隧道超前探孔取芯设备及其施工方法与流程

766 编辑：中冶有色技术网来源：中冶交通建设集团有限公司

2023-10-18 11:22:17

1.本发明涉及隧道挖掘技术领域，更为具体地，涉及一种隧道超前探孔取芯设备及其施工方法。

背景技术：

2.目前随着我国公路基础设施建设的快速发展，所面临的施工环境日趋复杂，特别是在我国西南地区，其地形地貌复杂，山高谷深、沟壑纵横。在施工过程中各种隧道长度越来越长，埋深越来越大，在这些复杂隧道的施工过程中，常遇到富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段，给施工过程带来潜在的安全风险。因此在制定施工工艺前确定前方地质条件，对可能在作业过程中出现的问题作出预判并制定相应的施工方案，提高作业安全及效率是隧道施工过程中亟需解决的关键技术问题。

3.目前常用的判断隧道掌子面前方不良地质情况的主要方法为人工经验判断法，具体表现为：

①

在采用冲击钻时，孔中不断有岩粉被高压风吹出，通过鉴定岩粉的成分，可了解前方地层的岩性；

②

相同钻压下钻机在相同岩层中的钻进速度是均一的，结合隧隧道超前地质预报道开挖揭示的地层岩性，根据钻机在钻进过程中的速度变化、是否有卡钻等现象，可粗略判断前方岩体的强度、完整程度以及是否存在不良地质体等。

③

钻机在钻进过程中，通过冲洗液颜色的变化，可粗略判断岩体的完整程度及地下水发育情况。

4.然而，人工经验判断法仍然是凭借这有经验的工作人员进行主观判断的，无法客观准确的反映隧道掌子面的地质情况，很容易为隧道的开挖埋下了重大的安全隐患。

5.鉴于上述技术问题，亟需一种能够精准判断隧道掌子面的地质情况的方法。

技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种能够精准判断隧道掌子面的地质情况的隧道超前探孔取芯设备及其施工方法。

7.本发明提供的隧道超前探孔取芯设备包括钻进平台、动力站平台以及操作平台；其中，所述钻进平台包括可调支座和设置在所述可调支座上的取芯钻机，所述可调支座用于调节所述取芯钻机的钻进倾角；在所述动力站平台的内部设置有液压泵站和冷却泵站，所述液压泵站用于为所述钻进平台提供液压能，所述冷却泵站所述钻进平台提供冷却水；所述操作平台用于控制所述钻进平台和所述动力站平台的运行状态。

8.此外，优选的方案是，所述可调支座包括支撑板和设置在所述支撑板的上方的导轨，所述取芯钻机设置在所述导轨上；并且，

9.在所述支撑板的一端固定有支撑柱，在所述支撑柱的顶部设置有转轴，所述支撑柱通过所述转轴与所述导轨的底部的一端转动连接；在所述支撑板的上表面的中部与所述导轨的底部的远离所述转轴的一侧之间连接有变幅油缸，其中，所述变幅油缸的支撑端通过第一连接耳与所述支撑板的上表面的中部转动连接，所述变幅油缸的输出端通过第二连

接耳与所述导轨的底部转动连接。

10.此外，优选的方案是，在所述导轨上滑动连接有托板，所述取芯钻机固定在所述托板上；并且，

11.在所述导轨的内部设置有加压油缸，所述加压油缸的输出端与所述托板相连。

12.此外，优选的方案是，在所述支撑板远离所述支撑柱的一端与所述导轨远离所述转轴的一端之间设置有支撑机构，所述支撑机构包括支撑杆、固定在所述支撑板的上表面的第三连接耳以及设置在所述导轨的底端的锁环；其中，

13.所述支撑杆的一端与所述第三连接耳铰接，所述支撑杆的另一端通过所述锁环与所述导轨锁紧固定。

14.此外，优选的方案是，所述取芯钻机包括固定在所述托板上的动力头，在所述动力头上设置有钻杆，在所述钻杆的前端连接有取芯钻头。

15.此外，优选的方案是，在所述动力头的内部设置有卡盘、液压马达和水辫；其中，

16.所述卡盘用于卡紧固定所述钻杆，所述液压马达用于带动所述钻杆转动，所述水辫用于向所述钻杆通冷却水。

17.此外，优选的方案是，在所述导轨远离所述取芯钻机的一端设置有夹持器，所述夹持器用于配合所述述动力头装卸所述钻杆。

18.此外，优选的方案是，在所述操作平台上设置操作手柄、多路换向阀组以及压力表；其中，

19.所述操作手柄用于控制所述取芯钻机进行动作，所述多路换向阀组用于控制所述变幅油缸、所述加压油缸的进退，所述压力表用于显示所述液压泵站的油泵压力。

20.另一方面，本发明还提供一种隧道超前探孔取芯钻进施工方法，利用前述的隧道超前探孔取芯设备进行取芯钻进，所述取芯钻进施工方法包括：

21.通过装载设备将所述钻进平台、所述动力站平台以及所述操作平台运输至待施工的隧道掌子面处；

22.根据隧道掌子面的施工要求调整所述钻进平台、所述动力站平台以及所述操作平台的放置位置；

23.通过所述可调支座调整钻进平台的钻进角度；

24.通过所述取芯钻机对所述隧道掌子面进行钻进取芯；

25.待取芯完毕后，通过取出的岩心判断所述隧道掌子面的地质情况。

26.此外，优选的方案是，在通过所述取芯钻机对所述隧道掌子面进行钻进取芯的过程中，根据钻进深度和油泵压力通过所述操作平台的所述操作手柄和所述多路换向阀组及时调整钻进参数。

27.和现有技术相比，上述根据本发明的隧道超前探孔取芯设备及其施工方法，有如下有益效果：

28.本发明提供的隧道超前探孔取芯设备结合了传统地质勘探钻机结构，并充分考虑隧道内作业施工条件，完成了适用于隧道内超前地质勘探钻设备的研制，其采用液压驱动、模块化设计，动力更强，结构更加紧凑，拆卸及搬运更加方便；此外，通过设置可调支座，能够满足上仰孔、水平孔和下斜孔等不同钻进工况的施工需求；另外，通过设置操作平台能够精准控制钻机的运行状态，提升取芯钻进的工作效率；此外，本发明结合隧道作业施工的具

体工况，研制出适用于隧道作业过程中用于打超前水平孔所需的超前地质钻探装备并提出了隧道水平孔钻进取心工艺，可以客观及时反馈隧道前方地质情况，对于隧道掘进安全施工具有重要的意义。

29.为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

30.通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

31.图1为根据本发明实施例的钻进平台的主视图；

32.图2为根据本发明实施例的动力站平台的主视图；

33.图3为根据本发明实施例的操作平台的主视图。

34.附图标记：支撑板11、导轨12、变幅油缸13、动力头14、支撑柱15、托板16、钻杆17、夹持器18、支撑杆19、锁环20、第一连接耳21、第二连接耳22、转轴24、第三连接耳25、操作手柄26、压力表27。

35.在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

36.在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

37.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

38.还需要说明的是，本发明提供的隧道超前探孔取芯设备及其施工方法是在现有的超前地质钻探法的基础上设计出来的，因此，在详细介绍本发明提供的隧道超前探孔取芯设备及其施工方法之前，需要对现有的超前地质钻探法进行详细说明，超前地质钻探法适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报，通过在隧道超前探孔取芯，可以比较直观地探明钻探所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、岩溶及地下水发育情况等，探明开挖工作面前方有无不良地质和特殊岩土及其发育情况，有无断层破碎带及其发育规模，地下水发育情况，有无发生突泥、突水的可能。

39.图1示出了根据本发明实施例的钻进平台的主视结构，图2示出了根据本发明实施例的动力站平台的主视结构，图3示出了根据本发明实施例的操作平台的主视结构。

40.结合图1至图3共同所示，本发明提供的隧道超前探孔取芯设备包括用于进行取芯钻进的钻进平台、为钻进平台提供动力的动力站平台以及操作平台；其中，钻进平台包括可调支座和设置在可调支座上的取芯钻机，可调支座用于调节取芯钻机的钻进倾角；在动力站平台的内部设置有液压泵站和冷却泵站，液压泵站用于为钻进平台提供液压能，冷却泵站钻进平台提供冷却水；操作平台用于控制钻进平台和动力站平台的运行状态。

41.在实际钻进过程中，受隧道布局和矿脉走向的影响，隧道钻探施工的角度多样，钻探设备需要满足上仰孔、水平孔和下斜孔等不同钻进工况的施工需求。通过设置可调支座，可以根据需求调节取芯钻机的钻进倾角，从而满足相应的需求。

42.具体地，可调支座包括支撑板11和设置在支撑板11的上方的导轨12，取芯钻机设置在导轨12上；并且，在支撑板11的一端固定有支撑柱15，在支撑柱15的顶部设置有转轴24，支撑柱15通过转轴24与导轨12的底部的一端转动连接；在支撑板11的上表面的中部与导轨12的底部的远离转轴24的一侧之间连接有变幅油缸13，其中，变幅油缸13的支撑端通过第一连接耳21与支撑板11的上表面的中部转动连接，变幅油缸13的输出端通过第二连接耳22与导轨12的底部转动连接。

43.在实际使用过程中，通过变幅油缸13即可改变导轨12的倾角，进而控制的钻进取芯钻机的钻进倾角，从而满足相应的施工需求。

44.此外，在导轨12上滑动连接托板16，取芯钻机固定在托板16上；并且，在导轨12的内部设置有加压油缸，加压油缸的输出端与托板16相连。在实际使用过程中，加压油缸可以带动取芯钻机进行小范围的前后运动，同时，配合取芯钻机的钻杆17的转动，实现对岩层的钻进取芯。

45.另外，为确保整个装置的支撑稳定性，在支撑板11远离支撑柱15的一端与导轨12远离转轴24的一端之间设置有支撑机构，支撑机构包括支撑杆19、固定在支撑板11的上表面的第三连接耳25以及设置在导轨12的底端的锁环20；其中，支撑杆19的一端与第三连接耳25铰接，支撑杆19的另一端通过锁环20与导轨12锁紧固定。

46.在实际操作过程中，当需要调节导轨12的倾角时，先把锁环20松开，然后当变幅油缸13动作完毕后，再通过锁环20将导轨12与支撑杆19锁紧，确保钻进平台的前端的稳定性。

47.具体地，取芯钻机包括固定在托板16上的动力头14，在动力头14上设置有钻杆17，在钻杆17的前端连接有取芯钻头及厚壁无缝管组成的取芯管。在实际钻进过程中，取芯钻头配合取芯管在动力头14及加压油缸的作用下通过钻杆17回转及钻杆17的前后运动实现岩层取芯。

48.更为具体地，在动力头14的内部设置有卡盘、液压马达、减速箱和水辫；其中，卡盘用于卡紧固定钻杆17，液压马达用于带动钻杆17转动，水辫用于向钻杆17通冷却水。

49.进一步，液压马达的功能是把液压能转变为机械能，从而带动钻具(主要是钻杆17)旋转切削煤、岩。动力头14设有两档输出转速，便于在不同硬度的岩层中钻进。水辫的作用是向钻杆17传递动力和通水(或压风)以便排渣和冷却、润滑钻头，水辫分为前置水辨和活络水辫两种。卡盘为液压常闭式，采用碟形弹簧夹紧钻杆17、液压松开钻杆17。动力头14输出扭矩750/280nm，转速105/300rpm，进给力与起拔力分别为40kn和30kn，进给行程为

650mm。

50.此外，在导轨12远离取芯钻机的一端设置有(液压)夹持器18，夹持器18用于配合述动力头14装卸钻杆17。

51.具体地，在操作平台上设置操作手柄26、节流阀(微调)、多路换向阀组以及压力表；其中，操作手柄26用于控制取芯钻机进行各种动作(如钻进、退出等)，对钻机实行集中控制；多路换向阀组用于控制液压马达的旋转、推进油缸的快速进退和正常进；液压夹持器18、卡盘的松开和导轨12框架的角度，压力表用于显示液压泵站的油泵压力。节流阀(微调)可调节推进速度。

52.此外，为通过隧道超前探孔取芯钻进设备实现对隧道掌子面的钻进取芯，本发明还提供了隧道超前探孔取芯钻进施工方法，该方法利用前述的隧道超前探孔取芯设备进行取芯钻进，所述取芯钻进施工方法包括：

53.通过装载设备将所述钻进平台、所述动力站平台以及所述操作平台运输至待施工的隧道掌子面处；

54.根据隧道掌子面的施工要求调整所述钻进平台、所述动力站平台以及所述操作平台的放置位置；

55.通过所述可调支座调整钻进平台的钻进角度；

56.通过所述取芯钻机对所述隧道掌子面进行钻进取芯；

57.待取芯完毕后，通过取出的岩心判断所述隧道掌子面的地质情况。

58.具体地，在通过所述取芯钻机对所述隧道掌子面进行钻进取芯的过程中，根据钻进深度和油泵压力通过所述操作平台的所述操作手柄和所述多路换向阀组及时调整钻进参数。

59.由上述具体实施方式可知，本发明提供的隧道超前探孔取芯设备及其施工方法至少具备以下优点：

60.1、通过研制钻探取芯设备，替代了通过人工手持风钻钻孔，靠经验判断前方地质情况的方法，具有施工迅速、劳动强度低、无粉尘环境友好等优点。

61.2、通过设置可调支座，能够满足上仰孔、水平孔和下斜孔等不同钻进工况的施工需求；

62.3、通过设置操作平台能够精准控制钻机的运行状态，提升取芯钻进的工作效率。

63.如上参照图1至图3以示例的方式描述根据本发明的隧道超前探孔取芯设备及其施工方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的隧道超前探孔取芯设备及其施工方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。技术特征：

1.一种隧道超前探孔取芯设备，其特征在于，包括钻进平台、动力站平台以及操作平台；其中，所述钻进平台包括可调支座和设置在所述可调支座上的取芯钻机，所述可调支座用于调节所述取芯钻机的钻进倾角；在所述动力站平台的内部设置有液压泵站和冷却泵站，所述液压泵站用于为所述钻进平台提供液压能，所述冷却泵站所述钻进平台提供冷却水；所述操作平台用于控制所述钻进平台和所述动力站平台的运行状态。2.如权利要求1所述的隧道超前探孔取芯设备，其特征在于，所述可调支座包括支撑板和设置在所述支撑板的上方的导轨，所述取芯钻机设置在所述导轨上；并且，在所述支撑板的一端固定有支撑柱，在所述支撑柱的顶部设置有转轴，所述支撑柱通过所述转轴与所述导轨的底部的一端转动连接；在所述支撑板的上表面的中部与所述导轨的底部的远离所述转轴的一侧之间连接有变幅油缸，其中，所述变幅油缸的支撑端通过第一连接耳与所述支撑板的上表面的中部转动连接，所述变幅油缸的输出端通过第二连接耳与所述导轨的底部转动连接。3.如权利要求2所述的隧道超前探孔取芯设备，其特征在于，在所述导轨上滑动连接有托板，所述取芯钻机固定在所述托板上；并且，在所述导轨的内部设置有加压油缸，所述加压油缸的输出端与所述托板相连。4.如权利要求3所述的隧道超前探孔取芯设备，其特征在于，在所述支撑板远离所述支撑柱的一端与所述导轨远离所述转轴的一端之间设置有支撑机构，所述支撑机构包括支撑杆、固定在所述支撑板的上表面的第三连接耳以及设置在所述导轨的底端的锁环；其中，所述支撑杆的一端与所述第三连接耳铰接，所述支撑杆的另一端通过所述锁环与所述导轨锁紧固定。5.如权利要求4所述的隧道超前探孔取芯设备，其特征在于，所述取芯钻机包括固定在所述托板上的动力头，在所述动力头上设置有钻杆，在所述钻杆的前端连接有取芯钻头。6.如权利要求5所述的隧道超前探孔取芯设备，其特征在于，在所述动力头的内部设置有卡盘、液压马达和水辫；其中，所述卡盘用于卡紧固定所述钻杆，所述液压马达用于带动所述钻杆转动，所述水辫用于向所述钻杆通冷却水。7.如权利要求5所述的隧道超前探孔取芯设备，其特征在于，在所述导轨远离所述取芯钻机的一端设置有夹持器，所述夹持器用于配合所述述动力头装卸所述钻杆。8.如权利要求3至7中任意一项所述的隧道超前探孔取芯设备，其特征在于，在所述操作平台上设置操作手柄、多路换向阀组以及压力表；其中，所述操作手柄用于控制所述取芯钻机进行动作，所述多路换向阀组用于控制所述变幅油缸、所述加压油缸的进退，所述压力表用于显示所述液压泵站的油泵压力。9.一种隧道超前探孔取芯钻进施工方法，其特征在于，利用如权利要求1至8中任意一

项所述的隧道超前探孔取芯设备进行取芯钻进，所述取芯钻进施工方法包括：通过装载设备将所述钻进平台、所述动力站平台以及所述操作平台运输至待施工的隧道掌子面处；根据隧道掌子面的施工要求调整所述钻进平台、所述动力站平台以及所述操作平台的放置位置；通过所述可调支座调整钻进平台的钻进角度；通过所述取芯钻机对所述隧道掌子面进行钻进取芯；待取芯完毕后，通过取出的岩心判断所述隧道掌子面的地质情况。10.如权利要求9所述的隧道超前探孔取芯钻进施工方法，其特征在于，在通过所述取芯钻机对所述隧道掌子面进行钻进取芯的过程中，根据钻进深度和油泵压力通过所述操作平台的所述操作手柄和所述多路换向阀组及时调整钻进参数。

技术总结

本发明提供了一种隧道超前探孔取芯设备及其施工方法，其中的设备包括钻进平台、动力站平台以及操作平台；其中，所述钻进平台包括可调支座和设置在所述可调支座上的取芯钻机，所述可调支座用于调节所述取芯钻机的钻进倾角；在所述动力站平台的内部设置有液压泵站和冷却泵站，所述液压泵站用于为所述钻进平台提供液压能，所述冷却泵站所述钻进平台提供冷却水；所述操作平台用于控制所述钻进平台和所述动力站平台的运行状态。利用上述隧道超前探孔取芯设备及其施工方法能够精准判断隧道掌子面的地质情况。面的地质情况。面的地质情况。

技术研发人员：白士新

受保护的技术使用者：中冶交通建设集团有限公司

技术研发日：2021.06.10

技术公布日：2021/9/6

声明：

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我是此专利(论文)的发明人(作者)