单回次浅钻、多回次组合、全断面破碎的顶管碎岩方法与流程

本发明属于地下空间非开挖方法，尤其是涉及到一种单回次浅钻、多回次组合、全断面破碎的顶管碎岩方法。

背景技术：

公知，牙轮钻头工作时牙轮既公转又自转，因此产生了滚动、滑动和冲击振动的复合碎岩作用，这种复合作用可分为冲击、压碎作用和切削剪切作用。这种复合作用对不同岩性的岩层有不同的破碎效果：当钻进脆性岩石时，主要利用冲击动载荷破碎岩石，瞬间产生的极大冲击力使岩石局部区域应力高度集中，来不及向周围岩石传递，当作用力达到岩石的弹性极限时就破碎；同时回转力对凸起的岩石又产生了剪切作用，使岩石剪切分离并被碾碎。但当钻头钻进塑性岩石(软岩、中硬岩)时，上述效应就不明显，冲击功大部分消耗在岩石的塑性变形上，而剪切力此时就起主要作用。这种剪切作用主要是通过牙轮在井底滚动的同时还要产生轮齿对岩石的相对滑动来实现。在现实的工作中，产生滑动的原因有三个：超顶、复锥和移轴。

目前顶管的工艺是刀盘运转，带动刀头整体转动进行切削岩层，其破岩效率低，且对于硬岩顶管难度大。因此目前需要一种利用剪切作用通过牙轮在井底滚动的同时还要产生轮齿对岩石的相对滑动来进行碎岩的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种针对于任何岩层，利用具有动力的单个牙轮钻头工作时牙轮既公转又自转而产生滚动、滑动和冲击振动的复合碎岩作用，提高顶管钻岩效率的掘进方法，实现一种单回次浅钻、多回次组合、全断面破碎的顶管碎岩方法：提供旋转动力使单个牙轮钻头进行公转，同时在作用在刀盘向前推进压力的作用下，牙轮钻头牙轮既公转又自转而产生滚动、滑动和冲击振动的复合碎岩作用，每个牙轮钻头在掘进断面上掘进一个一定深度的孔，然后刀盘回缩，然后再旋转一个角度又重复上面的动作，这样通过多次回合牙轮钻头的浅钻实现掘进断面的全断面碎岩掘进。

本发明的技术方案是：步骤1：根据断面大小在顶管机刀盘对称或非对称布置x个牙轮钻头，所述的x个牙轮钻头的排列能够在顶管机刀盘提供旋转动力使单个牙轮钻头进行公转，同时在刀盘向前推进压力的作用下，牙轮钻头既公转又自转而产生滚动、滑动和冲击振动的复合碎岩作用:；

步骤2：所述的x个牙轮钻头在掘进断面上掘进一个预设深度的孔，然后顶管机刀盘回缩；

步骤3：顶管机刀盘根据预设角度旋转，重复步骤2的动作；

步骤4：重复步骤3的动作，通过多回合牙轮钻头的浅钻实现掘进断面的全断面碎岩掘进，使得全断面破碎断面成圆形，完成全断面岩层切削。

进一步的，当顶管机刀盘按照y°旋转时，使得牙轮钻头部分错开前n次的钻坑，从而使得牙轮钻头在碎岩时有个相对滑动的过程，对岩石产生切削作用，使岩石剪切分离并被碾碎。

进一步的，对于一般的软岩和中硬岩，一方面牙轮钻头自转，同时顶管机刀盘做低速往复摆转。

进一步的，通过调整牙轮钻头回转速度，从而获得不同的相对冲击破碎频率和剪切速度。

进一步的，对于极硬的岩石，利用牙轮钻头的连续滚动形成高频冲击破碎，这种工况下顶管机刀盘不需要摆转。

进一步的，对于断面边缘的碎岩深度不均，采用“牙轮钻头自转、顶管机刀盘摆转”的方法进行切除，修圆整个断面，或者在顶管机刀盘边缘附加一套边缘修整切削装置，进行修圆整个断面。

进一步的，为了获得高的碎岩效率，延长钻头寿命，切削过程中应及时冲洗孔底带走岩粉，避免岩粉将对轮齿形成粘接包裹效应，影响冲击破碎和滑移剪切的效果，同时不利于轮齿散热造成热破坏，本顶管工艺，每只钻头的中心孔均通以一定压力的泥浆，用于冲走岩粉和冷却钻头，同时减小钻头体与孔壁的摩擦。

进一步的，根据断面大小在顶管机刀盘布置8个菱形排列的牙轮钻头，所述的8个牙轮钻头的排列能够在顶管机刀盘按照45°、30°、-30°、-45°或者30°依次旋转碎岩操作后使得断面成圆形。

本发明的有益效果是：一种单回次浅钻、多回次组合、全断面破碎的碎岩顶管掘进方法，本发明利用牙轮钻头针对于任何岩层的高效破岩特性，提高非开挖掘进效率，尤其是提高硬岩地质情况下非开挖掘进效率。

附图说明

图1为冲击压碎作用示意图；

图2为横向刮切作用示意图；

图3为实施例1的目标断面中心碎岩的示意图；

图4为实施例1第一次碎岩操作的示意图；

图5为实施例1第二次碎岩操作的示意图；

图6为实施例1第三次碎岩操作的示意图；

图7为实施例1第四次碎岩操作的示意图；

图8为实施例1完成全断面破碎操作，未修圆时的示意图；

图9为实施例2第一次碎岩操作的示意图；

图10为实施例2第二次碎岩操作的示意图；

图11为实施例2第三次碎岩操作的示意图；

图12为实施例2第四次碎岩操作的示意图；

图13为实施例2完成全断面破碎操作，未修圆时的示意图；

图14为实施例3第一次碎岩操作的示意图；

图15为实施例3第二次碎岩操作的示意图；

图16为实施例3第三次碎岩操作的示意图；

图17为实施例3第四次碎岩操作的示意图；

图18为实施例3第五次碎岩操作的示意图；

图19为实施例3第六次碎岩操作的示意图；

图20为实施例3第七次碎岩操作的示意图；

图21为实施例3第八次碎岩完成全断面破碎操作的示意图；

图22为实施例4非对称布置的示意图；

图23为实施例4第一次碎岩操作的示意图；

图24为实施例4第二次碎岩操作的示意图；

图25为实施例4第三次碎岩操作的示意图；

图26为实施例4第四次碎岩操作的示意图；

图27为实施例4第五次碎岩操作的示意图；

图28为实施例4第六次碎岩操作的示意图；

图29为实施例4第七次碎岩操作的示意图；

图30为实施例4第八次碎岩操作的示意图；

图31为实施例4第九次碎岩完成全断面破碎操作的示意图；

图中：1是第一次碎岩操作；2是第二次碎岩操作；3是第三次碎岩操作；

4是第四次碎岩操作。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

一种单回次浅钻、多回次组合、全断面破碎的顶管碎岩方法，包括下述步骤：

步骤1：根据断面大小在顶管机刀盘对称或非对称布置x个牙轮钻头，所述的x个牙轮钻头的排列能够在顶管机刀盘提供旋转动力使单个牙轮钻头进行公转，同时在刀盘向前推进压力的作用下，牙轮钻头既公转又自转而产生滚动、滑动和冲击振动的复合碎岩作用:；

步骤2：所述的x个牙轮钻头在掘进断面上掘进一个预设深度的孔，然后顶管机刀盘回缩；

步骤3：顶管机刀盘根据预设角度旋转，重复步骤2的动作；

步骤4：重复步骤3的动作，通过多回合牙轮钻头的浅钻实现掘进断面的全断面碎岩掘进，使得全断面破碎断面成圆形，完成全断面岩层切削。

当顶管机刀盘按照y°旋转时，使得牙轮钻头部分错开前n次的钻坑，从而使得牙轮钻头在碎岩时有个相对滑动的过程，对岩石产生切削作用，使岩石剪切分离并被碾碎。

结合顶管机刀盘的工作原理，如图1，冲击压碎作用；在硬地层中，牙齿依靠钻柱提供强大压力钻进岩石，进行破岩运动。同时，由于与井底接触的牙齿数目在不断变化，又造成一定的冲击载荷，这样更有利于岩石的破碎。

如图2，横向刮切作用；在软底层中，由于牙轮钻头平均吃入深度大，而且牙齿相对井底有个相对滑动的过程，依靠这样的横向刮切作用就能起到破碎岩石的目的。当然，以上二种运动在牙轮钻头破岩的过程中是同时存在的。一方面牙轮绕着钻头体的轴线转动，另一方面绕着本身的轴线转动。在运动过程中，各圈牙齿不断的压入井底岩石，造成对井底岩石的冲击压碎作用。同时，由于移轴结构的存在，造成了钻头体相对于井底的相对滑移，这就表现为横向刮切作用。

顶管过程中的碎岩原理也与上述两种情况类似。对于一般的软岩和中硬岩，一方面牙轮钻头自转，同时顶管机刀盘做低速往复摆转(为了防止油管和水管的缠绕，不能连续回转)。这样就形成了较大的剪切破碎作用，这种工况类似于目前钻头不回转的牙轮刀盘的工作原理，本项目的牙轮钻头回转且可以调速，通过调整牙轮钻头回转速度，从而获得不同的相对冲击破碎频率和剪切速度。获得所需要的破碎效果，本方法工艺的适应范围较宽。“牙轮钻头自转+刀盘摆转”的工作模式，能够形成整个顶管断面的分层连续切削，效率高且地层适应范围较宽。

而对于极硬的岩石，主要是利用牙轮钻头的连续滚动形成高频冲击破碎，这种工况下刀盘不需要摆转。在这种工况下需要依据一定的次序，在顶管的全断面多次钻孔，最后完成全断面破碎(即：“单回次浅钻，多回次组合，全断面破碎”的工艺方法)。由于这种工艺方法的特殊性，在有些工位牙轮钻头的碎岩切削不是全孔的均匀切削，即断面残留(断面边缘的碎岩深度不均)，由于切削的不连续性可能会造成牙轮轮齿冲击振动比较大，因此需要控制好钻压和转速，以免造成轮齿的过早破坏和失效。尽管如此，由于是牙轮多个轮齿连续冲击破碎作用，因此从理论上说也可以获得较高的碎岩效率。

对于断面边缘的碎岩深度不均，采用“牙轮钻头自转、顶管机刀盘摆转”的方法进行切除，修圆整个断面，或者在顶管机刀盘边缘附加一套边缘修整切削装置，进行修圆整个断面。

为了获得高的碎岩效率，延长钻头寿命，切削过程中应及时冲洗孔底带走岩粉，避免岩粉将对轮齿形成粘接包裹效应，影响冲击破碎和滑移剪切的效果，同时不利于轮齿散热造成热破坏，本顶管工艺，每只钻头的中心孔均通以一定压力的泥浆，用于冲走岩粉和冷却钻头，同时减小钻头体与孔壁的摩擦。

目前顶管的工艺是刀盘运转，带动刀头整体转动进行切削岩层，其破岩效率低，且对于硬岩顶管难度大。采用本顶管工艺，刀头运转，刀盘按照要求间歇转动，不仅效率高，而且适用于任何岩层，尤其解决了硬岩顶管的难题，对顶管技术是一次革命。

如图3-图8，实施例1，根据断面大小在顶管机刀盘对称布置9个菱形排列的相同规格牙轮钻头，所述的9个牙轮钻头的排列能够在顶管机刀盘按照45°、30°、-30°、-45°或者30°依次旋转碎岩操作后使得断面成圆形。

如图9-图13，实施例2，根据断面大小在顶管机刀盘对称布置9个菱形排列的不同规格牙轮钻头，所述的9个牙轮钻头的排列能够在顶管机刀盘按照0°、45°、22.5°、-45°、然后采用“牙轮钻头自转、顶管机刀盘摆转”的方法进行切除，修圆整个断面，或者在顶管机刀盘边缘附加一套边缘修整切削装置，进行修圆整个断面，依次旋转碎岩操作后使得断面成圆形。

如图14-图21，实施例3，根据断面大小在顶管机刀盘对称布置5个的相同规格牙轮钻头，所述的5个牙轮钻头的排列能够在顶管机刀盘按照0°、90°、45°、-45°、-22.5°、-67.5°、22.5°、67.5°依次旋转碎岩操作后使得断面成圆形。

如图22-图31，实施例4，根据断面大小在顶管机刀盘非对称布置7个的相同规格牙轮钻头(见图22)，所述的7个牙轮钻头的排列能够在顶管机刀盘按照0°、67.5°、-11.25°、-83.75°、+22.5°、-50°、50°、11.25°、-22.5°依次旋转碎岩9次操作后使得断面成圆形。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。