一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器及利用该扩搅器的成孔方法技术

本发明专利技术涉及一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器及利用该扩搅器的成孔方法，扩搅器包括管体、钻头、切削搅拌架和浆液输送系统，管体包括外管和内管，外管的上端与钻杆可拆卸连接，钻杆外壁和外管外壁均设置螺旋叶片，外管的下部嵌合套设有内管，内管下端可拆卸连接有钻头；切削搅拌架周向阵列于管体外。成孔方法为：根据钻孔范围内粉细砂层性质及厚度，确定扩搅高程范围和护壁厚度，进而确定扩搅器尺寸；采用扩搅器进行扩搅，从扩搅器中流出的浆体与土体搅拌后固化，钻孔内经过改性的粉细砂浆混合体被送至孔外，最终成孔。利用本发明专利技术扩搅器和成孔方法，使孔壁形成一个有5～20cm厚度的浆土固化层作为钻孔护壁圈，为孔壁自稳提供保证。

A kind of reamer for hole forming of underwater thick silty fine sand layer and its hole forming method

【技术实现步骤摘要】
一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器及利用该扩搅器的成孔方法
本专利技术属于建筑施工
，具体涉及一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器及利用该扩搅器的成孔方法。
技术介绍
粉细砂层无粘结强度，其自稳主要依据土颗粒间相嵌与咬合。因此水下粉细砂层钻孔的孔壁稳定性差，易造成孔底沉渣超限，有时成为废孔。当粉细砂层中富含高承压水时，成孔更加困难。某工程等径长桩（桩长40m余）施工中遭遇到高承压水（7m多的承压水头）厚粉细砂层（顶板距地面约15m，厚度4～6m），成孔后10分钟，即测得孔底沉渣超过3m。虽然通过调节护壁泥浆、更换成孔方法（先高压旋喷再成孔）、更换施工队伍（具有丰富水下粉细砂层成孔经验和大量工程实践经验）等措施，但厚沉渣问题依然没有得到解决。经过多次论证，最终采用钢套管护壁成孔取得成功，但却多付出了近千万元的经济代价。水下厚粉细砂层中成孔，尤其是富存高承压水时，孔壁不稳，成孔质量往往得不到保证。因此，如何控制这种水下，特别是高承压水下粉细砂层孔壁的稳定是成孔的关键。
技术实现思路
本专利技术为解决水下厚粉细砂层中成孔时孔壁稳定性差，易造成孔底沉渣超限的问题，提供一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器及利用该扩搅器的成孔方法。本专利技术的扩搅器在孔壁注入浆液并搅拌，使孔壁形成一个有5～20cm厚度的浆土固化层作为钻孔护壁圈，为孔壁自稳提供保证。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的第一方面，提供一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，包括管体、钻头、切削搅拌架和浆液输送系统，所述管体包括外管和内管，所述外管的上端与带芯管的双重管钻杆可拆卸连接，所述钻杆外壁和外管外壁均设置螺旋叶片，外管的下部嵌合套设有内管，所述内管下端可拆卸连接有钻头；所述切削搅拌架周向阵列于管体外，切削搅拌架包括上切削板和与上切削板的下端铰接的下切削板，上切削板的上端与外管铰接，下切削板的下端与内管铰接；所述浆液输送系统包括芯管、输浆通道、上通管和底通管，所述芯管固定设置在外管内的上部，所述输浆通道包括钻头孔道、内管孔道以及位于上切削板和下切削板内的板内孔道，所述上通管接收来自钻杆芯管与钻杆内壁间的浆液并穿过外管壁与位于上切削板内的板内孔道连通，芯管底部连接有底通管，底通管与钻头孔道连通，钻头孔道与内管孔道连通，内管孔道通过连接管与位于下切削板内的板内孔道连通；所述上切削板和下切削板的一侧靠近上切削板和下切削板铰接处设置有出浆孔，所述出浆孔与板内孔道连通。进一步的，所述外管内壁设置有若干个导槽，内管外壁对应导槽的位置设置有凸起，导槽和凸起相匹配且能使外管和内管相互滑动。进一步的，设置于外管壁上的螺旋叶片的宽度从下至上依次增大。该设置在扩搅器下行时实现对护壁圈的孔内一侧保护层逐渐剥离，相当于为护壁圈的形成和其强度的强化留出时间，同时让所有螺旋叶片都分摊孔内浆土混合体切割工作量，再者为扩搅器的扩搅减轻周边压力。双液浆土固化过程先是浆土混合体初凝，随后其强度随时间逐渐提高。所述外管的上端与钻杆螺纹连接，所述芯管与钻杆的芯管螺纹连接，以接入来自钻杆芯管的浆液，内管下端螺纹连接有钻头。进一步的，所述上切削板和下切削板均呈板状结构，上切削板和下切削板与出浆孔相对的一侧设置有切削刃，上切削板的切削刃与下切削板的切削刃位于同侧。进一步的，所述芯管上部通过若干个连接片与外管的内壁固定连接，芯管的下部通过内隔板与外管的内壁固定连接；所述上通管的一端固定设置于内隔板中，二者的顶端齐平。进一步的，所述内管外套设有若干定位箍，定位箍用以控制外管的下行进程，以调节切削搅拌架的最大张开程度。当外管下滑与定位箍相接触时，定位箍将对外管起阻止下滑作用，此时切削搅拌架达到了最大张开度。进一步的，所述钻头为截面呈“Y”形或“十”字形的超短锥形钻头或短螺纹距的螺旋叶片超短钻头。当钻头为超短锥形钻头时，锥头角度为60～150°，土体坚硬密实时锥头角度取小值，土体稍硬较密实时取大值。钻头的选择要求为：既要能钻进，又不能钻进过快，以使钻孔外周土体充分搅拌，并能形成固化圈，为钻孔护壁打下基础。进一步的，外管径向对称设置有两个溢流孔，所述溢流孔位于内隔板的下方，溢流孔外侧设置有由橡胶制成的封孔片，所述封孔片嵌入外管，封孔片的外表面与外管的外壁平齐或微凹，封孔片的一端与外管固定连接。溢流孔的设置，用于调节扩搅器工作时其管内外流体运移与压差，减少不利影响。本专利技术扩搅器的内管、外管的长度根据扩底尺寸和扩搅范围直径确定。可以加工成多个系列尺寸，工程应用时根据扩搅范围进行内管、外管组装而成。同时，可以借助定位箍进一步调节扩搅器的扩搅范围。设钻孔直径为a，扩搅范围的直径为b，外管外径为d。受上切削板和下切削板铰接的影响，内管和外管在竖向上不会完全接触，有最小间距c，因此上/下切削板的有效长度（指出浆孔至外管壁或内管壁的长度）为上/下切削板长度=上切削板和下切削板也可不等长，此时内管和外管的有效高度就可以差距明显。如现有上/下切削板长度超出了上述计算的长度，就需要加若干个定位箍（预先加工好的）来增加c值。本专利技术的第二个方面，提供了一种水下厚粉细砂层成孔方法，具体为：先根据钻孔范围内粉细砂层性质及厚度，确定扩搅高程范围和护壁厚度，进而确定扩搅器尺寸；采用扩搅器对钻孔外周进行扩搅固化，从扩搅器中带压流出的浆液与旋切松动土体搅拌后迅速初凝，在钻孔外周形成具有一定强度和厚度的砂浆护壁圈，同时，扩搅器上接的钻杆的螺旋叶片将钻孔内经过改性的粉细砂浆混合体（低强度浆土固化体）送至孔外，最终成孔。上述水下厚粉细砂层成孔方法，具体包括以下步骤：步骤1：根据粉细砂性质和拟设置的护壁圈厚度，计算扩搅范围尺寸、顶底高程。步骤2：确定扩搅器尺寸，包括外管和内管的高度和直径、钻头锥尖角大小和切削搅拌架尺寸。通常以切削搅拌架合拢时扩搅器外包络圆直径为钻孔直径的1/3～2/3为原则来选择内管和外管直径，以切削搅拌架全张开时出浆孔到达扩搅范围外边界为原则选择切削搅拌架的上切削板和下切削板的长度，以切削搅拌架张开到设计开度时钻头不产生较大的钻进下行为原则选择钻头锥尖角大小，根据上切削板和下切削板的长度选择内管与外管的高度。如果已有的切削搅拌架的上切削板和下切削板偏长，则可通过加定位箍来满足要求。步骤3：选择配套钻杆，选用带芯管的双重管钻杆，且钻杆外壁设置有螺旋叶片。步骤4：浆液配制：根据地质条件和工程要求综合确定护壁圈的固化强度和厚度，然后配制相配套的初凝时间和强度的浆液。采用双浆液时，应确定每种单浆液以及两种浆液混合后的合理初凝时间。步骤5：按规范要求钻直孔到扩搅范围的上高程处，并保持孔内护壁泥浆合理高度。步骤6：利用扩搅器对步骤5中所述直孔进行扩搅和排土，直至到达设计的扩搅钻进底高程，使孔壁形成一个有5～20cm厚度的护壁圈。步骤7：扩搅钻进工作完成后，停止浆液输送，上提扩搅器成孔。成孔后浆土护壁圈仍保留，钻孔孔壁稳定。步骤8：如果设计钻孔需要下延且土质条件良本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，包括管体、钻头（1）、切削搅拌架和浆液输送系统，所述管体包括外管（2）和内管（3），所述外管（2）的上端与带芯管的双重管钻杆可拆卸连接，所述钻杆外壁和外管（2）外壁均设置螺旋叶片（26），外管（2）的下部嵌合套设有内管（3），所述内管（3）下端可拆卸连接有钻头（1）；/n所述切削搅拌架周向阵列于管体外，切削搅拌架包括上切削板（4）和与上切削板（4）的下端铰接的下切削板（5），上切削板（4）的上端与外管（2）铰接，下切削板（5）的下端与内管（3）铰接；/n所述浆液输送系统包括芯管（6）、输浆通道、上通管（25）和底通管（7），所述芯管（6）固定设置在外管（2）内的上部，所述输浆通道包括钻头孔道（8）、内管孔道（9）以及位于上切削板（4）和下切削板（5）内的板内孔道（10），所述上通管（25）接收来自钻杆芯管与钻杆内壁间的浆液并穿过外管（2）壁与位于上切削板（4）内的板内孔道（10）连通，芯管（6）底部连接有底通管（7），底通管（7）与钻头孔道（8）连通，钻头孔道（8）与内管孔道（9）连通，内管孔道（9）通过连接管（11）与位于下切削板（5）内的板内孔道（10）连通；所述上切削板（4）和下切削板（5）的一侧靠近上切削板（4）和下切削板（5）铰接处设置有出浆孔（12）。/n...

【技术特征摘要】
1.一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，包括管体、钻头（1）、切削搅拌架和浆液输送系统，所述管体包括外管（2）和内管（3），所述外管（2）的上端与带芯管的双重管钻杆可拆卸连接，所述钻杆外壁和外管（2）外壁均设置螺旋叶片（26），外管（2）的下部嵌合套设有内管（3），所述内管（3）下端可拆卸连接有钻头（1）；
所述切削搅拌架周向阵列于管体外，切削搅拌架包括上切削板（4）和与上切削板（4）的下端铰接的下切削板（5），上切削板（4）的上端与外管（2）铰接，下切削板（5）的下端与内管（3）铰接；
所述浆液输送系统包括芯管（6）、输浆通道、上通管（25）和底通管（7），所述芯管（6）固定设置在外管（2）内的上部，所述输浆通道包括钻头孔道（8）、内管孔道（9）以及位于上切削板（4）和下切削板（5）内的板内孔道（10），所述上通管（25）接收来自钻杆芯管与钻杆内壁间的浆液并穿过外管（2）壁与位于上切削板（4）内的板内孔道（10）连通，芯管（6）底部连接有底通管（7），底通管（7）与钻头孔道（8）连通，钻头孔道（8）与内管孔道（9）连通，内管孔道（9）通过连接管（11）与位于下切削板（5）内的板内孔道（10）连通；所述上切削板（4）和下切削板（5）的一侧靠近上切削板（4）和下切削板（5）铰接处设置有出浆孔（12）。


2.根据权利要求1所述的一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，所述外管（2）内壁设置有若干个导槽，内管（3）外壁对应导槽的位置设置有凸起（13），导槽和凸起（13）相匹配且能使外管（2）和内管（3）相互滑动。


3.根据权利要求1所述的一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，所述上切削板（4）和下切削板（5）均呈板状结构，上切削板（4）和下切削板（5）与出浆孔（12）相对的一侧设置有切削刃（14），上切削板（4）的切削刃（14）与下切削板（5）的切削刃（14）位于同侧。


4.根据权利要求1所述的一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，所述芯管（6）上部通过若干个连接片（15）与外管（2）的内壁固定连接，芯管（6）的下部通过内隔板（16）与外管（2）的内壁固定连接，所述上通管（25）的一端固定设置于内隔板（16）中。


5.根据权利要求1所述的一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，所述内管（3）外套设有若干定位箍（17），定位箍（17）用以控制外管（2）的下行进程，以调节切削搅拌架的最大张开程度。


6.根据权利要求1所述的一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，所述钻头（1）为截面呈“Y”形或“十”字形的超短锥形钻头或短螺纹距的螺旋叶片超短钻头。


7.一种水下厚粉细砂层成孔方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据粉细砂（22）性质和拟设置的护壁圈（18）厚度，计算扩搅范围尺寸、顶底高程；
步骤2：确定扩搅器尺寸，包括外管（2）和内管（3）的高度和直径、钻头（1）锥尖角大小和切削搅拌架尺寸；以切削搅拌架合拢时扩搅器外包络圆直径为钻孔直径的1/3～2/3为原则来选择...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹正盛，郑清洁，王新宇，邹友峰，王树仁，顿志林，秦莞臻，王恒利，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41