CN110259476A - 一种气腿式凿岩机钻头及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气腿式凿岩机钻头及施工方法，该气腿式凿岩机钻头包括钻头和扩孔片，所述扩孔片的宽度大于钻头的头部外径，所述扩孔片的一端固定连接钻头的头部，另一端设置有锥部，所述锥部的尖端与钻头的轴心重合。该施工方法依次包括：安装初支拱脚并预埋导向管，再进行喷射混凝土作业；在混凝土凝固后进行管棚支护作业；将前述结构的气腿式凿岩机钻头安装于一钻杆上，并将钻杆连接气腿式凿岩机进行钻孔作用；在钻至设定孔深之后进行吹孔；继续钻孔，直至完成；通过气腿式凿岩机将管棚顶入孔内；注浆。该气腿式凿岩机钻头及施工方法缩短了施工周期，降低了施工成本，提高了施工效益。

Description

一种气腿式凿岩机钻头及施工方法

技术领域

本发明属于管棚施工设备技术领域，具体涉及一种用于管棚施工中与气腿式凿岩机配合的钻头以及采用该钻头的施工方法。

背景技术

我国许多地区的地质属于膨胀土地质，膨胀土是颗粒高分散、成分以黏土矿物为主、对环境的湿热变化敏感的高塑性黏土。它是一种吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特殊土，工程界常称之为灾害性土。

在此种地质条件下的隧洞工程，受地下水影响，在施工过程中极易出现围岩掉块，部分坍塌，局部区域在施工期间依照设计参数甚至加强支护参数进行支护作业后，仍出现明显的沉降与收敛，导致支护结构明显侵占隧道净空，支护结构不得不进行拆除换拱，浪费大量的人力物力财力，进而影响施工工期，因此需要在洞内沉降收敛大的局部区域施作大口径的管棚，因为管棚的支护能力强，注浆效果好，能有效的保证围岩的稳定，控制隧洞的收敛与沉降变形，进而保证施工的安全。

管棚的长度与隧洞的进洞管棚长度相比，深度较浅，一般为5-10m，但其施工期间属于隧洞的掘进期间，因此对其支护的要求为，强度高，施工周期短，能在短期内实现支护效果，平稳过度完地质较差的区域后，不影响既定工期。而现在的管棚施工机械主要为管棚机或潜孔钻，该设备费用高昂，重量较大，专业操作人员较多，操作过程复杂，施工周期较长，成本较高，受环境场地影响比较大，后续的顶管设备一般采用挖机，对场地要求大，特别对于小断面的隧道，同时因施工时间较长，易出现塌孔现象，导致顶管深度不够，影响支护效果，若需施工管棚，采用管棚机或潜孔钻设备施工便会有上述的缺点，而在我国隧道施工中有一种经常使用的工具——气腿式凿岩机，该设备操作简单，成孔速度快，需要人员较少，成本较低，受场地影响小，但是其钻孔的口径较小，因此需要一种能与之配套的钻头来辅助施工管棚。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种结构简单、施工快捷并与气腿式凿岩机适配的钻头以及采用该钻头及气腿式凿岩机进行钻孔的施工方法。

本发明解决其技术问题所采用的一种技术方案是：一方面，本发明提供一种气腿式凿岩机钻头，包括钻头和扩孔片，所述扩孔片的宽度大于钻头的头部外径，所述扩孔片的一端固定连接钻头的头部，另一端设置有锥部，所述锥部的尖端与钻头的轴心重合。

优选的，所述扩孔片于锥部的两侧边沿设置有若干第一缺口。

优选的，所述锥部两侧的第一缺口为三角形缺口，并且沿钻头的轴向交错排布。

优选的，所述扩孔片于连接钻头的一端设置有第二缺口，所述第二缺口的尺寸与钻头的头部适配，从而使得钻头的头部嵌装于第二缺口内。

优选的，所述钻头为马蹄形钻头，且其轴心处开设有出水孔，所述扩孔片于第二缺口上贴合钻头的头部端面的边沿对应出水孔开设有第三缺口。

优选的，所述钻头为马蹄形钻头，且其轴心处开设有出水孔，所述扩孔片对应该出水孔开设有第三缺口，以显露该出水孔。

优选的，所述扩孔片为厚度至少为15mm的钢板或方钢，其宽度为75mm-108mm，所述锥部的锥角为45°，且锥部的两侧边沿交错开设有宽度为10mm的第一缺口，且在锥部同一侧边沿的相邻的两个第一缺口之间的间距为10mm。

另一方面，本发明提供一种施工方法，包括以下步骤：

第一步，安装初支拱脚并预埋导向管，再进行喷射混凝土作业；

第二步，在混凝土凝固后进行管棚支护作业；

第三步，将上述结构的气腿式凿岩机钻头安装于一钻杆上，并将钻杆连接气腿式凿岩机进行钻孔作用；

第四步，在钻至设定孔深之后进行吹孔；

第五步，继续钻孔，直至完成；

第六步，通过气腿式凿岩机将管棚顶入孔内；

第七步，注浆。

优选的，在第三步中，选用3m长的钻杆，并且气腿式凿岩机采用带水作业；在第四步中，在钻孔深度达到3m后，采用风管连接长度为3m的镀锌薄壁钢管进行吹孔，并且单次吹孔时长为2min；在第五步中，将第三步采用的钻杆通过钎套连接另一钻杆，使两者长度满足孔深要求，再进行钻孔，直至深度达到要求，之后再进行一次吹孔。

优选的，在第六步中，通过一转动套连接气腿式凿岩机，转动套上穿入一边长不小于管棚外径的正方形铁板，铁板厚度不小于15mm，从而通过铁板来抵接管棚端面。

本发明的有益效果是：

第一，施工周期大大缩短，采用改装后的钻头进行钻孔作业，相对于采用管棚机和传统潜孔钻进行钻孔作业，因占地面积较小，操作人员较少，可多部气腿式凿岩机同时施工，施工周期大大缩短，经过现场试验，单个10m孔深、89mm孔径的管棚，其施工时长为40min(钻孔作业占据30min，顶管作业占据3min，吹孔及连接杆件作业占据7min)，多台气腿式凿岩机设备同时施工，完成20个孔的全部作业时间可缩短3倍，同时也可避免因施工期间过长，后续的支护结构继续变形。

第二，施工成本大大降低，采用传统的管棚机或潜孔钻作业，其购置或租赁费用高昂，且需专业人员操作，而气腿式凿岩机作业人员基本上在每个隧道施工劳务队伍都有，且操作时间均很长，熟练程度高，顶管工序也不需要挖机配合，仅用凿岩机便可完成，因此可大大降低施工成本。

第三，此施工作业一般在围岩特别差的地层，因其施工周期短，支护强度高，可完全保证支护结构的安全性，在平稳度过该区域后，支护参数可继续转为设计参数，继续掘进，既不会增加过多的施工成本，也不会影响既定工期，对于施工单位来说，工期便是效益，因此该钻头和该施工方法可有效提高施工效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是气腿式凿岩机钻头的一种结构示意图；

图2是气腿式凿岩机钻头侧视图；

图3是气腿式凿岩机钻头的剖视图；

图4是传统钻头的剖视图；

图5是传统钻头的侧视图；

图6是采用传统管棚施工的第一个断面的观测曲线图；

图7是采用传统管棚施工的第二个断面的观测曲线图；

图8是改进后的施工方法的第一个断面的观测曲线图；

图9是改进后的施工方法的第二个断面的观测曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

参照图1～图5，一方面，本发明提供一种气腿式凿岩机钻头，包括钻头200和扩孔片100，所述扩孔片100的宽度大于钻头200的头部外径，所述扩孔片100的一端固定连接钻头200的头部，另一端设置有锥部，所述锥部的尖端与钻头200的轴心重合。

如此，可通过钻头200来连接气腿式凿岩机实现传动，而通过扩孔片100来进行钻孔挖掘，可有效配合气腿式凿岩机完成较大孔径的钻孔动作。

优选的，所述扩孔片100于锥部的两侧边沿设置有若干第一缺口101。通过第一缺口101可以增强钻孔过程中扩孔片100的掘进效率，便于破土钻进，并且可以用于排土。

在此基础上优选的，所述锥部两侧的第一缺口101为三角形缺口，并且沿钻头200的轴向交错排布。将第一缺口101 设置为三角形缺口，加工方便，并且所占据的扩孔片100面积较小，不会对扩孔片100的力学性能造成较大影响，有利于保证扩孔片100的强度、韧度和刚度。而使两侧的第一缺口101沿钻头200的轴向交错排布，则可以在钻进过程中形成螺旋状的槽道结构，进一步增强掘进效率。

为了加强钻头200与扩孔片100之间的连接固定，优选的，所述扩孔片100于连接钻头200的一端设置有第二缺口，所述第二缺口的尺寸与钻头200的头部适配，从而使得钻头200的头部嵌装于第二缺口内。并且钻头200与扩孔片100 之间焊接固定，通过第二缺口的设置可以实现三边焊接，有效提高两者之间的连接强度。

优选的，所述钻头200为马蹄形钻头，且其轴心处开设有出水孔201，所述扩孔片100于第二缺口上贴合钻头200 的头部端面的边沿对应出水孔201开设有第三缺口102。由于气腿式凿岩机一般为带水作业，因此采用轴心设有出水孔 201的钻头200可以很好地与气腿式凿岩机适配，并且在钻孔过程中注水可以形成泥浆护壁效果，有利于降温、润滑、保护钻头200。而采用马蹄形钻头，则是因为其结构简单，便于扩孔片100的焊接固定，并且掘进过程通过扩孔片100 完成，因此对钻头200的要求较低。

优选的，所述扩孔片100为厚度至少为15mm的钢板或方钢，其宽度为75mm-108mm，所述锥部的锥角为45°，且锥部的两侧边沿交错开设有宽度为10mm的第一缺口101，且在锥部同一侧边沿的相邻的两个第一缺口101之间的间距为 10mm。

该气腿式凿岩机钻头的具体参数之一为：钻头200的外径为50mm，第二缺口的宽度为50mm、深度为30mm，并且扩孔片100的宽度为90mm、长度为155mm，第一缺口101的开口宽度为10mm，并且为三角形缺口，相邻的两个第一缺口 101的顶点间距为20mm，第三缺口102为宽17.5mm、深度为 10mm的三角形缺口。

另一方面，本发明提供一种施工方法，包括以下步骤：

第一步，安装初支拱脚并预埋导向管，再进行喷射混凝土作业；

第二步，在混凝土凝固后进行管棚支护作业；

第三步，将气腿式凿岩机钻头安装于一钻杆上，并将钻杆连接气腿式凿岩机进行钻孔作用；

第四步，在钻至设定孔深之后进行吹孔；

第五步，继续钻孔，直至完成；

第六步，通过气腿式凿岩机将管棚顶入孔内；

第七步，注浆。

由于需要施工管棚的区域一般为隧道沉降收敛较大的区域，一次施工长度可为5m，并且隧道两侧同步施工，施工管棚的具体位置一般为上台阶拱脚和中台阶拱脚以上50cm-100cm处，在初支拱脚安装完成后所预埋的导向管的内径需大于管棚材料外径，并且采用土工布包裹导向管，继而进行喷射混凝土作业。

在第二步中，在混凝土喷射完成4h后进行管棚支护作业，并且施工前先将施工场地稍作平整压实。

在第三步中，选用3m长的钻杆，并且气腿式凿岩机采用带水作业，从而在钻孔过程中与破碎土体混合，产生泥浆护壁效果。

在第四步中，在钻孔深度达到3m后，采用风管连接长度为3m的镀锌薄壁钢管进行吹孔，并且单次吹孔时长为 2min，从而将之前孔内的剩余土体及水吹出孔外。

在第五步中，将第三步采用的钻杆通过钎套连接另一钻杆，使两者长度满足孔深要求，再进行钻孔，直至深度达到要求，之后再进行一次吹孔。

在第六步中，通过一转动套连接气腿式凿岩机，转动套上穿入一边长不小于管棚外径的正方形铁板，铁板厚度不小于15mm，从而通过铁板来抵接管棚端面。该铁板中心加工一直径4cm的圆孔并通过该圆孔来对接转动套，实现装配。

进一步的，在选取一膨胀土地质采用传统管棚施工时，设计预留沉降量为10cm，施工过程中始终参照设计支护参数进行施工，选取两个断面进行观测得到图6和图7两个曲线图。

从图上可以看出，两个断面的沉降及收敛均在60cm以上，且从曲线可以看出，该区域的沉降及收敛并没有达到稳定值，这表示围岩仍处于继续变形状态，且数值大大超出了隧道预留量，初期支护结构侵占了隧洞净空。

而采用前述施工方法于同一地质区域进行施工后(支护参数为采用直径89mm的无缝钢管，壁厚6mm，深度6m，间距 1m，注浆材料选用M20水泥砂浆，支护部位为上台阶及中台阶拱脚部位)，选取两个深度相近或相同的断面进行观测得到图8和图9两个曲线图。

从图上可以看出，在采用该施工方法施工管棚支护措施后，隧道的沉降及收敛数据明显减少，最大收敛值为25cm，最大沉降值为11cm，且从曲线的曲率可以看出，其变形基本趋于稳定，这表示围岩已处于稳定状态，该管棚措施已产生良好的支护强度。

综上所述可知，本发明的有益效果是：

第一，施工周期大大缩短，采用改装后的气腿式凿岩机钻头进行钻孔作业，相对于采用管棚机和传统潜孔钻进行钻孔作业，因占地面积较小，操作人员较少，可多部气腿式凿岩机同时施工，施工周期大大缩短，经过现场试验，单个10m 孔深、89mm孔径的管棚，其施工时长为40min(钻孔作业占据30min，顶管作业占据3min，吹孔及连接杆件作业占据7min)，多台气腿式凿岩机设备同时施工，完成20个孔的全部作业时间可缩短3倍，同时也可避免因施工期间过长，后续的支护结构继续变形。

第二，施工成本大大降低，采用传统的管棚机或潜孔钻作业，其购置或租赁费用高昂，且需专业人员操作，而气腿式凿岩机作业人员基本上在每个隧道施工劳务队伍都有，且操作时间均很长，熟练程度高，顶管工序也不需要挖机配合，仅用凿岩机便可完成，因此可大大降低施工成本。

第三，此施工作业一般在围岩特别差的地层，因其施工周期短，支护强度高，可完全保证支护结构的安全性，在平稳度过该区域后，支护参数可继续转为设计参数，继续掘进，既不会增加过多的施工成本，也不会影响既定工期，对于施工单位来说，工期便是效益，因此该气腿式凿岩机钻头和该施工方法可有效提高施工效益。

本设计结构简单，配套设备操作简单，成孔速度快，需要人员较少，成本较低，受场地影响小，省去了传统施工管棚的机械，如管棚机或潜孔钻以及后续顶管机械挖机，所有钻孔顶管施工工序仅适用凿岩机，此种支护措施能大大提高隧道支护结构的强度，确保围岩的稳定，保证施工过程的安全，既不用增加过多成本，也不影响既定工期，保证了施工企业的效益，该发明同样可适用于边坡支护较大孔径的注浆支护措施，经现场试验论证，最大支护深度可达12m。

上述实施例只是本发明的优选方案，本发明还可有其他实施方案。本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所设定的范围内。

Claims (10)

1.一种气腿式凿岩机钻头，其特征在于，包括钻头(200)和扩孔片(100)，所述扩孔片(100)的宽度大于钻头(200)的头部外径，所述扩孔片(100)的一端固定连接钻头(200)的头部，另一端设置有锥部，所述锥部的尖端与钻头(200)的轴心重合。

2.如权利要求1所述的一种气腿式凿岩机钻头，其特征在于，所述扩孔片(100)于锥部的两侧边沿设置有若干第一缺口(101)。

3.如权利要求2所述的一种气腿式凿岩机钻头，其特征在于，所述锥部两侧的第一缺口(101)为三角形缺口，并且沿钻头(200)的轴向交错排布。

4.如权利要求1所述的一种气腿式凿岩机钻头，其特征在于，所述扩孔片(100)于连接钻头(200)的一端设置有第二缺口，所述第二缺口的尺寸与钻头(200)的头部适配，从而使得钻头(200)的头部嵌装于第二缺口内。

5.如权利要求4所述的一种气腿式凿岩机钻头，其特征在于，所述钻头(200)为马蹄形钻头，且其轴心处开设有出水孔(201)，所述扩孔片(100)于第二缺口上贴合钻头(200)的头部端面的边沿对应出水孔(201)开设有第三缺口(102)。

6.如权利要求1-4任一项所述的一种气腿式凿岩机钻头，其特征在于，所述钻头(200)为马蹄形钻头，且其轴心处开设有出水孔(201)，所述扩孔片(100)对应该出水孔(201)开设有第三缺口(102)，以显露该出水孔(201)。

7.如权利要求6所述的一种气腿式凿岩机钻头，其特征在于，所述扩孔片(100)为厚度至少为15mm的钢板或方钢，其宽度为75mm-108mm，所述锥部的锥角为45°，且锥部的两侧边沿交错开设有宽度为10mm的第一缺口(101)，且在锥部同一侧边沿的相邻的两个第一缺口(101)之间的间距为10mm。

8.一种施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，安装初支拱脚并预埋导向管，再进行喷射混凝土作业；

第二步，在混凝土凝固后进行管棚支护作业；

第三步，将权利要求1-7任一项所述的气腿式凿岩机钻头安装于一钻杆上，并将钻杆连接气腿式凿岩机进行钻孔作用；

第四步，在钻至设定孔深之后进行吹孔；

第五步，继续钻孔，直至完成；

第六步，通过气腿式凿岩机将管棚顶入孔内；

第七步，注浆。

9.如权利要求8所述的一种施工方法，其特征在于，在第三步中，选用3m长的钻杆，并且气腿式凿岩机采用带水作业；在第四步中，在钻孔深度达到3m后，采用风管连接长度为3m的镀锌薄壁钢管进行吹孔，并且单次吹孔时长为2min；在第五步中，将第三步采用的钻杆通过钎套连接另一钻杆，使两者长度满足孔深要求，再进行钻孔，直至深度达到要求，之后再进行一次吹孔。

10.如权利要求8所述的一种施工方法，其特征在于，在第六步中，通过一转动套连接气腿式凿岩机，转动套上穿入一边长不小于管棚外径的正方形铁板，铁板厚度不小于15mm，从而通过铁板来抵接管棚端面。