一种富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具及其应用，包括导阻式冻结管及套在其外部的主动破岩式孔口管，所述导阻式冻结管的前端装有小坡度破岩钻头；小坡度破岩钻头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

【技术实现步骤摘要】
一种富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具及其应用


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]目前，一套完整的钻孔机具设备如图1、图2所示：
[0005]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。
[0006]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.
[0007]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：
[0008]钻头专用性不足，难以保证砂卵石地层钻进的可靠性；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0013]本专利技术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。
[0014]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0015]本专利技术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；
[0016]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。
[0017]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：
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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；
[0024]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。
[0025]与现有技术相比，本专利技术所提供的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具及其应用，通过专利技术新型钻头、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
[0026]图1现有技术冻结孔钻进过程示意图；
[0027]图2现有技术压紧装置组装示意图；
[0028]图3为本专利技术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；
[0029]图4为本专利技术实施例中小坡度破岩钻头结构示意图；
[0030]图中：
[0031]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
[0032]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本专利技术的限制。基于本专利技术的实施例，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，都属于本专利技术的保护范围。
[0033]首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
[0034]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。
[0035]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。
[0036]术语“由<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具，其特征在于，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)；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。2.根据权利要求1所述的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具，其特征在于，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；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。3.根据权利要求2所述的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具，其特征在于，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：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；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。4.根据权利要求3所述的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具及其应用，其特征在于，所述孔口密封装置包括；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)。6.根据权利要求5所述的富水砂砾地层冻结孔钻进专用机具及其应用，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯利华，张飞，葛良，任全军，左桂超，鲁世伟，张卓帅，周晓敏，张松，刘勇，
申请(专利权)人：中铁一局集团有限公司北京市轨道交通建设管理有限公司北京科技大学，
类型：发明
国别省市：