CN103541658A - 一种多孔管水平旋喷钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔管水平旋喷钻头，包括：多孔管水平旋喷钻头头部设置一钻头段，钻头段之后同轴连接一向土体喷射高压水泥浆液的喷浆段，喷浆段之后同轴连接一检测旋喷钻头周围土体压力的测压段，测压段之后同轴连接一接收测压段的检测信号并实施排浆的排浆段，排浆段之后同轴连接一与多孔旋喷钻杆连接的连接段。本发明所述的多孔管水平旋喷钻头，具有水平钻孔与纠偏功能，能有效地主动控制排浆流量，促使多余泥浆顺利地排出，防止浆液倒流，控制钻头周围的地内压力值，从而确保土体压力平衡，并保证水平旋喷桩质量和土体稳定，取得增大成桩直径、有效控制地面沉降的效果。

Description

一种多孔管水平旋喷钻头

技术领域

本发明涉及一种旋喷钻头，具体涉及一种用于旋喷桩地基加固的多孔管水平旋喷钻头。 

背景技术

在地基加固施工中，旋喷桩加固方法一直被广泛应用。目前，旋喷法分为垂直旋喷和水平旋喷两种施工形式。 

水平旋喷法又被称作水平旋喷预支护施工技术，在隧道工程中，水平旋喷可作为一种超前支护手段。水平旋喷利用高压射流浆液破碎围岩，并通过旋转搅拌将水泥浆与围岩充分混合搅拌，形成柱状固结体，以解决注浆无法达到充分渗透处改善围岩的目的。 

我国目前一般的水平旋喷施工过程为：在密封的孔口裝置预留孔中，通过水平钻机以水平方向往地层中钻进到一定设计深度后，利用高压注浆泵使水泥浆液从水平旋喷钻头的喷嘴中高速喷出，使土层遭到破坏。同时旋喷钻杆与水平旋喷钻头以一定的速度旋转并水平退出，以充分搅拌土体并均匀水泥浆液。待水泥浆液凝结硬化后，地基中便形成一个水平的水泥土圆柱体，从而，使地基土得到加固和防渗。 

由上述过程我们可以总结：旋喷桩施工的本质是水泥浆液对土体的加固置换，即用喷出水泥浆置换土层中的土颗粒，并产生相应量的多余泥浆。然而，在实际施工过程中，常常会出现多余泥浆不完全从地层中排到地面的问题，致使对周围土体产生挤压，从而使附近管线产生变形或破坏，地面严重隆起等不良现象。相对照的，目前国内旋喷桩施工时，多余泥浆是从预钻孔与旋喷钻杆的间隙中排出。仅此方式不能有效的控制附近管线的变形与地面的隆起。并且，水平旋杆与钻头也会由于自重，造成水平旋喷钻头会偏离水平轴线，其水平位置精度不能保证。 

例如，已公开的带有水平旋喷钻头的两个发明专利，其专利号分别为：ZL200610147754.5与ZL200810033978.2。在这两个专利所改进的设备中，虽能从地层中排出一定量的多余泥浆，但没有旋喷钻头处地内压力检测功能，多余泥 浆的排出量不能有效控制。因此，它们皆不具备水平钻孔时的纠偏功能，更不能解决附近管线的变形与地面的隆起等问题。 

发明内容

为解决现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种多孔管水平旋喷钻头，以实现钻孔纠偏、主动排浆和检测控制地内压力等功能。 

为实现上述技术效果，本发明所提供的一种多孔管水平旋喷钻头，其多孔管水平旋喷钻头头部设置一钻头段，钻头段之后同轴连接一向土体喷射高压水泥浆液的喷浆段，喷浆段之后同轴连接一检测旋喷钻头周围土体压力的测压段，测压段之后同轴连接一接收所述测压段的检测信号并实施排浆的排浆段，排浆段之后同轴连接一与多孔旋喷钻杆连接的连接段。 

本发明的钻头段包括一位于前端的钻头以及连通钻头的削孔水通道孔，钻头的前端形成一纠偏斜面，并在此纠偏斜面上开设一冲水孔。 

其钻头段的内部设有一连通削孔水通道孔的空腔，纠偏斜面的上方设置一与钻头相同半径的导向限位环。削孔水通道孔所连通空腔的端口位置设置有一削孔水喷嘴，并通过一控制锥阀配合一回复弹簧控制喷嘴的启闭。当高压水未喷射时，通过削孔水回复弹簧压迫控制锥阀闭合削孔水喷嘴；当高压水喷射时，高压水压迫回复弹簧进而开启削孔水喷嘴。 

本发明的喷浆段包括一喷浆本体，喷浆本体内设置有高压水泥浆通道，高压水泥浆通道于喷浆本体的侧部安装泥浆喷嘴，泥浆喷嘴上设置第一活动盖板，第一活动盖板通过一连杆组件联动于所述高压水泥浆通道。 

其连杆组件包括一杆件、一活塞杆以及连接所述杆件与活塞杆的中间连杆。杆件连接第一活动盖板，活塞杆连接高压水泥浆液通道，活塞杆上套装一开关弹簧。高压水泥浆通道旁设有压缩空气通道，泥浆喷嘴上设置一环形喷嘴，压缩空气通道与环形喷嘴连通。 

本发明的测压段包括：测压段本体、压力变送器、贮油腔、隔膜和压盖。测压段本体内设有一贮油腔，贮油腔外侧开设一测压口，测压口与贮油腔之间设有一隔膜，隔膜通过一压盖安装于测压口内。贮油腔导通连接一压力变送器。 

本发明的排浆段的侧壁开设有一排浆口，排浆口导通一排浆通道，且排浆口处设有一第二活动盖板，第二活动盖板连接一驱动组件。驱动组件接收压力变送器的信号，并基于信号驱动第二活动盖板开启或者闭合排浆口。 

其驱动组件包括一双出杆活塞以及一控制单元，控制单元接收所述压力变 送器的信号，并基于所述信号控制所述双出杆活塞的作动。其中，双出杆活塞还包括一缸体以及设置于缸体内的第一活塞杆与第二活塞杆，第一活塞杆连接所述第二活动盖板。排浆段对应所述第二活塞杆的伸缩位置设置有一接近开关，用于监测所述第二活动盖板的启闭。 

排浆段还设置有一高压水通道，高压水通道导通所述排浆通道，且在高压水通道与排浆通道之间设置有一开关锥阀，由开关锥阀控制高压水通道的启闭。 

本发明的连接段本体内设有连接孔道组，连接孔道组与连接段前各个段内的通道孔对应导通。 

本发明的实际有益效果体现在： 

1）当钻头段偏斜时，可将钻头作相反方向180°的往复摆动并向前钻进，并通过钻头的切断斜面11的超前掘削与阻力作用，导致整个钻头段受到反向的作用力，从而实现纠偏； 

2）通过在喷浆段内设置的高压水泥浆通道和压缩空气通道，实现高效喷浆并利用喷浆段内所设连杆组件，以控制喷浆启闭； 

3）通过测压段内的压力变送器和贮油腔，以检测喷射水泥浆过程中钻头周围的地內压力，实现对排浆时机的把握； 

4）通过信号传输以把握排浆的时机，并利用控制高压水在排浆段的流量以控制排浆的快慢，实现钻头内外压力的平衡。 

本发明的优点在于：通过简单机械与信号连接的配合组合，实现目前此领域内所不具备的偏纠钻头和控制检测排浆的功能。 

附图说明

图1是本发明总结构俯视示意图。 

图2是本发明总结构主视剖面示意图。 

图3是本发明钻头段剖面示意图。 

图4是本发明喷浆段俯视示意图。 

图5是本发明喷浆段主视剖面示意图。 

图6是本发明测压段剖面示意图。 

图7是本发明排浆段俯视示意图。 

图8是本发明排浆段主视剖面示意图。 

图9是本发明连接段俯视示意图。 

图10是本发明连接段主视剖面示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

参照图1和图2所示，本发明提供一种具有能钻孔纠偏与主动排浆以及检测与控制地内压力的多孔管旋喷钻头。它包括有钻头段1、喷浆段2、测压段3、排浆段4和连接段5，其各个段之间由螺钉22同轴依次顺序连接。钻头段1设置于整个旋喷钻头的头部，喷浆段2用于在钻孔过程中向土体中喷射高压水泥浆液，测压段3用于检测所述喷浆段喷射水泥浆过程中周围土体的压力，排浆段4则是用于接收所述测压段的检测信号并基于所述检测信号实施排浆，连接段5主要是用于连接多孔旋喷钻杆。 

参照图3所示，本发明的钻头段1主要的具体实施要求为：在钻头段1钻入泥土过程中，钻头段1作360°的往复摆动，并通过高压水冲刷，以形成的一个略微比钻头段1相对大一些的孔。 

为实现以上要求，较为优选的，钻头段1的主要结构可设置为： 

钻头段1的前半部分为钻头12，钻头12内设有一钻头段空腔17，钻头12的前端形成一纠偏斜面11，并在纠偏斜面11的上方开设一冲水孔18。并且，在钻头12的前端安装一个与钻头12相同半径的导向限位环19。钻头段1的后半部设有同轴但孔径不一的三段通孔，以形成限位孔阶。第一级孔阶处安装削孔水喷嘴13；第二级孔阶安装控制锥阀14，削孔水喷嘴13与控制锥阀14之间安装有回复弹簧15；第三级孔阶设置作为削孔水通道孔16。 

以下为钻头段1的具体运作过程： 

在钻头12作轴向正常钻进时，高压水进入削孔水通道孔16，控制锥阀14受力，以压迫回复弹簧15紧缩，控制锥阀14被推开。之后，高压水经削孔水喷嘴13、冲水孔18喷出，冲刷钻头12前的泥土形成泥浆，泥浆沿纠偏斜面11直接流向排浆段4，以此排除多余泥浆。 

当钻头12发生向下偏斜时，立即将钻头12作向上180°的往复摆动并向前钻进。通过设置钻头12的纠偏斜面11所产生的阻力作用，导致整个钻头12受力被抬起并纠偏回轴线位置，以此完成纠偏过程。 

参照图4和图5所示，喷浆段2的主要功能是在多孔管旋喷钻头钻进过程中把高压水泥浆液喷射到泥土中去。 

较为优选的，喷浆段2的具体结构可设置为： 

喷浆段2可分为前后两段，喷浆前段本体23上设有螺钉22，以连接钻头段1。喷浆后段本体24上设有盖板21，盖板21通过盖板螺钉20与喷浆后段本体 24固定。 

喷浆前段本体23内安装一连杆组件，此连杆组件分为上方的一杆件231和下方的一活塞杆233，杆件231与活塞杆233之间通过中间连杆232连接。杆件231套装一密封套235，并与第一活动盖板243连接。此第一活动盖板243滑动设置于盖板21之下，盖板21对第一活动盖板243起导向作用。活塞杆233上套装有一开关弹簧234，并在同轴位置连接一处于喷浆后段本体24的活塞杆233。 

在喷浆后段本体24内，与活塞杆233的同轴位置导通一水泥浆液通道241，水泥浆液通道241与活塞杆233连接处的径向方向再加装一泥浆喷嘴242。并且，为了使水泥浆液喷射得更远，泥浆喷嘴242上还加装环形喷嘴245和环形喷嘴座246。在水泥浆液通道241之上，开设一压缩空气通道244，以增加水泥浆喷射距离。此压缩空气通道244与环形喷嘴座246导通。 

以下为喷浆段2的具体运作过程： 

当水泥浆液通道241内没有高压水泥浆液时，活塞杆233被左边的开关弹簧234压向右边，同时带动与之相连的中间连杆232与杆件231向右移动，使与杆件231连接的第一活动盖板243关闭泥浆喷嘴242。 

当水泥浆通道241内有高压水泥浆液时，压缩空气通道244通入压缩空气，活塞杆233被水泥浆推向左边，联动中间连杆232和杆件231往左移动，使得第一活动盖板243向左移动，泥浆喷嘴242打开，水泥浆液经水泥浆液通道241至泥浆喷嘴242。同时，压缩空气经压缩空气通道244进入泥浆喷嘴242的外周环向空隙，使得高压水泥浆液在环形压缩空气的围绕保护下，具有一定喷射能量地从泥浆喷嘴242喷射而出，以此切削土层，使土体遭到破坏。 

待钻头12以一定的速度往复摆动，并慢慢水平退出后，喷浆段2外的土体与水泥浆液已经充分搅拌均匀。水泥浆液凝结硬化后，即在地基中形成一个水平的水泥土圆柱体。 

参照图6所示，测压段3的主要功能是在于检测喷射水泥浆过程中钻头周围的地内压力。 

较为优选的，测压段3的具体结构可设置为： 

测压段本体31内开设一测压段空腔32，以配合排浆段4内的线路排布。测压空腔32之下，设有一贮油腔34，此贮油腔34轴向连接一压力变送器33。在贮油腔34之下，开设一测压口37，此测压口37内通过压盖36固定安装一隔膜35，使得隔膜35紧贴于贮油腔34。 

以下为测压段3的具体工作过程： 

此地内压力会使测压段本体31内的隔膜35和压盖36产生形变，从而挤压贮油腔34中的液压油，液压油受压后，压力变送器33把这种压力变成4～20mA的电流信号传输到一信号控制端。 

参照图7和图8所示，排浆段4的主要功能是：在检测到外部泥浆压力过大时，把外部泥浆通过排浆段4高效排除，以减小旋喷钻头外部的地内压力。 

较为优选的，排浆段4的具体结构可设置为： 

排浆段4可分为前段排浆本体41和后段排浆本体42。前段排浆本体41上设有螺钉22，以连接测压段3。后段排浆本体42上亦设有盖板21，盖板21通过盖板螺钉20与后段排浆本体42固定。 

前段排浆本体41的下部设有一排浆段空腔411，排浆段空腔411上设有一接近开关415，接近开关415的外端连接一开关信号线414，可一同结合图2所示，开关信号线414排布于测压段空腔32以及排浆段空腔411所形成的空间内。此空间内还设有一变送器信号线412，此变送器信号线412与测压段4的压力变送器33的输出端连接，以达到测压段与排浆段的信号传输。开关信号线414和变送器信号线412由一密封套413密封，并一同把信号传输至一控制单元。 

后段排浆本体42内设有一双出杆活塞421，并可与接近开关415同轴设置。此双出杆活塞421包括第一活塞杆和第二活塞杆，第一活塞杆与接近开关415之间安装一密封轴套416，第二活塞杆与第二活动盖板423连接。此第二活动盖板423滑动设置于盖板21之下，盖板21对第二活动盖板423起导向作用。在双出杆活塞421的前后径向导通两个液压油孔道428，以便向左或向右推动双出杆活塞421。在液压油孔道428旁，设有一高压水通道426，此高压水通道426与后段排浆本体42内的排浆通道425导通，并且两者之间设有一开关锥阀427，此开关锥阀427内装有一压力弹簧422，开关锥阀427的阀口安装一排浆喷嘴424，以控制高压水加速排浆。 

以下为排浆段4的具体工作过程： 

当测压段3检测到旋喷钻头周围的地内压力超过设定值时，首先，变送器信号线412传输信号至控制单元，此控制单元立即反馈后，把液压油进入双出杆活塞421的右侧空腔，使双出杆活塞421左移，以带动第二活动盖板423向左移动。此时，双出杆活塞421的第一活塞杆与接近开关415接近，通过接近开关信号线411，将电流信号传输一控制单元，以显示第二活动盖板423完全打开。第二活动盖板423打开后，外部泥浆进入排浆通道425。为清除排浆通道 425内残留泥浆并加速排浆，高压水进入高压水通道426，开关锥阀427被推开，高压水从排浆喷嘴424中喷出，完成加速排浆。 

排浆段4通过调节进入高压水通道426中高压水的流量，来改变排浆通道425内泥浆排除的快慢，也可通过调节第二活动盖板423左右距离，来调节排浆通道入口的大小尺寸，以此控制旋喷钻头周围的地内压力值。 

反之，当拆装旋喷钻杆时，让液压油进入双出杆活塞421的左侧空腔，以带动第二活动盖板423向右移动，关闭排浆入口，以防旋喷泥浆进入排浆通道而流失，造成地内压力的下降。同时，高压水不再流入高压水通道426，则开关锥阀427在压力弹簧422的推动下向右移动，以压紧排浆喷嘴424左端的锥形面，阻止排浆通道425中的泥浆进入高压水通道426。 

参照图9和图10所示，连接段5的主要功能是使得之前各段中所设的孔道能与其后所连接的旋喷钻杆导通。 

较为优选的，连接段5的具体结构可设置为： 

连接段5可由连接段本体51、连接孔道组和密封套组52构成。连接段本体51内开设的连接孔道组可以有：排浆通道孔511、压缩空气通道孔512、高压水通道孔513、螺钉连接孔514、液压油孔515、信号线孔516、削孔水通道孔517、水泥浆通道孔518和备用通道孔519。连接段本体51内的所设孔道与连接段前各个段内的通道孔对应导通。密封套组52是由连接段5内每个通道孔上所套装的密封套组成，以形成密封保护。 

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为保护范围。 

Claims (10)

1.一种多孔管水平旋喷钻头，其特征在于：所述多孔管水平旋喷钻头头部设置一钻头段，所述钻头段之后同轴连接一向土体喷射高压水泥浆液的喷浆段，所述喷浆段之后同轴连接一检测旋喷钻头周围土体压力的测压段，所述测压段之后同轴连接一接收所述测压段的检测信号并实施排浆的排浆段，所述排浆段之后同轴连接一与多孔旋喷钻杆连接的连接段。

2.根据权利要求1所述的旋喷钻头，其特征在于：所述钻头段包括一位于前端的钻头以及连通所述钻头的削孔水通道孔，所述钻头的前端形成一纠偏斜面，所述纠偏斜面上开设一冲水孔。

3.根据权利要求2所述的旋喷钻头，其特征在于：所述钻头段的内部为一连通所述削孔水通道孔的空腔，所述纠偏斜面的上方设置一与所述钻头相同半径的导向限位环；所述削孔水通道孔连通所述空腔的端口位置设置有一削孔水喷嘴，通过一控制锥阀配合一回复弹簧控制所述喷嘴的启闭；

当高压水未喷射时，通过所述回复弹簧压迫所述控制锥阀闭合所述削孔水喷嘴；当高压水喷射时，高压水压迫所述回复弹簧进而开启所述削孔水喷嘴。

4.根据权利要求1所述的旋喷钻头，其特征在于：所述喷浆段包括一喷浆本体，所述喷浆本体内设置有高压水泥浆通道，且所述高压水泥浆通道于所述喷浆本体的侧部安装有泥浆喷嘴，所述泥浆喷嘴上设置第一活动盖板，所述第一活动盖板通过一连杆组件联动于所述高压水泥浆通道。

5.根据权利要求4所述的旋喷钻头，其特征在于：所述连杆组件包括一杆件、一活塞杆以及连接所述杆件与活塞杆的中间连杆；所述杆件连接所述第一活动盖板，所述活塞杆连接高压水泥浆液通道；所述活塞杆上套装一开关弹簧；所述高压水泥浆通道旁设有压缩空气通道，所述泥浆喷嘴上设置一环形喷嘴，所述压缩空气通道与环形喷嘴连通。

6.根据权利要求1所述的旋喷钻头，其特征在于：所述测压段包括：测压段本体、压力变送器、贮油腔、隔膜和压盖；所述测压段本体内设有一贮油腔，所述贮油腔外侧开设一测压口，所述测压口与贮油腔之间设有一隔膜，所述隔膜通过一压盖安装于测压口内；所述贮油腔导通连接一压力变送器。

7.根据权利要求1所述的旋喷钻头，其特征在于：所述排浆段的侧壁开设有一排浆口，所述排浆口导通一排浆通道，且所述排浆口处设有一第二活动盖板，所述第二活动盖板连接一驱动组件；

所述驱动组件接收所述压力变送器的信号，并基于所述信号驱动所述第二活动盖板开启或者闭合所述排浆口。

8.根据权利要求7所述的旋喷钻头，其特征在于：所述驱动组件包括一双出杆活塞以及一控制单元，所述控制单元接收所述压力变送器的信号，并基于所述信号控制所述双出杆活塞的作动；

所述双出杆活塞还包括一缸体以及设置于所述缸体内的第一活塞杆与第二活塞杆，所述第一活塞杆连接所述第二活动盖板；

所述排浆段对应所述第二活塞杆的伸缩位置设置有一接近开关，用于监测所述第二活动盖板的启闭。

9.根据权利要求7所述的旋喷钻头，其特征在于：所述排浆段设置有一高压水通道，所述高压水通道导通所述排浆通道，且在所述高压水通道与所述排浆通道之间设置有一开关锥阀，由所述开关锥阀控制高压水通道的启闭。

10.根据权利要求1所述的旋喷钻头，其特征在于：所述连接段本体内设有连接孔道组，所述连接孔道组与连接段前各个段内的通道孔对应导通。

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