一种可变角度的隧道掌子面钻凿机构及其施工方法与流程

本发明涉及地下工程，特别涉及一种可变角度的隧道掌子面钻凿机构及其施工方法。

背景技术：

1、矿山法隧道爆破施工中，凿岩钻机与钻杆呈直线相连接，由于初期支护距掌子面较近，会使得周边眼钻孔的外插角过大，是引起隧道超挖的重要原因。一般采用“长短眼”的布孔方式来控制隧道爆破效果，但此举不仅增加钻孔工作量，造成长短眼的爆破错台，效果也较为有限。隧道的光面爆破效果直接关系工程项目的安全、成本、进度，因此，亟需解决初期支护限制条件下掌子面周边眼外插角过大所导致的隧道超挖，引起建设成本上升、威胁施工安全的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对目前由于初期支护距掌子面较近，导致周边眼钻孔的外插角过大的问题，提供一种可变角度的隧道掌子面钻凿机构及其施工方法。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种可变角度的隧道掌子面钻凿机构，包括推进梁、滑动底座和凿岩钻机，所述滑动底座能够相对所述推进梁的长度方向移动，所述凿岩钻机设置在所述滑动底座上；

4、还包括依次相连的连接钻杆、万向节联轴结构和延长钻杆，所述万向节联轴结构设置所述滑动底座上，所述凿岩钻机能够驱动所述连接钻杆回转，所述连接钻杆通过所述万向节联轴结构驱动所述延长钻杆回转；

5、所述万向节联轴结构能够调整所述延长钻杆相对所述连接钻杆的径向间隔。

6、本技术所述的一种可变角度的隧道掌子面钻凿机构，包括推进梁、滑动底座和凿岩钻机，还包括依次相连的连接钻杆、万向节联轴结构和延长钻杆，万向节联轴结构设置滑动底座上，凿岩钻机能够驱动连接钻杆回转，连接钻杆通过万向节联轴结构驱动延长钻杆回转，从而使凿岩钻机能够驱动延长钻杆回转，以便在掌子面上进行周边眼钻孔，同时，凿岩钻机和万向节联轴结构安装在滑动底座，滑动底座能够相对推进梁的长度方向移动，滑动底座在钻凿时沿推进梁长度方向靠近掌子面，来提供钻进的顶推力，进一步地，万向节联轴结构能够调整延长钻杆相对连接钻杆的径向间隔，在施工时根据初期支护的厚度来调整延长钻杆相对连接钻杆的径向间隔，从而使延长钻杆紧贴隧道围岩侧壁进行钻凿施工，实现在初期支护限制条件下延长钻杆紧贴围岩侧壁进行钻凿施工的功能，降低延长钻杆在掌子面周边眼的钻孔倾斜角度，进而减小超挖高度，从而有效解决初期支护限制条件下外插角过大的问题；而钻凿辅助眼和掏槽眼时，则调小连接钻杆和延长钻杆的径向间隔，使连接钻杆和延长钻杆位于同一直线上，以提高钻进效率，达到提高开挖质量，降低混凝土超耗和对围岩影响的效果，进而有效节约项目成本和提升施工安全。

7、优选地，所述万向节联轴结构包括依次设置第一传动杆和第二传动杆，所述第一传动杆和所述第二传动杆通过第二万向节相连接，所述第一传动杆远离所述第二传动杆的一端设置有第一万向节，所述第二传动杆远离所述第一传动杆的一端设置有第三万向节；

8、所述第一万向节用于与所述连接钻杆相连接，所述第三万向节用于与所述延长钻杆相连接，所述连接钻杆通过所述第一传动杆和所述第二传动杆驱动所述延长钻杆回转。

9、通过万向节和传动杆的组合，来将扭矩从连接钻杆传递到延长钻杆，以实现扭矩的非线性传递。

10、优选地，还包括伸缩杆，所述伸缩杆能够顶升所述第二传动杆，所述万向节联轴结构被配置为：在所述伸缩杆顶升所述第二传动杆时，所述第二传动杆呈水平状，所述第一万向节呈倾斜状，以使所述万向节联轴结形成折线型。

11、通过伸缩杆来顶升第二传动杆，使第二传动杆呈水平状，第一传动杆呈倾斜状，并使万向节联轴结构成折线型，从而使连接在万向节联轴结构两侧的连接钻杆和延长钻杆之间存在径向间隔，进一步地，通过调整伸缩杆的顶升高度，实现延长钻杆相对连接钻杆的径向间隔调整，进而调整延长钻杆在掌子面上的钻孔角度。

12、优选地，所述第二传动杆外侧套设有第一轴套，所述伸缩杆的顶部与所述第一轴套相铰接；

13、所述滑动底座上设置有滑动槽，所述伸缩杆底部设置有滑动台座，所述滑动台座位于所述滑动槽内，且所述滑动台座能够在所述滑动槽移动。

14、通过在第二传动杆外侧套设有第一轴套，并将伸缩杆的顶部与第一轴套相铰接，伸缩杆通过带动第一轴套升降来使第二传动杆跟随升降，实现顶升第二传动杆的效果；

15、通过在滑动底座上设置有滑动槽，并将伸缩杆底部的滑动台座放置在滑动槽内，使滑动台座能够在滑动槽移动，从而在伸缩杆顶起第二传动杆时，由于万向节联轴结形成折线型过程中会导致第二传动杆向靠近第一传动杆方向移动，通过滑动台座能够在滑动槽移动，以使伸缩杆能够跟随第二传动杆共同运动，以适应万向节联轴结形成折线型过程中第二传动杆发生的位移。

16、优选地，还包括绞盘和钢绞线，所述绞盘设置在所述滑动底座上，且所述绞盘位于所述伸缩杆的前方；

17、所述钢绞线一端连接在所述绞盘顶部，所述钢绞线另一端依次绕过所述伸缩杆顶部、所述滑动台座顶部，并缠绕在所述绞盘上。

18、在万向节联轴结形成折线型后，当需要减小连接钻杆和延长钻杆之间的径向间隔时，通过转动绞盘来收回钢绞线，钢绞线收回时带动伸缩杆顶部下压、带动滑动台座向绞盘靠近，从而使伸缩杆收缩，即使第二传动杆下降，以减小连接钻杆和延长钻杆之间的径向间隔。

19、优选地，包括固定升降装置，所述固定升降装置位于所述推进梁远离所述滑动底座的一端；

20、所述固定升降装置包括升降杆、固定升降台座和第一套管，所述第一套管套在所述延长钻杆远离所述万向节联轴结构的一端，所述升降杆顶部与所述第一套管相连接，所述升降杆安装在所述固定升降台座上，且所述升降杆能够相对所述固定升降台座上升或下降。

21、在万向节联轴结形成折线型时，升降杆相对固定升降台座进行上升，以适应连接钻杆和延长钻杆之间的径向间隔增大时，延长钻杆的整体上升，同时，第一套管套在延长钻杆上，升降杆顶部与第一套管相连接，从而便于升降杆去支撑延长钻杆。

22、优选地，还包括固定台座，所述固定台座上设置有第二套管，所述连接钻杆穿过所述第二套管并与所述第一万向节相连接。

23、优选地，所述滑动底座安装有钻机台座，所述凿岩钻机安装在所述钻机台座上。

24、优选地，所述推进梁两侧面设置有侧面导轨，所述滑动底座的侧面与所述侧面导轨滑动配合。

25、本技术还公开了一种可变角度的隧道掌子面钻凿机构的施工方法，使用本技术所述的一种可变角度的隧道掌子面钻凿机构，还包括如下步骤：

26、步骤一：驾驶凿岩台车到达隧道的掌子面施工处，并在距离掌子面合适位置停靠；

27、步骤二：通过机械臂驱动所述推进梁靠近掌子面，通过调整所述万向节联轴结构，使所述延长钻杆和所述连接钻杆位于同一直线上，启动所述凿岩钻机，首先对辅助眼和掏槽眼进行钻凿施工；

28、步骤三：完成辅助眼和掏槽眼施工后，适当降下所述机械臂，操作伸缩杆抬升所述延长钻杆，同时将滑动台座后移，使所述连接钻杆和所述延长钻杆具有径向间隔，并保持延长钻杆水平且垂直于掌子面；

29、步骤四：根据初期支护与掌子面的距离，抬升所述机械臂，继续调整所述伸缩杆和所述滑动台座，直至所述延长钻杆伸入初期支护与掌子面的间隙，紧贴隧道围岩侧壁，启动所述凿岩钻机对周边眼进行钻凿。

30、本技术所述的一种可变角度的隧道掌子面钻凿机构的施工方法，在实际施工中钻凿周边眼时，通过调整延长钻杆和连接钻杆之间的径向间距，从而使延长钻杆能够紧贴围岩侧壁进行钻凿施工，从而有效解决初期支护限制条件下外插角过大的问题；而钻凿辅助眼和掏槽眼时，则调小连接钻杆和延长钻杆的径向间隔，使连接钻杆和延长钻杆位于同一直线上，以提高钻进效率，最终通过本发明的使用，达到提高开挖质量，降低混凝土超耗和对围岩影响的效果，进而有效节约项目成本和提升施工安全。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果：

32、1.本技术所述的一种可变角度的隧道掌子面钻凿机构，，包括推进梁、滑动底座和凿岩钻机，还包括依次相连的连接钻杆、万向节联轴结构和延长钻杆，万向节联轴结构设置滑动底座上，凿岩钻机能够驱动连接钻杆回转，连接钻杆通过万向节联轴结构驱动延长钻杆回转，从而使凿岩钻机能够驱动延长钻杆回转，以便在掌子面上进行周边眼钻孔，同时，凿岩钻机和万向节联轴结构安装在滑动底座，滑动底座能够相对推进梁的长度方向移动，滑动底座在钻凿时沿推进梁长度方向靠近掌子面，来提供钻进的顶推力，进一步地，万向节联轴结构能够调整延长钻杆相对连接钻杆的径向间隔，在施工时根据初期支护的厚度来调整延长钻杆相对连接钻杆的径向间隔，从而使延长钻杆紧贴隧道围岩侧壁进行钻凿施工，实现在初期支护限制条件下延长钻杆紧贴围岩侧壁进行钻凿施工的功能，降低延长钻杆在掌子面周边眼的钻孔倾斜角度，进而减小超挖高度，从而有效解决初期支护限制条件下外插角过大的问题；而钻凿辅助眼和掏槽眼时，则调小连接钻杆和延长钻杆的径向间隔，使连接钻杆和延长钻杆位于同一直线上，以提高钻进效率，达到提高开挖质量，降低混凝土超耗和对围岩影响的效果，进而有效节约项目成本和提升施工安全。

33、2.本技术所述的一种可变角度的隧道掌子面钻凿机构的施工方法，在实际施工中钻凿周边眼时，通过调整延长钻杆和连接钻杆之间的径向间距，从而使延长钻杆能够紧贴围岩侧壁进行钻凿施工，从而有效解决初期支护限制条件下外插角过大的问题；而钻凿辅助眼和掏槽眼时，则调小连接钻杆和延长钻杆的径向间隔，使连接钻杆和延长钻杆位于同一直线上，以提高钻进效率，最终通过本发明的使用，达到提高开挖质量，降低混凝土超耗和对围岩影响的效果，进而有效节约项目成本和提升施工安全。