一种富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具及其应用

1.本发明涉及一种冻结孔钻进技术，主要涉及富水砂砾地层冻结孔钻进的专用机具及其应用。


背景技术：

2.冻结法是一种利用人工制冷原理进行地层加固的施工方法，其核心是在地层内施工大量冻结孔并在冻结孔内循环低温冷媒，将冻结孔周围土体内的水分冻结成冰，最终形成稳定的冻结壁，达到地层加固的目的。该方法主要适用于富水软弱地层，尤其在承压水层、微承压水层等高风险地层中应用效果最佳。
3.由于冻结法应用的地层普遍风险性较高，因此其冻结孔钻孔过程的风险也极高，整个钻进过程中，地层土体流失必须处于时刻可控范围内，否则，长期的地层流失必然导致地表变形，周围建构筑物受损等一系列问题。
4.目前，一套完整的钻孔机具设备如图1、图2所示：
5.如图1所示，施工前首先在既有结构(如隧道管片)上安装孔口管用于后续设备安装和冻结管导向，同时孔口管上安装旁通结构用于泥浆循环的回浆和排渣。然后在其尾部安装压紧装置(又称孔口密封装置)，该装置的作用是在压紧状态下能够较为有效的将内部盘根与冻结管密闭贴合实现，保证泥浆不从该区域流出。钻进过程中采用三翼钻头或牙轮钻头为导向带着冻结管(或地质钻杆)前进，实现冻结孔钻进，钻进过程中冻结管内部安装有单向阀，保证泥浆实现钻杆(冻结管)内-钻杆(冻结管)端头-钻杆(冻结管)外壁-孔口管旁通的循环排渣体系。
6.目前传统的联络通道钻孔，所使用的钻头主要为普通三翼钻头，由于此类钻头主要针对垂直长距离钻孔设计，因此缺乏联络通道工程的针对性，而钻杆(冻结管)一般为低碳无缝钢管制作，自身外边缘光滑，在砂砾地层中的支撑作用不足；此外，传统的施工中对于地层控制一般采用孔口管+孔口密封装置的组合式密封方案，其中孔口管密封装置(也叫压紧装置)是在冻结孔周围布置一定长度压密的牛油盘根，从而密封住冻结管与压紧装置之间的环形孔隙，达到控制地下水流出的目的。而孔口管自身则作为上述施工的基座，提供与管片的连接基础和泥浆循环的外排接口.
7.如图2所示，为目前钻孔机具安装图，大量砂卵石地层的钻孔经验证明，地层颗粒较大，孔口管排渣不顺畅时，碎渣会在冻结管与孔口管附近堆积，当冻结管钻进速率不足时，长期的单一位置磨损会造成冻结管出现断裂或者潜在断裂的风险，从而产生极大的潜伏风险，导致冻结管体在冻结过程中甚至冻结施工之前出现破损。同时长时间钻孔会使并不耐磨的牛油盘根快速消磨，导致长距离钻孔末期出现孔口密封装置失效的问题。总结分析目前联络通道钻孔施工存在以下风险：
8.钻头专用性不足，难以保证砂卵石地层钻进的可靠性；
9.光滑圆形钻杆的使用难以在复杂砂砾地层中保证不出现塌孔，且粗粒土内钻进稳定性不足；
10.传统孔口密封装置(压紧装置)在长时间长距离钻孔中容易破损；
11.大直径砾石层钻进过程孔口管的排渣通道不畅，容易造成砂石堆积，危害工程安全。
12.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

13.本发明的目的是提供了一种富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具及其应用，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
14.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
15.本发明的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具，包括导阻式冻结管2及套在其外部的主动破岩式孔口管3，所述导阻式冻结管2的前端装有小坡度破岩钻头1；
16.所述小坡度破岩钻头1基于传统三翼钻头进行改良，提升中部钻齿的高度，整体形成3～5
°
的钻孔坡脚。
17.上述的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具的应用，包括如下步骤：
18.步骤1：冻结孔钻进前首先根据地层条件，确定钻孔泥浆的配比和破岩钻头1的选择，并根据地层条件，选择泥浆的材料的配比；
19.步骤2：根据冻结设计图纸，在隧道管片上进行孔口管3安装；
20.步骤3：孔口管3安装完成后，在孔口管后安装球阀4及孔口密封装置；
21.步骤4：钻孔装置安装完成后，钻孔开始前，将配置好泥浆连接到位，并利用水钻对隧道管片进行二次开孔，疏通管片内外；
22.步骤5：利用钻进过程将带有破岩钻头1和导阻式冻结管2的钻具逐步推进至地层位置，然后开始泥浆循环，伴随泥浆循环，逐步进行钻进，此外，钻进过程中压紧密封装置顶盘7，使得耐磨弹性橡胶8压缩至紧密包裹导阻式冻结管2，配合高弹性密封橡胶5实现地层的封闭；
23.步骤6：钻进过程中持续保持孔口管位置的电动破岩切割机10启动，防止钻孔过程泥浆所携带大颗粒砂砾在该区域堆积，造成管体磨损；
24.步骤7：钻进到位完成后，停止电动破岩切割机10，并将其从旁通9上拆除。并连接注浆系统，进行地层注浆，封堵孔口管3和冻结管2之间环形空间，待浆液凝固，拆卸球阀4和孔口密封装置。
25.与现有技术相比，本发明所提供的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具及其应用，通过发明新型钻头、钻杆、密封装置和孔口固定装置，实现提高市政冻结工程中冻结孔钻进效率，防止塌孔，改善施工安全性的目的。
附图说明
26.图1现有技术冻结孔钻进过程示意图；
27.图2现有技术压紧装置组装示意图；
28.图3为本发明实施例提供的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具结构示意图；
29.图4为本发明实施例中小坡度破岩钻头结构示意图；
30.图中：
31.1.小坡度破岩钻头；2.导阻式冻结管；3.主动破岩式孔口管；4.球阀；5.高弹性密封橡胶；6.密封装置底盘；7.密封装置顶盘；8.耐磨弹性橡胶；9.孔口管旁通；10.电动破岩切割机；11.破岩系统供电电缆。
具体实施方式
32.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
33.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
34.术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，x和/或y表示既包括“x”或“y”的情况也包括“x和y”的三种情况。
35.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
36.术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
37.术语“质量份”是表示多个组分之间的质量比例关系，例如：如果描述了x组分为x质量份、y组分为y质量份，那么表示x组分与y组分的质量比为x:y；1质量份可表示任意的质量，例如：1质量份可以表示为1kg也可表示3.1415926kg等。所有组分的质量份之和并不一定是100份，可以大于100份、小于100份或等于100份。除另有说明外，本文中所述的份、比例和百分比均按质量计。
38.除另有明确的规定或限定外，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，或一体地连接；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。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文中的具体含义。
39.术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
40.本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发
明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
41.本发明的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具，包括导阻式冻结管2及套在其外部的主动破岩式孔口管3，所述导阻式冻结管2的前端装有小坡度破岩钻头1；
42.所述小坡度破岩钻头1基于传统三翼钻头进行改良，通过提升中部钻齿的高度，整体形成3～5
°
的钻孔坡脚。(该特征只规定了钻齿高度，没有调整其他结构，或者更加准确的说法是其他设计与传统结构一致，如图4，对钻头直径大致规划了96～104mm均可，但是需注意本设计中对于钻齿高度无固定要求)
43.所述主动破岩式孔口管3采用φ121
×
5mm低碳无缝钢管制作，长度450～550mm，前段200mm的外壁设有鱼鳞扣，尾部一侧安装孔口管旁通9，所述孔口管旁通9包括装有小型液压结构的电动破岩切割机10的旁通和破碎后出渣的旁通；
44.所述电动破岩切割机10通过供电电缆11与外侧电源连接，电动破岩切割机10从旁通9上拆除后，旁通9连接注浆系统。
45.所述主动破岩式孔口管3安装在隧道管片上，所述主动破岩式孔口管3在隧道管片上的固定方式为：
46.在隧道管片安装三个m16膨胀螺栓将所述主动破岩式孔口管3固定，并利用φ16mm钢筋将膨胀螺栓与所述导阻式冻结管2连接，进行整体固定；(该特征是一个安装方法，可以选择现有技术的其它方法，其本身不是发明的创新范围)。
47.所述主动破岩式孔口管3前段的鱼鳞扣外侧缠绕麻丝后塞入隧道管片已开孔位置，从而增大摩擦力，进行孔口管3的辅助连接。
48.所述主动破岩式孔口管3的后端安装球阀4及孔口密封装置。
49.所述孔口密封装置包括；
50.通过丝扣连接的密封装置底盘6和密封装置顶盘7，所述密封装置底盘6通过底座法兰与所述球阀4的法兰连接，所述底座法兰与所述球阀4的法兰之间设有高弹性密封橡胶5，所述密封装置底盘6与所述导阻式冻结管2的外壁之间设有耐磨弹性橡胶8。
51.所述高弹性密封橡胶5的厚度5mm，材质丁腈橡胶，内径87mm；
52.所述耐磨弹性橡胶8的厚度15mm，材质丁腈橡胶，内径94mm；
53.所述底盘6与顶盘7之间的丝扣扭转深度不少于10cm。
54.所述导阻式冻结管2作为钻杆，采用φ89
×
8mm低碳无缝钢管制作，外侧缠绕4～6mm钢筋，其中钢筋与钻杆纵向呈45
°
角均匀缠绕。
55.上述的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具的应用，包括如下步骤：
56.步骤1：冻结孔钻进前首先根据地层条件，确定钻孔泥浆的配比和破岩钻头1的选择，并根据地层条件，选择泥浆的材料的配比；
57.步骤2：根据冻结设计图纸，在隧道管片上进行孔口管3安装；
58.步骤3：孔口管3安装完成后，在孔口管后安装球阀4及孔口密封装置；
59.步骤4：钻孔装置安装完成后，钻孔开始前，将配置好泥浆连接到位，并利用水钻对隧道管片进行二次开孔，疏通管片内外；
60.步骤5：利用钻进过程将带有破岩钻头1和导阻式冻结管2的钻具逐步推进至地层位置，然后开始泥浆循环，伴随泥浆循环，逐步进行钻进，此外，钻进过程中压紧密封装置顶盘7，使得耐磨弹性橡胶8压缩至紧密包裹导阻式冻结管2，配合高弹性密封橡胶5实现地层
的封闭；
61.步骤6：钻进过程中持续保持孔口管位置的电动破岩切割机10启动，防止钻孔过程泥浆所携带大颗粒砂砾在该区域堆积，造成管体磨损；
62.步骤7：钻进到位完成后，停止电动破岩切割机10，并将其从旁通9上拆除。并连接注浆系统，进行地层注浆，封堵孔口管3和冻结管2之间环形空间，待浆液凝固，拆卸球阀4和孔口密封装置。
63.针对砂砾地层，泥浆中添加料的按质量份为每100kg：聚丙烯酰胺(php)：甲羧基纤维素(cmc)：硫酸铝：石墨粉＝8kg：0.2kg：0.1kg：0.02kg：2kg。
64.综上可见，本发明的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具及其应用，通过开发小坡度破岩钻头，改变传统三翼钻头中心部位合金钻头切削不足的问题，提升地层切削效率；通过开发导阻器钻杆，有效改良砂砾地层冻结孔钻进过程中的钻杆稳定和易塌孔问题；
65.通过强弹组合孔口密封装置的开发与应用，解决长距离钻孔(30m～100m)中的孔口密封装置失效的问题；通过主动破岩式孔口管的开发，解决泥浆携渣推挤磨损冻结管的问题。最终构建出一种富水砂砾地层中的新型冻结管钻进方法。
66.为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的方案进行详细描述。
67.实施例1
68.如图3、图4所示：
69.包括如下步骤：
70.步骤1：冻结孔钻进前首先根据地层条件，确定钻孔泥浆的配比和破岩钻头1的选择，其中破岩钻头1基于传统三翼钻头进行改良，提升中部钻齿的高度，整体形成3～5
°
的钻孔坡脚，并根据地层条件，选择膨润土、聚丙烯酰胺等材料的配比，以砂砾地层为例，泥浆掺量为0.5～1％，建议每100kg泥浆内掺加技质量比为：聚丙烯酰胺(php)：甲羧基纤维素(cmc)：硫酸铝：石墨粉＝8kg：0.2kg：0.1kg：0.02kg：2kg。
71.步骤2：根据冻结设计图纸，在隧道管片上进行孔口管3安装，孔口管3采用φ121
×
5mm低碳无缝钢管制作，长度450～550mm(根据冻结孔角度调整)。孔口管前段有200mm的鱼鳞扣，尾部安装旁通，旁通包括电动破岩切割机10(小型液压结构)和破碎后出渣的旁通9。并通过供电电缆11与外侧电源连接。孔口管固定方式为在隧道管片安装m16膨胀螺栓三个，并利用φ16mm钢筋将膨胀螺栓与冻结管连接，进行整体固定，鱼鳞扣外侧缠绕麻丝后塞入隧道管片已开孔位置，从而增大摩擦力，进行孔口管3的辅助连接。
72.步骤3：孔口管3安装完成后，在孔口管后安装球阀4及孔口密封装置(5～8)。其中孔口密封装置是由高弹性密封橡胶5(厚度5mm，材质丁腈橡胶，内径87mm)，底座法兰，密封装置底盘6、密封装置顶盘7和耐磨弹性橡胶8(厚度15mm，材质丁腈橡胶，内径94mm)组成，其中底盘6和顶盘7之间采用丝扣连接，丝扣扭转深度不少于10cm。
73.步骤4：钻孔装置安装完成后，需对冻结孔进行改造，采用导阻式冻结管2作为钻杆，冻结管采用φ89
×
8mm低碳无缝钢管，外侧缠绕4～6mm钢筋制作，其中钢筋与钻杆纵向呈45
°
角均匀缠绕。
74.步骤5：钻孔开始前，将配置好泥浆连接到位，并利用水钻对隧道管片进行二次开孔，疏通管片内外。然后利用钻进将带有破岩钻头1和导阻式冻结管2的钻具逐步挤压至地
层位置，然后开始泥浆循环，伴随泥浆循环，钻进逐步进行顶进。此外，压紧密封装置顶盘7，使得耐磨弹性橡胶8压缩至紧密包裹导阻式冻结管2，配合高弹性密封橡胶5实现地层的封闭。
75.步骤6：钻进过程中持续保持电动破岩切割机启动，防止钻孔过程泥浆携带大颗粒砂砾进入孔口管3并堆积，造成管体磨损。
76.步骤7：钻进到位完成后，停止电动破岩切割机10，并将其从旁通9上拆除。并连接注浆系统，进行地层注浆，封堵孔口管3和冻结管2之间空隙。待浆液凝固，拆卸球阀4和孔口密封装置(5～8)。
77.有益效果：
78.改良了地质钻头结构，研发了适用于冻结孔钻进的小坡度破岩钻头(角度3～5
°
),提升了砂砾地层破岩能力。
79.开发了导阻式冻结器，在实现冻结器钻铺一体施工的同时，有效提升了钻杆的稳定性，并使其具备了一定程度的防塌孔特性。
80.开发了强弹组合孔口密封装置，解决了传统盘根长距离钻进容易磨损的问题。
81.通过主动破岩式孔口管的应用，有效解决了大粒径地层碎渣堆积磨损钻杆的问题
82.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。