CN111749618A - 一种基于双壁钻杆的激光导向钻进方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双壁钻杆的激光导向钻进系统，包括：主机系统，所述主机系统提供顶管施工的旋转顶进动力，所述主机系统包括顶架系统、导向系统、液压系统以及控制系统；土压纠偏钻头，所述土压纠偏钻头与主机系统的导向系统配合，进行双壁钻杆的顶进，所述土压纠偏钻头具有泥浆孔；以及前后连接的多节双壁钻杆，前后连接的多节双壁钻杆的第一端连接在主机系统上，第二端连接到土压纠偏钻头；其中每一节双壁钻杆包括内钻杆、外钻杆以及内钻杆和外钻杆之间的限位凸起，内钻杆和外钻杆之间具有外环隙，所述外环隙与钻头的泥浆孔相连通，进而连接到多节双壁钻杆的第一端处的泥浆接头，其中内钻杆具有内腔孔，所述土压纠偏钻头在第二端与内钻杆密封连接，使得所述内腔孔与外环隙密封隔离，所述内腔孔用于进行激光导向定位。

Description

一种基于双壁钻杆的激光导向钻进方法及系统

技术领域

本发明涉及管道施工技术领域。更具体地，本发明涉及一种基于双壁钻杆的激光导向钻进方法及系统。

背景技术

随着市政建设的进一步发展以及农村居住条件的逐步改善，公共基础设施以及家庭给水排水需求进一步提升，这就离不开管道安装、维修等施工工作。

与开挖施工相比，地下管道非开挖施工的整体优势在于施工的负面影响小，占用场地比较少，对地面、交通、环境以及周围地下管线等等的影响很微弱。

在管道施工中经常遇到不良地质且建筑密集的区域，为了减少对现有道路及周边建筑物的影响一般采用非开挖施工，但是现有的非开挖施工工艺在小口径污水管道施工方面存在造价高、施工效率低、工作场地脏乱、标高控制不准等问题。

水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施(管道、电缆等)的一种施工机械，它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设施工中，它适用于沙土、粘土、卵石等地况，我国大部分非硬岩地区都可施工。水平定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线铺设施工工程中。

现有技术中，水平定向钻机上的钻杆为独立钻杆，即利用单独一根钻杆进行钻取，其工作效率低，并且工作方式单一，对于地质复杂的勘探区域，其适应性较差。

发明内容

现有定向钻顶拉管技术的缺点是场地要求大，要有入钻空间；施工时难以做到压力平衡，存在水土流失，对周边扰动大；管道标高控制不准。小口径泥水平衡顶管的缺点是难以纠偏，容易卡钻。

本发明的目的就是复杂地质且建筑密集区域的管道施工问题，缩小施工所需空间，提高标高精度，降低施工难度，改善施工环境，提高施工效率。

根据本发明的一个实施例，提供一种基于双壁钻杆的激光导向钻进系统，包括：

主机系统，所述主机系统提供顶管施工的旋转顶进动力，所述主机系统包括顶架系统、导向系统、液压系统以及控制系统；

土压纠偏钻头，所述土压纠偏钻头与主机系统的导向系统配合，进行双壁钻杆的顶进，所述土压纠偏钻头具有泥浆孔；以及

前后连接的多节双壁钻杆，前后连接的多节双壁钻杆的第一端连接在主机系统上，第二端连接到土压纠偏钻头；

其中每一节双壁钻杆包括内钻杆、外钻杆以及内钻杆和外钻杆之间的限位凸起，内钻杆和外钻杆之间具有外环隙，所述外环隙与钻头的泥浆孔相连通，进而连接到多节双壁钻杆的第一端处的泥浆接头，

其中内钻杆具有内腔孔，所述土压纠偏钻头在第二端与内钻杆密封连接，使得所述内腔孔与外环隙密封隔离，所述内腔孔用于进行激光导向定位。

在本发明的一个实施例中，对于每一节双壁钻杆，内钻杆的一端为插口，另一端为承口；外钻杆的一端为承口，另一端为插口。

在本发明的一个实施例中，相邻两节双壁钻杆通过插接直接连接或螺纹连接。

在本发明的一个实施例中，内钻杆的插口处具有一个或多个凹槽，并在凹槽中设置密封圈。

在本发明的一个实施例中，所述土压纠偏钻头的前端是斜面形状的尖端，所述土压纠偏钻头与所述内钻杆连接的端面处具有有定位标识，用于区分出尖端位置，

所述导向系统包括设置在多节双壁钻杆的第一端处的激光导向仪和取景器，激光从激光导向仪发出，经过内腔孔抵达所述土压纠偏钻头与所述内钻杆连接的端面，所述取景器获取激光点落在端面的图像，根据激光点在端面的位置，判定钻头偏转方向。

在本发明的一个实施例中，基于双壁钻杆的激光导向钻进系统还包括注浆排泥系统，所述注浆排泥系统通过管道连接到多节双壁钻杆的第一端处的泥浆接头，所述泥浆接头与双壁钻杆采用滑动密封连接，在作业时，在注浆排泥系统的外部高压泥浆泵作用下，从外部泥浆池抽取泥浆，经管道送至所述泥浆接头，泥浆通过外环隙至泥浆孔。

根据本发明的另一个实施例，提供一种基于双壁钻杆的激光导向钻进的方法，包括：

将主机放入工作井，并固定；

调整主机标高，并根据设计管道坡度调整主机轴向倾斜度，安装第一节双壁钻杆、激光导向仪、取景器、钻头和注浆排泥系统，所述注浆排泥系统通过管道连接到双壁钻杆的第一端处的泥浆接头泥浆接头与双壁钻杆采用滑动密封连接，钻头安装在第一节双壁钻杆的第二端；

启动主机，将钻头向管道方向洞口顶进；

前节钻杆入土后，回撤顶具安装下一节双壁钻杆，继续导向顶进。

在本发明的另一个实施例中，每一节双壁钻杆包括内钻杆、外钻杆以及内钻杆和外钻杆之间的限位凸起，内钻杆和外钻杆之间具有外环隙，所述外环隙与钻头的泥浆孔相连通，进而连接到多节双壁钻杆的第一端处的泥浆接头，

其中内钻杆具有内腔孔，所述钻头在第二端与内钻杆密封连接，使得所述内腔孔与外环隙密封隔离，所述内腔孔用于进行激光导向定位。

在本发明的另一个实施例中，所述钻头具有斜面形状的尖端，所述钻头与所述内钻杆连接的端面处具有有定位标识，用于区分出尖端位置，

激光从激光导向仪发出，经过内腔孔抵达所述钻头与所述内钻杆连接的端面，所述取景器获取激光点落在端面的图像，根据激光点在端面的位置，判定钻头偏转方向，

当所述钻头不旋转顶进时，会在土压力的作用下，向斜面尖端方向偏转，旋转时沿直线方向顶进，每当一节钻杆顶进完成后，查看激光导向图像，如果偏离靶心，则调整钻头方向，利用顶进土压力进行纠正。

在本发明的另一个实施例中，基于双壁钻杆的激光导向钻进的方法还包括根据需要，通过注浆排泥系统的外部高压泥浆泵，从外部泥浆池抽取泥浆，经管道送至泥浆接头，再通过外环隙至泥浆孔。

通过本发明的双壁导向钻杆，实现内钻杆的内腔孔激光导向，外环隙泥浆润滑；外钻杆的外壁提供扭矩，内钻杆的内壁提供分隔，结构简单，重量相对较轻；可以承受大扭矩。

本发明的双壁钻杆的激光导向钻进方法及系统可用于排水管道导向钻进，激光导向精准，泥浆润滑，地质适应性广。钻杆外环隙的外环孔隙大，泥浆通过率高。双壁钻杆可以带锥丝口、扳子口，可以抵抗大扭矩、大拉力，方便拆卸。

本发明的双壁钻杆的激光导向钻进方法及系统扭矩可以达到3万牛米，抗拉力值达到200吨。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的基于双壁钻杆的激光导向钻进方法的流程图。

图2示出根据本发明的一个实施例的安装完成钻头后的工作井的截面示意图。

图3A示出根据本发明的一个实施例的钻杆223的截面示意图。

图3B示出图3A所示钻杆223沿截面AA截取的截面示意图。

图3C示出图3A所示钻杆223沿截面DD截取的截面示意图。

图3D示出图3A所示钻杆223沿截面BB截取的截面示意图。

图4A示出根据本发明的一个实施例的钻头222的截面示意图。

图4B示出根据本发明的一个实施例的激光点落在钻头与所述内钻杆连接的端面处标靶上的示意图。

图5示出根据本发明的实施例土压纠偏钻头开始旋转顶进的截面示意图。

图6示出根据本发明的实施例安装双壁钻杆223的截面示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

图1示出根据本发明的一个实施例的基于双壁钻杆的激光导向钻进方法的流程图。

首先，在步骤110，将主机放入工作井，并固定。

在步骤120，调整主机标高，并根据设计管道坡度调整主机轴向倾斜度，安装双壁钻杆、导向系统、钻头和注浆排泥系统等结构。

图2示出根据本发明的一个实施例的安装完成钻头后的工作井的截面示意图。如图2所示，主机221固定在工作井220内。注浆排泥系统210安装在工作井220外部，注浆排泥系统210通过管线211与双壁钻杆起端的泥浆接头相连接。由于在作业过程中钻杆旋转，所以在管线211与双壁钻杆的外环隙的连接处采用滑动密封连接。

注浆排泥系统210可以包括进浆泵、进浆管、泥浆箱、泥浆处理器、排浆管。

在本发明的实施例中，主机221是可以进行水平顶管和拉管施工的钻机。例如，在一个具体的实施例中，主机可以是微型螺旋顶管机，可适用于小管径Φ300、Φ400、Φ500、Φ600污水管道、雨污分流管道及热力管道的套管等、钢性和半钢性管道的铺设。主机设备体积小，能够实现在直径2500cm的圆形工作井内施工。主机221可以包括顶架系统、导向系统、液压系统以及控制系统。

钻头222和钻杆223安装在主机221上。

在本发明的实施例中，钻头可以是土压纠偏钻头。所述土压纠偏钻头与主机系统的导向系统配合，进行双壁钻杆的顶进，所述土压纠偏钻头具有泥浆孔。

在本发明的一个实施例中，所述导向系统包括设置在主机与钻杆连接处的激光导向仪和取景器，激光从激光导向仪发出，经过钻杆的内腔孔抵达所述土压纠偏钻头与所述内钻杆连接的端面，所述取景器获取激光点落在端面的图像，根据激光点在端面的位置，判定钻头偏转方向。土压纠偏钻头的前端是斜面形状的尖端，土压纠偏钻头与所述内钻杆连接的端面处具有有定位标识，用于区分出尖端位置。

图3A示出根据本发明的一个实施例的钻杆223的截面示意图。图3B示出图3A所示钻杆223沿截面AA截取的截面示意图。图3C示出图3A所示钻杆223沿截面DD截取的截面示意图。图3D示出图3A所示钻杆223沿截面 BB截取的截面示意图。

如图3A至3D所示，钻杆223为双壁钻杆，包括内钻杆310、外钻杆320 以及内钻杆310和外钻杆320之间的限位凸起330。内钻杆310的内腔孔用于进行激光导向定位。内钻杆310和外钻杆320之间具有外环隙340，该外环隙 340与注浆排泥系统210以及钻头顶部的泥浆孔相连通，在作业时作为向泥浆孔输入水并排出泥浆的通道。内钻杆310的一端为插口311，另一端为承口312。外钻杆320的一端为承口321，另一端为插口322。在图3A所示的示例中，内钻杆310的前端为插口311，后端为承口312；外钻杆320的前端为承口321，后端为插口322。然而，本领域的技术人员应该理解，本发明公开的双壁钻杆不限于图3A所示的构造，在本发明的其他实施例中，内钻杆的前端和后端之一为承口，另一个插口；外钻杆的前端和后端之一为承口，另一个插口。外钻杆320的两端还具有便于施工的扳子口323。

相邻两节双壁钻杆可以通过插接直接连接或螺纹连接。即，相邻两节双壁钻杆的外钻杆的插口可以直接插入外钻杆的承口或通过螺纹与外钻杆的承口连接，相邻两节双壁钻杆的内钻杆的插口插入内钻杆的承口或通过螺纹与内钻杆的承口连接。

在本发明的优选实施例中，内钻杆310的插口311处具有一个或多个凹槽 313，并在凹槽中设置密封圈。相邻两节内钻杆之间采用一个或多个密封圈连接，密封效果大大提高。

在本发明的其他实施例中，相邻两节双壁钻杆还可以其他的连接方式，例如通过卡簧连接等等。

图4A示出根据本发明的一个实施例的钻头222的截面示意图。如图4A 所示，钻头222具有泥浆孔410。泥浆孔410从钻头222的顶端斜面延伸到钻头的末端。所述钻头具有斜面形状的尖端。

在本发明的一个实施例中，所述钻头与所述内钻杆连接的端面处具有有定位标识，用于区分出尖端位置，如图4B所示。图4B示出根据本发明的一个实施例的激光点落在钻头与所述内钻杆连接的端面处标靶上的示意图。在激光导向钻进作业时，钻头222的末端固定在第一节外钻杆的顶端，并且泥浆孔410 与外环隙340连通。同时，钻头与钻杆衔接的端头与内钻杆密封连接，使得所述内腔孔与外环隙密封隔离，避免外环隙340的泥浆进入内腔孔，所述内腔孔用于进行激光导向定位。取景器安装主机一侧，激光从激光导向仪发出，经过内腔孔抵达所述土压纠偏钻头与所述内钻杆连接的端面，所述取景器获取激光点落在端面的图像，根据激光点在端面的位置，判定钻头偏转方向。当所述钻头不旋转顶进时，会在土压力的作用下，向斜面尖端方向偏转，旋转时沿直线方向顶进，每当一节钻杆顶进完成后，查看激光导向图像，如果偏离靶心，则调整钻头方向，利用顶进土压力进行纠正。

在本发明的另一个实施例中，所述钻头与所述内钻杆连接的端面处具有有光电板、信号发射装置及电池。在激光导向钻进作业时，钻头222的末端固定在第一节外钻杆的顶端，并且泥浆孔410与外环隙340连通。同时，钻头与钻杆衔接的端头与内钻杆密封连接，使得所述内腔孔与外环隙密封隔离，避免外环隙340的泥浆进入内腔孔，所述内腔孔用于进行激光导向定位。激光从激光导向仪发出，经过内腔孔抵达所述土压纠偏钻头与所述内钻杆连接的端面上的光电板，光电板确定激光点位置及自身旋转角，并通过信号发射装置向导向系统接收端发射激光点位置及土压纠偏钻头的旋转角。接收端接收信号并显示在屏幕上。每当一节钻杆顶进完成后，查看激光导向图像，如果偏离靶心，则调整钻头方向，利用顶进土压力进行纠正。

所述注浆排泥系统通过管道连接到多节双壁钻杆的第一端处的泥浆接头，所述泥浆接头与双壁钻杆采用滑动密封连接，在作业时，在注浆排泥系统的外部高压泥浆泵作用下，从外部泥浆池抽取泥浆，经管道送至所述泥浆接头，泥浆通过外环隙至泥浆孔。可以在顶进过程中根据需要决定是否打泥浆。

接下来，在步骤130，启动主机，将钻头向管道方向洞口沿水平方向顶进。图5示出根据本发明的实施例土压纠偏钻头开始旋转顶进的截面示意图。如图 5所示，主机的顶架系统固定在液压系统的液压伸缩端。液压系统可包括液压泵站、液压马达、液压油缸和配套液压元件等，通过液压马达旋转，液压缸的推进完成钻头的螺旋顶进工作。

钻头前端为斜面，可以利用土压平衡调整方向。钻头旋转顶进时，钻头沿水平轴线前进，不旋转时，朝斜面前端尖端方向顶进。钻头顶进过程中，通过观察导向图像，及时纠偏。

接下来，在步骤140，前节钻杆入土后，回撤顶具安装下一节双壁钻杆223，继续导向顶进，如图6所示。图6示出根据本发明的实施例安装双壁钻杆223 的截面示意图。在本发明的实施例中，双壁钻杆223为多段结构。

多次重复步骤140，直到钻头222进入接收井。在本发明的具体实施例中，每当一段双壁钻杆223顶进完成后，观察一次导向图像，及时纠偏。

通过本发明的双壁导向钻杆，实现内钻杆的内腔孔激光导向，外环隙泥浆润滑；外钻杆的外壁提供扭矩，内钻杆的内壁提供分隔，结构简单，重量相对较轻；可以承受大扭矩

在步骤150，施工完成。

通过本发明的双壁导向钻杆，实现内钻杆的内腔孔激光导向，外环隙泥浆润滑；外钻杆的外壁提供扭矩，内钻杆的内壁提供分隔，结构简单，重量相对较轻；可以承受大扭矩。

本发明的双壁钻杆的激光导向钻进方法及系统可用于排水管道导向钻进，激光导向精准，泥浆润滑，地质适应性广。钻杆外环隙的外环孔隙大，泥浆通过率高。双壁钻杆可以带锥丝口、扳子口，可以抵抗大扭矩、大拉力，方便拆卸。

本发明的双壁钻杆的激光导向钻进方法及系统扭矩可以达到3万牛米，抗拉力值达到200吨。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种基于双壁钻杆的激光导向钻进系统，包括：

主机系统，所述主机系统提供顶管施工的旋转顶进动力，所述主机系统包括顶架系统、导向系统、液压系统以及控制系统；

土压纠偏钻头，所述土压纠偏钻头与主机系统的导向系统配合，进行双壁钻杆的顶进，所述土压纠偏钻头具有泥浆孔；以及

前后连接的多节双壁钻杆，前后连接的多节双壁钻杆的第一端连接在主机系统上，第二端连接到土压纠偏钻头；

其中每一节双壁钻杆包括内钻杆、外钻杆以及内钻杆和外钻杆之间的限位凸起，内钻杆和外钻杆之间具有外环隙，所述外环隙与钻头的泥浆孔相连通，进而连接到多节双壁钻杆的第一端处的泥浆接头，

其中内钻杆具有内腔孔，所述土压纠偏钻头在第二端与内钻杆密封连接，使得所述内腔孔与外环隙密封隔离，所述内腔孔用于进行激光导向定位。

2.如权利要求1所述的基于双壁钻杆的激光导向钻进系统，其特征在于，对于每一节双壁钻杆，内钻杆的一端为插口，另一端为承口；外钻杆的一端为承口，另一端为插口。

3.如权利要求2所述的基于双壁钻杆的激光导向钻进系统，其特征在于，相邻两节双壁钻杆通过插接直接连接或螺纹连接；和/或

内钻杆的插口处具有一个或多个凹槽，并在凹槽中设置密封圈。

4.如权利要求1所述的基于双壁钻杆的激光导向钻进系统，其特征在于，。

所述土压纠偏钻头的前端是斜面形状的尖端，所述土压纠偏钻头与所述内钻杆连接的端面处具有有光电板、信号发射装置及电池，

所述导向系统包括设置在多节双壁钻杆的第一端处的激光导向仪，激光从激光导向仪发出，经过内腔孔抵达所述土压纠偏钻头与所述内钻杆连接的端面上的光电板，光电板确定激光点位置及自身旋转角，并通过信号发射装置向导向系统接收端发射激光点位置及土压纠偏钻头的旋转角。

5.如权利要求1所述的基于双壁钻杆的激光导向钻进系统，其特征在于，所述土压纠偏钻头的前端是斜面形状的尖端，所述土压纠偏钻头与所述内钻杆连接的端面处具有有定位标识，

所述导向系统包括设置在多节双壁钻杆的第一端处的激光导向仪和取景器，激光从激光导向仪发出，经过内腔孔抵达所述土压纠偏钻头与所述内钻杆连接的端面，所述取景器获取激光点落在端面的图像，根据激光点在端面的位置，判定钻头偏转方向。

6.如权利要求1所述的基于双壁钻杆的激光导向钻进系统，其特征在于，还包括注浆排泥系统，所述注浆排泥系统通过管道连接到多节双壁钻杆的第一端处的泥浆接头，所述泥浆接头与双壁钻杆采用滑动密封连接，在作业时，在注浆排泥系统的外部高压泥浆泵作用下，从外部泥浆池抽取泥浆，经管道送至所述泥浆接头，泥浆通过外环隙至泥浆孔。

7.一种基于双壁钻杆的激光导向钻进的方法，包括：

将主机放入工作井，并固定；

调整主机标高，并根据设计管道坡度调整主机轴向倾斜度，安装第一节双壁钻杆、导向系统、钻头和注浆排泥系统，所述注浆排泥系统通过管道连接到双壁钻杆的第一端处的泥浆接头泥浆接头与双壁钻杆采用滑动密封连接，钻头安装在第一节双壁钻杆的第二端；

启动主机，将钻头向管道方向洞口顶进；

前节钻杆入土后，回撤顶具安装下一节双壁钻杆，继续导向顶进。

8.如权利要求7所述的基于双壁钻杆的激光导向钻进的方法，其特征在于，每一节双壁钻杆包括内钻杆、外钻杆以及内钻杆和外钻杆之间的限位凸起，内钻杆和外钻杆之间具有外环隙，所述外环隙与钻头的泥浆孔相连通，进而连接到多节双壁钻杆的第一端处的泥浆接头，

其中内钻杆具有内腔孔，所述钻头在第二端与内钻杆密封连接，使得所述内腔孔与外环隙密封隔离，所述内腔孔用于进行激光导向定位。

9.如权利要求8所述的基于双壁钻杆的激光导向钻进的方法，其特征在于，所述钻头具有斜面形状的尖端，所述钻头与所述内钻杆连接的端面处具有有定位标识，

激光从激光导向仪发出，经过内腔孔抵达所述钻头与所述内钻杆连接的端面，所述取景器获取激光点落在端面的图像，根据激光点在端面的位置，判定钻头偏转方向，

当所述钻头不旋转顶进时，会在土压力的作用下，向斜面尖端方向偏转，旋转时沿直线方向顶进，每当一节钻杆顶进完成后，查看激光导向图像，如果偏离靶心，则调整钻头方向，利用顶进土压力进行纠正。

10.如权利要求7所述的基于双壁钻杆的激光导向钻进的方法，其特征在于，还包括根据需要，通过注浆排泥系统的外部高压泥浆泵，从外部泥浆池抽取泥浆，经管道送至泥浆接头，再通过外环隙至泥浆孔。

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