[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

权利要求书

1.一种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；所述钻进组件包括合金钻头（1）、钻杆（2）、钻机旋转器（7）、钻机旋转器底座（8）和托板滑块（10），合金钻头（1）钻进隧道掌子面前方岩体，合金钻头（1）安装于钻杆（2）顶部，通过钻机旋转器（7）和托板滑块（10）带动钻杆（2）运动，使钻杆（2）产生旋转和平移，所述钻进组件整体固定在一滑轨钢架（19）上以保持稳定性，滑轨钢架（19）包括滑轨卡槽（12）、滑轨脊（13）；所述钻机姿态控制组件由前部升降器、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（20）、前部升降套筒（21）和前部升降轴（22），中部升降器包括中部升降固定销（24）、中部升降套筒（25）和中部升降轴（26），尾部连接件包括滑轨钢架支座（29）和圆柱销（31）；所述数据监测组件包含位移感应器（9）、液压传感器（14）、转速测试仪（5）、扭矩仪转子（3）、扭矩仪定子（4）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（23）、中部升降器底座（27）和尾部连接支座（30）将钻探装置固定于TBM钻机平台架（28）；

所述钻机旋转器底座（8）和托板滑块（10）通过滑轨卡槽（12）实现在滑轨脊（13）上稳定的前后移动，并将位移传输到钻杆（2），以带动合金钻头（1）钻进待测岩体；

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(16)将液压依次传输到液压箱（38）、钻机液压转接器（39）、管道（15）、液压转接器（35）实现动力供给，并由液压封闭螺栓（37）、转接器密封垫（41）和液压转接器螺栓（36）实现钻进组件的固定和密封；

位移感应器（9）在平移过程中通过感应与位移感应器标靶（11）的相对距离来记录合金钻头（1）的钻进进尺。

2.根据权利要求1所述的一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置，其特征在于扭矩仪转子（3）随钻杆（2）同轴运动，扭矩仪定子（4）感应扭矩仪转子（3）的受力状态以实现合金钻头（1）的钻进扭矩测量，与钻杆（2）同轴的转速测试仪（5）记录钻杆旋转速度，扭矩仪定子（4）和转速测试仪支座（6）除用于固定扭矩仪转子（3）和转速测试仪（5）外，还具有约束钻杆（2）的作用。

3.根据权利要求1所述的一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置，其特征在于液压传感器（14）利用液压传感器接头（34）安装于管道（15），并采用固定螺栓（40）进行压紧密封。

4.根据权利要求1所述的一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置，其特征在于由无线信号接收器（32）和数据模块（18）进行传输和记录监测数据，并通过信号传输端口（17）和数据传输针（33）实现和TBM数据处理设备信号对接。

5.一种根据权利要求1-4任一所述的一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置的使用方法，其特征在于，包括以下施工步骤：

步骤1：将TBM钻机平台架（28）安装到TBM刀盘后方的施工平台，调整前部升降轴（22）和中部升降轴（26）至合理高度，使合金钻头（1）贴近待测岩体钻孔；

步骤2：TBM液压输入口（16）接入TBM液压系统，为钻进提供持续动力，同时将信号传输端口（17）与TBM数据传输系统相连接；

步骤3：开启位移感应器（9）、液压传感器（14）、转速测试仪（5）、扭矩仪转子（3）和扭矩仪定子（4），检查数据是否正常输出；

步骤4：启动钻进组件，使钻杆（2）以一定的扭矩和推力向前运动，合金钻头（1）持续钻进岩体，根据位移感应器（9）测值判断钻进距离，钻进至预设距离后，关闭钻进组件；

步骤5：提取并保存数据模块（18）中的数据信息，获取和整理钻进过程中的钻进时间（T，s）、钻进位移（S，m）、钻进压力（P，Pa）、钻进转速（N，rev/s）和钻进扭矩（M，N·m）的数据，并计算出参数A的值；

步骤6：获取钻进监测数据后，利用钻进位移（S，m）和钻进时间（T，s）求得钻进速度（V，m/s），代入公式“K=A×V×P^-0.5×N^-0.5×M^-0.5”，计算完整性指数K，完整岩体0≤K＜2、块状岩体2≤K≤3，非常破碎与空洞岩体K＞3，通过各段钻孔的K值判断岩体的完整性，实施完毕。