旋挖钻进系统及应用其进行的土壤和地下水原位修的工艺技术方案

本发明专利技术公开了一种旋挖钻进系统及应用其进行的土壤和地下水原位修的工艺，旋挖钻进系统采用旋挖‑导向钻进一体化钻机完成不同角度的钻进和回拖旋喷作业。本发明专利技术修复工艺采用的设备简单，附属设备少。同一套旋挖钻机能够实现垂直喷射注入工艺和多分枝井回拖喷射工艺，可根据污染的空间分布不同在两种工艺进行选择。针对分散的点状污染场地选择垂直喷射工艺进行原位注入修复。对于大面积的面状污染场地，选择多分枝井回拖喷射工艺进行原位注入修复，能够做到点面结合的空间立体修复效果。与垂直注入工艺相比，多分枝井修复工艺能够实现单次长距离、大面积修复，可以提高修复效率，缩短修复工期，降低修复成本。

Rotary drilling system and its application in in situ repair of soil and groundwater

【技术实现步骤摘要】
旋挖钻进系统及应用其进行的土壤和地下水原位修的工艺
本专利技术涉及地层修复领域，尤其涉及一种旋挖钻进系统及应用其对土壤及地下水进行原位修复的工艺。
技术介绍
我国土壤和地下水污染现象突出，已呈现从点状污染向带状和面状污染发展的态势。原位修复方法不需要用泵抽和地面处理，无需开挖、可减少污染物暴露，施工影响较小、成本低、修复彻底、处理污染物种类多等优点在欧美发达国家的应用比例不断提高，根据修复机理不同，可分为物理修复(曝气技术、电动修复技术等)、化学修复、原位生物修复和渗透反应墙技术等。因地层复杂，污染程度差异大，土壤和地下水污染修复难度大，当时修复功能材料对污染达到精确投放时具有最佳的修复效果。因此，修复功能材料是否可以精准注入到目的土壤和地下水层中，是原位修复是否成功的前提，精准钻进和智能注入是注入修复的两大关键技术。国内目前注入方法有：(1)钻孔注入，如采用GeoProbe钻机注入，其设备规模小、机动灵活，但压力低，注入效率低，且主要适用于溶液型修复材料，颗粒状的容易堵塞注浆孔；(2)井注入方式，可采用常压注入或加压注入，较适用于液态材料的砂层或者疏松地层，受场地条件影响较大，需对场地地质情况了解透彻；(3)喷射注入，常配合单管法和二重管法进行施工，具有喷射深度限制小，可多角度注入的特点。现有土壤及地下水原位修复工艺主要存在以下不足：第一，针对大面积的污染场地，现有修复工艺单次钻孔修复的体积小，需要在污染场地内钻进大量的钻孔，导致钻孔工作量大、施工周期长成本高。第二，在修复弱渗透地层时，修复药剂扩散半径小，药剂与土壤和地下水混合不均匀，导致修复效果不理想。
技术实现思路
针对上述现有技术中的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种旋挖钻进系统以及应用该旋挖钻进系统对土壤及地下水进行原位修复的方法，通过点面结合的多分枝水平井高压气液喷射修复方法完成对土壤及地下水的修复。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种旋挖钻进系统，包括内管、外管、喷射短节和钻头，内管转动支撑在外管内，内管和外管分别通过对应的动力头驱动；在外管钻进的一端套接喷射短节，喷射短节远离外管的一端连接钻头；所述喷射短节包括其沿径向均匀开设的多个喷射口，内管和外管对应喷射口对应开有同轴的过水孔，内管上开设的过水孔比外管上开设的过水孔的内径小，内管上的过水孔通过水平管延伸至所述喷射短节径向开设的喷射口内；在喷射短节正对内管端面的位置开设台阶孔，台阶孔与钻头水眼连通，内管插入到所述台阶孔的大孔内，在台阶孔的大孔内还具有用于封闭所述台阶孔小孔的密封块，密封块远离内管的一面通过一端固定于台阶孔小孔内的弹簧支撑在台阶孔大孔内。优选地，还包括钻机，所述钻机上安装有桅杆，桅杆与钻机铰接使桅杆倾角在0-90°之间调节。优选地，还包括内管水龙头和外管水龙头，所述内管水龙头与内管的动力头装配在一起，所述外管水龙头和外管的动力头装配在一起；所述内管水龙头和内管的动力头沿桅杆轴向滑动装配在桅杆上，所述外管水龙头和外管的动力头沿桅杆轴向滑动装配在桅杆上。优选地，还包括泥浆泵和砂石泵，所述泥浆泵进口通过管道连通泥浆池，出口通过管道与外管水龙头连通；所述砂石泵进口通过管道与内管水龙头连通，出口通过管道与泥浆池连通。优选地，还包括泥浆泵和配药站，所述配药站的出水口与泥浆泵的进口连通，所述泥浆泵的出口与内管水龙头连通。优选地，还包括空气压缩机，所述空气压缩机与外管水龙头连通。一种应用上述旋挖钻进系统进行的土壤和地下水原位修复工艺，包括如下步骤：S1，确定污染地层或地下水的污染分布情况，确定钻孔位置和分布；S2，通过旋挖钻机系统进行钻孔；钻进过程中，泥浆液通过内管和外管之间的环空中进入喷射短节内，然后通过水平管和喷射口之间的环形间隙喷出，喷出的泥浆液通过钻头的水眼进入到喷射短节的台阶孔内，通过压力作用将密封块顶起后，泥浆液通过台阶孔进入到内管中排出；S3，采用回拖旋喷的方式，通过内管向污染地层或地下水喷射修复药液，通过外管向污染地层或地下水所在区域喷射高压气体；在液体压力作用下，进入到喷射短节后的修复药液将密封块压在台阶孔内，封闭喷射短节和钻头之间的连通通道；高压气体的喷出气压小于修复药液的液压且高压气体的喷出速度大于修复药液的喷出速度，从而使喷射出的高压气体附在喷射出的液柱表面形成气幕。优选地，在步骤S2中，通过泥浆泵从泥浆池中吸取泥浆液再向内管和外管之间的环空中注入，通过砂石泵从内管中吸出泥浆液并排出至泥浆池。优选地，在步骤S3中，回拖旋喷包括竖直方向的回拖旋喷和水平方向的回拖旋喷，通过调整桅杆角度改变回拖旋喷的方向。优选地，在回拖旋喷过程中，通过配药站配置修复药液并通过泥浆泵泵入内管；同时通过空气压缩机制造高压气体泵入内管和外管之间的环空中以在喷射出的液柱表面形成气幕。与现有技术相比，本专利技术实施例至少具有以下优点：第一、修复工艺采用的设备简单，附属设备少。同一套旋挖钻机能够实现垂直喷射注入工艺和多分枝井回拖喷射工艺，可根据污染的空间分布不同在两种工艺进行选择。针对分散的点状污染场地选择垂直喷射工艺进行原位注入修复。对于大面积的面状污染场地，选择多分枝井回拖喷射工艺进行原位注入修复，能够做到点面结合的空间立体修复效果。与垂直注入工艺相比，多分枝井修复工艺能够实现单次长距离、大面积修复，可以提高修复效率，缩短修复工期，降低修复成本。第二、采用旋挖钻机双管反循环钻进成孔后再喷射注入的施工工艺，地层适应性更强，能够在绝大多数地层钻进。通过泥浆循环携带岩屑，成孔速度快。泥浆只添加膨润土，不会污染地层。第三、与常规单管注入的压力不高于20Mpa相比，双管注入能压力能达到30-65Mpa，较高的压力能够增大修复剂的扩散半径，单次钻进修复体积变大，提高修复效率。第四、气液同心高速喷射注入工艺：使修复剂和空气同时从同心喷嘴中高速喷出，在液流外围形成一层气体保护层，有利于增强射流切割能力。同时，由于气体的注入能够增大地层的孔隙度改善渗透性，有利于修复药剂与土壤和地下水的充分混合。附图说明图1为本专利技术旋挖钻进系统竖直钻进状态示意图；图2为图1中A处局部放大图；图3为图2中B处局部放大图；图4为本专利技术旋挖钻进系统竖直状态回拖旋喷状态示意图；图5为图4中C处局部放大图；图6为图5中D处局部放大图；图7为本专利技术旋挖钻进系统水平钻进状态示意图；图8为图7中E处局部放大图；图9为图8中F处局部放大图；图10为本专利技术旋挖钻进系统水平装填回拖旋喷状态示意图；图11为图10中G处局部放大图；图12为图11中H处局部放大图；图13为单层多分枝井三维空间分布形态示意图；图14为双层多分枝井三维空间分布形态示意图。图中，1、钻机；2、桅杆；3、内管水龙头；4、内管的动力头；5、内管；6、外管水龙头；7、外管的动力头；8、外管；9、泥浆泵；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋挖钻进系统，其特征在于，包括内管、外管、喷射短节和钻头，内管转动支撑在外管内，内管和外管分别通过对应的动力头驱动；在外管钻进的一端套接喷射短节，喷射短节远离外管的一端连接钻头；所述喷射短节包括其沿径向均匀开设的多个喷射口，内管和外管对应喷射口对应开有同轴的过水孔，内管上开设的过水孔比外管上开设的过水孔的内径小，内管上的过水孔通过水平管延伸至所述喷射短节径向开设的喷射口内；在喷射短节正对内管端面的位置开设台阶孔，台阶孔与钻头水眼连通，内管插入到所述台阶孔的大孔内，在台阶孔的大孔内还具有用于封闭所述台阶孔小孔的密封块，密封块远离内管的一面通过一端固定于台阶孔小孔内的弹簧支撑在台阶孔大孔内。/n

【技术特征摘要】
1.一种旋挖钻进系统，其特征在于，包括内管、外管、喷射短节和钻头，内管转动支撑在外管内，内管和外管分别通过对应的动力头驱动；在外管钻进的一端套接喷射短节，喷射短节远离外管的一端连接钻头；所述喷射短节包括其沿径向均匀开设的多个喷射口，内管和外管对应喷射口对应开有同轴的过水孔，内管上开设的过水孔比外管上开设的过水孔的内径小，内管上的过水孔通过水平管延伸至所述喷射短节径向开设的喷射口内；在喷射短节正对内管端面的位置开设台阶孔，台阶孔与钻头水眼连通，内管插入到所述台阶孔的大孔内，在台阶孔的大孔内还具有用于封闭所述台阶孔小孔的密封块，密封块远离内管的一面通过一端固定于台阶孔小孔内的弹簧支撑在台阶孔大孔内。


2.根据权利要求1所述的旋挖钻进系统，其特征在于，还包括钻机，所述钻机上安装有桅杆，桅杆与钻机铰接使桅杆倾角在0-90°之间调节。


3.根据权利要求2所述的旋挖钻进系统，其特征在于，还包括内管水龙头和外管水龙头，所述内管水龙头与内管的动力头装配在一起，所述外管水龙头和外管的动力头装配在一起；所述内管水龙头和内管的动力头沿桅杆轴向滑动装配在桅杆上，所述外管水龙头和外管的动力头沿桅杆轴向滑动装配在桅杆上。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的旋挖钻进系统，其特征在于，还包括泥浆泵和砂石泵，所述泥浆泵进口通过管道连通泥浆池，出口通过管道与外管水龙头连通；所述砂石泵进口通过管道与内管水龙头连通，出口通过管道与泥浆池连通。


5.根据权利要求1-3中任一项所述的旋挖钻进系统，其特征在于，还包括泥浆泵和配药站，所述配药站的出水口与泥浆泵的进口连通，所述泥浆泵的出口与内管水龙头连通。


6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志乔，孔令镕，王瑜，凌雪，周琴，刘宝林，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11