基于盾构作业的钻进锚固预支护系统及施工方法
阅读说明：本技术 基于盾构作业的钻进锚固预支护系统及施工方法 (Drilling anchoring pre-support system based on shield operation and construction method ) 是由 陈永强 罗标 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于盾构作业的钻进锚固预支护系统及施工方法,旨在提供一种钻进锚固预支护系统及基于该系统的施工方法。本发明系统包括MF快换钎杆、钎尾和锚杆；锚杆(1)由与锚固管连接的钎头(1-1)、通过管口锁扣接头与锚固管连接的管靴(1-6)、与该管靴连接的PVC管(1-7)构成；管口锁扣接头由与锚固管连接的锁扣母接头(1-4)、与MF快换钎杆(4)连接的锁扣公接头(1-5)构成,锁扣母接头(1-4)的螺旋通槽(1-4-1)与锁扣公接头(1-5)的螺旋凸轮槽(1-5-1)相适配。本方发明法是先确定掌子面(6)的切割边界(7),将本发明系统倾斜凿入岩体(5),从PVC管(1-7)中退出MF快换钎杆(4),注浆凝固后对掌子面(6)进行切割。(The invention discloses a drilling anchoring pre-support system based on shield operation and a construction method, and aims to provide a drilling anchoring pre-support system and a construction method based on the system. The system comprises an MF quick-change drill rod, a drill shank and an anchor rod; the anchor rod (1) is composed of a drill bit (1-1) connected with the anchoring pipe, a pipe shoe (1-6) connected with the anchoring pipe through a pipe orifice lock joint, and a PVC pipe (1-7) connected with the pipe shoe; the pipe orifice lock buckle joint is composed of a lock catch female joint (1-4) connected with the anchoring pipe and a lock catch male joint (1-5) connected with the MF quick-change drill rod (4), and a spiral through groove (1-4-1) of the lock catch female joint (1-4) is matched with a spiral cam groove (1-5-1) of the lock catch male joint (1-5). The method comprises the steps of firstly determining a cutting boundary (7) of a tunnel face (6), obliquely chiseling the system into a rock body (5), withdrawing the MF quick-change drill rod (4) from the PVC pipes (1-7), and cutting the tunnel face (6) after grouting solidification.)
技术领域
本发明涉及一种隧洞钻进锚固预支护系统及施工方法，尤其涉及一种基于盾构作业的钻进锚固预支护系统，以及基于该钻进锚固预支护系统的施工方法。
背景技术
众所周知，以支护结构的施工时间来分类，地下工程的支护可以分为预支护和后支护。在隧洞开挖前就对洞体岩层进行加固施工的支护称为预支护，在隧洞开挖后再洞体岩层进行加固施工的支护称为后支护。开挖隧洞过程中不断向前推进的工作面称为掌子面。
为了加固掌子面前方尚未开挖区域的岩层，防止掌子面变形坍塌、降低施工风险，目前基于盾构作业的预支护方法是在盾构机沿掘进方向每开挖一段距离之前，先在掌子面上按放射分布的方式向隧洞的拱顶、两侧洞壁倾斜打入若干锚杆或锚索等锚具，然后向锚孔灌浆凝固。鉴于该方法采用的是普通锚固钻头、普通锚杆，因此存在以下缺陷：
1）在同时具有松软岩层和花岗岩层的复杂地质结构中，普通锚固钻头容易磨损、钻进效率低，难以满足锚固施工要求；
2）钎杆与锚固钻头之间采用螺纹连接，在达到钻进深度以后需要将钎杆退出时，往往由于钎杆或与之啮合螺纹会产生冲击变形，从而造成钎杆卡滞而无法从锚固孔中退出。既浪费钎杆、又导致锚固孔报废，而且滞留于锚固孔中的钎杆还会损坏盾构机刀盘、影响盾构作业；
3）锚固时需要手动调节拉伸应力、操作比较麻烦；
4）由于锚杆为金属杆件结构，且其尾端外露于掌子面的边界以内（如CN19571959A、CN104989437A、CN109026099A、CN108547291A、CN110985066A、CN112963153A等），因此不仅容易造成盾构机刀盘损坏，而且还会因切割振动而导致锚固松动、影响锚固质量。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种集凿岩、钻进和锚固为一体，且基于盾构作业的钻进锚固预支护系统。
为了实现上述目的，本发明钻进锚固预支护系统包括包括通过MF快换钎杆与钎尾连接的锚杆；锚杆由表面分布有若干注浆孔的锚固管、通过螺纹连接在该锚固管前端的钎头、通过管口锁扣接头连接在所述锚固管尾端的管靴、与该管靴固定连接的PVC管构成；所述管口锁扣接头由通过螺纹连接在锚固管尾端的锁扣母接头、与MF快换钎杆螺纹连接的锁扣公接头构成，锁扣母接头的一端具有外螺纹、另一端具有螺旋通槽，锁扣公接头的一端具有内螺纹、另一端具有螺旋凸轮槽，螺旋通槽与螺旋凸轮槽相适配。
在上述技术方案中的锁扣公接头上，临近螺旋凸轮槽的管口有沿轴线方向延伸而形成与锁扣母接头内管壁相适配的导向段。
在上述技术方案中，锁扣母接头的外圆柱面具有卡槽；管靴的一端管口具有缩口、该管靴的另一端管口具有喇叭状的内锥面，PVC管通过螺纹与内锥面连接；锁扣母接头的外圆柱面具有与缩口相适配的卡槽，管靴通过缩口与锁扣母接头的卡槽相连接。
上述技术方案中，所述锚固管由两端管口具有螺纹的多根注浆管对接而成，相邻注浆管之间通过螺纹管接头连接；各注浆管的外表面至少具有一个环槽，各环槽中均有以注浆管轴线为中心均匀分布于该环槽表面的四个注浆孔；各环槽的表面均套有将各注浆孔遮蔽的橡胶套，该橡胶套由焊接在注浆管上的四根压条压紧；各压条与各注浆孔错位间隔布置。
本发明的另一个目的是提供一种基于该钻进锚固预支护系统的施工方法。
为了实现上述目的，本发明提供的方法包括钻孔和注浆步骤；具体操作如下：
1）沿隧洞的掘进方向将其划分为多个施工段，各施工段所对应的掘进深度分别为L1、L2……Ln；
2）在各施工段所对应的掌子面上确定出盾构机刀盘切割的边界；
3）利用钻机将若干所述钻进锚固预支护系统沿掘进方向倾斜地凿入岩体至设计深度；保证管靴的末端没入边界以外的岩体中，保证PVC管的末端外露于掌子面的表面并位于边界以内；
4）反向转动钻机，通过钎尾、MF快换钎杆带动锁扣公接头与锁扣母接头分离，然后利用钻机并通过钎尾将MF快换钎杆和锁扣公接头从PVC管中退出；
5）通过PVC管向锚杆内注入浆料，然后封堵PVC管管口；
6）浆料凝固以后，启动盾构机对该施工段所对应的掌子面进行切割，直至达到该施工段所对应的掘进深度；
7）将盾构机向后退离一段距离，重复步骤1）～6）的操作，直至整个隧洞贯通。
与现有技术比较，本发明具有以下优点：
利用凿岩钎头替代锚固钻头，因此即便在包含有花岗岩层的复杂地质构造环境中也能实现快速凿岩钻进，提高了钻孔效率。
采用一段注浆管或者由多段注浆管对接连接而成的锚固管替代钻杆和传统的锚杆，保证了钻进系统的强度；因此可以将钻孔、打入锚杆两道工艺合二为一，既有效地简化了施工工艺、又提高了施工效率。
采用由锁扣母接头和锁扣公接头组成的管口锁扣接头替代MF快换钎杆与凿岩钎头之间的螺纹连接，因此只需反转MF快换钎杆即可实现锁扣母接头与锁扣公接头脱扣，从而可快速取出MF快换钎杆。彻底避免了因钎杆无法取出而造成的锚固孔报废、钎杆浪费、以及滞留钎杆损坏盾构机刀盘等诸多缺陷。
管状锚杆表面具有多个环槽、各环槽中分布有注浆孔，不仅有利于管内的浆料经注浆孔流出并填满锚固孔、增加锚固稳定性，而且还可针对不同硬度的岩层分布情况定点灌注浆料，从而提高锚固质量。
由于将兼具钢筋连接加固作用的整段金属锚固管嵌埋于隧洞边界以外的岩体中，即便隧洞贯通以后其拱顶和洞壁也不会发生坍塌，因此具有永久支护作用。而倾斜嵌埋于施工段的PVC管内填充有凝固的浆料，因此对该施工段的掌子面还具有临时锚固支护作用，而且PVC管以及凝固浆料可被盾构刀盘连同掌子面的岩体一并切割、去除，且不会对刀盘造成损害；因此不影响盾构机作业推进。
附图说明
图1是本发明提供的钻进锚固预支护系统结构示意图；
图2是本发明提供的钻进锚固预支护系统的锚杆结构示意图；
图3是图2中的A—A剖视图；
图4是图2中的I处放大图；
图5是本发明提供的钻进锚固预支护系统的注浆管结构示意图；
图6是本发明提供的钻进锚固预支护系统的锁扣母接头、锁扣公接头的立体结构示意图；
图7是本发明提供的钻进锚固预支护系统的管口锁扣接头立体结构示意图；
图8是本发明提供的钻进锚固预支护系统的管靴结构示意图；
图9是本发明提供的钻进锚固预支护系统的锚杆用于锚固支护岩体的施工示意图；
图10是图9中的B—B剖视图；
图11是图9中的C—C剖视图；
图12是本发明提供的钻进锚固预支护系统的锚杆用于锚固支护拱顶的施工放大图。
图中：锚杆1、钎头1-1、注浆管1-2、压条1-2-1、橡胶套1-2-2、注浆孔1-2-3、环槽1-2-4、管接头1-3、锁扣母接头1-4、螺旋通槽1-4-1、卡槽1-4-2、锁扣公接头1-5、螺旋凸轮槽1-5-1、导向段1-5-2、管靴1-6、缩口1-6-1、锥面1-6-2、PVC管1-7，
过渡管接头2、钎尾3、MF快换钎杆4、岩体5、掌子面6、边界7、隧洞8。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明。
如图1～8所示，本发明提供的钻进锚固预支护系统由通过MF快换钎杆4与钎尾3连接的锚杆1构成。
其中，MF快换钎杆4是一端带有外螺纹、另一端带有内螺纹的空心杆状结构；钎尾3为标准钎具。锚杆1由表面分布有若干注浆孔1-2-3且两端具有内螺纹的锚固管、通过外螺纹连接在该锚固管前端的凿岩钎头1-1、通过管口锁扣接头与所述锚固管尾端连接的管靴1-6、与该管靴固定连接的PVC管1-7构成。所述管口锁扣接头由通过螺纹与锚固管尾端连通的锁扣母接头1-4、通过螺纹与MF快换钎杆4前端连通的锁扣公接头1-5构成；锁扣母接头1-4是一端具有外螺纹、另一端具有螺旋通槽1-4-1的管状结构，锁扣公接头1-5是一端具有内螺纹、另一端具有螺旋凸轮槽1-5-1的管状结构；螺旋通槽1-4-1与螺旋凸轮槽1-5-1相适配。
为了便于锁扣公接头1-5与锁扣母接头1-4之间能够顺利扣合或脱扣，在锁扣公接头1-5上，临近螺旋凸轮槽1-5-1的管口有沿轴线方向延伸而形成与锁扣母接头1-4内管壁相适配的导向段1-5-2。
为了便于管靴1-6与锁扣母接头1-4连接，在锁扣母接头1-4的外圆柱面开设有圆环形的卡槽1-4-2，管靴1-6的一端管口具有与该卡槽相适配的缩口1-6-1。管靴1-6通过压配方式将缩口1-6-1卡套于卡槽1-4-2中，锁扣母接头1-4与管靴1-6之间可以相对转动。
为了便于PVC管1-7能够顺利插入管靴1-6并与之固定连接，管靴1-6的另一端管口具有喇叭状的内锥面1-6-2；PVC管1-7通过锥度外螺纹与分布于内锥面1-6-2的内螺纹连接。
为了便于加工、使用或运输，所述锚固管由两端管口具有内螺纹的多根注浆管1-2对接而成，相邻注浆管1-2之间通过外螺纹管接头1-3连接。
为了便于浆料填充锚固孔，同时也为了便于针对不同岩层的分布情况实现定点注浆，各注浆管1-2的外表面至少具有一个环槽1-2-4，各环槽1-2-4中均有以注浆管轴线为中心均匀分布于该环槽表面的四个注浆孔1-2-3。
为了避免钻孔过程中压缩空气经注浆孔1-2-3泄漏，保证压缩空气能够顺利到达钻孔底部、并将岩石碎屑吹出，各环槽1-2-4的表面均套有将各注浆孔1-2-3遮蔽的橡胶套1-2-2。
为了避免橡胶套1-2-2摩擦破损、产生翻卷或皱褶，在该橡胶套的外表面有焊接在注浆管1-2上并将橡胶套1-2-2压紧的四根压条1-2-1，各压条1-2-1与各注浆孔1-2-3错位间隔布置。压条1-2-1可对橡胶套1-2-2起到隔离保护作用。
值得注意的是，由于注浆压力远远大于压缩空气的压力，因此在凿岩钻孔过程中，压缩空气并不能通过注浆孔1-2-3而顶开橡胶套1-2-2而泄压，因此压缩空气能够经锚固管、凿岩钎头1-1而进入钻孔孔底，排除岩石碎屑。而在注浆锚固过程中，由于混凝土浆料的压力远远大于压缩空气压力，因此混凝土浆料一方面能够锚固管、凿岩钎头1-1而进入锚固孔孔底实现锚固，另一方面混凝土浆料还可通过注浆孔1-2-3顶开橡胶套1-2-2而填充锚固孔，并渗透于松软岩层实现锚固。
为了便于不同规格的MF快换钎杆4均能够与钎尾3适配，MF快换钎杆4通过过渡管接头2与钎尾3连接。过渡管接头2的一端有与MF快换钎杆4的内螺纹适配的外螺纹，过渡管接头2的另一端有与钎尾3的外螺纹相适配的内螺纹。
本发明提供的基于钻进锚固预支护系统的施工方法如图9～12所示，其技术方案包括钻孔和注浆步骤；具体操作如下：
1）根据岩体5的地质结构，沿隧洞8的掘进方向将预施工隧洞划分为多个施工段，各施工段所对应的掘进深度分别为L1、L2……Ln；
2）在各施工段所对应的掌子面6上确定出盾构机刀盘切割的边界7；
3）以掌子面6为起点，沿掘进方向，利用钻机将若干所述钻进锚固预支护系统倾斜地凿入岩体5至设计深度；保证管靴1-6的末端没入边界7以外的岩体5中，保证PVC管1-7的末端外露于掌子面6的表面并位于边界7以内；
4）反向转动钻机，通过钎尾3、MF快换钎杆4带动锁扣公接头1-5与锁扣母接头1-4脱扣分离，然后利用钻机并通过钎尾3将MF快换钎杆4和锁扣公接头1-5从PVC管1-7中退出；
5）通过PVC管1-7向锚杆1内注入浆料，然后封堵PVC管1-7管口；
6）浆料凝固以后，启动盾构机对该施工段所对应的掌子面6进行切割，直至达到该施工段所对应的掘进深度Ln；
7）将盾构机向后退离一段距离，重复步骤1）～6）的操作，直至整个隧洞8贯通。
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