CN103696780B - 安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置 - Google Patents
安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置；它包括一个设备进出孔、快速钻机、钻孔地质雷达探测装置和搭载装置，设备进出孔位于隧道掘进机刀盘中心，孔内安装用于掘进和钻探同步进行的快速钻机和钻孔地质雷达探测装置，搭载装置包括搭载装置支架和调节快速钻机的钻头或者钻孔雷达天线液压伸缩杆与隧道掘进机刀盘转动轴线夹角的主动角度调节装置，快速钻机和钻孔地质雷达探测装置均与装置支架相对运动，搭载装置支架经设备进出管道用球形节与隧道掘进机刀盘相连；本发明的有益效果：可以实现掘进和钻探同步进行，调节偏心跟管钻头或者钻孔雷达天线液压伸缩杆与隧道掘进机刀盘转动轴线的夹角。
Description
技术领域
本发明涉及一种单孔地质雷达自动钻探装置，尤其涉及一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置。
背景技术
进入21世纪后，一大批水利水电工程、铁路公路交通工程、市政地铁工程等重大基础工程陆续提上建设日程，极大的促进了隧道（洞）工程的建设，目前我国已经成为世界上隧道（洞）修建规模最大、建设难度最大的国家，而隧道掘进机施工方法是我国隧道（洞）工程建设的必然趋势和发展方向，因此开展对掘进机施工复杂环境中掌子面前方不良地质定量超前预报的技术研究与设备研制，是掘进机施工隧道建设安全的迫切需求。
由于掘进机本身是一个庞然大物，电磁环境极为复杂，观测空间极为狭小，探测时间极为有限，传统的地震波法、电磁法、电法等地球物理探测技术与仪器根本无法适用，导致在隧道掘进机施工中至今还没有十分有效的超前地质预报地球物理探测技术和仪器，无法准确测量不良地质的地球物理响应并实施准确定量预报。为了规避强电磁干扰，国外有研究者将跨孔地质雷达装配到掘进机上，以实现对不良地质情况的精细探查。钻孔地质雷达的分辨率高(0.15m左右)，探测半径大于8m，适用于隧道掘进机施工掌子面前方地质情况的精细化探查。但是现有的隧道掘进机超前钻探方法存在以下两个问题：（1）跨孔地质雷达需要两个或两个以上的钻孔才能实施，由于多个钻孔不能在掘进作业的同时进行钻进，而掘进机例行换步工序时间也无法完成多个钻孔施做，因此这对于隧道掘进机施工而言是难以接受的；（2）由于隧道掘进机结构限制，超前钻机只能沿隧道掘进机前进方向斜向打孔，由于存在张开角(大于7°)，因此具有很大盲区，无法准确探明地质情况，易遗漏重大灾害源。
单孔雷达只需在掌子面中心打一个钻孔，不存在上述问题，因此非常适用于搭载到隧道掘进机上，目前国内外已经有多家科研单位和高校院所展开了对单孔雷达探测理论的研究，已经初步完成了对单孔雷达设备的研制，使单孔雷达在隧道掘进机中搭载使用成为了可能。发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置，它具有可以实现掘进和钻探同步进行、提高探测设备的自动化程度与钻探速度等优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置，包括一个设备进出孔、快速钻机、钻孔地质雷达探测装置和搭载装置，所述设备进出孔位于隧道掘进机刀盘中心，孔内安装用于掘进和钻探同步进行的快速钻机和钻孔地质雷达探测装置，所述搭载装置包括搭载装置支架和调节快速钻机的钻头或者钻孔雷达天线液压伸缩杆与隧道掘进机刀盘转动轴线夹角的主动角度调节装置，所述快速钻机和钻孔地质雷达探测装置均与装置支架相对运动，所述搭载装置支架经设备进出管道用球形节与隧道掘进机刀盘相连。
所述钻孔地质雷达天线伸缩装置，包括钻孔地质雷达天线、多级液压伸缩杆和液压传动系统，所述多级液压伸缩杆的首尾两端各安装一个力/力矩传感器，多级液压伸缩杆连接液压传动系统，钻孔地质雷达天线通过多级液压伸缩杆进行自动递送。
所述钻孔地质雷达天线头部安装有摄像头及照明装置。
所述钻孔地质雷达天线头部安装有压力传感器、位移传感器或者湿敏传感器。
所述钻孔地质雷达天线头部外部设有保护罩。
所述搭载装置，包括搭载装置支架、设备底座和主动角度调节装置，所述搭载支架上设有底座移动导轨，所述设备底座通过导轮沿所述底座移动导轨水平移动，所述主动角度调节装置与搭载装置支架相连，所述搭载装置支架与设备进出管道相连。
所述主动角度调节装置，包括调节快速钻机的钻头或者钻孔雷达天线液压伸缩杆与隧道掘进机刀盘转动轴线夹角的竖直、水平角度调节导轨、电机及齿轮传动系统，电机及齿轮传动系统带动竖直、水平角度调节导轨移动。
优选地，快速钻机采用偏心跟管钻头。
本发明的有益效果：
1本发明在隧道掘进机上搭载单孔雷达，只需要在隧道掌子面中心打一个钻孔，并在隧道掘进机刀盘中心开一个设备进出孔并加装快速钻机及钻孔地质雷达天线伸缩装置，就可以实现掘进和钻探同步进行；
2本发明中快速钻机及钻孔地质雷达搭载装置使用球形节与隧道掘进机刀盘相连，并且设计有主动角度调节装置，可以调节偏心跟管钻头或者钻孔雷达天线液压伸缩杆与隧道掘进机刀盘转动轴线的夹角，确保当快速钻机钻头或者钻孔地质雷达天线液压伸缩杆与隧道掘进机刀盘转动轴线不重合时，掘进和钻探可以同步进行而不会损坏相关设备；
3快速钻机和雷达天线伸缩装置安装在同一个设备底座上，可以沿导轨移动实现快速钻机和钻孔地质雷达的自动切换交替工作，快速钻机使用偏心跟管钻头，可以实现钻进与打入套管同步进行，雷达天线通过多级液压伸缩杆进行自动递送，本设计方案极大地提高了探测设备的自动化程度与钻探速度；
4本发明在雷达天线伸缩杆上安装有照明装置、摄像头和多种传感器，可以实时了解钻孔内的情况，当套管变形或者有异物导致雷达天线伸缩杆无法伸长或缩回时及时发出警告并终止操作，防止损坏雷达天线。
附图说明
图1为本发明隧道掘进机刀盘改造示意图；
图2为本发明隧道掘进机中快速钻机及钻孔地质雷达的搭载装置示意图；
图3为本发明隧道掘进机整体结构剖面图；
图4为本发明钻孔地质雷达天线伸缩装置示意图。
图中：1.隧道掘进机刀盘，2.设备进出孔，3.设备进出管道，4.球形节，5.偏心跟管钻头，6.钻孔地质雷达天线，7.搭载装置支架，8.快速钻机，9.钻孔地质雷达探测装置，10.竖直角度调节导轨，11.水平角度调节导轨，12.电机及齿轮传动系统，13.导轮，14. 底座移动导轨，15.设备底座，16.隧道掌子面，17.液压伸缩杆，18.液压传动系统，19.力/力矩传感器，20.摄像头及照明装置，21.保护罩。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置，包括一个设备进出孔2、快速钻机8、钻孔地质雷达探测装置9和搭载装置，所述设备进出孔2位于隧道掘进机刀盘1中心，孔内安装用于掘进和钻探同步进行的快速钻机8和钻孔地质雷达探测装置9，所述搭载装置包括搭载装置支架7和调节快速钻机8的钻头或者钻孔雷达天线液压伸缩杆17与隧道掘进机刀盘1转动轴线夹角的主动角度调节装置，所述快速钻机8和钻孔地质雷达探测装置9均与装置支架7相对运动，所述搭载装置支架7经设备进出管道3用球形节4与隧道掘进机刀盘1相连。如图1所示，在隧道掘进机刀盘1中心开一个设备进出孔2，使快速钻机钻头8和钻孔地质雷达探测装置9可以通过设备进出孔2出入，以实现掘进和钻探同步进行，当不进行钻探时使用闸门关闭设备进出孔以保护内部结构。
钻孔地质雷达天线伸缩装置，如图4所示，包括钻孔地质雷达天线6、多级液压伸缩杆17和液压传动系统18，所述多级液压伸缩杆17的首尾两端各安装一个力/力矩传感器19，可以检测雷达天线和液压伸缩杆所受的力/力矩情况，多级液压伸缩杆17连接液压传动系统18，钻孔地质雷达天线6通过多级液压伸缩杆17进行自动递送，钻孔地质雷达天线6头部安装有摄像头及照明装置20，以及压力传感器、位移传感器或者湿敏传感器，而且天线头部外部设有保护罩21，联合使用摄像头和力/力矩传感器可以实时了解钻孔内的情况，当套管变形或者有异物导致雷达天线伸缩杆无法伸长或缩回时及时警告操作人员并终止操作，防止损坏雷达天线。
搭载装置，如图2所示，包括搭载装置支架7、设备底座15和主动角度调节装置，所述搭载支架7上设有底座移动导轨14，所述设备底座15通过导轮13沿所述底座移动导轨14水平移动，可以实现快速钻机8和钻孔地质雷达的自动切换交替工作，所述主动角度调节装置与搭载装置支架7相连，所述搭载装置支架7与设备进出管道3相连，该装置确保当快速钻机钻头或者钻孔地质雷达天线液压伸缩杆与隧道掘进机刀盘转动轴线不重合时，掘进和钻探可以同步进行而不会损坏相关设备。
主动角度调节装置，如图2所示，调节快速钻机8的钻头或者钻孔雷达天线液压伸缩杆17与隧道掘进机刀盘1转动轴线夹角的竖直角度调节导轨10、水平角度调节导轨11、电机及齿轮传动系统12，电机及齿轮传动系统13带动竖直角度调节导轨10、水平角度调节导轨11移动。
优选地，快速钻机8采用偏心跟管钻头5，可以实现在钻孔的同时一次性打入套管，以对钻孔地质雷达天线6进行保护，将钻头进行适当的反转即可将其从套管中抽出由于钻孔长达数十米甚至上百米，快速钻机8的钻头在钻孔过程中不可避免的会在钻孔径向方向上发生抖动，导致快速钻机8与隧道掘进机的轴线不重合，当二者同时工作时可能会造成快速钻机8钻头折断和刀盘损坏等问题，在快速钻机8的搭载机构中使用球形节4与隧道掘进机刀盘1相连，使快速钻机8可以在一定范围内相对于隧道掘进机的刀盘进行转动，并设计快速钻机的主动角度调节装置，使快速钻机8和隧道掘进机能够安全可靠的同时工作。如图3所示，使用快速钻机在隧道掌子面16中心打一个钻孔并打入套管，随后偏心钻头反转抽出，然后通过多级液压伸缩杆17将雷达天线送入钻孔中进行探测，二者交替工作即可实现掘进和钻探同步进行。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置，其特征是，包括一个设备进出孔、快速钻机、钻孔地质雷达探测装置和搭载装置，所述设备进出孔位于隧道掘进机刀盘中心，孔内安装用于掘进和钻探同步进行的快速钻机和钻孔地质雷达探测装置，所述搭载装置包括搭载装置支架和调节快速钻机的钻头或者钻孔雷达天线液压伸缩杆与隧道掘进机刀盘转动轴线夹角的主动角度调节装置，所述快速钻机和钻孔地质雷达探测装置均与装置支架相对运动，所述搭载装置支架经设备进出管道用球形节与隧道掘进机刀盘相连。
2.如权利要求1所述一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置，其特征是，钻孔地质雷达天线伸缩装置，包括钻孔地质雷达天线、多级液压伸缩杆和液压传动系统，所述多级液压伸缩杆的首尾两端各安装一个力/力矩传感器，多级液压伸缩杆连接液压传动系统，钻孔地质雷达天线通过多级液压伸缩杆进行自动递送。
3.如权利要求2所述一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置，其特征是，所述钻孔地质雷达天线头部安装有摄像头及照明装置。
4.如权利要求2所述一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置，其特征是，所述钻孔地质雷达天线头部安装有压力传感器、位移传感器或者湿敏传感器。
5.如权利要求2、3或4任一项所述一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置，其特征是，所述钻孔地质雷达天线头部外部设有保护罩。
6.如权利要求1所述一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置，其特征是，所述搭载装置，包括搭载装置支架、设备底座和主动角度调节装置，所述搭载装置支架上设有底座移动导轨，所述设备底座通过导轮沿所述底座移动导轨水平移动，所述主动角度调节装置与搭载装置支架相连，所述搭载装置支架与设备进出管道相连。
7.如权利要求1或6所述一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置，其特征是，所述主动角度调节装置，包括调节快速钻机的钻头或者钻孔雷达天线液压伸缩杆与隧道掘进机刀盘转动轴线夹角的竖直、水平角度调节导轨、电机及齿轮传动系统，电机及齿轮传动系统带动竖直、水平角度调节导轨移动。
8.如权利要求1所述一种安装于隧道掘进机刀盘中心的单孔地质雷达自动钻探装置，其特征是，快速钻机为偏心跟管钻头。
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