浆，单孔打设验收合格后，将钻管后端与钻机分离，并将钻管后端与注浆管连通，注浆管向钻管内腔压注水泥浆，水泥浆对钻管内腔和由钻头部位的出风口向钻管外的环状间隙进行压浆，再转入下一孔位施工。
最后测量钻进倾角，打设完成后应及时总结，计算平均倾角(应将隧道坡度考虑在内)，为下一孔位施工的钻进初始倾角提供参考依据。如果偏差不合要求，拔出已打管棚，注入混合浆液，待浆液固结后重打。
实施例二参见图2所示，这种隧道超前支护风循环钻进施工方法的施工方法与实施例一的区别是钻头还与导向钻进装置连接，其施工步骤如下：
步骤1，钻具安装，将撑子面20前的工作面19整平，轨道1与撑子面20平行并与隧道轴线垂直铺设，在轨道1上搭设机架，将用作管棚钢管的钻管9水平支撑于机架上的钻机滑架8之上，钻管的前端与头部开有出风口的钻头10连接，钻头前部连接导向板15，钻头内部安装导向探棒16，导向探棒由支撑固定于钻头内壁，导向探棒16由信号线与外部的显示屏和导向钻进装置连接。导向探棒必须安装牢靠，不许旋转和移动，探棒后部加装灯光以备随时测斜之用，无导向钻进时则不用安装导向探棒。钻管的后端由丝扣与钻机回转动力头7驱动连接，钻机回转动力头7与钻机的推进机构21连接，钻管、钻机的内腔与风管6连通，风管末端与空气压缩机的风包5连通。
步骤2，将钻具沿轨道1移到指定孔位，根据隧道方位线调整钻具的方位角，使钻具与隧道方位线平行，将钻机与机架紧固。
步骤3，开启空气压缩机，风压控制在0.4Mpa以上，然后开启钻机，使钻杆向土体匀速钻进，钻杆钻进的初始倾角是0.1至5度。压缩空气自风包、风管经钻管内腔送到钻头部位，风冷钻头，并将钻屑通过钻管与土体之间的隙缝吹出钻孔之外。
步骤4，终孔注浆，单孔打设验收合格后，将钻管后端与钻机分离，并将钻管后端与注浆管连通，注浆管向钻管内腔压注水泥浆，水泥浆对钻管内腔和由钻头部位的出风口向钻管外的环状间隙进行压浆，再转入下一孔位施工。
每打设完成一根钻管现场须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录，打设到20米，用探棒后部灯光，用经纬仪进行一次左右测斜，如偏差大于0.3度时，及时纠偏。
采用跟踪注浆，管棚打设完后立即注浆，注浆压力大于0.6Mpa，机架由行走油缸驱动。
一种隧道超前支护风循环钻进施工钻具，包括钻机和支撑钻机的机架，其特征在于：
机架位于工作面19的轨道1上，轨道与撑子面20平行并与隧道轴线垂直铺设，用作管棚钢管的钻管9水平支撑于机架上的钻机滑架8之上，钻管的前端与头部开有出风口的钻头10连接，钻管的后端由丝扣与钻机回转动力头7驱动连接，钻机回转动力头7与钻机的推进机构21连接，钻管、钻机的内腔与风管6连通，风管末端与空气压缩机的风包5连通，可用8立方以上的空气压缩机。
上述机架包括底盘2、横梁3和立柱4，两立柱之间连接斜拉筋12和横拉筋13，立柱上端与横梁之间连接提升葫芦11。
钻具实施例二：上述钻头前部连有导向板，导向板向上微倾，倾角为10至20度，钻头内部安有导向探棒，导向探棒由信号线与外部的显示屏和导向钻进装置连接，导向探棒后部连接钢丝绳22，用于在获取相关钻进及钻具参数后，可以将导向探棒拽引取出。
本方法可配楔形、梯形、锥形等各种形状的钻头，钻机和空气压缩机可根据钢管直径和管棚长度适当配置，钻机回转动力头与钻机的推进机构连接，钻机一般可用5吨以上的水平液压钻机。

Claims (10)

1. 一种隧道超前支护风循环钻进施工方法，其特征在于施工步骤如下：
步骤1，钻具安装，将撑子面(20)前的工作面(19)整平，轨道(1)与撑子面(20)平行并与隧道轴线垂直铺设，在轨道(1)上搭设机架，将用作管棚钢管的钻管(9)水平支撑于机架上的钻机滑架(8)之上，钻管的前端与头部开有出风口的钻头(10)连接，钻管的后端由丝扣与钻机回转动力头(7)驱动连接，钻机回转动力头(7)与钻机的推进机构(21)连接，钻管、钻机的内腔与风管(6)连通，风管末端与空气压缩机的风包(5)连通；
步骤2，将钻具沿轨道(1)移到指定孔位，根据隧道方位线调整钻具的方位角，使钻具与隧道方位线平行，将钻机与机架紧固；
步骤3，开启空气压缩机，风压控制在0.4Mpa以上，然后开启钻机，使钻杆向土体钻进，压缩空气自风包、风管经钻管内腔送到钻头部位，风冷钻头，并将钻屑通过钻管与土体之间的隙缝吹出钻孔之外；
步骤4，终孔注浆，单孔打设验收合格后，将钻管后端与钻机分离，封闭钻管后端，并在钻管后端安装注浆管及排气管，将钻管后端的注浆管与注浆胶管连通，封好孔口，注浆管向钻管内腔压注水泥浆，水泥浆对钻管内腔和由钻头部位的出风口向钻管外的环状间隙进行压浆，再转入下一孔位施工。
2. 根据权利要求1所述的隧道超前支护风循环钻进施工方法，其特征在于：上述步骤3中，钻杆钻进的初始倾角为1至6度。
3. 根据权利要求1所述的隧道超前支护风循环钻进施工方法，其特征在于：上述步骤1中，在钻头前部连接导向板(15)，钻头内部可安装导向探棒(16)，导向探棒由支撑固定于钻头内壁，导向探棒(16)由信号线与外部的显示屏和导向钻进装置连接。
4. 根据权利要求3所述的隧道超前支护风循环钻进施工方法，其特征在于：上述步骤3中，终孔后钻管最前端在隧道开挖线外的2米范围之内。
5. 根据权利要求3所述的隧道超前支护风循环钻进施工方法，其特征在于：上述导向探棒后部连接钢丝绳(22)，在获取相关钻进及钻具参数后，将导向探棒拽引取出。
6. 根据权利要求1或3所述的隧道超前支护风循环钻进施工方法，其特征在于：上述步骤4后，每打设完成一根钻管现场须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录，每打设完成20米，用探棒后部灯光，用经纬仪进行一次左右测斜，如偏差大于0.3度时，及时纠偏。
7. 根据权利要求1或3所述的隧道超前支护风循环钻进施工方法，其特征在于：上述步骤4中，采用跟踪注浆，管棚打设完后立即注浆，注浆压力大于0.6Mpa，机架由行走油缸驱动。
8. 一种隧道超前支护风循环钻进施工钻具，包括钻机和支撑钻机的机架，其特征在于：
机架位于工作面(19)的轨道(1)上，轨道与撑子面(20)平行并与隧道轴线垂直铺设，用作管棚钢管的钻管(9)水平支撑于机架上的钻机滑架(8)之上，钻管的前端与头部开有出风口的钻头(10)连接，钻管的后端由丝扣与钻机回转动力头(7)驱动连接，钻机回转动力头(7)与钻机的推进机构(21)连接，钻管、钻机的内腔与风管(6)连通，风管末端与空气压缩机的风包(5)连通。
9. 根据权利要求8所述的隧道超前支护风循环钻进施工方法，其特征在于：上述机架包括底盘(2)、横梁(3)和立柱(4)，两立柱之间连接斜拉筋(12)和横拉筋(13)，立柱上端与横梁之间连接提升葫芦(11)。
10. 根据权利要求8或9所述的隧道超前支护风循环钻进施工方法，其特征在于：上述钻头前部连有导向板，钻头内部安有导向探棒，导向探棒由信号线与外部的显示屏和导向钻进装置连接。
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