一种用于管棚施工的多角度纠偏定位及逆向注浆装置

本发明属于管棚施工，涉及一种用于管棚施工的多角度纠偏定位及逆向注浆装置。

背景技术：

1、管棚是地下结构工程隧道掘进的超前支护结构，其实质是在开挖的地下隧道或结构工程的衬砌拱圈上安设刚度较大的钢管，起到临时超前支护的作用，防止岩土体坍塌和地表下沉，以保证掘进与后续支护工艺安全运作。但在一些特殊地层、如砂卵石地层、泥岩地层等，砂卵石地层具有卵石颗粒大、含量高、粘结性差等特点，因此在管棚施工时难度较大，难以保障钢管钻进的精度，容易引起较大偏差，甚至挤压到相邻管棚，造成管棚施工质量下降。因此当管棚钻进发生偏移时，需要及时进行纠偏。

2、目前的管棚类型较多，分为短管棚、中管棚、长管棚。当超前支护距离较长时，大多用到长管棚，通常由较多短管棚焊接而成，在焊接位置较为薄弱，容易使得支护抗力提供不足或者整条管棚的受力不均，造成在岩土体的压力作用下弯折，支护效果不理想，隧洞出现坍塌等现象。

3、在管棚设置导向墙进行支设位置并定位打孔时，会由于钻机钻杆的机械晃动，从而造成原先定位孔的空间位置发生改变，当改变角度较大时，可以人为发现并改变钻进方向，而由于管棚打设角度一般为10°~15°，较小角度发生偏移时，人为发现较为困难，只能当角度差逐渐积累到一定较大时，才可以发现，而那时钻孔位置已基本打设完毕，因此实现角度纠偏困难。因此需要在钻机钻进过程中时刻对钻进角度有更好的掌握，当管棚钻进发生偏差时及时进行纠正，以保证超前管棚定位孔的精确导向定位。

4、虽然目前管棚的纠偏方法已经有很多，但是对于管棚自动识别偏移的方法目前较少，大多采用的全站仪、挂线、钻杆导向等。这些传统的纠偏方法十分繁琐，需要进行反复调整才能确保钻机的钻杆轴线与孔口管轴线相吻合，同时在特殊地层中难以具有普适性，使得工期滞后，影响施工进度。因此设计一种管棚钻进自动识别偏移的装置十分重要。

5、在管棚打设到对应位置后，应对齐内部进行注浆加固，然而目前大多注浆浆液从管棚尾端进行注入，即顺向注浆方式。随着注浆液的逐渐增多，慢慢朝着管棚端部进行渗入，并从管棚周围的注浆孔渗入到周围岩土体当中。但是在该注浆过程中存在一定的问题，即注浆液从尾端注入端部，使得端部容易注浆存在未注区或者注浆不密实区，该部分区域我们无法知道，往往只能凭现场经验进行估算，因此那部分区域内的围岩未受到注浆液的胶结作用，容易受力不均，出现弯折现象。

6、对于管棚钻头，在不同的地层中，根据岩土体的性质差异，应选择不同类型的钻头，而一般在隧道掘进过程中，往往会穿越不同类型的地层，比如洞口刚开挖时，岩土体为软岩，可以使用硬度一般的钻头，随着慢慢掘进，可能会遇到硬岩，而此时的钻头已经不在适用，因此需要更换钻头，而如果采用的是一体式管棚，则无法更换钻头，只能更换同直径大小的硬性钻头管棚，如果采用的是可拆卸式，管棚，则可以将管棚钻头拆下，换成硬性钻头。一般来说，对于目前可拆卸式管棚的钻头与管棚钢管之间的安装，一般采用丝扣连接、螺纹旋接、卡口卡接等，以上传统的安装连接方式，容易使得在管棚钻头旋转过程中，容易与钢管本身脱节，相比一体式管棚而言，整体性较差。

7、当管棚钻进至相应位置时，由于目前常规使用的管棚钢管为圆柱形，在将钢管压入孔中时，钢管与土层的结合牢固性较差，容易出现滑动现象，与周围岩土体的粘结性较差。因此为了确保管棚的牢固性，现有的方法一般主要有两种，一种是采用倒刺，在管棚外侧设置倒刺，利用注浆压力使倒刺结构展开，使得管棚难以从岩土体中脱出，从而提高管棚的牢固性，但是这种结构存在一个缺点，当在岩土体为硬岩时，在其阻碍下，倒刺结构很难完全展开，而当岩土体为软岩时，倒刺结构虽可以完全展开，但与周围岩土体难以粘接，使得管棚的牢固性并不稳定。另一种是囊袋式注浆管棚，这种方式需要在管棚钻孔时预留出一定的囊袋膨胀空间，只有当膨胀空间需要与囊袋注浆后的大小完全匹配，这样才能起到良好的牢固作用，这需要精确的计算和操作，对现场施工要求较高。

技术实现思路

1、为了达到上述目的，本发明提供一种用于管棚施工的多角度纠偏定位及逆向注浆装置，解决了现有管棚装置中存在的钻头更换不便或整体性差、识偏功能差、纠偏方向单一、管棚牢固性差、注浆不密实等问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种用于管棚施工的多角度纠偏定位及逆向注浆装置，包括钻头装置，还包括：

3、钢管装置，用于识偏和纠偏；

4、注浆机构，用于实现逆向注浆、封堵浆液功能；

5、其中，所述钻头装置与钢管装置之间通过磁性感应连接；所述钢管装置内部设置有注浆机构；所述钻头装置用于实现不同类型的钻头的更换并具有钻进功能。

6、进一步地，所述钻头装置还包括磁性感应杆，所述磁性感应杆固定于钻头的尾端，且磁性感应杆与钢管装置中的磁环装置磁性连接；所述钻头上表面固定有凸起块；所述磁性感应杆上下开有u型槽，在u型槽内部设置有磁性u型块，在磁性u型块内部上方左右各设置有磁性伸缩块，所述磁性伸缩块与钢管装置的磁性块两侧的卡槽磁性连接。

7、进一步地，所述钢管装置包括第一套管和第二套管，所述第一套管和第二套管之间可拆卸地连接；所述第一套管的内部前端上下布置有固定块，所述固定块远离第一套管的一端固定有磁性块，所述磁性块远离固定块的一端的两侧开设有卡槽，所述卡槽与钻头装置中的磁性伸缩块对应设置。

8、进一步地，所述第一套管内还设置有磁环装置，所述磁环装置固定于固定块后方；所述磁环装置包括圆环，圆环内侧开设有卡接槽，卡接槽内设置有多个第一磁环，第一磁环与第二磁环之间磁性接触连接，第一磁环位于第二磁环与圆环之间；所述第二磁环内部放置钻头装置的磁性感应杆。

9、进一步地，所述第一套管的外侧固定有第一弧形卡块，在第一弧形卡块上铰接有第一伸缩杆，第一伸缩杆与第二伸缩杆之间通过连接块转动连接，所述连接块顶部设置有接触块，连接块的下部设置有触压器，连接块下端设置有液压杆，液压杆的下端设置有弧形接触块，所述弧形接触块用于液压杆与第一套管的抵接。

10、进一步地，所述第二套管外侧设置有滑块，所述滑块固定于第二弧形卡块的侧面；第二弧形卡块上安装有第二伸缩杆，第二伸缩杆与连接块转动连接；第二套管的侧面横向布置有滑轨，所述滑块卡接于滑轨内部。

11、进一步地，所述第一套管和第二套管内侧设置有锚钉固定装置，所述锚钉固定装置包括弹性层，所述弹性层固定于各套管内侧；所述弹性层内部设置有固定板、锚钉和侧通孔，所述锚钉固定于固定板上，且锚钉尖端与侧通孔同轴，所述侧通孔设置于在第一套管和第二套管圆周侧。

12、进一步地，所述注浆机构包括逆向注浆机构，所述逆向注浆机构包括弧形刀片，弧形刀片下端固定连接有伸缩柱，所述伸缩柱下部设置有销钉帮；销钉帮贯穿伸缩柱后插入封浆板下部的销钉孔中；封浆板上部设置有销钉槽；伸缩柱下端通过弹簧与注浆抵板连接；所述弧形刀片上端卡接于钢管装置内部的凸块与锚钉固定装置之间。

13、进一步地，所述注浆机构还包括注浆棒，所述注浆棒位于钢管装置内部；所述注浆棒通过注浆管与注浆机相连接。

14、进一步地，所述钢管装置还包括第一激光器，所述第一激光器位于第一套管的上部，发射方向始终垂直于第一套管上方；第二激光器安装在第一套管的左侧，发射方向始终垂直于第一套管右侧；第三激光器转动连接在第一套管的下部，发射方向沿重力竖直向下；第四激光器与第二激光器安装于第一套管同一侧，第四激光器与第一套管内壁之间转动连接，且第四激光器与重力装置固定，第四激光器发射的激光方向始终水平向右。

15、本发明的有益效果是：

16、1、磁性钻头连接，相比以往的可拆卸式钻头来说，如丝扣连接、卡扣卡接、螺纹旋接等，采用磁性钻头更方向拆卸更换，且钻头不会因为钻进而与管棚钢管本身产生脱节。

17、2、采用限位装置，实现了管棚的钻进、注浆稳定，保证管棚始终在钻孔的中心点处，同时可以实现识偏和纠偏功能，相比以往的管棚，纠偏功能仅在上下或者左右纠偏，该装置可以360°全方位纠偏。通过滑轨，可以实现上下、左右的伸缩杆距离和高度的调整，同时伸缩杆的伸缩功能避免了接触块抵接不到围岩的情况。当抵接到围岩后，在围岩接触压力的作用下，触压器触发液压杆，会自动向下移动，直到抵接到管棚外侧的弧形接触块上。

18、3、逆向注浆，相比以往的顺向注浆方式，即将注浆管放在管棚尾端，随着注浆液的慢慢流入，当注浆量一定时，在封堵浆液，该方法可能造成管棚前端注浆不密实，出现空洞的现象，使得在受围岩压力作用下，容易压屈受弯。虽然也有将注浆管伸入至管棚最前端，但是当管棚处于一定倾斜角度时，继续注浆，浆液会因为自身重力作用，不断向下流动，同样使得管棚最前端注浆不密实，影响管棚受力，造成管棚弯折。因此考虑到以上各种因素，提出逆向注浆方式，通过改变注浆方法并加以注浆方板，将管棚内部分成多个同样大小的注浆空间，实现各注浆空间一个个注入，保证各注浆空间的注浆密实，实现整条管棚的密实注浆。

19、4、锚钉代替倒刺，由于倒刺的功能有限，不适应复杂的地质环境，即当在岩土体为硬岩时，岩石较硬，在其阻碍下，倒刺结构很难完全展开，而当岩土体为软岩时，倒刺结构虽可以完全展开，但与周围岩土体难以粘接，使得管棚的牢固性并不稳定。而囊袋式注浆管棚需要在管棚钻孔时预留出一定的囊袋膨胀空间，只有当膨胀空间需要与囊袋注浆后的大小完全匹配，这样才能起到良好的牢固作用，这需要精确的计算和操作，对现场施工要求较高。因此提出了锚钉固定围岩利用注浆压力挤压弹性层，并使得锚钉从侧通孔凸出，固定在围岩内部，简单便捷。