CN107816343A - 一种岩体钻孔内变形测杆的孔底固定装置 - Google Patents

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江权
刘畅
张妹珠
冯夏庭
苏国韶
杨冰
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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells

Abstract

本发明公开了一种岩体钻孔内变形测杆的孔底固定装置，属于岩土工程技术领域。固定装置由连接杆，容浆腔体，第一止浆塞，弹性棘，第二止浆塞，活塞推杆构成，连接杆固定连接于容浆腔体上端面，容浆腔体环形外壁面的上部和下部分别嵌有第一止浆塞和第二止浆塞，容浆腔体开有三排排浆通孔，容浆腔体外侧固定连接有棘座并通过固定螺杆将弹性棘固定，容浆腔体下端设有卡位螺杆，两对对称分布的弹性棘最外端的距离大于第二止浆塞的外径。本发明具有安装快速、自动注浆、固定于钻孔中央位置可靠、长期锚固抗震动性能强、抗腐蚀性好的优点，适用于地下工程岩体变形测杆的固定。

Description

一种岩体钻孔内变形测杆的孔底固定装置
技术领域
本发明涉及一种岩体钻孔内变形测杆的孔底固定装置，更具体涉及一种地下工程围岩体的变形测量时其测杆在钻孔孔底快速安装的固定装置，属于岩土工程技术领域。
背景技术
随着社会与经济的快速发展，国家基础设施建设中还将有许多大型地下工程即将修建，其地下隧洞/隧道/采场开挖后围岩变形监测问题对于工程安全性分析和灾害预警都十分重要：(1)在水资源开发与利用方面我国还将有近40座100万kW级水电站即将兴建或纳入规划，而这些水电工程中大型地下厂房和输水管道都无一例外地需进行围岩变形监测，其变形监测测量杆在围岩内部快速和可靠安放十分重要；(2)在矿山开采方面，我国很多矿山即将或已经转入深部开采，必将出现很多大埋深的采场(群)，为保证矿山开拓巷道安全必定需要考虑变形监测仪器的快速安装与固定问题；(3)在公路与铁路交通方面，今后十多年内，我国铁路里程将增至10万公里，公路网总规模在2020年也将达到300万公里，山区大埋深公路和铁路隧道建设都将面临隧道围岩内部变形量测仪器的固定问题。
可见，如何在围岩内部快速安装变形监测仪器对于尽早捕获工程围岩卸荷变形，为工程稳定性分析、工程支护优化设计和工程灾害预警都具有十分重要的意义，如果能够通过一种快速的端头固定技术创新实现变形监测仪器在围岩钻孔内部尽早地安装和运行，从而尽早地获得围岩的早期卸荷变形数据，将可极大地减少和避免工程事故发生，大大节约工程建设成本。
然而，目前适用于现场变形监测的测量杆的钻孔孔底快速固定设备或技术储备不足，仅有的几种传统测量杆在岩体钻孔中的固定装置或方法还有待改进：
(1)传统的锚固剂/浆液固定：经常采用的岩体内部变形测量的位移计固定方法都是通过在钻孔内部安装好测量位移计后进行锚固剂固结处理，等待锚固剂/浆液经过一段时间硬化后即实现测量杆在钻孔孔底的固定，但这种直接注入剂/浆液的固定方法虽然具有可靠性高的优点，但同时具有不足：一方面其浆液凝固需要一定时间而导致测量滞后一段时间，从而致使无法尽早地开始围岩变形监测；另一方面未采用技术手段确保测量杆位于钻孔中央位置，易导致一定的测量误差或测量杆与孔壁之间的锚固效果不理想(中国专利申请号201120070270.1，专利名称为“岩土体测孔多点位移计注浆安装用封孔密封装置”，该申请案多点位移计注浆安装采用注浆封孔密封的方式，其注浆固结需要时间；中国专利申请号201310237358.1，发明名称为“一种多点位移计安装埋设注浆方法”，该申请案提供了一种位移计采用双注浆方式，即位移计配置一根排气管，远端锚头和近端锚头，双注浆管的方法解决注浆饱满的问题，但未考虑测量杆体如何置于钻孔中央位置；中国专利申请号201320343285.X，发明名称“一种岩土工程安全监测垂直多点位移计装置”，该申请案提出所述位移计中第一根注浆管安装在孔口内一米处，第二根注浆管安装在远端锚头处，排气管超出远端锚头一米，并在排气管顶端20cm内打几个侧孔，但该方法一方面需要等待浆液凝固后才能进行变形监测，另一方面也未深入考虑位移计在钻孔位置是否偏位的问题)。
(2)广泛应用的机械式固定：目前应用广泛的基于摩擦抗滑原理的机械锁紧式测杆/杆端固定装置由于其固定效果直接依赖机械装置与钻孔岩石面之间的摩擦性能和相互作用的锁紧力，因而其抗震动能力差，易因地下工程施工爆破震动而松动；而且在地下岩体潮湿和富水环境下其固定装置防腐能力差，其长期固定效果可靠性不高，因此需要考虑固定装置自身的防腐蚀措施(中国专利申请号200920085585.6，专利名称为“深孔多点位移计测点固定装置”，该申请案公开了一种深孔位移计测点固定装置,通过从测点锚固头的铟钢丝孔中穿出并用固定螺钉固定，不具有装置抗腐蚀能力；中国专利申请号201310024219.0，专利名称为“检测围岩深部位移的多点位移计安装方法及装置”，该申请案通过一次性抽出空心管，使得固定装置从管中原位弹出，实现位移计固定在孔壁，其锚固力有限而不抗地下水腐蚀；中国专利申请号201510411603.5，专利名称为“一种钻孔多点位移计的锚固装置”，该申请案采用锥形柱塞和设于圆管右端部的固定爪设计，实现位移计的锚固，但其固定爪的抗震动能力有限；中国专利申请号201410705835.7，专利名称为“一种折叠叶片式多点位移计锚头”，该申请案提出一种用于软土地区的测量的折叠叶片式多点位移计锚头，通过将事先折叠刀片收缩在底部框架内部，然后在安装时打开实现锚固，其在岩石地下工程实用性有一定局限；中国专利申请号200720187459.2，专利名称为“一种监测岩体位移的位移计锚固头”，该申请案提出采用一种管状压缩木套装在位移传递钢丝套管实现膨胀摩擦固定，显然其长期耐久性和抗震动问题还有待改进。
发明内容
针对上述存在问题，如果能实现地下工程岩体的变形测量时其测杆在钻孔孔底快速安装，并可确保锚固效果可靠和较好的长期抗腐蚀性，并满足目前岩石工程稳定性分析和优化设计的现实需求和工程实际需要。为此，本发明的目的在于提供一种岩体钻孔内变形测杆的孔底固定装置。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种岩体钻孔内变形测杆的孔底固定装置，所述固定装置由连接杆，容浆腔体，第一止浆塞，弹性棘，第二止浆塞，活塞推杆构成，容浆腔体为半封闭中空圆柱状，连接杆固定连接在容浆腔体封闭端的上表面，活塞推杆由容浆腔体的开放端活动置于容浆腔体的内腔，容浆腔体开放端的壁面上设置有卡位螺杆，容浆腔体外壁面的上端和下端分别镶嵌有第一止浆塞和第二止浆塞，第一止浆塞和第二止浆塞之间的容浆腔体壁面上开有三排排浆通孔，容浆腔体的外壁面上对称固定设置有棘座，棘座中心线与连接杆中心线之间的夹角为60°，棘座上开有连接孔，弹性棘活动插入在棘座的连接孔中，棘座和弹性棘通过固定螺杆定位。
所述每排的排浆通孔的数量为四个，呈环向90°间隔布置。
所述棘座的数量为四个，呈环向90°间隔布置。
所述活塞推杆的长度与容浆腔体2的内腔长度比为1.5:1。
由于采用了上述技术方案，本发明克服了传统围岩变形测杆的钻孔孔底固定的技术不足，具有如下优点：
(1)通过机械式固定，实现快速安装与中央固定：由于固定装置外侧设置的一圈直径稍大于钻孔直径的倾向钻孔孔口的弹性棘刺，这样当固定装置推入钻孔孔底后，由于弹性棘刺与钻孔岩壁摩阻作用，固定装置不能向孔口滑动；而且对称设置了4根弹性棘刺，则可确保固定装置位于钻孔中央部位。
(2)通过自行注浆固结，实现可靠的长期锚固抗震动和抗腐蚀性能：由于当固定装置推至钻孔孔底过程中，活塞推杆下端直接与钻孔孔底接触后，活塞推杆被顶回，使得容浆腔体内的浆液通过排浆孔排出容浆腔体，包裹容浆腔体和弹性棘刺并使之与钻孔内壁胶结，从而一方面可实现固定装置与钻孔内壁之间的可靠胶结固定，另一方面还通过固结浆液显著提高固定装置的抗腐蚀性能。
附图说明：
附图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图1，对本发明作进一步的说明。
一种岩体钻孔内变形测杆的孔底固定装置，所述固定装置由连接杆1，容浆腔体2，第一止浆塞3，弹性棘5，第二止浆塞8，活塞推杆10构成，容浆腔体2为半封闭中空圆柱状，连接杆1固定连接在容浆腔体2封闭端的上表面，活塞推杆10由容浆腔体2的开放端活动置于容浆腔体2的内腔，容浆腔体2开放端的壁面上设置有卡位螺杆2，容浆腔体2外壁面的上端和下端分别镶嵌有第一止浆塞3和第二止浆塞8，第一止浆塞3和第二止浆塞8之间的容浆腔体2壁面上开有三排排浆通孔7，容浆腔体2的外壁面上对称固定设置有棘座4，棘座4中心线与连接杆1中心线之间的夹角为60°，棘座4上开有连接孔，为弹性棘5活动插入在棘座4的连接孔中，棘座4和弹性棘5通过固定螺杆6定位，每排的排浆通孔7的数量为四个，呈环向90°间隔布置，棘座4的数量为四个，呈环向90°间隔布置，活塞推杆10与容浆腔体2的长度比为1.5:1，确保容浆腔体2的锚固浆液能完全排出，容浆腔体2的内腔直径应不小于钻孔直径的倍(据式A)，确保通过活塞推杆10排到容浆腔体2外的锚固浆液能基本充满容浆腔体2与钻孔之间的空间，第一止浆塞3和第二止浆塞8为环形弹性结构，第一止浆塞3和第二止浆塞8的外径略大于钻孔直径，确保能阻止锚固浆液外漏，位于第一止浆塞3下方的排浆通孔7距离第一止浆塞3的下端面的间距为1cm，可有效地确保容浆腔体2内的锚固浆液通过排浆通孔7完全排出。
D2 钻孔直径-d2 容浆腔体的外径≤d2 容浆腔体的内径 (式A)
本发明具体使用按下列步骤进行：
(1)测量本装置的第一止浆塞3外直径D0，并钻设孔径稍小于第一止浆塞3外直径D0的固定钻孔，钻孔直径直径D1，将弹性棘5装入棘座4，通过固定螺杆6调节弹性棘5在棘座4的内孔的位置，使得180°对称布置的两两弹性棘5的外端点之间距离L1为钻孔直径D1的1.1至1.2倍。
(2)测试并确保活塞推杆10位于容浆腔体2最下端时的外露长度L2大于活塞推杆10推到容浆腔体2内腔最上端面的长度L3。
(3)在现场准备进行本固定装置安放前，采用石蜡将容浆腔体2的十二个排浆孔7封堵上，然后将卡位螺杆9解除后取出活塞推杆10，将事先准备配比好的锚固浆液(如水玻璃胶体、水泥浆液体)倒满容浆腔体2的内腔，并将活塞推杆10安置于容浆腔体2后安装好卡位螺杆9。
(4)快速地通过连接杆1的螺纹或焊接将本固定装置与变形测杆连接。
(5)将固定装置和变形测杆一起推入岩体钻孔钻孔孔底。
(6)通过活塞推杆10将容浆腔体2内的锚固浆液排到第一止浆塞3和第二止浆塞8之间后，轻轻向外拔下变形测杆测试和检查固定装置已经固定于钻孔底板，从而通过弹性棘5与钻孔内部的摩阻提供即时的锚固效果和锚固浆液将容浆腔体2与钻孔内壁粘结的长期锚固效果实现了地下工程围岩体的变形测量时其测杆在钻孔孔底快速可靠地安装。
具体实施例：
(1)测量本装置的第一止浆塞3外直径D0＝78mm，因此这种钻设钻孔孔径D1＝76mm，将弹性棘5装入棘座4，通过固定螺杆6调节弹性棘5在棘座4的内孔的位置，使得180°对称布置的两两弹性棘5的外端点之间距离L1为90mm。
(2)测量到容浆腔体2内腔长度为400mm，检测表明活塞推杆10位于容浆腔体2最下端时的外露长度大于活塞推杆10推到容浆腔体2内腔最上端面的长度。
(3)在现场准备进行本固定装置安放前，采用石蜡将容浆腔体2的十二个排浆孔7封堵上，然后将卡位螺杆9解除后取出活塞推杆10，将事先准备配比好的锚固浆液(如水玻璃胶体、水泥浆液体)倒满容浆腔体2的内腔，并将活塞推杆10安置于容浆腔体2后安装好卡位螺杆9。
(4)快速地通过连接杆1的螺纹或焊接将本固定装置与变形测杆连接。
(5)将固定装置和变形测杆一起推入岩体钻孔钻孔孔底。
(6)通过活塞推杆10将容浆腔体2内的锚固浆液排到第一止浆塞3和第二止浆塞8之间后，轻轻向外拔下变形测杆测试和检查固定装置已经固定于钻孔底板，从而通过弹性棘5与钻孔内部的摩阻提供即时的锚固效果和锚固浆液将容浆腔体2与钻孔内壁粘结的长期锚固效果实现了地下工程围岩体的变形测量时其测杆在钻孔孔底快速可靠地安装。

Claims (4)

1.一种岩体钻孔内变形测杆的孔底固定装置，其特征在于：所述固定装置由连接杆(1)，容浆腔体(2)，第一止浆塞(3)，弹性棘(5)，第二止浆塞(8)，活塞推杆(10)构成，容浆腔体(2)为半封闭中空圆柱状，连接杆(1)固定连接在容浆腔体(2)封闭端的上表面，活塞推杆(10)由容浆腔体(2)的开放端活动置于容浆腔体(2)的内腔，容浆腔体(2)开放端的壁面上设置有卡位螺杆(9)，容浆腔体(2)外壁面的上端和下端分别镶嵌有第一止浆塞(3)和第二止浆塞(8)，第一止浆塞(3)和第二止浆塞(8)之间的容浆腔体(2)壁面上开有三排排浆通孔(7)，容浆腔体(2)的外壁面上对称固定设置有棘座(4)，棘座(4)中心线与连接杆(1)中心线之间的夹角为60°，棘座(4)上开有连接孔，弹性棘(5)活动插入在棘座(4)的连接孔中，棘座(4)和弹性棘(5)通过固定螺杆(6)定位。
2.根据权利要求1所述的一种岩体钻孔内变形测杆的孔底固定装置，其特征在于：所述每排的排浆通孔(7)的数量为四个，呈环向90°间隔布置。
3.根据权利要求1所述的一种岩体钻孔内变形测杆的孔底固定装置，其特征在于：所述棘座(4)的数量为四个，呈环向90°间隔布置。
4.根据权利要求1所述的一种岩体钻孔内变形测杆的孔底固定装置，其特征在于：所述活塞推杆(10)的长度与容浆腔体(2)内腔的长度比为1.5:1。
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