一种沙土地层吹吸沉管成井施工装置的制作方法

本发明涉及基础工程施工成井技术领域，特别涉及一种沙土地层吹吸沉管成井施工装置。

背景技术：

随着建筑行业的迅速发展，人们对基础工程孔的施工质量和效率要求越来越高。特别的，在沙土地层成井施工过程中，与一般地层的施工作业相比具有较大的难度。目前国内外主要采用人工掘进，沉管挖掘和钻机跟管钻进的方式成井。然而，这些方式均有不足，如：人工掘进容易坍塌。由于沙土地层中沙粒间几乎没有胶结物连接，稳定性很差，在成井过程中井壁容易坍塌，工人的安全不能达到保证；人工沉管挖掘劳动强度大、效率低；钻机跟管钻进准备工作较长，容易井斜，工艺复杂。针对上述问题和不足，亟需研发一种适用于沙土地区的成井设备和方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种沙土地层吹吸沉管成井施工装置，通过射流机构喷出高压气体将井内沙土吹动搅起，使其在井内有限空腔内悬浮在空气中。与此同时，在该有限空腔内设置的吸沙机构将处于悬浮状态的沙土实时吸入并向上运移到地表。当支撑沉管的底部沙土被吹离原位，支撑力小于沉管自重时，沉管下移，吹吸沉管成井施工装置随沉管下移继续吹、吸下部的沙土。整个吹吸过程，工人只需要通过地面控制系统控制吹和吸的相关参数。该装置能够实现沙土地层的快速、安全和经济成井的目的。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种沙土地层吹吸沉管成井施工装置，其特征在于：该装置由中间喷射管组件、中间吸沙机构、边缘吸沙机构、活动支撑件和沉管组成，中间喷射管组件包括内环形管、支撑直管、外环形管、边缘吸沙机构支撑件、中间吸沙机构支撑件、第一固定铰接头、第二固定铰接头、内注气口、外注气口、内环形管喷射口、第一支撑直管喷射口、第二支撑直管喷射口、第一外环形管喷射口及第二外环形管喷射口，所述内环形管、支撑直管、外环形管以及第一固定铰接头均为中空管件，内部互相连通形成一个封闭的内腔，其中内环形管和外环形管同心布置；所述支撑直管焊接在内环形管和外环形管之间，支撑直管的数量至少三根，至少三根支撑直管以等角度间隔呈放射状分布，并在任意相邻的两根支撑直管之间均设置有一个边缘吸沙机构支撑件；所述边缘吸沙机构支撑件为两端敞口的圆筒形结构，边缘吸沙机构支撑件的外壁和与其接触的支撑直管焊接在一起；所述第一固定铰接头焊接在外环形管上，第一固定铰接头和支撑直管同轴设置，第一固定铰接头数量与支撑直管数量一致且一一对应；所述中间吸沙机构支撑件为两端敞口的圆筒形结构，中间吸沙机构支撑件与内环形管同轴设置，且中间吸沙机构支撑件外壁与内环形管接触并焊接在一起；所述第二固定铰接头和第一固定铰接头数量一致且一一对应，第二固定铰接头和第一固定铰接头铰接；所述内注气口设置在内环形管上；所述外注气口开设在支撑直管上，且每个支撑直管上设置有一个外注气口；所述内环形管喷射口呈环形均匀分布在内环形管上，且位于与内注气口相背的一侧上，内环形管喷射口正对着沙土地面；所述第一支撑直管喷射口为分布于支撑直管轴向上的一排通孔，第一支撑直管喷射口位于与外注气口相背的一侧上，第一支撑直管喷射口正对着沙土地面布置；所述第二支撑直管喷射口为分布于第一支撑直管喷射口两侧的至少两排通孔，每排通孔沿支撑直管轴向布置；所述第一外环形管喷射口和第二外环形管喷射口均呈环形均匀分布在外环形管上，第一外环形管喷射口正对着沙土地面；

所述中间吸沙机构安装在中间吸沙机构支撑件上，中间吸沙机构包括中间吸沙机构本体和中间吸沙机构接头，中间吸沙机构本体是由圆柱部和圆锥部两部分组成的一体式结构，中间吸沙机构本体中部设置有沿其轴向贯通的第一输沙通道；中间吸沙机构接头为中空的圆柱形结构，中间吸沙机构接头与中间吸沙机构本体同轴布置并与其圆柱部固定连接，同时中间吸沙机构接头与抽气管道相连；

所述边缘吸沙机构安装在边缘吸沙机构支撑件上，边缘吸沙机构包括边缘吸沙机构本体及边缘吸沙机构接头，边缘吸沙机构本体由圆柱部和圆锥部两部分组成的一体式结构，边缘吸沙机构本体中部设置有沿其轴向贯通的第二输沙通道，边缘吸沙机构接头为中空的圆柱形结构，边缘吸沙机构接头与边缘吸沙机构本体同轴布置并与其圆柱部固定连接，同时边缘吸沙机构接头与抽气管道相连；

所述活动支撑件为圆环形结构，活动支撑件的侧壁上设置有供第一固定铰接头穿过的通孔；

所述沉管的侧壁上开设有供第二固定铰接头穿过的通孔。

进一步，所述第二输沙通道分为吸沙段和输沙段，吸沙段为圆锥形结构，输沙段为圆柱形结构，吸沙段由下到上直径逐渐变小，输沙段直径与吸沙段上端直径相同。

进一步，所述沉管的外侧壁上涂有摩擦涂层。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明是由中间喷射管组件、中间吸沙机构、边缘吸沙机构、活动支撑件和沉管所组成，本发明采用中间喷射管组件喷射高压气体的方式，实现对沉管内限定空腔内的沙土进行扰动，使沙土粒形成悬浮物；利用中间吸沙机构和边缘吸沙机构将悬浮物吸起，同时，装置与沉管连接，进而实现沙土地区的跟沉管成井，该装置具备如下优点：一是解决了沙土地区钻孔时孔壁易坍塌、钻进效率低和成井效果差的问题；二是采用简单的抽吸式装置，实现了跟沉管成井、装置简单易携带以及减小钻进成本的目的。本发明给沙土地区的成井工艺带来了新的思路，具有创新性，应用前景广泛。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明所提出的沙土地层吹吸沉管成井施工装置的总装示意图。

图2是本发明所提出的沙土地层吹吸沉管成井施工装置的中间喷射管组件结构示意图。

图3是本发明所提出的沙土地层吹吸沉管成井施工装置的中间喷射管组件俯视图。

图4是本发明所提出的沙土地层吹吸沉管成井施工装置的中间喷射管组件仰视图。

图5是本发明所提出的沙土地层吹吸沉管成井施工装置的中间吸沙机构正视图。

图6是图5的a-a线剖视图。

图7是本发明所提出的沙土地层吹吸沉管成井施工装置的边缘吸沙机构正视图。

图8是图7的b-b线剖视图。

图9是本发明所提出的沙土地层吹吸沉管成井施工装置的活动支撑件正视图。

图10是图9的c-c线剖视图。

图11是本发明所提出的沙土地层吹吸沉管成井施工装置的沉管正视图。

图12是图11的d-d线剖视图。

图中各标记如下：1-中间喷射管组件、2-中间吸沙机构、3-边缘吸沙机构、4-活动支撑件、5-沉管、101-内环形管、102-支撑直管、103-外环形管、104-边缘吸沙机构支撑件、105-中间吸沙机构支撑件、106-第一固定铰接头、107-第二固定铰接头、108-内注气口、109-外注气口、110-内环形管喷射口、111-第一支撑直管喷射口、112-第二支撑直管喷射口、113-第一外环形管喷射口、114-第二外环形管喷射口、201-第一输沙通道、202-中间吸沙机构接头、301-第二输沙通道、302-边缘吸沙机构接头。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，限定有“第一”及“第二”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。

一种沙土地层吹吸沉管成井施工装置，如图1到图12所示，该装置由中间喷射管组件1、中间吸沙机构2、边缘吸沙机构3、活动支撑件4和沉管5组成，采用喷射高压气体的方式，实现对沙土地层进行扰动，使沙土粒与空气形成混合悬浮物，再将混合悬浮物吸起，同时，装置与沉管连接，进而实现沙土地区的跟沉管成井。

图2、图3及图4所示的中间喷射管组件1用于喷射高压气体，对沙土地区的地层进行扰动，使沙土粒与空气形成混合悬浮物；所述中间喷射管组件1包括内环形管101、支撑直管102、外环形管103、边缘吸沙机构支撑件104、中间吸沙机构支撑件105、第一固定铰接头106、第二固定铰接头107、内注气口108、外注气口109、内环形管喷射口110、第一支撑直管喷射口111、第二支撑直管喷射口112、第一外环形管喷射口113及第二外环形管喷射口114，内环形管101、支撑直管102、外环形管103以及第一固定铰接头106均为中空管件，内部互相连通形成一个封闭的内腔，其中内环形管101和外环形管103同心布置；支撑直管102焊接在内环形管101和外环形管103之间，支撑直管102的数量至少三根，至少三根支撑直管102以等角度间隔呈放射状分布，并在任意相邻的两根支撑直管102之间均设置有一个边缘吸沙机构支撑件104，本实施例中支撑直管102的数量为六根；边缘吸沙机构支撑件104为两端敞口的圆筒形结构，边缘吸沙机构支撑件104的外壁和与其接触的支撑直管102焊接在一起；第一固定铰接头106焊接在外环形管103上，第一固定铰接头106和支撑直管102同轴设置，第一固定铰接头106数量与支撑直管102数量一致且一一对应；中间吸沙机构支撑件105为两端敞口的圆筒形结构，中间吸沙机构支撑件105与内环形管101同轴设置，且中间吸沙机构支撑件105外壁与内环形管101接触并焊接在一起；第二固定铰接头107与第一固定铰接头106采用铰接的方式连接，可相对第一固定铰接头106旋转活动，当装置工作过程中，中间喷射管组件1与活动支撑件4安装在沉管5上时，第二固定铰接头107旋转到与第一固定铰接头106同轴心，实现中间喷射管组件1的支撑，当钻孔结束时，将活动支撑件4向上提起，第二固定铰接头107旋转，中间喷射管组件1与活动支撑装置4一同脱离沉管5，将装置收回地面；所述内注气口108设置在内环形管101上；所述外注气口109开设在支撑直管102上，且每个支撑直管102上设置有一个外注气口109；内环形管喷射口110呈环形均匀分布在内环形管101上，且位于与内注气口108相背的一侧上，当该装置工作时，内环形管喷射口110正对着沙土地面；第一支撑直管喷射口111为分布于支撑直管102轴向上的一排通孔，第一支撑直管喷射口111位于与外注气口109相背的一侧上，当装置工作时，第一支撑直管喷射口111正对着沙土地面；第二支撑直管喷射口112为分布于第一支撑直管喷射口111两侧的至少两排通孔，每排通孔沿支撑直管102轴向布置，当装置工作时，第二支撑直管喷射口112的方向斜对沙土地面；第一外环形管喷射口113和第二外环形管喷射口114均呈环形均匀分布在外环形管103上，当装置工作时，第一外环形管喷射口113正对着沙土地面，第二外环形管喷射口114的方向斜对沙土地面，由于存在多个方向的喷射孔，能实现对沙土地层全方位的充分扰动。

图5及图6所示的中间吸沙机构2用于抽吸中间部分的悬浮物，将沙土吸到地面，实现成井，所述中间吸沙机构2安装在中间吸沙机构支撑件105上，中间吸沙机构2包括中间吸沙机构本体和中间吸沙机构接头202，中间吸沙机构本体是由圆柱部和圆锥部两部分组成的一体式结构，中间吸沙机构本体中部设置有沿其轴向贯通的第一输沙通道201；中间吸沙机构接头202为中空的圆柱形结构，中间吸沙机构接头202与中间吸沙机构本体同轴布置并与其圆柱部固定连接，中间吸沙机构接头202与抽气管道相连，考虑吸沙时气体流场的分布，将中间吸沙机构本体的沙土进入端设计成圆锥形，更有利于对混合悬浮物的抽吸。

图7及图8所示的边缘吸沙机构3用于抽吸边缘部分的悬浮物，将沙土吸到地面实现成井；边缘吸沙机构3安装在边缘吸沙机构支撑件104上，边缘吸沙机构3包括边缘吸沙机构本体及边缘吸沙机构接头302，边缘吸沙机构本体由圆柱部和圆锥部两部分组成的一体式结构，边缘吸沙机构本体中部设置有沿其轴向贯通的第二输沙通道301，第二输沙通道301分为吸沙段和输沙段，吸沙段为圆锥形结构，输沙段为圆柱形结构，吸沙段由下到上直径逐渐变小，输沙段直径与吸沙段上端直径相同，边缘吸沙机构接头302为中空的圆柱形结构，边缘吸沙机构接头302与边缘吸沙机构本体同轴布置并与其圆柱部固定连接，中边缘吸沙机构接头302与抽气管道相连，本发明以吸沙段截面边线角度为20度为例，为更有利于对混合悬浮物的抽吸，将边缘吸沙机构3的沙土进入端设计成圆锥形。

图9及图10所示的活动支撑件4为圆环形结构，活动支撑件4的侧壁上设置有供第一固定铰接头106穿过的通孔，中间喷射管组件1的第一固定铰接头106穿过所述通孔，用于对中间喷射管组件1进行固定。

图11及图12所示的沉管5，其侧壁上开设有供第二固定铰接头107穿过的通孔，当装置在工作过程中，将中间喷射管组件1、活动支撑件4与沉管5进行固定，形成一套完整的成井装置，沉管5的外侧壁上涂有摩擦系数小的摩擦涂层，如铜铅合金材料、石墨涂层等，减小沉管5与孔壁的摩擦，方便沉管5的跟进。

本发明的工作原理及过程：

喷射气体扰动沙土地层：高压气体通过内注气口108和外注气口109注入中间喷射管组件1的内环形管101、支撑直管102以及外环形管103互通形成的内腔，再通过内环形管喷射口110、第一支撑直管喷射口111、第二支撑直管喷射口112、第一外环形管喷射口113及第二外环形管喷射口114将高压气体喷出，冲击沙土地层，对其进行扰动，使沙土粒与空气形成混合悬浮物。内环形管喷射口110、第一支撑直管喷射口111和第一外环形管喷射口113的喷气的方向正对着沙土土层，第二支撑直管喷射口112和第二外环形管喷射口114的喷气方向斜对着沙土土层，能实现对沙土的全方位扰动。

抽吸混合悬浮物实现成井：中间吸沙机构2和边缘吸沙机构3均与地面配备的抽气机相连，将沙土与空气形成混合悬浮物抽吸到地面的容器中，实现成井。第二输沙通道301的吸沙段为圆锥形结构，增大了抽吸口的面积，能提高抽吸效率。

实现跟沉管成井：中间喷射管组件1、活动支撑件4与沉管5相配合，同时，中间吸沙机构2与边缘吸沙机构3上高压气体喷射口的设计能保证完全抽吸走沉管5下方的沙土，在抽吸沙土成井的同时沉管5跟进，实现跟沉管成井的工艺。