CN114922629A - 基于围堰的水下隧道大直径竖深井开挖施工方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了大直径深竖井反向掘进装置及施工方法，所述大直径深竖井反向掘进装置包括开挖钻头、旋转升降驱动组件以及钻杆，所述钻杆的两端分别与开挖钻头及旋转升降驱动组件可拆卸地配合在一起，所述钻杆为圆柱状钻杆，且钻杆的杆壁上开设有缺口槽，所述缺口槽平行于钻杆的中轴线，所述缺口槽有多个，且缺口槽围绕着钻杆的中轴线等距等弧度地分布。本申请还公开了一种使用上述掘进装置的施工方法。
Description
本申请是申请日为2021年10月22日，申请号为2021112354083，发明名称为“大直径深竖井反向掘进装置及施工方法”的分案申请。
技术领域
本发明涉及井巷开挖施工领域，尤其涉及一种大直径深竖井反向掘进装置及施工方法。
背景技术
反向掘进开挖法是目前经常用于隧道通风井以及煤矿通风井的开挖方式，这种开挖方式为现在隧道正上方的地面向隧道内挖一个预挖孔(圆形孔，假设预挖孔的直径为20cm)，预挖孔垂直于隧道，当挖掘至预挖孔与隧道连通时，停止挖掘预挖孔，而后将开挖钻头运送至隧道内预挖孔的下方，而后将再将掘进杆(圆形，掘进杆的直径小于预挖孔的直径，当预挖孔的直径为20cm时，掘进杆的直径一般为15cm)从地面伸至开挖钻头处，而后将开挖钻头固定在掘进杆上，而后一边向地面拉动掘进杆，而后再一边旋转掘进杆，这样可以将预挖孔从下而上扩挖至地面形成竖深井，这种挖掘方式由于掘进杆的直径小于预挖孔的直径，所以掘进钻头在掘进时容易出现偏心现象(会导致掘进杆断裂)，这样就导致了这种掘进方法只适合开挖直径(直径不超过80cm)相对较小的竖井，而对于直径大于2m的大直径深竖井，这种开挖方法就不适用了，且这种钻进方法只适用于地层中泥沙含量相对较少的地区开挖竖井，对于地层中泥沙含量相对较大的地区，由于泥沙的流动性相对较大，开挖钻头的转动会导致地层振动，一振动泥沙就会流动，竖井容易出现塌方，所以这种开挖方式也不适用于地层中泥沙含量大的地区。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种大直径深竖井反向掘进装置及施工方法。
本发明采取的技术方案如下：
一种大直径深竖井反向掘进装置，包括开挖钻头、旋转升降驱动组件以及钻杆，所述钻杆的两端分别与开挖钻头及旋转升降驱动组件可拆卸地配合在一起，所述钻杆为圆柱状钻杆，且钻杆的杆壁上开设有缺口槽，所述缺口槽平行于钻杆的中轴线，所述缺口槽有多个，且缺口槽围绕着钻杆的中轴线等距等弧度地分布。
本装置的作用如下，首先为了保证钻洞开挖过程中的稳定性，采用与与挖孔直径相等的钻杆是最合适的方法，采用与预挖孔直径相等的钻杆，虽然可以保证钻杆转动的稳定性，但是采用等径开挖的方式存在一个问题，即在转动中预挖孔的孔壁上不可避免会出现泥沙掉落的现象，如果直接采用圆柱状的钻头来开挖，那么掉落的泥沙颗粒会导致钻杆被泥沙卡死，所以本装置在钻杆的杆壁上开设了缺口槽，缺口槽的存在可以让泥沙颗粒顺着缺口槽直接掉落至隧道内。综上所述，本结构中采用带缺口槽的钻杆可以进行等径开挖，在开挖过程中钻杆不会出现偏心，且大幅降低了钻杆出现卡死的现象。
可选的，所述钻杆为金属合金材质的钻杆。
采用金属合金材质的钻杆是为了保证整个钻杆的强度。具体钻杆可以采用美铝合金，在不考虑成本的前提下，也可以是钛合金。
可选的，所述缺口槽的个数为偶数个，缺口槽为扇弧状的缺口槽。
偶数个的缺口槽可以保证整个钻杆的重心还是在中轴线上，这样可以保证钻杆在转动时始终保持稳定，缺口槽呈扇弧状，这样无论钻杆正转还是反转，都可以保证钻杆上缺口槽的槽壁都能刮磨到孔壁上掉落的颗粒物。
一种使用上述大直径深竖井反向掘进装置的竖深井开挖施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：确定预挖中心点，围绕着预挖中心点开挖若干埋设孔，所述埋设孔围绕着预挖中心点等距等弧度地分布，埋设孔的中轴线距离预挖中心点的距离为40cm～50cm，所述埋设孔的直径为4cm～8cm，并且吸走埋设孔内的积水，用气流吹干埋设孔，埋设孔为沉孔；
S2：向埋设孔内填充干燥未结块的水泥粉剂；
S3：在预挖中心点处进行开挖预挖孔，挖掘过程中不断向预挖孔内通入水进行润滑降温，直至预挖孔与隧道连通，预挖孔的直径为30cm～40cm；
因为目前部分矿井的隧道上方的土层比较复杂(有些是岩石层，有些既有岩石层又有砂石泥土混合层，但是岩石层与砂石泥土混合层都含有孔隙，这些孔隙是气体、液体以及固体在地下的流动通道)，有的矿井隧道上方存在富气层，这些富气中含有烷烃类易燃易爆气体，如果富气层中的烷烃类易燃易爆气体经过孔隙流道预挖孔中，则有可能引起塌方爆炸事故；
所以基于上述思路，在上述步骤S1～S3中，在开挖预挖孔之前，先在预挖孔的周围开挖一圈埋设孔，埋设孔由地表向隧道内挖掘，但不打通隧道，然后在埋设孔内填充水泥粉末，而后再开挖预挖孔，并且在开挖预挖孔的过程中不断地通入水进行降温(一部分水会通过孔隙向四周溢流)，由于预挖孔在开挖的过程中钻头会不断地引起钻头附近的土层(或岩石层)振动，这样就可以埋设孔内的水泥粉末被振进空隙内，且由于孔隙中会有水进入，水、水泥以及低层中的砂砾混合在了一起，形成了混凝土，这些混凝土凝固之后，可以将地层中的空隙堵死一部分；
由于预挖孔附近的一部分孔隙被堵死了，这样地层中的烷烃类气体通过孔隙进入流入预挖孔的概率大幅减少，降低钻杆在转动过程中引起燃爆的概率；同时由于一部分砂砾与水、水泥形成混凝土，这些混凝土可以增加砂砾之间的附着连接强度，并且将砂砾粘在岩石上，减少了流动砂砾的含量，这些就可以基本杜绝预挖孔中砂石向矿井隧道内掉落的现象，避免钻杆在转动时出现卡死的现象；
上述方案中也可以采用直接在埋设孔中罐搅拌好的混凝土，但是直接罐搅拌好的混凝土存在一个问题，即混凝土是一种具有较大粘性胶状的流体，这种胶状的流体流动性很差，所以直接倾倒搅拌好的混凝土其基本无法流进土层中的孔隙内，所以只会在埋设孔内形成一根混凝土柱，这样只会增加开挖钻头竖深井时的难度；
S4：将钻杆塞进预挖孔内，钻杆的直径与预挖孔的直径相等，钻杆一边旋转一边向隧道内运动；
因为在经过步骤S3处理之后，埋设孔孔壁附近的孔隙内已经填充了混凝土液，此时将钻杆塞进预挖孔内，并且不断地转动钻杆，钻杆在转动的过程中一则可以促进混凝土的充分混合，二则可以对预挖孔起到支撑作用，确保水泥凝固之后预挖孔可以形成一个结构稳定，且孔壁表面附着一层水泥层的圆孔。
S5：等到钻杆下方的钻头运动至隧道内时，在地表处利用打夯机对地面进行振动作业，并且不断地转动钻杆，停止振动作业时，将钻杆从预挖孔内拔出，而后将钻杆表面清洁干净；
因为步骤S4中钻杆在不断的转动，所以为了水泥粉末(或者混凝土)的流动，这样可以让更多的水泥粉末进入空隙中，孔隙中的水泥粉末越多，最终水泥凝固之后，可以在预挖孔与埋设孔之间形成一个稳定的“混凝土管体”；这样可以保证富气层中的烷烃类气体以及地层中砂石泥土颗粒都不会干扰钻杆的转动；
S6：在预挖孔位于隧道内的孔口处放置生石灰，在预挖孔位于地表处的孔口对预挖孔进行抽气；
步骤S6的作用如下，因为隧道内气体是高温高湿度(相对于地面附近的空气)的气体，本步骤在孔口放置生石灰，生石灰可以吸收水分，这样孔口处的气体是高温低湿度的气体，这些气体被由下而上地抽走，这样可以快速地干燥预挖孔内的泥水，从而快速地形成一个结构稳定的预挖孔，节约施工时间；
S7：将钻杆再次放置进预挖孔内，钻杆的两端分别位于地表及隧道内，将开挖钻头运送至隧道内，并且将开挖钻头安装在钻杆上，而后将钻杆位于地表的一端与旋转升降驱动组件组装在一起，一边驱动钻杆旋转一边提升开挖钻头，并且不断地在隧道口对隧道进行抽气。
步骤S7即为将预挖孔扩挖成竖深井的过程，不断在隧道口对隧道内抽气是为了将隧道内的易燃易爆气体抽走，同样可以让地面的空气经由预挖孔不断地流进隧道内，气流的流动可以带走钻杆转动时产生的热量。
可选的，还包括碎石颗粒及缓凝剂颗粒，所述碎石颗粒及缓凝剂颗粒与水泥粉剂混合之后再填充进埋设孔内。
因为水泥粉体自身具有沉积的作用，受到振动时不易流动，所以本方案中进一步增加碎石颗粒，碎石颗粒与水泥粉体混合在一起之后，碎石颗粒(碎石颗粒的平均粒径不少于1.5cm)可以起到分隔水泥的作用，避免水泥沉积，且受到振动时，碎石颗粒会晃动，晃动的碎石颗粒可以让水泥粉末更容易进入缝隙内(因为碎石颗粒的晃动会带动粉体的流动)。本方案的缓凝剂颗粒的作用是起到缓凝剂的作用，当水、缓凝剂以及水泥三者混合之后，缓凝剂的存在可以可以起到延缓混凝土凝固，且缓凝剂的存在可以增加混凝土的流动性，这样可以让混凝土流经更多的空隙，封堵更多的孔隙。
综上段所述，当打夯机撞击地面时，振动的存在一则会加速混凝土的流动，使得更多的空隙内填充有混凝土，且振动可以夯实土体与砂石，杀跌空隙的体积减小，这样一方面增加混凝土未凝固时的流动性以及延长混凝土的凝固时间，另一方面通过减少空隙的体积，这样可以最大幅度地在混凝土凝固之后减少孔隙的含量。
可选的，所述钻杆为中空式的钻杆，且钻杆内壁与外壁之间设置有通孔，钻杆上的通孔垂直于钻杆的中轴线。
采用中空使的钻杆，且在钻杆上开设通孔，这样的作用是为了保证钻杆不会因为气压差而卡死在预挖孔内。
可选的，所述通孔位于缺口槽的槽底处。
可选的，所述钻杆在一边转动一边提升开挖钻头时，不断向钻杆内通入温度不超过25℃的水。
通水的作用一则是对钻杆进行降温，二则是水流到开挖钻头上，可以起到润滑降温的作用，减少扬尘的产生。
可选的，所述预挖孔的中轴线与埋设孔的中轴线相互平行。
可选的，步骤S5中钻杆的转速不超过10r/min。
因为步骤S5中混凝土上未凝固，所以钻杆的转速维持在很慢地速度，避免速度过快导致混凝土从预挖孔的孔壁上跌落。
本发明的有益效果是：采用带缺口槽的钻杆可以进行等径开挖，在开挖过程中钻杆不会出现偏心，且大幅降低了钻杆出现卡死的现象。
附图说明：
图1是大直径深竖井反向掘进装置示意简图，
图2是钻杆的结构示意简图，
图中各附图标记为：1、旋转升降驱动组件；2、钻杆；201、缺口槽；202、通孔；3、埋设孔；4、开挖钻头。
具体实施方式：
下面结合各实施例，对本发明做详细描述。
实施例1
参看附图1以及附图2，一种大直径深竖井反向掘进装置，包括开挖钻头4、旋转升降驱动组件1以及钻杆2，钻杆2的两端分别与开挖钻头4及旋转升降驱动组件1可拆卸地配合在一起，钻杆2为圆柱状钻杆2，且钻杆2的杆壁上开设有缺口槽201，缺口槽201平行于钻杆2的中轴线，缺口槽201有多个，且缺口槽201围绕着钻杆2的中轴线等距等弧度地分布。
本实施例中，钻杆2为金属合金材质的钻杆2。
本实施例中，缺口槽201的个数为偶数个，缺口槽201为扇弧状的缺口槽201。
本实施例中，钻杆2为中空式的钻杆2，且钻杆2内壁与外壁之间设置有通孔202，钻杆2上的通孔202垂直于钻杆2的中轴线。
本实施例中，通孔202位于缺口槽201的槽底处。
本实施例中开挖钻头4处开设有与缺口槽201是适配的缺口，确保从缺口槽上掉落的颗粒物质能够经由开挖钻头掉落进隧道内。
实施例2
参看附图1以及附图2，一种使用如实施例的大直径深井反向掘进装置的施工方法，包括如下步骤：
S1：确定预挖中心点，围绕着预挖中心点开挖若干埋设孔，埋设孔围绕着预挖中心点等距等弧度地分布，埋设孔的中轴线距离预挖中心点的距离为40cm，埋设孔的直径为6cm，并且吸走埋设孔内的积水，用气流吹干埋设孔，埋设孔为沉孔；埋设孔之间不连通，埋设孔围绕着预挖孔形成了一个虚拟的圆圈；
S2：向埋设孔内填充干燥未结块的水泥粉剂；
S3：在预挖中心点处进行开挖预挖孔，挖掘过程中不断向预挖孔内通入水进行润滑降温，直至预挖孔与隧道连通，预挖孔的直径为30cm；
S4：将钻杆2塞进预挖孔内，钻杆2的直径与预挖孔的直径相等，钻杆2一边旋转一边向隧道内运动，且控制钻杆2的转速在10r/min以下；
S5：等到钻杆2下方的钻头运动至隧道内时，在地表处利用打夯机对地面进行振动作业，并且不断地转动钻杆2(钻杆2的转速在20r/min～40r/min之间)，停止振动作业时，将钻杆2从预挖孔内拔出，而后将钻杆2表面清洁干净；
S6：在预挖孔位于隧道内的孔口处放置生石灰，在预挖孔位于地表处的孔口对预挖孔进行抽气，预挖孔地面处的孔口处的水泥凝固干燥时，停止抽气，等待36小时之后进行下一步骤；
S7：将钻杆2再次放置进预挖孔内，钻杆2的两端分别位于地表及隧道内，将开挖钻头4运送至隧道内，并且将开挖钻头4安装在钻杆2上，而后将钻杆2位于地表的一端与旋转升降驱动组件1组装在一起，一边驱动钻杆2旋转一边提升开挖钻头4，钻杆2的转速不低于60r/min；提升速度不高于0.1米/秒；并且不断地在隧道口对隧道进行抽气。
本实施例中还包括碎石颗粒及缓凝剂颗粒，碎石颗粒及缓凝剂颗粒与水泥粉剂混合之后再填充进埋设孔内，且碎石颗粒：水泥粉剂以及缓凝剂颗粒的质量分数比为3：2：0.001。
本实施例中，钻杆2在一边转动一边提升开挖钻头4时，不断向钻杆2内通入温度不超过25℃的水。
本实施例中，预挖孔的中轴线与埋设孔的中轴线相互平行。
实施例2中所述的方法适应开挖的隧道有矿井隧道，公路铁路穿山隧道，
实施例3
一种水下隧道大直径竖深井开挖施工方法；
先建设围堰，围堰位于隧道上方，而后抽干围堰内的积水，挖除围堰内的淤泥，而后安装实施例2中所述的步骤进行作业。
本实施例所述的水下隧道可以是海底隧道，过江隧道，湖底隧道。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书所作的等效变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于围堰的水下隧道大直径竖深井开挖施工方法，其特征在于，使用大直径深竖井反向掘进装置，所述大直径深竖井反向掘进装置包括开挖钻头、旋转升降驱动组件以及钻杆，所述钻杆的两端分别与开挖钻头及旋转升降驱动组件可拆卸地配合在一起，其特征在于，所述钻杆为圆柱状钻杆，且钻杆的杆壁上开设有缺口槽，所述缺口槽平行于钻杆的中轴线，所述缺口槽有多个，且缺口槽围绕着钻杆的中轴线等距等弧度地分布；
包括如下步骤，
S1：先建设围堰，围堰位于隧道上方，而后抽干围堰内的积水，挖除围堰内的淤泥；
S2：确定预挖中心点，围绕着预挖中心点开挖若干埋设孔，埋设孔围绕着预挖中心点等距等弧度地分布，埋设孔的中轴线距离预挖中心点的距离为40cm，埋设孔的直径为6cm，并且吸走埋设孔内的积水，用气流吹干埋设孔，埋设孔为沉孔；埋设孔之间不连通，埋设孔围绕着预挖孔形成了一个虚拟的圆圈；
S3：向埋设孔内填充干燥未结块的水泥粉剂；
S4：在预挖中心点处进行开挖预挖孔，挖掘过程中不断向预挖孔内通入水进行润滑降温，直至预挖孔与隧道连通，预挖孔的直径为30cm；
S5：将钻杆塞进预挖孔内，钻杆的直径与预挖孔的直径相等，钻杆一边旋转一边向隧道内运动，且控制钻杆的转速在10r/min；
S6：等到钻杆下方的钻头运动至隧道内时，在地表处利用打夯机对地面进行振动作业，并且不断地转动钻杆，钻杆的转速在20r/min～40r/min之间，停止振动作业时，将钻杆从预挖孔内拔出，而后将钻杆表面清洁干净；
S7：在预挖孔位于隧道内的孔口处放置生石灰，在预挖孔位于地表处的孔口对预挖孔进行抽气，预挖孔地面处的孔口处的水泥凝固干燥时，停止抽气，等待36小时之后进行下一步骤；
S8：将钻杆再次放置进预挖孔内，钻杆的两端分别位于地表及隧道内，将开挖钻头运送至隧道内，并且将开挖钻头安装在钻杆上，而后将钻杆位于地表的一端与旋转升降驱动组件组装在一起，一边驱动钻杆旋转一边提升开挖钻头，钻杆的转速低于60r/min；提升速度高于0.1米/秒；并且不断地在隧道口对隧道进行抽气。
2.如权利要求1所述的基于围堰的水下隧道大直径竖深井开挖施工方法，其特征在于，还包括碎石颗粒及缓凝剂颗粒，所述碎石颗粒及缓凝剂颗粒与水泥粉剂混合之后再填充进埋设孔内。
3.如权利要求1所述的基于围堰的水下隧道大直径竖深井开挖施工方法，其特征在于，所述钻杆为中空式的钻杆，且钻杆内壁与外壁之间设置有通孔，钻杆上的通孔垂直于钻杆的中轴线。
4.如权利要求3所述的基于围堰的水下隧道大直径竖深井开挖施工方法，其特征在于，所述通孔位于缺口槽的槽底处。
5.如权利要求3所述的基于围堰的水下隧道大直径竖深井开挖施工方法，其特征在于，所述钻杆在一边转动一边提升开挖钻头时，不断向钻杆内通入温度不超过25℃的水。
6.如权利要求1所述的基于围堰的水下隧道大直径竖深井开挖施工方法，其特征在于，所述预挖孔的中轴线与埋设孔的中轴线相互平行。
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