一种新型可局部增大注浆范围的超前小导管及安装方法

1.本发明属于隧道超前支护技术领域，具体涉及一种新型可局部增大注浆范围的超前小导管及安装方法。


背景技术：

2.在隧道施工过程中，由于软弱破碎岩体的存在导致围岩坍塌失稳的事故屡见不鲜，软弱破碎岩体强度较低，抗干扰能力较差，在施工时极易受到扰动发生围岩失稳。为防止软弱围岩的坍塌，在掌子面开挖之前往往需要先对其上方岩层采用超前支护技术进行预处理。
3.超前小导管作为实际隧道施工中一种常用的超前支护方式，具有施工设备简单，工艺简单，注浆适应性强的优点。实际施工时，通过向小导管内注浆，使得隧道围岩、小导管、小导管注浆加固区域三者固结，在一定范围内形成棚架支护体系，提高围岩的稳定性。
4.传统的超前小导管注浆时仅通过施加一定的注浆压力来达到增大注浆范围的目的，其实际注浆加固范围较小并且不能对某些特定软弱围岩部位进行局部增大注浆范围。因此，有必要设计一种新型可局部增大注浆范围的超前小导管变。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种新型可局部增大注浆范围的超前小导管及安装方法，能够解决传统超前小导管注浆范围较小且无法对某些特定软弱围岩部位进行局部增大注浆范围的问题。
6.本发明的第一个目的是提供一种新型可局部增大注浆范围的超前小导管，包括管头、注浆筒、局部注浆增强机构和多个注浆孔；
7.所述注浆筒的两端开口，管头与注浆筒的一端连接，多个注浆孔均匀间隔开设于注浆筒的侧壁上，局部注浆增强机构设置于注浆筒的内部。
8.优选的，所述局部注浆增强机构包含滚动轴承、第一外伸连接件、连接轴和多个第一螺旋机构和多个第二螺旋机构，滚动轴承设置于与注浆筒连接的管头端面上，第一外伸连接件包含多个第一连接杆，多个第一连接杆间隔设置于滚动轴承的内部，连接轴外侧面上沿圆周方向均匀间隔开设有多个相互平行的凹槽，凹槽的两端分别与连接轴的两端相连通，凹槽的数量和位置分别与第一连接杆的数量和位置相匹配，多个第一连接杆的活动端分别与连接轴上对应的凹槽插接固定，多个第一螺旋机构和多个第二螺旋机构依次套设于连接轴上。
9.优选的，每个所述第一螺旋机构包含第一螺旋叶套筒机构和第一螺旋叶片，第一螺旋叶片设置于第一螺旋叶套筒机构的外侧面上，第二螺旋机构包含第二螺旋叶套筒机构和第二螺旋叶片，第二螺旋叶片设置于第二螺旋叶套筒机构的外侧面上，第一螺旋叶套筒机构和第二螺旋叶套筒机构的结构相同。
10.优选的，每个第一螺旋叶套筒机构包含第二外伸连接件和安装筒，第二外伸连接
件包含多个第二连接杆，多个第二连接杆沿安装筒的长度方向相互平行间隔设置于安装筒的内侧壁上，多个第二连接杆的数量位置均与多个凹槽的数量和位置相匹配，安装筒通过多个第二连接杆与连接轴上对应的凹槽插接，第一螺旋叶片设置于安装筒的外侧面上。
11.优选的，所述第二连接杆的长度与安装筒的长度相同，且所述第二连接杆的一端位于安装筒的内侧，另一端延伸至安装筒的外侧。
12.优选的，所述第一螺旋叶片的旋转半径小于第二螺旋叶片的旋转半径。
13.优选的，所述第二螺旋叶片的旋转半径比注浆筒的内径小1cm。
14.优选的，所述连接轴的活动端设置有盖板，且盖板位于距离管头最远的第一螺旋机构或第二螺旋机构的外侧。
15.优选的，所述管头为倒锥形结构。
16.本发明的第二个目的是提供一种上述新型可局部增大注浆范围的超前小导管的安装方法，包括以下步骤：
17.s1、确定好软弱围岩的具体位置，并根据软弱围岩的具体位置，在连接轴上将对应的围岩条件差的部位和围岩条件相对较好的部位分别进行标记；
18.s2、将滚动轴承设置于管头的底部，将第一外伸连接件设置于滚动轴承的内部，将第一外伸连接件的活动端与连接轴上的凹槽插接，将第一螺旋叶套筒机构和第二螺旋叶套筒机构分别与第一螺旋叶片和第二螺旋叶片连接，组成得到第一螺旋机构和第二螺旋机构；
19.s3、在连接轴上经步骤s1标记的围岩条件差的部位所对应的位置上安装第二螺旋机构，并在连接轴上经步骤s1标记的围岩条件相对较好的部位所对应的位置上安装第一螺旋机构，反复执行安装操作，直至所有的第一螺旋机构或第二螺旋机构在连接轴上安装完成后，将盖板设置于连接轴的活动端，对第一螺旋机构和第二螺旋机构进行固定，然后再将注浆筒套设于局部注浆增强机构的外侧，并使注浆筒的一端与管头固定连接，即得到超前小导管。
20.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
21.本发明提供的新型可局部增大注浆范围的超前小导管，通过局部注浆增强机构可将螺旋叶片受到的注浆压力转化为正向的压应力和环向的切应力，浆液在正向压应力的推动作用下进入圆柱形管身，环向切应力使螺旋叶片发生旋转，浆液随螺旋叶片螺旋进入小导管，浆液输送由传统的水平路径转变为螺旋路径，增加了浆液经过注浆孔的时间，从而显著增大注浆范围；螺旋叶片旋转时产生的离心力缩短了浆液通过注浆孔的时长，同样达到增大注浆范围的效果；浆液通过第二螺旋叶片所需时间大于第一螺旋叶片，在安装时可根据围岩条件自由组合，实现了对指定位置进行局部增大注浆范围的目标。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的新型可局部增大注浆范围的超前小导管的立体图；
23.图2为本发明实施例提供的新型可局部增大注浆范围的超前小导管的透视图；
24.图3为本发明实施例提供的新型可局部增大注浆范围的超前小导管的结构分解示意图；
25.图4为本发明实施例中的盖板与连接轴的分解结构示意图；
26.图5为本发明实施例中的滚动轴承和第一外伸连接件的连接结构示意图；
27.图6为本发明实施例中的第一螺旋叶套筒机构的结构示意图；
28.图7为本发明实施例中的第一螺旋叶套筒机构的另一视角下的结构示意图；
29.图8为本发明实施例中的第一螺旋叶套筒机构或第二螺旋叶套筒机构与连接轴的连接结构示意图；
30.图9为本发明实施例中的第一螺旋叶片和第二螺旋叶片的结构示意图；
31.图10为本发明实施例中的第一螺旋叶片和第二螺旋叶片分别与第一螺旋叶套筒机构和第二螺旋叶套筒机构的连接结构示意图；
32.图11为本发明实施例中的第一螺旋机构和第二螺旋机构与连接轴的连接结构示意图；
33.图中：1、管头；2、注浆筒；3、注浆孔；4、局部注浆增强装置；5、连接轴；6、盖板；7、滚动轴承；8、第一外伸连接件；9、安装筒；10、第一螺旋叶片；11、第二螺旋叶片；12、第一螺旋叶套筒机构；13、第二螺旋叶套筒机构；14、第二外伸连接件；15、凹槽。
具体实施方式
34.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
35.如图1至图11所示，本发明实施例提供了一种新型可局部增大注浆范围的超前小导管，包括管头1、注浆筒2、局部注浆增强机构4和多个注浆孔3；
36.所述注浆筒2的两端开口，管头1与注浆筒2的一端连接，多个注浆孔3均匀间隔开设于注浆筒2的侧壁上，局部注浆增强机构4设置于注浆筒2的内部。
37.局部注浆增强机构4包含滚动轴承7、第一外伸连接件8、连接轴5、多个第一螺旋机构12和多个第二螺旋机构13，滚动轴承7焊接设置于与注浆筒2连接的管头1端面上，连接轴5采用铝合金材质，通过滚动轴承7的设计，能够在受到注浆压力时，局部注浆增强装置4可以随滚动轴承7在注浆筒2内进行360
°
的旋转，第一外伸连接件8包含多个第一连接杆，多个第一连接杆间隔焊接设置于滚动轴承7的内部，连接轴5外侧面上沿圆周方向均匀间隔开设有多个相互平行的凹槽15，凹槽15的两端分别与连接轴5的两端相连通，凹槽15的数量和位置分别与第一连接杆的数量和位置相匹配，多个第一连接杆的活动端分别与连接轴5上对应的凹槽15插接并焊接固定，多个第一螺旋机构12和多个第二螺旋机构13依次套设于连接轴5上。
38.在安装好整个装置之后，连接轴5由安装筒9包裹，形成第一道防护，且第二螺旋叶片11的旋转半径比注浆筒2的内径小1cm，而在注浆时，浆液会弥补这个1cm的空间区域，此时管内类似于实心但可旋转，所以可作为整体第二道防护，而在注浆开始后，连接轴5就会开始旋转，在旋转力的作用下，浆液的力会被分解，因此会减少对整体组装结构的冲击，形成第三层防护，所以仅通过连接轴5的一端与滚动轴承7上的第一外伸连接件8焊接牢固，即可实现对连接轴5的固定。
39.每个第一螺旋机构12包含第一螺旋叶套筒机构和第一螺旋叶片10，第一螺旋叶片
10焊接设置于第一螺旋叶套筒机构的外侧面上，第二螺旋机构13包含第二螺旋叶套筒机构和第二螺旋叶片11，第二螺旋叶片11焊接设置于第二螺旋叶套筒机构的外侧面上，第一螺旋叶套筒机构和第二螺旋叶套筒机构的结构相同。
40.每个第一螺旋叶套筒机构包含第二外伸连接件14和安装筒9，第二外伸连接件14包含多个第二连接杆，多个第二连接杆沿安装筒9的长度方向相互平行间隔焊接设置于安装筒9的内侧壁上，多个第二连接杆的数量位置均与多个凹槽15的数量和位置相匹配，安装筒9通过多个第二连接杆与连接轴5上对应的凹槽15插接，第一螺旋叶片10焊接设置于安装筒9的外侧面上。本发明实施例中的第一外伸连接件8和第二外伸连接件14的结构和尺寸完全相同，第一连接杆、第二连接杆和凹槽的数量均优选为4个。
41.具体为将后一个第一螺旋叶套筒机构或第二螺旋叶套筒机构上的安装筒9的底部插入到连接轴5上对应的凹槽15中，并使其上的第一外伸连接件8或第二外伸连接件14的端部与前一个第一螺旋叶套筒机构或第二螺旋叶套筒机构上的安装筒9的第一外伸连接件8或第二外伸连接件14的活动端部相抵触，进行组合连接，如此反复，将所有的第一螺旋叶套筒机构或第二螺旋叶套筒机构全部安装于连接轴5上。
42.第二连接杆的长度与安装筒9的长度相同，且所述第二连接杆的一端位于安装筒9的内侧，另一端延伸至安装筒9的外侧。这样的设计能够便于将后一个第一螺旋叶套筒机构或第二螺旋叶套筒机构与前一个第一螺旋叶套筒机构或第二螺旋叶套筒机构进行插接组合，以实现稳固连接。
43.第一螺旋叶片10的旋转半径小于第二螺旋叶片11的旋转半径。通过这样的设计能够使得浆液通过第二螺旋叶片11所需时间大于第一螺旋叶片10，所以根据软弱围岩的具体位置相应地在连接轴5上安装第一螺旋机构12和多个第二螺旋机构13即可实现对指定位置进行局部增大注浆范围的目标，具体为，围岩条件差的部位选用第二螺旋叶片11，围岩条件相对较好的选用第一螺旋叶片10。
44.第二螺旋叶片11的旋转半径比注浆筒2的内径小1cm。这样的设计能够保证第一螺旋叶片10和第二螺旋叶片11均可在注浆筒2内进行顺利转动。
45.连接轴5的活动端焊接设置有盖板6，且盖板6位于距离管头1最远的第一螺旋机构12或第二螺旋机构13的外侧。通过盖板6的设计，能够将多个第一螺旋机构12和多个第二螺旋机构13固定为一个整体，从而能够实现局部增大注浆范围。
46.管头1为倒锥形结构。
47.本发明还提供了一种新型可局部增大注浆范围的超前小导管的安装方法，具体包括以下步骤：
48.s1、确定好软弱围岩的具体位置，并根据软弱围岩的具体位置，在连接轴5上将对应的围岩条件差的部位和围岩条件相对较好的部位分别进行标记；
49.s2、将滚动轴承7设置于管头1的底部，将第一外伸连接件8设置于滚动轴承7的内部，将第一外伸连接件8的活动端与连接轴5上的凹槽插接，将第一螺旋叶套筒机构和第二螺旋叶套筒机构分别与第一螺旋叶片10和第二螺旋叶片11连接，组成得到第一螺旋机构和第二螺旋机构；
50.s3、在连接轴5上经步骤s1标记的围岩条件差的部位所对应的位置上安装第二螺旋机构13，并在连接轴5上经步骤s1标记的围岩条件相对较好的部位所对应的位置上安装
第一螺旋机构12，反复执行安装操作，直至所有的第一螺旋机构12或第二螺旋机构13在连接轴5上安装完成后，将盖板6设置于连接轴5的活动端，对第一螺旋机构12和第二螺旋机构13进行固定，然后再将注浆筒2套设于局部注浆增强机构4的外侧，并使注浆筒2的一端与管头1固定连接，即得到超前小导管。
51.本发明实施例提供的新型可局部增大注浆范围的超前小导管在使用时，首先将超前小导管安装于相应的位置，接着通过超前小导管的开口端进行注浆，当浆液进入到注浆筒2中后，第一螺旋叶片10和第二螺旋叶片11受到注浆压力，然后将注浆压力转化为正向的压应力和环向的切应力，浆液在正向压应力的推动作用下继续向前进入注浆筒2中，环向切应力使第一螺旋叶片10和第二螺旋叶片11绕着滚动轴承7在注浆筒2中发生旋转，浆液随第一螺旋叶片10和第二螺旋叶片11螺旋进入注浆筒2的内部，浆液输送由传统水平路径转变为螺旋路径，增加了浆液经过注浆孔3的时间，从而显著增大注浆范围；第一螺旋叶片10和第二螺旋叶片11旋转时产生的离心力缩短了浆液通过注浆孔的时长，同样起到增大注浆范围的效果，由于浆液通过第二螺旋叶片11所需时间大于第一螺旋叶片10，所以根据软弱围岩的具体位置相应地在连接轴5上安装第一螺旋机构12和第二螺旋机构13即可实现对指定位置进行局部增大注浆范围的目标。
52.本发明实施例不仅仅局限于对指定位置实现局部增大注浆范围的目标，还可对实际工程中围岩条件较差的区域进行整体加固。仅需要在局部注浆增强装置4的连接轴5上全部安装第二螺旋机构13即可。
53.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。