CN111395969A - 用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构及其施工方法，包括导向钻头组件以及配合连接在所述导向钻头组件下方的扩孔钻头组件，所述导向钻头组件径向尺寸小于所述扩孔钻头组件的径向尺寸；其结构可靠，使用性能好，有效的避免了高低应力软弱围岩缩孔、塌孔和成孔质量差的问题，钻孔效率高，成孔质量好。

Description

用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及隧道钻孔支护施工技术领域，具体涉及一种用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构及其施工方法。
背景技术
预应力长锚杆/锚索支护技术在挤压型大变形隧道中可成功应用的前提是打设的深锚孔可稳定成孔，因此对钻孔机具的选用提出了更高的要求，特别是钻头的选择，是制约长锚孔的钻孔效率与成孔效果的关键因素。挤压大变形隧道工程中钻孔受岩层软弱破碎、地应力高等不利因素影响，极易出现缩孔、塌孔等情况，致大孔径钻孔的成孔效率低；同时，对于深钻孔的打设，也存在着钻进效率低，钻孔平、圆顺性差和排渣不畅或堵孔等情况。
发明内容
本发明的目的在于提供用于一种用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构及其施工方法，以解决现有钻头钻孔效率低、成孔质量差的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构，包括导向钻头组件以及配合连接在所述导向钻头组件下方的扩孔钻头组件，所述导向钻头组件径向尺寸小于所述扩孔钻头组件的径向尺寸；
所述导向钻头组件包括钻体、设置于所述钻体上的钻台以及分别设置在所述钻台上且与所述钻台、钻体设置为一体式结构的多个导向钻头，相邻所述导向钻头之间形成排渣槽，沿所述钻台中轴线方向上开设有出水孔，所述钻体两侧开设有出水槽，所述扩孔钻头组件配合连接在所述钻体下端。
进一步，所述扩孔钻头组件包括内部具有安装孔的柱形钻台、沿所述柱形钻台圆周方向上设置且与所述柱形钻台连接为一体式结构的多个钻头安装体以及设置在所述钻头安装体上端的扩孔钻头，且多个所述钻头安装体按相同时针方向设置，相邻所述钻头安装体之间形成排渣槽，所述导向钻头组件的钻体配合连接在所述柱形钻台的安装孔内。
进一步，所述导向钻头的内侧面与所述扩孔钻头内侧面上均设置有切割片，且所述切割片表面设置有弧形凸起。
进一步，所述导向钻头为两个，且两个所述导向钻头关于所述出水孔对称且相向设置。
进一步，所述导向钻头的后倾角为15°-20°，侧转角为5°-7.5°。
进一步，所述扩孔钻头为三个，且所述扩孔钻头的后倾角为20°-25°，侧转角为7.5°-15°。
进一步，所述钻体外壁设置有外螺纹，所述柱形钻台的安装孔内开设有与所述外螺纹相配合的内螺纹，通过所述外螺纹与所述内螺纹配合将所述钻体与所述柱形钻台连接。
进一步，所述柱形钻台底端设置有与所述安装孔相连通的螺纹套管。
进一步，所述导向钻头组件的钻台为具有弧面的柱台结构。
进一步，所述出水槽为V字形结构，且沿所述钻体的外壁面径向开设。
本发明还提供了一种采用锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构钻孔的施工方法，包括以下步骤：
步骤①：在需钻孔岩体上设计锚固孔位置并设计钻孔深度，将组合钻头、钎杆及钻机进行组装；
步骤②：将组合钻头的导向钻头组件对准锚固孔位置并在钻机的驱动下钻取导向孔，同时通过扩孔钻头组件跟进将导向孔扩孔至设计孔径；
步骤③：钻孔达到设计深度后停止钻进，钎杆及组合钻头从锚固孔内退出，完成钻孔作业。
进一步，步骤②中在钻孔的同时通过高压水从出水孔中喷出冲洗锚固孔内碎渣。
本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构及其施工方法，其结构可靠，使用性能好，有效的避免了高低应力软弱围岩缩孔、塌孔和成孔质量差的问题；通过导向钻头组件和扩孔钻头组件的组合形式，有效的提高了钻孔效率及成孔质量；通过双翼钻头快速切削出小钻孔，进行钻孔围岩应力与变形释放，并为后续成孔起到导向作用，提升钻孔顺直度，同时保证导向钻头的使用寿命；随后通过扩孔钻头钻出设计孔径，并通过扩孔钻头自身的结构特性对成孔壁粗糙处进行打磨，保证孔壁圆顺性；通过出水孔，既实现了对钻头切削的碎渣进行冲洗，又实现了对钻头的降温操作，提高钻头的使用性能，延长使用寿命。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中导向钻头组件示意图；
图3为本发明中导向钻头组件俯视图；
图4为本发明中扩孔钻头组件示意图；
图5为本发明中扩孔钻头组件示意图；
图6为本发明施工示意图；
图1至图6中所示附图标记分别表示为：1-导向钻头组件，2-扩孔钻头组件，10-钻体，11-钻台，12-导向钻头，13-排渣槽，14-出水孔，15-出水槽，201-安装孔，20-柱形钻台，21-钻头安装体，22-扩孔钻头，3-切割片，4-螺纹套管，5-钎杆，6-岩体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构，包括导向钻头组件1以及配合连接在导向钻头组件1下方的扩孔钻头组件2，导向钻头组件1径向尺寸小于扩孔钻头组件2的径向尺寸。导向钻头组件1与扩孔钻头组件2的顶端通过螺纹连接，形成组合钻头结构，扩孔钻头组件2的底端通过螺纹与钻机钎杆连接。在钻孔时，通过钻机钎杆驱动组合钻头结构运动，通过双翼导线钻头组件快速切削小钻孔，进行钻孔围岩应力与变形的释放，避免高低应力软弱围岩缩孔和塌孔的问题，并未后续成孔提供钻孔导向；随后通过扩孔钻头组件2钻出所需的设计孔径，有效的提高钻孔效率。
如图2至图3所示，导向钻头组件1包括钻体10、设置于钻体10上的钻台11以及分别设置在钻台11上且与钻台11、钻体10设置为一体式结构的多个导向钻头12，相邻导向钻头12之间具有排渣槽13，沿钻台11中轴线方向上开设有出水孔14，钻体10两侧开设有出水槽15，扩孔钻头组件2配合连接在钻体10下端。两个导向钻头12关于出水孔14对称且相向设置，钻体10与扩孔钻头组件2配合连接，结构可靠，钻台11为具有弧面的柱台结构。在钻孔过程中，通过钎杆中的水管向钻头处供水并从出水孔14处流出，用以冲洗钻头切削的碎渣并对导向钻头12冷却降温，提高使用性能。通过排渣槽13对冲洗后的碎渣进行排除，避免堵塞钻头，排渣槽13呈V形结构，提高水流速度进而提高碎渣排除效率。
如图4至图5所示，扩孔钻头组件2包括内部具有安装孔201的柱形钻台20、沿柱形钻台20圆周方向上设置且与柱形钻台20连接为一体式结构的三个钻头安装体21以及设置在所述钻头安装体21上端的扩孔钻头22，且三个所述钻头安装体21按相同时针方向设置，相邻所述钻头安装体21之间具有排渣槽13，导向钻头组件1的钻体10配合连接在柱形钻台20的安装孔201内。同时针方向包括同顺时针或同反时针。柱形钻台20的顶端与钻体10配合连接，柱形钻台20的底端与钎杆配合连接，且处于同一中轴线上。当导向钻头12钻孔后，再通过扩孔钻头22对导向钻头12钻取的小孔进行扩孔，且在钻取过程中，钻头旋转切削岩石，由出水孔14流出的水体流向钻头安装体21之间的排渣槽13，并通过排渣槽13将切削后的碎渣冲出，并且通过水流同时对切削产生高温的钻头进行冷却降温。
为了提高钻孔效率，本发明中，导向钻头12的内侧面与扩孔钻头22内侧面上均设置有切割片3，且所述切割片3表面设置有弧形凸起。该切割片3为圆柱片形，优选地采用金刚石复合片，提高在钻孔过程中的成孔圆顺性。通过弧形凸起作为辅助钻孔件，在钻头钻孔的同时起到辅助钻孔作用，提高钻孔速度及效率。
为了便于钻头破岩和排渣操作，本发明中，导向钻头12的后倾角为15°-20°，侧转角为5°-7.5°。
为了提高钻孔的圆顺性及钻进效率，本发明中，扩孔钻头22的后倾角为20°-25°，侧转角为7.5°-15°。
为了便于对导向钻头12和扩孔钻头22之间的更换及检修，本发明中，钻体10外壁设置有外螺纹，柱形钻台20的安装孔201内开设有与外螺纹相配合的内螺纹，通过所述外螺纹与所述内螺纹配合将所述钻体10与柱形钻台20连接。通过螺纹连接实现导向钻头12和扩孔钻头22之间的可拆卸连接，便于钻头间的拆装，且通过螺纹的自锁性能，提高连接的可靠性，
为了便于钻头与钎杆的连接，本发明中，柱形钻台20底端设置有与安装孔201相连通的螺纹套管4。
为了避免导向钻头在钻孔过程中出现钻头泥包的现象，本发明中，导向钻头12的出水孔为三个。
如图6所示，本发明还提供了一种采用锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构钻孔的施工方法，包括以下步骤：
步骤①：在需钻孔岩体上设计锚固孔位置并设计钻孔深度，将组合钻头、钎杆及钻机进行组装。后端扩孔钻头组件的扩孔钻头中轴线处开设内螺纹孔，其前端与导向钻头螺纹匹配，后端螺纹与钻进钎杆连接螺纹匹配。
步骤②：将组合钻头的导向钻头组件1对准锚固孔位置并在钻机的驱动下钻取导向孔，同时通过扩孔钻头组件2跟进将导向孔扩孔至设计孔径。导向钻头组件1的导向钻头12快速切削出导向孔，同时高压水从导向钻头的出水孔喷出，冲洗碎渣并对导向钻头进行冷却降温。随之，后端扩孔钻头组件2的扩孔钻头22同步跟进，将成形的导向孔扩孔至设计孔径，同时扩孔钻头的光滑柱体壁面将孔壁打磨顺滑，碎渣从排渣槽排出。该导向孔孔径与设计锚固孔孔径之间比例系数为K，该K的取值范围为0.65-0.75，钻孔效率高。
步骤③：钻孔达到设计深度后停止钻进，钎杆及组合钻头从锚固孔内退出，完成钻孔作业。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构，其特征在于，包括导向钻头组件(1)以及配合连接在所述导向钻头组件(1)下方的扩孔钻头组件(2)，所述导向钻头组件(1)径向尺寸小于所述扩孔钻头组件(2)的径向尺寸；
所述导向钻头组件(1)包括钻体(10)、设置于所述钻体(10)上的钻台(11)以及分别设置在所述钻台(11)上且与所述钻台(11)、钻体(10)设置为一体式结构的多个导向钻头(12)，相邻所述导向钻头(12)之间形成排渣槽(13)，沿所述钻台(11)中轴线方向上开设有出水孔(14)，所述钻体(10)两侧开设有出水槽(15)，所述扩孔钻头组件(2)配合连接在所述钻体(10)下端。
2.根据权利要求1所述的用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构，其特征在于，所述扩孔钻头组件(2)包括内部具有安装孔(201)的柱形钻台(20)、沿所述柱形钻台(20)圆周方向上设置且与所述柱形钻台(20)连接为一体式结构的多个钻头安装体(21)以及设置在所述钻头安装体(21)上端的扩孔钻头(22)，且多个个所述钻头安装体(21)按相同时针方向设置，相邻所述钻头安装体(21)之间形成排渣槽(13)，所述导向钻头组件(1)的钻体(10)配合连接在所述柱形钻台(20)的安装孔(201)内。
3.根据权利要求2所述的用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构，其特征在于，所述导向钻头(12)的内侧面与所述扩孔钻头(22)内侧面上均设置有切割片(3)，且所述切割片(3)表面设置有弧形凸起。
4.根据权利要求1至3任一项所述的用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构，其特征在于，所述导向钻头(12)为两个，且两个所述导向钻头(12)关于所述出水孔(14)对称且相向设置。
5.根据权利要求1所述的用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构，其特征在于，所述导向钻头(12)的后倾角为15°-20°°，侧转角为5°-7.5°。
6.根据权利要求2所述的用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构，其特征在于，所述扩孔钻头(22)为三个，且所述扩孔钻头(22)的后倾角为20°-25°，侧转角为7.5°-15°。
7.根据权利要求3所述的用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构，其特征在于，所述钻体(10)外壁设置有外螺纹，所述柱形钻台(20)的安装孔(201)内开设有与所述外螺纹相配合的内螺纹，通过所述外螺纹与所述内螺纹配合将所述钻体(10)与所述柱形钻台(20)连接；
所述柱形钻台(20)底端设置有与所述安装孔(201)相连通的螺纹套管(4)。
8.根据权利要求7所述的用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构，其特征在于，所述导向钻头组件(1)的钻台(11)为具有弧面的柱台结构，所述出水槽(15)为V字形结构，且沿所述钻体(10)的外壁面径向开设。
9.采用权利要求1至8任一项所述的用于锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构钻孔的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤①：在需钻孔岩体上确定锚固孔位置并确定钻孔深度，将组合钻头、钎杆及钻机进行组装；
步骤②：将组合钻头的导向钻头组件(1)对准锚固孔位置并在钻机的驱动下钻取导向孔，同时通过扩孔钻头组件(2)跟进将导向孔扩孔至设计孔径；
步骤③：钻孔达到设计深度后停止钻进，钎杆及组合钻头从锚固孔内退出，完成钻孔作业。
10.权利要求9所述的采用锚杆/锚索钻孔的组合钻头结构钻孔的施工方法，其特征在于，步骤②中在钻孔的同时通过高压水从出水孔(14)中喷出冲洗锚固孔内碎渣。
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