CN108222842A - 一次性成孔非开挖钻头与非开挖方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种一次性成孔定向穿越施工方法及装置的钻头。它能方便地对地层进行开挖和对岩屑的收集，掘进过程中钻头只是对地层进行粗略破碎，大多数大颗粒岩屑通过钻头的收集最后排除孔外。其技术方案：钻头掘进过程中通过切削齿和高压泥浆联合破岩；钻头周向开有楔形槽，楔形槽内部安装楔形块，楔形块可以在楔形槽内滑动；外界压力推动法兰将力通过连杆传到楔形块，楔形块沿径向伸出，达到超径切削的目的；如果切削钻头失效，外部力取消，弹簧的推挤法兰向后移动，楔形块收回，便于将非开挖钻头退出孔外。本发明对地层适应性强，克服了传统非开挖钻头在地层切削过程中遇到的难题。

Description

一次性成孔非开挖钻头与非开挖方法
技术领域
本发明涉及一次性成孔非开挖钻头与非开挖方法，用于非开挖施工过程中对土体、岩层进行切削；在施工过程中，对岩土层做少量破碎，大部分岩屑是以颗粒岩块的形式通过一次性成孔非开挖钻头的收集进入螺旋传输装置排出孔外。
背景技术
非开挖施工技术具有施工便捷、污染小、精度高、适应性强等优点受到施工单位的广泛使用。目前大多数的非开挖施工技术都是通过对地层进行切削，切削后的岩屑通过泥浆循环或人工排土措施将岩屑排除孔外。但穿越施工过程中由于地层的不均匀性，可能会遇到各种各样的地层。特别是对于砾石层的穿越，如果遇到卵砾石层，传统的穿越施工方法(定向钻施工、顶管施工、夯管施工、盾构施工技术等)很难完成施工，会遇到卡钻、钻头损坏、地层垮塌等工程事故。针对目前砾石层穿越施工过程事故频发，作者曾提出了一种一次性成孔定向穿越施工方法及装置，针对该施工装置，还没有一个适合于该装置的钻头，在一次性成孔定向穿越施工方法及装置基础之上提出了一种适合于该穿越施工方法及装置的钻头很有必要。
传统的非开挖钻头都是通过对土层和岩层进行切削，最终将这些岩屑通过泥浆循环或者人工排土的方式排除孔外。对于一次性成孔定向穿越施工方法及装置，如果将传统的扩孔钻头强行用于该装置上，很难发挥一次性成孔定向穿越施工方法及装置的优势，并且还会面临传统非开挖施工遇到的问题。因此研制适用于一次性成孔定向穿越施工方法及装置的钻头，对于非开挖施工技术的发展具有广泛的前景和现实意义。
针对传统非开挖钻头穿越过程中存在的问题，提出了一种利用泥浆喷射和切削齿切削联合方式破岩。该钻头通过前端的导向钻杆导向，泥浆喷射和切削齿对地层进行切削，由于切削齿较少，一次性成孔非开挖钻头只是对岩层做一个少量粗略的破碎，破碎后的块状岩块或砾石颗粒通过钻头的收集进入排屑槽，随后进入后端的螺旋传输装置排除孔外。在钻孔过程中，由于外界压力的推挤法兰，可以控制楔形块上的超径切削齿和轴向切削齿分别沿径向和刀盘掘进方向伸出，钻孔直径扩大，在孔的径向形成一定的超挖量，保证后端套管的顺利顶进。如果切削钻头失效，螺旋传输装置继续原地旋转，一次性成孔非开挖钻头在向前移动，外部力取消，弹簧的推挤法兰向后移动，楔形块上的超径切削齿和轴向切削齿收回，最终将非开挖钻头退出孔外，便于非开挖钻头的更换。
发明内容
本发明的目的：为了开发一种适合于一次性成孔定向穿越施工方法及装置的钻头，克服当前砾石、卵石地层难以穿越的施工的问题，提供一种既能用于岩层或土层的开挖，又能用于鹅卵石地层开挖的非开挖施工钻头。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一次性成孔非开挖钻头主要包括切削齿、楔形块、铰链、法兰、泥浆通道、水眼、排屑槽、轴向切削齿、超径切削齿、连杆、肋板、导向钻杆，滑槽、轴承、波纹管、弹簧、楔形槽，其特征在于：一次性成孔非开挖钻头为圆锥形结构，一次性成孔非开挖钻头的最前端设置有切削齿和水眼，切削齿和水眼安装在肋板上，四个肋板沿周向对称布置；每一个肋板的内部有四个水眼，水眼与切削齿在径向交替分布，水眼的入口位置与泥浆通道连接；与肋板相邻的位置为排屑槽；一次性非开挖钻头的肋板上开有四个楔形槽，楔形槽内部安装楔形块，楔形块上安装有超径切削齿和轴向切削齿，楔形块可以在肋板的楔形槽内滑动，滑块与连杆通过铰链连接，连杆与法兰通过铰链连接，连杆可以绕法兰上的铰链转动；在一次性成孔非开挖钻头肋板上，与连杆的相对位置有卡槽，连杆上有止推齿可以啮合到卡槽内。一次性成孔非开挖钻头的背部与法兰之间安装有弹簧，弹簧通过波纹管密封。导向钻杆一端连接有法兰，法兰与一次性成孔非开挖钻头通过推力轴承连接。
本发明具有的有益效果是：1、本发明通过高压泥浆喷射和切削齿联合破岩，如果遇到岩层和土层，可以通过切削齿切削岩土层，最后的岩屑通过螺旋传输装置将岩屑排出孔外；泥浆能对切削齿起到冲洗防止形成泥包和对切削齿起到冷却作用，还对地层起到辅助破碎的作用。2、一次性成孔非开挖钻头周向布置有楔形块，楔形块可以在楔形槽内滑动；外部压力施加到法兰上，同时法兰推动弹簧压缩，法兰控制连杆推动楔形块沿径向伸出，在孔的径向形成超挖量；如果钻头需要更换，外界压力取消，弹簧推动法兰移动，楔形块沿径向收回。3、导向钻杆导向能够对非开挖钻孔提供精确导向作用，并给一次性成孔非开挖钻头提供一定的钻压。
附图说明
图1为一次性成孔非开挖装置图。
图2为一次性成孔非开挖钻头剖视图。
图3为一次性成孔非开挖钻头正视图。
图4为图2的局部放大视图。
图5为法兰1三维视图。
图6为一次性成孔非开挖钻头主体结构三维视图。
图7为装有轴向切削齿和超径切削齿的楔形块三维结构图。
图1为非开挖装置结构简图，主要包括：11.导向钻杆；12.一次性成孔非开挖钻头；13.螺旋传输装置；14.套管。
图2、图3、图4、图5、图6、图7为钻头主体结构，包括：1.切削齿；2.楔形块；3.铰链；4.法兰1；5.泥浆通道；6.水眼；7.排屑槽；8.轴向切削齿；9.连杆；10.肋板；15.滑槽；16.法兰2；17.轴承；18.卡槽；19.止推齿；21.超径切削齿；22.弹簧；23.波纹管；24.楔形槽。
具体实施方式
本发明根据现场条件，确定是否钻导向孔。如果挖沉井进行直线顶进，可以选择不钻导向孔；如果穿越距离较长，穿越曲线段曲率半径较大，可以选择先钻导向孔，后用一次性成孔非开挖钻头进行扩孔施工。
一次性成孔定向穿越施工方法及装置主要包括导向钻杆11、一次性成孔非开挖钻头12、螺旋传输装置13、套管14。一次性成孔非开挖钻头12主要包括切削齿1、楔形块2、铰链3、法兰1 4、泥浆通道5、水眼6、排屑槽7、轴向切削齿8、连杆9、肋板10、导向钻杆11、滑槽15、法兰2 16、轴承17、卡槽18、止推齿19、超径切削齿21、弹簧22、波纹管23、楔形槽24，其特征在于：一次性成孔非开挖钻头12为圆锥形结构，一次性成孔非开挖钻头12的最前端设置有切削齿1和水眼6，切削齿1和水眼6安装在肋板10上，肋板10沿周向对称布置；每一个肋板10的内部有四个水眼6，水眼6和切削齿1的位置在圆锥形一次性成孔非开挖钻头的端面径向交错布置，水眼6入口位置与泥浆通道5相通；与肋板10相邻的位置为排屑槽7；一次性成孔非开挖钻头12的周向对称布置有四个楔形槽24，楔形槽24开在肋板10内部，楔形块2安装在楔形槽24的内部，可以沿径向滑动；楔形块2上焊有轴向切削齿21和超径切削齿8。楔形块2与连杆9通过铰链连接，连杆9与法兰1 4通过铰链3连接；连杆9上有止推齿19，肋板上安装有卡槽18，止推齿19可以啮合到卡槽18内部。
如果穿越地层为岩层和土层，一次性成孔非开挖钻头12旋转带动切削齿1对岩层进行切削，高压泥浆通过泥浆通道5进入水眼6喷射地层，完成对岩土层的切削，切削后的岩屑通过排屑槽7进入螺旋传输装置13内，通过螺旋传输的方式将岩屑排除孔外；如果遇到鹅卵石地层，水眼6喷射高压泥浆冲垮鹅卵石地层，垮塌后的鹅卵石通过切削齿1的收集作用进入排屑槽7内，最后进入后端的螺旋传输装置13内排出孔外。
现阶段钻导向孔是一项成熟的施工技术，对于长距离穿越，可以先钻导向孔。由于导向钻杆11的导向，可以保证一次性成孔非开挖钻头按照预定的轨迹进行穿越。
一次性成孔非开挖钻头12的后端装有连杆9，连杆9一端与楔形块2通过铰链连接在一起，连杆9另一端与法兰1 4通过铰链3连接；法兰1 4与一次性成孔非开挖钻头之间安装有弹簧22，弹簧22外部用波纹管23密封；导向钻杆11与一次性成孔非开挖钻头之间通过法兰2 16连接，法兰2 16与一次性成孔非开挖钻头12之间有轴承17。在穿越施工过程中，外部的压力通过螺旋传输装置13传到法兰1 4，由于后端法兰1 4的推挤作用压缩弹簧22，连杆9带动楔形块2沿径向移动，超径齿8伸出切削地层，扩孔直径增大，便于后端套管14的顶进；如果一次性成孔非开挖钻头12失效，螺旋传输装置13原地旋转，导向钻杆11继续施加回拖拉力，一次性成孔非开挖钻头12继续切削地层，同时外界压力取消，由于弹簧22的反作用力推动法兰1 4，滑块2径向收回，最终将一次性成孔非开挖钻头12拖出孔外，便于新钻头的更换。

Claims (2)

1.一次性成孔非开挖钻头(12)主要包括切削齿(1)、楔形块(2)、铰链(3)、法兰1(4)、泥浆通道(5)、水眼(6)、排屑槽(7)、轴向切削齿(8)、连杆(9)、肋板(10)、导向钻杆(11)、滑槽(15)、法兰2(16)、轴承(17)、卡槽(18)、止推齿(19)、楔形块凹槽(20)、超径切削齿(21)、弹簧(22)、波纹管(23)、楔形槽(24)，其特征在于：
一次性成孔非开挖钻头(12)为圆锥形结构，一次性成孔非开挖钻头(12)的最前端设置有切削齿(1)和水眼(6)，切削齿(1)和水眼(6)安装在肋板(10)上，肋板(10)沿周向对称布置；每一个肋板(10)的内部有四个水眼(6)，水眼(6)和切削齿(1)的位置在一次性成孔非开挖钻头的端面径向交错布置，水眼(6)入口位置与泥浆通道(5)相通；肋板(10)相邻的位置为排屑槽(7)；一次性成孔非开挖钻头(12)的周向对称布置有四个楔形槽(24)，楔形块(2)安装在楔形槽(24)的内部，可以沿径向滑动；楔形块(2)上焊有超径切削齿(21)和轴向切削齿(8)。楔形块(2)与连杆(9)通过铰链连接，连杆(9)与法兰1(4)通过铰链(3)连接；连杆(9)上有止推齿(19)，肋板上安装有卡槽(18)，止推齿(19)可以啮合到卡槽(18)内部。
一次性成孔非开挖钻头(12)的后端装有连杆(9)，连杆(9)一端与楔形块(2)通过铰链连接在一起，连杆(9)另一端与法兰1(4)通过铰链(3)连接；法兰1(4)与一次性成孔非开挖钻头(12)之间安装有弹簧(22)，弹簧(22)外部用波纹管(23)密封；导向钻杆(11)与一次性成孔非开挖钻头(12)之间通过法兰2(16)连接，法兰2(16)与一次性成孔非开挖钻头(12)之间有轴承(17)。
2.一次性成孔非开挖方法，其特征在于：
在钻头钻进过程中，水眼(6)喷射泥浆和切削齿(1)联合破岩，如果遇到岩层和土层，可以通过切削齿(1)切削岩土层，切削的岩屑通过一次性成孔非开挖钻头(12)的收集，进入螺旋传输装置(13)将岩屑排除孔外，泥浆能对切削齿(1)起到冲洗防止形成泥包和冷却切削齿(1)的作用。
在穿越施工过程中，外部的力通过螺旋传输装置(13)传到法兰(4)，由于后端法兰(4)的推挤作用压缩弹簧(22)，连杆(9)推动楔形块(2)沿径向移动，轴向切削齿(8)和超径切削齿(21)伸出切削地层，扩孔直径增大，便于后端套管(14)的顶进；如果一次性成孔非开挖钻头(12)失效，螺旋传输装置(13)原地旋转，导向钻杆(11)继续施加回拖拉力，一次性成孔非开挖钻头(12)继续切削地层，同时外界压力取消，弹簧(22)的反作用力推动法兰1(4)移动，滑块(2)径向收回，最终将一次性成孔非开挖钻头(12)拖出孔外，便于新钻头的更换。
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