CN209990488U - 长悬臂水平旋喷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种长悬臂水平旋喷装置，包括：可移动机身、钻孔设备、旋喷设备、注浆设备、钻孔支撑架组以及旋喷支撑架组，钻孔支撑架组包括能够独立升降的第一钻孔支撑架及第二钻孔支撑架；旋喷支撑架组包括能够独立升降的第一旋喷支撑架及第二旋喷支撑架；钻孔设备承托于第一钻孔支撑架和第二钻孔支撑架的顶部，并能够相对于可移动机身前后移动，钻孔设备包括设置于钻孔设备前端的钻头以及连接于钻头后端的钻杆；旋喷设备承托于第一旋喷支撑架和第二旋喷支撑架的顶部，并且旋喷设备能够相对于可移动机身前后移动，旋喷设备包括设置于旋喷设备前端的喷头组件以及连接于喷头组件后端的输料管线，喷头组件通过输料管线与注浆设备相连通。

Description

长悬臂水平旋喷装置

技术领域

本实用新型涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种隧道和地下工程软弱围岩超前预加固的施工装置。

背景技术

随着我国铁路尤其是山区铁路的迅速发展，山岭隧道越来越多，受曲线半径的限制，铁路隧道需穿越山岭，这些地区广泛分布各种地质构造带，特别是会遇到断层软弱带。这类断层具有深埋、富水、软弱带呈夹层状的特点，在软弱破碎地层中进行隧道和地下工程施工，容易出现围岩大变形、工作面坍塌等安全问题以及施工进度缓慢、工效极低的技术问题，更甚至会出现破坏地表环境和居民区、以及危及施工人员生命安全、留下运营安全隐患等严重后果。

对于浅埋地段的断层带，常规的处理方法是超前注浆加固围岩，采用环向间距一般为0.3～0.4m的大管棚作为超前支护结构，短进尺分部开挖，初期支护快速封闭成环，二次衬砌及时跟进，安全快速通过断层软弱带。但对于深埋富水断层软弱带，若仍采用常规的大管棚超前支护结构，其0.3～0.4m的环向间距，无法实现管棚之间的咬合，施工中极易发生管涌导致突水涌泥，对施工人员生命及机械设备安全造成重大危害的风险极大，此外，深埋富水软弱带地段围岩压力大，在地下水作用下，该超前支护结构难以保证围岩稳定和结构的安全，极易发生坍塌事故。

现有技术中常常采用传统水平旋喷法，但是此方法需要传统的钻孔机及注浆机交替施工，在施做一根18米的旋喷桩需要近24小时，桩径大多小于60cm，旋喷一个断面的时间长达1～2个月，且经常出现断桩、不咬合、桩缩径等问题，难以满足开挖施工要求。

如中国专利申请201210425650.1号公开的一种软岩隧道长悬臂水平旋喷变形控制施工方法，包括：(1)在开挖轮廓线周边钻孔，旋喷注浆同时钻杆后退，旋喷后下入第一型构件，形成第一型桩体；(2)重复步骤(1)构造出第一帷幕体系；(3)在隧道设计的掌子面钻孔，旋喷注浆同时钻杆后退，旋喷后下入第二型构件，形成第二型桩体；(4)重复步骤(3)构造出第二核心土加固体系；(5)进行大断面机械开挖、初支；(6)在中、下台阶拱脚处斜向隧道下方30～45度钻孔，下入第三型构件，形成第三型桩体；(7)重复步骤(6)构造出锁脚旋喷桩稳定体系。但是，该发明依然存在以下缺点或不足：(1)、没有公开水平旋喷设施的具体结构；(2)、注浆过程为水平方式的注入，其存在需要克服浆液因自身重力产生注浆桩不连续或不均匀的缺陷。

又如中国专利申请201310671711.7号公开的一种软岩隧道水平旋喷施工方法，其包括：采用水平旋喷钻机钻出具有规定深度和直径的第一型钻孔；在完成第一型钻孔后采用注浆设备将预先制备好的水泥浆供给至第一型钻孔的末端，使得随着钻杆退出第一型钻孔而沿着第一型钻孔由内向外形成第一型桩体；采用推顶装置将预先制备的长度与第一型钻孔深度相同的第一型加强构件沿第一型钻孔插入第一型桩体直至第一型钻孔的末端；通过控制第一支撑架和第二支撑架同步绕可移动机身的纵向轴线转动以改变喷钻臂的施工位置，从而构造出整体式的帷幕体系；通过同步控制第一支撑架和第二支撑架的升降高度来缩小水平旋喷钻机的施工半径，从而在待形成的隧道的内部形成阵列状稳定体系。但是，该发明依然存在以下缺点或不足：(1)需要传统的钻孔机及注浆机交替施工，施工工时长；(2)、注浆方式为水平方式的注入，其存在需要克服浆液因自身重力产生注浆桩不连续或不均匀的缺陷。

因此，提供一种可实现结钻孔和旋喷功能于一体，并可形成均匀密实的加固桩体的长悬臂水平旋喷装置成为业内急需解决的问题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种长悬臂水平旋喷装置，其能够将钻孔与水平旋转注浆相结合，并且还可以形成连续、密实、均匀的加固桩体，有效控制岩土变形。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种长悬臂水平旋喷装置，其包括：可移动机身、钻孔设备、旋喷设备、注浆设备、安装于可移动机身一侧的钻孔支撑架组、以及安装于可移动机身另一侧的旋喷支撑架组，其中，钻孔支撑架组包括设置于可移动机身前端并能够独立升降的第一钻孔支撑架及设置于可移动机身后端并能够独立升降的第二钻孔支撑架；旋喷支撑架组包括设置于可移动机身前端并能够独立升降的第一旋喷支撑架及设置于可移动机身后端并能够独立升降的第二旋喷支撑架；钻孔设备承托于第一钻孔支撑架的顶部和第二钻孔支撑架的顶部，并且钻孔设备能够相对于可移动机身前后移动，钻孔设备包括设置于钻孔设备前端的钻头以及连接于钻头后端的钻杆；旋喷设备承托于第一旋喷支撑架的顶部和第二旋喷支撑架的顶部，并且旋喷设备能够相对于可移动机身前后移动，旋喷设备包括设置于旋喷设备前端的喷头组件以及连接于喷头组件后端的输料管线，喷头组件通过输料管线与注浆设备相连通。

可选择地，喷头组件包括：喷管体、设置于喷管体的前端中央的主喷头、以及间隔分布于喷管体的周壁上并与喷管体的径向相平行的至少四个分喷头，其中，喷管体在设置于可移动机身上的电机的控制下可围绕喷管体的纵向轴线转动。

其中，在喷管体在电机的带动下进行转动时，控制注浆设备使得旋喷压力设定为35～45MPa，优选地，旋喷压力设定为40MPa，由此，水泥浆自主喷头水平向前喷射，自分喷头向四周旋转喷射，从而完成水泥浆的水平旋转喷射，实现充分地带动钻孔周边的软岩一起旋转搅拌融成一体的效果。

可选择地，喷头组件还可以设定为另一种结构，其包括：喷管体、设置于喷管体的前端中央的主喷头、以及间隔切向设置于喷管体的周壁上的至少三个分喷头。

由此，在分喷头切向设置于喷管体的周壁上时，通过控制旋喷压力为50～60MPa，优选地，旋喷压力设定为55MPa，便可以使得水泥浆在高压作用下自分喷头喷射时，依靠压力惯性带动了喷管体围绕其自身的纵向轴线转动，从而完成水泥浆的水平旋转喷射，实现充分地带动钻孔周边的软岩一起旋转搅拌融成一体的效果。

可选择地，注浆设备设置于可移动机身上并位于第一旋喷支撑架和第二旋喷支撑架之间。

可选择地，注浆设备包括：第一储料罐、第二储料罐、第三储料罐及混料罐，其中，混料罐包括罐体、设于罐体内的搅拌器、设于罐体上的第一入料口、第二入料口、第三入料口、以及出浆口，出浆口通过输料管线与喷头组件相连通，第一储料罐通过第一管线与第一入料口相连通，第二储料罐通过第二管线与第二入料口相连通，第三储料罐通过第三管线与第三入料口相连通。

可选择地，第一管线、第二管线、第三管线及输料管线上分别设有电动泵及流量计。

其中，本实用新型的第一储料罐中的原料为第一水泥浆体系，第二储料罐中的原料为第二水泥浆体系，第三储料罐中的原料为第三水泥浆体系，水泥浆由重量比为1：1：1的第一水泥浆体系、第二水泥浆体系、以及第三水泥浆体系组成，其中，第一水泥浆体系中的各组分含量以重量份数计算为：硫铝酸盐水泥10～20份，无机填料50～80份、膨胀剂5～8份、以及分散剂6～10份；第二水泥浆体系中的各组分含量以重量份数计算为：硅酸盐水泥10～20份，减水剂0.5～1.5份、以及消泡剂0.3～0.8份；第三水泥浆体系中的各组分含量以重量份数计算为：铝酸盐水泥5～15份，增韧剂1～2份，以及调凝剂1～2份。

可选择地，第一水泥浆体系中的无机填料为粉煤灰、矿渣粉、滑石粉或超细硅灰中的一种或多种组合物，无机填料的粒径为0.15～0.20微米；膨胀剂为重量比为1：1～2的硫铝酸钙类膨胀剂及氧化镁膨胀剂的混合物；分散剂为聚丙烯酰胺。

可选择地，第二水泥浆体系中的减水剂为聚羧酸减水剂、萘系高效减水剂或氨基磺酸盐高效减水剂；消泡剂为有机硅类粉体消泡剂。

可选择地，第三水泥浆体系中的增韧剂为重量比为1：0.5～1的醋酸乙烯与醋酸乙酯的混合物，或重量比为1：0.5～1的醋酸乙烯与月桂酸乙烯酯的混合物，或重量比为1：0.5～1：0.5～1的醋酸乙烯、醋酸乙酯与月桂酸乙烯酯的混合物；调凝剂为葡萄糖酸钠、焦磷酸钠或硫酸钠中的一种或几种。

可选择地，输料管线上还设有加压泵，以调整水泥浆的旋喷压力。

可选择地，还包括安装于可移动机身的前端的推顶装置，推顶装置可相对于可移动机身前后、上下、左右运动，以将加强构件插入加固桩体。

可选择地，加强构件可选用管棚或玻纤锚杆。

可选择地，还设有与输料管线相连通的储水槽，以利用喷头组件在钻孔内采用高压水洗孔以清洗钻孔内淤泥。

可选择地，长悬臂水平旋喷装置可通过分别控制第一钻孔支撑架和第二钻孔支撑架的升降高度来控制钻孔设备的上扬角度或下倾斜角度。

可选择地，长悬臂水平旋喷装置可通过分别控制第一旋喷支撑架和第二旋喷支撑架的升降高度来控制旋喷设备的上扬角度或下倾斜角度。

可选择地，长悬臂水平旋喷装置可通过同步控制第一钻孔支撑架和第二钻孔支撑架的升降高度来控制钻孔设备的施工半径。

可选择地，长悬臂水平旋喷装置可通过移动可移动机身来改变钻孔设备的左右倾斜角。

可选择地，长悬臂水平旋喷装置可通过控制钻孔设备的前后移动来改变钻孔的深度。

本实用新型的有益效果是：(1)、钻孔设备及注浆设备结合为一体，可提高工效，减小施工半径；(2)、注浆是由主喷头和分喷头同时进行，实现了浆液的水平和旋转喷涂，特别是多个分喷头的设置有效克服了浆液自身重力、使得浆液在径向方向上能够将泥浆和钻屑挤压到远离钻孔中心线的位置，从而保证形成连续、密实、均匀的加固桩体，而不必担心桩体中间出现中断或薄弱区等问题；(3)能够自由调节施工半径和倾角，能够实现高质量施工并缩短施工周期。

附图说明

图1示出了本实用新型的水平旋喷钻机的结构示意图。

图2示出了本实用新型的一种实施方式中的喷头组件的截面示意图。

图3示出了本实用新型的另一种实施方式中的喷头组件的截面示意图。

图4示出了本实用新型的注浆设备的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提出一种长悬臂水平旋喷装置，其可以将水泥浆液水平旋转地注入到软弱地层中，形成均匀密实的加固桩体，完成整个隧道的帷幕体系，不仅提高了软弱围岩承载能力、周边围岩的稳定性和有效控制岩土变形，而且大大提高工效，达到对软弱地层超前支护以及全断面机械化开挖的目的。

本实用新型采用的术语“隧道”包括地上、地下隧道或坑道等需要挖掘出的通道或空间。

根据本实用新型的一种示例性实施方式，如图1所述，本实用新型的长悬臂水平旋喷装置包括：可移动机身100、安装于可移动机身一侧的钻孔支撑架组200、安装于可移动机身另一侧的旋喷支撑架组300、钻孔设备400以及旋喷设备500。

具体来讲，钻孔支撑架组200包括第一钻孔支撑架210及第二钻孔支撑架220，第一钻孔支撑架210设置于可移动机身100前端并能够独立升降，第二钻孔支撑架220设置于可移动机身100后端并能够独立升降。

旋喷支撑架组300包括第一旋喷支撑架310及第二旋喷支撑架320，第一旋喷支撑架310设置于可移动机身100前端并能够独立升降，第二旋喷支撑架320设置于可移动机身100后端并能够独立升降。

钻孔设备400承托于第一钻孔支撑架210的顶部和第二钻孔支撑架220的顶部，并且钻孔设备400能够相对于可移动机身100前后移动，钻孔设备400包括设置于前端的钻头410以及连接于钻头410后端的钻杆420。

旋喷设备500承托于第一旋喷支撑架310的顶部和第二旋喷支撑架320的顶部，并且旋喷设备500能够相对于可移动机身100前后移动，旋喷设备500包括设置于前端的喷头组件510以及连接于喷头组件510后端的输料管线520，喷头组件510通过输料管线520与注浆设备600相连通。

由此，本实用新型的长悬臂水平旋喷装置的工作过程为：首先利用钻孔设备400进行钻孔，接着，在完成钻孔后，将钻孔设备400退出钻孔，在钻杆完全退出钻孔后，将旋喷设备500送至钻孔的末端，注浆设备600将预先制备好的水泥浆供给至旋喷设备500的喷头组件510，启动喷头组件510使得高速喷射的水泥浆带动钻孔周边的软岩一起旋转搅拌融成一体，随着喷头组件510一边旋喷注浆，一边退出钻孔而沿着钻孔由内向外形成加固桩体，在喷头组件510完全退出钻孔后停止水平旋喷注浆。

作为一种非限制性实施方式，如图2所示，喷头组件510包括：喷管体5101、主喷头5102以及四个分喷头5103，喷管体5101在设置于可移动机身上的电机(图未示)的控制下可围绕其自身的纵向轴线转动。从而，在35～45MPa的旋喷压力下，水泥浆自主喷头5102水平向前喷射，自分喷头5103向四周旋转喷射，从而完成水泥浆的水平旋转喷射，实现充分地带动钻孔周边的软岩一起旋转搅拌融成一体的效果。

作为另一种非限制性实施方式，如图3所示，喷头组件510包括：喷管体5101、设置于喷管体5101的前端中央的主喷头5102、以及间隔切向设置于喷管体5101的周壁上的三个分喷头5104。由此，在分喷头5104切向设置于喷管体5101的周壁上时，在50～60MPa的旋喷压力的作用下，水泥浆在高压作用下自分喷头5104喷射时，可依靠压力惯性带动了喷管体5101围绕其自身的纵向轴线转动，从而完成水泥浆的水平旋转喷射，实现充分地带动钻孔周边的软岩一起旋转搅拌融成一体的效果。

在该非限制性实施方式中，注浆设备600设置于可移动机身100上并位于第一旋喷支撑架310及第二旋喷支撑架320之间。

如图4所示，注浆设备600包括：第一储料罐610、第二储料罐620、第三储料罐630及混料罐640。其中，混料罐640包括罐体6400、设于罐体内的搅拌器(图中未示出)、设于罐体6400上的第一入料口6401、第二入料口6402、第三入料口6403、以及出浆口6404，出浆口6404通过输料管线520与喷头组件510相连通，第一储料罐610通过第一管线L1与第一入料口6401相连通，第二储料罐620通过第二管线L2与第二入料口相连通，第三储料罐630通过第三管线L3与第三入料口6403相连通。

在该非限制性实施方式中，如图4所示，第一管线L1、第二管线L2、第三管线L3及输料管线520上分别设有电动泵C及流量计F，从而便于控制向混料罐640输入物料的时间和质量，另外，输料管线520上还设有加压泵P，从而将加压的水泥浆输送至喷头组件510。

为了再次加固软岩，根据本实用新型的另一种优选实施方案，还包括安装于可移动机身的前端的推顶装置(图中未示出)，推顶装置可相对于可移动机身前后、上下、左右运动，从而将预先制备的长度与钻孔深度相同的加强构件沿钻孔插入加固桩体直至钻孔的末端。

此外，系统中还可设有与输料管线相连通的储水槽(图中未示出)，从而可以将水输送至旋喷设备，利用喷头组件在钻孔内采用高压水洗孔，来清洗钻孔内的淤泥。

尽管在此已详细描述本实用新型的优选实施方式，但要理解的是本实用新型并不局限于这里详细描述和示出的具体结构和步骤，在不偏离本实用新型的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。此外，系统各处的尺寸和压力等参数可以根据具体使用条件在本实用新型所公开的范围内适当选取。

Claims (8)

1.一种长悬臂水平旋喷装置，其特征在于，包括：可移动机身、钻孔设备、旋喷设备、注浆设备、安装于所述可移动机身一侧的钻孔支撑架组、以及安装于所述可移动机身另一侧的旋喷支撑架组，

其中，所述钻孔支撑架组包括设置于所述可移动机身前端的第一钻孔支撑架及设置于所述可移动机身后端的第二钻孔支撑架；

所述旋喷支撑架组包括设置于所述可移动机身前端的第一旋喷支撑架及设置于所述可移动机身后端的第二旋喷支撑架；

所述钻孔设备承托于所述第一钻孔支撑架的顶部和所述第二钻孔支撑架的顶部，所述钻孔设备包括设置于所述钻孔设备前端的钻头以及连接于所述钻头后端的钻杆；

所述旋喷设备承托于所述第一旋喷支撑架的顶部和所述第二旋喷支撑架的顶部，所述旋喷设备包括设置于所述旋喷设备前端的喷头组件以及连接于所述喷头组件后端的输料管线，所述喷头组件通过所述输料管线与所述注浆设备相连通。

2.如权利要求1所述的长悬臂水平旋喷装置，其特征在于，所述喷头组件包括：喷管体、设置于所述喷管体的前端中央的主喷头、以及间隔分布于所述喷管体的周壁上并与所述喷管体的径向相平行的至少四个分喷头。

3.如权利要求1所述的长悬臂水平旋喷装置，其特征在于，所述喷头组件包括：喷管体、设置于所述喷管体的前端中央的主喷头、以及间隔切向设置于所述喷管体的周壁上的至少三个分喷头。

4.如权利要求2或3所述的长悬臂水平旋喷装置，其特征在于，所述注浆设备设置于所述可移动机身上并位于所述第一旋喷支撑架和所述第二旋喷支撑架之间。

5.如权利要求4所述的长悬臂水平旋喷装置，其特征在于，所述注浆设备包括：第一储料罐、第二储料罐、第三储料罐及混料罐，

其中，所述混料罐包括罐体、设于罐体内的搅拌器、设于所述罐体上的第一入料口、第二入料口、第三入料口、以及出浆口，所述出浆口通过所述输料管线与所述喷头组件相连通，所述第一储料罐通过第一管线与所述第一入料口相连通，所述第二储料罐通过第二管线与所述第二入料口相连通，所述第三储料罐通过第三管线与所述第三入料口相连通。

6.如权利要求5所述的长悬臂水平旋喷装置，其特征在于，所述第一管线、所述第二管线、所述第三管线及所述输料管线上分别设有电动泵及流量计。

7.如权利要求6所述的长悬臂水平旋喷装置，其特征在于，所述输料管线上还设有加压泵。

8.如权利要求6所述的长悬臂水平旋喷装置，其特征在于，还包括可相对于所述可移动机身前后、上下、左右运动的推顶装置，所述推顶装置安装于所述可移动机身的前端。

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