水下隧道钻爆开挖施工方法

本申请是申请日为2021年11月11日，申请号为2021113332185，发明名称为“软弱富水地层的钻爆掘进装置及钻爆掘进方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种软弱富水地层的钻爆掘进装置及钻爆掘进方法。

背景技术

钻爆掘进是目前工程上常用的隧道施工方法，但是钻爆掘进这种施工方法只是用于岩石类地层，对于泥沙含量与水含量较高的地层(亦称软弱富水地层)，直接进行钻爆作业会导致隧道坍塌，所以目前对于软弱富水地层在进行隧道开挖之前，需要采用冻土法将部分土体与水冻结在一起，利用冻土法在预挖掘隧道的土层上方形成一个冻结防护层，而后再在该冻结防护层的下方进行隧道钻爆掘进作业。

目前对土层进行冻结的方法是先在地面上将两根钢管打进土层中，两根钢管分为内管及外管，内管设置在外管内，进行冻结作业时，首先向外管内充入低温液体(冻结温度远低于纯净水的冻结温度)，低温液体在到达外管的管底之后进入内管，而后再从内管的管底溢流到管顶进行回收降温再利用，低温液体在自上而下再自下而上的回流过程中，低温液体与土层中的水进行换热，土层中的水温降低冻结，从而形成冻土层，这种冻结土体的问题在于，由于低温液体一开始是自上向下流动的，所以低温液体的对上层土体的降温效果大于下层土体的降温效果，实际在冻结时时上层土体先于下层土体冻结，所以这种冻结方法是将隧道上方所有的土层都冻结在了一起，而将隧道上方的所有土层都冻结会导致较高的能耗。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种软弱富水地层的钻爆掘进装置及钻爆掘进方法。

本发明采取的技术方案如下：

一种软弱富水地层的钻爆掘进装置，包括底座，所述底座上设置夹孔，包括外管以及内管，所述外管的一个管口处于封闭状态，所述内管的两个管口都处于敞开状态，所述内管固定设置在外管内，所述内管的管壁与外管的管壁之间存在空隙，所述内管的外壁呈波节状，所述外管与内管之间设置有支撑节，所述内管的中轴线与外管的中轴线相互重合，所述外管与所述底座的夹孔配合在一起，所述内管上接有圆台状的出料管，所述外管的管底处设置有尖锥柱，尖锥柱的柱顶位于出料管的管口处。

具体本种掘进装置只是对土层进行冻结作业的机器，整个设备还包括打桩机以及打眼机。本装置的使用方法如下，

首先打桩机在地面上打孔，而后打桩机将外管(连带着内管一起)打进土体中，最后将底座固定在土体表面，而后将外管夹在底座上，将外管位于土体外的一段固定在地面上，对外管起到夹持固定作用，当外管被夹持固定之后，利用机械手向内管内投放固体干冰颗粒，固体干冰颗粒在内管向下掉落，由于外管的管底放置有尖锥柱，且内管的管口处接有出料管，出料管位于尖锥柱的上方，在出料管的导向作用下，干冰会撞向尖锥柱，撞击会导致干冰碎裂并且堆积在外管的管底处，且随着持续投放的干冰，碎裂的干冰会围绕着尖锥柱形成一个干冰堆，这样整个管子的冷源位于最下方，所以管底周围的土体冻结程度最高，越往地面靠近，管子的温度越高，所以土体的冻结强度是以管底处为最高点，从下向上依次递减，这样可以在预开挖隧道的上方形成一个冻结保护层。且由于冻结保护层上方的土体冻结强度相对更弱或者完全没有冻结在一起，这样在拔出外管时更容易，能耗更低，对土层生态的破坏相对较小。

因为干冰的温度一般在零下78℃，即使汽化时气态二氧化碳的温度依然只有零下20℃，且由于二氧化碳的相对分子质量(44)大于空气(29)，所以干冰汽化产生的二氧化碳气体不会自然上涌，只会随着干冰的不断汽化而不断堆积上逸出，在此温度条件下可以保证水土被冻结在一起，且可以充分利用干冰的冷能，避免冷能的浪费。

内管的外壁呈波节状，这样使得外管与内管之间形成了弯折的气道，当干冰汽化时，上流的二氧化碳气体在弯折的气道内可以停留的时间更长，这样可以充分利用二氧化碳气体的冷能，且由于气道是弯折的，当气道(干冰喷洒热水可以短时间内产生二氧化碳高速气流)内流过高速气流时，高速气流会导致内管与外管发生晃动，而外管的晃动会引起土体的震颤，震颤可以使土体中的一部分气体逸出，减少冻土层中气泡的存在，提高土体的冻结强度，且震颤可以避免土体与外管冻结在一起，这样可以在完成冻结作业后降低外管从土体中取出的难度。

可选的，所述支撑节包括支撑管及椭圆球，所述支撑管的管壁上开设有气孔，所述椭圆球与支撑管的内管壁滑动配合在一起，所述椭圆球的两端设置有弹簧，所述支撑管垂直于外管，且支撑管有多根，支撑管在内管与外管之间交错排列。

本种支撑节中，支撑管用于起到支撑外管与内管的作用，具体支撑管与外管及内管都是焊接固定在一起的，在支撑管上开孔，且在支撑管内设置带椭圆球的弹簧，这样的设计有如下作用，第一是在有急速气流通过内管与外管之间时，支撑管的存在可以对气流起到降速作用，同时由于支撑管上开孔，气流可以驱动支撑管内的椭圆球移动，从而导致椭圆球碰撞内管与外管，导致内管与外管引起震颤。同时当需要加快干冰的升华速度，需要向干冰喷洒适量的水时，由于带孔支撑管的存在，水可以直接喷洒内管与外管之间，由于带孔支撑管的存在，支撑管可以对水起到缓冲作用，并且使得水流以液滴的形式逐渐滴落到干冰上，确保短时间内不会有大量液体瞬间滴落到干冰上，从而导致大量干冰瞬间汽化而浪费大量冷能。同样水在滴落撞击到椭圆球上时，在水的冲击力作用下，椭圆球会发生移动从而持续撞击外管与内管，引起震颤。

可选的，所述底座上通过弹簧弹性安装有夹紧块，且所述夹紧块围绕夹孔分布，所述底座上铰接设置有嵌入杆。

因为在冻结土体的过程中，外管可能会不断地震颤，为了保证不致因为震颤导致外管出现偏移，所以在土层外将外管固定住，具体固定方法如下，首先将外管夹在夹紧块之间，而后将嵌入杆嵌入土体中，由于嵌入杆嵌入土体中，可以避免底座发生移动，且外管是被夹紧块弹性卡夹在一起的，所以在使用时对外管受到的震颤具有良好的适应性。

可选的，还包括芯筒，所述芯筒设置在内管内，所述芯筒与内管之间填充有聚氨酯泡沫，芯筒内滑动设置有端盖。

具体芯筒是干冰的下落通道，端盖的作用是在放置完干冰之后，将端盖堵在放置在芯筒上堵住气体的上流通道，使得气体只能走内管与外管之间的通道，从而充分利用二氧化碳的冷能，同样在芯筒与内管之间设置聚氨酯泡沫是为了利用聚氨酯泡沫的隔热作用，使得二氧化碳的冷能尽量少传递给芯筒。具体端盖上还连接有绳缆，绳缆可以随时根据需要将端盖从芯筒中取出。

可选的，还包括环管，所述环管设置在外管的内管壁上，所述环管上排列设置有漏水孔。

设置带漏水孔的环管是为了便于外管的管底喷洒水，因为有时候需要干冰快速汽化或者在管底处形成冰柱，此时可以通过带漏水孔的环管喷洒水，因为干冰遇到水时会快速汽化，短时间会产生大量的低温二氧化碳气体，

可选的，还包括收集端管，所述收集端管可拆卸地设置在所述外管上，且收集端管呈沙漏状。

设置收集端管是为了收集从外管处逸出的二氧化碳气体，这样可以对二氧化碳进行回收再利用，同时也可以避免二氧化碳对地面操作人员以及地面的动植物造成伤害。具体收集端管是有硅胶制成的，由于收集端管呈沙漏状，这样当收集端管卡夹固定在外管内时，其他口径的管子可以插入收集端管对外管内逸出的气体进行收集。

一种上述钻爆掘进装置的钻爆掘进方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：在地面上方钻孔，钻孔完成之后将外管与内管塞进孔内；

S2：利用将机械手将干冰颗粒塞进内管，干冰颗粒通过内管掉落进外管的管底处，干冰颗粒被尖锥柱撞碎之后围绕尖锥柱分布；

S3：放置完干冰之后堵住内管；并且在外管的管口处收集从外管内溢出的气体；

S4：待形成冻结防护层之后，挖设榫眼，在榫眼内埋设爆炸物；

S5：利用爆炸物炸出隧道。

本种冻结方法中，悬在欲形成的冻结防护层处设置干冰，利用干冰与水土之间进行热交换，这种固液进行热交换的降温方式效率高，只需要投放干冰颗粒即可冻结，且冻结之后，只在欲开挖隧道的上方形成一个冻结防护层，该冻结防护层的存在可以确保在爆炸出隧道后隧道不会出现塌方，需要进行特别说明的是当炸出隧道后，为了避免冻结防护层融化导致隧道出现坍塌，需要在炸出隧道之后迅速在隧道上方搭建支撑结构(支撑结构可以是拱形的钢筋混凝土浇筑圈、钢拱架、钢格栅等临时加固措施)，以防止出现隧道塌方。

本种冻结方法中，采用干冰作为冻结剂，相对于液氮冻结法，对设备的要求大幅降低，且不会将隧道上方的土体全部冻结，这样可以避免对隧道上方的土体微生物多样性造成破坏，采用液氮(以及低温盐水)对隧道上方的土体进行冻结，会导致隧道上方的土体微生物多样性造成无法修复的伤害。

且本种冻结方法形成的冻结防护层中，是中间冻结强度高，两侧冻结强度低的防护层，这样的防护层在满足防护强度的前提下，能耗相会较低。

同样本种冻结方法选用在常压是固态的干冰，且在常压下会自动挥发，这样无需向液体冷冻法那样采用输送设备，且管道设备的密封性的要求大幅降低。

可选的，当干冰到达外管的管底处之后向干冰处喷洒水。

可选的，所述外管的管底呈子弹头状。

外管的管底呈子弹头状，第一是为了增加土体与外管(管底处)的接触面积，这样可以加速冻结保护层的形成，第二由于外管的管底呈子弹头状，这样冻结保护层形成的过程中，冻土层的体积相当于未冻结的状态会发生膨胀，由于管底呈子弹头状，冻土层会对子弹头的管底形成一个向上的作用力，所以该作用力有具有将整个外管往上顶的趋势，所以该作用力的存在可以避免外管的管底与冻土层冻结在一起，使得在完成冻结作业之后，可以快速顺利地取出。

具体外管的管底直接焊接有一块铝合金块，铝合金块用于封堵外管的管口，铝合金块的一端呈子弹头状，铝合金块的另一端呈尖锥状，铝合金块呈尖锥状的一端位于外管内，铝合金块呈子弹头状的一端位于外管外。

可选的，所述外管有多根，且外管之间平行排列。

具体外管有多根，多根外管的管底在地面下方的一个截面处形成一个拱门形，该拱门形的排列设计可以形成了一个大致是圆拱形的冻结防护层。

本发明的有益效果是：可以对土层进行冻结，冻结之后可以进行钻爆开挖隧道。

附图说明：

图1是软弱富水地层的钻爆掘进装置示意简图，

图2是底座的结构示意简图，

图3是内管与外管在在土体中的位置关系示意图，

图4是图3中A处的放大示意简图。

图中各附图标记为：1、端盖；2、芯筒；3、内管；4、外管；5、外管的管底；501、尖锥柱；6、收集端管；7、底座；8、夹紧块；9、嵌入柱；10、环管；11、聚氨酯泡沫；12、出料管；13、支撑管；14、弹簧；15、椭圆球。

具体实施方式：

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

实施例1

参看附图1～附图4，一种软弱富水地层的钻爆掘进装置，包括底座7，底座7上设置夹孔，包括外管4以及内管3，外管4的一个管口处于封闭状态，内管3的两个管口都处于敞开状态，内管3固定设置在外管4内，内管3的管壁与外管4的管壁之间存在空隙，内管3的外壁呈波节状，外管4与内管3之间设置有支撑节，内管3的中轴线与外管4的中轴线相互重合，外管4与底座7的夹孔配合在一起，内管3上接有圆台状的出料管12，外管4的管底处设置有尖锥柱501，尖锥柱501的柱顶位于出料管12的管口处。

具体本种掘进装置只是对土层进行冻结作业的机器，整个设备还包括打桩机以及打眼机。本装置的使用方法如下，

首先打桩机在地面上打孔，而后打桩机将外管4(连带着内管3一起)打进土体中，最后将底座7固定在土体表面，而后将外管4夹在底座7上，将外管4位于土体外的一段固定在地面上，对外管4起到夹持固定作用，当外管4被夹持固定之后，利用机械手向内管3内投放固体干冰颗粒，固体干冰颗粒在内管3向下掉落，由于外管4的管底放置有尖锥柱501，且内管3的管口处接有出料管12，出料管12位于尖锥柱501的上方，在出料管12的导向作用下，干冰会撞向尖锥柱501，撞击会导致干冰碎裂并且堆积在外管4的管底处，且随着持续投放的干冰，碎裂的干冰会围绕着尖锥柱501形成一个干冰堆，这样整个管子的冷源位于最下方，所以管底周围的土体冻结程度最高，越往地面靠近，管子的温度越高，所以土体的冻结强度是以管底处为最高点，从下向上依次递减，这样可以在预开挖隧道的上方形成一个冻结保护层。且由于冻结保护层上方的土体冻结强度相对更弱或者完全没有冻结在一起，这样在拔出外管4时更容易，能耗更低，对土层生态的破坏相对较小。

因为干冰的温度一般在零下78℃，即使汽化时气态二氧化碳的温度依然只有零下20℃，且由于二氧化碳的相对分子质量(44)大于空气(29)，所以干冰汽化产生的二氧化碳气体不会自然上涌，只会随着干冰的不断汽化而不断堆积上逸出，在此温度条件下可以保证水土被冻结在一起，且可以充分利用干冰的冷能，避免冷能的浪费。

内管3的外壁呈波节状，这样使得外管4与内管3之间形成了弯折的气道，当干冰汽化时，上流的二氧化碳气体在弯折的气道内可以停留的时间更长，这样可以充分利用二氧化碳气体的冷能，且由于气道是弯折的，当气道(干冰喷洒热水可以短时间内产生二氧化碳高速气流)内流过高速气流时，高速气流会导致内管3与外管4发生晃动，而外管4的晃动会引起土体的震颤，震颤可以使土体中的一部分气体逸出，减少冻土层中气泡的存在，提高土体的冻结强度，且震颤可以避免土体与外管4冻结在一起，这样可以在完成冻结作业后降低外管4从土体中取出的难度。

支撑节包括支撑管13及椭圆球，支撑管13的管壁上开设有气孔，椭圆球与支撑管13的内管3壁滑动配合在一起，椭圆球的两端设置有弹簧14，支撑管13垂直于外管4，且支撑管13有多根，支撑管13在内管3与外管4之间交错排列。

本种支撑节中，支撑管13用于起到支撑外管4与内管的作用，具体支撑管13与外管4及内管3都是焊接固定在一起的，在支撑管13上开孔，且在支撑管13内设置带椭圆球的弹簧14，这样的设计有如下作用，第一是在有急速气流通过内管3与外管4之间时，支撑管13的存在可以对气流起到降速作用，同时由于支撑管13上开孔，气流可以驱动支撑管13内的椭圆球移动，从而导致椭圆球碰撞内管3与外管4，导致内管3与外管4引起震颤。同时当需要加快干冰的升华速度，需要向干冰喷洒适量的水时，由于带孔支撑管13的存在，水可以直接喷洒内管3与外管4之间，由于带孔支撑管13的存在，支撑管13可以对水起到缓冲作用，并且使得水流以液滴的形式逐渐滴落到干冰上，确保短时间内不会有大量液体瞬间滴落到干冰上，从而导致大量干冰瞬间汽化而浪费大量冷能。同样水在滴落撞击到椭圆球上时，在水的冲击力作用下，椭圆球会发生移动从而持续撞击外管4与内管3，引起震颤。

底座7上通过弹簧14弹性安装有夹紧块8，且夹紧块8围绕夹孔分布，底座7上铰接设置有嵌入杆。

因为在冻结土体的过程中，外管4可能会不断地震颤，为了保证不致因为震颤导致外管4出现偏移，所以在土层外将外管4固定住，具体固定方法如下，首先将外管4夹在夹紧块8之间，而后将嵌入杆嵌入土体中，由于嵌入杆嵌入土体中，可以避免底座7发生移动，且外管4是被夹紧块8弹性卡夹在一起的，所以在使用时对外管4受到的震颤具有良好的适应性。

还包括芯筒2，芯筒2设置在内管3内，芯筒2与内管3之间填充有聚氨酯泡沫11，芯筒2内滑动设置有端盖1。

具体芯筒2是干冰的下落通道，端盖1的作用是在放置完干冰之后，将端盖1堵在放置在芯筒2上堵住气体的上流通道，使得气体只能走内管3与外管4之间的通道，从而充分利用二氧化碳的冷能，同样在芯筒2与内管3之间设置聚氨酯泡沫11是为了利用聚氨酯泡沫11的隔热作用，使得二氧化碳的冷能尽量少传递给芯筒2。具体端盖1上还连接有绳缆，绳缆可以随时根据需要将端盖1从芯筒2中取出。

还包括环管10，环管10设置在外管4的内管3壁上，环管10上排列设置有漏水孔。

设置带漏水孔的环管是为了便于外管4的管底喷洒水，因为有时候需要干冰快速汽化或者在管底处形成冰柱，此时可以通过带漏水孔的环管喷洒水，因为干冰遇到水时会快速汽化，短时间会产生大量的低温二氧化碳气体，

还包括收集端管6，收集端管6可拆卸地设置在外管4上，且收集端管6呈沙漏状。

设置收集端管6是为了收集从外管4处逸出的二氧化碳气体，这样可以对二氧化碳进行回收再利用，同时也可以避免二氧化碳对地面操作人员以及地面的动植物造成伤害。具体收集端管6是有硅胶制成的，由于收集端管6呈沙漏状，这样当收集端管6卡夹固定在外管4内时，其他口径的管子可以插入收集端管6对外管4内逸出的气体进行收集。

需要对附图1～附图4进行说明的是，附图1中为了将各个零件都展示在图纸中，各个零件做了放大与缩小处理，其中外管与内管进行了缩小，而收集端管进行了放大。

本实施例中采用内管与外管是为了减少(这个减少是相对于采用单根外管而言的)二氧化碳气体在外管内的流通面积，使得气体尽可能与外管管壁接触，从而将冷能传递给土层。

本实施例中，内管与芯筒是两根不锈钢管，二者之间用聚氨酯泡沫涨紧在一起，内管与外管以及支撑管三者之间是焊接在一起，组装时先将支撑管焊接在内管上，而后再将一节外管套在内管外，将外管与支撑管焊接在一起，然后再将另一节外管套在内管上进行焊接，焊接完成之后将各截外管焊接在一起，最后再在外管涂一层防水漆。

实施例2

一种实施例1所述钻爆掘进装置的钻爆掘进方法，包括以下步骤，

S1：在地面上方钻孔，钻孔完成之后将外管4与内管3塞进孔内；外管4用底座7卡夹固定；

S2：利用机械手将干冰颗粒塞进内管3，干冰颗粒通过内管3掉落进外管4的管底处，干冰颗粒被尖锥柱501撞碎之后围绕尖锥柱501分布；

S3：放置完干冰之后堵住内管3；并且在外管4的管口处收集从外管4内溢出的气体；

S4：待形成冻结防护层之后，挖设榫眼，在榫眼内埋设爆炸物；

S5：利用爆炸物炸出隧道。

本种冻结方法中，悬在欲形成的冻结防护层处设置干冰，利用干冰与水土之间进行热交换，这种固液进行热交换的降温方式效率高，只需要投放干冰颗粒即可冻结，且冻结之后，只在欲开挖隧道的上方形成一个冻结防护层，该冻结防护层的存在可以确保在爆炸出隧道后隧道不会出现塌方，需要进行特别说明的是当炸出隧道后，为了避免冻结防护层融化导致隧道出现坍塌，需要在炸出隧道之后迅速在隧道上方搭建支撑结构(支撑结构可以是拱形的钢筋混凝土浇筑圈、钢拱架、钢格栅等临时加固措施)，以防止出现隧道塌方。

本种冻结方法中，采用干冰作为冻结剂，相对于液氮冻结法，对设备的要求大幅降低，且不会将隧道上方的土体全部冻结，这样可以避免对隧道上方的土体微生物多样性造成破坏，采用液氮(以及低温盐水)对隧道上方的土体进行冻结，会导致隧道上方的土体微生物多样性造成无法修复的伤害。

且本种冻结方法形成的冻结防护层中，是中间冻结强度高，两侧冻结强度低的防护层，这样的防护层在满足防护强度的前提下，能耗相对较低。

同样本种冻结方法选用在常压是固态的干冰，且在常压下会自动挥发，这样无需向液体冷冻法那样采用输送设备，且管道设备的密封性的要求大幅降低。

当干冰到达外管4的管底处之后向干冰处喷洒水。

外管4的管底呈子弹头状。

外管4的管底呈子弹头状，第一是为了增加土体与外管4(管底处)的接触面积，这样可以加速冻结保护层的形成，第二由于外管4的管底呈子弹头状，这样冻结保护层形成的过程中，冻土层的体积相当于未冻结的状态会发生膨胀，由于管底呈子弹头状，冻土层会对子弹头的管底形成一个向上的作用力，所以该作用力有具有将整个外管4往上顶的趋势，所以该作用力的存在可以避免外管4的管底与冻土层冻结在一起，使得在完成冻结作业之后，可以快速顺利地取出。

具体外管4的管底直接焊接有一块铝合金块，铝合金块用于封堵外管4的管口，铝合金块的一端呈子弹头状，铝合金块的另一端呈尖锥状，铝合金块呈尖锥状的一端位于外管4内，铝合金块呈子弹头状的一端位于外管4外。

外管4有多根，外管直径相等，且外管4之间平行排列。相邻两根外管之间的距离为外管外径的1倍左右。

具体外管4有多根，多根外管4的管底在地面下方的一个截面处形成一个拱门形，该拱门形的排列设计可以形成了一个大致是圆拱形的冻结防护层。

需要说明的是本实施例所示应的钻爆的隧道距离地面的深度为10m～20m。

且本实施方式采用的爆炸物的爆炸当量不可过高，否则可能会直接炸塌冰冻防护层，只需要能将冰冻防护层下方的土体炸出更大流动性，而后即可进行开挖，同样当隧道的宽度相对较小时，在形成冻结防护层后，可以直接进行挖掘，而非采用爆炸物进行钻爆作业。

实施例3

一种水下隧道的钻爆挖掘方法，首先将各个设备运送至船上，而后将船驶至预定位置，而后在水面上将外管(连带着内管一起)沉入打入水面下方的土层中，而后按照实施2中步骤S2至步骤S4的步骤进行作业。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书所作的等效变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。