一种穿越破碎带地层TBM管棚支护子母钢管装置及方法与流程

本发明属于tbm隧道施工，具体涉及一种穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置及方法。

背景技术：

1、tbm(tunnel boring machine，全断面隧道掘进机)是一种靠旋转并推进刀盘，通过盘形滚刀破碎岩石而使隧道全断面一次成型的设备。

2、采用tbm施工的隧道一般长度较长、埋深较大，常会遇到富水和破碎等复杂地质条件。断层破碎带会给tbm施工造成不利影响，包括：

3、开挖后工作面计拱顶坍塌、剥落，将tbm刀盘埋入，刀盘旋转困难；

4、开挖面及边墙坍塌，撑靴支撑力不够，不能提供tbm掘进所需要的足够的支反力；

5、给喷锚支护带来困难；

6、围岩软硬不均，刀盘旋转式易产生震动，影响刀具的使用寿命，增加刀具消耗；

7、当围岩软硬不均时，可能会引起tbm机体的摆动增加，给掘进方向的控制带来困难；

8、如果存在涌水，还会由于水压作用，工作面发生坍塌，涌水淹埋tbm刀盘及机体，增大刀盘的旋转扭矩；水的作用造成侧壁坍塌，支撑靴无法支撑，涌水淹没机体等情况。

9、因此，在tbm穿越破碎带地层时，需要针对性地进行处理，严重破碎地段还需要钻孔注浆进行超前预加固，检查合格后再继续掘进。

10、现有技术通常采用tbm配备的钻孔注浆设备进行钻孔及注浆，采用厚壁无缝钢管，管体侧壁上排布注浆孔，钻头安装在管体前端，当破碎带厚度较大时，需要钻进较大深度，容易出现钻头磨损以及无缝钢管折损的现象；此外，破碎带存在不同硬度的岩石或间隔分布土层时，还容易导致卡钻以及无缝钢管折损的现象；亟需对钻进装置进行改进。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服以上困难，提供一种穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置及方法，以解决钻进钢管强度不足，发生卡钻及钢管折损的问题，满足破碎带钻进深度，保证超前预加固满足tbm掘进的安全要求，确保隧道施工安全，并提高工程质量和作业效率。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置，包括母管和子管，所述子管套设在所述母管内，所述子管前端设有第一连接部，使用时，所述第一连接部和钻头固定连接，所述母管前端设有锥部，所述母管和所述子管末端均设有连接钻机的第二连接部，所述子管的管壁设有第一注浆孔。

4、进一步的，所述第一注浆孔沿所述子管均匀排布，所述第一注浆孔在所述子管管壁的展开面呈梅花状设置。

5、进一步的，所述子管前端超出所述母管前端预设距离进行钻孔作业。

6、进一步的，所述锥部由合金材料制成，锥部的前端为刀头，锥部的后端与母管的管体固定连接，所述锥部与钻头形状匹配。

7、进一步的，所述子管沿所述母管轴向自由滑动，所述母管管壁设有第二注浆孔，所述第二注浆孔沿所述母管均匀排布，所述第二注浆孔在所述母管管壁的展开面呈梅花状设置。

8、进一步的，所述子管和所述母管之间设有隔板，所述隔板由弹性材料制成，所述子管、所述隔板、所述母管依次紧密配合。

9、进一步的，所述锥部由所述母管前端收缩形成，所述锥部与所述子管预设位置固定连接；所述子管末端设有挡块，所述挡块沿子管径向设置，挡块外径大于母管外径。

10、一种穿越破碎带地层tbm管棚支护方法，包括如下步骤：

11、s1：隧道掘进，使用tbm沿隧道轴线方向掘进；

12、s2：破碎带加固，架设钢拱架、喷射混凝土形成管棚，采用穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置进行钻孔、注浆；

13、s3：检测注浆固化强度及加固效果，确保tbm推力、刀盘扭矩、撑靴支撑力符合安全要求，调整tbm掘进速度、刀盘转速，重复s1和s2。

14、进一步的，所述s2中，采用穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置进行钻孔、注浆时，钻机驱动所述母管钻进，到达预设第一深度后，母管停止钻进，再由钻机驱动所述子管及钻头，钻进到第二深度；钻孔完成后进行注浆。

15、进一步的，所述s2中，采用穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置进行钻孔、注浆时，钻机驱动所述母管和所述子管共同钻进，钻进到第二深度；钻孔完成后进行注浆。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、1、该穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置，通过母管和子管形成的子母管结构，相较于单管，加强了整体的结构强度，钻头不易磨损，钢管不易弯折损坏，从而钻进深度更深，在足够深的钻孔内进行注浆，将破碎岩石固化成整体，满足了深厚破碎层的超前预加固要求，避免断层破碎带产生不良影响，消除了事故隐患；

18、2、子母钢管装置可以有不同使用方式，当母管先钻进，子管后钻进时，子管可沿母管轴向自由滑动，此时，由于母管钻进一段距离，子管钻进另一段距离，从而缩短了单个钢管、钻头或锥部刀头的使用频率和时间，从而减少磨损，无论是母管还是子管，钻进时承受的破碎带岩体或土体的作用力都较单管的情况下大幅降低，从而钢管不易弯折损坏；

19、同时还避免了钻孔行进过程中，由于岩体或土体的作用力，使钻头偏离，导致侵占掘进作业面的情况出现；

20、3、当母管和子管固定，共同钻进时，由于母管、隔板、子管紧密配合，故而子母管结构的靠近钻机的一端整体形成双层受力的组合结构，强度更大、受力性能更好，整体结构的钢管不易弯折损坏；

21、此外，母管前端与子管在预设位置固定，相当于减少了子管的长细比，子管不易失稳，强度更高。

22、4、锥部与钻头形状匹配，可以构成整体的钻进部，协同进行钻进，相较于单个钻头，可以减少磨损，避免出现卡钻等现象。

技术特征：

1.一种穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置，其特征在于：包括母管和子管，所述子管套设在所述母管内，所述子管前端设有第一连接部，使用时，所述第一连接部与钻头固定连接，所述母管前端设有锥部，所述母管和所述子管末端均设有连接钻机的第二连接部，所述子管的管壁设有第一注浆孔。

2.根据权利要求1所述的穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置，其特征在于：所述第一注浆孔沿所述子管均匀排布。

3.根据权利要求1所述的穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置，其特征在于：所述子管前端超出所述母管前端预设距离进行钻孔作业。

4.根据权利要求1所述的穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置，其特征在于：所述锥部由合金材料制成，锥部的前端为刀头，锥部的后端与母管的管体固定连接，所述锥部与钻头形状匹配。

5.根据权利要求4所述的穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置，其特征在于：所述子管沿所述母管轴向自由滑动，所述母管管壁设有第二注浆孔，所述第二注浆孔沿所述母管均匀排布，所述第二注浆孔在所述母管管壁的展开面呈梅花状设置。

6.根据权利要求1所述的穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置，其特征在于：所述子管和所述母管之间设有隔板，所述隔板由弹性材料制成，所述子管、所述隔板、所述母管依次紧密配合。

7.根据权利要求6所述的穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置，其特征在于：所述锥部由所述母管前端收缩形成，所述锥部与所述子管预设位置固定连接；所述子管末端设有挡块，所述挡块沿子管径向设置，挡块外径大于母管外径。

8.一种穿越破碎带地层tbm管棚支护方法，其特征在于，使用了如权利要求1-7任一项所述的穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的穿越破碎带地层tbm管棚支护方法，其特征在于：所述s2中，采用穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置进行钻孔、注浆时，钻机驱动所述母管钻进，到达预设第一深度后，母管停止钻进，再由钻机驱动所述子管及钻头，钻进到第二深度；钻孔完成后进行注浆。

10.根据权利要求8所述的穿越破碎带地层tbm管棚支护方法，其特征在于：所述s2中，采用穿越破碎带地层tbm管棚支护子母钢管装置进行钻孔、注浆时，钻机驱动所述母管和所述子管共同钻进，钻进到第二深度；钻孔完成后进行注浆。

技术总结本发明提供一种穿越破碎带地层TBM管棚支护子母钢管装置及方法，属于TBM隧道施工技术领域，该装置包括母管和子管，子管套设在母管内，子管前端设有固定钻头的第一连接部，母管前端设有锥部，母管和子管末端均设有连接钻机的第二连接部，子管的管壁设有注浆孔。该方法包括如下步骤：隧道掘进；破碎带加固，架设钢拱架、喷射混凝土形成管棚，钻孔、注浆；检测注浆固化强度及加固效果，确保TBM推力、刀盘扭矩、撑靴支撑力符合安全要求，调整TBM掘进速度、刀盘转速，重复隧道掘进和破碎带加固。该装置及方法，解决了钻进钢管强度不足，发生卡钻及钢管折损的问题，满足破碎带钻进深度，保证超前预加固满足TBM掘进的安全要求。技术研发人员：王韶,林东伟,陈家立,崔梓祺,张力文,张文洁,吴雄波,邓年生,孙龙,张晓明受保护的技术使用者：广东省水利水电第三工程局有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/16