专利名称：导向水平旋喷施工的钻头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种旋喷施工用的钻头。
背景技术：
水平旋喷施工是近年来出现的一种新型岩土加固技术，是由垂直旋喷发展而来， 水平旋喷就是在地层中水平钻进成孔，或小角度的俯、仰和外斜钻进，注浆管呈近水平状， 喷嘴由里向外进行旋喷、注浆。水平旋喷所形成的水平固结体，可以很好的加强构造物的刚 度，支护上方土体，并且具有一定的防渗隔水的性能，具有较广阔的运用前景。但以往水平 旋喷在进行钻孔施工时，需要先成孔然后再进行旋喷，且钻孔深度只有十几米，所以造成了 生产成本高、效率低的缺点。此外，水平旋喷因工艺技术局限，桩径相对较小，桩长较短，一般桩长都在18米以 内，在桩长较大时难以实现相邻桩体的咬合。而且因桩长较短，需要多个循环施工，造成了 生产成本高、效率低的缺点，这在机械化程度较低情况下，对水平旋喷的广泛应用是个很大 的限制。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种导向水平旋喷施工的钻头，要解决传统水平旋喷施 工生产成本高、生产效率低、监控导向难的技术问题；并解决钻头的导向钻进、自动纠偏和 保证隧道或其它地下工程安全施工的问题。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种导向水平旋喷施工的钻头，包括钻头主体和固定连接在钻头主体头部的楔子 板，在钻头主体内、沿轴向布置有高压水通道和高压浆通道，高压水通道侧向开有喷水嘴， 高压浆通道侧向开有喷浆嘴，其特征在于所述钻头主体侧壁上还开有一凹槽，凹槽内镶固有探棒，该探棒带有无线发射器， 并且该无线发射器发射的信号由无线数据采集仪采集，无线数据采集仪又通过高频无线发 射模块、天线与显示器信号连接，无线数据采集仪也通过GPRS与INTERNET连接，实现施工 远程监控。优选的技术方案所述探棒外表面套有胶管，胶管通过管箍与探棒紧固连接。所述探棒中排列有电池仓、探棒CPU、无线发射器、探测钻头温度的温度传感器、探 测钻头旋转位置的工具角传感器，探测钻头的倾角传感器和探测钻头周边压力的压力传感 器，电池仓内的电池与探棒CPU的供电接口、工具角传感器、、温度传感器、倾角传感器和压 力传感器连接，温度传感器、工具角传感器、倾角传感器和压力传感器的数据线分别与探棒 CPU的数据输入端子连接，探棒CPU的数据输出端子又与无线发射器连接，无线发射器将探 棒CPU处理过的信号发送给无线数据采集仪。所述无线数据采集仪包括电池、无线接收模块、高频无线发射模块、GPRS和中央处理单元，其中无线接收模块通过接收无线发射器发出的信号，并将信号传给中央处理单元，中央处理单元将信号处理后又传给高频无线发射模块，高频无线发射模块通过天线将信号 发送给显示器，中央处理单元将信号处理后打包也传送给GPRS，通过INTERNET在任何地方 可监控施工现设工作情况。所述无线数据采集仪还通过高频无线发射或GPRS与操作台信号连接，将中央处 理单元处理过的信号上传至操作台。所述探棒可分为三段，一段内作为电池仓，其端部连接电池仓盖，电池仓内的电池 通过电路与电池插线板连接，电池插线板用环氧树脂固定在探棒中段内，探棒另一段内有 定位槽，并安置有传感器，三段之间由螺纹丝扣实现咬合连接。与现有技术相比本实用新型具有以下特点和有益效果本实用新型涉及了导向水平旋喷施工用的一种钻头用具，主要用于导向水平旋喷 施工，施工工艺主要是解决在软弱地层(特别是富水软弱地层，如淤泥、土、沙、全风化、回 填、破碎带、塌方堆积体等)支护施工中高精度水平旋喷成孔的问题，并解决保护隧道拱部 或周边形成封闭的高质量水平固结体，支护上方土体，起到防渗透的拱壳保护作用。本实用新型还涉及了一种新型岩土加固方法，是一种为了确保开挖安全的隧道或 其它地下工程施工的超前预支护方法。该方法主要解决在软弱地层(特别是富水软弱地 层，如淤泥、土、沙、全风化、回填、破碎带、塌方堆积体等)支护施工时，在隧道拱部或周边 形成封闭的环状高强度帷幕体，支护上方土体，起到防渗透、防变形、防流沙等作用，保证隧 道或其它地下工程的安全施工。本实用新型所采用的技术方案是在钻头内部安装特制的导向定位传感器用以确 定钻头的打设方向和喷嘴的具体位置，使能在必要时改变钻进方向，高精度、长距离地施作 水平旋喷桩，并可以根据需要在特定方向加喷。钻头内部由探棒、高压水通道、喷水嘴、高压(或低压)水泥浆通道、高压(或低 压)水泥浆喷嘴、和楔子板六个部分组成，通过安装在钻头内部的高压水和高压水泥浆通 道上的双重喷嘴，利用高压泥浆泵使水和水泥浆从喷嘴中高压或低压喷出，在土体中形成 柱状固结体。而有效控制此种钻头打设的质量，就是在钻头部位安装导向定位传感器用以 确定钻头的打设方向和喷嘴的具体位置，使能在必要时改变钻进方向，从而达到高精度、长 距离地施作水平旋喷桩。主要可以用于隧道、矿山井巷、人防工程、地基加固、岩土锚固等工 程的施工及特殊处理等方面。本实用新型中的钻头还具有如下有益效果(1)钻头采用组装结构，便于更换及清洗。(2)钻具的喷头与钻头之间安装有传感器，可以检测钻头方位角，倾角及工具角等 多项参数。(3)钻具连接强度高，密封性能好。真正达到了钻喷一体。(5)喷头与钻头，钻头与无线式传感器之间有效结合，信号传输可靠，传送距离长。(5)施工的钻进精度高、距离长。(6)成本低、生产效率高。本实用新型中的施工方法还具有如下有益效果(1)实现高精度、长距离施作水平旋喷桩；[0028](2)快速成拱、防渗透、土体改良，达到止水效果和预支护功能；(3)可以根据地层情况，对特定部位进行加喷、定喷等局部围岩加固及土体改良；(4)成本低、效率高、效果好、安全可靠。(5)确保相邻桩体的咬合，在富水地层中达到止水效果。
以下结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
图1是导向水平旋喷施工的钻头的结构示意图。图2是导向水平旋喷施工的钻头与高压水龙头连接的示意图。图3是提供泥浆的导向水平旋喷施工装置的示意图。图4是提供水泥浆的导向水平旋喷施工装置的示意图。图5是提供清水的导向水平旋喷施工装置的示意图。图6是探棒的原理示意图。图7是探棒、无线数据采集仪、显示器、水平定向钻机之间连接关系的示意图。图8是探棒与钻头主体连接的示意图。图9是探棒实施例的结构示意图。附图标记1_探棒、2-高压水通道、3-喷水嘴、4-高压浆通道、5-喷浆嘴、6_楔子 板、7-高压水龙头、8-双重管钻具；9-泥浆输出管、10-输泥浆管、11-泥浆桶、12-泥浆泵；13-吸浆管、14-输浆泵、15-过滤筛网、16-储浆桶、17-输浆管、18-搅浆筒、19-水 泥浆泵、20-水泥浆输出管、21-三通、22-阀门；23-清水桶、24-高压水泵、25-高压水输出管、26-吸水管；27-管箍、28-胶管、29-钻头主体、30-凹槽、31-电池仓盖、32-电池仓、33-环氧树 脂、34-电池插线板、35-压力传感器、36-温度传感器、37-定位槽。
具体实施方式
实施例参见
图1、图2所示，这种导向水平旋喷施工的钻头，包括钻头主体29和固 定连接在钻头主体头部的楔子板6，在钻头主体内、沿轴向布置有高压水通道2和高压浆通 道4，高压水通道2侧向开有喷水嘴3，高压浆通道4侧向开有喷浆嘴5，所述钻头主体侧壁 上还开有一凹槽30，凹槽内镶固有探棒1，参见图8，探棒1外表面套有胶管28，胶管通过管 箍27与探棒紧固连接。如
图1所示，钻头采用同心圆结构，由6个部分组成。楔子板6通 过焊接与钻头成为一体，在高压水通道2的管壁上和外管壁上开出约Φ8 12mm水眼，用 一根膨胀螺栓将2个孔连接成为喷水嘴3 ；在钻头的中间部位开出安装探棒1的凹槽；高压 浆通道4的后端和钻头的后端开出约Φ8 12mm水眼，用一根膨胀螺栓将2个孔连接(可 垂直也可有角度连接)成为喷浆嘴5喷浆。参见图6、图7，探棒1带有无线发射器，并且该无线发射器发射的信号由无线数据采集仪采集，无线数据采集仪又通过高频无线发射模块、天线与显示器信号连接，无线数据 采集仪也通过GPRS与INTERNET连接，实现施工远程监控。参见图6，所述探棒1中排列有电池仓、探棒CPU、无线发射器、探测钻头温度的温度传感器、探测钻头旋转位置的工具角传感器，探测钻头的倾角传感器和探测钻头周边压 力的压力传感器，电池仓内的电池与探棒CPU的供电接口、工具角传感器、、温度传感器、倾 角传感器和压力传感器连接，温度传感器、工具角传感器、倾角传感器和压力传感器的数据 线分别与探棒CPU的数据输入端子连接，探棒CPU的数据输出端子又与无线发射器连接，无 线发射器将探棒CPU处理过的信号发送给无线数据采集仪。参见图7，所述无线数据采集仪包括电池、无线接收模块、高频无线发射模块、GPRS 和中央处理单元，其中无线接收模块通过接收无线发射器发出的信号，并将信号传给中央 处理单元，中央处理单元将信号处理后又传给高频无线发射模块，高频无线发射模块通过 天线将信号发送给显示器，中央处理单元将信号处理后打包也传送给GPRS，通过INTERNET 在任何地方可监控施工现设工作情况。所述无线数据采集仪还通过高频无线发射或GPRS 与操作台信号连接，将中央处理单元处理过的信号上传至操作台。参见图9，探棒可分为三段，一段内作为电池仓32，其端部连接电池仓盖31，电池 仓32内的电池通过电路与电池插线板34连接，电池插线板34用环氧树脂33固定在探棒 中段内，探棒另一段内有定 位槽37，并安置有压力传感器35和温度传感器36，三段之间由 螺纹丝扣实现咬合连接。水平旋喷桩施工设备主要由两部分组成，即前台和后台。前台主要由油泵、配电 柜、钻机架子、钻机、钻杆和导向水平旋喷钻头组成。后台可参见图3-5。参见图3，泥浆桶11通过阀门22与输泥浆管10连接，输泥浆管10又与泥浆泵12 的入口连通，泥浆泵12的出口可以通过泥浆输出管9与水平定向钻机动力头上的送水器连接。参见图4，在搅浆筒18中配制好水泥浆液，将搅浆筒18通过阀门与吸浆管13连 接，吸浆管13又与输浆泵14的入口连通，输浆泵14的出口又通过输浆管17和过滤筛网15 与储浆桶16连通，储浆桶16又通过三通21和阀门与另一根吸浆管连接，另一根吸浆管又 与水泥浆泵19的入口连通，水泥浆泵19的出口可以通过水泥浆输出管20与水平定向钻机 动力头上的送水器连接。参见图5，清水桶23通过阀门与吸水管26连接，吸水管26又与高压水泵24的入 口连通，高压水泵24的出口可以通过高压水输出管25与水平定向钻机动力头上的送水器 连接。这种导向水平旋喷施工的钻头的施工方法，其步骤如下步骤一、钻机就位、开孔并安装孔口管，即用开孔钻头开孔，然后再安装孔口管和 密封装置，并加固；孔口管和密封状置是为了防止施工过程中出现突水突泥突沙，并可以调 节废浆的流出。步骤二、将导向水平旋喷施工的钻头与钻杆连接，将钻杆与水平定向钻机动力头 连接，将泥浆桶11通过泥浆泵12与水平定向钻机动力头上的送水器连接，调整钻机对好孔 位；所述钻杆为双重管钻具8，所述水平定向钻机动力头上的送水器为高压水龙头7。步骤三、水平旋喷桩预导孔施工，即开启泥浆泵12，将在泥浆桶11中的泥浆传输 至导向水平旋喷施工的钻头中的高压浆通道4和喷浆嘴5并喷出，同时开始钻进，同时探棒 1不断向显示器传输钻头方向和姿态及孔内压力，机手根据显示器显示的信息，不断调整导 向水平旋喷施工的钻头方向，保证钻进方向与设计轨迹吻合，直至钻至设计深度。[0060]钻进前，首先在后台制备好泥浆。再将泥浆泵12与泥浆桶11连接，泥浆输出管9 与钻机动力头上的送水器连接。钻进过程中，探棒1不断向机台上的显示器传输钻头方向 和姿态及孔内压力等信息，实现了随时跟踪监测钻头方向、姿态变化以及孔内压力情况。一 旦发现钻头钻进方向偏离水平旋喷桩设计方向，就必须进行纠偏。将钻头钻进方向调整到 设计轨迹后继续钻进，直至钻至设计深度。监测孔内压力变化，有利于控制地表沉降变化情 况，确保地表构筑物的安全。步骤四、将泥浆桶11与水平定向钻机动力头上的送水器断开，将储浆桶16通过水 泥浆泵19与水平定向钻机动力头上的送水器连接，将清水桶23通过高压水泵24与水平定 向钻机动力头上的送水器连接。步骤五、开始后退钻杆，同时双重管旋喷，即开启水泥浆泵19和高压水泵24，将在 储浆桶16内的水泥浆液传输至导向水平旋喷施工的钻头中的高压浆通道4和喷浆嘴5并 喷出，将清水桶23中的水输至导向水平旋喷施工的钻头的高压水通道2和喷水嘴3并喷 出，形成高压水切割土体并与切割后的土体混合形成旋喷桩；当水泥浆泵19和高压水泵24的压力表指示低于设计压力前，导向水平旋喷施工 的钻头原地旋转，待水泥浆泵19和高压水泵24的压力表指示达到设计压力后，开始后退钻 杆。当水泥浆泵19和高压水泵24的压力表指示达到设计压力后，钻杆勻速旋转，并且勻速 后退。步骤六、当喷水嘴3接近掌子面时(一般0. 5-3米)，关闭高压水泵24，停止喷水， 当喷浆嘴5接近掌子面时(一般0. 5-3米)，关闭水泥浆泵19，停止喷浆；退出钻杆并用高 压水清洗钻杆。步骤七、钻杆全部退出，然后立即封孔，单根旋喷桩施工结束。将钻机移至下一根 桩位进行施工。上述高压泵(底部喷嘴)可以用普通泥浆泵代替，注入水泥浆补注已切削的范围， 此时为普通双管水平旋喷。前述为双管双高压水平旋喷，本实用新型也可以是钻头内部只用单个通道施作水 平旋喷桩。上述情况的特例是在回撤旋喷时，只用单个高压泵而将前述施作预导孔的泵停止 使用，此时便变成单管水平旋喷。及钻预导孔和旋喷采用不同的通道。另外双管如简化成 单管也是一种特例。所有不同的方法出于不同的施工要求及地层情况，也可能导致不同的旋喷桩的直 径及其他特性。本实用新型的核心是在不同的方式基础上增加了导向功能。本实用新型的工作原理利用工程钻机，将带有喷嘴的钻头钻进至土层设计位置后，用高压设备使浆液的 喷射流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，形成预定形状的空间，从土体剥落下来的土粒一 部分陪着喷射流冒出地面，其余部分在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下与注入的 浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律地重新排列，凝固后便在土中形成 一个具有一定强度的固结体。由于采用导向跟管钻进旋喷，钻头采用与钻杆等径的楔型钻头，一般楔子板旋转 直径Φ < 127mm，楔型面与钻具交角<25°。在钻进成孔时，钻头部位安装的带有特制导向定位传感器的探棒(当钻头正常回转钻进时钻管沿直线前进。当钻头由于某种原因偏离预定轨迹偏向某一方向时，就需要纠偏了。方法是把钻头楔面调至已经偏斜的方向，钻机停 止回转加力顶进，钻头由于斜面的作用就会向相反的方向偏斜，以此调整钻进的方向。面向 角的朝向和钻头的偏斜方位都是由装在钻头后部的导向探头监测)确定钻头的打设方向 和喷嘴的具体位置，在必要时改变钻进方向，确保施工的高精度。高压水通道的水受到压力 达额定压力和流量时通过安装在钻头前端的喷水嘴以巨大能量的喷射流将一定范围内的 土体进行切削、摧毁，高压浆通道与高压浆通道环隙的浆液受到压力达到额定压力和流量 时通过安装在钻头后端的喷浆嘴喷出浆液，强制土颗粒与浆液充分混合，然后形成大致水 平的柱状水泥土固结体，从而达到导向水平旋喷时施工高精度的目的。在钻头前端安装调整钻进方向的楔形板，在钻头内部安装特制的探棒。利用探棒 发出的钻头的位置及姿态信息，显示器接收显示钻头倾角、方位角、工具角。(楔形板朝上即 为12点，如同钟面)。打设角度如果偏下，可以把钻头调到12点，即楔形板朝上，直接顶进， 此时由于楔形板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6点 纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会勻速 旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。所以钻头是上下纠偏的关键。预导孔钻进过程中， 发现钻孔偏差过大应及时纠偏。具体纠偏方法如下把楔形板的楔面调至已经偏斜的方向，钻机停止回转加力顶 进，钻头由于斜面的作用就会向相反的方向偏斜，以此调整钻进的方向。面向角的朝向和钻 头的偏斜方位都是由装在钻头后部的探棒监测的，通过探棒将钻头倾角、方位角和工具角 等信息传输到钻机操作台的显示器上，机手就可以方便的调整钻进方向了。钻至设计深度 后回撤钻杆并进行高压旋喷，从而实现高精度、长距离的水平旋喷桩施作。
权利要求一种导向水平旋喷施工的钻头，包括钻头主体(29)和固定连接在钻头主体头部的楔子板(6)，在钻头主体内、沿轴向布置有高压水通道(2)和高压浆通道(4)，高压水通道(2)侧向开有喷水嘴(3)，高压浆通道(4)侧向开有喷浆嘴(5)，其特征在于所述钻头主体侧壁上还开有一凹槽(30)，凹槽内镶固有探棒(1)，该探棒(1)带有无线发射器，并且该无线发射器发射的信号由无线数据采集仪采集，无线数据采集仪又通过高频无线发射模块、天线与显示器信号连接，无线数据采集仪也通过GPRS与INTERNET连接，实现施工远程监控。
2.根据权利要求1所述的导向水平旋喷施工的钻头，其特征在于所述探棒(1)外表 面套有胶管(28)，胶管通过管箍(27)与探棒紧固连接。
3.根据权利要求1或2所述的导向水平旋喷施工的钻头，其特征在于所述探棒(1)中 排列有电池仓、探棒CPU、无线发射器、探测钻头温度的温度传感器、探测钻头旋转位置的工 具角传感器，探测钻头的倾角传感器和探测钻头周边压力的压力传感器，电池仓内的电池 与探棒CPU的供电接口、工具角传感器、、温度传感器、倾角传感器和压力传感器连接，温度 传感器、工具角传感器、倾角传感器和压力传感器的数据线分别与探棒CPU的数据输入端 子连接，探棒CPU的数据输出端子又与无线发射器连接，无线发射器将探棒CPU处理过的信 号发送给无线数据采集仪。
4.根据权利要求3所述的导向水平旋喷施工的钻头，其特征在于所述无线数据采集 仪包括电池、无线接收模块、高频无线发射模块、GPRS和中央处理单元，其中无线接收模块 通过接收无线发射器发出的信号，并将信号传给中央处理单元，中央处理单元将信号处理 后又传给高频无线发射模块，高频无线发射模块通过天线将信号发送给显示器，中央处理 单元将信号处理后打包也传送给GPRS，通过INTERNET在任何地方可监控施工现设工作情 况。
5.根据权利要求4所述的导向水平旋喷施工的钻头，其特征在于所述无线数据采集 仪还通过高频无线发射或GPRS与操作台信号连接，将中央处理单元处理过的信号上传至 操作台。
6.根据权利要求4所述的导向水平旋喷施工的钻头，其特征在于所述探棒分为三段， 一段内作为电池仓(32)，其端部连接电池仓盖(31)，电池仓(32)内的电池通过电路与电池 插线板(34)连接，电池插线板(34)用环氧树脂(33)固定在探棒中段内，探棒另一段内有 定位槽(37)，并安置有传感器，三段之间由螺纹丝扣实现咬合连接。
专利摘要一种导向水平旋喷施工的钻头，包括钻头主体和固定连接在钻头主体头部的楔子板，钻头主体侧壁上还开有一凹槽，凹槽内镶固有探棒，该探棒带有无线发射器，并且该无线发射器发射的信号由无线数据采集仪采集，无线数据采集仪又通过高频无线发射模块、天线与显示器信号连接，无线数据采集仪也通过GPRS与INTERNET连接。本钻头主要用于导向水平旋喷施工，主要是解决在软弱地层支护施工中高精度水平旋喷成孔的问题，本钻头可确定钻头的打设方向和喷嘴的具体位置，使能在必要时改变钻进方向、自动纠偏、高精度、长距离地施作水平旋喷桩，并可以根据需要在特定方向加喷，保证隧道或其它地下工程的安全施工。
文档编号E21B47/12GK201554375SQ20092031748
公开日2010年8月18日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者张春森, 杨积凯, 聂政熊 申请人:北京首尔工程技术有限公司