CN103643970B - 多轴水平旋喷机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多轴水平旋喷机及其施工方法，多轴水平旋喷机包括底盘及设置于所述底盘上的主机及钻具；所述主机包括：包括至少一个单元式框架结构的给进架，设置于所述给进架上的动力头，所述动力头包括动力轴组及用于驱动所述动力轴组旋转运动的旋转马达，所述动力轴组包括至少两个相互平行设置且处于同一平面的动力轴；用于为所述动力头沿所述给进架移动提供动力的推进机构；用于为钻具提供打钻水及旋喷水泥浆的双管送水器；所述钻具包括钻喷头及与所述钻喷头连接的钻杆，所述钻杆的另一端与所述动力轴连接。多组旋喷钻具同时作业，可以提高生产效率，节省劳动力。

Description

多轴水平旋喷机及其施工方法

技术领域

本发明属于隧道超前支护技术领域，特别涉及一种多轴水平旋喷机及其施工方法。

背景技术

作为隧道超前支护工法之一，水平旋喷技术的应用越来越广泛，它在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体,水平旋喷桩具有梁效应和土体改良加强效应，能够起到防流沙、抗滑移、防渗透的作用，保证隧道掘进安全，适用于软弱地层的超前支护。

为了提高水平旋喷施工的工效和工程质量，在单管旋喷之后相继开发有双管旋喷、三管旋喷、全方位高压旋喷等技术，但这些技术的实质都属于单轴旋喷，也就是一个旋喷流程形成一根旋喷桩，水平旋喷所使用的设备都是单轴设备，单轴设备生产效率低。

在基坑围护工程中，开发有三轴垂直搅拌桩施工方法和设备，采取连续单套或跳孔双套的套孔施工工艺，用于垂直桩施工，工效和桩体搭接要优于单轴垂直桩施工。

发明内容

本发明的目的是提供一种多轴水平旋喷机及其施工方法，可以提高生产效率，节省劳动力。

为解决上述发明目的，本发明提供了一种多轴水平旋喷机，包括底盘及设置于所述底盘上的主机及钻具；

所述主机包括：包括至少一个单元式框架结构的给进架，设置于所述给进架上的动力头，所述动力头包括动力轴组及用于驱动所述动力轴组旋转运动的旋转马达，所述动力轴组包括至少两个相互平行设置且处于同一平面的动力轴；用于为所述动力头沿所述给进架移动提供动力的推进机构；用于为钻具提供打钻水及旋喷水泥浆的双管送水器；

所述钻具包括钻喷头及与所述钻喷头连接的钻杆，所述钻杆的另一端通过动力轴与双管送水器连通。

钻具包括钻喷头及与所述钻喷头连接的钻杆，所述钻杆的另一端与所述动力轴连接。

作为上述技术方案的优选，所述动力头还包括齿轮箱，所述齿轮箱中设置有连接到所述旋转马达的主动齿轮，及与所述主动齿轮啮合设置于各动力轴上的从动齿轮，所述齿轮箱内还设置有拨叉机构，所述拨叉机构的拨叉个数与所述从动齿轮个数相匹配，并连接到各所述从动齿轮，用于将所述从动齿轮同时拨离所述主动齿轮。

作为上述技术方案的优选，所述给进架上还设置有用于支撑所述钻杆的开合式固定钻杆支撑架及移动钻杆支撑架，所述移动钻杆支撑架可以相对所述给进架移动。

作为上述技术方案的优选，所述动力头、所述移动钻杆支撑架底端与给进架的导轨之间还设置有防脱钩，所述防脱钩包括设置于所述移动钻杆支撑架底部的与所述导轨相匹配的防脱钩主体，所述防脱钩主体分别位于所述导轨两侧的底端还连接有截面为梯形的固定挡板。

作为上述技术方案的优选，所述推进机构包括推进马达、传动链、前链轮架、后链轮架及设置于所述链轮架上的与所述推进马达连接的主动链轮、通过传动链连接的从动链轮，所述前、后链轮架连接在所述给进架的前、后部。

作为上述技术方案的优选，所述多轴水平旋喷机还包括液压泵站，及与所述底盘、主机、钻具及液压泵站连接的操作台，所述液压泵站用于为所述底盘及所述主机提供液压动力；所述操作台包括控制旋喷设备给进或旋转的控制阀等液压元件及旋喷施工工控机，用于水平旋喷施工操纵及控制；所述钻喷头的前部设置有打钻水喷嘴，侧面设置有旋喷喷嘴，与所述旋喷喷嘴相对的一侧设置有与所述旋喷施工工控机有线或无线连接的传感器组件，所述传感器组件包括：压力传感器、角度传感器、速度传感器及温度传感器；所述钻杆末端通过动力轴与双管送水器连通。

作为上述技术方案的优选，所述单元式框架结构的框架长度为3-6m。

作为上述技术方案的优选，所述底盘为拱式底盘或履带式底盘。

作为上述技术方案的优选，所述动力轴之间相邻的距离为300-400mm。

本发明还提供了一种应用上述所述多轴水平旋喷机的施工方法，包括：

步骤一：桩位测放，在作业面按设计要求确定水平旋喷施工桩位并作出标记；

步骤二：按所述标记开孔并安装用于防止施工过程中出现突水突泥突沙并调节废浆的流出量的孔口装置；

步骤三：按施工要求及场地情况安装多轴水平旋喷机及后台搅浆系统、高压注浆泵；连接高压注浆泵与双管送水器，启动所有设备进行试机，通过高压注浆泵、双管送水器向钻具打钻水通道、旋喷水泥浆通道输送清水，进行试压；

步骤四：打设预导孔，调整所述多轴水平旋喷机，按设计角度对好孔位，开启泥浆泵，将钻孔循环泥浆传输至钻具，从钻喷头中的打钻喷嘴喷出，同时启动旋喷机，开始钻进，钻进时传感器组件不断向工控机传输钻喷头方向和姿态及孔内压力工况信息，根据所述工况信息，对预导孔施工过程进行监控，直至钻至设计深度；

步骤五：关停泥浆泵，停止钻孔循环泥浆输送，钻杆原地旋转，启动高压注浆泵，将旋喷水泥浆传输至钻具，从钻喷头中的旋喷喷嘴喷出，待泥浆泵压力达到设计压力后，开始匀速后退钻杆，实施旋喷；

步骤六：当所述旋喷喷嘴接近所述作业面时，关闭所述高压注浆泵，停止喷浆，然后退出钻喷头并快速封孔，防止浆液外流；

步骤七：清洗所述高压注浆泵及所述钻具。

本发明的效果在于：

1、工效高，多轴旋喷一个旋喷流程形成一组桩，单轴旋喷一个旋喷流程形成一根桩，因此多轴旋喷工效远远高于单轴旋喷；

2、施工精度高，由于多轴旋喷机钻杆平行且相对位置固定，旋喷形成的组桩各桩间角度一致性高，具有较高的搭接咬合质量。整环旋喷桩桩间搭接次数大大减少，也相应提高了施工精度；

3、高效机械化施工，节省了劳动力，提高了经济效益；

4、动力头齿轮箱在各轴末端齿轮配套拨叉机构，使各轴齿轮与动力轴齿轮既能保持啮合也能脱离啮合，以实现动力头扭矩传递的集中和分散，可解决旋喷抱钻时的大扭矩抜钻需要。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本发明实施例提供的多轴水平旋喷机的主机结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的多轴水平旋喷机中防脱钩结构示意图；

图4为图1中钻喷头的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的应用多轴水平旋喷机的方法流程示意图；

图6为现有技术中的单轴水平旋喷机的旋喷效果示意图；

图7为本发明实施例提供的三轴水平旋喷机的旋喷效果示意图。

其中，1-给进架；11-导轨；2-动力头；21-动力轴；22-旋转马达；23-滑板；231-防脱钩主体；232-固定挡板；31-钻喷头；311-打钻水喷嘴；312-旋喷喷嘴；313-传感器组件；32-钻杆；41-固定钻杆支撑架；42-移动钻杆支撑架；5-推进机构；6-双管送水器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种多轴水平旋喷机，包括底盘及设置于底盘上的主机及钻具。底盘可采取拱架式底盘或履带式多功能钻机底盘，其作用是调整主机姿态，控制水平旋喷施工时钻具的角度。选用履带式的底盘，可以广泛试用施工环境，便于设备的移动。液压泵站包括电机、液压泵、油箱、支架、联轴器及其它辅件，为水平旋喷机液压的系统运行进行配套。

图1为本发明实施例提供的多轴水平旋喷机的主机结构示意图，图2为图1的俯视结构示意图，结合图1及图2所示，主机包括：包括至少一个单元式框架结构的给进架1，给进架1的整体长度可以根据需要通过增加或者减少单元式框架结构的个数来调整。

设置于给进架1上的动力头2，动力头2包括动力轴组及用于驱动动力轴组旋转运动的旋转马达22，动力轴组包括至少两个相互平行设置且处于同一平面的动力轴21；用于为动力头2沿给进架移动提供动力的推进机构5。如图1及图2中所示的，本实施例以三个动力轴为例，配合双旋转马达驱动提供水平旋喷施工所需的旋转运动。具体的动力轴的个数可以按照施工的具体环境进行设计、选择，例如选择2个、4个或5个动力轴。针对不同个数的动力轴，选择相应个数的旋转马达与之匹配，例如当选择4个动力轴时，可以配备3个或者4个旋转马达为其提供动力。图6为现有技术中的单轴水平旋喷机的旋喷效果示意图，图7为本发明实施例提供的三轴水平旋喷机的旋喷效果示意图。图6中单轴的直径为Φd₁，旋喷后的孔距为t₁，而图7中，三轴旋喷的宽度为d₂，旋喷后的孔距为t₂，2d₁<d₂<3d₁，使用本实施例提供的三轴旋喷机的一次旋喷施工的宽度明显提升，旋喷施工效率大幅度提高。

钻具包括钻喷头31及与钻喷头31连接的钻杆32，钻杆32的另一端通过动力轴21与双管送水器6连通。

多轴水平旋喷施工中，除了使用多轴水平旋喷机，还需配套后台搅浆系统和高压注浆泵、泥浆泵。后台搅浆系统由泥浆制备设备、水泥浆制备设备、清水储水桶组成，它们通过高压管与高压注浆泵、泥浆泵连通，向高压注浆泵输送旋喷水泥浆和清水，向泥浆泵输送钻孔循环泥浆和清水。

本发明实施例提供的多轴水平旋喷机，包括底盘及设置于底盘上的主机及钻具，主机包括：包括至少一个单元式框架结构的给进架1，设置于给进架1上的动力头2，动力头2包括动力轴组及用于驱动动力轴组旋转运动的旋转马达22，动力轴组包括至少两个相互平行设置且处于同一平面的动力轴21；用于为动力头2沿给进架移动提供动力的推进机构5。通过增加动力轴的个数，可以提高生产施工效率，节省劳动力。

作为上述技术方案的优选，动力头还包括齿轮箱，齿轮箱中设置有连接到旋转马达22的主动齿轮，及与主动齿轮啮合设置于各动力轴上的从动齿轮，齿轮箱内还设置有拨叉机构，拨叉机构的拨叉个数与从动齿轮个数相匹配，并连接到各从动齿轮，用于将所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合或脱离啮合。通过在齿轮箱中对各轴末端从动齿轮配套拨叉机构，使各从动齿轮与主动齿轮既能保持啮合也能脱离啮合，以实现动力头扭矩传递的集中和分散，解决旋喷抱钻时的大扭矩抜钻需要。

作为上述技术方案的优选，给进架1上还设置有用于支撑钻杆32的开合式固定钻杆支撑架41及移动钻杆支撑架42，移动钻杆支撑架42可以相对给进架1移动。两者均为开合式结构，起支撑和限制钻杆位置作用，保证施工过程中钻杆的刚度和位置精度，具体的开合式结构类似于车床中心架的开合机构，在此不多加赘述。在施工时将固定钻杆支撑架41及移动钻杆支撑架42开启，将钻杆32放置好后再将固定钻杆支撑架41及移动钻杆支撑架42关闭，完成对钻杆32的固定。移动式钻杆支撑架42可以在导轨上移动，以适应不同总长的钻杆支承要求，保证钻杆32的稳定性及刚度。当施工完毕后，如需要对多轴水平旋喷机进行移动、运输等操作时，可以将钻杆32从固定钻杆支撑架41及移动钻杆支撑架42上取下，从而减少多轴水平旋喷机的整体体积，便于移动。

多轴水平旋喷机在施工过程中，为保证动力头及移动钻杆支撑架处于倾斜工位时不从给进架1上坠落，设计了防脱钩。图3为本发明实施例提供的多轴水平旋喷机中防脱钩结构示意图，如图3所示，作为上述技术方案的优选，动力头滑板23与给进架1的导轨之间还设置有防脱钩，防脱钩包括设置于动力头滑板23底部的与导轨11相匹配的防脱钩主体231，防脱钩主体231中间形成的滑槽允许导轨11沿着其中滑动。防脱钩主体231分别位于导轨11两侧的底端还连接有截面为梯形的固定挡板232。可选防脱钩例：在动力头及移动钻杆支撑架的滑板下方设置防脱钩，防脱钩由防脱钩主体和梯形固定挡板通过内六角螺栓联接，抱住给进架导轨。

作为上述技术方案的优选，推进机构5包括推进马达、传动链、前链轮架、后链轮架及设置于链轮架上的与推进马达连接的主动链轮、通过传动链连接的从动链轮，所述前、后链轮架连接在给进架的前、后部。推进机构5带动动力头在旋喷施工时沿给进架前进或后退。

作为上述技术方案的优选，多轴水平旋喷机还包括液压泵站，及与底盘、主机、钻具及液压泵站连接的操作台，液压泵站用于为底盘及主机提供液压动力；所述操作台包括控制旋喷设备给进或旋转的控制阀等液压元件及旋喷施工工控机，用于水平旋喷施工操纵及控制。

图4为图1中钻喷头的结构示意图，钻喷头为钻喷一体化钻喷头，如图4所示，钻喷头的前部设置有打钻水喷嘴311，侧面设置有旋喷喷嘴312，与旋喷喷嘴312相对的一侧设置有与旋喷施工工控机有线或无线连接的传感器组件313，传感器组件313包括：压力传感器、角度传感器、速度传感器及温度传感器，通过与操作台连接，可将相关施工参数传给旋喷工控机，从而对施工过程进行控制。操作台包括控制旋喷设备给进或旋转的控制阀等液压元件及旋喷施工工控机，用于水平旋喷施工操纵及控制，工控机可以为单片机、可编程控制器等控制设备。液压泵站和操作台不在给进架上，属于后台。

作为上述技术方案的优选，单元式框架结构的框架长度为3-6m。给进架的框架结构为单元式结构，长度为3米或6米规格，可根据施工长度需要进行组合。

作为上述技术方案的优选，动力轴之间相邻的距离为300-400mm。多轴式的动力轴之间的轴距选择原理为，由于目前单轴水平旋喷桩施工相邻桩距大多为300-400mm，故设计确定相邻两轴轴距为300-400mm，便能满足目前的施工需求。

图5为本发明又一实施例提供的应用多轴水平旋喷机的方法流程示意图，如图5所示，本实施例提供了一种应用上述多轴水平旋喷机的施工方法，包括：

步骤100：桩位测放，在作业面按设计要求确定水平旋喷施工桩位并作出标记，在实际作业施工时，作业面通常称为“掌子面”。

步骤200：开孔，埋设孔口装置，按标记开孔并安装用于防止施工过程中出现突水突泥突沙并调节废浆的流出量的孔口装置，孔口状置是为了防止施工过程中出现突水突泥突沙，并可以调节废浆的流出量。

步骤300：设备安装调试，按施工要求及场地情况安装多轴水平旋喷机及后台搅浆系统、高压注浆泵；连接高压注浆泵与双管送水器，启动所有设备进行试机，通过高压注浆泵、双管送水器向钻具打钻水通道、旋喷水泥浆通道输送清水，进行试压。

步骤400：打设预导孔，调整多轴水平旋喷机，按设计角度对好孔位，首先需要泥浆配置，开启泥浆泵，将钻孔循环泥浆传输至钻具，从钻喷头中的打钻水喷嘴喷出，同时启动旋喷机，开始钻进，钻进时传感器组件不断向工控机传输钻喷头方向和姿态及孔内压力工况信息，根据工况信息，对预导孔施工过程程进行监控，直至钻至设计深度。打设预导孔后还需要进行终孔检测，终孔检测不合格需要重新打设预导孔，如果终孔检测合格后，则进行下一步。另外，打设预导孔后的泥浆进行废浆排放后进入沉淀池。

步骤500：拔杆旋喷，关停泥浆泵，停止钻孔循环泥浆输送，钻杆原地旋转，首先需要水泥浆配置，启动高压注浆泵，将旋喷水泥浆传输至钻具，从钻喷头中的旋喷喷嘴喷出，待泥浆泵压力达到设计压力后，开始匀速后退钻杆，实施旋喷；拔杆旋喷。泥浆泵压力达到设计压力，具体的设计压力为35-40Mpa，旋喷时机手重点关注工控机显示的泥浆泵喷浆压力和孔内所有钻喷头所处位置混合土体压力，出现异常及时采取定喷等应对措施。另外，拔杆旋喷过程中还需要对过程进行仪器监测，一旦发生超出仪器监测的预设阈值范围，则需要重新打设预导孔，执行步骤400。另外，拔杆旋喷后的水泥浆进行废浆排放后进入沉淀池。

步骤600：近掌子面停喷、封孔，当旋喷喷嘴接近作业面时，关闭高压注浆泵，停止喷浆，然后退出钻喷头并快速封孔，防止浆液外流；近掌子面停喷、封孔。当旋喷喷嘴接近掌子面时，一般0.5-1米，关闭高压注浆泵，停止喷浆。

步骤700：清洗高压注浆泵及钻具。启动高压注浆泵，旋喷后台向高压注浆泵输送清水，清洗高压注浆泵输浆通道及钻具通道，单组旋喷桩施工结束。将旋喷机移至下一根桩位进行施工。

应用多轴水平旋喷机，以三轴水平旋喷机为例进行水平旋喷施工时，一个旋喷流程形成一组旋喷桩，各桩间距取400mm，宽度d₂为1300mm左右，相邻两组旋喷桩孔距t₂一般为1200mm左右，具体的可根据地层情况、打设角度、搭接要求适当增减。

上述实施例并非具体实施方式的穷举，还可有其它的实施例，上述实施例目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围，所有由本发明简单变化而来的应用均落在本发明的保护范围内。

此专利说明书使用实例去展示本发明，其中包括最佳模式，并且使熟悉本领域的技术人员制造和使用此项发明。此发明可授权的范围包括权利要求书的内容和说明书内的具体实施方式和其它实施例的内容。这些其它实例也应该属于本发明专利权要求的范围，只要它们含有权利要求相同书面语言所描述的技术特征，或者它们包含有与权利要求无实质差异的类似字面语言所描述的技术特征。

所有专利，专利申请和其它参考文献的全部内容应通过引用并入本申请文件。但是如果本申请中的一个术语和已纳入参考文献的术语相冲突，以本申请的术语优先。

本文中公开的所有范围都包括端点，并且端点之间是彼此独立地组合。

需要注意的是，“第一”，“第二”或者类似词汇并不表示任何顺序，质量或重要性，只是用来区分不同的技术特征。结合数量使用的修饰词“大约”包含所述值和内容上下文指定的含义。（例如：它包含有测量特定数量时的误差）。

Claims (8)

1.一种多轴水平旋喷机，其特征在于，包括底盘及设置于所述底盘上的主机及钻具；

所述主机包括：包括至少一个单元式框架结构的给进架，设置于所述给进架上的动力头，所述动力头包括动力轴组及用于驱动所述动力轴组旋转运动的旋转马达，所述动力轴组包括至少两个相互平行设置且处于同一平面的动力轴；用于为所述动力头沿所述给进架移动提供动力的推进机构；用于为钻具提供打钻水及旋喷水泥浆的双管送水器；

所述钻具包括钻喷头及与所述钻喷头连接的钻杆，所述钻杆的另一端与所述动力轴连接；

所述动力头还包括齿轮箱，所述齿轮箱中设置有连接到所述旋转马达的主动齿轮，及与所述主动齿轮啮合设置于各动力轴上的从动齿轮，所述齿轮箱内还设置有拨叉机构，所述拨叉机构的拨叉个数与所述从动齿轮个数相匹配，并连接到各所述从动齿轮，用于将所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合或脱离啮合；

所述多轴水平旋喷机还包括液压泵站，及与所述底盘、主机、钻具及液压泵站连接的操作台，所述液压泵站用于为所述底盘及所述主机提供液压动力；所述操作台包括控制旋喷设备给进或旋转的控制阀及旋喷施工工控机，用于水平旋喷施工操纵及控制；所述钻喷头的前部设置有打钻水喷嘴，侧面设置有旋喷喷嘴，与所述旋喷喷嘴相对的一侧设置有与旋喷施工工控机有线或无线连接的传感器组件，所述传感器组件包括：压力传感器、角度传感器、速度传感器及温度传感器；所述钻杆末端通过动力轴与双管送水器连通。

2.根据权利要求1所述的多轴水平旋喷机，其特征在于，所述给进架上还设置有用于支撑所述钻杆的开合式固定钻杆支撑架及移动钻杆支撑架，所述移动钻杆支撑架可以相对所述给进架移动。

3.根据权利要求2所述的多轴水平旋喷机，其特征在于，所述动力头、所述移动钻杆支撑架底端与给进架的导轨之间还设置有防脱钩，所述防脱钩包括设置于所述移动钻杆支撑架底部的与所述导轨相匹配的防脱钩主体，所述防脱钩主体分别位于所述导轨两侧的底端还连接有截面为梯形的固定挡板。

4.根据权利要求1所述的多轴水平旋喷机，其特征在于，所述推进机构包括推进马达、前链轮架、后链轮架及设置于所述链轮架上的与所述推进马达连接的主动链轮、通过传动链连接的从动链轮，所述前、后链轮架连接在所述给进架的前、后部。

5.根据权利要求1所述的多轴水平旋喷机，其特征在于，所述单元式框架结构的框架长度为3-6m。

6.根据权利要求1所述的多轴水平旋喷机，其特征在于，所述底盘为拱架式底盘或履带式底盘。

7.根据权利要求1所述的多轴水平旋喷机，其特征在于，所述动力轴之间相邻的距离为300-400mm。

8.一种应用权利要求1至7中任一项所述多轴水平旋喷机的施工方法，其特征在于，包括：

步骤一：桩位测放，在作业面按设计要求确定水平旋喷施工桩位并作出标记；

步骤二：按所述标记开孔并安装用于防止施工过程中出现突水突泥突沙并调节废浆的流出量的孔口装置；

步骤三：按施工要求及场地情况安装多轴水平旋喷机及后台搅浆系统、高压注浆泵；连接高压注浆泵与双管送水器，启动所有设备进行试机，通过高压注浆泵、双管送水器向钻具打钻水通道、旋喷水泥浆通道输送清水，进行试压；

步骤四：打设预导孔，调整所述多轴水平旋喷机，按设计角度对好孔位，开启泥浆泵，将钻孔循环泥浆传输至钻具，从钻喷头中的打钻水喷嘴喷出，同时启动旋喷机，开始钻进，钻进时传感器组件不断向工控机传输钻喷头方向和姿态及孔内压力工况信息，根据所述工况信息，对预导孔施工过程进行监控，直至钻至设计深度；

步骤五：关停泥浆泵，停止钻孔循环泥浆输送，钻杆原地旋转，启动高压注浆泵，将旋喷水泥浆传输至钻具，从钻喷头中的旋喷喷嘴喷出，待泥浆泵压力达到设计压力后，开始匀速后退钻杆，实施旋喷；

步骤六：当所述旋喷喷嘴接近所述作业面时，关闭所述高压注浆泵，停止喷浆，然后退出钻喷头并快速封孔，防止浆液外流；

步骤七：清洗所述高压注浆泵及所述钻具。