CN110821411A - 一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器及利用该扩搅器的成孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器及利用该扩搅器的成孔方法，扩搅器包括管体、钻头、切削搅拌架和浆液输送系统，管体包括外管和内管，外管的上端与钻杆可拆卸连接，钻杆外壁和外管外壁均设置螺旋叶片，外管的下部嵌合套设有内管，内管下端可拆卸连接有钻头；切削搅拌架周向阵列于管体外。成孔方法为：根据钻孔范围内粉细砂层性质及厚度，确定扩搅高程范围和护壁厚度，进而确定扩搅器尺寸；采用扩搅器进行扩搅，从扩搅器中流出的浆体与土体搅拌后固化，钻孔内经过改性的粉细砂浆混合体被送至孔外，最终成孔。利用本发明扩搅器和成孔方法，使孔壁形成一个有5～20cm厚度的浆土固化层作为钻孔护壁圈，为孔壁自稳提供保证。

Description

一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器及利用该扩搅器的成孔 方法

技术领域

本发明属于建筑施工技术领域，具体涉及一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器及利用该扩搅器的成孔方法。

背景技术

粉细砂层无粘结强度，其自稳主要依据土颗粒间相嵌与咬合。因此水下粉细砂层钻孔的孔壁稳定性差，易造成孔底沉渣超限，有时成为废孔。当粉细砂层中富含高承压水时，成孔更加困难。某工程等径长桩（桩长40m余）施工中遭遇到高承压水（7m多的承压水头）厚粉细砂层（顶板距地面约15m，厚度4～6m），成孔后10分钟，即测得孔底沉渣超过3m。虽然通过调节护壁泥浆、更换成孔方法（先高压旋喷再成孔）、更换施工队伍（具有丰富水下粉细砂层成孔经验和大量工程实践经验）等措施，但厚沉渣问题依然没有得到解决。经过多次论证，最终采用钢套管护壁成孔取得成功，但却多付出了近千万元的经济代价。

水下厚粉细砂层中成孔，尤其是富存高承压水时，孔壁不稳，成孔质量往往得不到保证。因此，如何控制这种水下，特别是高承压水下粉细砂层孔壁的稳定是成孔的关键。

发明内容

本发明为解决水下厚粉细砂层中成孔时孔壁稳定性差，易造成孔底沉渣超限的问题，提供一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器及利用该扩搅器的成孔方法。本发明的扩搅器在孔壁注入浆液并搅拌，使孔壁形成一个有5～20cm厚度的浆土固化层作为钻孔护壁圈，为孔壁自稳提供保证。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，包括管体、钻头、切削搅拌架和浆液输送系统，所述管体包括外管和内管，所述外管的上端与带芯管的双重管钻杆可拆卸连接，所述钻杆外壁和外管外壁均设置螺旋叶片，外管的下部嵌合套设有内管，所述内管下端可拆卸连接有钻头；

所述切削搅拌架周向阵列于管体外，切削搅拌架包括上切削板和与上切削板的下端铰接的下切削板，上切削板的上端与外管铰接，下切削板的下端与内管铰接；

所述浆液输送系统包括芯管、输浆通道、上通管和底通管，所述芯管固定设置在外管内的上部，所述输浆通道包括钻头孔道、内管孔道以及位于上切削板和下切削板内的板内孔道，所述上通管接收来自钻杆芯管与钻杆内壁间的浆液并穿过外管壁与位于上切削板内的板内孔道连通，芯管底部连接有底通管，底通管与钻头孔道连通，钻头孔道与内管孔道连通，内管孔道通过连接管与位于下切削板内的板内孔道连通；所述上切削板和下切削板的一侧靠近上切削板和下切削板铰接处设置有出浆孔，所述出浆孔与板内孔道连通。

进一步的，所述外管内壁设置有若干个导槽，内管外壁对应导槽的位置设置有凸起，导槽和凸起相匹配且能使外管和内管相互滑动。

进一步的，设置于外管壁上的螺旋叶片的宽度从下至上依次增大。该设置在扩搅器下行时实现对护壁圈的孔内一侧保护层逐渐剥离，相当于为护壁圈的形成和其强度的强化留出时间，同时让所有螺旋叶片都分摊孔内浆土混合体切割工作量，再者为扩搅器的扩搅减轻周边压力。双液浆土固化过程先是浆土混合体初凝，随后其强度随时间逐渐提高。

所述外管的上端与钻杆螺纹连接，所述芯管与钻杆的芯管螺纹连接，以接入来自钻杆芯管的浆液，内管下端螺纹连接有钻头。

进一步的，所述上切削板和下切削板均呈板状结构，上切削板和下切削板与出浆孔相对的一侧设置有切削刃，上切削板的切削刃与下切削板的切削刃位于同侧。

进一步的，所述芯管上部通过若干个连接片与外管的内壁固定连接，芯管的下部通过内隔板与外管的内壁固定连接；所述上通管的一端固定设置于内隔板中，二者的顶端齐平。

进一步的，所述内管外套设有若干定位箍，定位箍用以控制外管的下行进程，以调节切削搅拌架的最大张开程度。当外管下滑与定位箍相接触时，定位箍将对外管起阻止下滑作用，此时切削搅拌架达到了最大张开度。

进一步的，所述钻头为截面呈“Y”形或“十”字形的超短锥形钻头或短螺纹距的螺旋叶片超短钻头。当钻头为超短锥形钻头时，锥头角度为60～150°，土体坚硬密实时锥头角度取小值，土体稍硬较密实时取大值。钻头的选择要求为：既要能钻进，又不能钻进过快，以使钻孔外周土体充分搅拌，并能形成固化圈，为钻孔护壁打下基础。

进一步的，外管径向对称设置有两个溢流孔，所述溢流孔位于内隔板的下方，溢流孔外侧设置有由橡胶制成的封孔片，所述封孔片嵌入外管，封孔片的外表面与外管的外壁平齐或微凹，封孔片的一端与外管固定连接。溢流孔的设置，用于调节扩搅器工作时其管内外流体运移与压差，减少不利影响。

本发明扩搅器的内管、外管的长度根据扩底尺寸和扩搅范围直径确定。可以加工成多个系列尺寸，工程应用时根据扩搅范围进行内管、外管组装而成。同时，可以借助定位箍进一步调节扩搅器的扩搅范围。设钻孔直径为a，扩搅范围的直径为b，外管外径为d。受上切削板和下切削板铰接的影响，内管和外管在竖向上不会完全接触，有最小间距c，因此上/下切削板的有效长度（指出浆孔至外管壁或内管壁的长度）为

上/下切削板长度=

上切削板和下切削板也可不等长，此时内管和外管的有效高度就可以差距明显。如现有上/下切削板长度超出了上述计算的长度，就需要加若干个定位箍（预先加工好的）来增加c值。

本发明的第二个方面，提供了一种水下厚粉细砂层成孔方法，具体为：

先根据钻孔范围内粉细砂层性质及厚度，确定扩搅高程范围和护壁厚度，进而确定扩搅器尺寸；采用扩搅器对钻孔外周进行扩搅固化，从扩搅器中带压流出的浆液与旋切松动土体搅拌后迅速初凝，在钻孔外周形成具有一定强度和厚度的砂浆护壁圈，同时，扩搅器上接的钻杆的螺旋叶片将钻孔内经过改性的粉细砂浆混合体（低强度浆土固化体）送至孔外，最终成孔。

上述水下厚粉细砂层成孔方法，具体包括以下步骤：

步骤1：根据粉细砂性质和拟设置的护壁圈厚度，计算扩搅范围尺寸、顶底高程。

步骤2：确定扩搅器尺寸，包括外管和内管的高度和直径、钻头锥尖角大小和切削搅拌架尺寸。通常以切削搅拌架合拢时扩搅器外包络圆直径为钻孔直径的1/3～2/3为原则来选择内管和外管直径，以切削搅拌架全张开时出浆孔到达扩搅范围外边界为原则选择切削搅拌架的上切削板和下切削板的长度，以切削搅拌架张开到设计开度时钻头不产生较大的钻进下行为原则选择钻头锥尖角大小，根据上切削板和下切削板的长度选择内管与外管的高度。如果已有的切削搅拌架的上切削板和下切削板偏长，则可通过加定位箍来满足要求。

步骤3：选择配套钻杆，选用带芯管的双重管钻杆，且钻杆外壁设置有螺旋叶片。

步骤4：浆液配制：根据地质条件和工程要求综合确定护壁圈的固化强度和厚度，然后配制相配套的初凝时间和强度的浆液。采用双浆液时，应确定每种单浆液以及两种浆液混合后的合理初凝时间。

步骤5：按规范要求钻直孔到扩搅范围的上高程处，并保持孔内护壁泥浆合理高度。

步骤6：利用扩搅器对步骤5中所述直孔进行扩搅和排土，直至到达设计的扩搅钻进底高程，使孔壁形成一个有5～20cm厚度的护壁圈。

步骤7：扩搅钻进工作完成后，停止浆液输送，上提扩搅器成孔。成孔后浆土护壁圈仍保留，钻孔孔壁稳定。

步骤8：如果设计钻孔需要下延且土质条件良好，则使用常规带钻杆的钻具采取泥浆护壁的方式钻至设计孔底高程位置，取钻，成孔。

进一步的，步骤6具体包括：

步骤61：下放扩搅器至步骤5的直孔的孔底（即扩搅范围的上高程处），切削搅拌架张开接触孔壁；

步骤62：启动浆液输送，通过钻杆对扩搅器旋压，扩搅器外管下行，切削搅拌架旋切孔壁土体，两种浆液沿浆液输送系统运输并从上切削板和下切削板中的出浆孔中带压流出，进入旋切松动的土体中，并在紧随其后的切削搅拌架搅动中与土体进一步拌和并迅速初凝，形成相对硬质的浆土合体，同时切削搅拌架进一步张开并切削搅拌土体形成浆土混合体。此阶段，因受孔底土体阻力的影响，钻头下行阻力大于切削搅拌阻力，钻杆对扩搅器的旋压作用，主要是使切削搅拌架逐渐张开到设计的最大开度。

步骤63：当切削搅拌架逐渐张开至最大时，加大钻杆压力，钻头下行钻进，同时切削搅拌架以最大张开度旋切孔周土体，浆液不断从出浆孔中带压流出并拌和旋切松动的土体而形成浆土混合体。

步骤64：扩搅器不断下行，直至到达设计的扩搅钻进底高程。

进一步的，当在潜水条件下的厚粉细砂中成孔时，钻杆的螺旋叶片尺寸与钻孔直径相当，用于实现全排土。在步骤64中，扩搅器下端钻进同时下部快速自制护壁圈，上部钻杆的螺旋叶片全排土。

进一步的，在高承压水条件下的厚粉细砂中成孔时，步骤1中扩搅的起始高程选在不产生孔底突涌的最低高程上方，突涌安全系数取1.05，即孔内护壁泥浆的压力与粉细砂层顶与扩搅起始高程之间的土层自重之和，大于承压水头压力的1.05倍。步骤3中选择的配套钻杆的螺旋叶片比钻孔直径小20～50cm，用于实现部分排土，减轻搅拌阻力，给设计的护壁圈提供10～25cm的保护层，以促进其在高承压水条件下形成合格的护壁圈。步骤64中扩搅器下端钻进的同时下部快速自制护壁圈，上部钻杆外的孔内残土为护壁圈提供10～25cm的保护层，可促使其在高承压水条件下形成合格的护壁圈。步骤7中还包括上提扩搅器后，改为输送充填浆液，当扩搅器缓缓上提离开扩搅区时，停止浆液输送，扩搅器继续上提至孔口并移离孔位，然后换成常规带钻杆的钻具，采取泥浆护壁方式，钻穿高承压水粉细砂层的孔内范围的的浆土合体，并一直下钻至设计孔底高程位置，然后提钻，成孔。

本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明扩搅器在设计孔径外周喷入浆体并搅拌，浆体和粉细砂混合，钻孔壁外的浆土混合体留下形成5～20cm厚度护壁圈，保证了钻孔壁自稳。孔内因有浆液渗入易形成低粘结强度的浆土固化体，低粘结强度浆土混合体被外管和钻杆上螺旋叶片分割，并往孔口方向输送，减轻了搅拌区土体围压，也就减少了扩搅器转动和搅拌的阻力。

2、当钻杆上的螺旋叶片与钻孔尺寸相当时，钻杆的螺旋叶片起全排土作用。实现了下端钻进同时快速自制护壁圈，上部钻杆全排土。当粉细砂层富含高承压水时，钻杆上螺旋叶片尺寸小于钻孔直径20～50cm，且与外管顶端螺旋叶片尺寸相当。该结构使得在钻孔内一侧给护壁圈增加了10～25cm保护层，增进高质量护壁圈的形成。

附图说明

图1为本发明一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器的结构示意图一。

图2为本发明一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器的结构示意图二。

图3为本发明一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器在切削搅拌架张开到设计最大开度时的结构示意图。

图4为本发明一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器的立体结构示意图。

图5为本发明一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器上切削板和下切削板的结构示意图。

图6为为本发明一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器中外管、内管和上通管的结构示意图。

图7为本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例2步骤5中的直孔的示意图。

图8为本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例2的步骤61中扩搅器下放入直孔后的示意图。

图9为本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例2的步骤63扩搅器下行扩搅的示意图。

图10为本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例2的步骤64到达设计的扩搅钻进底高程后的示意图。

图11为本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例2成孔后的示意图。

图12为本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例2钻孔下延的示意图。

图13本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例3步骤5中的直孔的示意图。

图14为本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例3的步骤61中扩搅器下放入直孔后的示意图。

图15为本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例3的步骤63扩搅器下行扩搅的示意图。

图16为本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例3的步骤64到达设计的扩搅钻进底高程后的示意图。

图17为本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例3成孔后的示意图。

图18为本发明一种水下厚粉细砂层成孔方法实施例3钻孔下延的示意图。

附图中，1为钻头，2为外管，3为内管，4为上切削板，5为下切削板，6为芯管，7为底通管，8为钻头孔道，9为内管孔道，10为板内孔道，11为连接管，12为出浆孔，13为凸起，14为切削刃，15为连接片，16为内隔板，17为定位箍，18为护壁圈，19为浆土混合体，20为封孔片，21为溢流孔，22为粉细砂，23为护壁泥浆，24为常规带钻杆的钻具，25为上通管，26为螺旋叶片。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细的阐述，但本发明的保护范围并不限于以下实施例，任何本领域的技术人员在本发明的基础上，结合本领域公知常识所能想到的技术方案，都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1～6所示，一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，包括管体、钻头1、切削搅拌架和浆液输送系统，所述管体包括外管2和内管3，所述外管2为钢管，内径为20～40cm，壁厚3～5cm，长度50～100cm，外管2上端与带芯管的双重管钻杆螺纹连接，所述钻杆外壁和外管2外壁均设置螺旋叶片26，外管2的下部嵌合套设有内管3，具体的，外管2内壁设置有若干个导槽，内管3外壁对应导槽的位置设置有凸起13，导槽和凸起13相匹配且能使外管2和内管3相互滑动。内管3为钢管，外径同外管2的内径，壁厚2～4cm，长度40～90cm。外管2径向对称设置有两个溢流孔21，所述溢流孔21孔径0.8～1.2cm且位于内隔板16的下方，溢流孔21外侧设置有由橡胶制成的封孔片20，所述封孔片20嵌入外管2，封孔片20的外表面与外管2的外壁平齐或微凹，封孔片20的一端与外管2固定连接。

所述内管3下端螺纹连接有钻头1，所述钻头1为截面呈“Y”形或“十”字形的超短锥形钻头或短螺纹距的螺旋叶片超短钻头。当钻头1为超短锥形钻头时，锥头角度为60～150°。为防止钻头1反钻脱落，可再设置螺栓将钻头与内管3连接起来。

所述内管3外还套设有若干定位箍17，定位箍17为高度3cm～15cm的圆环，用以控制外管2的下行进程，以调节切削搅拌架的最大张开程度。

所述切削搅拌架周向阵列于管体外，管体外通常阵列有2个或4个切削搅拌架。切削搅拌架包括上切削板4和与上切削板4的下端铰接的下切削板5，上切削板4的上端与外管2铰接，下切削板5的下端与内管3铰接；所述上切削板4和下切削板5均呈板状结构，均由厚1.5～3cm的高强度钢板构成，上切削板4和下切削板5转动前进方向的一侧设置有切削刃14、另一侧设置有出浆孔12。

所述浆液输送系统包括芯管6、输浆通道、上通管25和底通管7，所述芯管6固定设置在外管2内的上部并与外管2同轴心，具体的，芯管6上部通过若干个连接片15与外管2的内壁固定连接，芯管6的下部通过内隔板16与外管2的内壁固定连接。芯管6上端与钻杆的芯管螺纹连接，以接入来自钻杆芯管的浆液。所述输浆通道包括钻头孔道8、内管孔道9和位于上切削板4和下切削板5内的板内孔道10，所述上通管25接收来自钻杆芯管与钻杆内壁间的浆液并穿过外管2与位于上切削板4内的板内孔道10连通，具体的，上通管25的一端与内隔板16螺纹连接，在外管2内置于预设的孔槽内，并且保证内管3和外管2套合时不对上通管25产生影响，上通管25从外管2壁上穿出，与上切削板4内的板内孔道10连接。芯管6底部连接有底通管7，底通管7与钻头孔道8连通，钻头孔道8与内管孔道9连通，内管孔道9通过连接管11与位于下切削板5内的板内孔道10连通；所述上切削板4和下切削板5的一侧靠近上切削板4和下切削板5铰接处设置有出浆孔12，所述出浆孔12与板内孔道10连通，上切削板4和下切削板5上的出浆孔12均设置有2～3个，浆液最终自此进入土体并在切削搅拌架的搅拌下与土体混合。上述钻头孔道8呈⊥形，其接入来自底通管7的浆液，并通过内管3中的内管孔道9输送到下切削板5的板内孔道10内，然后于下切削板5的出浆孔12带压流出。当管体外设置2个切削搅拌架时，两个切削搅拌架的上切削板4和下切削板5内均设置有板内孔道10。当设置4个切削搅拌架时，仅有对称的两个切削搅拌架的上切削板4内的板内孔道10与上通管25连通，与其相邻的切削搅拌架则只有底通管7和下切削板5的板内孔道10连通，不通浆液的上切削板4和下切削板5均不设板内孔道10而均为实心板。

上述扩搅器的组装步骤如下：

步骤1：准备好外管2、内管3、钻头1、定位箍17、刚柔性管线，以及连接零部件，检查是否存在质量问题或隐患。

步骤2：安装上通管25，将上通管25穿出外管2；安装底通管7。

步骤3：在内管3外套入定位箍17，将内管3套入外管2；并使底通管7从内管3下方穿出。

步骤4：将上通管25与上切削板4中的板内孔道10相连，同时将上切削板4铰接在外管2壁的铰座上，将上通管25紧塞入板内孔道10内。

步骤5：将底通管7与钻头1上的⊥形钻头孔道8连接，再将钻头1连接于内管3下端，管体内的底通管7将以螺旋方式（类似于弹簧）贮存在外管2和内管3之中。

步骤6：用刚柔性管线（即连接管11）将内管孔道9与下切削板5中的板内孔道10相连接，同时将下切削板5铰接在内管3的铰座上，将刚柔性管线紧塞入下切削板5的板内孔道10内。

步骤7：将上切削板4与下切削板5铰接。至此，扩搅器组装完毕。按扩搅器工作方式活动扩搅器，检查直至确认扩搅器工作运转正常（尤其要注意上通管25与上切削板4中板内孔道10连接状态，以及内管孔道9与下切削板5的板内孔道10的连接管的状态）。通水检查并确认管路连接牢固、畅通。

使用时，将扩搅器置于直孔的孔底，钻头1受到孔底土体阻挡而停止下行，切削搅拌架张开并触碰到孔壁。启动浆液输送，对钻杆进行旋压，扩搅器外管2沿与其套合的内管3下行，切削搅拌架旋切孔壁土体，浆液沿浆液输送系统运输并从上切削板4和下切削板5的出浆孔12中带压流出，并进入到旋切松动的土体中。在紧邻随后的切削搅拌架搅动中，浆液与土体进一步拌和并快速初凝与固化，同时切削搅拌架进一步张开。此阶段，因受孔底土体阻力作用，钻头1下行阻力大于切削搅拌阻力，钻杆对扩搅器的旋压作用，主要是使切削搅拌架逐渐张开到设计的开度（钻头1因受压旋转，也会产生一定量的下行钻进。钻头1的锥角越大，孔底土体越密实，这种下行钻进量越小）。当切削搅拌架逐渐张开至最大时，加大钻杆压力，钻头1钻进下行，同时切削搅拌架以最大张开度旋切孔周土体，并不断从出浆孔中出浆拌和旋切松动的土体，双浆液与旋切松动的土体混合后，迅速初凝，从而在钻孔外周形成一个具有一定粘结强度且整性较好的硬质圈层。随着钻头1下行，该硬质圈层在外管2和钻杆的侧向支撑下处于相对静态状态，并随时间增长，其强度进一步提高，起着钻孔护壁作用，称为浆土护壁圈18。而钻孔内范围浆液偏少，同时受到外管2和钻杆上螺旋叶片26的搅动切割，最终形成低粘结强度浆土混合体19。该浆土混合体19被外管2和钻杆上螺旋叶片26分割，并往孔口方向输送，减轻了搅拌区土体围压，也就减少了搅拌器转动和搅拌的阻力。

当钻杆上的螺旋叶片26与钻孔尺寸相当时，钻杆的螺旋叶片26起全排土作用。从而实现扩搅器下端钻进同时快速自制护壁圈18，上部螺旋钻杆全排土。该方法即称为自制护壁圈18钻进一次成孔方法。

当粉细砂层22富含高承压水时，钻孔水压波动大且复杂，自制护壁圈18钻进法难以形成合格的护壁圈18。此时钻杆上的螺旋叶26片应小于钻孔直径20～50cm，且与外管2顶端螺旋叶片26尺寸相当，该结构在钻孔内一侧给护壁圈18增加10～25cm的保护层，增进高质量护壁圈18的形成。然后反钻扩搅器，换为输送充填浆液，切削搅拌架逐渐收拢，扩搅器上提出孔口。接着用常规带钻杆的钻具24钻进成孔。由于孔内范围的粉细砂22变为了低粘结强度浆土混合体19，即对水下粉细砂22进行了改性，采用常规带钻杆的钻具24即可排土钻进。该成孔方法为自制浆土护壁成孔法。

实施例2

潜水条件下厚粉细砂中成孔方法（自制护壁圈钻进一次成孔方法），包括以下步骤：

步骤1：根据粉细砂22性质和拟设置的护壁圈18厚度，计算扩搅范围尺寸、顶底高程。

步骤2：确定扩搅器尺寸，包括外管2和内管3高度和直径、钻头1锥尖角大小和切削搅拌架尺寸。通常以切削搅拌架合拢时扩搅器外包络圆直径为钻孔直径的1/3～2/3为原则来选择内管3和外管2直径，以切削搅拌架全张开时出浆孔12到达扩搅范围外边界为原则选择切削搅拌架的上切削板4和下切削板5的长度，以切削搅拌架张开到设计开度时钻头1不产生较大的钻进下行为原则选择钻头1锥尖角大小，根据上切削板4和下切削板5的长度选择内管3与外管2的高度。如果已有的切削搅拌架的上切削板4、下切削板5偏长，则可通过加定位箍17来满足要求。

步骤3：选择配套钻杆，选用带芯管的双重管钻杆，且钻杆外壁设置有螺旋叶片26，钻杆的螺旋叶片26尺寸与钻孔直径相当，用于实现全排土。

步骤4：浆液配制：根据地质条件和工程要求综合确定护壁圈18的固化强度和厚度，然后配制相配套的初凝时间和强度的浆液。采用双浆液时，应确定每种单浆液，以及两种浆液混合后的合理初凝时间。通常情况下选用水泥浆和水玻璃。

步骤5：按规范要求钻直孔到扩搅范围的上高程处，并保持孔内护壁泥浆23合理高度，如图7所示。

步骤6：利用扩搅器对步骤5中所述直孔进行扩搅和全排土，直至到达设计的扩搅钻进底高程，使孔壁形成一个有5～20cm厚度的护壁圈18。该步骤具体包括：

步骤61：下放扩搅器至步骤5的直孔的孔底（即扩搅范围的上高程处），切削搅拌架张开接触孔壁，如图8所示。

步骤62：启动浆液输送，通过钻杆对扩搅器旋压，扩搅器外管2下行，切削搅拌架旋切孔壁土体，两种浆液通过各自路径运输（其中水玻璃依次通过芯管6、底通管7、钻头孔道8、内管孔道9和下切削板5的板内孔道10进行运输，水泥浆依次通过上通管25、上切削板4的板内孔道10进行运输）并分别从上切削板4和下切削板5中的出浆孔12中带压流出，进入旋切松动的土体中，并在紧随其后的切削搅拌架搅动中与土体进一步拌和并迅速初凝，形成相对硬质的浆土合体，同时切削搅拌架进一步张开并切削搅拌土体形成浆土混合体19。此阶段，因受孔底土体阻力的影响，钻头1下行阻力大于切削搅拌阻力，钻杆对扩搅器的旋压作用，主要是使切削搅拌架逐渐张开到设计的最大开度。

步骤63：当切削搅拌架逐渐张开至最大时，加大钻杆压力，钻头1下行钻进，同时切削搅拌架以最大张开度旋切孔周土体，浆液不断从出浆孔12中出浆并拌和旋切松动的土体而形成浆土混合体19，如图9所示。

步骤64：扩搅器不断下行，直至到达设计的扩搅钻进底高程，如图10所示。由于钻杆上的螺旋叶片26与钻孔尺寸相当，钻杆起全排土作用。这时扩搅器下端钻进同时下部快速自制护壁圈18，上部钻杆的螺旋叶片26全排土。

步骤7：扩搅钻进工作完成后，停止浆液输送，上提扩搅器成孔，如图11所示。成孔后护壁圈18仍保留，钻孔孔壁稳定。

步骤8：如果设计钻孔需要下延且土质条件良好，则使用常规带钻杆的钻具24采取泥浆护壁的方式钻至设计孔底高程位置，取钻，成孔。如图12所示。

实施例3

高压承水条件下厚粉细砂中成孔方法（自制浆土护壁成孔方法），包括以下步骤：

如图13～18所示，

本实施例步骤与实施例2基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：

步骤1中扩搅的起始高程选在不产生孔底突涌的最低高程上方，突涌安全系数取1.05，即孔内护壁泥浆23的压力与粉细砂层22顶与扩搅起始高程之间的土层自重之和，大于承压水头压力的1.05倍。

步骤3中选择的配套钻杆的螺旋叶片26比钻孔直径小20～50cm，用于实现部分排土，减轻搅拌阻力。

步骤64中扩搅器下端钻进的同时下部快速自制护壁圈18，上部螺旋钻杆外的孔内残土为护壁圈18提供10～25cm的保护层，可促使其在高承压水条件下形成合格的护壁圈18。

步骤7中上提扩搅器后，改为输送强度低的充填浆液。随着扩搅器缓缓上提，切削搅拌架在反向旋转过程中搅拌与回拢，残留在管内的原浆液刚好加固扩搅范围底部。之后，随着充填浆液的到来，充填浆液将会充填扩搅器移离而留下的空间，从而维持扩搅区域的稳定，尤其是外周的高强度圈层的稳定。当扩搅器缓缓上提离开扩搅区时，停止浆液输送，扩搅器继续上提至孔口并移离孔位。然后换成常规带钻杆的钻具24，采取泥浆护壁方式，钻穿高承压水粉细砂层22的孔内范围的浆土合体，并一直下钻至设计孔底高程位置，然后提钻，成孔。

以上之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围。

Claims (10)

1.一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，包括管体、钻头（1）、切削搅拌架和浆液输送系统，所述管体包括外管（2）和内管（3），所述外管（2）的上端与带芯管的双重管钻杆可拆卸连接，所述钻杆外壁和外管（2）外壁均设置螺旋叶片（26），外管（2）的下部嵌合套设有内管（3），所述内管（3）下端可拆卸连接有钻头（1）；

所述切削搅拌架周向阵列于管体外，切削搅拌架包括上切削板（4）和与上切削板（4）的下端铰接的下切削板（5），上切削板（4）的上端与外管（2）铰接，下切削板（5）的下端与内管（3）铰接；

所述浆液输送系统包括芯管（6）、输浆通道、上通管（25）和底通管（7），所述芯管（6）固定设置在外管（2）内的上部，所述输浆通道包括钻头孔道（8）、内管孔道（9）以及位于上切削板（4）和下切削板（5）内的板内孔道（10），所述上通管（25）接收来自钻杆芯管与钻杆内壁间的浆液并穿过外管（2）壁与位于上切削板（4）内的板内孔道（10）连通，芯管（6）底部连接有底通管（7），底通管（7）与钻头孔道（8）连通，钻头孔道（8）与内管孔道（9）连通，内管孔道（9）通过连接管（11）与位于下切削板（5）内的板内孔道（10）连通；所述上切削板（4）和下切削板（5）的一侧靠近上切削板（4）和下切削板（5）铰接处设置有出浆孔（12）。

2.根据权利要求1所述的一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，所述外管（2）内壁设置有若干个导槽，内管（3）外壁对应导槽的位置设置有凸起（13），导槽和凸起（13）相匹配且能使外管（2）和内管（3）相互滑动。

3.根据权利要求1所述的一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，所述上切削板（4）和下切削板（5）均呈板状结构，上切削板（4）和下切削板（5）与出浆孔（12）相对的一侧设置有切削刃（14），上切削板（4）的切削刃（14）与下切削板（5）的切削刃（14）位于同侧。

4.根据权利要求1所述的一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，所述芯管（6）上部通过若干个连接片（15）与外管（2）的内壁固定连接，芯管（6）的下部通过内隔板（16）与外管（2）的内壁固定连接，所述上通管（25）的一端固定设置于内隔板（16）中。

5.根据权利要求1所述的一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，所述内管（3）外套设有若干定位箍（17），定位箍（17）用以控制外管（2）的下行进程，以调节切削搅拌架的最大张开程度。

6.根据权利要求1所述的一种水下厚粉细砂层成孔用扩搅器，其特征在于，所述钻头（1）为截面呈“Y”形或“十”字形的超短锥形钻头或短螺纹距的螺旋叶片超短钻头。

7.一种水下厚粉细砂层成孔方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据粉细砂（22）性质和拟设置的护壁圈（18）厚度，计算扩搅范围尺寸、顶底高程；

步骤2：确定扩搅器尺寸，包括外管（2）和内管（3）的高度和直径、钻头（1）锥尖角大小和切削搅拌架尺寸；以切削搅拌架合拢时扩搅器外包络圆直径为钻孔直径的1/3～2/3为原则来选择内管（3）和外管（2）直径，以切削搅拌架全张开时出浆孔（12）到达扩搅范围外边界为原则选择切削搅拌架的上切削板（4）和下切削板（5）的长度，以切削搅拌架张开到设计开度时钻头不产生较大的钻进下行为原则选择钻头（1）锥尖角大小，根据上切削板（4）和下切削板（5）的长度选择内管（3）与外管（2）的高度；

步骤3：选择配套钻杆，选用带芯管的双重管钻杆，且钻杆外壁设置有螺旋叶片（26）；

步骤4：浆液配制：根据地质条件和工程要求综合确定护壁圈（18）的固化强度和厚度，然后配制相配套的初凝时间和强度的浆液；

步骤5：按规范要求钻直孔到扩搅范围的上高程处，并保持孔内护壁泥浆（23）合理高度；

步骤6：利用扩搅器对步骤5中所述直孔进行扩搅和排土，直至到达设计的扩搅钻进底高程，使孔壁形成一个有5～20cm厚度的护壁圈（18）；

步骤7：扩搅钻进工作完成后，停止浆液输送，上提扩搅器成孔；

步骤8：如果设计钻孔需要下延且土质条件良好，则使用常规带钻杆的钻具（24）采取泥浆护壁的方式钻至设计孔底高程位置，取钻，成孔。

8.根据权利要求7所述的一种水下厚粉细砂层成孔方法，其特征在于，步骤6具体包括：

步骤61：下放扩搅器至步骤5的直孔的孔底，切削搅拌架张开接触孔壁；

步骤62：启动浆液输送，通过钻杆对扩搅器旋压，扩搅器外管下行，切削搅拌架旋切孔壁土体，两种浆液沿浆液输送系统运输并从上切削板（4）和下切削板（5）中的出浆孔（12）中带压流出，进入旋切松动的土体中，并在紧随其后的切削搅拌架搅动中与土体进一步拌和并迅速初凝，形成相对硬质的浆土合体，同时切削搅拌架进一步张开并切削搅拌土体形成浆土混合体（19）；

步骤63：当切削搅拌架逐渐张开至最大时，加大钻杆压力，钻头（1）下行钻进，同时切削搅拌架以最大张开度旋切孔周土体，浆液不断从出浆孔（12）中出浆并拌和旋切松动的土体而形成浆土混合体（19）；

步骤64：扩搅器不断下行，直至到达设计的扩搅钻进底高程。

9.根据权利要求8所述的一种水下厚粉细砂层成孔方法，其特征在于，当在潜水条件下的厚粉细砂（22）中成孔时，钻杆的螺旋叶片（26）尺寸与钻孔直径相当，用于实现全排土；在步骤64中，扩搅器下端钻进同时下部快速自制护壁圈（18），上部钻杆的螺旋叶片（26）全排土。

10.根据权利要求8所述的一种水下厚粉细砂层成孔方法，其特征在于，在高承压水条件下的厚粉细砂（22）中成孔时，步骤1中扩搅的起始高程选在不产生孔底突涌的最低高程上方，突涌安全系数取1.05；步骤3中选择的配套钻杆的螺旋叶片（26）比钻孔直径小20～50cm，用于实现部分排土；步骤64中扩搅器下端钻进的同时下部快速自制护壁圈（18），上部钻杆外的孔内残土为护壁圈（18）提供10～25cm的保护层；步骤7中还包括上提扩搅器后，改为输送充填浆液，当扩搅器上提离开扩搅区时，停止浆液输送，扩搅器继续上提至孔口并移离孔位，然后换成常规带钻杆的钻具（24），采取泥浆护壁方式，钻穿高承压水粉细砂层的孔内范围的浆土合体，并下钻至设计孔底高程位置，然后提钻，成孔。

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