CN113217004A - 利用冲击震动释放高地应力的施工装置与施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用冲击震动释放高地应力的施工装置与施工方法，利用冲击震动释放高地应力的施工装置包括：刀盘，设置有中心孔；推进梁组件，设置在刀盘的后方；冲击钻机组件，能滑动地设置在推进梁组件上，且冲击钻机组件能够由中心孔伸出并能够对刀盘前方的岩石进行冲击震动和旋转切削。本发明的有益效果是，本发明实施例能够超前释放岩体的内应力，不仅能够有效降低施工过程中面临的软岩大变形等风险，同时可以提高掘进速度，降低成本，解决了传统高地应力岩体施工时所遇到的一系列问题，大大提升了挖掘效率，降低挖掘成本，使施工人员的安全得到保障。

Description

利用冲击震动释放高地应力的施工装置与施工方法

技术领域

本发明涉及隧道掘进领域，具体涉及一种利用冲击震动释放高地应力的施工装置与施工方法。

背景技术

目前隧道开挖高地应力软岩，会发生大变形。针对高地应力所带来的大变形风险，主要采用后期支护处理，所需成本较高，且施工过程中安全隐患大。大变形时，造成岩体大规模坍塌，使TBM掘进困难，甚至将机体掩埋，导致卡机事故，严重拖延工期。因此，如何提供一种能够进行高地应力岩体隧道掘进的装置，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种利用冲击震动释放高地应力的施工装置与施工方法，以达到能够适应高地应力岩体隧道掘进的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用冲击震动释放高地应力的施工装置，包括：刀盘，设置有中心孔；推进梁组件，设置在刀盘的后方；冲击钻机组件，能滑动地设置在推进梁组件上，且冲击钻机组件能够由中心孔伸出并能够对刀盘前方的岩石进行冲击震动和旋转切削。

进一步地，推进梁组件包括：推进梁本体，冲击钻机组件设置在推进梁本体上；推进油缸，设置在推进梁本体上并能够驱动冲击钻机组件沿推进梁本体的延伸方向往复运动。

进一步地，推进梁本体上设置有导轨，导轨沿沿沿推进梁本体的延伸方向设置，冲击钻机组件设置有与导轨配合的滚轮。

进一步地，推进梁组件还包括液压管线卷筒，设置在推进梁本体上并位于冲击钻机组件远离刀盘的一侧，液压管线卷筒与冲击钻机组件连接。

进一步地，冲击钻机组件包括：钻机震动及回转装置，能滑动地设置在推进梁组件上；钻杆，一端与钻机震动及回转装置连接，钻杆的另一端能够由中心孔伸出并与前方的岩石抵接。

进一步地，钻杆包括：第一节钻杆，一端与钻机震动及回转装置能拆卸地连接，第一节钻杆的另一端能够与前方的岩石抵接；第二节钻杆，一端与第一节钻杆的另一端能拆卸地连接，第二节钻杆的另一端能够与前方的岩石抵接。

进一步地，钻机震动及回转装置的冲击频率为50-100次/min。

本发明提供了一种利用冲击震动释放高地应力的施工方法，采用上述的利用冲击震动释放高地应力的施工装置进行操作，利用冲击震动释放高地应力的施工方法包括：步骤一、当遇到软岩变形工作区域时，安装第一节钻杆并启动推进油缸，使第一节钻杆伸入中心孔内；步骤二、当第一节钻杆到达前方的岩石的掌子面时，启动钻机震动及回转装置对前方的岩石的掌子面进行超前钻孔，并在钻孔过程中不断进行设定频率冲击；步骤三、当推进油缸达到最大行程后，控制推进油缸收缩，使第一节钻杆回收至初始位置，并安装第二节钻杆，待第二节钻杆安装完成后，同时启动推进油缸和钻机震动及回转装置进行二次钻孔操作；步骤四、当超前钻孔达到设定深度后，使推进油缸收缩并带动第一节钻杆和第二节钻杆回收至初始位置，同时对第一节钻杆和第二节钻杆进行钻杆拆卸，待拆卸完毕后驱动刀盘对前方的岩石的掌子面进行挖掘。

进一步地，利用冲击震动释放高地应力的施工方法还包括步骤五、当刀盘挖掘至超前钻孔的底部时，使刀盘停止工作并重复步骤一至步骤四，直至软岩变形工作区域贯通。

进一步地，在步骤一之前还包括以下步骤：在隧道掘进过程中利用超前勘探获得开挖前方岩体信息，若为软岩变形工作区域，则执行步骤一；若非软岩变形工作区域，则采用常规掘进方式进行掘进操作。

本发明的有益效果是，本发明实施例能够超前释放岩体的内应力，不仅能够有效降低施工过程中面临的软岩大变形等风险，同时可以提高掘进速度，降低成本，解决了传统高地应力岩体施工时所遇到的一系列问题，大大提升了挖掘效率，降低挖掘成本，使施工人员的安全得到保障。

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。在附图中：

图1为本发明实施例的结构示意图。

图中附图标记：10、刀盘；11、滚刀；21、推进梁本体；22、推进油缸；23、液压管线卷筒；24、导轨；31、钻机震动及回转装置；32、钻杆；40、工程岩体。

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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种利用冲击震动释放高地应力的施工装置，包括刀盘10、推进梁组件和冲击钻机组件。刀盘10设置有中心孔；推进梁组件设置在刀盘10的后方；冲击钻机组件能滑动地设置在推进梁组件上，且冲击钻机组件能够由中心孔伸出并能够对刀盘10前方的岩石进行冲击震动和旋转切削。

本发明实施例能够超前释放岩体的内应力，不仅能够有效降低施工过程中面临的软岩大变形等风险，同时可以提高掘进速度，降低成本，解决了传统高地应力岩体施工时所遇到的一系列问题，大大提升了挖掘效率，降低挖掘成本，使施工人员的安全得到保障。

如图1所示，推进梁组件包括推进梁本体21和推进油缸22。冲击钻机组件设置在推进梁本体21上；推进油缸22设置在推进梁本体21上并能够驱动冲击钻机组件沿推进梁本体21的延伸方向往复运动。

工作时，推进油缸22能够带动冲击钻机组件在推进梁本体21的延伸方向上做往复运动，从而能够对前方的岩石进行冲击，实现超前释放岩体的内应力的目的。

优选地，推进梁本体21上设置有导轨24，导轨24沿推进梁本体21的延伸方向设置，冲击钻机组件设置有与导轨24配合的滚轮。通过设置导轨24和配合的滚轮，从而可以减小推进梁本体21与冲击钻机组件之间的磨损，提高二者的使用寿命。

在本发明实施例中推进梁组件还包括液压管线卷筒23，设置在推进梁本体21上并位于冲击钻机组件远离刀盘10的一侧，液压管线卷筒23与冲击钻机组件连接。液压管线卷筒23能够为冲击钻机组件提供管线支持，从而实现冲击钻机组件的往复运动。

如图1所示，本发明实施例中的冲击钻机组件包括钻机震动及回转装置31和钻杆32。其中，钻机震动及回转装置31能滑动地设置在推进梁组件上；钻杆32的一端与钻机震动及回转装置31连接，钻杆32的另一端能够由中心孔伸出并与前方的岩石抵接。钻机震动及回转装置31与液压管线卷筒23连接，可以带动钻杆32转动并产生高频冲击振动，以实现超前钻孔的目的。

进一步地，钻杆32包括第一节钻杆和第二节钻杆。第一节钻杆的一端与钻机震动及回转装置31能拆卸地连接，第一节钻杆的另一端能够与前方的岩石抵接。第二节钻杆的一端与第一节钻杆的另一端能拆卸地连接，第二节钻杆的另一端能够与前方的岩石抵接。设置第一节钻杆和第二节钻杆可以增加超前钻孔的长度，减少超前钻孔操作与正常掘进操作的切换次数，从而达到提高掘进效率的目的。

优选地，上述钻杆32可以为多节，按照第一节钻杆和第二节钻杆的连接方式进行连接，钻杆的具体节数可以根据不同需要进行选取。其中钻杆32的钻头可拆卸，从而能够进行多节钻杆的拼接。单节钻杆32长度为3m，直径为60mm。

进一步地，钻机震动及回转装置31的冲击频率为50-100次/min。钻机震动及回转装置31的工作功率设计为可调节形式，根据不同种类的软岩，推算出所需要的冲击频率、钻孔深度等，从而调节钻机的相关参数。

需要说明的是，本发明实施例中的刀盘10还包括多把滚刀11，间隔设置在刀盘10的端面并与工程岩体40能够抵接。

本发明还提供了一种利用冲击震动释放高地应力的施工方法，采用上述的利用冲击震动释放高地应力的施工装置进行操作，利用冲击震动释放高地应力的施工方法包括：

步骤一、当遇到软岩变形工作区域时，安装第一节钻杆并启动推进油缸22，使第一节钻杆伸入中心孔内；

步骤二、当第一节钻杆到达前方的岩石的掌子面时，启动钻机震动及回转装置31对前方的岩石的掌子面进行超前钻孔，并在钻孔过程中不断进行设定频率冲击；

步骤三、当推进油缸22达到最大行程后，控制推进油缸22收缩，使第一节钻杆回收至初始位置，并安装第二节钻杆，待第二节钻杆安装完成后，同时启动推进油缸22和钻机震动及回转装置31进行二次钻孔操作；

步骤四、当超前钻孔达到设定深度后，使推进油缸22收缩并带动第一节钻杆和第二节钻杆回收至初始位置，同时对第一节钻杆和第二节钻杆进行钻杆拆卸，待拆卸完毕后驱动刀盘10对前方的岩石的掌子面进行挖掘。

本发明实施例通过上述方法可以超前释放高地应力岩体的内应力，降低TBM施工过程中软岩大变形的风险，提高施工安全性和效率。

优选地，本发明实施例中的利用冲击震动释放高地应力的施工方法还包括步骤五、当刀盘10挖掘至超前钻孔的底部时，使刀盘10停止工作并重复步骤一至步骤四，直至软岩变形工作区域贯通。

通过上述步骤一至步骤五可以实现软岩变形工作区域的岩体的内应力的超前释放，从而达到保证施工安全的目的。

优选地，在步骤一之前还包括以下步骤：在隧道掘进过程中利用超前勘探获得开挖前方岩体信息，若为软岩变形工作区域，则执行步骤一；若非软岩变形工作区域，则采用常规掘进方式进行掘进操作。

该步骤为前置步骤，用于判断是否需要超前释放岩体内应力，若有需要则执行上述步骤，若无需要则按照正常掘进方式继续掘进即可，从而能保证隧道整体的掘进效率。

需要说明的是，在步骤二和步骤三中，使钻机震动及回转装置31的冲击频率在50-100次/min，从而保证能够释放岩体的内应力。当然钻机震动及回转装置31的工作功率设计为可调节形式，根据不同种类的软岩，推算出所需要的冲击频率、钻孔深度等，从而调节钻机的相关参数。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明实施例能够超前释放岩体的内应力，不仅能够有效降低施工过程中面临的软岩大变形等风险，同时可以提高掘进速度，降低成本，解决了传统高地应力岩体施工时所遇到的一系列问题，大大提升了挖掘效率，降低挖掘成本，使施工人员的安全得到保障。

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之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种利用冲击震动释放高地应力的施工装置，其特征在于，包括：

刀盘(10)，设置有中心孔；

推进梁组件，设置在刀盘(10)的后方；

冲击钻机组件，能滑动地设置在所述推进梁组件上，且所述冲击钻机组件能够由所述中心孔伸出并能够对刀盘(10)前方的岩石进行冲击震动和旋转切削。

2.根据权利要求1所述的利用冲击震动释放高地应力的施工装置，其特征在于，所述推进梁组件包括：

推进梁本体(21)，所述冲击钻机组件设置在推进梁本体(21)上；

推进油缸(22)，设置在推进梁本体(21)上并能够驱动所述冲击钻机组件沿推进梁本体(21)的延伸方向往复运动。

3.根据权利要求2所述的利用冲击震动释放高地应力的施工装置，其特征在于，推进梁本体(21)上设置有导轨(24)，导轨(24)沿推进梁本体(21)的延伸方向设置，所述冲击钻机组件设置有与导轨(24)配合的滚轮。

4.根据权利要求3所述的利用冲击震动释放高地应力的施工装置，其特征在于，所述推进梁组件还包括液压管线卷筒(23)，设置在推进梁本体(21)上并位于所述冲击钻机组件远离刀盘(10)的一侧，液压管线卷筒(23)与所述冲击钻机组件连接。

5.根据权利要求4所述的利用冲击震动释放高地应力的施工装置，其特征在于，所述冲击钻机组件包括：

钻机震动及回转装置(31)，能滑动地设置在所述推进梁组件上；

钻杆(32)，一端与钻机震动及回转装置(31)连接，钻杆(32)的另一端能够由所述中心孔伸出并与所述前方的岩石抵接。

6.根据权利要求5所述的利用冲击震动释放高地应力的施工装置，其特征在于，钻杆(32)包括：

第一节钻杆，一端与钻机震动及回转装置(31)能拆卸地连接，所述第一节钻杆的另一端能够与所述前方的岩石抵接；

第二节钻杆，一端与所述第一节钻杆的另一端能拆卸地连接，所述第二节钻杆的另一端能够与所述前方的岩石抵接。

7.根据权利要求6所述的利用冲击震动释放高地应力的施工装置，其特征在于，钻机震动及回转装置(31)的冲击频率为50-100次/min。

8.一种利用冲击震动释放高地应力的施工方法，采用权利要求6所述的利用冲击震动释放高地应力的施工装置进行操作，其特征在于，所述利用冲击震动释放高地应力的施工方法包括：

步骤一、当遇到软岩变形工作区域时，安装所述第一节钻杆并启动推进油缸(22)，使所述第一节钻杆伸入所述中心孔内；

步骤二、当所述第一节钻杆到达所述前方的岩石的掌子面时，启动钻机震动及回转装置(31)对所述前方的岩石的掌子面进行超前钻孔，并在钻孔过程中不断进行设定频率冲击；

步骤三、当推进油缸(22)达到最大行程后，控制推进油缸(22)收缩，使所述第一节钻杆回收至初始位置，并安装所述第二节钻杆，待所述第二节钻杆安装完成后，同时启动推进油缸(22)和钻机震动及回转装置(31)进行二次钻孔操作；

步骤四、当所述超前钻孔达到设定深度后，使推进油缸(22)收缩并带动所述第一节钻杆和所述第二节钻杆回收至所述初始位置，同时对所述第一节钻杆和所述第二节钻杆进行钻杆拆卸，待拆卸完毕后驱动刀盘(10)对所述前方的岩石的掌子面进行挖掘。

9.根据权利要求8所述的利用冲击震动释放高地应力的施工方法，其特征在于，所述利用冲击震动释放高地应力的施工方法还包括步骤五：当刀盘(10)挖掘至所述超前钻孔的底部时，使刀盘(10)停止工作并重复所述步骤一至所述步骤四，直至所述软岩变形工作区域贯通。

10.根据权利要求8所述的利用冲击震动释放高地应力的施工方法，其特征在于，在所述步骤一之前还包括以下步骤：在隧道掘进过程中利用超前勘探获得开挖前方岩体信息，若为软岩变形工作区域，则执行步骤一；若非软岩变形工作区域，则采用常规掘进方式进行掘进操作。

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