CN113217003A - 一种钻孔涨裂机及钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻孔涨裂机及钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法，所述钻孔涨裂机包括钻孔涨裂机主体(1)、锚杆钻孔装置(8)和液压涨裂装置(10)，钻孔涨裂机主体(1)含有支撑臂(7)，锚杆钻孔装置(8)和液压涨裂装置(10)均安装于支撑臂(7)上，支撑臂(7)能够驱动锚杆钻孔装置(8)和液压涨裂装置(10)运动。该钻孔涨裂机及钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法首先采用钻孔涨裂机对掌子面岩层进行预处理，达到弱化岩层的目的，随后采用悬臂掘进机(悬臂TBM)进行隧道开挖，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬、孤石等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，节约了刀具成本及换刀风险。

Description

一种钻孔涨裂机及钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法

技术领域

本发明涉及隧道施工设备领域，具体的是一种钻孔涨裂机，还是一种钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法。

背景技术

伴随国家水利水电工程，地铁隧道工程、地下空间开发工程的发展，掘进机研发和制造能力不断成熟，掘进设备对隧道断面形状的灵活适应性提出了越来越高的要求，传统盾构装备适应的断面较为单一且设备成本较高，悬臂掘进机具有摆动开挖的功能，但悬臂掘进机截割头布置的多是合金截齿类刀具或金属滚刀刀具，针对一般强度的岩层(100MPA以内)其破岩效率尚可，但掘进过程中碰到孤石和较硬的岩石时，破岩的效率会下降，刀具异常磨损和更换频率的增加，随之带来盾构掘进效率的降低，掘进成本增加。同时在掘进上软下硬、软硬不均等严重不均匀地质时，传统的金属刀具极易发生异常损坏。

发明内容

为了解决掘进机刀具容易磨损的问题，本发明提供了一种钻孔涨裂机及钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法，该钻孔涨裂机及钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法首先采用钻孔涨裂机对掌子面岩层进行预处理，达到弱化岩层的目的，随后采用悬臂掘进机(悬臂TBM)进行隧道开挖，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬、孤石等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，从而节约了刀具成本及换刀风险，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种钻孔涨裂机，包括钻孔涨裂机主体、锚杆钻孔装置和液压涨裂装置，钻孔涨裂机主体含有支撑臂，锚杆钻孔装置和液压涨裂装置均安装于支撑臂上，支撑臂能够驱动锚杆钻孔装置和液压涨裂装置运动。

一种钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法，所述钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法包括以下步骤：

步骤1、采用上述的锚杆钻孔装置在掌子面上钻出孔；

步骤2、采用上述的液压涨裂装置对孔涨裂；

步骤3、采用掘进机对掌子面开挖。

本发明的有益效果是：该钻孔涨裂机及钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法首先采用钻孔涨裂机对掌子面岩层进行预处理，达到弱化岩层的目的，随后采用悬臂掘进机(悬臂TBM)进行隧道开挖，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬、孤石等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，从而节约了刀具成本及换刀风险，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明所述钻孔涨裂机的结构示意图。

图2是图1中固定座部位的示意图。

图3是图2中A方向的示意图。

图4是水压涨裂管的示意图。

图5是水压涨裂管进入孔的示意图。

图6是水压涨裂管进入孔后膨胀的示意图。

图7是油压涨裂管的示意图。

图8是油压涨裂管进入孔的示意图。

图9是油压涨裂管进入孔后膨胀的示意图。

图10是悬臂掘进机的示意图。

图11是硬岩截割头的示意图。

图12是液压涨裂装置对孔涨裂的示意图。

1、钻孔涨裂机主体；2、管盘；3、高压管；4、回转支撑；5、固定座；6、上伸缩油缸；7、支撑臂；8、锚杆钻孔装置；9、滑块；10、液压涨裂装置；11、下伸缩油缸；12、铰接座；13、高压泵；14、履带行走装置；15、滑轨；16、螺栓；17、水压涨裂管；18、外胶层；19、缠绕丝层；20、内胶层；21、掌子面；22、油压涨裂管；23、进油路；24、金属外壳；25、缸盖；26、活塞杆；27、密封圈；28、回油路；29、岩石裂纹；30、孔；31、掘进机主体；32、出渣装置；33、花键及螺栓；34、软岩截割头；35、硬岩截割头；36、上固定板；37、上安装座；38、后固定板；39、活塞；40、膨胀器；41、截割臂；42、缸体；43、摆动液压缸。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种钻孔涨裂机，包括钻孔涨裂机主体1、锚杆钻孔装置8和液压涨裂装置10，钻孔涨裂机主体1含有支撑臂7，锚杆钻孔装置8和液压涨裂装置10均安装于支撑臂7上，支撑臂7能够驱动锚杆钻孔装置8和液压涨裂装置10运动(包括移动和转动)，如图1所示。

岩石是一种具有一定矿物成分的地壳组成材料，岩石受力破坏表现为三种形式，即压碎、拉断和剪断，岩石由于其结构组成方式，力学性能表现为：抗压不抗拉不抗剪，即抗压强度最大；抗剪强度居中，约为抗压强度的10％—40％，抗拉强度最小，约为抗压强度的2％—16％，因此若可以巧妙的利用岩石的这个特性，对于150Mpa以上的超硬岩石，也可以轻松破碎。

液压涨裂岩石是一种新型的静力爆破技术，通过高压水泵(油泵)、增压装置、高压水管(油管)，向置于岩石钻孔中的专用膨胀器内注入高压水(油)，控制增压使膨胀器径向膨胀，压紧洞壁对岩石径向产生剪切力，直至剪切力大于岩石的抗剪强度既可以使岩石产生裂纹，岩层既是作用力的作用对象，又可以把作用力作用效果传递至下一岩层。

液压涨裂岩石的另一个特点在于其亦可以定点多次作业，通过多次重复作业加强膨胀器的致裂效果，随水压(油压)涨裂机作业次数的增加，岩层裂隙条数和长度亦会不断发展，裂隙连通性不断增强，形成裂隙网格，加强岩石的弱化作用。弱化后的岩石强度降低，脆性增加，岩石内部裂纹拓展多且深，此时掘进机滚刀或刮刀轻易能将岩石破碎，大大降低了刀具的磨损，延长了刀具的寿命，提高了施工效率，降低了施工成本。

本发明所述钻孔涨裂机将锚杆钻孔装置8和液压涨裂装置10结合，锚杆钻孔装置8的作用是在掌子面预制涨裂孔，液压涨裂装置10的作用是利用液压产生膨胀力径向作用于该涨裂孔周围的岩石内部，直至产生裂纹，多个涨裂孔互相配合，可以使产生的裂缝贯穿；最后利用悬臂掘进机开挖已经弱化的掌子面。从而节约了刀具成本及换刀风险，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。

在本实施例中，液压涨裂装置10含有依次连接的高压泵13、高压管3和膨胀器40，锚杆钻孔装置8和膨胀器40均安装于同一个支撑臂7上，锚杆钻孔装置8和膨胀器40上下设置，支撑臂7的一端通过回转支撑4与钻孔涨裂机主体1连接，支撑臂7能够上下摆动，这样支撑臂7能够驱动液压涨裂装置10的膨胀器40和锚杆钻孔装置8绕回转支撑4转动。

钻孔涨裂机主体1的下部设有履带行走装置14，更适用于复杂工况条件，方便设备进出场施工。支撑臂7依次通过摆动液压缸43和铰接座12与钻孔涨裂机主体1连接，摆动液压缸43能够驱动支撑臂7、液压涨裂装置10的膨胀器40上下摆动，配合履带行走装置14可以使液压涨裂装置10的膨胀器40移动至掌子面上所需的位置。

在本实施例中，支撑臂7连接有固定座5，固定座5的作用是安装锚杆钻孔装置8和膨胀器40，锚杆钻孔装置8和膨胀器40均通过固定座5与支撑臂7连接，固定座5含有滑轨15，滑轨15沿前方方向延伸，滑轨15上设有钻孔装置滑道和膨胀器滑道，滑轨15能够引导锚杆钻孔装置8和膨胀器40前后移动。

在本实施例中，固定座5还含有上固定板36、上安装座37和滑块9，锚杆钻孔装置8、上安装座37、滑块9和滑轨15从上向下依次设置，锚杆钻孔装置8、上安装座37和滑块9连接固定为一体，滑轨15与该钻孔装置滑道匹配插接，上安装座37通过上伸缩油缸6与上固定板36连接，锚杆钻孔装置8与上伸缩油缸6前后设置，上固定板36与滑轨15连接固定为一体，上伸缩油缸6伸缩能够驱动锚杆钻孔装置8和上安装座37前后移动，如图2和图3所示。锚杆钻孔装置8不工作时，上伸缩油缸6收缩带动锚杆钻孔装置8后退，避免与膨胀器40干涉。

在本实施例中，固定座5还含有后固定板38，后固定板38固定于滑轨15和支撑臂7之间，后固定板38、滑轨15和支撑臂7连接固定为一体，膨胀器40通过下伸缩油缸11与后固定板38连接，膨胀器40、下伸缩油缸11和后固定板38从前向后依次设置，下伸缩油缸11能够驱动膨胀器40前后移动，如图1所示。膨胀器40不工作时，下伸缩油缸11收缩带动膨胀器40后退，避免与锚杆钻孔装置8干涉。

在本实施例中，高压泵13和高压管3可以采用现有产品，膨胀器40可以采用水压驱动或油压驱动的结构形式，即膨胀器40可以为水压涨裂管17或油压涨裂管22，膨胀器40与下伸缩油缸11可拆卸连接，具体采用水压涨裂管17或油压涨裂管22可以根据需要而定、并更换。钻孔涨裂机主体1上设有管盘2以收卷高压管3，管连接处均采用耐高压接头。

当膨胀器40为水压涨裂管17时，水压涨裂管17的管壁含有从内向外依次套设的内胶层20、缠绕丝层19和外胶层18，水压涨裂管17内设有高压水通道，高压泵13能够通过高压管3向水压涨裂管17的高压水通道内注入高压水并使水压涨裂管17的管壁径向膨胀，如图4、图5和图6所示。

两层之间通过设置缠绕丝层19提高膨胀器40的抗压力，内胶层20和外胶层18均采用弹性优良的橡胶材质，外胶层18的材质更要具有一定的抗摩擦性，缠绕丝层19采用的缠绕丝采用强度高、抗压能力强、韧性好的材质，从而提高水压涨裂管17的使用寿命。

当膨胀器40为油压涨裂管22时，油压涨裂管22含有金属外壳24，金属外壳24内设有多个活塞39，活塞39含有活塞杆26，多个活塞39沿金属外壳24的轴向间隔排列，活塞杆26的轴线与油压涨裂管22的轴线相交并垂直，活塞杆26的尾部能够位于金属外壳24外，活塞杆26能够沿金属外壳24的直径方向移动，如图7、图8和图9所示。活塞39的头部位于缸体42内，活塞39的头部与缸体42之间设置有密封圈27，活塞39的尾端伸出缸体42。

金属外壳24内还设有进油路23和回油路28，活塞39还含有缸体42和缸盖25，缸体42内设有无杆腔和有杆腔，缸盖25可以位于无杆腔的一端或有杆腔的一端，进油路23与每个活塞39的无杆腔连通，回油路28与每个活塞39的有杆腔连通，高压泵13含有前进泵和退回泵，高压管3含有前进油管和退回油管，所述前进泵、前进油管和进油路23依次连通，所述退回泵、退回油管和回油路28依次连通。

当需要活塞杆26前进以实现涨裂时，所述前进泵依次通过前进油管和进油路23向每个活塞39的无杆腔注入液压油，每个活塞39的活塞杆26将伸出金属外壳24，油压产生的力通过冲击端作用于岩石上，对岩石产生涨裂作用。当需要活塞杆26缩回时，所述退回泵依次退回油管和回油路28向每个活塞39的有杆腔注入液压油，每个活塞39的活塞杆26将缩回至金属外壳24内。

下面介绍一种钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法，所述钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法包括以下步骤：

步骤1、采用上述的锚杆钻孔装置8在掌子面21上钻出孔30；

步骤2、采用上述的液压涨裂装置10对孔30涨裂，如图12所示，孔30的周围产生岩石裂纹29；

步骤3、采用掘进机对掌子面21开挖。

在步骤1中，采用上述钻孔涨裂机的锚杆钻孔装置8在掌子面21上钻出孔30。步骤2中，采用上述钻孔涨裂机的液压涨裂装置10的膨胀器40进入孔30并对孔30涨裂。在步骤3中，所述掘进机为悬臂掘进机，所述掘进机含有依次连接的掘进机主体31、截割臂41和截割头，该截割头与截割臂41可拆卸连接(让采用花键及螺栓33连接)，该截割头根据地质岩石情况可以选用软岩截割头34或硬岩截割头35。所述掘进机还含有出渣装置32，如图10和图11所示。

在步骤1中，在掌子面21上钻孔时，相邻的两个孔30之间的距离为60cm-80cm，距离过长产生的裂纹无法形成贯穿裂缝，不利于降低岩石硬度；距离过短水(油)产生的作用力有余，造成能源的浪费。

为了便于理解和描述，本发明中采用了绝对位置关系进行表述，如无特别说明，其中的方位词“上”表示图1中的上侧方向，方位词“下”表示图1中的下侧方向，方位词“左”表示垂直于图1的纸面并指向纸面外侧的方向，方位词“右”表示垂直于图1的纸面并指向纸面内侧的方向。方位词“前”表示图1中的右侧方向，方位词“后”表示图1中的左侧方向，本发明采用了使用者的观察视角进行描述，但上述方位词不能理解或解释为是对本发明保护范围的限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种钻孔涨裂机，其特征在于，所述钻孔涨裂机包括钻孔涨裂机主体(1)、锚杆钻孔装置(8)和液压涨裂装置(10)，钻孔涨裂机主体(1)含有支撑臂(7)，锚杆钻孔装置(8)和液压涨裂装置(10)均安装于支撑臂(7)上，支撑臂(7)能够驱动锚杆钻孔装置(8)和液压涨裂装置(10)运动。

2.根据权利要求1所述的钻孔涨裂机，其特征在于，液压涨裂装置(10)含有依次连接的高压泵(13)、高压管(3)和膨胀器(40)，锚杆钻孔装置(8)和膨胀器(40)均安装于同一个支撑臂(7)上，锚杆钻孔装置(8)和膨胀器(40)上下设置，支撑臂(7)的一端通过回转支撑(4)与钻孔涨裂机主体(1)连接，支撑臂(7)能够上下摆动。

3.根据权利要求2所述的钻孔涨裂机，其特征在于，支撑臂(7)连接有固定座(5)，锚杆钻孔装置(8)和膨胀器(40)均通过固定座(5)与支撑臂(7)连接，固定座(5)含有滑轨(15)，滑轨(15)能够引导锚杆钻孔装置(8)和膨胀器(40)前后移动。

4.根据权利要求3所述的钻孔涨裂机，其特征在于，固定座(5)还含有上固定板(36)、上安装座(37)和滑块(9)，锚杆钻孔装置(8)、上安装座(37)、滑块(9)和滑轨(15)从上向下依次设置，锚杆钻孔装置(8)、上安装座(37)和滑块(9)连接固定，上安装座(37)通过上伸缩油缸(6)与上固定板(36)连接，上固定板(36)与滑轨(15)连接固定，上伸缩油缸(6)能够驱动锚杆钻孔装置(8)和上安装座(37)前后移动。

5.根据权利要求2所述的钻孔涨裂机，其特征在于，固定座(5)还含有后固定板(38)，后固定板(38)固定于滑轨(15)和支撑臂(7)之间，膨胀器(40)通过下伸缩油缸(11)与后固定板(38)连接，下伸缩油缸(11)能够驱动膨胀器(40)前后移动。

6.根据权利要求2所述的钻孔涨裂机，其特征在于，膨胀器(40)为水压涨裂管(17)，水压涨裂管(17)的管壁含有从内向外依次套设的内胶层(20)、缠绕丝层(19)和外胶层(18)，水压涨裂管(17)内设有高压水通道，高压泵(13)能够通过高压管(3)向水压涨裂管(17)内注入高压水并使水压涨裂管(17)的管壁径向膨胀。

7.根据权利要求2所述的钻孔涨裂机，其特征在于，膨胀器(40)为油压涨裂管(22)，油压涨裂管(22)含有金属外壳(24)，金属外壳(24)内设有多个活塞(39)，活塞(39)含有活塞杆(26)，多个活塞(39)沿金属外壳(24)的轴向间隔排列，活塞杆(26)的尾部能够位于金属外壳(24)外，活塞杆(26)能够沿金属外壳(24)的直径方向移动。

8.根据权利要求7所述的钻孔涨裂机，其特征在于，金属外壳(24)内还设有进油路(23)和回油路(28)，活塞(39)还含有缸体(42)和缸盖(25)，进油路(23)与活塞(39)的无杆腔连通，回油路(28)与活塞(39)的有杆腔连通，高压泵(13)含有前进泵和退回泵，高压管(3)含有前进油管和退回油管，所述前进泵、前进油管和进油路(23)依次连通，所述退回泵、退回油管和回油路(28)依次连通。

9.一种钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法，其特征在于，所述钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法包括以下步骤：

步骤1、采用权利要求1所述的锚杆钻孔装置(8)在掌子面(21)上钻出孔(30)；

步骤2、采用权利要求1所述的液压涨裂装置(10)对孔(30)涨裂；

步骤3、采用掘进机对掌子面(21)开挖。

10.根据权利要求9所述的钻孔、涨裂和掘进复合破岩方法，其特征在于，在步骤3中，所述掘进机为悬臂掘进机，所述掘进机含有依次连接的掘进机主体(31)、截割臂(41)和截割头，该截割头与截割臂(41)可拆卸连接，该截割头为软岩截割头(34)或硬岩截割头(35)。

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