一种钻进施工模拟试验系统

1.本实用新型涉及钻进施工模拟试验的技术领域，尤其涉及一种钻进施工模拟试验系统。


背景技术：

2.为了在实际的水平定向钻进施工中能更好的执行整个施工过程，需要在实验室针对所需施工的土体进行施工模拟试验，以获得施工模拟试验过程中的一些关键控制因素的数据，并对数据进行计算分析，最终应用到实际施工过程中，提高实际施工的效率。目前已有的钻进施工模拟试验系统难以对水平定向钻进施工过程中的钻进、回拖扩孔及注浆等过程进行完整的模拟，进而不能获得钻进、回拖扩孔及注浆等过程完整的控制因素的数据。鉴于此，有必要提供一种新型的钻进施工模拟试验系统，以克服或至少缓解上述全部或部分缺陷。


技术实现要素：

3.本实用新型的主要目的是提供一种钻进施工模拟试验系统，旨在解决现有技术中难以模拟整个水平定向钻进施工过程，进而造成无法获取模拟施工过程中完整的控制因素数据的技术问题。
4.为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
5.一种钻进施工模拟试验系统，用于对土体进行钻进施工模拟试验，所述钻进施工模拟试验系统包括模型箱、控制机构、钻进机构、回拖扩孔机构、注浆机构和监测机构，所述控制机构和所述模型箱并列布置，所述钻进机构和所述回拖扩孔机构可交替更换的装配在所述控制机构靠近所述模型箱一侧；其中，所述模型箱内用于铺设所述土体，所述控制机构先用于控制所述钻进机构通过所述模型箱对所述土体进行钻进过程，将所述钻进机构替换成所述回拖扩孔机构后，所述控制机构再用于控制所述回拖扩孔机构通过所述模型箱对所述土体进行回拖扩孔过程；所述注浆机构一侧连通所述钻进机构或者所述回拖扩孔机构，另一侧连通所述模型箱，用于对所述钻进过程或所述回拖扩孔过程提供泥浆循环；所述监测机构与所述模型箱连接，以对所述钻进过程、所述回拖扩孔过程及所述泥浆循环进行数据监测、分析及计算。
6.作为对所述钻进施工模拟试验系统的进一步可选的方案，所述模型箱靠近所述控制机构一侧设置有第一飘窗结构，所述模型箱远离所述控制机构一侧设置有第二飘窗结构；所述第一飘窗结构、所述第二飘窗结构、所述钻进机构和所述回拖扩孔机构的高度对应，且都低于所述土体的上表面。
7.作为对所述钻进施工模拟试验系统的进一步可选的方案，所述控制机构包括底座、动力控制组件、连接杆和支撑座；所述动力控制组件固定安装在所述底座上并位于远离所述模型箱的一端，所述支撑座活动安装在所述底座上并位于靠近所述模型箱的一端，所述连接杆依次穿设于所述动力控制组件和所述支撑座中，所述连接杆靠近所述模型箱一端
可交替更换的装配所述钻进机构和所述回拖扩孔机构。
8.作为对所述钻进施工模拟试验系统的进一步可选的方案，所述动力控制组件和所述支撑座之间设置有螺旋压力传感器，所述螺旋压力传感器可拆卸的安装在所述连接杆上。
9.作为对所述钻进施工模拟试验系统的进一步可选的方案，所述注浆机构包括泥浆罐和泥浆池，所述泥浆罐和所述泥浆池并列布置并通过管道相互连通，所述泥浆罐位于所述泥浆池靠近所述控制机构的一侧；所述泥浆池远离所述泥浆罐一端与所述第二飘窗结构通过进浆软管连通，所述泥浆罐远离所述泥浆池一端与所述连接杆通过出浆软管连通。
10.作为对所述钻进施工模拟试验系统的进一步可选的方案，所述钻进机构靠近所述连接杆一端设置有连接螺纹，与所述连接杆进行螺纹装配连接；所述钻进机构远离所述连接杆一端设置有钻头刀纹，以对所述土体进行钻进过程；且所述钻进机构为中空结构，并与所述连接杆连通。
11.作为对所述钻进施工模拟试验系统的进一步可选的方案，所述回拖扩孔机构靠近所述连接杆一端具有与所述钻进机构相同的连接螺纹，与所述连接杆进行螺纹装配连接；所述回拖扩孔机构远离所述连接杆一端具有圆盘结构，以增加所述回拖扩孔过程中扩孔的直径；同时，所述回拖扩孔机构为中空结构，并与所述连接杆连通，且所述圆盘结构上设置有与其内部中空连通的多个喷嘴。
12.作为对所述钻进施工模拟试验系统的进一步可选的方案，所述模型箱为上方开口的刚性箱体，所述刚性箱体采用透明材料制成。
13.作为对所述钻进施工模拟试验系统的进一步可选的方案，所述监测机构包括有数据处理组件、信号接收组件、光学传感器、压力传感器和移动支架，所述信号接收组件和所述光学传感器安装于所述移动支架上，所述移动支架位于所述模型箱的上方开口并与所述模型箱活动连接；所述压力传感器安装于所述模型箱内，并同时位于所述土体内部；所述数据处理组件独立于所述模型箱之外，并与所述信号接收组件、所述光学传感器、所述压力传感器之间相互电连接。
14.作为对所述钻进施工模拟试验系统的进一步可选的方案，所述模型箱的上方开口在靠近所述控制机构的一侧及远离所述控制机构的一侧均设置有l型滑槽，所述移动支架具体与所述l型滑槽活动连接。
15.本实用新型的实施例具有如下优点：
16.本实用新型的上述技术方案中，钻进施工模拟试验系统包括模型箱、控制机构、钻进机构、回拖扩孔机构、注浆机构和监测机构；模型箱和控制机构并列布置，钻进机构和回拖扩孔机构可交替更换的装配在控制机构靠近模型箱一侧；模型箱内铺设土体，控制机构先用于控制钻进机构对土体进行钻进过程，将钻进机构替换成回拖扩孔机构后，控制机构再用于控制回拖扩孔机构对土体进行回拖扩孔过程；注浆机构一侧连通模型箱，另一侧连通钻进机构或回拖扩孔机构；监测机构连接模型箱。上述方案中控制机构可以控制钻进机构和回拖扩孔机构实现对土体的钻进过程和回拖扩孔过程，同时注浆机构提供泥浆循环，所以本实用新型中的钻进施工模拟试验系统能够完整的模拟水平定向钻进施工中的整个施工过程；进一步的，监测机构可以对整个过程中控制因素的相关数据进行监测、获得，并进行分析计算。
17.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1示出了本实用新型一较佳实施例中钻进施工模拟试验系统的结构示意图；
20.图2示出了本实用新型一较佳实施例中模型箱和所述监测机构的结构示意图；
21.图3示出了本实用新型一较佳实施例中控制机构的结构示意图；
22.图4示出了本实用新型一较佳实施例中注浆机构的结构示意图；
23.图5示出了本实用新型一较佳实施例中回拖扩孔机构的结构示意图。
24.主要元件符号说明：
25.100-模型箱；200-控制机构；300-钻进机构；400-回拖扩孔机构；500
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注浆机构；600-监测机构；900-钻进施工模拟试验系统；110-第一飘窗结构；120-第二飘窗结构；130-土体；210-底座；220-动力控制组件；230-连接杆； 240-支撑座；250-滑轨；260-刻度尺；270-螺旋压力传感器；410-喷嘴；510
‑ꢀ
泥浆罐；520-流量调节阀；530-泥浆池；540-流量计；550-出浆软管；560
‑ꢀ
管道；570-进浆软管；511-搅拌器；512-密封盖；513-气压表；531-过滤结构；532-原始泥浆池；533-配料泥浆池；610-数据处理组件；620-信号接收组件；630-光学传感器；640-压力传感器；650-移动支架。
具体实施方式
26.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
27.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
28.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
31.实施例一
32.请参阅图1，本实施例提供一种钻进施工模拟试验系统900，用于对土体130进行钻进施工模拟试验。所述钻进施工模拟试验系统900能够完整地模拟对所述土体130进行水平定向钻进施工中的钻进、回拖扩孔及注浆等过程，并且可以有效获取钻进过程和回拖扩孔过程中周边土体的相关应力应变数据，有利于关于钻进力、回拖扩孔力、注浆压力等控制因素对钻孔稳定性以及土体应力应变场的影响的研究。
33.在一些具体的实施方式中，所述钻进施工模拟试验系统900包括模型箱100、控制机构200、钻进机构300、回拖扩孔机构400、注浆机构500 和监测机构600。所述模型箱100和所述控制机构200并列布置，所述钻进机构300和所述回拖扩孔机构400可交替更换的装配在所述控制机构200 靠近所述模型箱100一侧。
34.进一步的，所述模型箱100内铺设所述土体130，所述控制机构200先用于控制所述钻进机构300通过所述模型箱100对所述土体130进行钻进过程，将所述钻进机构300替换成所述回拖扩孔机构400后，所述控制机构200再用于控制所述回拖扩孔机构400通过所述模型箱100对所述土体 130进行回拖扩孔过程。
35.同时，所述注浆机构500一侧连通所述钻进机构300或所述回拖扩孔机构400，所述注浆机构500另一侧连通所述模型箱100。所述注浆机构500 用于对所述钻进过程或所述回拖扩孔过程提供泥浆循环。
36.进一步的，所述监测机构600与所述模型箱100连接，所述监测机构 600用于对所述钻进过程、所述回拖扩孔过程和所述泥浆循环中关于钻进力、回拖扩孔力、注浆压力等控制因素的数据进行监测收集，并进一步对数据进行分析计算。
37.本实施例中所述控制机构200可以控制所述钻进机构300和所述回拖扩孔机构400实现对所述土体130的进行所述钻进过程和所述回拖扩孔过程，同时所述注浆机构500提供所述泥浆循环，所以本实施例中所述的钻进施工模拟试验系统900能够完整的模拟水平定向钻进施工中的整个施工过程；进一步的，所述监测机构600可以对整个过程中控制因素的相关数据进行监测、获得，并进行分析计算。
38.实施例二
39.请参阅图1-图5，本实施例提供一种钻进施工模拟试验系统900，用于对土体130进行钻进施工模拟试验。可以理解的是，本实施例是在实施例一的基础上作出的进一步改进。
40.在一些具体的实施方式中，请参阅图1和图2，所述模型箱100靠近所述控制机构200一侧设置有第一飘窗结构110，所述模型箱100远离所述控制机构200一侧设置有第二飘窗结构120。所述第一飘窗结构110、所述第二飘窗结构120、所述钻进机构300和所述回拖扩孔机构400高度相对应，且所述土体130的上表面高于所述第一飘窗结构110和所述第二飘窗结构 120。所述第一飘窗结构110提供给所述钻进机构300或所述回拖扩孔机构 400进行
所述钻进过程或所述回拖扩孔过程的入口通道，并形成有泥浆池；所述第二飘窗结构120提供给完成所述钻进过程后，将所述钻进机构300 替换装配成所述回拖扩孔机构400的操作空间，同时，所述第二飘窗结构 120具体连通所述注浆机构500，并形成有泥浆池。
41.在一些具体的实施方式中，所述模型箱100具体为上方开口的刚性箱体(图中未标示)。所述刚性箱体采用透明材料制成，便于使用者直接目视观测本实施例中所述钻进施工模拟试验系统900的整个钻进施工模拟试验过程。在本实施例中，所述刚性箱体的材料具体采用透明有机玻璃。
42.在一些具体的实施方式中，所述土体130在所述模型箱100内依据施工模拟试验需求填充压实至第一飘窗结构110和第二飘窗结构120上方 300-500mm处。在本实施例中，所述土体130具体采用沙性土作为土体材料，所述土体130具体在所述模型箱100内填充压实至第一飘窗结构110 和第二飘窗结构120上方400mm处，以达到最佳施工模拟效果。
43.在一些具体的实施方式中，请参阅图1和图3，所述控制机构200包括底座210、动力控制组件220、连接杆230和支撑座240。所述动力控制组件220固定安装在所述底座210上并位于远离所述模型箱100的一端，所述支撑座240活动安装在所述底座210上并位于靠近所述模型箱100的一端，所述连接杆230依次穿设于所述动力控制组件220和所述支撑座240 中，所述连接杆230靠近所述模型箱100一端可拆卸的装配所述钻进机构300，所述回拖扩孔机构400可替换所述钻进机构300装配在所述连接杆230 的相同位置。本实施例中，所述连接杆230与所述钻进机构300或所述回拖扩孔机构400的具体装配方式是通过螺纹连接。
44.进一步的，所述动力控制组件220控制所述连接杆230推动所述钻进机构300对所述土体130进行所述钻进过程，将所述钻进机构300替换为所述回拖扩孔机构400后，所述动力控制组件220再控制所述连接杆230 拉动所述回拖扩孔机构400对所述土体130进行所述回拖扩孔过程。所述连接杆230可相对于所述支撑座240进行沿其轴向的移动，所述支撑座240 提供对所述连接杆230沿其轴向移动的支撑和导向作用；同时，所述支撑座240在进行所述钻进过程或所述回拖扩孔过程之前可以活动调节与所述动力控制组件220之间的距离，以便于装配所述钻进机构300或者拆卸所述回拖扩孔机构400。
45.进一步的，所述连接杆230为中空结构，其远离所述模型箱100的一端与所述注浆机构500连通，以使得所述注浆机构500的泥浆可以通过所述连接杆230传输到所述钻进机构300或所述回拖扩孔机构400。同时，所述连接杆230远离所述模型箱100的一端还设置有限位块，以防止所述连接杆230在所述钻进过程中由于过度钻进而脱落。
46.进一步的，所述底座210上设置有滑轨250，所述滑轨250位于所述动力控制组件220靠近所述支撑座240一侧，并从靠近所述动力控制组件220 开始一直延伸至所述底座210靠近所述模型箱100的一端的末端。所述支撑座240套设于所述滑轨250上，所述支撑座240可以沿所述滑轨250的延伸方向进行活动调节，以实现与所述动力控制组件220之间的距离调整；同时，所述支撑座240上还设置有锁止结构，当所述支撑座240调整到合适位置时，所述锁止结构产生作用，将所述支撑座240锁止固定。
47.进一步的，所述动力控制组件220内部设置有伺服电机，用于通过所述伺服电机提供推动或拉动所述连接杆230的动力。
48.进一步的，所述支撑座240内部设置有滚珠轴承，所述滚珠轴承直接与所述连接杆230接触，以使得所述连接杆230在轴向移动稳定、且不产生径向位移的前提下最大程度地
减少所述连接杆230和所述支撑座240之间的摩擦阻力。
49.在一些具体的实施方式中，所述底座210上设置有刻度尺260。所述刻度尺260位于所述动力控制组件220靠近所述支撑座240一侧，与所述滑轨250并排布置，并同样从靠近所述动力控制组件220开始一直延伸至所述底座210靠近所述模型箱100的一端的末端，所述刻度尺260便于使用者观察所述连接杆230推动所述钻进机构300或者所述回拖扩孔机构400 运行的距离。
50.在一些具体的实施方式中，所述动力控制组件220和所述支撑座240 之间设置有螺旋压力传感器270。所述螺旋压力传感器270可拆卸的安装在所述连接杆230上，用于监测并获得所述钻进过程或所述回拖扩孔过程中所述钻进机构300或所述回拖扩孔机构400传递给所述连接杆230的应力数据，所述应力数据最终传输至所述监测机构600。
51.在一些具体的实施方式中，请参阅图1和图4，所述注浆机构500包括泥浆罐510和泥浆池530，所述泥浆罐510和所述泥浆池530并列布置并通过管道560连通，所述泥浆罐510位于所述泥浆池530靠近所述控制机构 200的一侧。所述泥浆池530远离所述泥浆罐510一端与所述第二飘窗结构 120通过进浆软管570连通，所述泥浆池530收集所述第二飘窗结构120内的原始泥浆，然后将所述原始泥浆过滤并添加钻进施工模拟试验所需材料后输送至所述泥浆罐510；所述泥浆罐510远离所述泥浆池530一端与所述连接杆230通过出浆软管550连通，所述泥浆罐510将所述泥浆池530输送过来的泥浆进行混合搅拌后通过所述出浆软管550继续输送至所述连接杆230。
52.进一步的，所述泥浆池530中央位置设置有过滤结构531，所述过滤结构531将所述泥浆池530分割为远离所述泥浆罐510一侧的原始泥浆池532 和靠近所述泥浆罐510一侧的配料泥浆池533。所述原始泥浆池532具体通过所述进浆软管570连通所述第二飘窗结构120，用于收集原始泥浆；所述配料泥浆池533具体通过所述管道560连通所述泥浆罐510，并在上方设置有开口，便于添加所述钻进过程或所述回拖扩孔过程泥浆所需的材料。
53.进一步的，所述泥浆罐510上方设置有密封盖512，所述密封盖512外部设置有气压表513，以获得所述泥浆罐510内的注浆压力；所述密封盖 512内部设置有搅拌器511，以对所述泥浆罐510内的泥浆进行混合搅拌。
54.在一些具体的实施方式中，所述进浆软管570、所述出浆软管550和所述管道560上均设置有流量调节阀520，以调节所述注浆机构500提供的泥浆循环中泥浆的流速。
55.进一步的，所述进浆软管570和所述出浆软管550上设置有流量计540，以获得所述注浆机构500提供的泥浆循环中泥浆的流量数据。
56.在一些具体的实施方式中，所述钻进机构300靠近所述连接杆230一端具有连接螺纹，与所述连接杆230进行螺纹装配连接；所述钻进机构300 远离所述连接杆230一端具有钻头刀纹，以对所述土体130进行钻进过程。进一步的，所述钻进机构300为中空结构，与所述连接杆230相配合，以便于泥浆从所述钻进机构300流出，最终用于所述钻进过程。
57.在一些具体的实施方式中，请参阅图1和图5，所述回拖扩孔机构400 靠近所述连接杆230一端具有与所述钻进机构300相同的连接螺纹，用于与所述连接杆230进行螺纹装配连接；所述回拖扩孔机构400远离所述连接杆230一端具有圆盘结构，以增加所述回拖扩孔过程中扩孔的直径。进一步的，所述回拖扩孔机构400为中空结构，并与所述连接杆230相配合，且所述圆盘结构上设置有与其内部中空连通的多个喷嘴410，以便于泥浆从回拖扩孔
机构400流出，最终用于所述回拖扩孔过程。
58.在一些具体的实施方式中，请参阅图1和图2，所述监测机构600包括有数据处理组件610、信号接收组件620、光学传感器630、压力传感器640 和移动支架650。所述数据处理组件610独立于所述模型箱100之外；所述信号接收组件620和所述光学传感器630安装于所述移动支架650上，所述移动支架650位于所述模型箱100的上方开口并与所述模型箱100活动连接，所述光学传感器630用于监测并获得本实施例中所述钻进施工模拟试验系统900在所述钻进过程或所述回拖扩孔过程中所述土体130上表面的竖直高度变化的数据；所述压力传感器640安装于所述模型箱100内，并同时位于所述土体130内部，用于监测本实施例中所述钻进施工模拟试验系统900在所述钻进过程或所述回拖扩孔过程中所述土体130内部压力变化的数据；所述数据处理组件610、所述信号接收组件620、所述光学传感器630及所述压力传感器640之间相互电连接，所述信号接收组件620 用于接收所述光学传感器620和所述压力传感器640的数据，并结合所述螺旋压力传感器270的数据一同传输给所述数据处理组件610，所述数据处理组件610用于对所有数据进行计算分析，并得出使用者所需的结果。
59.进一步的，所述模型箱100的上方开口在靠近所述控制机构200的一侧及远离所述控制机构200的一侧均设置有l型滑槽，以便于所述移动支架650可以与所述模型箱100沿所述l型滑槽的延伸方向进行移动调节，同时，所述信号接收组件620和所述光学传感器630随同所述移动支架650 一起移动调节，以使所述光学传感器630获得最佳监测位置。
60.在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
61.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
62.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。