CN113700437B - 一种软岩隧道管棚跟管钻进装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种软岩隧道管棚跟管钻进装置及施工方法，一钻机的钻机动力头端部通过钻头与跟管钻进管一端连接，多个跟管钻进管连接组成管棚管，跟管钻进管上设有多个注浆孔，跟管钻进管尾端通过第二变径头与钻头连接，还设有支撑板，钻机设在支撑板上，支撑板通过多个液压缸与工作台连接，支撑板上还设有角度传感器，多个液压缸用于控制支撑板的角度。通过对每节管棚钢管的两个端头分别进行车丝加工，使其两端分别形成相对应直径的内螺纹和外螺纹，管棚管头通过变径头与金刚石复合片钻头相连，管尾通过变径头与钻机动力头钻杆相连接，管节之间通过螺纹紧密连接，从而实现以无缝钢管代替钻机钻杆进行分节段跟管钻进，保证跟管钻进管棚顺利进行。

Description

一种软岩隧道管棚跟管钻进装置及施工方法

技术领域

本发明涉及管棚施工技术领域，尤其是涉及一种软岩隧道管棚跟管钻进装置及施工方法。

背景技术

隧道施工在隧道工程施工中,往往由于前期勘测不准确、地质条件较差以及施工方法不当等原因造成掌子面溜坍事故,在处理这些软岩溜塌时,往往采用打设超前大管棚的方法进行处理，传统管棚施工方法先用管棚钻机钻头及钻杆打好管棚钻孔，清孔后再用管棚钻机动力钻头将提前加工好的管棚钢管顶入岩层中，此工法在软弱围岩隧道施工时易发生塌孔以及送管困难等问题；而软弱围岩隧道管棚施工往往采用偏心钻头跟管法施工，主要是利用偏心钻旋转扩孔原理，将钻具和管棚钢管通过钻杆连为一体，钻进时潜孔冲击器振动冲击中心钻头，中心钻头传递冲击给管靴钻头（套管钻头），管靴钻头带动套管钻进，将管棚钢管打入地层，此工法虽然可以有效避免钻孔塌孔、送管困难这些问题，但是对管棚钻机设备以及相应配套的钻头、跟管管身均有较高的要求，所需材料成本较高，且偏心钻头跟管法由于是采用偏心钻头带进管棚钢管钻进，易出现偏心钻头及管靴脱落等问题。而在软岩隧道及溜塌体中进行管棚钻进，常规地质钻机的给进力及扭矩等性能均可满足要求，对于现场已配备有常规地质钻机的施工队伍来说，若采用偏心钻头跟管法施工需重新租赁或购买设备，并定制相应的钻头、钻杆及管棚跟管，经济实用性较差。因此，研究一种采用常规地质钻机及配套设备即可实施的跟管钻进管棚施工方法，对于解决现场穿越隧道软弱地层、破碎带及处理溜塌事故等问题时具有较好的实际应用前景。

中国专利CN101798931A提出的隧道和地下工程无工作间超前大管棚施工工艺方法,在设计隧道开挖轮廓线(1)内,利用钻机(4)按照设计参数在止浆墙(2)上钻出浅孔,安装管棚导向管(6),通过导向管(6)钻设管棚孔(9)至设计孔深,退出钻杆(3)并拆除钻头(5);钻杆(3)通过管棚连接件(10)与大管棚连接,冲击旋转逐节按次序将大管棚(9)推进管棚孔(8);下入最后一根管棚(14)时,换装上管棚推进器(13),直接将管棚推进至隧道开挖轮廓线(1)外,最后进行注浆施工。如此,逐个进行管棚施工,完成所设计的管棚。调节整个钻机的角度不便，施工较为不便。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种软岩隧道管棚跟管钻进装置及施工方法，解决软岩隧道施工中穿越破碎带、软弱地层及处理溜塌体时，采用传统管棚施工存在严重塌孔的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是： 一种软岩隧道管棚跟管钻进装置，钻机的钻机动力头端部通过钻头与跟管钻进管一端连接，多个跟管钻进管连接组成管棚管，跟管钻进管上设有多个注浆孔，跟管钻进管尾端通过第二变径头与钻头连接，还设有支撑板，钻机设在支撑板上，支撑板通过多个液压缸与工作台连接，支撑板上还设有角度传感器，多个液压缸用于控制支撑板的角度。

优选方案中，支撑板一端设有至少两个第二液压缸，另一端设有至少两个第四液压缸，支撑板中部设有至少两个第三液压缸，第二液压缸、第四液压缸和第三液压缸两端分别与工作台和支撑板铰接。

优选方案中，支撑板一侧设有工作室，工作室上设有多个照明灯，工作室一侧设有液压站，液压站一侧设有操作台。

优选方案中，工作台下方设有承载台，承载台上设有多个第二导轨，工作台与第二导轨滑动连接。

优选方案中，承载台一侧设有电机，承载台还上设有螺杆，螺杆通过齿轮箱与电机连接，工作台与螺杆螺纹连接。

优选方案中，承载台底部设有多个第一导轨，承载台与第一导轨滑动连接，第一导轨上设有第一液压缸，第一液压缸一端与第一导轨端部铰接接，另一端与承载台铰接。

优选方案中，工作台一侧设有提升架，提升架上设有提升台，提升架底部设有提升机，提升机通过钢索绕过提升架顶部与提升台连接，提升台与提升架滑动连接。

优选方案中，提升架底部还设有多个第三导轨，提升架与第三导轨滑动连接。

优选方案中，还设有搅拌站，搅拌站下方设有柱塞泵，柱塞泵与注浆管连通。

该方法包括：

S1、搭设管棚钢拱架，钢拱架上设置多个导向管，在钢拱架一侧搭设提升架，利用搅拌站和柱塞泵对钢拱架的掌子面进行初步喷浆处理；

S2、制造多根跟管钻进管、第一变径头和第二变径头，多根跟管钻进管采用螺纹连接，跟管钻进管的螺纹采用矩形螺纹；

S3、安装第一导轨，在第一导轨上搭建承载台，承载台与第一导轨之间通过第一液压缸连接，承载台一侧安装电机和齿轮箱，齿轮箱与螺杆连接；

S3、承载台的第二导轨上搭建工作台，工作台下方安装多个螺母，螺母与螺杆螺纹连接；

S4、在工作台上安装多个液压缸，液压缸端部安装支撑板，调节液压缸保证支撑板水平，在支撑板上安装钻机，在支撑板一侧安装液压站和操作台，再安装工作室，工作室上安装照明灯；

S5、调节第二液压缸、第三液压缸和第四液压缸，控制支撑板的角度，使钻机的钻机动力头与导向管对齐，保证钻机动力头与导向管在同一轴线上；

S6、将管棚第1节跟管钻进管一端通过第二变径头与钻头相连接，跟管钻进管另一端通过第一变径头与钻机动力头相连，将螺纹分别拧紧，然后启动钻机，用钻机动力头和跟管钻进管穿过导向管抵在钻进岩层表面，再次对钻机动力头钻进角度进行核查，确保管棚钻进角度合格，核查完毕后再重新启动钻机慢速开孔，匀速钻进；

S7、钻至第一节跟管钻进管尾部外露剩余50cm左右时，停止钻进，卸下第一节跟管钻进管，退出钻机动力头及第一变径头，安装第二节钻机动力头继续钻进，重复以上步骤直至钻进到设计深度为止，每根管棚打设完毕后，退出钻机动力头，重新调整钻机位置进行下一根管棚施作，管棚采用隔孔跳打、从高到低的顺序施工，减小相邻管棚施工干扰；

S8、通过电机带动螺杆转动，螺杆带动整个工作台横向移动，控制钻机到下个位置进行施工；

S9、所有管棚打设完毕后，拆除钻机、承载台和工作台，对掌子面再次喷浆封堵，封堵厚度10-13cm左右，防止注浆浆液沿管棚施作产生的裂隙流出，喷浆封堵前需用土工布将所有管棚管口包裹严实，防止喷浆料污染管口导致注浆作业无法顺利进行；

S10、掌子面封堵完成后，取下管口土工布，安装止浆阀，止浆阀与管棚之间通过螺纹连接，然后进行注浆作业，注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆施工经验，以利于后续管棚注浆施工；

S11、管棚注浆时，采用隔孔注浆，防止注浆浆液串浆，注浆结束评判标准以设计注浆量为主，以注浆终压为辅。

本发明提供了一种软岩隧道管棚跟管钻进装置及施工方法，本发明是通过以下技术方案实现的：采用普通地质钻机作为钻进设备，通过对每节管棚钢管的两个端头分别进行车丝加工，使其两端分别形成相对应直径的内螺纹和外螺纹，管棚管头通过变径头与金刚石复合片钻头相连，管尾通过变径头与钻机动力头钻杆相连接，管节之间通过螺纹紧密连接，从而实现以无缝钢管代替钻机钻杆进行分节段跟管钻进，保证跟管钻进管棚顺利进行。本发明的有益效果如下：

1提出了一种新的跟管钻进施工方法，解决了软弱围岩隧道及坍塌体采用管棚处理施工时所遇到的易塌孔、送管困难的难题，且管棚的成孔率、施工效率均得到较大提高，为后续施工提供了较好的安全保证；

2采用本方法施工时，针对软弱围岩及坍塌体围岩破碎，岩体强度一般较差的特点，一般对管棚钻进设备的给进力、扭矩等并无过高要求，采用一般的地质钻机即可满足施工要求，施工所需成本较低，实施较为方便；

3采用管棚钻机直接带动管棚钢管进行跟管钻进施工，可以省去内钻杆安拆等步骤，同时管棚钢管具备主动钻进的动力，避免了偏心钻头跟管法施工时所遇到的管靴及偏心钻头脱落等问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明总体施工示意图；

图2是本发明掌子面喷浆示意图；

图3是本发明钻机安装示意图；

图4是本发明工作台安装示意图；

图5是本发明跟管钻进管安装连接结构图。

图中：钻机1；钻机动力头101；跟管钻进管2；注浆孔201；钻头3；导向管4；钢拱架5；提升架6；提升台601；提升机602；开挖轮廓线7；第一液压缸8；第一导轨9；承载台10；工作台11；第二液压缸12；第三液压缸13；角度传感器14；支撑板15；第四液压缸16；第二导轨17；照明灯18；工作室19；液压站20；操作台21；搅拌站22；柱塞泵23第三导轨24；注浆管25；电机26；螺杆27；齿轮箱28；第一变径头29；第二变径头30。

具体实施方式

实施例1

如图1~5所示，一种软岩隧道管棚跟管钻进装置，钻机1的钻机动力头101端部通过钻头3与跟管钻进管2一端连接，多个跟管钻进管2连接组成管棚管，跟管钻进管2上设有多个注浆孔201，跟管钻进管2尾端通过第二变径头30与钻头3连接，还设有支撑板15，钻机1设在支撑板15上，支撑板15通过多个液压缸与工作台11连接，支撑板15上还设有角度传感器14，多个液压缸用于控制支撑板15的角度。其中跟跟管钻进管2制作采用Φ108mm的无缝钢管，壁厚8mm，钢管按照设计打设注浆孔201，单号孔位钻头第1节长度1.5m，双号孔钻头第1节长度3m，以后每节钢管长度均按照3m制作，管节之间通过钢管两个端头加工的内螺纹和外螺纹连接，螺纹采用矩形螺纹，长60mm，以增加螺纹的抗滑丝能力。通过对每节管棚钢管的两个端头分别进行车丝加工，使其两端分别形成相对应直径的内螺纹和外螺纹，管棚管头通过变径头与金刚石复合片钻头相连，管尾通过变径头与钻机动力头钻杆相连接，管节之间通过螺纹紧密连接，从而实现以无缝钢管代替钻机钻杆进行分节段跟管钻进，保证跟管钻进管棚顺利进行。

按照设计所要求的管棚间距、根数及外插角在管棚导向架布设导向管，导向管的直径应比管棚直径大2-3cm，确保管棚打设时，管棚钢管既能顺利从导向管内穿过，又能让导向管起到一定的角度控制作用。依据管棚导向管的位置及角度，对钻机的位置进行调整加固，确保钻机钻杆与导向管在同一轴线上，管棚钻进过程中钻机不发生移动。

优选方案中，支撑板15一端设有至少两个第二液压缸12，另一端设有至少两个第四液压缸16，支撑板15中部设有至少两个第三液压缸13，第二液压缸12、第四液压缸16和第三液压缸13两端分别与工作台11和支撑板15铰接。如图1所示，第二液压缸12、第四液压缸16和第三液压缸13可以控制支撑板15的多个横向和纵向的角度，使钻机1的钻机动力头101能够更好的控制角度进行钻孔施工。

也通过多个液压缸控制支撑板15的角度，使钻机1的钻机动力头101能够更好的控制角度，角度通过角度传感器14来显示角度。

优选方案中，支撑板15一侧设有工作室19，工作室19上设有多个照明灯18，工作室19一侧设有液压站20，液压站20一侧设有操作台21。工作室19监测钻孔施工，照明灯18起到照明作用，液压站20提供液压，操作台21用于控制钻机1和支撑板15的角度。

优选方案中，工作台11下方设有承载台10，承载台10上设有多个第二导轨17，工作台11与第二导轨17滑动连接。承载台10一侧设有电机26，承载台10还上设有螺杆27，螺杆27通过齿轮箱28与电机26连接，工作台11与螺杆27螺纹连接。工作台11可以在承载台10横向移动，保证钻机1能够多位置多角度施工，同时电机26驱动螺杆27控制工作台11横向移动。

优选方案中，承载台10底部设有多个第一导轨9，承载台10与第一导轨9滑动连接，第一导轨9上设有第一液压缸8，第一液压缸8一端与第一导轨9端部铰接接，另一端与承载台10铰接。承载台10可以通过第一液压缸8驱动移动，可以使整个钻机平台移动出来。

优选方案中，工作台11一侧设有提升架6，提升架6上设有提升台601，提升架6底部设有提升机602，提升机602通过钢索绕过提升架6顶部与提升台601连接，提升台601与提升架6滑动连接。提升架6方便施工人员注浆施工。

优选方案中，提升架6底部还设有多个第三导轨24，提升架6与第三导轨24滑动连接。提升架6可以在第三导轨24上滑动，实现多位置施工。

优选方案中，还设有搅拌站22，搅拌站22下方设有柱塞泵23，柱塞泵23与注浆管25连通。搅拌站22的混凝土通过柱塞泵23输送到注浆管25，注浆管25对管道进行注浆。

实施例2

结合实施例1进一步说明，如图1-5所示结构，搭设管棚钢拱架5，钢拱架5上设置多个导向管4，在钢拱架5一侧搭设提升架6，利用搅拌站22和柱塞泵23对钢拱架5的掌子面进行初步喷浆处理；

制造多根跟管钻进管2、第一变径头29和第二变径头30，多根跟管钻进管2采用螺纹连接，跟管钻进管2的螺纹采用矩形螺纹；

安装第一导轨9，在第一导轨9上搭建承载台10，承载台10与第一导轨9之间通过第一液压缸8连接，承载台10一侧安装电机26和齿轮箱28，齿轮箱28与螺杆27连接；

承载台10的第二导轨17上搭建工作台11，工作台11下方安装多个螺母，螺母与螺杆27螺纹连接；

在工作台11上安装多个液压缸，液压缸端部安装支撑板15，调节液压缸保证支撑板15水平，在支撑板15上安装钻机1，在支撑板15一侧安装液压站20和操作台21，再安装工作室19，工作室19上安装照明灯18；

调节第二液压缸12、第三液压缸13和第四液压缸16，控制支撑板15的角度，使钻机1的钻机动力头101与导向管4对齐，保证钻机动力头101与导向管4在同一轴线上；

将管棚第1节跟管钻进管2一端通过第二变径头30与钻头3相连接，跟管钻进管2另一端通过第一变径头29与钻机动力头101相连，将螺纹分别拧紧，然后启动钻机1，用钻机动力头101和跟管钻进管2穿过导向管4抵在钻进岩层表面，再次对钻机动力头101钻进角度进行核查，确保管棚钻进角度合格，核查完毕后再重新启动钻机慢速开孔，匀速钻进；

钻至第一节跟管钻进管2尾部外露剩余50cm左右时，停止钻进，卸下第一节跟管钻进管2，退出钻机动力头101及第一变径头29，安装第二节钻机动力头101继续钻进，重复以上步骤直至钻进到设计深度为止，每根管棚打设完毕后，退出钻机动力头，重新调整钻机1位置进行下一根管棚施作，管棚采用隔孔跳打、从高到低的顺序施工，减小相邻管棚施工干扰；

通过电机26带动螺杆27转动，螺杆27带动整个工作台11横向移动，控制钻机1到下个位置进行施工；

所有管棚打设完毕后，拆除钻机1、承载台10和工作台11，对掌子面再次喷浆封堵，封堵厚度10-13cm左右，防止注浆浆液沿管棚施作产生的裂隙流出，喷浆封堵前需用土工布将所有管棚管口包裹严实，防止喷浆料污染管口导致注浆作业无法顺利进行；

掌子面封堵完成后，取下管口土工布，安装止浆阀，止浆阀与管棚之间通过螺纹连接，然后进行注浆作业，注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆施工经验，以利于后续管棚注浆施工；

管棚注浆时，采用隔孔注浆，防止注浆浆液串浆。注浆结束评判标准以设计注浆量为主，以注浆终压为辅。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种软岩隧道管棚跟管钻进装置，其特征是：钻机（1）的钻机动力头（101）端部通过钻头（3）与跟管钻进管（2）一端连接，多个跟管钻进管（2）连接组成管棚管，跟管钻进管（2）上设有多个注浆孔（201），跟管钻进管（2）尾端通过第二变径头（30）与钻头（3）连接，还设有支撑板（15），钻机（1）设在支撑板（15）上，支撑板（15）通过多个液压缸与工作台（11）连接，支撑板（15）上还设有角度传感器（14），多个液压缸用于控制支撑板（15）的角度；

支撑板（15）一端设有至少两个第二液压缸（12），另一端设有至少两个第四液压缸（16），支撑板（15）中部设有至少两个第三液压缸（13），第二液压缸（12）、第四液压缸（16）和第三液压缸（13）两端分别与工作台（11）和支撑板（15）铰接；

工作台（11）下方设有承载台（10），承载台（10）上设有多个第二导轨（17），工作台（11）与第二导轨（17）滑动连接；

承载台（10）一侧设有电机（26），承载台（10）还上设有螺杆（27），螺杆（27）通过齿轮箱（28）与电机（26）连接，工作台（11）与螺杆（27）螺纹连接；

承载台（10）底部设有多个第一导轨（9），承载台（10）与第一导轨（9）滑动连接，第一导轨（9）上设有第一液压缸（8），第一液压缸（8）一端与第一导轨（9）端部铰接接，另一端与承载台（10）铰接。

2.根据权利要求1所述的一种软岩隧道管棚跟管钻进装置，其特征是：支撑板（15）一侧设有工作室（19），工作室（19）上设有多个照明灯（18），工作室（19）一侧设有液压站（20），液压站（20）一侧设有操作台（21）。

3.根据权利要求1所述的一种软岩隧道管棚跟管钻进装置，其特征是：工作台（11）一侧设有提升架（6），提升架（6）上设有提升台（601），提升架（6）底部设有提升机（602），提升机（602）通过钢索绕过提升架（6）顶部与提升台（601）连接，提升台（601）与提升架（6）滑动连接。

4.根据权利要求3所述的一种软岩隧道管棚跟管钻进装置，其特征是：提升架（6）底部还设有多个第三导轨（24），提升架（6）与第三导轨（24）滑动连接。

5.根据权利要求4所述的一种软岩隧道管棚跟管钻进装置，其特征是：还设有搅拌站（22），搅拌站（22）下方设有柱塞泵（23），柱塞泵（23）与注浆管（25）连通。

6.根据权利要求5所述的一种软岩隧道管棚跟管钻进装置的施工方法，其特征是：该方法包括：

S1、搭设管棚钢拱架（5），钢拱架（5）上设置多个导向管（4），在钢拱架（5）一侧搭设提升架（6），利用搅拌站（22）和柱塞泵（23）对钢拱架（5）的掌子面进行初步喷浆处理；

S2、制造多根跟管钻进管（2）、第一变径头（29）和第二变径头（30），多根跟管钻进管（2）采用螺纹连接，跟管钻进管（2）的螺纹采用矩形螺纹；

S3、安装第一导轨（9），在第一导轨（9）上搭建承载台（10），承载台（10）与第一导轨（9）之间通过第一液压缸（8）连接，承载台（10）一侧安装电机（26）和齿轮箱（28），齿轮箱（28）与螺杆（27）连接；

承载台（10）的第二导轨（17）上搭建工作台（11），工作台（11）下方安装多个螺母，螺母与螺杆（27）螺纹连接；

S4、在工作台（11）上安装多个液压缸，液压缸端部安装支撑板（15），调节液压缸保证支撑板（15）水平，在支撑板（15）上安装钻机（1），在支撑板（15）一侧安装液压站（20）和操作台（21），再安装工作室（19），工作室（19）上安装照明灯（18）；

S5、调节第二液压缸（12）、第三液压缸（13）和第四液压缸（16），控制支撑板（15）的角度，使钻机（1）的钻机动力头（101）与导向管（4）对齐，保证钻机动力头（101）与导向管（4）在同一轴线上；

S6、将管棚第1节跟管钻进管（2）一端通过第二变径头（30）与钻头（3）相连接，跟管钻进管（2）另一端通过第一变径头（29）与钻机动力头（101）相连，将螺纹分别拧紧，然后启动钻机（1），用钻机动力头（101）和跟管钻进管（2）穿过导向管（4）抵在钻进岩层表面，再次对钻机动力头（101）钻进角度进行核查，确保管棚钻进角度合格，核查完毕后再重新启动钻机慢速开孔，匀速钻进；

S7、钻至第一节跟管钻进管（2）尾部外露剩余50cm时，停止钻进，卸下第一节跟管钻进管（2），退出钻机动力头（101）及第一变径头（29），安装第二节跟管钻进管（2），钻机动力头（101）继续钻进，重复跟管钻进步骤直至钻进到设计深度为止，每根管棚打设完毕后，退出钻机动力头，重新调整钻机（1）位置进行下一根管棚施作，管棚采用隔孔跳打、从高到低的顺序施工，减小相邻管棚施工干扰；

S8、通过电机（26）带动螺杆（27）转动，螺杆（27）带动整个工作台（11）横向移动，控制钻机（1）到下个位置进行施工；

S9、所有管棚打设完毕后，拆除钻机（1）、承载台（10）和工作台（11），对掌子面再次喷浆封堵，封堵厚度10-13cm，防止注浆浆液沿管棚施作产生的裂隙流出，喷浆封堵前需用土工布将所有管棚管口包裹严实，防止喷浆料污染管口导致注浆作业无法顺利进行；

S10、掌子面封堵完成后，取下管口土工布，安装止浆阀，止浆阀与管棚之间通过螺纹连接，然后进行注浆作业，注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆施工经验，以利于后续管棚注浆施工；

S11、管棚注浆时，采用隔孔注浆，防止注浆浆液串浆，注浆结束评判标准以设计注浆量为主，以注浆终压为辅。