CN111441800A - 溶洞填充装置及其填充方法 - Google Patents

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CN111441800A CN202010264213.0A CN202010264213A CN111441800A CN 111441800 A CN111441800 A CN 111441800A CN 202010264213 A CN202010264213 A CN 202010264213A CN 111441800 A CN111441800 A CN 111441800A
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张俊伟
王龙
刘中欣
王东欣
陶云超
陶祥令
苏运河
蒋雷
郭伟
冯占礼
高勇
王晨阳
彭卓
张芳
张森
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Abstract

本发明涉及一种溶洞填充装置及其填充方法，溶洞填充装置包括挖掘模块、注浆模块和扩力架模块，其中，注浆管穿设在所述钻杆内部，所述注浆管连通所述注浆口；套管可拆卸地设置于所述钻杆外表面且靠近前端，套管外侧设有滑槽，滑槽的后端设有卡槽，可伸直和收缩的扩力架主体前端固定在套管前端，所述扩力架主体的后端包括可滑动设在滑槽中的磁性单元，设置在所述套管内的电磁铁经由电流方向的改变而变化磁极，当所述电磁铁施加吸引力到所述磁性单元，所述扩力架主体被伸直，当电磁铁施加排斥力到所述磁性单元，扩力架主体朝套管外扩展。

Description

溶洞填充装置及其填充方法
技术领域
本发明涉及溶洞填充技术领域，特别涉及一种溶洞填充装置及其填充方法。
背景技术
中国是世界上岩溶分布最广泛的国家之一，随着经济的快速发展，路桥和隧道工程项目不断增多，许多工程经过溶洞地区。溶洞地区的地质灾害频繁发生、风险较高。给国家和人民带来了一定的经济损失。在我国中南、西南地区己经建成的的数十座岩溶隧道中，超过半数隧道均发生过较大岩溶灾害，如渝怀线的圆梁山隧道和歌乐山隧道、衡广铁路复线南岭隧道、株六复线的新水花隧道、达万铁路的田家坡隧道、京广复线的大瑶山隧道等，导致施工过程发生多次岩溶灾害(突水、坍塌)并均有人员伤亡。在岩溶地区隧道工程建设过程中极易引发或突发不同规模的突水涌泥等灾害，该类灾害一旦发生，轻则阻断正常施工进度，冲毁机器，淹没隧道，导致工期延误，重则造成重大人员伤亡，产生巨大的经济损失，甚至迫使隧道停建或改线。
另外，襄渝铁路大巴山隧道和大瑶山隧道皆因施工中隐伏溶洞的处理问题给施工和运营造成了长期的危害至今仍未完全解决。溶洞地质是一种比较特殊的地质，对路桥和隧道工程施工的技术要求更高，施工难度更大。
溶洞对隧道的危害主要分为四种类型:洞穴的存在使建筑物全部或部分悬空;洞穴堆积物因松软易坍塌下沉，影响建筑物的稳定;溶洞水的侵袭给施工及运营带来困难;隧道中地下水流失，使隧道顶部发生溶洞塌陷，导使环境地质破坏.所有这些危害，都会影响工程造价与工期，危及施工与运营安全。
而目前的溶洞处理，多以填充、注浆为主，会出现填充不完整，填充强度达不到预期等现象，对后续施工造成一定的影响，施工技术尚不成熟。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明人等为了达成上述目的而进行了深入研究，具体而言，本发明提供一种溶洞填充装置及其填充方法。溶洞填充装置包括挖掘模块、注浆模块和扩力架模块，其中，
所述挖掘模块包括，
钻杆，其为中空结构，其包括朝向待挖掘对象的前端和后端，
钻头，其设置在所述钻杆的前端；
注浆模块包括，
注浆口，其设置在所述钻杆上且靠近所述前端，
注浆管，其穿设在所述钻杆内部，所述注浆管连通所述注浆口；
扩力架模块包括，
套管，其可拆卸地设置于所述钻杆外表面且靠近前端，套管外侧设有滑槽，滑槽的后端设有卡槽，
扩力架主体，可伸直和收缩的扩力架主体前端固定在套管前端，所述扩力架主体的后端包括可滑动设在滑槽中的磁性单元，
电磁铁，设置在所述套管内的电磁铁经由电流方向的改变而变化磁极，当所述电磁铁施加吸引力到所述磁性单元，所述扩力架主体被伸直，当电磁铁施加排斥力到所述磁性单元，扩力架主体朝套管外扩展。
所述的溶洞填充装置中，所述溶洞填充装置还包括控制模块，其包括，
压力传感器，其设置在钻头后端以测量钻头所受压力数据，
控制器，其连接所述挖掘模块、注浆模块和扩力架模块，
响应于压力数据降低到小于第一预定值，控制器判定钻头初始进入溶洞，
响应于压力数据增加到大于第二预定值，控制器判定钻头到达溶洞端部，控制器发出停止钻探指令且切换所述电磁铁电流方向以扩展所述扩力架主体，发送注浆指令到所述注浆模块进行注浆。
所述的溶洞填充装置中，所述控制器还包括用于提示的报警器，其包括蜂鸣器和LED灯。
所述的溶洞填充装置中，所述挖掘模块还包括用于驱动钻杆的钻机，所述注浆模块包括用于生成注浆的注浆机，所述注浆管为柔性管。
所述的溶洞填充装置中，扩力架模块包括用于限位套管的限位单元。
所述的溶洞填充装置中，所述套管周向上均布多个滑槽，分别设在滑槽中的多个扩力架主体环形分布于套管外部。
所述的溶洞填充装置中，所述磁性单元包括磁铁块，扩力架主体包括弹簧连接的扩力架支段。
根据本发明另一方面，一种所述的溶洞填充装置的填充方法包括以下步骤：
第一步骤，钻头钻探，响应于钻头压力传感器测量的压力数据降低到小于第一预定值，判定钻头初始进入溶洞，
第二步骤，响应于压力数据增加到大于第二预定值，判定钻头到达溶洞端部，控制器发出停止钻探指令，
第三步骤，切换电磁铁电流方向以扩展所述扩力架主体，注浆模块经由注浆管从注浆口进行注浆，浆液初凝后撤回钻杆和钻头，扩力架主体与套管留在溶洞内。
所述的填充方法中，
第一步骤中，基于探测预知隧道开挖方向的溶洞模糊方位和大小，根据溶洞的模糊大小选取扩力架尺寸，将扩力架模块安装在套管上，布置掘进模块，沿隧道掘进方向钻入钻杆，钻头钻探时钻头压力传感器所反馈的钻头压力瞬间急剧减小至正常钻探压力的1/5时，判定钻头初始进入溶洞，
第二步骤中，钻头压力传感器再次骤升至正常钻探压力的1/2时，即为钻头再次入岩，判定钻头到达溶洞端部，控制器发出停止钻探指令且报警器响，
第三步骤中，注浆时，直至注浆压力达到预设阈值，报警器响，停止注浆。
所述的填充方法中，第一步骤中，选取扩力架尺寸时，基于超前探测预知隧道开挖方向的溶洞模糊跨距为L，净高为H，则扩力架非展开时的长度为1/2L-3/4L，展开时的高度为1/2H-3/4H。
发明的技术效果如下：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：相对于传统的注浆填充，本发明在溶洞内放置扩力架体系，可以提高结实体强度，保障溶洞在填充后形成足够的强度，保障后续施工安全，本发明施工简单快捷，通过可拆卸套管和扩力模块既增加了填充强度、节省了施工成本，通过控制器自动化控制显著提高了填充效率。
附图说明
图1为本发明溶洞填充装置的一个实施方式的结构示意图。
图2为本发明溶洞填充装置的一个实施方式的结构示意图。
图3为本发明溶洞填充装置的一个实施方式的套管结构示意图。
图4为本发明溶洞填充装置的填充方法的一个实施方式步骤示意图。
图5为本发明溶洞填充装置的填充方法的一个实施方式流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
具体而言，参见图1-3，一种溶洞填充装置包括挖掘模块、注浆模块和扩力架模块，其中，
所述挖掘模块包括，
钻杆2，其为中空结构，其包括朝向待挖掘对象的前端和后端，
钻头1，其设置在所述钻杆2的前端；
注浆模块包括，
注浆口4，其设置在所述钻杆2上且靠近所述前端，
注浆管5，其穿设在所述钻杆2内部，所述注浆管5连通所述注浆口4；
扩力架模块包括，
套管8，其可拆卸地设置于所述钻杆2外表面且靠近前端，套管8外侧设有滑槽15，滑槽15的后端设有卡槽，
扩力架主体7，可伸直和收缩的扩力架主体7前端固定在套管8前端，所述扩力架主体7的后端包括可滑动设在滑槽15中的磁性单元9，
电磁铁13，设置在所述套管8内的电磁铁13经由电流方向的改变而变化磁极，当所述电磁铁13施加吸引力到所述磁性单元9，所述扩力架主体7被伸直，当电磁铁13施加排斥力到所述磁性单元9，扩力架主体7朝套管8外扩展。
在一个实施例中，地表17下有挖掘的隧道18和溶洞19，溶洞填充装置包括：掘进模块、注浆模块、扩力架模块、控制与反馈模块、附属装置。
掘进模块包括钻头1、钻杆2和钻机3。所述钻头1设置于钻杆2端部，用于在钻机3的推力下破岩；
注浆模块包括注浆口4、注浆管5、注浆器6械。注浆管5布置于钻杆2内部，为柔性管，一端固定在注浆口4，另一端与注浆器6械连通，采用柔性管在发生堵塞时可以取出更换，避免直接用钻杆2注浆引起堵塞致使钻杆2不能继续使用。
扩力架模块包括扩力架主体7、弹簧16、套管8、磁铁块。所述套管8可拆卸地设置于钻杆2一端，套管8外侧有滑槽15，滑槽15远离钻头1一侧有卡槽；扩力架设置在套管8外部，其中靠近钻头1的一端固定在套管8上，远离钻头1的一端设置磁铁块，磁铁块限制在滑槽15内，仅可在滑槽15内滑动；
控制与反馈模块包括控制器10、钻头1压力传感器11、报警器12、电磁铁13。钻头1压力传感器11设置在钻头1后端，测量并反馈钻头1所受的钻探压力；所述电磁铁13设置在套管8内，当扩力架完全伸直时，电磁铁13与磁铁的位置对应，可以产生相互作用力。
附属装置包括限制块和电路，所述限制块安装于套管8后方的注浆管5外部，用于在钻探过程中限制套管8位置。所述电路用于成为电磁铁13通电和传回钻头1压力传感器11的电信号。
所述的溶洞填充装置的优选实施例中，所述溶洞填充装置还包括控制模块，其包括，
压力传感器11，其设置在钻头1后端以测量钻头1所受压力数据，
控制器10，其连接所述挖掘模块、注浆模块和扩力架模块，
响应于压力数据降低到小于第一预定值，控制器10判定钻头1初始进入溶洞，
响应于压力数据增加到大于第二预定值，控制器10判定钻头1到达溶洞端部，控制器10发出停止钻探指令且切换所述电磁铁13电流方向以扩展所述扩力架主体7，发送注浆指令到所述注浆模块进行注浆。
所述的溶洞填充装置的优选实施例中，所述控制器10还包括用于提示的报警器12，其包括蜂鸣器和LED灯。
所述的溶洞填充装置的优选实施例中，所述挖掘模块还包括用于驱动钻杆2的钻机3，所述注浆模块包括用于生成注浆的注浆机，所述注浆管5为柔性管。
所述的溶洞填充装置的优选实施例中，扩力架模块包括用于限位套管8的限位单元14。
所述的溶洞填充装置的优选实施例中，所述套管8周向上均布多个滑槽15，分别设在滑槽15中的多个扩力架主体7环形分布于套管8外部。
所述的溶洞填充装置的优选实施例中，所述磁性单元9包括磁铁块，扩力架主体7包括弹簧16连接的扩力架支段。扩力架安装在套管8上的方法如下：钻探前将扩力架张拉，将磁铁块放置在滑槽15一侧的卡槽内，控制器10接通电磁铁13电源，使磁铁块受电磁铁13引力作用而固定在卡槽内。控制器10改变电磁铁13磁极控制扩力架展开方法如下：注浆前展开扩力架时，通过改变电流方向使电磁铁13磁极发生变化，对磁铁块产生推力，使磁铁块进入滑槽15，受到弹簧16拉力作用在滑槽15内移动，到达预设位置。
所述的溶洞填充装置的优选实施例中，扩力架分支数量为4-10个，根据溶洞填充后所需的结实体强度确定，环式分布于套管8外部。扩力架在溶洞内注浆后可以发挥骨架作用，提高结实体强度。
如图3所示，一种所述的溶洞填充装置的填充方法包括以下步骤：
第一步骤S1，钻头1钻探，响应于钻头1压力传感器11测量的压力数据降低到小于第一预定值，判定钻头1初始进入溶洞，
第二步骤S2，响应于压力数据增加到大于第二预定值，判定钻头1到达溶洞端部，控制器10发出停止钻探指令，
第三步骤S3，切换电磁铁13电流方向以扩展所述扩力架主体7，注浆模块经由注浆管5从注浆口4进行注浆，浆液初凝后撤回钻杆2和钻头1，扩力架主体7与套管8留在溶洞内。
所述的填充方法的优选实施方式中，
第一步骤S1中，基于探测预知隧道18开挖方向的溶洞模糊方位和大小，根据溶洞的模糊大小选取扩力架尺寸，将扩力架模块安装在套管8上，布置掘进模块，沿隧道18掘进方向钻入钻杆2，钻头1钻探时钻头1压力传感器11所反馈的钻头1压力瞬间急剧减小至正常钻探压力的1/5时，判定钻头1初始进入溶洞，
第二步骤S2中，钻头1压力传感器11再次骤升至正常钻探压力的1/2时，即为钻头1再次入岩，判定钻头1到达溶洞端部，控制器10发出停止钻探指令且报警器12响，
第三步骤S3中，注浆时，直至注浆压力达到预设阈值，报警器12响，停止注浆。
所述的填充方法的优选实施方式中，
第一步骤S1中，选取扩力架尺寸时，基于超前探测预知隧道18开挖方向的溶洞模糊跨距为L，净高为H，则扩力架非展开时的长度为1/2L-3/4L，展开时的高度为1/2H-3/4H。
如图4所示，填充方法的流程如下：
S1:基于超前探测预知隧道18开挖方向的溶洞模糊方位和大小；
S2:根据溶洞的模糊大小选取扩力架型号；所述扩力架选型方法如下：基于超前探测预知隧道18开挖方向的溶洞模糊跨距为5m，净高为4m，则扩力架非展开时的长度为3.5m，展开时的高度为2.5m。
S3:将扩力架模块安装在套管8上，布置掘进机械；扩力架安装在套管8上的方法如下：钻探前将扩力架张拉，将磁铁块放置在滑槽15一侧的卡槽内，控制器10接通电磁铁13电源，使磁铁块受电磁铁13引力作用而固定在卡槽内。
S4:沿隧道18掘进方向钻入钻杆2；
S5:根据判据1判断钻头1是否到达溶洞端部，若到达，则报警器12响，停止钻探；所述判据1为：钻头1压力传感器11所反馈的钻头1压力瞬间急剧减小至正常钻探压力的1/5时，即为钻头1初始进入溶洞内部，钻头1压力传感器11再次骤升至正常钻探压力的1/2时，即为钻头1再次入岩，视为到达溶洞端部，此时停止钻探；
S6:由控制器10改变电磁铁13磁极，控制扩力架展开；所述由控制器10改变电磁铁13磁极控制扩力架展开方法如下：注浆前展开扩力架时，通过改变电流方向使电磁铁13磁极发生变化，对磁铁块产生推力，使磁铁块进入滑槽15，受到弹簧16拉力作用在滑槽15内移动，到达预设位置。
S7:对钻孔入岩部分进行封堵，避免浆液外漏；
S8:注浆，直至注浆压力达到预设阈值，报警器12响，停止注浆；
S9:浆液初凝后撤回钻杆2和钻头1装置，扩力架与钻杆2留在溶洞内。
相对于传统的注浆填充，本发明在溶洞内放置扩力架体系，可以提高结实体强度，保障溶洞在填充后形成足够的强度，保障后续施工安全。
工业实用性
本发明的溶洞填充装置及其填充方法可以在溶洞填充领域制造并使用。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种溶洞填充装置，其特征在于，所述溶洞填充装置包括挖掘模块、注浆模块和扩力架模块，其中，
所述挖掘模块包括，
钻杆，其为中空结构，其包括朝向待挖掘对象的前端和后端，
钻头，其设置在所述钻杆的前端；
注浆模块包括，
注浆口，其设置在所述钻杆上且靠近所述前端，
注浆管，其穿设在所述钻杆内部，所述注浆管连通所述注浆口；
扩力架模块包括，
套管，其可拆卸地设置于所述钻杆外表面且靠近前端，套管外侧设有滑槽，滑槽的后端设有卡槽，
扩力架主体，可伸直和收缩的扩力架主体前端固定在套管前端，所述扩力架主体的后端包括可滑动设在滑槽中的磁性单元，
电磁铁，设置在所述套管内的电磁铁经由电流方向的改变而变化磁极，当所述电磁铁施加吸引力到所述磁性单元，所述扩力架主体被伸直，当电磁铁施加排斥力到所述磁性单元，扩力架主体朝套管外扩展。
2.根据权利要求1所述的溶洞填充装置，其特征在于：所述溶洞填充装置还包括控制模块，其包括，
压力传感器，其设置在钻头后端以测量钻头所受压力数据，
控制器，其连接所述挖掘模块、注浆模块和扩力架模块，
响应于压力数据降低到小于第一预定值，控制器判定钻头初始进入溶洞，
响应于压力数据增加到大于第二预定值，控制器判定钻头到达溶洞端部，控制器发出停止钻探指令且切换所述电磁铁电流方向以扩展所述扩力架主体，发送注浆指令到所述注浆模块进行注浆。
3.根据权利要求2所述的溶洞填充装置，其特征在于：所述控制器还包括用于提示的报警器，其包括蜂鸣器和LED灯。
4.根据权利要求1所述的溶洞填充装置，其特征在于：所述挖掘模块还包括用于驱动钻杆的钻机，所述注浆模块包括用于生成注浆的注浆机，所述注浆管为柔性管。
5.根据权利要求1所述的溶洞填充装置，其特征在于：扩力架模块包括用于限位套管的限位单元。
6.根据权利要求1所述的溶洞填充装置，其特征在于：所述套管周向上均布多个滑槽，分别设在滑槽中的多个扩力架主体环形分布于套管外部。
7.根据权利要求1所述的溶洞填充装置，其特征在于：所述磁性单元包括磁铁块，扩力架主体包括弹簧连接的扩力架支段。
8.一种权利要求1-7中任一项所述的溶洞填充装置的填充方法，其包括以下步骤：
第一步骤（S1），钻头钻探，响应于钻头压力传感器测量的压力数据降低到小于第一预定值，判定钻头初始进入溶洞，
第二步骤（S2），响应于压力数据增加到大于第二预定值，判定钻头到达溶洞端部，控制器发出停止钻探指令，
第三步骤（S3），切换电磁铁电流方向以扩展所述扩力架主体，注浆模块经由注浆管从注浆口进行注浆，浆液初凝后撤回钻杆和钻头，扩力架主体与套管留在溶洞内。
9.根据权利要求8所述的填充方法，其特征在于：
第一步骤（S1）中，基于探测预知隧道开挖方向的溶洞模糊方位和大小，根据溶洞的模糊大小选取扩力架尺寸，将扩力架模块安装在套管上，布置掘进模块，沿隧道掘进方向钻入钻杆，钻头钻探时钻头压力传感器所反馈的钻头压力瞬间急剧减小至正常钻探压力的1/5时，判定钻头初始进入溶洞，
第二步骤（S2）中，钻头压力传感器再次骤升至正常钻探压力的1/2时，即为钻头再次入岩，判定钻头到达溶洞端部，控制器发出停止钻探指令且报警器响，
第三步骤（S3）中，注浆时，直至注浆压力达到预设阈值，报警器响，停止注浆。
10.根据权利要求9所述的填充方法，其特征在于：第一步骤（S1）中，选取扩力架尺寸时，基于超前探测预知隧道开挖方向的溶洞模糊跨距为L，净高为H，则扩力架非展开时的长度为1/2L-3/4L，展开时的高度为1/2H-3/4H。
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