[发明专利]一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置及方法

说明书

本发明公开了一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置及方法，所述钻探装置包括钻进组件、钻机姿态控制组件、数据监测组件以及TBM钻机平台固定座；钻进组件与TBM液压系统连接获取动力，实现合金钻头旋转和平移钻进岩体；钻机姿态控制组件用于控制钻杆角度、方向和位置，并保持钻进的精确性和稳定性；数据监测组件通过高精度传感器和数据模块获取和储存钻进力学响应信号，以分析岩体完整性特征；TBM钻机平台固定座目的是实现钻探装置的TBM搭载；本发明通过钻探装置钻进及力学响应信息解译TBM掌子面前方的岩体完整性参数，是一种获取工程地质勘察资料的原位设备和方法，为TBM隧道安全、高效掘进提供重要支撑。

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程领域，具体是适用于敞开式和护盾式TBM超前工程地质勘探和隧道掌子面前方岩体完整性测量的装置及方法。

背景技术

全断面隧道掘进机(TBM)技术目前在国内隧道及地下工程领域内广泛应用，尤其是深埋长隧道建设中优先选用。然而，TBM对岩体完整性的敏感性更强，一方面，在完整性良好的岩体中，TBM易出现“掘不动，速度慢”等情况，需要根据岩体完整性特征合理选取滚刀强度和刚度；另一方面，在完整性较差的岩体中，若前方地质条件勘探不清楚，TBM易出现卡机和工程失稳等事故。因此，TBM隧道掌子面前方岩体完整性勘察是施工的重难点。

TBM是一个庞大的机械电磁体，在岩体完整性的测试中，现今采用的物探方法受到极大的干扰，导致测试精度大大降低，严重影响了工程应用效果。而传统的钻探方法，在完整性较差的岩体中，常常因塌孔和孔缩问题导致测试无法正常进行。现场大量钻探经验表明，岩体钻进过程中的监测数据与岩体质量有着很好的相关性，在同一完整的岩体中钻机，钻进监测数据反映了很好的聚合性，而在不同完整性的岩体中钻机，钻进数据又有很好的规律性。为此，采用钻进数据反演分析岩体完整性特征成为可能，极大的解决了TBM掌子面前方岩体特征难以探测这一亟待解决的工程难题。

目前在TBM平台上通过搭载岩体完整性钻探装置的技术还暂未开展和应用。利用钻孔过程中的监测数据分析岩体质量具有重要价值，将产生很好的经济效益和社会效益。因此，亟待研发一种能够应用于敞开式和护盾式TBM超前工程地质勘探和隧道掌子面前方岩体完整性测量的装置及操作方法，即一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置及方法，利用带有数字化和信息化技术的超前钻进装置，获取钻进过程中的钻具响应动态信息，用于分析TBM隧道掌子面前方岩体完整性，为TBM高效和安全掘进提供重要勘察资料。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置，其特征在于，包括钻进组件、钻机姿态控制组件、数据监测组件以及TBM钻机平台固定座；所述钻进组件是依靠合金钻头钻进隧道掌子面前方岩体，合金钻头安装于钻杆顶部，通过钻机旋转器和托板滑块带动钻杆运动，使钻杆产生旋转和平移，钻进组件整体固定在滑轨钢架以保持稳定性；所述钻机姿态控制组件为实现合金钻头灵活移动和变换钻进位置，由前部升降器、中部升降器和尾部连接件组成，前部升降器包括前部升降固定销、前部升降套筒和前部升降轴，中部升降器包括中部升降固定销、中部升降套筒和中部升降轴，尾部连接件包滑轨钢架支座和圆柱销；所述数据监测组件包含位移感应器、液压传感器、转速测试仪、扭矩仪转子、扭矩仪定子以及用于安装和固定的配件；所述TBM钻机平台固定座是通过前部升降器底座、中部升降器底座和尾部连接支座将钻探装置牢牢固定于TBM钻机平台架。

进一步地，在上述方案中，所述钻机旋转器底座和托板滑块通过滑轨卡槽实现在滑轨脊上稳定的前后移动，并将位移传输到钻杆，以带动合金钻头钻进待测岩体。

进一步地，在上述方案中，所述钻机钻进时消耗的旋转和平移动力由TBM液压系统提供，通过TBM液压输入口将液压依次传输到液压箱、钻机液压转接器、管道、液压转接器实现动力供给，并由液压封闭螺栓、转接器密封垫和液压转接器螺栓实现组件固定和密封。