CN109915019B - 一种钻杆钻孔定向装置及定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻杆钻孔定向装置及其定向方法，包括导向器和支腿，在所述导向器上设置有角度定位机构，所述角度定位机构包括：水平角度盘、垂直角度盘和指向绳；所述垂直角度盘一端垂直转动连接在所述水平角度盘的端面，另一端通过固定装置垂直活动连接在所述水平角度盘的刻度边，通过转动垂直角度盘并将其固定在水平角度盘上的不同端面位置来定位导向器在水平方向的角度调节；所述指向绳的上端部连接在所述垂直角度盘的端面，而下端部指向重力方向并与垂直角度盘的端面平行，并且指向垂直角度盘的刻度边，通过计算垂直角度盘转动后和转动前指向绳指向的角度差来定位导向器在竖直方向的角度调节；以解决现有锚杆钻杆钻孔定位不准确的问题。

Description

一种钻杆钻孔定向装置及定向方法

技术领域

本发明涉及一种钻杆钻孔定向装置及钻孔方法，属于隧道施工技术领域。

背景技术

随着我国基建工程大量兴建，出现了大量的小净距和超小净距隧道，在修建当中常存在锚杆及超前支护钻孔施工易损伤相邻隧道支护衬砌的问题。与此同时，在城市地铁修建当中隧道穿越区域常出现重要结构，如桥梁桩基，重要管线等，在其施工中存在着如何在保证隧道超前支护、初支体系施工质量前提下避免钻孔损伤既有近距离重要结构的施工难题。要解决上述问题，需要在超前支护、初支体系施工时对钻孔方向进行精确的定位导向。现有隧道施工技术领域的钻孔定位装置可行性较高的是公开号为101046143A的专利《锚杆钻孔定向装置》，但是该专利仅能实现钻杆在水平平面内进行钻孔定位，在实际钻孔中，钻孔角度常是一倾斜角度，此时该专利并不能实现精准的定位。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种钻杆钻孔定向装置及定向方法，以解决现有锚杆钻杆钻孔定位不准确，在小净距和超小净距隧道锚杆及超前支护钻孔施工中易损伤相邻隧道成型支护衬砌，和隧道施工中钻孔易损伤既有近距离重要结构的施工问题。

本发明的技术方案是：一种钻杆钻孔定向装置，包括导向器和若干可调节长度的支腿，若干支腿连接在导向器的底部，在所述导向器上设置有角度定位机构，所述角度定位机构包括：水平角度盘、垂直角度盘和指向绳；所述垂直角度盘一端垂直转动连接在所述水平角度盘的端面，另一端通过固定装置垂直活动连接在所述水平角度盘的刻度边，通过转动垂直角度盘并将其固定在水平角度盘上的不同端面位置来定位导向器在水平方向的角度调节；所述指向绳的上端部连接在所述垂直角度盘的端面，而下端部指向重力方向并与垂直角度盘的端面平行，并且指向垂直角度盘的刻度边，通过计算垂直角度盘转动后和转动前指向绳指向的角度差来定位导向器在竖直方向的角度调节。

所述水平角度盘为具有0°-180°角度刻度值的半圆盘，所述垂直角度盘为具有0°-180°角度刻度值的半圆盘，所述垂直角度盘的底边设置在所述水平角度盘下端面的角平分线上，其一端转动连接在所述水平角度盘的圆心位置处，且该转动连接处靠近导向器的前端，所述水平角度盘设置在所述导向器的底部，所述导向器的导向方向设置在所述水平角度盘上端面的角平分线上。

所述指向绳的下端部连接有激光发射器，激光发射器的激光射向重力方向。

所述固定装置为磁力吸附机构，所述垂直角度盘的活动边设置有磁铁，对应的所述水平角度盘的底部刻度边设置有磁性材料；或者所述垂直角度盘的活动边设置有磁性材料，对应的所述水平角度盘的底部刻度边设置有磁铁，通过磁铁与磁性材料的相吸以将垂直角度盘固定到水平角度盘上。

所述支腿的上端与导向器底部铰接，所述支腿包括内杆、外套杆和紧固装置，内杆套设于外套杆内，并可在外套杆内活动，外套杆通过紧固装置固定在内杆上，通过改变内杆与外套杆的相对固定位置实现支腿长度的调节。

所述支腿为3根，在导向器的前端设有两根，在导向器的后端设有一根，共同构成三点支撑。

本发明还提供一种钻杆钻孔定向装置的钻孔方法，包括以下步骤：

(1)在钻机钻杆上标明标记，测量出标记到钻杆顶端的距离L，测量出垂直角度盘与水平角度盘的转动连接处到导向器前端的距离R；

(2)将钻机钻杆的待钻角度拆分为水平外插角θ和竖直角α；

(3)放线定位隧道里程K处待钻孔点位的隧道横断面线P，P＝K-(L+R)*sinθ；

(4)将钻机钻杆穿过导向器并使其顶端顶住待钻孔位点，同时移动使钻机钻杆上的标记与导向器的前端边缘重合，使指向绳刚好与垂直角度盘刻度所在平面平行并位于90°角度刻线上时，然后将钻机钻杆固定在导向器上；

(5)打开激光发射器，拨动垂直角度盘由初始位置转动外插角θ，以待钻孔位点为圆心沿水平方向转动钻机钻杆，转动中保持指向绳刚好与垂直角度盘刻度所在平面平行并位于90°角度刻线上，当激光投射到隧道横断面线P处时，停止转动；

(6)将垂直角度盘拨回到初始位置，将钻杆以待钻孔位点为沿圆心竖直方向转动，转动到偏离90°刻度线竖直角α时，固定支腿并保持钻机钻杆位置不变；

(7)将钻机钻杆从导向器上松开，随后钻机开始钻进即可。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、采用隧道钻孔快速精确导向装置精准控制钻机钻孔，解决现在小净距和超小净距隧道锚杆及超前支护钻孔施工易损伤相邻隧道成型支护衬砌和隧道施工中钻孔易损伤既有近距离重要结构的施工问题。

2、采用隧道钻孔快速精确导向装置可以保证锚杆及超前小导管等施工质量达到预设要求，形成完整有效的支护体系，保证隧道施工安全。

3、采用隧道钻孔快速精确导向装置操作简单，导向可靠，降低对钻孔操作人员的要求以及机械的要求，便于现场施工。

本发明结构简单，设计巧妙，操作方便，可有效解决现在小净距和超小净距隧道锚杆及超前支护钻孔施工易损伤相邻隧道成型支护衬砌和隧道施工中钻孔易损伤既有近距离重要结构的施工问题且提高支护施工质量。

附图说明

图1是钻杆钻孔定向装置示意图；

图2是钻杆钻孔定向装置的角度定位机构大样图；

图3是钻杆钻孔定向装置的导向器大样图；

图4是钻杆钻孔定向装置的支腿大样图；

图5是钻杆钻孔定向装置的垂直角度盘大样图；

图6是钻杆钻孔定向装置角度定位原理几何示意图；

图中：1、角度定位机构，2、导向器，3、支腿，4、管体5、螺栓，6、铰支座，7、导向器螺栓孔，8、转轴，9、内杆，10、水平角度盘，11、角度盘转动轴，12、垂直角度盘，13、指向绳，14、激光发射器，15、固定螺栓，16、连接板，17、紧固螺栓，18、支腿螺栓孔，19、外套杆，20、磁铁。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍：

参考图1至图6，根据本发明一种钻杆钻孔定向装置，包括导向器2和若干可调节长度的支腿3，若干支腿3连接在导向器2的底部，若干支腿3用以支撑固定导向器2的位置，而导向器2用于安装固定钻机的钻杆。在一个例子中，导向器2为管体4结构，在管体4壁面上设有若干导向器螺栓孔7，当钻杆穿设在管体4内时，通过螺栓5穿过导向器螺栓孔7并拧紧以将钻杆固定在管体4中。

参考图4，支腿3的上端与导向器2底部铰接，支腿3包括内杆9、外套杆19和紧固装置，内杆9套设于外套杆19内，并可在外套杆19内活动，外套杆19通过紧固装置固定在内杆9上，通过改变内杆9与外套杆19的相对固定位置实现支腿3长度的调节。优选地，支腿3为3根，在导向器2的前端设有两根，在导向器2的后端设有一根，共同构成三点支撑。

在一个例子中，内杆9位于支腿3上部，外套杆19位于支腿3下部，并且外套杆19接地一侧为圆锥形，在导向器2底部设置有铰支座6，内杆9顶端通过转轴8铰接在该铰支座6内。在一个例子中，紧固装置为紧固螺栓17，在外套杆19上设有相配的支腿螺栓孔18，通过紧固螺栓17穿过支腿螺栓孔18并拧紧以实现内杆9和外套杆19的相对固定。

参考图2，在导向器2上设置有角度定位机构1，角度定位机构1包括：水平角度盘10、垂直角度盘12和指向绳13；垂直角度盘12一端垂直转动连接在水平角度盘10的端面，另一端通过固定装置垂直活动连接在水平角度盘10的刻度边，垂直角度盘12可在水平角度盘10的端面转动，因此，可通过转动垂直角度盘12并将其固定在水平角度盘10上的不同端面位置来定位导向器2在水平方向的角度调节。指向绳13的上端部连接在垂直角度盘12的端面，而下端部指向重力方向并与垂直角度盘12的端面平行，并且指向垂直角度盘12的刻度边，由于指向绳13一直是指向重力方向且位置不变，当在竖直方向转动垂直角度盘12时，通过计算垂直角度盘12转动后和转动前指向绳13指向的角度差，即为水平角度盘10的俯仰调整角度来定位导向器2在竖直方向的角度调节，即可实现钻机钻杆在竖直方向的角度调节。

优选地，水平角度盘10为具有0°-180°角度刻度值的半圆盘，垂直角度盘12为具有0°-180°角度刻度值的半圆盘，垂直角度盘12的底边设置在水平角度盘10下端面的角平分线上，其一端转动连接在所述水平角度盘10的圆心位置处，且该转动连接处靠近导向器2的前端，水平角度盘10设置在导向器2的底部，导向器2的导向方向设置在水平角度盘10上端面的角平分线上。具体地，在导向器2的底部设置有连接板16，水平角度盘10固定在连接板16底部。垂直角度盘12一端通过角度盘转动轴11转动连接在水平角度盘10上。

在指向绳13的下端部连接有激光发射器14，激光发射器14的激光射向重力方向。指向绳13优选为柔性绳。在一个例子中，指向绳13上端通过固定螺栓15固定在垂直角度盘12上，而指向绳13的下端捆扎有激光发射器14。

参考图5，固定装置例如可以为磁力吸附机构，在垂直角度盘12的活动边设置有磁铁20，对应的水平角度盘10的底部刻度边设置有磁性材料；或者在垂直角度盘12的活动边设置有磁性材料，对应的在水平角度盘10的底部刻度边设置有磁铁20，通过磁铁20与磁性材料的相吸以将垂直角度盘12固定到水平角度盘10上。磁力吸附是本领域技术人员的公知常识，在此不对其具体结构进行展开详述。

请一并参考图1至图6，根据本发明一种钻杆钻孔定向装置的钻孔方法，包括以下步骤：

(1)在钻机钻杆上标明标记，测量出标记到钻杆顶端的距离L，测量出垂直角度盘12与水平角度盘10的转动连接处到导向器2前端的距离R。

(2)将钻机钻杆的待钻角度拆分为水平外插角θ和竖直角α。在实际钻杆钻孔时，其钻角几乎不会是纯粹的水平角和竖直角，因此将其拆分为水平外插角θ和竖直角α。拆分时，优选以待钻孔位点相对其隧道横截面方向向外转动形成水平外插角θ，以待钻孔位点相对其隧道长度方向俯仰形成竖直角α。

(3)放线定位隧道里程K处待钻孔点位的隧道横断面线P，P＝K-(L+R)*sinθ。K待钻孔点位的隧道横截面线，(L+R)*sinθ为钻机钻杆以待钻孔位点相对其隧道横截面方向向外转动外插角θ时的、沿隧道长度方向的距离，P为从隧道横截面线K向外后退(L+R)*sinθ的隧道横截面线。

(4)将钻机钻杆穿过导向器2并使其顶端顶住待钻孔位点，同时移动使钻机钻杆上的标记与导向器2的前端边缘重合，使指向绳13刚好与垂直角度盘(12)刻度所在平面平行并位于90°角度刻线上时，然后将钻机钻杆固定在导向器2上，此时钻机钻杆处于水平状态。

(5)打开激光发射器14，以待钻孔位点为圆心沿水平方向转动钻机钻杆，拨动垂直角度盘12由初始位置转动水平外插角θ，转动中保持指向绳13刚好与垂直角度盘12刻度所在平面平行并位于90°角度刻线上，当激光投射到隧道横断面线P处时，停止转动，此时钻机钻杆转动的角度即为水平外插角θ。

(6)将垂直角度盘12拨回到初始位置，即指向90°刻度线，将钻杆以待钻孔位点为圆心沿竖直方向转动，转动到偏离90°刻度线竖直角α时，固定支腿3并保持钻机钻杆位置不变。

(7)将钻机钻杆从导向器2上松开，并保持导向器2位置不变，随后钻机开始钻进即可。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种钻杆钻孔定向装置的定向方法，定向装置包括导向器（2）和若干可调节长度的支腿（3），若干支腿（3）连接在导向器（2）的底部，其特征在于：在所述导向器（2）上设置有角度定位机构（1），所述角度定位机构（1）包括：水平角度盘（10）、垂直角度盘（12）和指向绳（13）；所述垂直角度盘（12）一端垂直转动连接在所述水平角度盘（10）的端面，另一端通过固定装置垂直活动连接在所述水平角度盘（10）的刻度边，通过转动垂直角度盘（12）并将其固定在水平角度盘（10）上的不同端面位置来定位导向器（2）在水平方向的角度调节；所述指向绳（13）的上端部连接在所述垂直角度盘（12）的端面，而下端部指向重力方向并与垂直角度盘（12）的端面平行，并且指向垂直角度盘（12）的刻度边，通过计算垂直角度盘（12）转动后和转动前指向绳（13）指向的角度差来定位导向器（2）在竖直方向的角度调节；

所述钻杆钻孔定向装置的定向方法，包括以下步骤：

（1）在钻机钻杆上标明标记，测量出标记到钻杆顶端的距离L，测量出垂直角度盘（12）与水平角度盘（10）的转动连接处到导向器（2）前端的距离R；

（2）将钻机钻杆的待钻角度拆分为水平外插角θ和竖直角α；

（3）放线定位隧道里程K处待钻孔点位的隧道横断面线P，P=K-（L+R）*sinθ；

（4）将钻机钻杆穿过导向器（2）并使其顶端顶住待钻孔位点，同时移动使钻机钻杆上的标记与导向器（2）的前端边缘重合，使指向绳（13）刚好与垂直角度盘（12）刻度所在平面平行并位于90°角度刻线上时，然后将钻机钻杆固定在导向器（2）上；

（5）打开激光发射器（14），拨动垂直角度盘（12）由初始位置转动外插角θ，以待钻孔位点为圆心沿水平方向转动钻机钻杆，转动中保持指向绳（13）刚好与垂直角度盘（12）刻度所在平面平行并位于90°角度刻线上，当激光投射到隧道横断面线P处时，停止转动；

（6）将垂直角度盘（12）拨回到初始位置，将钻杆以待钻孔位点为沿圆心竖直方向转动，转动到偏离90°刻度线竖直角α时，固定支腿（3）并保持钻机钻杆位置不变；

（7）将钻机钻杆从导向器（2）上松开，随后钻机开始钻进即可。

2.根据权利要求1所述的钻杆钻孔定向装置的定向方法，其特征在于：所述水平角度盘（10）为具有0°-180°角度刻度值的半圆盘，所述垂直角度盘（12）为具有0°-180°角度刻度值的半圆盘，所述垂直角度盘（12）的底边设置在所述水平角度盘（10）下端面的角平分线上，其一端转动连接在所述水平角度盘（10）的圆心位置处，且该转动连接处靠近导向器（2）的前端，所述水平角度盘（10）设置在所述导向器（2）的底部，所述导向器（2）的导向方向设置在所述水平角度盘（10）上端面的角平分线上。

3.根据权利要求2所述的钻杆钻孔定向装置的定向方法，其特征在于：所述指向绳（13）的下端部连接有激光发射器（14），激光发射器（14）的激光射向重力方向。

4.根据权利要求1至3任一所述的钻杆钻孔定向装置的定向方法，其特征在于：所述固定装置为磁力吸附机构，所述垂直角度盘（12）的活动边设置有磁铁（20），对应的所述水平角度盘（10）的底部刻度边设置有磁性材料；或者所述垂直角度盘（12）的活动边设置有磁性材料，对应的所述水平角度盘（10）的底部刻度边设置有磁铁（20），通过磁铁（20）与磁性材料的相吸以将垂直角度盘（12）固定到水平角度盘（10）上。

5.根据权利要求1至3任一所述的钻杆钻孔定向装置的定向方法，其特征在于：所述支腿（3）的上端与导向器（2）底部铰接，所述支腿（3）包括内杆（9）、外套杆（19）和紧固装置，内杆（9）套设于外套杆（19）内，并可在外套杆（19）内活动，外套杆（19）通过紧固装置固定在内杆（9）上，通过改变内杆（9）与外套杆（19）的相对固定位置实现支腿（3）长度的调节。

6.根据权利要求5所述的钻杆钻孔定向装置的定向方法，其特征在于：所述支腿（3）为3根，在导向器（2）的前端设有两根，在导向器（2）的后端设有一根，共同构成三点支撑。