[发明专利]用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切装置

说明书

本发明属于地下工程岩土体钻进、切割和地下工程防灾减灾技术领域，提供一种用于软硬地层的侧翼‑垂向组合式多维冷冻钻切装置；采用侧翼‑垂向组合式钻切的方式，通过控制伸缩臂驱动高强钻切头纵向钻切伸入地层直至完成纵向钻切，通过钻切头控制门分别控制螺纹钻切头和五角钻切头旋转钻切地层，利用中心转轴外侧与高强中空中心骨架嵌入式滑动连接驱使核心钻切头旋转钻切进入地层，实现多角度多刀具复合钻切软硬地层，避免深孔钻切施工遇岩石软土等软硬不均地层容易偏孔的难题，节约施工成本；在富水软硬不均地层中采用多维多区域冷冻的方法，实现深孔钻切施工纵向、垂向的360度全方位冻结，确保深孔钻切不坍塌，施工质量可靠，保证了施工安全。

技术领域

本发明属于地下工程岩土体钻进、切割和地下工程防灾减灾技术领域，尤其是涉及一种用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切装置。

背景技术

软硬地层地质复杂多变，是地下工程建设过程中经常遇到的地层，也是引发地质灾害的主要危险源，特别是富水软硬不均地层，极易引发地表沉降、桩位偏差、地表建筑物倒塌、盾构隧道开仓换刀面坍塌、海底富水隧道破裂等事故，这是因为在软硬地层穿越施工不同于单一的软地层和硬地层，由于软地层和硬地层的刚度差异大，在该地层的钻切速度，以及软硬不均地层对钻切刀具的反作用力不相等，从而致使软硬地层可钻切性不同于单一的软地层和硬地层，导致钻切施工面的钻切力比在单一软地层和硬地层中更难控制。

现有的用于软硬地层施工的钻进装置主要有超大直径的盾构刀盘、盾构刮刀、盾构机刀具、PDC钻头、物探冲刮钻头等，现有的用于软硬地层施工的切割装置主要是嵌岩桩气压控制式切割，但超大直径的盾构刀盘、盾构刮刀、盾构机刀具等盾构类钻进装置体型庞大、造价昂贵，PDC钻头、物探冲刮钻头等工程勘察类钻进装置成孔直径小、刀翼分布角度和切削齿分布设置不合理，嵌岩桩气压控制式切割软硬地层时切割面钻切力不能随地层变化而实时变化，功能性有待提高。因此，现有的软硬地层施工成孔装置，主要是单一的钻入装置和切割装置，缺少同时兼具钻进、切割功能于一体的复合型钻切装置。

中国专利CN106907158A一种用于软硬不均地层的超大直径盾构刀盘系统，包括大型刀盘、中型刀盘、小型刀盘，辐条、面板、滚刀、切刀、先行刀、中心刀、搅拌棒、减速器、液压马达、动力传送装置、护盾和螺旋出土装置，但是该刀盘系统布设方式为多层刀盘空间交错分布，造价昂贵，当刀盘遇软硬地层进行钻进施工时，由于受限于盾构前端刀盘为整体结构，仅能通过控制各类刀盘驱使盾构钻入软硬区，难以有效控制软硬不同地层施工时各地层对应切割面的钻切力，同时也不能切割软硬地层中的硬地层，更不能对软硬地层进行冷冻法施工。

中国专利CN206495679U一种在软硬不均地层中使用的盾构刮刀，包括刀体，在刀体的上面一侧边上设有刃口，在刀体上部的斜面上设有安装孔，在刀体的背部设有硬质合金，在刀体的刃口部位设有耐磨合金层，但是该盾构刮刀主要是增强其在不良地层中的抗冲击性能，且成本高，无法保证软硬地层施工时主体结构的精准度，不能用于钻切软硬地层中的岩土体。

中国专利CN204552753U一种适用于软硬不均地层的盾构机刀具，包括安装在刀盘上的多个刀具组合，刀具组合包括滚刀和切削刀，滚刀的轴部安装有传感器，滚刀后部固定安装在刀盘上，切削刀后部通过具有液压伸缩装置的基座安装在刀盘上，基座可沿着盾构机轴向前后移动，但是该盾构机刀具由于受限于盾构前端刀盘为整体结构，仅能通过控制滚刀和切削刀钻入岩土体，不能精准调节软地层、硬地层、软硬相互地层等各类不同地层施工时盾构刀盘钻入面的钻入力，且成本高，也不能切割软硬地层中的硬地层。

中国专利CN203891774U一种适于软硬交错地层的五刀翼PDC钻头，包括钻头本体及凸设于钻头本体冠部的五个刀翼，刀翼之间形成用于排出杂物的数个沟槽，该钻头通过调整刀翼的分布角度以及刀翼上的主切削齿分布来钻孔，当遇软硬地层时，刀翼上的主切削齿不能随着地层的变化以调整主切削齿的钻力，无法保证软硬地层中主体结构的受力均匀性，不能用于岩土体中软硬地层的钻进和切割。