CN115822611B - 一种隧道施工用钻进装置及钻进方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道施工技术领域，特别是涉及一种隧道施工用钻进装置及钻进方法。本发明的隧道施工用钻进装置包括钻杆和切割机构，切割机构包括内轴、轴向切割组件、周向切割组件和周向传动组件，钻杆包括外筒和内杆，内杆设置在外筒中且能够相对外筒转动，当外筒向上移动且内杆转动时，轴向切割组件能够把待切割的岩石分割成多个扇形块，周向传动组件具有传动状态和分离状态，在传动状态时，内轴能够通过周向传动组件带动下切割轴周向转动，从而把扇形块与周围的岩体分割开。由于在施工过程中使岩石呈块状脱落，不需全部进行粉碎，因此减少了待切割面，提高了钻进切割效率，提高了钻进速度。

Description

一种隧道施工用钻进装置及钻进方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，特别是涉及一种隧道施工用钻进装置及钻进方法。

背景技术

在隧道施工中，通常需要设置通风竖井来解决隧道的换气问题。根据竖井施工期的排渣方式，可分为上排渣竖井和下排渣竖井，前者通常被称为称正井法施工竖井，后者通常被称反井法施工竖井。反井法施工竖井通常先用地质钻由地表向下钻孔至井底并与隧道连通，然后在井底安装扩大的反钻头从下至上逐渐扩大至地表。

然而，现有的反井法施工方式常常由于待切割面过大导致切割效率低下，整体的钻进速度较低。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术所存在的问题，提供一种隧道施工用钻进装置，以解决现有技术中的钻进装置钻进速度较低的问题，还提供一种隧道施工用钻进方法，以解决现有技术中的钻进方法钻进速度较低的问题。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种隧道施工用钻进装置，包括：

钻杆，包括外筒和内杆，内杆设置在外筒中且能够相对外筒转动，外筒用于在竖井中上下移动；

切割机构，由钻杆带动，包括内轴、轴向切割组件、周向切割组件和周向传动组件，轴向切割组件包括至少三个沿周向均匀分布且沿水平方向延伸的上切割轴，每个上切割轴上固定设置有一个上切割轮，周向切割组件包括多个位于上切割轴下方且沿水平方向延伸的下切割轴，下切割轴的数量与上切割轴的数量相同，且每个下切割轴与每个上切割轴在上下方向上一一对应，相互对应的上切割轴和下切割轴在上下方向上的投影重合，每个下切割轴上固定设置有一个下切割轮，内杆能够带动内轴转动，内轴能够带动上切割轴和下切割轴自转，当外筒向上移动且内杆转动时，轴向切割组件能够把待切割的岩石分割成多个扇形块，周向传动组件具有传动状态和分离状态，在传动状态时，内轴能够通过周向传动组件带动下切割轴周向转动，从而把扇形块与周围的岩体分割开。

进一步地，轴向切割组件还包括轴向套筒，上切割轴的一端伸入轴向套筒中，所有的上切割轴位于同一高度，周向切割组件还包括周向套筒，下切割轴的一端伸入周向套筒中，外筒与轴向套筒固定连接，轴向套筒和周向套筒转动连接，内轴沿轴向穿入轴向套筒和周向套筒中且与内杆固定连接。

进一步地，所有的下切割轴在上下方向上的高度沿周向依次递减。

进一步地，周向传动组件包括太阳轮、行星轮、齿圈和推拉杆，齿圈固定设置在周向套筒中，行星轮转动设置在轴向套筒中，太阳轮滑动套接在内轴上，推拉杆固定在内轴上，推拉杆的伸出端能够带动太阳轮滑动从而使太阳轮与行星轮啮合或者分离。

进一步地，推拉杆为电动伸缩杆。

进一步地，内轴的外周面上自上而下依次间隔设置有多个第一锥齿轮，上切割轴和下切割轴的端部均设置有第二锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合。

进一步地，上切割轴、上切割轮、下切割轴和下切割轮上均具有用于破碎岩石的切割齿。

进一步地，轴向套筒的内壁面上设置有环形凹槽，内轴的外周面上设置有用于卡入环形凹槽中的环形凸沿。

本发明的有益效果是：本发明的隧道施工用钻进装置在使用前，在钻杆上安装钻头，然后驱动内杆转动，并同步驱动外筒匀速下降，在此过程中，内杆会驱动钻头对岩层进行初步钻孔，直至钻出的孔与底部的隧道连通，接着取下钻头，把切割机构与钻杆固定连接，此时周向传动组件处于分离状态，然后驱动内杆转动，并驱动外筒上升设定高度后停止上升，在此过程中，内杆会带动上切割轴自转，上切割轴和上切割轮把岩石分割成多个扇形块，当驱动外筒停止上升后，使周向传动组件切换至传动状态，此时内轴能够通过周向传动组件带动下切割轴以及下切割轮周向转动，从而使扇形块与周围的岩体分割开，并落入隧道中，在此过程中，上切割轴空转，接着使周向传动组件切换至分离状态，并继续驱动外筒上升设定高度后停止上升，把周向传动组件切换至传动状态并反转内杆，再次切割出扇形块，使其落入隧道中，如此重复，直至切割机构上升至地面，切割出所需的竖井。由于在施工过程中使岩石呈块状脱落，不需全部进行粉碎，因此减少了待切割面，提高了钻进切割效率，提高了钻进速度。

一种隧道施工用钻进方法，先把待切割的岩石分割成多个扇形块，然后把扇形块与周围的岩体分割开。

进一步地，每次分割出的多个扇形块在上下方向上相互错开。

本发明的有益效果是：由于在施工过程中使岩石呈块状脱落，因此本发明的隧道施工用钻进方法不需对全部的岩石进行粉碎，从而减少了待切割面，提高了钻进切割效率，提高了钻进速度。

附图说明

图1为本发明的隧道施工用钻进装置的一个实施例的位于岩石中的状态示意图；

图2为图1的隧道施工用钻进装置中的钻头的结构示意图；

图3为图1的状态示意图隐去部分岩石后显示出被钻去的圆柱状的岩石时的状态示意图；

图4为图1的隧道施工用钻进装置的切割机构的结构示意图；

图5为图4中的切割机构的剖视图；

图6为图5中的A处的局部放大图；

图7为图4中的切割机构的零件爆炸图；

图8为图7中的B处的局部放大图；

图9为图4中的切割机构隐去部分结构后的局部剖视图。

其中：

100、岩石；200、钻杆；300、钻头；

400、切割机构；

410、轴向切割组件；411、轴向套筒；412、上切割轴；413、上切割轮；414、第一内螺纹；415、环形槽；416、安装弯杆；417、环形凹槽；

420、周向切割组件；421、周向套筒；422、下切割轴；423、下切割轮；424、环形凸台；

430、内轴；431、第二内螺纹；432、第一锥齿轮；433、第二锥齿轮；434、环形凸沿；435、导向槽；

441、太阳轮；442、行星轮；443、齿圈；444、推拉杆；445、导向块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中为组件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参照图1至图9，描述本发明第一方面实施例提供的隧道施工用钻进装置：

下面结合说明书附图及具体实施方式，对本发明的隧道施工用钻进装置进行说明。

在其中一个实施例中，本实施例的隧道施工用钻进装置包括钻杆200和切割机构400，钻杆200包括外筒和内杆，内杆设置在外筒中且能够相对外筒转动，外筒用于在竖井中上下移动；切割机构400由钻杆200带动，切割机构400包括内轴430、轴向切割组件410、周向切割组件420和周向传动组件，轴向切割组件410包括至少三个沿周向均匀分布且沿水平方向延伸的上切割轴412，本实施例中，上切割轴412有四个，在其它实施例中，上切割轴412也可以是三个或者五个，每个上切割轴412上固定设置有一个上切割轮413，周向切割组件420包括多个位于上切割轴412下方且沿水平方向延伸的下切割轴422，下切割轴422的数量与上切割轴412的数量相同，且每个下切割轴422与每个上切割轴412在上下方向上一一对应，相互对应的上切割轴412和下切割轴422在上下方向上的投影重合，每个下切割轴422上固定设置有一个下切割轮423，内杆能够带动内轴430转动，内轴430能够带动上切割轴412和下切割轴422自转，当外筒向上移动且内杆转动时，轴向切割组件410能够把待切割的岩石100分割成多个扇形块，周向传动组件具有传动状态和分离状态，在传动状态时，内轴430能够通过周向传动组件带动下切割轴422周向转动，从而把扇形块与周围的岩体分割开。

需要说明的是，为了钻出竖井，需要去除竖井的井壁范围内的呈圆柱状的岩石100，轴向切割组件410分割成的扇形块就是在圆柱状的岩石100的基础上进行分割得到的，周向切割组件420则是切割出扇形块的弧形面和上端面，从而使扇形块与周围的岩体分割开，在形成竖井的内壁面的同时，扇形块落入隧道中。

本实施例的隧道施工用钻进装置在使用前，先把钻机设置在地面上，在钻杆200上安装钻头300，然后驱动内杆转动，并同步驱动外筒匀速下降，在此过程中，内杆会驱动钻头300对岩层进行初步钻孔，直至钻出的孔与底部的隧道连通，接着取下钻头300，把切割机构400与钻杆200固定连接，此时周向传动组件处于分离状态，然后驱动内杆转动，并驱动外筒上升设定高度后停止上升，在此过程中，内杆会带动上切割轴412自转，上切割轴412和上切割轮413把岩石100分割成四个扇形块，当驱动外筒停止上升后，使周向传动组件切换至传动状态，此时内轴430能够通过周向传动组件带动下切割轴422以及下切割轮423周向转动，从而使扇形块与周围的岩体分割开，并落入隧道中，在此过程中，上切割轴412空转，接着使周向传动组件切换至分离状态，并继续驱动外筒上升设定高度后停止上升，把周向传动组件切换至传动状态并反转内杆，再次切割出扇形块，使其落入隧道中，如此重复，直至切割机构400上升至地面，切割出所需的竖井。由于在施工过程中使岩石100呈块状脱落，不需全部进行粉碎，因此减少了待切割面，提高了钻进切割效率，提高了钻进速度。

需要说明的是，扇形块的扇形面是由下切割轮423切割出来的，为了使扇形块能够顺利与周围的岩体分割开，需要保证外筒每次上升的设定高度不大于下切割轮423的直径，即保证切割轮的直径能够覆盖外筒每次上升的设定高度。

在其中一个实施例中，轴向切割组件410还包括轴向套筒411，轴向套筒411上设置有四个在周向均匀间隔布置的贯穿孔，上切割轴412的一端穿过贯穿孔并伸入轴向套筒411中，上切割轴412能够相对于贯穿孔自由转动，四个贯穿孔位于同一高度，进而使所有的上切割轴412位于同一高度，周向切割组件420还包括周向套筒421，周向套筒421上也设置有四个在周向上均匀间隔布置的贯穿孔，下切割轴422的一端穿过贯穿孔并伸入周向套筒421中，下切割轴422也能够相对于贯穿孔自由转动，轴向套筒411的内壁面上设置有第一内螺纹414，钻杆200的外筒的下端部设置有第一外螺纹，外筒与轴向套筒411通过第一外螺纹和第一内螺纹414固定连接。轴向套筒411的下端的内侧壁上设置有环形槽415，周向套筒421的上端面处设置有环形凸台424，环形凸台424卡入环形槽415中，从而使轴向套筒411和周向套筒421转动连接，内轴430沿轴向穿入轴向套筒411和周向套筒421中，内杆的下端处设置有第二外螺纹，内轴430的上端出设置有内孔，内孔的内壁面上设置有第二内螺纹431，内杆的下端固定在内孔中，从而使内轴430与内杆固定连接，为了避免内杆和内轴430之间发生松动，利用插销使内轴430和内杆锁定在一起。

在其中一个实施例中，所有的下切割轴422在上下方向上的高度沿周向依次递减，这样不同的下切割轴422切割出的扇形块位于不同的高度上，进而四个扇形块下落时也分布在不同的高度上，从而不容易被竖井的内壁卡滞，使得扇形块的下落过程较为顺畅。

在其中一个实施例中，周向传动组件包括太阳轮441、行星轮442、齿圈443和推拉杆444，齿圈443固定设置在周向套筒421中，轴向套筒411的内壁上设置有四个安装弯杆416，四个安装弯杆416组成行星架，每个安装弯杆416上转动设置有一个行星轮442，轴向套筒411和周向套筒421连接在一起后，行星轮442和齿圈443啮合，太阳轮441滑动套接在内轴430上，具体地,内轴430上设置有导向槽435，太阳轮441的内壁面上设置有与导向槽435导向滑动配合的导向块445，推拉杆444固定在内轴430上，推拉杆444的伸出端能够带动太阳轮441滑动从而使太阳轮441与行星轮442啮合或者分离，从而使周向传动组件处于传动状态或者分离状态。

在其中一个实施例中，推拉杆444为电动伸缩杆。在其它实施例中，推拉杆444还可以是伸缩气缸。本实施例中，电动伸缩杆的数量为两个，对称设置在内轴430的外表面上，在其它实施例中，为了使太阳轮441的运动更加稳定，电动伸缩杆的数量可以是三个或者四个。

在其中一个实施例中，内轴430的外周面上自上而下依次间隔设置有五个第一锥齿轮432，上切割轴412和下切割轴422的端部均设置有第二锥齿轮433，第一锥齿轮432与第二锥齿轮433啮合。其中，四个上切割轴412上的第二锥齿轮433同时与最上侧的第一锥齿轮432啮合，每个下切割轴422的第二锥齿轮433分别与对应高度处的第二锥齿轮433啮合。在其它实施例中，第一锥齿轮432的数量根据下切割轴422的数量适应性改变，即如果下切割轴422有五个，则第一锥齿轮432的数量是六个。

在其中一个实施例中，为了能够充分高效地切割岩石100，上切割轴412、上切割轮413、下切割轴422和下切割轮423上均具有用于破碎岩石100的切割齿(说明书附图中未展示)。

在其中一个实施例中，为了使内轴430能够稳定转动，轴向套筒411的内壁面上设置有环形凹槽417，内轴430的外周面上设置有用于卡入环形凹槽417中的环形凸沿434，使得轴向套筒411能够在上下方向上对内轴430进行支撑。

在其中一个实施例中，钻头300上设置有压力传感器和距离传感器，压力传感器和钻头300传感器用于实时检测钻头300下钻过程中遇到的阻力以及所在深度，两个传感器把检测到的数据储存进控制系统中，以得到岩层状况的阻力和深度的关系曲线，在切割机构400上移的过程中，根据阻力和深度的关系曲线随时调节切割机构400的输出功率，对于较硬的岩层采用高功率切割，对于较软的岩层采用低功率切割，从而节省能量消耗。

本实施例的隧道施工用钻进装置的工作过程如下所述：

本实施例的隧道施工用钻进装置在使用前，先把钻机设置在地面上，在钻杆200上安装钻头300，然后驱动内杆转动，并同步驱动外筒匀速下降，在此过程中，内杆会驱动钻头300对岩层进行初步钻孔，直至钻出的孔与底部隧道连通，在此过程中，压力传感器和钻头300传感器实时检测钻头300下钻过程中遇到的阻力以及所在深度，两个传感器把检测到的数据储存进控制系统中，以得到岩层状况的阻力和深度的关系曲线。

接着取下钻头300，把切割机构400的内轴430与钻杆200的内杆固定连接，此时周向传动组件处于分离状态，太阳轮441和行星轮442脱离啮合，然后驱动内杆转动，并驱动外筒上升设定高度后停止上升，在此过程中，内杆会带动上切割轴412自转，上切割轴412和上切割轮413把岩石100分割成四个扇形块，当驱动外筒停止上升后，使电动伸缩杆推动太阳轮441，太阳轮441沿内轴430表面滑动，最终与行星轮442啮合，从而使周向传动组件切换至传动状态，此时内轴430能够通过周向传动组件带动下切割轴422以及下切割轮423周向转动，从而使扇形块与周围的岩体分割开，并落入隧道中，在此过程中，上切割轴412空转，由于四个下切割轴422在上下方向上的高度沿周向依次递减，因此不同的下切割轴422切割出的扇形块位于不同的高度上，四个扇形块下落时也分布在不同的高度上，从而不容易被竖井的内壁卡滞，使得扇形块的下落过程较为顺畅。

接着使周向传动组件切换至分离状态，并继续驱动外筒上升设定高度后停止上升，把周向传动组件切换至传动状态并反转内杆，再次切割出扇形块落入隧道中，然后再次把周向传动组件切换至分离状态，如此重复，直至切割机构400上升至地面，切割出所需的竖井。由于在施工过程中使岩石100呈块状脱落，不需全部进行粉碎，因此减少了待切割面，提高了钻进切割效率，提高了钻进速度。

下面描述本发明的第二方面实施例提供的隧道施工用钻进方法：

本实施例的隧道施工用钻进方法，先自上而下进行初步钻孔，然后自下而上进行切割作业，先把待切割的岩石分割成多个扇形块，然后把扇形块与周围的岩体分割开，从而使扇形块落入下方的隧道中。

由于在施工过程中使岩石呈块状脱落，因此本实施例的隧道施工用钻进方法不需对全部的岩石进行粉碎，从而减少了待切割面，提高了钻进切割效率，提高了钻进速度。

在其中一个实施例中，每次分割出的多个扇形块在上下方向上相互错开，从而使切割出的多个的扇形块位于不同的高度上，因此扇形块下落时也分布在不同的高度上，从而不容易被竖井的内壁卡滞，使得扇形块的下落过程较为顺畅。

在其中一个实施例中，隧道施工用钻进方法能够通过本发明第一方面实施例提供的隧道施工用钻进装置进行实施。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种隧道施工用钻进装置，其特征在于，包括：

钻杆，包括外筒和内杆，内杆设置在外筒中且能够相对外筒转动，外筒用于在竖井中上下移动；

切割机构，由钻杆带动，包括内轴、轴向切割组件、周向切割组件和周向传动组件，轴向切割组件包括至少三个沿周向均匀分布且沿水平方向延伸的上切割轴，每个上切割轴上固定设置有一个上切割轮，周向切割组件包括多个位于上切割轴下方且沿水平方向延伸的下切割轴，下切割轴的数量与上切割轴的数量相同，且每个下切割轴与每个上切割轴在上下方向上一一对应，相互对应的上切割轴和下切割轴在上下方向上的投影重合，每个下切割轴上固定设置有一个下切割轮，内杆能够带动内轴转动，内轴能够带动上切割轴和下切割轴自转，当外筒向上移动且内杆转动时，轴向切割组件能够把待切割的岩石分割成多个扇形块，周向传动组件具有传动状态和分离状态，在传动状态时，内轴能够通过周向传动组件带动下切割轴周向转动，从而把扇形块与周围的岩体分割开。

2.根据权利要求1所述的隧道施工用钻进装置，其特征在于，轴向切割组件还包括轴向套筒，上切割轴的一端伸入轴向套筒中，所有的上切割轴位于同一高度，周向切割组件还包括周向套筒，下切割轴的一端伸入周向套筒中，外筒与轴向套筒固定连接，轴向套筒和周向套筒转动连接，内轴沿轴向穿入轴向套筒和周向套筒中且与内杆固定连接。

3.根据权利要求2所述的隧道施工用钻进装置，其特征在于，所有的下切割轴在上下方向上的高度沿周向依次递减。

4.根据权利要求2所述的隧道施工用钻进装置，其特征在于，周向传动组件包括太阳轮、行星轮、齿圈和推拉杆，齿圈固定设置在周向套筒中，行星轮转动设置在轴向套筒中，太阳轮滑动套接在内轴上，推拉杆固定在内轴上，推拉杆的伸出端能够带动太阳轮滑动从而使太阳轮与行星轮啮合或者分离。

5.根据权利要求4所述的隧道施工用钻进装置，其特征在于，推拉杆为电动伸缩杆。

6.根据权利要求1所述的隧道施工用钻进装置，其特征在于，内轴的外周面上自上而下依次间隔设置有多个第一锥齿轮，上切割轴和下切割轴的端部均设置有第二锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合。

7.根据权利要求1所述的隧道施工用钻进装置，其特征在于，上切割轴、上切割轮、下切割轴和下切割轮上均具有用于破碎岩石的切割齿。

8.根据权利要求2所述的隧道施工用钻进装置，其特征在于，轴向套筒的内壁面上设置有环形凹槽，内轴的外周面上设置有用于卡入环形凹槽中的环形凸沿。