一种用于TSP超前地质预报的钻机装置及其工作方法与流程

本发明涉及一种用于tsp超前地质预报的钻机装置及其工作方法。

背景技术：

随着我国岩土工程的蓬勃发展，隧道工程数量越来越多，隧道长度和埋深也越来越大，若不了解掌子面前方地质情况，隧道施工会具有盲目性，继而引发塌方、冒顶、突水、突泥等事故。及时针对掌子面前及其前方进行超前地质预报，以便提前采取有效措施，避免地质灾害的发生，已成为隧道信息化动态设计和确保隧道安全施工不可或缺的部分。隧道tsp探测方法是施工期超前地质预报的主要方法之一，已经成为长大隧道信息化施工中应用最广泛的预报方法之一，该方法能够对掌子面前方120～150m范围内的不良地质进行预测预报，可有效指导施工，保证施工安全，避免大型地质灾害危险，减少施工期人员伤亡和经济损失。

tsp方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点(通常在隧道的左或右边墙，大约24个炮点)用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震传感器接收。数据经过tspwin软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)和位置及规模。其中爆破钻孔的布置有如下要求：

1.爆破孔应布置在隧道主要结构面出现的边墙一侧，每一次预报的爆破孔数为24个，最少不少于20个，爆破孔直径40mm；

2.爆破孔间距1.5m；爆破孔高度(距隧道底面)1～1.5m，所有爆破孔与接收器的高度应尽量相同；

3.爆破孔孔深1.5m(孔深应尽量一致)向下倾斜10～20°，垂直于隧道轴向，钻孔完成后应注意保护，防止蹋孔和堵塞。

目前国内市场上供应的钻机设备简单，无法通过器械本身准确的控制钻孔的角度和深度，施工过程中钻孔角度和深度往往需依靠施工人员实际操作控制，这样既增加了工人的工作量，也使得钻孔角度和深度的随机性大幅提升，钻孔的质量无法保障，继而也会对tsp超前地质预报的可靠性和准确性产生一定的影响。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于tsp超前地质预报的钻机装置及其工作方法，本发明能够准确的控制钻孔的角度和深度以满足tsp方法中对爆破钻孔的要求，保证了爆破孔的角度和深度的精度要求，为tsp超前地质预报工作提供有效的技术保障。

同时，本发明考虑到tsp方法还要对完成的爆破钻孔注水，突破了以往是先钻孔、再拔出钻杆、最后在孔口用水管注水的工作模式，采用先钻孔、再由内而外向钻孔注水、最后拔出钻杆的工作模式，本装置将钻杆作为喷水装置，打钻完成后在不拔出钻杆的情况下可立即对钻孔注水，这样使得喷水覆盖范围在钻孔深度方向和环向方向大大增加，有利于水更均匀的散透到钻孔四周，加之钻杆的支撑作用可有效的防止钻孔坍塌和堵塞。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于tsp超前地质预报的钻机装置，包括定向机构、钻机机构和连接机构，其中：

所述定向机构包括可升降支撑座和角度定向器，所述可升降支撑座兼有行走和固定两种功能，所述角度定向器在其内部的水平台盘处于水平状态时，可通过角度定向器内的定向旋杆指定一个需要的角度；

所述钻机机构包括钻机和与之连接的钻杆，所述钻机设置可调滑轨上，灵活控制钻机的钻进方向和深度，且所述钻杆外边缘开有凹槽，凹槽内嵌有水管，在钻孔的同时兼作为注水器件；

所述连接机构将定向机构和钻机机构可拆卸的连接在一起，保证钻机的钻进方向与发射器的指示方向一致，实现准确的控制钻孔的角度和深度，并在移动本装置时保证定向机构和钻机机构可以一起移动。

进一步的，所述可升降支撑座包括底座和支腿，支腿设置在底座下端，支腿的高度可调，底座上端可与角度定向器的圆盘台座下端相连接。

进一步的，所述的角度定向器包括圆盘台座、水平台盘、水平转盘、竖向滑轨、竖向刻度盘、定向旋杆和红外线发射器。所述水平台盘中心部位与圆盘台座通过弧形铰光滑铰接，水平台盘边缘处用3个沿中心圆周均匀布置的螺纹旋钮支撑固定，通过螺纹旋钮调节水平台盘的高度，在水平台盘面上相邻的2个螺旋旋钮之间的对应位置上设置1个水准珠，通过观察水准珠可以直观的判定水平台盘的水平状况。所述水平台盘内部设有同轴心，且表面平行的水平转盘，水平台盘面上刻画双向对称的角度刻度，以用于观察水平转盘转过的角度。

更进一步的，所述水平转盘上设有用于锁定转盘的旋转环，水平转盘沿其中线对称布置两根竖向滑轨，竖向刻度盘在竖向滑轨上滑动和锁定，其顶端设有红外线发射器，其两侧的定向旋杆和指针由穿过刻度盘中心的转轴相连，一起绕转轴旋转和锁定。

进一步的，所述连接机构包括连接夹、竖直支杆和可调滑轨，竖直支杆由可移动底座、千斤顶和钢管组件①和千斤顶和钢管组件②组成，所述可移动底座绕竖直支杆360°旋转以应变不同方向行进的需要，通过调节千斤顶可改变竖直支杆的高度，可移动底座的行走轮能够自锁，连接夹用以连接定向机构和竖直支杆，所述竖直支杆上端与可调滑轨连接。

更进一步的，所述可调滑轨包括滑轨和支架，所述滑轨可固定在竖向支杆和支架上，钻机沿滑轨滑动，滑轨后端中心开有圆弧型凹槽用于与定向旋杆搭接；滑轨中间设有红外线发射器，用于指示钻杆行进路线和钻孔位置。

进一步的，所述钻机底部有两个接口，分别连接输气管和注水管，钻机机头部分内芯与钻杆相接，其外芯为能与圆筒管道相连的环状注水管；钻杆外侧具有多道沟槽，沟槽内埋有水管，且水管每隔一端距离开有出水孔。

进一步的，所述钻杆上刻有长度标线并设置有压力传感器，当压力传感器上的触点碰到隧道边墙时发出电信号，钻机接收到电信号立即自动关闭，控制钻杆的钻入深度。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)在设计的震源点所在隧道边墙上布置tsp爆破钻孔位置，并用油漆标记一条穿过钻孔位置的竖向标注线；

(2)组装定向机构，根据钻孔的高度调节定向机构，并保持定向机构的圆盘台座保持大致水平；

(3)按钻孔在水平面内倾角要求，转动水平转盘到相应刻度位置并固定，打开竖向刻度盘上的发射器，保持水平台盘上的90°-90°线与钻孔所在的隧道边墙轴线平行，推动定向机构行进直至红外线投射点落于第一个钻孔点的竖向标注线上，调节角度定向器内的螺纹旋钮将水平台盘调至水平位置，并确保上下滑动竖向刻度盘时红外线投射点沿着标注线移动；

(4)按钻孔在竖向平面内倾角要求，转动定向旋杆到相应刻度位置并固定；连接定向机构和钻机机构，调节可调滑轨的角度和位置使之后端与定向旋杆平行搭接，打开可调滑轨上的发射器，调节可调滑轨高度，直至投射点置于钻孔点标记位置；

(5)根据钻孔所需的深度将压力传感器固定在钻杆的相应位置，连接钻杆与钻机，连接输气管与钻机底部的输气接口，打开钻机开关，推动钻机沿滑轨向前进行打钻工作，直到满足设定深度，连接注水管与钻机底部的注水接口，利用钻杆向钻孔口注水；

(6)依照竖向刻度盘上的发射器的提示移动钻机装置，移动过程中保持水平台盘上的90°-90°刻度线与钻孔所在的隧道边墙轴线平行，每次打钻前要保证水平台盘处于良好的水平状态，如需要可重新调节，直至完成所有设计钻孔的打钻和注水工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明解决了以往tsp爆破钻孔施工工艺中角度和深度不能准确控制的弊端，通过本装置的角度定向器可以实现对爆破钻孔角度的控制，通过压力传感器和钻机可实现对爆破钻孔深度的控制；

(2)将改良的钻机和钻杆作为注水器件，可以实现钻孔过程与注水过程紧密连接，减少了施工人员的投入，本发明是从钻孔底向孔口逐步注水加之钻杆的支撑作用可极大的降低钻孔坍塌和堵塞的几率，且水沿杆的四周流出散透到钻孔中，注水范围更均匀；

(3)本发明底部设有行走装置可方便调节位置，且支腿具有调节高度的功能可以应对地面凹凸不平的施工环境；

(4)本发明多个构件可拆卸以便于运输、库存，且多个构件可以单独使用提高了资源的使用率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明涉及的钻机装置的结构示意图；

图2为支腿结构示意图；

图3为角度定向器俯视图；

图4为钻机正视图和内部结构示意图；

图5为钻杆截面、钻杆和压力传感器示意图；

其中：1底座、2支腿、3竖直支杆、4连接夹、5滑轨、6滑轨支架、7钻机、8钻杆、9圆盘台座、10滑球、11水平台盘、12水平转盘、13竖向滑轨、14竖向刻度盘、15定向旋杆、16红外线发射器、17可调滚轮的外壳、18滚轮、19、环状注水管、20圆筒管道、21胶纸水管、22压力传感器、23触变点、24接收器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在钻机无法控制钻孔的角度和和深度的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于tsp超前地质预报的钻机装置。

作为一种典型实施方式，如图1所示，主要包括可升降支撑座、角度定向器、竖向支杆3、连接夹4、滑轨5、滑轨支架6、钻机7、和钻杆8。其中可升降支撑座由底座1和支腿2组成，角度定向器包括圆盘台座9、滑球10、水平台盘11、水平转盘12、竖向滑轨13、竖向刻度盘14、定向旋杆15和红外线发射器16，可升降支撑座和角度定向器可用螺钉固定在一起构成本钻机装置的定向机构；所述竖向支杆3、连接夹4和由滑轨5与滑轨支架6构成的可调滑轨组合使用为本钻机装置连接机构；钻机7和钻杆8组成本装置的钻机机构。

底座1下端是可以转动的支腿2，并配合支腿2下端的螺纹套筒使用实现调节底座1高度的功能；支腿2底部的可调滚轮的外壳17可选择上下两个位置固定。当进行打钻工作时，需将可调滚轮的外壳17置于图2中a位置，则可调滚轮的外壳17处于支腿最下端可以平稳支撑定向机构；当要移动本发明装置定向机构时，需将可调滚轮的外壳17置于图2中b位置，则可调滚轮的外壳17内部的滚轮18露出，此时定向机构可以推动。

角度定向器内的水平台盘11中心部位与圆盘台座9用弧形铰光滑铰接，水平台盘11边缘处用三个沿中心圆周均匀布置的螺纹旋钮支撑固定，顺时针旋转螺纹旋钮可以提升该处水平台盘11的高度，反之旋转则会降低。在水平台盘11面上每两个螺旋旋钮之间都镶嵌一个水准珠，用于观察水平台盘三个方向的相对高低情况；考虑到有时可能需要钻孔与岩壁在水平方向存一定夹角，本装置的水平台盘11内部设置一个可以360°旋转的水平转盘12，水平转盘12与水平台盘11同轴心、表面平行，水平转盘11上设有用于锁定转盘的旋转环，水平台盘11面上刻画双向对称的角度刻度，以用于观察水平转盘11转过的角度。水平转盘11沿其中线对称布置两根竖向滑轨13。竖向刻度盘14可在竖向滑轨13上滑动和锁定，其顶端设有红外线发射器16，其两侧的定向旋杆15和指针由穿过刻度盘中心的转轴相连，可一起绕转轴旋转和锁定。

竖直支杆3从下至上依次为可移动底座、千斤顶和钢杆组件①、千斤顶和钢杆组件②。其中可移动底座可绕支杆360°旋转以应变不同方向行进的需要，其车轮可以自锁，车轮自锁后竖直支杆3能平稳固定在地面上。

如图1所示，竖直支杆3通过连接夹4和设置于圆盘台座9内的滑球10与定向机构连接。

滑轨5和千斤顶和钢杆组件②都预留有连接孔，使用的时候要先用销钉将两者相连，滑轨5可绕销钉转动；滑轨5的前端是“十字”型截面空心钢轨，钻机7可沿其滑动，滑轨5后端中心开有圆弧型凹槽用于与定向旋杆15搭接；滑轨5中间设有红外线发射器16，用于指示钻杆行进路线和钻孔位置。

如图4所示，钻机7底部有两个接口，一个连接输气管，另一个接注水管，钻机7内部有接收器24。钻机机头部分内芯与钻杆8相接，其外芯为能与圆筒管道20相连的环状注水管19。

钻杆8为实现作为注水器件使用的目的，钻杆截面如图5所示，沟槽中埋有胶质水管21，其前端80％范围内每隔10cm开有一个小孔用于出水，胶质水管21尾端集合在一个圆筒管道20上，圆筒管道20套在钻杆8尾端的外围且可拉出。同时为方便控制钻孔的深度，钻杆8上刻有长度标线。

压力传感器22，用于控制钻杆8的钻入深度，当压力传感器23上的触点23会碰到隧道边墙时便会发出电信号，钻机7接收到电信号立即自动关闭。

操作方法包括以下几步：

(1)在设计的震源点所在隧道边墙上布置tsp爆破钻孔位置，并用油漆标记一条穿过钻孔位置的竖向“丨”型标注线。

(2)根据钻孔的高度调节可升降支撑座到合适的高度后，将角度定向器固定到可升降支撑座上；观察圆盘台座9上内嵌的水准珠，同时小范围内调节支腿2高度将圆盘台座9大致调平；推动定向机构沿着施工路线测试圆盘台座9能否保持大致水平，若有圆盘台座9水平情况有较大变化，应再次调节支腿2高度将圆盘台座9的水平情况调至最优。

(3)按钻孔在水平面内倾角要求(一般为0°)，转动水平转盘12到相应刻度位置并固定，打开竖向刻度盘14上的红外线发射器16，保持水平台盘11上的90°-90°线与钻孔所在的隧道边墙轴线平行，推动定向机构行进直至红外线投射点落于第一个钻孔点的“丨”型标注线上，上下滑动竖向刻度盘14确保红外线投射点可大致沿着“丨”型标注线移动；通过支腿2的可调滚轮的外壳17把定向装置固定在地面上，调节螺栓旋钮将水平台盘11调至水平位置，并再次上下滑动竖向刻度盘14确保红外线投射点可沿“丨”型线移动，否则微调定向机构位置并重复上述固定定向机构和调平水平台盘11工作。

(4)按钻孔在竖向平面内倾角要求，转动定向旋杆15到相应刻度位置并固定。依次组装连接夹4到定向机构上，用销栓将竖直支杆3固定在连接夹4上，将销钉穿过滑轨5和竖向支杆3顶部预留的连接孔；调节滑轨5的角度和位置使之后端与定向旋杆15平行搭接。打开滑轨5上的红外线发射器16，调节千斤顶和钢杆组件②的高度，直至红外线投射点置于钻孔点标记位置。

(5)将钻机7套入滑轨5中，并安装滑轨支架6。根据钻孔所需的深度将压力传感器21固定在钻杆8的相应位置，再将钻杆8与钻机7相连。

(6)连接输气管与钻机7底部的输气接口，打开钻机7开关，推动钻机7沿滑轨5向前进行打钻工作；待达钻杆8钻入需要深度时，压力传感器22会触碰到隧道边墙随之发出电信号，钻机7内的接受器24收到信号后自动切断动力输入并关闭，打钻工作完成。

(7)先连接钻杆8尾端的圆筒管道20与钻机7前端的环状注水管19，再连接注水管与钻机底部注水接口，然后打开水阀门逐步从钻孔底向钻孔口注水，待注水工作完成后关闭水阀，撤出钻杆，准备下一个钻孔施工。

(8)提起支腿2上的可调滚轮18的外壳17，保持水平台盘11上的90°-90°线与钻孔所在的隧道边墙轴线平行，并根据竖向刻度盘14上的红外线发射器16的指示作用，移动装置至第二个钻孔施工位置。若水平台盘11不处于水平位置，则松开定向旋杆15与滑轨4的连接，将水平台盘11调平，再连接定向旋杆15与滑轨4。在保证水平台盘11保持水平的条件下，调节千斤顶和钢杆组件②的高度，使钻杆8能经过钻孔的设计位置，如前面所述的方法进行打钻和注水工作。

(9)重复步骤(8)直至完成所有设计钻孔的打钻和注水工作。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。