一种近水平钻孔钻头位置高度监测方法和监测装置与流程

本发明属于地下工程施工技术领域，涉及一种近水平钻孔钻头位置高度监测方法和监测装置。

背景技术：

当前，我国地下空间建设进入高速发展时期，由于围岩地质日益复杂化，为了有效进行围岩加固并保护施工安全，隧道超前支护成为地下空间建设中常采用的施工工序。比较常用的隧道超前支护方法有管棚、管幕、水平旋喷等，毫无疑问，钻孔或顶管是当前超前支护方法不可避免的施工工艺，为了有效保证支护效果，必须有效保证钻孔或顶管精度，因此施工过程中必须严格监控钢管顶进角度。

通常情况下钢管顶进过程中利用探棒监测顶进角度，这种方法存在以下不足：

（1）在顶进过程中施工条件和施工环境会影响信号传输，从而影响角度监测；

（2）为了防止探棒损坏，探棒安装过程需要附带保护装置，在一定程度上影响了施工工期并增加施工成本；

（3）探棒测量存在累积误差，在一定程度上会影响施工精度判断，大大限制了其适应性，尤其是一些下穿工程，如下穿铁路或既有地铁线路，对施工精度要求更为严格，在整个施工过程中必须精确判断钻头位置高度，及时纠偏，以保证既有线路的正常运营。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述技术问题，提供了一种近水平钻孔钻头位置高度监测方法和监测装置，其结构合理，操作便捷，制造成本低，可控性强，具有较强的工程实用价值。

本发明的技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种近水平钻孔钻头位置高度监测方法，首先，安装连通管，连通管入口始终高于设计钻进或顶进钢管的高度，连通管出口安装在钻头前端；钢管钻进或顶进过程中，连续通过进液管将储液罐中的连通液注入连通管；监测钻头位置高度时，停止注入连通液，记录连通管入口液位稳定时的液位，通过可视化的连通管入口液位监测连通管出口及钻头位置高度。

同时，本申请还提供了一种近水平钻孔钻头位置高度监测方法，其具体包括以下步骤：

S1，将连通管安装在已定位好的钻具前端，入口端呈 “U”型并沿钢管（4）敷设或与钻杆相连；

S2，连接进液管、储液罐及进液阀门；

S3，钢管钻进或顶进及钻头位置高度监测；

S4，钢管钻进或顶进及钻头位置高度纠偏。

进一步地，所述连通液为水、或防冻液。

进一步地，所述连通管上的连通管入口高于设计钻进或顶进钢管的高度不小于30cm。

进一步地，所述连通管上的连通管入口高于设计钻进或顶进钢管的高度不小于30cm。同时，本发明提供的一种近水平钻孔钻头位置高度监测装置，其包括储液罐、进液管及连通管，所述储液罐通过进液管与连通管连接；所述连通管沿钻头钻进的钢管敷设，连通管上的连通管出口设置在钻头的前端，所述连通管上的连通管入口始终高于设计钻进或顶进钢管的高度，储液罐中的连通液经过进液管及连通管从钻头端部的连通管出口流出。

进一步地，所述连通管出口管径为6-12mm。

进一步地，所述进液管上设置有进液阀门。

进一步地，回旋钻进施工时，比如管棚施工或水平旋喷施工，钻进钢管或钻杆作为连通管的一部分；所述钻头位置高度监测装置还包括三通接头，所述三通接头的一接口通过进液管与储液罐连接，其另一接口与钻头钻进的钢管或钻杆连接，其另一接口与连通管连接；所述连通管上的连通管入口始终高于设计钻进或顶进钢管或钻杆的高度，钻进钢管、钻杆或钻头的前端设置通孔作为连通管出口；钢管钻进时，储液罐中的连通液不断经过进液管及钢管从钻进钢管前端的通孔流出。

进一步地，所述连通管上设置有连通阀门，所述进液管上设置有进液阀门。

进一步地，所述钻进钢管、钻杆或钻头前端的通孔的直径为6-12mm。

本发明有益效果：

本发明提供的一种近水平钻孔钻头位置高度监测方法和监测装置，其结构合理，具有以下技术效果：

（1）本发明实现动态近水平钻孔钻头位置高度监测，其方法简单、便捷、灵活，可操控性强；

（2）钢管顶进过程中能够直观的监测钻头位置变化，且不受施工其它因素干扰；

（3）监测结果精确，不存在累积误差；

（4）该监测装置结构简单，携带方便，费用极低，自制即可。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1是本发明所述一种近水平钻孔钻头位置高度监测方法的流程图；

图2本发明所述一种近水平钻孔钻头位置高度监测装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的结构示意图；

图4是图3的连通管端部的局部放大图。

附图中，各标号所代表的部件如下：

1.储液罐；2.进液管；2-1.进液阀门；3.连通管；3-1.连通管入口；3-2.连通管出口；3-3.连通阀门；4.钢管；5.掌子面；6.机头；7.三通接头。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明一种近水平钻孔钻头位置高度监测方法和监测装置进行详细说明。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。

本发明提供了一种近水平钻孔钻头位置高度监测方法，首先，安装连通管3，连通管入口3-1始终高于设计钻进或顶进钢管4的高度，连通管出口3-2安装在钻头前端；钢管4钻进或顶进过程中，连续通过进液管2将储液罐1中的连通液注入连通管3；监测钻头位置高度时，停止注入连通液，记录连通管入口3-1液位稳定时的液位，通过可视化的连通管入口3-1液位监测连通管出口3-2及钻头位置高度。

所述连通管3上的连通管入口3-1始终高于设计钻进或顶进钢管4的高度不小于30cm。

所述连通管出口3-2管径为6-12mm，由于连通管3出口管径很小，连通管3地层内空气无法进入，当连通管出口3-2连通液表面张力与管内压力平衡时，连通管3内液体不再发生流动，连通管入口3-1液位稳定，由于不受地层内空气压力影响，此时连通管入口处及出口处压力相同，因此连通管入口3-1液位与连通管出口3-2液位保持一致，即可通过可视化的入口液位监测地层内钻头位置高度。

所述储液罐1中的连通液为水或防冻液，其经进液管2流至在连通管3中，通过连通管入口连通液液位显示地层内钻头位置高度。一般情况下，从经济角度来讲，连通液多采用水作为流动介质，当气温低至零度以下时，可采用防冻液，以保证连通液的流动性。同时，本申请还提供了一种近水平钻孔钻头位置高度监测方法，其流程图，如图1所示，具体包括以下步骤：

S1，将连通管3安装在已定位好的钻具前端，连通管3入口端呈 “U”型并沿钢管敷设或与钻杆相连；

S2，连接进液管2、储液罐1及进液阀门2-1；

S3，钢管钻进或顶进及位置高度监测；

具体地，钢管4钻进或顶进过程中，始终通过进液管2向连通管3注入连通液，连通液不断从连通管出口3-2流出；监测钻头位置高度时，关闭进液阀门2-1，由于连通管入口3-1始终高于钻进钢管高度，连通液始终单向从连通管入口处流至出口处。

由于连通管出口3-2管径很小，连通管3地层内空气无法进入，当连通液出口连通液表面张力与管内压力平衡时，连通管3内液体不再发生流动，连通管入口3-1液位稳定，由于不受地层内空气压力影响，此时连通管入口处及出口处压力相同，因此连通管入口液位与连通管出口液位保持一致，即通过可视化的入口液位即可监测掌子面5前方地层内钻头位置高度。

S4，钢管钻进或顶进及位置高度纠偏。

具体地，对比S3中实时测量的进液管入口液位偏差，判断钻头位置高度偏差，并及时进行纠偏，直至进液管入口液位与设计钻头位置高度保持一致。

当入口液位与设计钻头位置高度不一致时，需及时进行位置高度纠偏。位置高度纠偏利用楔形板钻头纠偏，当入口液位低于设计钻头位置高度时，将楔形板钻头伸出管外，并调整楔形板钻头斜面朝上，进行钢管顶进，顶进过程中楔形板受到土体向上的作用力，从而带动钢管及连通管向上，顶进过程中随时通过连通管入口液位监测钻头位置高度，当连通管入口液位恢复至与设计钻头位置高度一致时，纠偏完成；

当入口液位高于设计钻头位置高度时，将楔形板钻头伸出管外，并调整楔形板钻头斜面朝下，进行钢管顶进，顶进过程中，楔形板受到土体向下的作用力，从而带动钢管及连通管向下，顶进过程中随时通过连通管入口液位监测钻头位置高度，当连通管入口液位恢复至与设计钻头位置高度一致时，纠偏完成；如此循环往复直至施工结束。

同时本申请还提供了一种近水平钻孔钻头位置高度监测装置的结构示意图，如图2所示，其包括储液罐1、进液管2及连通管3，所述储液罐1通过进液管2与连通管3连接；所述连通管3沿钻头钻进的钢管4敷设，连通管3上的连通管出口3-2设置在钻头的前端，所述连通管3上的连通管入口3-1始终高于设计钻进或顶进钢管4的高度，储液罐1中的连通液经过进液管2及连通管3从钻头端部的连通管出口3-2流出。

所述进液管2上设置有进液阀门2-1。通过进液阀门2-1可以调整储液罐1中的连通液的流速；在需要观察连通液液位时，需要通过进液阀门2-1关闭进液管2，待连通管入口3-1液面稳定时记录入口液位。

当回旋钻进时，比如管棚施工或水平旋喷施工时，钻进钢管或钻杆充当连通管一部分，所述钻头位置高度监测装置还包括三通接头7，所述三通接头7的一接口通过进液管2与储液罐1连接，其另一接口与钻头钻进的钢管4或钻杆相通，其另一接口与连通管3连接；所述连通管3上的连通管入口3-1始终高于设计钻进或顶进钢管4的高度，钻进钢管、钻杆或钻头的前端设置通孔作为连通管出口3-2，如图4所示为此处的局部放大图；钢管4或钻杆钻进时，储液罐1中的连通液不断经过进液管2及钢管4从钻进钢管前端的通孔流出，所述钻进钢管或钻杆前端的通孔的直径为6-12mm。监测钻头位置高度时，关闭进液阀门2-1，打开连通阀门，待连通管入口连通液液位稳定时，测量并记录。

连通管入口液位可直接采用标尺测量，也可给该监测装置安装配套电控模块，直接读数。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明提供的一种近水平钻孔钻头位置高度监测方法和监测装置，其结构合理，适用于地下空间钻孔施工，尤其适用于管幕、管棚、水平旋喷等超前支护结构施工。该监测方法简单、精准、便捷、灵活，可操控性强；且监测安装简单、经济型强，在一定程度上降低了施工成本。

本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。