CN102913252B - 一种自进式岩石隧道连续掘进装置和方法 - Google Patents

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一种自进式岩石隧道连续掘进装置和方法，属于在地下开挖岩石类隧道或管道的施工领域。本发明利用在掘进装置前方岩石中先行钻凿超前钻孔，后续向已完成的岩石钻孔中旋入攻丝钻头，形成岩石内螺纹，再向岩石螺纹内旋入螺旋管，螺旋管在向螺纹内的旋进过程中，将拉动后方与之用推力轴承相连接的掘进装置体前行，从而在岩石隧道掘进装置前方的刀盘切削下，掘进装置不间断地掘进施工，实现岩石隧道连续掘进。

Description

一种自进式岩石隧道连续掘进装置和方法
技术领域
本发明涉及一种在岩石隧道掘进中，采用先在岩土体中钻凿超前钻孔、后对超前钻孔内岩石攻丝形成螺旋纹、再用螺旋杆或螺旋管沿着螺旋纹旋入，从而带动螺旋杆或螺旋管后端的刀盘切削扩孔形成岩石隧道的掘进装置及掘进方法，为地下隧道施工技术提供了一种新型的可在岩石中具有连续自行进前行的掘进装置和方法，为地下空间的更加充分地开发利用提供了技术支持，属于在地下开挖岩石类隧道或管道的施工领域。
背景技术
目前，地下工程岩石隧道修建中使用的岩石隧道掘进装置（TBM-Tunnel Boring Method），多采用单护盾或双护盾掘进装置，掘进装置前方刀盘切削岩土体所需的推力是依赖于掘进装置后方的外伸撑靴与周围岩体撑紧所产生的摩擦反力。这种方式的缺点是掘进装置每进行一个循环，均需要刀盘的间歇停顿来实现掘进装置向前的多步骤换步工作。在掘进装置一般本来只有总工作的20%～50%用于掘进的纯作业时间情况下，还要从中必须保证5%～15%的换步时间。因此，降低了掘进装置的利用率，影响了隧道施工工期，进而劣化了工程的经济效益和社会效益。
此外，现有岩石隧道掘进装置采用向隧道洞壁撑紧撑靴产生摩擦力为掘进装置前行提供反力的方式，对洞壁的岩石性质、撑紧力的数值合理性等因素要求较高，制约了掘进装置的应用范围和掘进装置前行施工的有效性。撑靴对洞周的撑紧和释放也对周边岩体造成扰动，影响到周边敏感岩体的稳定性。
发明内容
为了实现岩石隧道掘进装置在岩体中连续掘进和对周边岩体减少影响，开发一种不依赖目前常用隧道掘进装置向周围岩体撑紧提供反力、必须采用间歇换步前行的新型掘进装置。本发明采用如下技术方案：
一种自进式岩石隧道连续掘进装置，其包括有超前钻孔钻杆5，安装在超前钻孔钻杆5前端的超前钻孔钻头2、套装在超前钻孔钻杆5上的位于超前钻孔钻头2后的岩石攻丝钻头6，套装在超前钻孔钻杆5上的位于岩石攻丝钻头6后的螺旋管11、与掘进装置外筒体19固定连接的螺旋管端部推力盘16，超前孔钻杆5的另一端安装在掘进装置外筒体19的内部，在钻杆驱动扭矩15的作用下，钻成超前钻孔3。
螺旋管11后部的无螺旋部位上套装有岩土体切削刀盘12，在螺旋管11的末端通过推力轴承17设置有用于提供推力的螺旋管端部推力盘16；岩石攻丝钻头6与螺旋管11之间设置有用于攻丝所残生的碎岩石排出的岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7，螺旋管过渡段7的结构为无螺旋的管状机构，且螺旋管过渡段7的孔径大小小于或等于攻丝后钻孔的孔径大小；超前钻孔钻杆5中设置有与钻孔冲洗液入口21相通并且连通至超前钻孔钻头2的超前钻孔钻杆中心孔4，超前钻孔钻杆中心孔4用于进水，从而清洗在钻杆5前端安装的钻头2切削下来的岩渣；在超前钻孔钻杆5和螺旋杆11之间设置有与岩屑混合液出口18相连的超前钻杆外与螺旋管内环形空间10；岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7上设置有连通超前钻杆外与螺旋管内环形空间10与螺旋管11外空间的螺旋管出渣孔8。
刀盘12，螺旋管11，钻杆5互相独立，分别有各自的扭矩驱动源来驱动。
岩石攻丝钻头6和螺旋管11为一体结构或分体结构。
所述连续掘进装置的掘进方法,在欲掘进的岩石隧道前方的岩土体1中，利用超前钻孔钻头2，钻杆驱动扭矩15的作用在超前钻孔钻杆5上，先行钻进形成一个已钻成超前钻孔3，超前钻孔钻头2在钻进过程中切削岩土体1形成的岩石碎屑通过超前钻孔钻杆中心孔4从钻孔冲洗液入口21进入的液体冲洗并携带到超前钻孔钻杆5外侧的超前钻杆外与螺旋管内环形空间10内。
后续跟进的岩石攻丝钻头6在已钻成超前钻孔3上切削孔边岩石，形成已攻丝完成的岩石螺旋孔隙9。攻丝切削下来的岩石碎屑进入到岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7内，并通过螺旋管出渣孔8进入超前钻杆外与螺旋管内环形空间10内，与已进入此空间的超前钻孔时的岩石碎屑混合液混合，二者的混合液体通过超前钻杆外与螺旋管内环形空间10从岩屑混合液出口18排出。
岩石攻丝钻头6和螺旋管11可以是连成一体或分为二体，当分为二体时需分别使用扭矩源驱动。当连成一体使用时，岩石攻丝钻头6在攻丝和螺旋管驱动扭矩14的作用下旋转攻丝切削，在已钻成超前钻孔3周边形成已攻丝岩石螺旋空隙9的同时，螺旋管11沿着已攻丝岩石螺旋空隙9旋转，螺旋管11在轴向上向超前钻孔钻头2的前方岩土体1移动，向位于螺旋管后方的推力轴承17施加推力，推力作用在与掘进装置外筒体19固定连接的螺旋管端部推力盘16上，又将此推力施加到与掘进装置外筒体19相连接的岩土体切削刀盘12上，在此推力作用下，岩土体切削刀盘12在刀盘驱动扭矩13的作用下旋转切削岩土体1，使掘进装置外筒体19向前移动，形成已开挖完成隧道20，并保证了掘进的连续不间断前行。
本发明可以取得如下有益效果：
本发明利用在掘进装置前方岩石中先行钻凿超前钻孔，后续向已完成的岩石钻孔中旋入攻丝钻头，形成岩石内螺纹，再向岩石螺纹内旋入螺旋管，螺旋管在向螺纹内的旋进过程中，将拉动后方与之用推力轴承相连接的掘进装置体前行，从而在岩石隧道掘进装置前方的刀盘切削下，掘进装置不间断地掘进施工，实现岩石隧道连续掘进。
附图说明
图1：本发明的自进式岩石隧道连续掘进装置的结构图；
图2：为图1中A部位的局部放大图；
图3：为图1中B部位的局部放大图；
图中：1-岩土体；2-超前钻孔钻头；3-已钻成超前钻孔；4-超前钻孔钻杆中心孔；5-超前钻孔钻杆；6-岩石攻丝钻头；7-岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段；8-螺旋管出渣孔；9-已攻丝岩石螺旋空隙；10-超前钻杆外与螺旋管内环形空间；11-螺旋管；12-岩土体切削刀盘；13-刀盘驱动扭矩；14-攻丝和螺旋管驱动扭矩；15-钻杆驱动扭矩；16-螺旋管端部推力盘；17-推力轴承；18-岩屑混合液出口；19-掘进装置外筒体；20-已开挖完成隧道；21-钻孔冲洗液入口。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明。
如图1所示：一种自进式岩石隧道连续掘进装置，其包括有超前钻孔钻杆5，安装在超前钻孔钻杆5前端的超前钻孔钻头2、套装在超前钻孔钻杆5上的位于超前钻孔钻头2后的岩石攻丝钻头6，套装在超前钻孔钻杆5上的位于岩石攻丝钻头6后的螺旋管11、与掘进装置外筒体19固定连接的螺旋管端部推力盘16，超前孔钻杆5的另一端安装在掘进装置外筒体19的内部，在钻杆驱动扭矩15的作用下，钻成超前钻孔3。
螺旋管11后部的无螺旋部位上套装有岩土体切削刀盘12，在螺旋管11的末端通过推力轴承17设置有用于提供推力的螺旋管端部推力盘16；岩石攻丝钻头6与螺旋管11之间设置有用于攻丝所产生的碎岩石排出的岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7，螺旋管过渡段7的结构为无螺旋的管状机构，且螺旋管过渡段7的孔径大小小于或等于攻丝后钻孔的孔径大小；超前钻孔钻杆5中设置有与钻孔冲洗液入口21相通并且连通至超前钻孔钻头2的超前钻孔钻杆中心孔4；在超前钻孔钻杆5和螺旋杆11之间设置有与岩屑混合液出口18相连的超前钻杆外与螺旋管内环形空间10；岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7上设置有连通超前钻杆外与螺旋管内环形空间10与螺旋管11外空间的螺旋管出渣孔8。
刀盘12，螺旋管11，钻杆5互相独立，分别有各自的扭矩驱动源来驱动。
岩石攻丝钻头6和螺旋管11为一体结构或分体结构。
如图2和图3所示，在A放大图和B放大图中，说明钻孔和攻丝二种对岩石切削作用所产生的岩渣的排出方式。因此，钻杆5的中心孔4进水，超前钻杆外与螺旋管内环形空间10为冲洗钻头切削的岩渣和攻丝钻头切削岩渣冲洗液提供通道是很重要的。
所述连续掘进装置的掘进方法,在欲掘进的岩石隧道前方的岩土体1中，利用超前钻孔钻头2，通过钻杆驱动扭矩15的作用，经过超前钻孔钻杆5传递扭矩，先行钻进形成一个已钻成超前钻孔3，超前钻孔钻头2在钻进过程中切削岩土体1形成的岩石碎屑通过超前钻孔钻杆中心孔4从钻孔冲洗液入口21进入的液体冲洗并携带到超前钻孔钻杆5外侧的超前钻杆外与螺旋管内环形空间10内。
后续跟进的岩石攻丝钻头6在已钻成超前钻孔3上切削孔边岩石，形成已攻丝完成的岩石螺旋孔隙9。攻丝切削下来的岩石碎屑进入到岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7内，并通过螺旋管出渣孔8进入超前钻杆外与螺旋管内环形空间10内，与已进入此空间的超前钻孔时的岩石碎屑混合液混合，二者的混合液体通过超前钻杆外与螺旋管内环形空间10从岩屑混合液出口18排出。
岩石攻丝钻头6和螺旋管11可以是连成一体或分为二体，当分为二体时需分别使用扭矩源驱动。当连成一体使用时，岩石攻丝钻头6在攻丝和螺旋管驱动扭矩14的作用下旋转攻丝切削，在已钻成超前钻孔3周边形成已攻丝岩石螺旋空隙9的同时，螺旋管11沿着已攻丝岩石螺旋空隙9旋转，螺旋管11在轴向上向超前钻孔钻头2的前方岩土体1移动，向位于螺旋管后方的推力轴承17施加推力，推力作用在与掘进装置外筒体19固定连接的螺旋管端部推力盘16上，又将此推力施加到与掘进装置外筒体19相连接的岩土体切削刀盘12上，在此推力作用下，岩土体切削刀盘12在刀盘驱动扭矩13的作用下旋转切削岩土体1，使掘进外筒体19向前移动，形成已开挖完成隧道20，并保证了掘进的连续不间断前行。
本发明利用在掘进装置前方岩石中先行钻凿超前钻孔，后续向已完成的岩石钻孔中旋入攻丝钻头，形成岩石内螺纹，再向岩石螺纹内旋入螺旋管，螺旋管在向螺纹内的旋进过程中，将拉动后方与之用推力轴承相连接的掘进装置体前行，从而在岩石隧道掘进装置前方的刀盘切削下，掘进装置不间断地掘进施工，实现岩石隧道连续掘进。

Claims (4)

1.一种自进式岩石隧道连续掘进装置，其特征在于：其包括有超前钻孔钻杆(5)，安装在超前钻孔钻杆(5)前端的超前钻孔钻头(2)、套装在超前钻孔钻杆(5)上的位于超前钻孔钻头(2)后的岩石攻丝钻头(6)，套装在超前钻孔钻杆(5)上的位于岩石攻丝钻头(6)后的螺旋管(11)、与掘进装置外筒体(19)固定连接的螺旋管端部推力盘(16)，超前孔钻杆(5)的另一端安装在掘进装置外筒体(19)的内部，在钻杆驱动扭矩(15)的作用下，钻成超前钻孔(3)；螺旋管(11)后部的无螺旋部位上套装有岩土体切削刀盘(12)，在螺旋管(11)的末端通过推力轴承(17)设置有用于提供推力的螺旋管端部推力盘(16)；岩石攻丝钻头(6)与螺旋管(11)之间设置有用于攻丝所残生的碎岩石排出的岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段(7)，螺旋管过渡段(7)的结构为无螺旋的管状机构，且螺旋管过渡段(7)的孔径大小小于或等于攻丝后钻孔的孔径大小；超前钻孔钻杆(5)中设置有与钻孔冲洗液入口(21)相通并且连通至超前钻孔钻头(2)的超前钻孔钻杆中心孔(4)，超前钻孔钻杆中心孔(4)用于进水，从而清洗在钻杆(5)前端安装的钻头(2)切削下来的岩渣；在超前钻孔钻杆(5)和螺旋杆(11)之间设置有与岩屑混合液出口(18)相连的超前钻杆外与螺旋管内环形空间(10)；岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段(7)上设置有连通超前钻杆外与螺旋管内环形空间(10)与螺旋管(11)外空间的螺旋管出渣孔(8)。
2.根据权利要求1所述的一种自进式岩石隧道连续掘进装置，其特征在于：所述刀盘(12)，螺旋管(11)，钻杆(5)互相独立，分别由各自的扭矩驱动源来驱动。
3.根据权利要求1所述的一种自进式岩石隧道连续掘进装置，其特征在于：岩石攻丝钻头(6)和螺旋管(11)为一体结构或分体结构。
4.权利要求1至权利要求3任一权利要求所述连续掘进装置的掘进方法,其特征在于：在欲掘进的岩石隧道前方的岩土体(1)中，利用超前钻孔钻头(2)，通过钻杆驱动扭矩(15)的作用，经过超前钻孔钻杆(5)传递扭矩，先行钻进形成一个已钻成超前钻孔(3)，超前钻孔钻头(2)在钻进过程中切削岩土体(1)形成的岩石碎屑通过超前钻孔钻杆中心孔(4)从钻孔冲洗液入口(21)进入的液体冲洗并携带到超前钻孔钻杆(5)外侧的超前钻杆外与螺旋管内环形空间(10)内；
后续跟进的岩石攻丝钻头(6)在已钻成超前钻孔(3)上切削孔边岩石，形成已攻丝完成的岩石螺旋孔隙(9)；攻丝切削下来的岩石碎屑进入到岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段(7)内，并通过螺旋管出渣孔(8)进入超前钻杆外与螺旋管内环形空间(10)内，与已进入此空间的超前钻孔时的岩石碎屑混合液混合，二者的混合液体通过超前钻杆外与螺旋管内环形空间(10)从岩屑混合液出口(18)排出；
岩石攻丝钻头(6)和螺旋管(11)连成一体或分为二体，当分为二体时需分别使用扭矩源驱动；当连成一体使用时，岩石攻丝钻头(6)在攻丝和螺旋管驱动扭矩(14)的作用下旋转攻丝切削，在已钻成超前钻孔(3)周边形成已攻丝岩石螺旋空隙(9)的同时，螺旋管(11)沿着已攻丝岩石螺旋空隙(9)旋转，螺旋管(11)在轴向上向超前钻孔钻头(2)的前方岩土体(1)移动，向位于螺旋管后方的推力轴承(17)施加推力，推力作用在与掘进装置外筒体(19)固定连接的螺旋管端部推力盘(16)上，又将此推力施加到与掘进装置外筒体(19)相连接的岩土体切削刀盘(12)上，在此推力作用下，岩土体切削刀盘(12)在刀盘驱动扭矩(13)的作用下旋转切削岩土体(1)，使掘进外筒体(19)向前移动，形成已开挖完成隧道(20)，并保证了掘进的连续不间断前行。
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