一种自钻式承压水头原位测试装置及其使用方法与流程

本发明属于土木建筑、交通工程、环境工程技术领域，具体涉及一种自钻式承压水头原位测试装置及其使用方法。

背景技术：

城市地下空间开发涉及到的工程地质体往往是一个包含了潜水含水层和多个承压含水层的地下水循环系统，因此深基坑与地下工程减压降水成为影响施工安全、施工效率的重要环节，也一直是工程建设中的难题之一，而准确可靠的对地下多层含水层承压水头进行可靠测试更是降水设计的关键。

目前国内外对地下承压水位的测试主要采用钻孔观测的方法，需要在一个已经钻好的测试孔中安装套管，然后采用水位计观测套管内水位，但实际操作时，需要采用粘土球对套管外侧含水层处上下进行封堵，在此过程中，常常由于黏土球在下行过程中遇水膨胀难以到达预定位置，导致封闭位置错误或封闭效果不好，甚至造成上下含水层地下水的联通，水头测试变成了静止水位或混合水位的测试，或者封闭位置偏差，影响测试的可靠性，甚至测试失败，进而导致降水设计不可靠，甚至给工程留下事故隐患。

鉴于上述原因，迫切需要研发一种能够对地下多层承压水头进行快速、有效测试的新手段，为基坑与地下工程降水设计及控制提供可靠数据，减小基坑与地下工程地下水事故的发生概率。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明针对现有地下多层含水层承压水头测试方法的不足，本发明提出一种地下承压水头原位测试新装置及其使用方法，以解决基坑与地下工程降水设计承压水头难以可靠测试的技术问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种自钻式承压水头原位测试装置，包括钻进系统、膨胀机构及测试系统，其中，

所述钻进系统包括竖直方向的内层中空钻杆及其外部的外层套管，所述外层套管的顶部低于所述内层中空钻杆的顶部，所述内层中空钻杆和外层套管之间形成环形腔，所述内层中空钻杆、环形腔与外设的水箱、水泵依次连接，形成液体循环系统；所述外层套管的底端为切削刃，所述内层中空钻杆的底端连接钻头；所述内层中空钻杆和外层套管的下端为开孔花管，内衬透水钢滤网；

所述膨胀机构包括固定设置在所述外层套管中下部、所述开孔花管上方位置外侧的膨胀膜，所述膨胀膜通过输送管路与高压储存瓶连接；

所述测量系统包括内置于所述内层中空钻杆中的透水钢滤网内部的探测仪和与之连接的数据采集仪。

进一步的，所述透水钢滤网为网片状结构，由不锈钢制作，采用50-60目细滤网。

进一步的，所述膨胀膜外侧缠绕设置有膨胀膜保护套，所述膨胀膜保护套为均匀竖直设置的金属薄片组成，所述金属薄片为长条状不锈钢条带，厚度2mm，宽度10mm，沿膨胀膜外围垂直排列，间距2mm；所述膨胀膜保护套外缠上有一圈胶带，防止金属薄片受力变形而损坏内部的膨胀膜。

进一步的，所述内层中空钻杆和外层套管的顶部均分别连接动力源。

进一步的，所述液体循环系统中，所述环形腔与水箱之间、水泵与内层中空钻杆的顶部之间通过通水管路连接，所述通水管路为聚氨酯纤维增强软管。

进一步的，所述输送管路为聚氨酯纤维增强软管。

进一步的，所述探测仪为渗压计或水位计。

进一步的，所述高压储存瓶为高压气瓶或高压液瓶，相应的输送管路为输气管路或输液管路。

一种自钻式承压水头原位测试装置的使用方法，包括以下步骤：

1)将带膨胀膜的首节外层套管压入地层的隔水层；

2)内层中空钻杆旋转钻进地层，钻进过程中，控制钻头相对位置高于切削刃的底端；通过内层中空钻杆的逐节、循环钻进和逐节压入外层套管，直至钻头穿过隔水层进入测试含水层，而带膨胀膜的膨胀区套管仍位于上部的不透水的隔水层之中；

同时开启水泵输送循环液，将钻进过程中产生的土壤切削碎屑通过环形腔送出钻孔进入水箱；

3)停止外层套管的压入，内层中空钻杆持续钻进，待钻头相对位置超过切削刃底端后停止钻头钻进；

4)开启水泵持续输送循环液进行清洗，同时开启高压储存瓶输送高压膨胀物质使膨胀膜膨胀，与上部隔水层密贴；

5)将探测仪送入内层中空钻杆的底端开孔花管处，观测水压，直至测试得到稳定水压为止。

进一步的，测试完成测试含水层的承压水位后，按上述步骤持续工作，进入下一承压含水层，测试下一含水层承压水头大小。

有益效果：本发明提供的采用一种可以自钻前进的钻进装置，通过内部钻杆驱动钻头钻进至承压含水层，同时将带膨胀膜的外部套管压入不透水层，并通过膨胀膜的膨胀实现与周围土层的密贴，实现隔断上下地下水的联通，进而通过内层中空钻杆将测试元件送入含水层位置，测试水压大小，实现承压水位的可靠测试。本发明可以实现对地下承压水位的高效测试，适应性强，可靠性高，特别是对多层承压水层的连续测试，能满足基坑与地下工程降水设计的需求。

附图说明

图1为本发明的结构成示意图；

图2为本发明带膨胀膜的套管及其外部条状金属薄片示意图；

图3为本发明套管及内部钻杆内衬透水钢滤网示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种具有独特结构和测试方式的自钻式承压水头原位测试新装置及其使用方法，包括钻进系统，膨胀机构及测试系统，钻进系统包括动力源、水泵、水箱、通水管路、外层套筒、内层中空钻杆、切削刃及钻头，钻进压力、水压监控仪表及控制阀；膨胀机构包括膨胀膜、膨胀膜保护套、高压气(或液)瓶、输气(或液)管路、气压(或液压)监控仪表及控制阀；测量系统包括用于水压力观测的渗压计(或水位计)、数据电缆和数据采集仪，切削刃安装于外层套管底端，钻头连接于内层中空钻杆底端；膨胀机构固定在外层套管中下部特定位置，渗压计在测试时内置于内层中空钻杆下端，外层套管及内层钻杆下端为开孔花管，内衬透水钢滤网。本发明通过内层钻杆/外层套管的协同工作实现自主钻进到特定含水层位置，减少对地层的扰动，并通过外层套管上膨胀机构的膨胀实现对上下含水层的密封阻隔，并通过内置的渗压计实现对承压水水头的测试，本发明具有自钻进减少扰动和有效实现不同含水层的密封阻隔，进而实现对不同含水层水头的有效测试，解决了现有预钻式成孔观测承压水头精度低、效率低、不可靠的技术难题。

一种自钻式承压水头原位测试装置，包括钻进系统、膨胀机构及测试系统，其中，

钻进系统包括竖直方向的内层中空钻杆6及其外部的外层套管5，外层套管5的顶部低于内层中空钻杆6的顶部，内层中空钻杆6和外层套管5之间形成环形腔，内层中空钻杆6、环形腔与外设的水箱3、水泵2依次连接，形成液体循环系统；其中，环形腔与水箱3之间、水泵2与内层中空钻杆6的顶部之间通过通水管路4连接，通水管路4为聚氨酯纤维增强软管。水泵2、水箱3及通水管路4与内层中空钻杆6和环形腔共同组成供水循环系统，水泵2使循环钻进液(通常为水)通过内层中空钻杆6压到钻头8前部，再通过内层中空钻杆6和外层套管5之间的环形腔返回地面，同时带走了所有的土壤切削碎屑，传送到水箱3中，并在水箱3中利用分离筛进行固液分离。

外层套管5的底端为切削刃7，内层中空钻杆6的底端连接钻头8；内层中空钻杆6和外层套管5的下端为开孔花管，内衬透水钢滤网17；如图3所示，透水钢滤网17为网片状结构，由不锈钢制作，一般采用50-60目细滤网。

内层中空钻杆6和外层套管5的顶部均分别连接动力源1。动力源1为柴油发电机，连接到钻进系统，使其能够为外层套管5提供逐节压入地层所需要的下压力，为内层中空钻杆6旋转钻进地层提供动力。内层中空钻杆6是分节连接的，每次进尺1m，连接下一根钻杆，采用丝扣连接。

膨胀机构包括固定设置在外层套管5中下部、开孔花管上方位置外侧的膨胀膜9，膨胀膜9通过聚氨酯纤维增强软管输送管路11与高压储存瓶12连接高压储存瓶12为高压气瓶或高压液瓶，相应的输送管路11为输气管路或输液管路。膨胀膜9外侧缠绕设置有膨胀膜保护套10，如图2所示，膨胀膜保护套10为均匀竖直设置的金属薄片组成，金属薄片为长条状，为不锈钢条带，厚度2mm，宽度10mm，沿膨胀膜9外围垂直排列，间距2mm；钻进开始前，可在保护套10外缠上一圈胶带，防止金属薄片受力变形而损坏内部的膨胀膜9。

本发明的膨胀机构，通过输气(或液)管12向与外层套管5下部相连的膨胀膜9输送高压空气(或液体)，使其向四周土层膨胀，与外围土体密贴，达到密封的效果。

测量系统包括内置于内层中空钻杆6中的透水钢滤网17内部的探测仪14和与之连接的数据采集仪16，探测仪14为渗压计或水位，通过数据电缆15连接数据采集仪16。

钻进系统：外层套管5下部特定位置安装有膨胀膜9，膨胀膜9上缠绕胶带，外部为条状金属薄片，保护膨胀膜9；钻进时，地面上的钻进系统通过对外层套管5施加下压力，将套管逐节压入土层；内层钻杆6底部连接有旋转钻头8，在地面动力作用下旋转切削土体前进；当到达测试位置(承压含水层)后，通过高压气(或液)泵输送压缩空气(或液体)使膨胀膜9与孔壁土层密贴，将测试含水层19与上部不透水层即隔水层18隔开。

测试系统：在内层中空钻杆钻6进至含水层19一定深度后，通过内层中空钻杆6压入清水清洗钻孔，直至返回清水至地面，此时将渗压计(或水位计)14测头用数据电缆15送入内层中空钻杆6底部花管透水处测试水压。

上述的一种自钻式承压水头原位测试装置的使用方法，包括以下步骤：

1)将带膨胀膜9的首节外层套管5压入地层的隔水层18；

2)内层中空钻杆6旋转钻进地层，钻进过程中，控制钻头8相对位置高于切削刃7的底端；通过内层中空钻杆6的逐节循环钻进(每钻进1m，连接下一根钻杆，如此循环钻进)和逐节压入外层套管5，直至钻头8穿过隔水层18进入测试含水层19，而带膨胀膜9的膨胀区套管仍位于上部的不透水的隔水层18之中；内层中空钻杆6、外层套管5钻进速率取决于电机功率，土层软性质等。

同时开启水泵2输送循环液，将钻进过程中产生的土壤切削碎屑通过环形腔送出钻孔进入水箱3；

3)停止外层套管5的压入，内层中空钻杆6持续钻进，待钻头8相对位置超过切削刃7底端后停止钻头8钻进；

4)开启水泵2持续输送循环液进行清洗，同时开启高压储存瓶11输送高压膨胀物质使膨胀膜9膨胀，与上部隔水层18密贴；

5)将探测仪14送入内层中空钻杆6的底端开孔花管处，观测水压，直至测试得到稳定水压为止。

测试完成测试含水层19的承压水位后，按上述步骤持续工作，进入下一承压含水层，测试下一含水层承压水头大小。

实施例

一种地下承压水头原位测试新装置，包括钻进系统、膨胀机构及测试系统；

所述钻进系统包括动力源1、水泵2、水箱3、通水管路4、外层套管5、内层中空钻杆6组成，动力源1、水泵2、水箱3、通水管路4组成钻进循环水系统，套管5下端为切削刃7，内层钻杆6下端连接钻头8；动力源1为套管5、内层钻杆6在土层中的钻进提供向下的动力；

所述膨胀机构由膨胀膜9、膨胀膜保护套10、高压气或液瓶或泵11、通气管12和控制器13组成，其中高压气或液瓶或泵11通过通气或液管12为膨胀膜9的膨胀提供压力，膨胀过程通过控制器13控制，外部的膨胀膜保护套10对膨胀膜9提供保护，避免钻进过程中受到损坏。

所述测量系统包括渗压计或水位计14、数据电缆15和数据采集仪16，其中所述的渗压计或水位计14在测试水位时将其用电缆送至内层钻杆下端透水处。

一种地下承压水头测试新装置的使用方法包括以下步骤：

1、安装阶段：在测试区域连接好水泵和水箱，将动力源柴油发电机、输水管路、输气管路、内外两层套管/钻杆与动力系统连接。

2、工作阶段：开启动力源1首先将带膨胀膜9的首节套管压入地层；然后开启内层中空钻杆6旋转钻进，同时开启水泵2，输送循环液清水，将切削碎屑通过内外层钻杆环形腔送出钻孔进入水箱3；钻进过程中，控制钻头8和切削刃7的相对位置为钻头8略高于切削刃7底端，通过内层中空钻杆6的循环钻进和逐节压入外层套管5，直至钻头8穿过隔水层18进入测试含水层19，而带膨胀膜9的套管仍位于上部不透水层18之中；停止外层套管5的压入，内层中空钻杆6持续钻进，钻头8超出切削刃7底端一定距离后，停止内层钻头8钻进，持续通入清水，清洗钻孔，直至地面返回清水，同时开启地面气泵13，输送高压气体使外层套管5下端套管外膨胀膜9膨胀，与含水层上部不透水地层密贴，并使气压保持稳定；将一端连有渗压计或水位计14的数据电缆15送入内层中空钻杆6底端带孔花管处，观测水压，直至测试得到稳定水压为止。

测试完成某含水层承压水位后，可按上述步骤持续工作，进入下一承压含水层，测试下一含水层承压水位。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。