CN117005799A - 一种隧道破碎围岩中钻孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道破碎围岩中钻孔装置及方法，钻孔装置包括外层保护筒、内层钻进筒、加长钻筒和尾部连接件，钻孔时，先将内层钻进筒通过螺纹配合同轴的安装在外层保护筒内，然后整体钻进，穿越破碎围岩，之后将内层钻进筒通过加长钻筒和尾部连接件连接至旋转动力机构，继续钻进，外层保护筒留在破碎岩层起到保护作用，内层钻进筒在加长钻筒驱动下继续钻进，形成钻孔；本发明通过设置内外双层可分离筒式结构，将传统钻孔装置与方法中钻孔步骤分离为保护筒埋设与二次钻孔两个步骤，利用保护筒度过破碎区域围岩，进而保障了破碎围岩钻孔的成功率。因此，本发明具有如下优点：结构简单、操作易行、实用性强、适用范围广。

Description

一种隧道破碎围岩中钻孔装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种隧道破碎围岩钻孔技术，具体设计一种隧道破碎围岩中钻孔装置及方法。

背景技术

围岩钻孔是隧道工程领域的基础技术之一，被广泛应用于隧道锚杆埋设、地应力测量、洞壁深部注浆、围岩深部地质钻探等领域，对获取深部围岩信息、搭建深部围岩支护体系、改善围岩受力状态、指导隧道科学高效掘进施工等方面有着重要影响。然而，深埋高地应力隧道掘进过程中，常由于隧道开挖扰动而导致浅部硬脆性围岩发生静态脆性破坏(片帮、溃屈及板裂)，进而呈现出“洋葱层状破碎”，形成浅部围岩破碎区；或者因隧道开挖穿越断层破碎带等区域，致使部分揭露围岩破碎。现有隧道钻孔设备多为针对完成围岩钻孔进行开发，在破碎围岩钻孔过程中，常因围岩破碎区松动多孔结构或围岩软硬不均而造成塌孔、歪孔、卡钻等事故，严重制约着围岩钻孔的效率及成功率。

鉴于现存隧道围岩钻孔方法及装置存在上述缺陷，难以实现隧道破碎围岩安全高效钻孔，因而提出一种隧道破碎围岩中钻孔装置及方法。

发明内容

本发明是为了解决现有技术所存在的技术问题而进行的，目的在于提供结构简单、操作易行、实用性高、适用范围广的隧道破碎围岩钻孔装置及方法，以切实避免隧道破碎围岩钻孔过程中常出现的因围岩破碎而导致的塌孔、歪孔、卡钻等现象，提高隧道破碎围岩钻孔的效率与成功率，保障破碎围岩锚杆埋设、围岩深部注浆、地应力测量等工作顺利进行。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一方面，本发明提供一种用于隧道破碎围岩的钻孔装置，包括：

外层保护筒，尾部能通过第一尾部连接件可拆卸的安装在旋转动力机构上，在旋转动力机构驱动下旋转进行钻进；

内层钻进筒，通过螺纹配合同轴的安装在外层保护筒内，内层钻进筒前端设有用于钻进的钻头；

加长钻筒，其前端能可拆卸连接在内层钻进筒端部，尾端能通过第二尾部连接件可拆卸的安装在旋转动力机构上，在旋转动力机构提供动力下，驱动内层钻进筒进行钻进；

当外层保护筒，通过第一尾部连接件与旋转动力机构相连时，内层钻进筒和外层保护筒一起整体钻进；当拆掉第一尾部连接件，将内层钻进筒通过加长钻筒、第二尾部连接件与旋转动力机构相连时，旋转动力机构能驱动内层钻进筒相对于外层保护筒旋转，实现在外层保护筒的保护下二次钻进。

所述外层保护筒内壁设置全螺纹，所述内层钻进筒外侧设置有对应的全螺纹。

优选的，通过选择所述内层钻进筒与外层保护筒之间螺纹方向，使得二次钻进的旋转方向和整体钻进的旋转方向相同。

优选的，所述第一尾部连接件为第一端盖，所述第一端盖通过螺纹配合与外层保护筒尾部相连。

优选的，所述加长钻筒通过螺纹配合与内层钻进筒尾部相连；第二尾部连接件为第二端盖，所述第二端盖通过螺纹配合与内层钻进筒的尾部相连。

优选的，所述第一端盖和第二端盖上分别设有与旋转动力机构相连的连接件。

优选的，所述连接件包括设置于第一端盖和第二端盖上的连接孔以及与连接孔相连的加长杆。

优选的，所述内层钻进筒与外层保护筒之间间隙充满防止分离取芯时卡涩的润滑介质。

优选的，所述外层保护筒上设有至少一个用于注入润滑介质的注入孔。

另一方面，本发明提供一种隧道破碎围岩中钻孔方法，采用上述钻孔装置，钻孔方法包括以下步骤：

设备安装与调试：将内层钻进筒通过螺纹配合同轴的安装在外层保护筒内，将外层保护筒的尾部通过第一尾部连接件安装在旋转动力机构上；

整体钻进：开启旋转动力机构，对隧道破碎围岩进行整体钻进，在螺纹连接和第一尾部连接件的限位下，内层钻进筒与外层保护筒同步旋转钻进；

内外分离、继续钻进：当整体钻进穿过围岩破碎层或者达到设定深度时，暂停旋转动力机构，拆掉第一尾部连接件，将加长钻筒连接在内层钻进筒的尾部，将加长钻筒的尾部通过第二尾部连接件安装在旋转动力机构上，在旋转动力机构驱动下相对于外层保护筒旋转继续钻进，实现内外分离、继续钻进。

因此，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

通过设置内外双层可分离式筒式结构，将钻孔分为保护筒埋设与二次钻孔两个步骤，增加外层保护筒对破碎岩层钻孔进行保护，避免了常规钻孔方法在隧道破碎围岩钻孔过程中常出现的因围岩破碎而导致的塌孔、歪孔、卡钻现象。本发明结构简单、操作易行、实用性强、适用范围广，提高了隧道破碎围岩钻孔的效率与成功率，保障了破碎围岩锚杆埋设、围岩深部注浆、地应力测量等工作顺利进行。

附图说明

图1是本发明实施例中用于隧道破碎围岩的钻孔装置结构示意图。

图2是本发明中钻孔装置连接第一尾部连接件示意图。

图3是本发明中钻孔装置连接第二尾部连接件示意图。

图4是本发明实施例中外层保护筒结构示意图。

图5是本发明实施例中内层钻进筒结构示意图。

图6是本发明实施例中加长钻筒结构示意图。

图7是本发明实施例中尾部连接装置示意图，其中图7中A为第一尾部连接件示意图，图7中B为第二尾部连接件示意图，图7中C为加长杆示意图。

图8是本发明实施例中进行穿越破碎围岩钻孔方法流程示意图，其中，图8中A为整体钻进示意图，图8中B为整体钻进达到设定深度示意图，图8中C为整体钻进后内层钻进筒连接加长钻筒及第二尾部连接件示意图，图8中D为加长钻筒连接内层钻进筒继续钻进示意图；图8中E为内层钻进筒反转退出后形成钻孔示意图。

图9为本发明实施例中钻头示意图。

1-隧道破碎围岩，11-中浅层破碎围岩，12-深部完整围岩，2-钻孔装置，21-外层保护筒，211-第一内螺纹，22-内层钻进筒，221-第一外螺纹，222-第二内螺纹，23-加长钻筒，231-第一连接螺纹，232-第二连接螺纹，3-旋转动力机构，4-钻孔，51-第一尾部连接件，511--第一端盖，512-第一凸台，513-连接孔，52-第二尾部连接件，521-第二端盖，522-第二凸台，53-加长杆，6-注入孔，7-钻头，71-第一柱体，711-第二外螺纹，72-第二柱体，721-第三外螺纹，73-钻进部。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图1-9，对本发明的技术特征、目的和效果作进一步具体的说明。

实施例1，如图1至图7所示，本发明提供一种用于隧道破碎围岩1的钻孔装置2，包括：

外层保护筒21，尾部能通过第一尾部连接件51可拆卸的安装在旋转动力机构上，在旋转动力机构3驱动下旋转进行钻进；

内层钻进筒22，通过螺纹配合同轴的安装在外层保护筒21内，内层钻进筒22前端同轴可安装的设有用于钻进的钻头7；

加长钻筒23，其前端能可拆卸连接在内层钻进筒22端部，尾端能通过第二尾部连接件52可拆卸的安装在旋转动力机构上，在旋转动力机构3提供动力下，驱动内层钻进筒22进行钻进；

当外层保护筒21，通过第一尾部连接件51与旋转动力机构相连时，内层钻进筒22和外层保护筒21一起整体钻进；当拆掉第一尾部连接件51，将内层钻进筒22通过加长钻筒23、第二尾部连接件52与旋转动力机构相连时，旋转动力机构能驱动内层钻进筒22相对于外层保护筒21旋转，实现在外层保护筒21的保护下二次钻进。

如图8所示，使用上述钻孔装置2进行穿越破碎围岩钻孔4的方法如下：

设备安装与调试：如图8中A所示，将内层钻进筒22通过螺纹配合同轴的安装在外层保护筒21内，将外层保护筒21的尾部通过第一尾部连接件51安装在旋转动力机构上，隧道破碎围岩1包括中浅层破碎围岩11和深部完整围岩12；

整体钻进：开启旋转动力机构3，对隧道破碎围岩1进行整体钻进，在螺纹连接和第一尾部连接件51的限位下，内层钻进筒22与外层保护筒21同步旋转钻进；

内外分离、继续钻进：当整体钻进穿过中浅层破碎围岩11，达到深部完整围岩12内时，如图8中B所示，暂停旋转动力机构3，拆掉第一尾部连接件51，将加长钻筒23连接在内层钻进筒22的尾部，将加长钻筒23的尾部通过第二尾部连接件52安装在旋转动力机构上，如图8中C所示，在旋转动力机构3驱动下相对于外层保护筒21旋转继续钻进，实现内外分离、继续钻进，如图8中D所示，最终得到钻孔4如图8中E所示。

本发明通过将内外钻筒(外层保护筒21实际为钻筒)相连整体钻进进行穿越破碎围岩钻孔4，穿越破碎围岩后，将内层钻进筒22通过加长钻筒23、与第二尾部连接件52与旋转动力机构相连，对内外钻筒分离，外层保护筒21留在中浅层破碎围岩内作为保护筒，内层钻进筒22在加长钻筒23传递动力情况下继续钻进，可以有效避免深入钻孔4过程中，由于钻孔4振动造成破碎围岩区已成孔的坍塌，从而避免钻头7卡死等钻孔4失败情况发生。

需要说明的是，所述旋转动力机构3采用现有技术中任意钻机即可，比如带进给机构的电机，本发明中不做限制。

需要说明的是，一般来说，钻头7需要设置冷却和排渣机构，这些并非本发明的改进之处，采用现有技术即可，排渣管道和冷却水管道可以从内层钻进筒22、加长钻筒23延伸到外部，比如可以在第一尾部连接件51中部开始管道孔，来避免排渣管道和冷却水管道与内层钻进筒22的旋转产生干扰问题。

作为一种优选实施例，如图1、2、4所示，所述外层保护筒21内壁设置全螺纹的第一内螺纹211，所述内层钻进筒22外壁设置有第一内螺纹211的对应的第一外螺纹221，安装时，内层钻进筒22可以从尾部通过螺纹旋进外层保护筒21内，由于外层保护筒21内壁设置全螺纹，因此分离时，内层钻进筒22又可以继续旋进，从而实现分离和二次钻进功能。

作为一种改进实施例，整体钻进时，内层钻进筒22的钻进端相对于外层保护筒21具有一定程度内缩，便于安装钻头7，如图9，所述钻头7依次包括第一柱体71、第二柱体72和锥形的钻进部73，其中第一柱体71外周设有与内层钻进筒22前端相连的第二外螺纹711，内层钻进筒22前端内壁设有相应的第二内螺纹222；第二柱体72直径大于第一柱体71，第二柱体72外周设有与外层保护筒21内前端内的第一内螺纹211配合的第三外螺纹721；通过设计这种独特结构的钻头7本体，使得整体钻进时，钻头7与外层保护筒21之间间隙足够小，减少碎屑进入内层钻进筒22与外层保护筒21之间间隙，避免分离时卡死；同时在分离后继续钻进时，钻头7也能跟随内层钻进筒22进行钻进；也不影响钻孔4完毕后钻头7跟随内层钻进筒22退出外层保护筒21。

作为一种改进实施例，所述钻头7的钻进部73表面设置高强合金耐磨层，进一步提高钻头7的硬度、强度和耐磨蚀性。

需要说明的是，为了保证整体钻进和分离后继续钻进实施，钻头7上第一柱体71与内层钻进筒22之间的拧紧方向与内层钻进筒22的继续钻进方向相同；避免继续钻进过程中，钻头7掉落。

需要说明的是，内层钻进筒22和外层保护筒21的连接螺纹的旋向不受限制，当旋转动力机构3携带外层保护筒21钻进时，外层保护筒21为主动件，内层钻进筒22为随动件，在第一尾部连接件31和前端岩层反作用力限位情况下，内层钻进筒22无法发生相对轴向运动，也就是说整体钻进时，内层钻进筒22具有非常好的跟随性；当内外分离时，内层钻进筒22为主动件，而外层保护筒21在破碎围岩的摩擦作用下被围岩挤压卡住留在岩层内；因此通过旋转内层钻进筒22能够轻松将其与外层保护筒21分离，进行继续钻进。

作为一种改进实施例，如图7所示，第一尾部连接件51为第一端盖511，所述第一端盖511通过螺纹配合与外层保护筒21尾部相连。

如图6所示，所述加长钻筒23一端设置第一连接螺纹231，另一端设置第二连接螺纹232，加长钻筒23通过第一连接螺纹231与内层钻进筒22尾部相连；第二尾部连接件52为第二端盖521，所述第二端盖521通过螺纹配合与加长钻筒23的第二连接螺纹232相连。

需要说明的是，由于第一端盖511和第二端盖521是交替安装，因此并不会相互干扰，所以第一端盖511和第二端盖521既可以是实心端盖，也可以是中部空心端盖，并不受影响，一般来说，为了设置排渣和冷却水管道，那么第一端盖511和第二端盖521中间均应该设置通孔。

作为一种改进实施例，如图7所示，第一端盖511和第二端盖521上分别设有与旋转动力机构相连的连接件，连接件包括设置于第一端盖511和第二端盖521上的连接孔513以及与连接孔513相连的加长杆53；通过连接件可以方便与旋转动力机构3的钻轴或者类似机构相连。

需要说明的是，第一端盖511和第二端盖521形状类似，大小不同，以第一端盖511为例，如图7所述，第一端盖511为圆形端盖，一侧设置有第一凸台512，另一侧设置有连接板，连接板上设置连接孔513；第一凸台512四周设置外螺纹，能够与外层保护筒21尾部内螺纹进行螺纹配合相连，当然，在此实施例下，第一端盖511与外层保护筒21连接的螺纹旋向应当与整体钻进方向相反，这样钻进过程中，第一端盖511与外层保护筒21之间不会松动。

可以预见的是，因为需要将第一端盖511与外层保护筒21尾端相连，需要占用外层保护筒21尾端一定空间，那么为了保证内层钻进筒22的钻进端和外层保护筒21大致平齐，内层钻进筒22的长度应该略短于外层保护筒21。

需要说明的是，如图7所示，第二端盖521形状与第一端盖511相似，由于需要连接的是内层钻进筒22，因此其上第二凸台直径小于第一端盖511上的第一凸台512，第二凸台和内层钻进筒22之间的螺纹旋向根据内层钻进筒22二次钻进的旋转方向进行选择。

作为一种改进实施例，为了防止内层钻进筒22继续钻进或退出过程中卡死，所述内层钻进筒22与外层保护筒21之间间隙充满防止分离取芯时卡涩的润滑介质，润滑介质一方面是直接润滑作用，另方面也能防止钻进过程中碎屑进入内外筒之间间隙而导致卡死。润滑介质可以是润滑油或者润滑脂，当然实际工程中润滑脂最方便。

作为一种改进实施例，外层保护筒21上设有至少一个用于注入润滑介质的注入孔6，通过注入孔6注入润滑介质，有利于润滑介质充满，大大减少了卡涩可能性，注入孔6的数量不限，比如可以是一个或者环绕外层保护筒21一圈的多个。

作为一种改进实施例，所述外层保护筒21的钻进端表面设置耐磨合金涂层，以提高整体钻进时，外层保护筒21的钻进能力。

需要说明的是，为了保证内层钻进筒22继续钻进和退出都顺利进行，第二端盖521和内层钻进筒22在螺纹连接的基础上还可以增加辅助连接件，比如螺栓或者螺钉辅助连接，防止内层钻进筒22反转退出时，第二端盖521和内层钻进筒22直接连接螺纹松动；同样的，所述钻头7和内层钻进筒22之间也可以设置卡扣或者螺钉等辅助连接件，防止内层钻进筒22反转退出时，钻头7松动而掉落在钻孔4内。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种用于隧道破碎围岩的钻孔装置，其特征在于：包括

外层保护筒，尾部能通过第一尾部连接件可拆卸的安装在旋转动力机构上，在旋转动力机构驱动下旋转进行钻进；

内层钻进筒，通过螺纹配合同轴的安装在外层保护筒内，内层钻进筒前端设有用于钻进的钻头；

加长钻筒，其前端能可拆卸连接在内层钻进筒端部，尾端能通过第二尾部连接件可拆卸的安装在旋转动力机构上，在旋转动力机构提供动力下，驱动内层钻进筒进行钻进；

当外层保护筒，通过第一尾部连接件与旋转动力机构相连时，内层钻进筒和外层保护筒一起整体钻进；当拆掉第一尾部连接件，将内层钻进筒通过加长钻筒、第二尾部连接件与旋转动力机构相连时，旋转动力机构能驱动内层钻进筒相对于外层保护筒旋转，实现在外层保护筒的保护下二次钻进。

2.根据权利要求1所述的钻孔装置，其特征在于：所述外层保护筒内壁设置全螺纹，所述内层钻进筒外侧设置有对应的全螺纹。

3.根据权利要求2所述的钻孔装置，其特征在于：通过选择所述内层钻进筒与外层保护筒之间螺纹方向，使得二次钻进的旋转方向和整体钻进的旋转方向相同。

4.根据权利要求1所述的钻孔装置，其特征在于：所述第一尾部连接件为第一端盖，所述第一端盖通过螺纹配合与外层保护筒尾部相连。

5.根据权利要求4所述的钻孔装置，其特征在于：所述加长钻筒通过螺纹配合与内层钻进筒尾部相连；第二尾部连接件为第二端盖，所述第二端盖通过螺纹配合与内层钻进筒的尾部相连。

6.根据权利要求5所述的钻孔装置，其特征在于：所述第一端盖和第二端盖上分别设有与旋转动力机构相连的连接件。

7.根据权利要求6所述的钻孔装置，其特征在于：所述连接件包括设置于第一端盖和第二端盖上的连接孔以及与连接孔相连的加长杆。

8.根据权利要求1所述的钻孔装置，其特征在于：所述内层钻进筒与外层保护筒之间间隙充满防止分离取芯时卡涩的润滑介质。

9.根据权利要求8所述的钻孔装置，其特征在于：所述外层保护筒上设有至少一个用于注入润滑介质的注入孔。

10.一种隧道破碎围岩中钻孔方法，采用权利要求1-9任意一项所述的钻孔装置，其特征在于：钻孔方法包括以下步骤：

设备安装与调试：将内层钻进筒通过螺纹配合同轴的安装在外层保护筒内，将外层保护筒的尾部通过第一尾部连接件安装在旋转动力机构上；

整体钻进：开启旋转动力机构，对隧道破碎围岩进行整体钻进，在螺纹连接和第一尾部连接件的限位下，内层钻进筒与外层保护筒同步旋转钻进；

内外分离、继续钻进：当整体钻进穿过围岩破碎层或者达到设定深度时，暂停旋转动力机构，拆掉第一尾部连接件，将加长钻筒连接在内层钻进筒的尾部，将加长钻筒的尾部通过第二尾部连接件安装在旋转动力机构上，在旋转动力机构驱动下相对于外层保护筒旋转继续钻进，实现内外分离、继续钻进。