CN110761713A - 旋挖钻进系统及应用其进行的土壤和地下水原位修的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋挖钻进系统及应用其进行的土壤和地下水原位修的工艺，旋挖钻进系统采用旋挖‑导向钻进一体化钻机完成不同角度的钻进和回拖旋喷作业。本发明修复工艺采用的设备简单，附属设备少。同一套旋挖钻机能够实现垂直喷射注入工艺和多分枝井回拖喷射工艺，可根据污染的空间分布不同在两种工艺进行选择。针对分散的点状污染场地选择垂直喷射工艺进行原位注入修复。对于大面积的面状污染场地，选择多分枝井回拖喷射工艺进行原位注入修复，能够做到点面结合的空间立体修复效果。与垂直注入工艺相比，多分枝井修复工艺能够实现单次长距离、大面积修复，可以提高修复效率，缩短修复工期，降低修复成本。

Description

旋挖钻进系统及应用其进行的土壤和地下水原位修的工艺

技术领域

本发明涉及地层修复领域，尤其涉及一种旋挖钻进系统及应用其对土壤及地下水进行原位修复的工艺。

背景技术

我国土壤和地下水污染现象突出，已呈现从点状污染向带状和面状污染发展的态势。原位修复方法不需要用泵抽和地面处理，无需开挖、可减少污染物暴露，施工影响较小、成本低、修复彻底、处理污染物种类多等优点在欧美发达国家的应用比例不断提高，根据修复机理不同，可分为物理修复(曝气技术、电动修复技术等)、化学修复、原位生物修复和渗透反应墙技术等。

因地层复杂，污染程度差异大，土壤和地下水污染修复难度大，当时修复功能材料对污染达到精确投放时具有最佳的修复效果。因此，修复功能材料是否可以精准注入到目的土壤和地下水层中，是原位修复是否成功的前提，精准钻进和智能注入是注入修复的两大关键技术。

国内目前注入方法有：(1)钻孔注入，如采用GeoProbe钻机注入，其设备规模小、机动灵活，但压力低，注入效率低，且主要适用于溶液型修复材料，颗粒状的容易堵塞注浆孔；(2)井注入方式，可采用常压注入或加压注入，较适用于液态材料的砂层或者疏松地层，受场地条件影响较大，需对场地地质情况了解透彻；(3)喷射注入，常配合单管法和二重管法进行施工，具有喷射深度限制小，可多角度注入的特点。

现有土壤及地下水原位修复工艺主要存在以下不足：第一，针对大面积的污染场地，现有修复工艺单次钻孔修复的体积小，需要在污染场地内钻进大量的钻孔，导致钻孔工作量大、施工周期长成本高。第二，在修复弱渗透地层时，修复药剂扩散半径小，药剂与土壤和地下水混合不均匀，导致修复效果不理想。

发明内容

针对上述现有技术中的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种旋挖钻进系统以及应用该旋挖钻进系统对土壤及地下水进行原位修复的方法，通过点面结合的多分枝水平井高压气液喷射修复方法完成对土壤及地下水的修复。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种旋挖钻进系统，包括内管、外管、喷射短节和钻头，内管转动支撑在外管内，内管和外管分别通过对应的动力头驱动；在外管钻进的一端套接喷射短节，喷射短节远离外管的一端连接钻头；所述喷射短节包括其沿径向均匀开设的多个喷射口，内管和外管对应喷射口对应开有同轴的过水孔，内管上开设的过水孔比外管上开设的过水孔的内径小，内管上的过水孔通过水平管延伸至所述喷射短节径向开设的喷射口内；在喷射短节正对内管端面的位置开设台阶孔，台阶孔与钻头水眼连通，内管插入到所述台阶孔的大孔内，在台阶孔的大孔内还具有用于封闭所述台阶孔小孔的密封块，密封块远离内管的一面通过一端固定于台阶孔小孔内的弹簧支撑在台阶孔大孔内。

优选地，还包括钻机，所述钻机上安装有桅杆，桅杆与钻机铰接使桅杆倾角在0-90°之间调节。

优选地，还包括内管水龙头和外管水龙头，所述内管水龙头与内管的动力头装配在一起，所述外管水龙头和外管的动力头装配在一起；所述内管水龙头和内管的动力头沿桅杆轴向滑动装配在桅杆上，所述外管水龙头和外管的动力头沿桅杆轴向滑动装配在桅杆上。

优选地，还包括泥浆泵和砂石泵，所述泥浆泵进口通过管道连通泥浆池，出口通过管道与外管水龙头连通；所述砂石泵进口通过管道与内管水龙头连通，出口通过管道与泥浆池连通。

优选地，还包括泥浆泵和配药站，所述配药站的出水口与泥浆泵的进口连通，所述泥浆泵的出口与内管水龙头连通。

优选地，还包括空气压缩机，所述空气压缩机与外管水龙头连通。

一种应用上述旋挖钻进系统进行的土壤和地下水原位修复工艺，包括如下步骤：

S1，确定污染地层或地下水的污染分布情况，确定钻孔位置和分布；

S2，通过旋挖钻机系统进行钻孔；钻进过程中，泥浆液通过内管和外管之间的环空中进入喷射短节内，然后通过水平管和喷射口之间的环形间隙喷出，喷出的泥浆液通过钻头的水眼进入到喷射短节的台阶孔内，通过压力作用将密封块顶起后，泥浆液通过台阶孔进入到内管中排出；

S3，采用回拖旋喷的方式，通过内管向污染地层或地下水喷射修复药液，通过外管向污染地层或地下水所在区域喷射高压气体；在液体压力作用下，进入到喷射短节后的修复药液将密封块压在台阶孔内，封闭喷射短节和钻头之间的连通通道；高压气体的喷出气压小于修复药液的液压且高压气体的喷出速度大于修复药液的喷出速度，从而使喷射出的高压气体附在喷射出的液柱表面形成气幕。

优选地，在步骤S2中，通过泥浆泵从泥浆池中吸取泥浆液再向内管和外管之间的环空中注入，通过砂石泵从内管中吸出泥浆液并排出至泥浆池。

优选地，在步骤S3中，回拖旋喷包括竖直方向的回拖旋喷和水平方向的回拖旋喷，通过调整桅杆角度改变回拖旋喷的方向。

优选地，在回拖旋喷过程中，通过配药站配置修复药液并通过泥浆泵泵入内管；同时通过空气压缩机制造高压气体泵入内管和外管之间的环空中以在喷射出的液柱表面形成气幕。

与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：

第一、修复工艺采用的设备简单，附属设备少。同一套旋挖钻机能够实现垂直喷射注入工艺和多分枝井回拖喷射工艺，可根据污染的空间分布不同在两种工艺进行选择。针对分散的点状污染场地选择垂直喷射工艺进行原位注入修复。对于大面积的面状污染场地，选择多分枝井回拖喷射工艺进行原位注入修复，能够做到点面结合的空间立体修复效果。与垂直注入工艺相比，多分枝井修复工艺能够实现单次长距离、大面积修复，可以提高修复效率，缩短修复工期，降低修复成本。

第二、采用旋挖钻机双管反循环钻进成孔后再喷射注入的施工工艺，地层适应性更强，能够在绝大多数地层钻进。通过泥浆循环携带岩屑，成孔速度快。泥浆只添加膨润土，不会污染地层。

第三、与常规单管注入的压力不高于20Mpa相比，双管注入能压力能达到30-65Mpa，较高的压力能够增大修复剂的扩散半径，单次钻进修复体积变大，提高修复效率。

第四、气液同心高速喷射注入工艺：使修复剂和空气同时从同心喷嘴中高速喷出，在液流外围形成一层气体保护层，有利于增强射流切割能力。同时，由于气体的注入能够增大地层的孔隙度改善渗透性，有利于修复药剂与土壤和地下水的充分混合。

附图说明

图1为本发明旋挖钻进系统竖直钻进状态示意图；

图2为图1中A处局部放大图；

图3为图2中B处局部放大图；

图4为本发明旋挖钻进系统竖直状态回拖旋喷状态示意图；

图5为图4中C处局部放大图；

图6为图5中D处局部放大图；

图7为本发明旋挖钻进系统水平钻进状态示意图；

图8为图7中E处局部放大图；

图9为图8中F处局部放大图；

图10为本发明旋挖钻进系统水平装填回拖旋喷状态示意图；

图11为图10中G处局部放大图；

图12为图11中H处局部放大图；

图13为单层多分枝井三维空间分布形态示意图；

图14为双层多分枝井三维空间分布形态示意图。

图中，1、钻机；2、桅杆；3、内管水龙头；4、内管的动力头；5、内管；6、外管水龙头；7、外管的动力头；8、外管；9、泥浆泵；10、砂石泵；11、泥浆池；12、喷射短节；13、钻头；14、井壁；15、内管过水孔；16、外管过水孔；17、弹簧；18、密封块；19、台阶面；20、配药站；21、空气压缩机。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，一种旋挖钻进系统，包括内管5、外管8、喷射短节12和钻头13，内管5转动支撑在外管8内，内管5和外管8分别通过对应的动力头驱动；在外管8钻进的一端套接喷射短节12，喷射短节12远离外管8的一端连接钻头13；所述喷射短节12包括其沿径向均匀开设的多个喷射口，内管5和外管8对应喷射口对应开有同轴的过水孔，内管5上开设的过水孔比外管8上开设的过水孔的内径小，内管5上的过水孔通过水平管延伸至所述喷射短节12径向开设的喷射口内；在喷射短节12正对内管5端面的位置开设台阶孔，台阶孔与钻头13水眼连通，内管5插入到所述台阶孔的大孔内，在台阶孔的大孔内还具有用于封闭所述台阶孔小孔的密封块18，密封块18远离内管5的一面通过一端固定于台阶孔小孔内的弹簧17支撑在台阶孔大孔内。

为了完成不同方向/角度的钻进及回拖旋喷，系统还包括钻机1，所述钻机1上安装有桅杆2，桅杆2与钻机1铰接使桅杆2倾角在0-90°之间调节。

系统还包括内管水龙头3和外管水龙头6，所述内管水龙头3与内管的动力头4装配在一起，所述外管水龙头6和外管的动力头7装配在一起；所述内管水龙头3和内管的动力头4沿桅杆2轴向滑动装配在桅杆2上，所述外管水龙头6和外管的动力头7沿桅杆2轴向滑动装配在桅杆2上。

为了完成前期钻进过程中的泥浆循环，系统还包括泥浆泵9和砂石泵10，所述泥浆泵9进口通过管道连通泥浆池11，出口通过管道与外管水龙头6连通；所述砂石泵10进口通过管道与内管水龙头3连通，出口通过管道与泥浆池11连通。

为了在回拖旋喷过程中向钻孔内供应修复药液，系统还包括泥浆泵9(可直接采用钻进过程中的泥浆泵9)和配药站20，所述配药站20的出水口与泥浆泵9的进口连通，所述泥浆泵9的出口与内管5水龙头3连通。

系统还包括空气压缩机21，所述空气压缩机21与外管水龙头6连通。

一种应用上述旋挖钻进系统进行的土壤和地下水原位修复工艺，包括如下步骤：

S1，确定污染地层或地下水的污染分布情况，确定钻孔位置和分布。

根据污染物在地下的分布形态不同可选择垂直喷射注入法和水平回拖喷射注入法。垂直喷射法是针对小范围的点状污染范围，钻孔布置在污染范围中心点在地面投影处，钻孔竖直向下穿过污染体。水平回拖喷射法是针对大面积污染区域或者分布比较密集的点状污染，钻孔为多分枝井。多分枝井是先通过双管导向钻进技术钻进一个主孔，根据需要修复的场地情况可设置多个分支井或多层分支井，回拖时通过高压喷射的方法将修复剂注入到需要修复的地层中。主孔水平长度可达100-400m，深度5-40m，分枝井长度10-50m，可穿过多个点状污染区域。单层多分支井空间形态如图13所示，双层多分支井空间形态如图14所示。

S2，通过旋挖钻机1系统进行钻孔；钻进过程中，泥浆液通过内管5和外管8之间的环空中进入喷射短节12内，然后通过水平管和喷射口之间的环形间隙喷出，喷出的泥浆液通过钻头13的水眼进入到喷射短节12的台阶孔内，通过压力作用将密封块18顶起后，泥浆液通过台阶孔进入到内管5中排出。

具体的如图1和图2所示，分别为竖直钻进过程和水平钻进过程的示意图。图3-图6为展现细节结构的局部放大图。

将桅杆2调整到预定角度后，内管5可在内管的动力头4驱动下回转，进而带动钻头13回转钻破碎土层形成钻孔。钻进时泥浆泵9通过高压胶管和外管水龙头6连接，将泥浆池11中的泥浆压入内管5和外管8之间的环空中，然后通过喷射短节12上的喷射口进入外管8与井壁14的环空中。此时，泥浆注入压力为1-2Mpa，流量为50-150L/min；砂石泵10通过高压胶管与内管水龙头3连接，将内管5中的泥浆抽出到泥浆池11中，砂石泵10抽吸产生的抽吸力配合弹簧17的恢复形变力以及井内泥浆的推力将密封块18向上顶起，从而打开喷射短节12和钻头13之间的连通通道，使井底的泥浆和岩屑能够通过钻头13水眼进入内管5中。泥浆从内管5和外管8之间的环空中压入井底，从内管5返出地表，从而使外管8与井壁14之间的环空充满带压的泥浆能有效地维护井壁14稳定，同时能减少泥浆在地层中的扩散泥浆防止污染物的扩散。垂直钻进时，将桅杆2调整到垂直状态，水平钻进时将桅杆2倾角调整到10-20°后再钻进并逐步减小钻孔的倾角。

S3，采用回拖旋喷的方式，通过内管5向污染地层或地下水喷射修复药液，通过外管8向污染地层或地下水所在区域喷射高压气体；在液体压力作用下，进入到喷射短节12后的修复药液将密封块18压在台阶孔内，封闭喷射短节12和钻头13之间的连通通道；高压气体的喷出气压小于修复药液的液压且高压气体的喷出速度大于修复药液的喷出速度，从而使喷射出的高压气体附在喷射出的液柱表面形成气幕。在回拖旋喷过程中，通过配药站20配置修复药液并通过泥浆泵9泵入内管5；同时通过空气压缩机21制造高压气体泵入内管5和外管8之间的环空中以在喷射出的液柱表面形成气幕。

具体的如图7和图8所示，分别为竖直喷射状态和水平喷射状态的示意图；图9-图12为展现细节结构的局部放大图。

当钻进到预定位置后，通过高压胶管将泥浆泵9出口和内管水龙头3连通，将配药站20出水口和泥浆泵9进口连通，通过泥浆泵9将配药站20中的修复药液以30-65Mpa的压力压入内管5中，修复药液到达喷射短节12后，向下的压力作用在密封块18上，压缩弹簧17使密封块18与台阶孔的台阶面19接触，从而关闭喷射短节12和钻头13水眼之间的通道，使修复药液只能从内管过水孔15经由喷射短节12的喷射口高速喷出，喷射流量为100-300L/min。在喷射修复药液的同时，通过高压胶管将空气压缩机21和外管水龙头6连接，空气压缩机21将空气以1-2Mpa的压力压入内管5和外管8之间的环空中，最终从外管8和内管过水孔15之间的环空(即外管过水孔16)经由喷射口喷出，从而在修复药液射流外围形成一层气体保护层，能使喷射半径达到1-4m。修复过程中，在注入空气和修复药液的同时，钻杆以60-120r/min度速度回转，并以10-30cm/min的速度向上提升，形成一个直径为2-8m的圆柱形修复体。针对多分枝井注入修复药液时，先完成主孔的钻进和回拖注入，再完成距钻机1较远处分枝井的注入。

最后，还需要进行后期监测。待修复药液与污染地层充分反应后，按照相关标准(量化指标)在已完成修复的范围内进行采样，检测污染物残余浓度、药剂浓度、PH值等相应指标，通过获得的指标值来检测修复效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种旋挖钻进系统，其特征在于，包括内管、外管、喷射短节和钻头，内管转动支撑在外管内，内管和外管分别通过对应的动力头驱动；在外管钻进的一端套接喷射短节，喷射短节远离外管的一端连接钻头；所述喷射短节包括其沿径向均匀开设的多个喷射口，内管和外管对应喷射口对应开有同轴的过水孔，内管上开设的过水孔比外管上开设的过水孔的内径小，内管上的过水孔通过水平管延伸至所述喷射短节径向开设的喷射口内；在喷射短节正对内管端面的位置开设台阶孔，台阶孔与钻头水眼连通，内管插入到所述台阶孔的大孔内，在台阶孔的大孔内还具有用于封闭所述台阶孔小孔的密封块，密封块远离内管的一面通过一端固定于台阶孔小孔内的弹簧支撑在台阶孔大孔内。

2.根据权利要求1所述的旋挖钻进系统，其特征在于，还包括钻机，所述钻机上安装有桅杆，桅杆与钻机铰接使桅杆倾角在0-90°之间调节。

3.根据权利要求2所述的旋挖钻进系统，其特征在于，还包括内管水龙头和外管水龙头，所述内管水龙头与内管的动力头装配在一起，所述外管水龙头和外管的动力头装配在一起；所述内管水龙头和内管的动力头沿桅杆轴向滑动装配在桅杆上，所述外管水龙头和外管的动力头沿桅杆轴向滑动装配在桅杆上。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的旋挖钻进系统，其特征在于，还包括泥浆泵和砂石泵，所述泥浆泵进口通过管道连通泥浆池，出口通过管道与外管水龙头连通；所述砂石泵进口通过管道与内管水龙头连通，出口通过管道与泥浆池连通。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的旋挖钻进系统，其特征在于，还包括泥浆泵和配药站，所述配药站的出水口与泥浆泵的进口连通，所述泥浆泵的出口与内管水龙头连通。

6.根据权利要求5所述的旋挖钻进系统，其特征在于，还包括空气压缩机，所述空气压缩机与外管水龙头连通。

7.一种应用权利要求1所述旋挖钻进系统进行的土壤和地下水原位修复工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1，确定污染地层或地下水的污染分布情况，确定钻孔位置和分布；

S2，通过旋挖钻机系统进行钻孔；钻进过程中，泥浆液通过内管和外管之间的环空中进入喷射短节内，然后通过水平管和喷射口之间的环形间隙喷出，喷出的泥浆液通过钻头的水眼进入到喷射短节的台阶孔内，通过压力作用将密封块顶起后，泥浆液通过台阶孔进入到内管中排出；

S3，采用回拖旋喷的方式，通过内管向污染地层或地下水喷射修复药液，通过外管向污染地层或地下水所在区域喷射高压气体；在液体压力作用下，进入到喷射短节后的修复药液将密封块压在台阶孔内，封闭喷射短节和钻头之间的连通通道；高压气体的喷出气压小于修复药液的液压且高压气体的喷出速度大于修复药液的喷出速度，从而使喷射出的高压气体附在喷射出的液柱表面形成气幕。

8.根据权利要求7所述的土壤和地下水原位修复工艺，其特征在于，在步骤S2中，通过泥浆泵从泥浆池中吸取泥浆液再向内管和外管之间的环空中注入，通过砂石泵从内管中吸出泥浆液并排出至泥浆池。

9.根据权利要求7所述的土壤和地下水原位修复工艺，其特征在于，在步骤S3中，回拖旋喷包括竖直方向的回拖旋喷和水平方向的回拖旋喷，通过调整桅杆角度改变回拖旋喷的方向。

10.根据权利要求9所述的土壤和地下水原位修复工艺，其特征在于，在回拖旋喷过程中，通过配药站配置修复药液并通过泥浆泵泵入内管；同时通过空气压缩机制造高压气体泵入内管和外管之间的环空中以在喷射出的液柱表面形成气幕。

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