一种天井钻机及其使用方法与流程

本发明涉及反井钻井，具体涉及一种天井钻机及其使用方法。

背景技术：

1、在双线铁路隧道工程中，需要在两条平行主隧道之间分段修筑联络横通道，用于应急疏散、通风与排水，横通道长度普遍仅20～50m，施工空间有限，且围岩多为高硬度完整岩体，施工难度较大。

2、现有技术中，如中国专利cn115822626a 公开的城市地下联络通道水平反井成井工艺，施工流程分为施工准备、导孔钻进、套管安装、扩孔钻进、管片安装、设备拆除、壁后充填，在始发隧道内布置常规反井钻机，终点隧道搭设钢结构作业平台，扩孔钻头后端配套可伸缩护盾实现掘进临时支护，搭配真空排渣装置连续排出岩渣，扩孔完成后分段拼装预制管片形成永久衬砌，依靠反井钻机完成导孔贯通与反向扩孔，实现掘进、支护、排渣一体化作业。

3、然而，上述方案在反井钻机就位前必须浇筑专用混凝土基础，混凝土凝固周期长，每一处横通道施工均需重复浇筑、拆除基础，多横通道点位频繁转场时准备工序繁琐、综合成本高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种天井钻机，以解决每一处横通道施工均需重复浇筑、拆除基础，准备工序繁琐的问题。

2、本发明提供了一种天井钻机，适于构造贯通相互平行设置的第一隧道和第二隧道之间的多个横隧道，包括：

3、底座，设置有机架和车轮，所述机架设置在底座的上方，所述车轮设置在底座的下方，所述车轮适于在所述第一隧道或所述第二隧道中行驶，以带动所述天井钻机到达所述横隧道的预定施工位置；

4、支撑机构，设置在机架上，朝向所述第一隧道/所述第二隧道内壁延伸，适于在所述天井钻机到达所述横隧道的预定施工位置后，与所述第一隧道/所述第二隧道的内壁抵接。

5、本发明技术方案，通过车轮和可抵接隧道内壁的支撑机构配合，能够依托隧道自身空间完成设备就位与稳固锁止，设备依靠车轮直接在既有主隧道内部行驶转运，无需针对单条横隧道单独施工混凝土基础，大幅省去基础支模、浇筑、养护、拆除全流程作业，缩短单条横隧道施工前置准备周期，支撑机构可直接与隧道内壁形成受力支撑，减小独立基础承载钻机作业时的钻进反力，使用此装置，设备移位仅依靠车轮行走即可完成多横隧道连续施工，整体工序简化，减少大量土建施工耗材与人工投入，同时避免基础拆除产生的渣土、建筑垃圾，优化隧道施工现场环境，适配多条平行主隧道间批量横隧道连续施工场景。

6、可选地，所述支撑机构包括垂直机构和/或水平机构，所述垂直机构与横隧道的施工方向垂直，所述水平机构沿平行于横隧道的施工方向设置。

7、上述方案中，通过分设垂直机构与水平机构两类支撑构件，分别对应横隧道施工正交、平行两个方向形成双向约束支撑体系，垂直机构能够抵消钻机钻进过程中沿横隧道掘进垂直方向产生的震动与侧向分力，水平机构承接沿掘进轴线方向的钻进反推力，两类支撑机构相互配合可全方位限制钻机偏移、晃动，双向组合支撑可均衡分散钻进作业产生的各类载荷，提升设备作业过程中的整体稳定性，降低钻孔偏位、孔形不规则等施工缺陷概率，同时减少机架、底座长期受单向载荷造成的变形损耗，延长设备整体使用寿命，两类支撑可按需单独或同步启用，适配不同围岩硬度、不同孔径横隧道的差异化支护需求。

8、可选地，所述水平机构包括相对设置在所述机架两侧的至少两组，至少两组所述水平机构分别适于与所述第一隧道或所述第二隧道相对的内壁抵接。

9、上述方案中，通过在机架两侧成对布置多组水平机构，从隧道左右相对内壁形成对称夹持受力结构，两组水平机构同步伸出抵紧隧道两侧岩壁后，可在机架横向形成均匀分布的夹持约束力，避免单侧支撑带来的机架偏载现象，单组水平支撑受力集中，岩壁局部压强过高易出现围岩破碎、支撑打滑问题，多组对称布置能够分散单位面积岩壁承受的支撑压力，保护隧道原有围岩结构完整性，对称夹持结构可锁定机架横向位置，钻进过程中刀盘不会发生左右偏移，保障横隧道开孔轴线精度，同时，对称受力可平衡钻头旋转产生的横向扭力，弱化设备运行震动，提升钻孔成型质量，多组水平机构提供稳定辅助支撑，提升复杂围岩工况下设备作业可靠性。

10、可选地，所述水平机构包括三组，三组水平机构呈三角形排布，其中两组水平机构分设在所述横隧道的预定施工位置的两侧，另一组水平机构设于两组水平机构连线的中垂线上。

11、上述方案中，通过三组水平机构采用三角形排布形式构建稳定支撑受力框架，利用三角形力学结构具备的几何不变特性提升整体支撑刚度，两侧水平机构限定机架横向位移，中垂线上的水平机构抵消沿掘进轴线方向的窜动，三者相互牵制形成刚性约束，三角形受力框架能够将钻机钻进产生的多向反力均匀传导至隧道内壁，受力点分布均衡无应力集中区域，围岩单点承压载荷显著降低，防止支撑机构抵接位置岩壁崩落、滑移，即便隧道内壁局部存在轻微凹凸不平，三角多点支撑依旧可维持机架水平姿态，保证刀盘钻孔轨迹不发生偏移，适配断面平整度较差的隧道围岩施工场景。

12、可选地，所述水平机构包括与所述机架连接的连杆和设于连杆另一端的抵接部，所述抵接部与所述第一隧道或所述第二隧道的抵接面为圆弧面。

13、上述方案中，通过连杆端部设置圆弧面抵接部与隧道内壁接触，改变平面抵接局部接触和应力集中的接触形式，圆弧接触面可以与隧道内壁不规则曲面自适应贴合，即便岩壁存在凹凸弧度偏差，抵接部依旧能够保持大面积有效接触，避免平面抵接仅中心受力和单点压强过大压损围岩的问题，圆弧面受力时可将集中载荷沿弧面均匀扩散，降低岩壁开裂掉块的风险，同时，钻机作业产生的震动可通过圆弧接触面缓冲传导，减少设备整体共振幅度，圆弧面无尖锐棱角，设备移位过程中不会刮擦划伤隧道原有衬砌或岩壁，保护隧道的主体结构，抵接部受力时可小幅自适应微调接触角度，支撑锁止效果更稳定，不易出现支撑机构打滑松脱现象。

14、可选地，所述连杆为伸缩杆。

15、上述方案中，通过将连杆设置为伸缩结构，实现支撑机构支撑行程无级调节，适配不同断面尺寸的主隧道内壁间距，固定长度的连杆仅能匹配单一宽度的隧道，隧道的断面尺寸变更时需更换整套支撑机构，通用性差，连杆可根据现场隧道的实际宽度自由调整伸出的长度，无需更换零部件就可以适配多种施工，设备行进阶段可以收缩连杆，从而缩小整机的体积，降低天井钻机在隧道内行走时与隧道侧壁剐蹭的风险，提升设备行进的便利性，抵达施工点位后可伸长连杆快速抵紧隧道内壁，支撑展开、回收操作便捷，缩短了设备定位锁止耗时，伸缩结构可精准控制支撑预紧力，避免连杆伸出过量挤压围岩造成破损，也可防止伸出不足导致支撑锁止失效。

16、可选地，所述底座为四边形，所述车轮设置四组，分别设置在底座的四角，且所述车轮朝向底座的中心倾斜。

17、上述方案中，通过四边形底座四角布设倾斜朝向底座中心的四组车轮，优化整机行走受力与底盘承载均衡性，四角车轮均匀分摊天井钻机整机自重，相比单侧集中布置车轮，底盘受力分布更均衡，行走过程中底座不易发生局部形变，倾斜向心布置的车轮可形成向内收拢的夹持受力趋势，钻机在隧道凹凸路面行驶时，车轮不易向两侧打滑跑偏，提升整机行走稳定性，车轮同步承载，减少车轮磨损速率，延长车轮的使用寿命，倾斜布局缩小整机行走轨迹宽度，狭窄隧道内转运时通行能力更强，车轮向心倾斜可抵消钻机钻进作业传递至底盘的侧向扭力，减少车轮与底座连接位置的损耗，提升设备长期连续施工的可靠性。

18、可选地，所述机架上设有刀盘，所述刀盘位于两组所述水平机构之间，包括中心杆和钻头，所述中心杆与所述机架连接，所述钻头设置在中心杆上，钻头围绕中心杆的轴线旋转。

19、上述方案中，通过在两组水平机构之间布设带中心杆与钻头的刀盘，依靠两侧水平机构形成的稳定夹持空间为刀盘提供规整作业区间，水平机构从两侧限位机架，可隔绝钻孔作业时刀盘产生的侧向震动，避免震动传导至整机造成钻孔偏移，刀盘居中布置使钻进反力直接由两侧对称水平机构支撑承接，受力传导路径短且均衡，降低机架形变概率，中心杆作为钻头承载主体，可稳定传递旋转动力，钻头绕中心杆轴线规则旋转，保证横隧道开孔圆度与轴线平直度，刀盘处于两组支撑机构中间区域，作业时支撑机构不会对刀盘造成干涉，钻头旋转、进给过程不会与支撑机构发生碰撞，提升施工安全性，同时，支撑机构可同步阻隔钻孔碎石飞溅范围，降低设备零部件被碎石撞击磨损的概率。

20、可选地，所述中心杆和钻头可拆卸连接，所述钻头包括三牙轮钻头和扩孔钻头。

21、上述方案中，通过中心杆与钻头可拆卸连接，搭配三牙轮钻头与扩孔钻头两类适配构件，实现一机多工艺灵活切换施工，一体式钻头结构无法单独更换钻具，针对先导孔钻进、后期扩孔两道工序需配备两台独立钻机，设备投入成本高，可拆卸结构可根据施工快速拆装对应钻头，先导孔阶段使用三牙轮钻头高效破碎围岩，成型后更换扩孔钻头扩充隧道断面，无需替换整机，工序切换耗时大幅缩短，两类钻头分工适配不同钻进工况，三牙轮钻头穿透力强适配硬岩先导钻孔，扩孔钻头切削范围大可快速规整隧道断面，拆装结构无需整体拆解刀盘，现场更换操作简便，减少多台钻机购置、维护成本，提升单台设备综合施工覆盖能力。

22、本发明还提供了一种天井钻机的使用方法，包括以下步骤：

23、车轮带动天井钻机沿着第一隧道或第二隧道移动，直至到达横隧道的预定施工位置；

24、展开支撑机构，使其与第一隧道或第二隧道的内壁抵接；

25、按照预定路径进行横隧道的施工，完成后，车轮带动天井钻机移动至下一横隧道的预定施工位置，直至完成所有横隧道的施工。

26、本发明技术方案，通过到达预定施工位置、支撑锁止、连续钻孔、循环施工的步骤，形成多条横隧道连续施工流程，从工序逻辑上规避了单条横隧道单独浇筑基础的繁琐工序，通过车轮行走实现天井钻机自主移位，无需拆卸整机转运，支撑机构现场直接抵壁锁止替代土建基础，省去基础施工、养护、拆除全流程的时间，大幅压缩多条横隧道整体施工总工期，分步作业逻辑清晰，先定位再锁固后施工的流程可规避钻机未稳固就钻进造成的孔位偏差问题，单条横隧道施工完成后仅收回支撑即可快速移动至下一工位，工序衔接无空档，减少设备闲置等待时长，整套流程简化现场操作步骤，降低人工操作难度，批量横隧道施工场景下可显著提升整体施工效率，减少现场土建耗材与人工投入。