CN105019917A - 冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置及施工方法，所述施工装置包括空气压缩机、高压注浆泵、锚杆机、钻杆和冲击器，钻杆包括钻进工具管和旋喷工作管，钻进工具管前端连接于冲击器后端，旋喷工作管上安装有旋喷喷嘴；当施工装置进行旋喷管棚时，锚杆机动力头连接于高压注浆泵，旋喷工作管后端连接于锚杆机动力头，旋喷工作管的前端封闭并连接于钻进工具管的后端。采用本发明对管棚进行旋喷施工，冲击器及冲击钻头能够破碎掉大块石等障碍物，解决了杂填土无水安全钻进的难题，同时将钻进、注浆、扩孔组合为一体化施工工艺，减少了施工设备，简化了施工工艺，提高了施工效率，节约了工程成本，无泥浆污染，实现了节能环保的施工要求。

Description

冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置及施工方法

技术领域

本发明涉及土木工程支护技术领域，尤其是一种适用于埋深较浅、含有大块石等障碍物的杂填土地层的暗挖过街道管棚施工装置及施工方法。

背景技术

随着各地城市化进程的加快和汽车工业的发展，交通拥堵和安全问题越来越成为一项现实的社会问题，过街道的建设也成为一种缓解交通压力和保障行人安全的措施。为减少对现有交通的影响，过街道往往需要暗挖来完成，暗挖的安全隐患在于塌方，塌方一方面会威胁洞内操作工人的生命安全，另一方面会威胁到路面行车、行人的生命和财产安全，暗挖的安全技术是其建设过程的关键技术。

对于埋深较浅、地层条件较差的暗挖过街道而言，施工超前管棚后再开挖通道是保证暗挖安全的一项最重要的技术措施。现有技术，管棚成孔通常采用水钻泥浆护壁钻进，采取边钻进边注入大量泥浆，将渣土循环冲出成孔，钻至设计深度后，拔出钻杆钻具，逐节放入加工好的钢管注浆形成管棚。而过街道施工地层通常埋深较浅、且过街道穿越地层往往较差，为含有大块石等障碍物的杂填土地层，采用水钻钻孔施工超前管棚，一方面若遇到大块石钻进需要研磨钻进，速度很慢，若遇较小块石，由于块石会移位滚动，难以钻进，使得施工难度极大；另一方面，水钻钻孔由于要注入大量水和泥搅制的泥浆，必然对周边回填土有浸水作用，回填土在浸水的作用下会造成地面下沉，严重影响上部道路及管线的安全，即难以保证后续的施工安全和街道使用安全。

发明内容

本发明提出一种冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置及施工方法，可以解决现有技术水钻钻孔施工超前管棚对于含有大块石等障碍物的杂填土地层，施工难度大，且对周边回填土有浸水作用，难以保证后续施工安全和街道使用安全的问题。

为了达到上述技术目的，本发明所提出的冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置的技术方案是：一种冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置，包括空气压缩机、高压注浆泵、锚杆机、钻杆和前端安装有冲击钻头的冲击器，所述钻杆包括钻进工具管和旋喷工作管，所述钻进工具管的前端连接于所述冲击器的后端，所述旋喷工作管上安装有与其管内空间连通的旋喷喷嘴；当所述施工装置进行钻进打孔时，所述锚杆机的动力头连接于所述空气压缩机，且所述钻进工具管的后端连接于所述锚杆机的动力头；当所述施工装置进行旋喷管棚时，所述锚杆机的动力头连接于所述高压注浆泵，且所述旋喷工作管的后端连接于所述锚杆机的动力头，所述旋喷工作管的前端封闭并连接于所述钻进工具管的后端。

在本发明冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置的技术方案中，还包括如下附加技术特征：

所述钻进工具管包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管，相应地，所述旋喷工作管包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管，所述旋喷喷嘴位于所述旋喷工作管的最前侧一节钢管上。

当所述钻进工具管的钢管节数大于3节时，每间隔1-2节的钢管内置有测斜仪，所述测斜仪电连接有读数仪。

所述钻进工具管的各钢管两端及所述旋喷工作管的各钢管两端均成型有内方形丝扣，所述钻进工具管的相邻钢管之间由具有外方形丝扣的接箍连接，所述旋喷工作管的相邻钢管之间由具有外方形丝扣的接箍连接，所述旋喷工作管的最前侧一节钢管的前端与所述钻进工具管的最后侧一节钢管的后端由由具有外方形丝扣的接箍连接。

所述旋喷工作管的最前侧一节钢管的前端由丝堵封闭，且所述丝堵与该钢管前端处的所述接箍焊接为一体。

所述钻进工作管的后端连接于一推进工具管的前端，所述推进工具管的后端连接于所述锚杆机的动力头。

本发明还提出了一种基于上述冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置的施工方法，包括如下步骤：（1）锚杆机就位，将钻进工具管安装在锚杆机的动力头上，并将钻进工具管的前端与安装有冲击钻头的冲击器连接，同时，锚杆机的动力头通过风管连接空气压缩机；

（2）移动锚杆机对孔位，测量并调整施工入射角度，使其比设计管棚角度大1°-2°，启动空气压缩机，高压风通过风管进入锚杆机的动力头，并依次进入钻进工具管、冲击器、冲击钻头，冲击钻进，锚杆机的动力头提供推进力和旋转力，钻进杂填土，若遇块石等障碍物时，冲击钻头对其进行冲击破碎，继续钻进；

（3）当冲击器及冲击钻头穿出地层对面切口后，停止钻进，将钻进工具管的后端拆离锚杆机的动力头，并在该钻进工具管的后端连接旋喷工作管，并将旋喷工作管的后端连接在锚杆机的动力头上，启动锚杆机，将旋喷工作管向前旋转推进地层50-60cm后，卸除空气压缩机，并将高压注浆泵连接在锚杆机的动力头上；

（4）对入射口旋喷工作管壁四周的空隙进行封堵处理阻止高压注浆时水泥浆流出，并保证旋喷工作管在锚杆机的动力头驱动下仍可以前后滑动不影响钻进；

（5）锚杆机的动力头推进旋喷工作管进行高压旋喷，待冲击器完全露出地层对面切口后，卸除冲击器和冲击钻头，并同样对地层对面切口管壁四周进行封堵处理；

（6）旋喷工作管高压旋喷钻进的同时，相应卸除对面切口处穿出的钻进工具管；

（7）高压旋喷至地层对面切口时，停止旋喷，进一步封堵入射口和对面切口，避免流浆，卸除高压注浆泵，移机到下一位置施工旋喷管棚；

（8）全部旋喷管棚施工完毕，撤离施工装置，管棚两端外露的部分浇筑钢筋混凝土圈梁，拟开挖通道两侧浇筑钢筋混凝土支撑柱，然后进入暗挖工序。

在步骤（2）中，当钻进工具管包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管时，在钻进至前一节钢管深度后，在前一节钢管与锚杆机的动力头之间安装下一节钢管继续钻进直至穿透对面切口；相应地，在步骤（5）中，当旋喷工作管包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管时，在旋喷钻进至前一节钢管深度后，在前一节钢管与锚杆机的动力头之间安装下一节钢管继续旋喷钻进直至旋喷至对面切口。

所述高压注浆泵所用水泥浆液的水灰质量比0.8~1.0，注浆工作压力保持在15-25MPa，所述锚杆机的推进速度为10-20cm/min，进行水平方向旋喷，旋喷直径约400-500mm。

在步骤（2）中，当所述钻进工具管钻进2节钢管仍未穿出地层对面切口时，在安装下一节钢管前，自前一节钢管管口向管内推送测斜仪至管底，测斜仪连接读数仪，监测钻进工具管倾斜角度并进行记录，每钻进1~2节钢管测量1次，当出现偏差超出要求时，应停止钻进采取纠偏措施或移位重新钻进。

本发明采用冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置和施工方法对管棚进行旋喷施工，当遇到含有大块石等障碍物的杂填土地层时，冲击器及冲击钻头能够破碎掉大块石等障碍物，解决了杂填土无水安全钻进的难题，同时将钻进、注浆、扩孔组合为一体化施工工艺，减少了施工设备，简化了施工工艺，提高了施工效率，节约了工程成本，无泥浆污染，实现了节能环保的施工要求。

附图说明

图1为本发明冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置处于钻进打孔状态时的连接结构图；

图2为本发明冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置处于旋喷管棚时的连接结构图；

图3为本发明实施例中当钻进工具管和旋喷工作管包括至少两节首尾连接的钢管时钻杆与冲击器的连接结构示意图；

图4为图3的I部结构放大图；

图5为本发明冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置在钻进打孔施工时的结构示意图；

图6为本发明冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置在旋喷施工时的结构示意图一；

图7为本发明冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置在旋喷施工时的结构示意图二；

图8为本发明冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置在旋喷施工时的结构示意图三；

图9为本发明冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置在旋喷施工时的结构示意图四。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

参照图1至图4，本实施例一种冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置，包括空气压缩机10、高压注浆泵20、锚杆机30、钻杆和前端安装有冲击钻头41的冲击器40，锚杆机30包括锚杆机动力头31，钻杆包括钻进工具管50和旋喷工作管60，钻进工具管50的前端连接于冲击器40的后端，旋喷工作管60上安装有与其管内空间连通的旋喷喷嘴61；当施工装置进行钻进打孔时，锚杆机动力头31连接于空气压缩机10，且钻进工具管50的后端连接于锚杆机动力头31；当施工装置进行旋喷管棚时，锚杆机动力头31连接于高压注浆泵20，且旋喷工作管60的后端连接于锚杆机动力头31，旋喷工作管60的前端封闭并连接于钻进工具管50的后端。

钻进工具管50和旋喷工作管60使用材质相同、硬度较大的地质钻探钢管，钻进工具管50用于穿透钻进地层且钻进后要卸除，旋喷工作管60用于旋喷后要永久作为管棚使用。

由于过街道长度通常较大，而地质钻探钢管通常长度为2-4m，则钻进工具管50包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管51，每节钢管51长度为2-4m；相应地，旋喷工作管60包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管62，每节钢管62长度为2-4m，旋喷喷嘴61位于旋喷工作管60的最前侧一节钢管上。

进一步地，当钻进工具管50的钢管51节数大于3节时，相邻钢管51由于要首尾连接，且在施工过程中，钢管51会由于重力作用而向下倾斜，为时刻监测钻进工具管50的每节钢管的行进方向，保证实际管棚角度等于设计管棚角度，钻进工具管50的多节钢管51中，每间隔1-2节钢管51在下一钢管51内放入测斜仪70，测仪70电连接有读数仪80。测斜仪70可选用移动式测斜仪，监测前端钢管51的倾斜角度，当出现偏差超出要求时，应停止钻进采取纠偏措施或移位重新钻进。

具体地，对于钻进工具管50和旋喷工作管60的连接、钻进工具管50的相邻钢管51的连接、旋喷工作管60的相邻钢管62的连接，钻进工具管50的各钢管51两端及旋喷工作管60的各钢管62两端均成型有内方形丝扣，即两端具有内丝，钻进工具管50的相邻钢管51之间由具有外方形丝扣的接箍90连接，旋喷工作管60的相邻钢管62之间也是由具有外方形丝扣的接箍90连接，旋喷工作管60的最前侧一节钢管62的前端与钻进工具管50的最后侧一节钢管51的后端同样是由具有外方形丝扣的接箍90连接。当然，也可采用其他连接方式，本实施例对此不作具体限制。

对于与钻进工具管50连接的旋喷工作管60最前侧一节钢管62前端的封闭，本实施例中采用丝堵100进行封闭，防止高压水泥浆向前溢出至钻进工具管50，进一步地，丝堵100与该钢管62前端处的接箍90焊接为一体，以保证丝堵100的封闭稳固性。

由于锚杆机30的行程有限，当旋喷工作管60的最后一节钢管62进入地层时，为使该钢管顺利进入地层，钻进工作管50的后端连接于一推进工具管110的前端，推进工具管110的后端连接于锚杆机动力头31，由推进工具管110将旋喷工作管60的最后一节钢管62推进入地层。

本实施例还提出了一种冲击钻进式超前旋喷管棚施工方法，包括如下步骤：

（1）锚杆机30就位，将钻进工具管50安装在锚杆机动力头31上，并将钻进工具管50的前端与安装有冲击钻头41的冲击器40连接，同时，锚杆机30通过风管100连接空气压缩机10；

（2）移动锚杆机30对孔位，使用水平角度尺测量并调整施工入射角度，使其比设计管棚角度大1°-2°，启动空气压缩机10，高压风通过风管100进入锚杆机动力头31、钻进工具管50、冲击器40、冲击钻头41冲击钻进，锚杆机动力头31提供推进力和旋转力，钻进杂填土190，遇块石等障碍物时，冲击钻头冲击破碎，继续钻进，如图5所示；

（3）当冲击器40及冲击钻头41穿出地层对面切口140后，停止钻进，将钻进工具管50的后端拆离锚杆机动力头31，并在该钻进工具管50的后端连接旋喷工作管60，并将旋喷工作管60的后端连接在锚杆机动力头31上，启动锚杆机30，将旋喷工作管60向前旋转推进地层50-60cm，卸除空气压缩机10，并将高压注浆泵20连接在锚杆机动力头31上，如图6所示；

（4）对入射口130旋喷工作管60管壁四周的空隙进行封堵处理阻止高压注浆时水泥浆流出，并保证旋喷工作管60在锚杆机动力头31驱动下仍可以前后滑动不影响钻进；具体地，可利用细钎杆将布料等柔性封堵料推送填塞形成入射口封堵结构120，长度约0.5m，如图7所示；

（5）锚杆机动力头31推进旋喷工作管高压旋喷，待冲击器40完全露出地层对面切口140后，卸除冲击器40和冲击钻头41，并同样对地层对面切口140处的钻进工具管50管壁四周进行封堵处理，形成对面切口封堵结构150，如图7所示；

（6）旋喷工作管60高压旋喷钻进的同时，对对面切口140处穿出的钻进工具管50进行相应卸除，如图8所示；

（7）当高压旋喷至地层对面切口140时，停止旋喷，进一步封堵入射口130和对面切口140，避免流浆，卸除高压注浆泵20，卸除钻进工具管50，移机到下一位置施工旋喷管棚；

（8）全部旋喷管棚200施工完毕，撤离施工装置，管棚两端外露的钢管处浇筑钢筋混凝土圈梁160，拟开挖通道170两侧浇筑钢筋混凝土支撑柱180，然后进入暗挖工序，如图9所示。

进一步地，在步骤（2）中，当钻进工具管50包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管51时，在钻进至前一节钢管深度后，在前一节钢管与锚杆机动力头31之间安装下一节钢管继续钻进直至穿透对面切口140；相应地，在步骤（5）中，当旋喷工作管60包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管62时，在旋喷钻进至前一节钢管深度后，在前一节钢管与锚杆机动力头31之间安装下一节钢管继续旋喷钻进直至旋喷至对面切口140。

进一步地，经实践得知，高压注浆泵20所用水泥浆液的水灰质量比以0.8~1.0为宜，对底层胶粘作用较佳，注浆工作压力保持在15-25MPa，锚杆机30的推进速度以10-20cm/min为宜，进行水平方向旋喷，旋喷直径约400-500mm。

在步骤（2）中，当钻进工具管钻进2节钢管仍未穿出地层对面切口140时，在安装下一节钢管前，自前一节钢管管口向管内推送测斜仪70至管底，测斜仪70连接读数仪80，用于监测钻进工具管倾斜角度并进行记录，每钻进1~2节钢管测量1次，当出现偏差超出要求时，应停止钻进采取纠偏措施或移位重新钻进，以保证实际管棚角度等于预先设计管棚角度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置，包括空气压缩机、高压注浆泵、锚杆机、钻杆和前端安装有冲击钻头的冲击器，其特征在于：所述钻杆包括钻进工具管和旋喷工作管，所述钻进工具管的前端连接于所述冲击器的后端，所述旋喷工作管上安装有与其管内空间连通的旋喷喷嘴；当所述施工装置进行钻进打孔时，所述锚杆机的动力头连接于所述空气压缩机，且所述钻进工具管的后端连接于所述锚杆机的动力头；当所述施工装置进行旋喷管棚时，所述锚杆机的动力头连接于所述高压注浆泵，且所述旋喷工作管的后端连接于所述锚杆机的动力头，所述旋喷工作管的前端封闭并连接于所述钻进工具管的后端。

2.根据权利要求1所述的冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置，其特征在于：所述钻进工具管包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管，相应地，所述旋喷工作管包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管，所述旋喷喷嘴位于所述旋喷工作管的最前侧一节钢管上。

3.根据权利要求2所述的冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置，其特征在于：当所述钻进工具管的钢管节数大于3节时，每间隔1-2节的钢管内置有测斜仪，所述测斜仪电连接有读数仪。

4.根据权利要求2所述的冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置，其特征在于：所述钻进工具管的各钢管两端及所述旋喷工作管的各钢管两端均成型有内方形丝扣，所述钻进工具管的相邻钢管之间由具有外方形丝扣的接箍连接，所述旋喷工作管的相邻钢管之间由具有外方形丝扣的接箍连接，所述旋喷工作管的最前侧一节钢管的前端与所述钻进工具管的最后侧一节钢管的后端由具有外方形丝扣的接箍连接。

5.根据权利要求4所述的冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置，其特征在于：所述旋喷工作管的最前侧一节钢管的前端由丝堵封闭，且所述丝堵与该钢管前端处的所述接箍焊接为一体。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置，其特征在于：所述钻进工作管的后端连接于一推进工具管的前端，所述推进工具管的后端连接于所述锚杆机的动力头。

7.一种基于权利要求1至6中任一项所述冲击钻进式超前旋喷管棚施工装置的超前旋喷管棚施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）锚杆机就位，将钻进工具管安装在锚杆机的动力头上，并将钻进工具管的前端与安装有冲击钻头的冲击器连接，同时，锚杆机的动力头通过风管连接空气压缩机；

（2）移动锚杆机对孔位，测量并调整施工入射角度，使其比设计管棚角度大1°-2°，启动空气压缩机，高压风通过风管进入锚杆机的动力头，并依次进入钻进工具管、冲击器、冲击钻头，冲击钻进，锚杆机的动力头提供推进力和旋转力，钻进杂填土，若遇块石等障碍物时，冲击钻头对其进行冲击破碎，继续钻进；

（3）当冲击器及冲击钻头穿出地层对面切口后，停止钻进，将钻进工具管的后端拆离锚杆机的动力头，并在该钻进工具管的后端连接旋喷工作管，并将旋喷工作管的后端连接在锚杆机的动力头上，启动锚杆机，将旋喷工作管向前旋转推进地层50-60cm后，卸除空气压缩机，并将高压注浆泵连接在锚杆机的动力头上；

（4）对入射口旋喷工作管壁四周的空隙进行封堵处理阻止高压注浆时水泥浆流出，并保证旋喷工作管在锚杆机的动力头驱动下仍可以前后滑动不影响钻进；

（5）锚杆机的动力头推进旋喷工作管进行高压旋喷，待冲击器完全露出地层对面切口后，卸除冲击器和冲击钻头，并同样对地层对面切口管壁四周进行封堵处理；

（6）旋喷工作管高压旋喷钻进的同时，相应卸除对面切口处穿出的钻进工具管；

（7）高压旋喷至地层对面切口时，停止旋喷，进一步封堵入射口和对面切口，避免流浆，卸除高压注浆泵，移机到下一位置施工旋喷管棚；

（8）全部旋喷管棚施工完毕，撤离施工装置，管棚两端外露的部分浇筑钢筋混凝土圈梁，拟开挖通道两侧浇筑钢筋混凝土支撑柱，然后进入暗挖工序。

8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：在步骤（2）中，当钻进工具管包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管时，在钻进至前一节钢管深度后，在前一节钢管与锚杆机的动力头之间安装下一节钢管继续钻进直至穿透对面切口；相应地，在步骤（5）中，当旋喷工作管包括前后方向上依次首尾连接的至少两节钢管时，在旋喷钻进至前一节钢管深度后，在前一节钢管与锚杆机的动力头之间安装下一节钢管继续旋喷钻进直至旋喷至对面切口。

9.根据权利要求7或8所述的施工方法，其特征在于：所述高压注浆泵所用水泥浆液的水灰质量比0.8~1.0，注浆工作压力保持在15-25MPa，所述锚杆机的推进速度为10-20cm/min，进行水平方向旋喷，旋喷直径约400-500mm。

10.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于：在步骤（2）中，当所述钻进工具管钻进2节钢管仍未穿出地层对面切口时，在安装下一节钢管前，自前一节钢管管口向管内推送测斜仪至管底，测斜仪连接读数仪，监测钻进工具管倾斜角度并进行记录，每钻进1~2节钢管测量1次，当出现偏差超出要求时，应停止钻进采取纠偏措施或移位重新钻进。