技术领域
[0001] 本发明涉及TBM超前钻探技术领域，特别涉及一种用于TBM护盾外的隧道斜面开孔的装置即方法。
相关背景技术
[0002] 全断面硬岩掘进机（TBM）隧道工程施工建设过程中，需要使用超前钻机通过TBM的护盾上的超前注浆导管进行超前钻探或超前管棚支护施工，由于注浆导管与TBM掘进方向之间的偏角较小，一般在6°‑10°之间，且护盾与隧道壁面之间存在40 50mm的空隙，当超前~钻头从TBM的注浆导管伸出后，只能以较小的角度在隧道壁面上进行开孔，钻孔偏斜严重，容易导致卡钻。此外，在面对中等硬度以上的岩石时，往往无法顺利开孔，严重影响超前钻孔和隧道掘进施工的效率。
[0003] 目前的施工方法一般有以下两种：1、依靠钻杆的刚性和TBM的注浆导管的支撑直接开孔施工，慢慢磨削隧道斜面。这种方法开孔偏斜严重，且效率很低。
[0004] 2、在TBM的注浆导管内增加安装一根内径略大于钻头直径的套管对钻头开孔时进行导向支撑。开孔过程中，钻头旋转切屑岩壁的同时也在切屑套管，对钻头和套管都会造成严重磨损。此外，由于钻头直径比钻杆直径大，当钻头前移脱离导向套管时，就失去了直接的导向支撑，使得钻头方向偏移，最终仍难以避免开孔偏斜的问题。
具体实施方式
[0021] 以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0022] 实施例一，如图1‑图10所示，一种用于TBM护盾外的隧道斜面开孔的装置，TBM护盾3的侧面设置有连通隧道岩壁5的注浆导管4，其中，全断面硬岩掘进机（TBM）包括各类型的盾构机，装置包括：
钻孔组件1，包括钻头11以及与钻头11可拆卸固定连接的钻杆12，钻孔组件1的外周设置有环形凹槽13；
套管组件2，套接在钻孔组件1外，并穿设在注浆导管4的内部，套管组件2内周向设置有与环形凹槽13间隙配合的环形凸起23，钻头11的刃部111位于套管组件2外。
[0023] 使用时，套管组件2安装在注浆导管内，钻孔组件1与套管组件2通过环形凹槽13和环形凸起23的间隙配合完成轴向固定，周向不阻碍相对旋转，因此，当钻孔组件1进行钻孔时，套管组件2能够跟随钻孔组件1一起前进，钻头11与套管组件2的相对位置保持固定，始终起到对钻孔组件1的径向支撑作用，防止钻头偏斜导致开孔偏斜，提高TBM超前钻孔施工中斜面开孔质量和施工效率，有效避免因开孔偏斜导致超前钻孔过程中发生别杆开钻事故；钻头11的刃部111位于套管组件2外，避免了钻头对套管组件2的磨削；
由于套管组件2与注浆导管的接触面积相比套管组件2与钻孔组件1之间的接触面积更大，使得套管组件2与注浆导管之间的摩擦力大于套管组件2与钻孔组件1之间的摩擦力，因此套管组件2不会随钻孔组件1旋转，因此套管组件2不会对注浆导管产生破坏。为了进一步防止套管组件2跟随钻孔组件1旋转，套管组件2的内侧壁面的摩擦力系数小于套管组件2的外侧壁面。
[0024] 套管组件2包括随钻导向套21以及与随钻导向套21可拆卸连接的套管主体22，本实施例中采用螺纹连接，也可采用其他形式连接。随钻导向套21位于靠近钻头11一侧且环形凸起23位于随钻导向套21的内周。将环形凸起23也设置在随钻导向套21上，随钻导向套21容易产生磨损，因此可作为替换件进行替换，减少使用成本。
[0025] 钻杆12包括主杆部121以及与主杆部121可拆卸固定的过渡接头122，过渡接头122与钻头11可拆卸固定，过渡接头122设置有台阶1221，台阶1221与钻头11的尾部112形成用于配合环形凸起23的环形凹槽13。本实施例的可拆卸固定方法可以为螺纹连接或键槽固定，也可以采用其他固定方式。过渡接头122的设置使得环形凹槽13的加工更加方便，且可以将过渡接头122和主杆部121使用不同材料，减少成本，过渡接头122承受大部分磨损，作为耗材进行替换，减少主杆部121的更换，降低成本。
[0026] 主杆部121和过渡接头122的连接结构的形状和尺寸，与过渡接头122和钻头11的连接结构的形状和尺寸相同，使得原先相互连接的钻头11和主杆部121可直接连接到过渡接头122上，不需要对钻头11和主杆部进行特殊设计，适应性更广。本实施例中，主杆部121靠近过渡接头122一端设置有圆台形的杆头1211，过渡接头122设置有与杆头1211配合的接槽1222，过渡接头122靠近钻头11一侧设置有圆台形的连接头1223，钻头11的尾部112设置有与连接头1223配合的尾接槽113。主杆部121与 过渡接头122、过渡接头122与钻头11采用圆台进行连接，安装更加方便，力矩传递更加均匀。
[0027] 随钻导向套21的内表面与钻头11尾部112的外表面间隙配合。使得随钻导向套21对钻头11尾部112进行支撑，提高钻头的稳定性。
[0028] 本实施例中，随钻导向套21的外径比钻头11的直径小2mm，可随钻头11进入岩石孔内，为钻头11持续提供导向支撑。
[0029] 主杆部121的外周周向分布有若干导向棱1212，导向棱1212沿主杆部121的轴向延伸。导向棱1212最大直径比套管主体22的内径小1 2mm。导向棱1212的设置在起到对主杆~部121的支撑作用的同时，在套管主体22与主杆部121之间形成排渣的空间。
[0030] 随钻导向套21设置有若干周向分布的排渣孔211，排渣孔211贯通随钻导向套21的壁面，排渣孔211位于环形凸起23背向钻头11的一侧。钻头11的刃部111的土渣沿钻头11和套管组件2的外表面向后挤压，经过排渣孔211进入套管组件2内，从套管组件2与主杆部121之间的空隙向后方排出。
[0031] 钻头11的外径小于注浆导管4的内径。使得钻头11和钻杆2安装完成后再穿入注浆导管4，安装更加方便。
[0032] 一种用于TBM护盾外的隧道斜面开孔的方法，使用的用于TBM护盾外的隧道斜面开孔的装置进行开孔，钻孔组件1还包括为钻杆12提供动力的钻机，使用步骤包括：S1，装置装入注浆导管4，钻头11顶在隧道岩壁5上；
S2，启动钻机带动钻杆12和钻头11旋转，同时将装置向钻孔方向推进，开始钻孔；
S3，钻出设定深度的岩孔后，将钻头1撤换为刃部直径更小的常规钻头，继续进行钻孔。
[0033] 设定深度根据实际情况进行设置。先用刃部直径更大的钻头进行开孔，形成与钻孔中心线垂直的孔底平面，退出钻头11，使用刃部直径更小的常规钻头进行开孔，即使大孔有一定的偏差，也可以在开小孔时弥补开孔偏差，有利于后续超前钻头顺利对孔。
[0034] 在使用步骤S2中，随着钻孔深度增加，随钻导向套21离开注浆导管4后，套管主体22继续支撑在注浆导管4内为钻孔组件1提供支撑。
[0035] 以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
