CN113530445A - 超长水平冻结孔防偏斜钻进系统及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了超长水平冻结孔防偏斜钻进系统及其施工方法，所述系统包括孔口装置、钻机、钻杆、鸭嘴楔型钻头、测斜仪和泥浆循环系统，孔口装置为钻杆导向并密封孔口；钻杆兼作冻结管，通过梯形丝扣内管箍对焊接头连接；在鸭嘴楔型钻头后设置有线测斜探棒，连接测斜仪实时显示偏斜并利用鸭嘴楔型钻头定向纠偏；泥浆循环系统与钻机连接，钻进时循环冲洗液，钻进至设计深度后充填注浆。本发明所述系统及其施工方法对地层扰动小，通过预补偿、优选钻具和钻进中实时纠偏保证超长水平冻结孔的偏斜满足设计要求，根据地层条件配置不同配比的冲洗液护壁防止超长钻孔坍塌，确保超长距离水平冻结施工安全可靠。

Description

超长水平冻结孔防偏斜钻进系统及其施工方法
技术领域
本发明属于人工冻结法施工技术领域，具体为超长水平冻结孔防偏斜钻进系统及其施工方法。
背景技术
人工冻结法是利用人工制冷技术将地层中的水冻结成冰，形成高强度冻结壁并隔绝地下水，进行地下工程施工的地基加固方法。冻结法作为一种临时地基加固方法，因其安全可靠、对环境影响小等优点，目前已被广泛应用于地铁隧道盾构始发与接收端头加固、联络通道加固施工、盾尾刷更换密封止水等城市地下工程施工中。
随着城市地下工程建设的迅猛发展，地下既有建筑物、构筑物不断增多，冻结法施工不断涌现出新的难题，尤其是水平冻结的距离不断加长，对冻结孔偏斜控制的难度也不断增大，冻结孔的偏斜控制是冻结施工能否成功的关键。水平钻进过程中，钻具前端受钻具自重影响的下垂、钻具顺时针旋转产生的右旋力以及钻屑在钻具底部的沉积等，都会造成钻孔偏斜。若某钻孔发生偏斜，与设计角度差异过大，就会严重降低冻结帷幕厚度，成为整个冻结帷幕的弱点，甚至工程失败。且超长距离水平冻结多采用双向钻孔布设冻结管，在中间位置搭接，一旦发生偏斜，相互搭接不到位，可能会导致冻结帷幕无法闭合，无法承载封水，引发工程事故。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，在打设超长水平冻结孔时，控制冻结孔偏斜在设计范围内，保证冻结壁的规整密闭，冻结施工安全可靠，本发明提供了超长水平冻结孔防偏斜钻进系统及其施工方法。
技术方案：
超长水平冻结孔防偏斜钻进系统，所述系统包括孔口装置、钻机、钻杆、鸭嘴楔型钻头、测斜仪和泥浆循环系统，孔口装置为钻杆导向并密封孔口；钻杆兼作冻结管，通过梯形丝扣内管箍对焊接头连接，在鸭嘴楔型钻头后设置有线测斜探棒，连接测斜仪实时显示钻头偏斜；钻机与钻杆利用异径接头连接；泥浆循环系统与钻机连接。
优选的，孔口装置包括孔口管、小闸阀、球阀和密封盒。孔口管为
Figure BSA0000249688720000023
钢管，定位后用不少于3根膨胀螺丝固定在管片上，用螺栓连接球阀和密封盒。
优选的，钻机为MX-120型，架设在可自由移动、升降的钻机平台上。
优选的，采用跟管法钻进，钻杆兼作冻结管，为
Figure BSA0000249688720000024
低碳钢管。梯形丝扣内管箍对焊接头，是将内管箍加工为梯形外螺纹，钻杆加工为梯形内螺纹，做坡口处理，涂抹螺纹胶旋转安装紧密后在钻杆坡口处满焊。
优选的，鸭嘴楔型钻头直径为115mm～120mm，后部200mm处设置有线测斜探棒，信号线连接SE-1型测斜仪。
优选的，泥浆循环系统采用自制立式旋流搅拌机，泥浆泵采用BW-250(150)型，根据出浆量泵压控制在0.6～1.0MPa，泵量不大于30L/min。
超长水平冻结孔防偏斜钻进施工方法，该方法采用以上任一项所述超长水平冻结孔防偏斜钻进系统进行施工，包括以下步骤：
a.测放管位管片开孔，采用全站仪测放冻结管位，控制误差在30mm以内，避开管片缝和受力主筋，禁止向内移，管片上开孔并预留6cm不打透，孔径
Figure BSA0000249688720000021
b.埋设孔口装置二次开孔，根据管位埋设孔口装置，用
Figure BSA0000249688720000022
金刚钻打穿管片，如出现渗漏，立即关闭闸阀并注浆加固孔口。
c.调测入孔角度，包括方位角和俯仰角，补偿水平钻进中因钻具自重导致钻具前端下垂和顺时针旋转右旋力造成的偏斜，实现预纠偏。根据钻孔试验，纠偏角度取0.1～0.3°。
d.跟管钻进，连接钻机、钻杆和鸭嘴楔型钻头，软质均匀土层中快速钻进，硬质地层及软硬不均地层中减压低速钻进。随钻定向纠偏，方法为：钻进开始前设好初始角度，钻进时SE-1型测斜仪即可显示出相对变化的方位角和俯仰角，根据与设计轨迹的差异，利用鸭嘴楔型钻头进行纠偏，打直孔时钻杆旋转加推进；需要进行转向调整时，停止旋转，将鸭嘴楔型钻头斜板面调整到需要纠偏方向后只推进不旋转，通过测斜仪显示达到纠偏角度后再次旋转推进。必要时可短距离回钻平推，纠偏后利用灯光测绘仪复核。
e.循环泥浆冲洗液，钻进时利用泥浆循环系统循环冲洗液，润滑、冷却钻头，避免钻屑在钻具底部沉积造成钻孔偏斜，护壁防止超长钻孔坍塌。泥浆冲洗液以膨润土、外加剂和水搅拌而成，采用马氏漏斗粘度测定泥浆粘度。粘土层不加外加剂，粘度为30秒；粉细砂、中粗砂层掺入纤维素，粘度分别为40、50秒，PH值控制在8.5～10。回收处理后检查泥浆粘度及PH值后循环利用。泥浆用量按下式计算：
V＝(3～5)L×π×R2
V-膨润土泥浆用量(m3)
L-钻孔长度(m)
R-钻孔直径(m)
f.充填注浆，钻进至设计深度后，利用泥浆循环系统(5)充填注浆，保护冻结管并控制地面沉降。选择混合浆液，质量配比为水泥∶膨润土∶水＝400～500∶40∶1000，混合浆液的初凝时间为8小时。注浆压力按正常钻进时泵压+0.2MPa，绝对泵压不超过2.5MPa。终孔后24小时进行孔口补充注浆。
g.打压试漏终孔测斜，对冻结管进行注水试压检测密闭性，注水压力1.0MPa，要求前30分钟压力下降不超过0.05MPa，后15分钟稳压不降。复测该冻结孔的偏斜，控制在200mm以内，否则补孔。
有益效果
(1)根据钻孔试验提前给定入孔方位角补偿，补偿因钻具自重导致钻具前端下垂和钻具顺时针旋转右旋力造成的偏斜。(2)采用梯形丝扣内管箍对焊接头连接钻杆，可增强钻杆接头处的刚度及强度，减少钻进中钻杆的形变，减少偏斜。(3)优选测斜仪和鸭嘴楔型钻头可实现钻进中的实时纠偏。(4)根据不同地层配置不同配比的泥浆冲洗液，可润滑、冷却钻头，带出钻屑，护壁防止超长钻孔坍塌。
附图说明：
图1是本发明所述超长水平冻结孔防偏斜钻进系统示意图；
图2是实施实例1中超长水平冻结孔防偏斜钻进施工方法流程图；
图3是本发明的梯形丝扣内管箍对焊接头示意图；
其中，1为地层，2为管片，3为钻机，4为钻机平台，5为泥浆循环系统，6为钻杆，7为梯形丝扣内管箍对焊接头，8为鸭嘴楔型钻头，9为有线测斜探棒，10为测斜仪，11为孔口装置，12为孔口管，13为膨胀螺丝，14为球阀，15为小闸阀，16为密封盒，17为异径接头，18为丝扣内管箍，19为钻杆内丝，20为满焊，21为钻杆坡口，22为内管箍坡口，23为螺纹胶。
具体实施方式：
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
某市轨道交通二号线某区间左右线隧道分别从立交桥桩基南北侧下穿，上方有居民楼和办公楼，且管线分布密集。联络通道及泵站中心距68.50m，在国内属于超长联络通道，地层从上至下依次为<2-4-5>粉细砂、<2-4-4>淤泥夹砂、<2-5>中细砂、<3-1>粉质粘土，自稳性差，富水性、透水性强，施工难度大。采用水平人工冻结法加固土体、矿山暗挖法施工。
工程冻结孔的打设超长水平冻结孔防偏斜钻进系统及其施工方法，所述方法包括以下步骤：
1.测放管位：采用全站仪测放冻结管位，控制误差在30mm以内，避开管片缝和受力主筋，禁止向内移。
2.砼壁开孔：采用便携式取芯钻钻孔，孔径
Figure BSA0000249688720000041
预留6cm不打透。
3.埋设孔口装置：包括孔口管、小闸阀、球阀和密封盒。孔口管为
Figure BSA0000249688720000051
钢管，定位后用3根膨胀螺丝固定在管片上，防止钻进中松动移位，用螺栓连接球阀和密封盒。
4.二次开孔：用
Figure BSA0000249688720000052
金刚钻将管片预留厚度打穿，如出现渗漏，立即关闭闸阀并注浆加固孔口。
5.调测入孔角度：包括方位角和俯仰角，补偿水平钻进中因钻具自重导致钻具前端下垂和顺时针旋转的右旋力造成的偏斜，实现预纠偏。根据钻孔试验，纠偏角度取0.1～0.3°。
6.更换钻头跟管钻进：取下金刚钻头，连接钻机、钻杆和鸭嘴楔型钻头。钻机选用MX-120型，与钻杆利用异径接头连接，体积小、重量轻、装机功率大，架设在可自由移动、升降的钻机平台上。采用跟管法钻进，钻杆兼做冻结管，为
Figure BSA0000249688720000053
低碳钢管，采用丝扣内管箍对焊接头进行连接，将内管箍加工为梯形外螺纹，钻杆加工为梯形内螺纹，做坡口处理，涂抹螺纹胶旋转安装紧密后在坡口处满焊，增强钻杆接头处的刚度及强度。控制钻压、钻速，均匀土层中保持快速钻进，软硬不均地层中低压慢转、快速给进。选用SE-1型测斜仪，将有线测斜探棒安装在鸭嘴楔型钻头后200mm处，信号线连接测斜仪显示器，设好初始角度，钻进时即可显示出相对变化的方位角和俯仰角，根据与设计轨迹的差异，利用鸭嘴楔型导向钻头随钻定向纠偏。钻头直径为115mm～120mm，纠偏容易，出土量少，利于控制地表沉降。纠偏方法为：打直孔时钻杆旋转加推进；需要进行转向调整时，停止旋转，将鸭嘴楔型钻头斜板面调整到需要纠偏方向后只推进不旋转，通过测斜仪显示达到纠偏角度后再次旋转推进。必要时可短距离回钻平推，纠偏后利用灯光测绘仪复核。钻进过程中，保证泥浆冲洗液质量和泥浆循环系统的正常。泥浆冲洗液润滑、冷却钻头，避免钻屑在钻具底部沉积造成钻孔偏斜，护壁防止超长钻孔坍塌。泥浆冲洗液以膨润土及外加剂为原料，与水搅拌而成，采用马氏漏斗粘度测定泥浆粘度，粉细砂、中粗砂层掺入纤维素，马氏漏斗粘度分别为40、50秒，PH值控制在8.5～10。泥浆循环系统采用自制立式旋流搅拌机，泥浆泵采用BW-250(150)型，根据出浆量泵压控制在0.6～1.0MPa，泵量不大于30L/min，回收处理后检查粘度及PH值后循环利用。
7.充填注浆：钻进中，由于钻头摆动、钻杆旋转的离心力、冲洗液对孔壁的不均匀冲刷与破坏和钻屑沉积等原因，冻结管在地下可能处于悬空、下支、上压等受力极不均匀状态，甚至有受到地层坍塌的动压威胁，需要进行充填注浆，使冻结管、土层和浆体紧密结合，保护冻结管并控制地面沉降。选择混合浆液，质量配比为水泥∶膨润土∶水＝400～500∶40∶1000，混合浆液的初凝时间为8小时。注浆压力按正常钻进时泵压+0.2MPa，绝对泵压不超过2.5MPa。终孔后24小时进行孔口补充注浆。
8.清孔安装密封丝堵：终孔注浆结束后，及时用清水洗管，确保管内没有水泥浆沉淀和结块。采用内插管倒流清洗，即将高压清水管插至孔底注水，从孔口流出。清孔结束后，安装密封丝堵，先在孔外将丝堵安装到钻杆上，转进孔底后反转安装同时退出钻杆。
9.打压试漏：对冻结管进行注水试压检测密闭性，注水压力1.0MPa，要求前30分钟压力下降不超过0.05MPa，后15分钟稳压不降。
10.终孔测斜：复测该冻结孔的偏斜，控制在200mm以内，否则补孔。

Claims (7)

1.超长水平冻结孔防偏斜钻进系统，其特征在于，所述系统包括孔口装置(11)、钻机(3)、钻杆(6)、鸭嘴楔型钻头(8)、测斜仪(10)和泥浆循环系统(5)，孔口装置(11)为钻杆(6)导向并密封孔口；钻杆(6)兼作冻结管，通过梯形丝扣内管箍对焊接头(7)连接，在鸭嘴楔型钻头(8)后设置有线测斜探棒(9)，连接测斜仪(10)实时显示钻头偏斜；钻机(3)与钻杆(6)利用异径接头(17)连接；泥浆循环系统(5)与钻机连接(3)。
2.根据权利要求1所述的超长水平冻结孔防偏斜钻进系统，其特征在于，孔口装置(11)包括孔口管(12)、小闸阀(15)、球阀(14)和密封盒(16)。孔口管(12)为
Figure FSA0000249688710000011
钢管，定位后用不少于3根膨胀螺丝(13)固定在管片(2)上，用螺栓连接球阀(14)和密封盒(16)。
3.根据权利要求1所述的超长水平冻结孔防偏斜钻进系统，其特征在于，钻机(3)为MX-120型，架设在可自由移动、升降的钻机平台(4)上。
4.根据权利要求1所述的超长水平冻结孔防偏斜钻进系统，其特征在于，采用跟管法钻进，钻杆(6)兼作冻结管，为
Figure FSA0000249688710000012
低碳钢管。梯形丝扣内管箍对焊接头(7)，是将丝扣内管箍(18)加工为梯形外螺纹，钻杆(6)加工为梯形内螺纹，做坡口处理，涂抹螺纹胶(23)旋转安装紧密后在钻杆坡口(21)处满焊。
5.根据权利要求1所述的超长水平冻结孔防偏斜钻进系统，其特征在于，鸭嘴楔型钻头(8)直径为115mm～120mm，后部200mm处设置有线测斜探棒(9)，信号线连接SE-1型测斜仪(10)。
6.根据权利要求1所述的超长水平冻结孔防偏斜钻进系统，其特征在于，泥浆循环系统(5)采用自制立式旋流搅拌机，泥浆泵采用BW-250(150)型，根据出浆量泵压控制在0.6～1.0MPa，泵量不大于30L/min。
7.超长水平冻结孔防偏斜钻进施工方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述超长水平冻结孔防偏斜钻进系统进行施工，包括以下步骤：
a.测放管位管片开孔，采用全站仪测放冻结管位，控制误差在30mm以内，避开管片缝和受力主筋，禁止向内移，管片(2)上开孔并预留6cm不打透，孔径
Figure FSA0000249688710000013
b.埋设孔口装置二次开孔，根据管位埋设孔口装置(11)，用
Figure FSA0000249688710000021
金刚钻打穿管片(2)，如出现渗漏，立即关闭闸阀并注浆加固孔口。
c.调测入孔角度，包括方位角和俯仰角，补偿水平钻进中因钻具自重导致钻具前端下垂和顺时针旋转右旋力造成的偏斜，实现预纠偏。根据钻孔试验，纠偏角度取0.1～0.3°。
d.跟管钻进，连接钻机(3)、钻杆(6)和鸭嘴楔型钻头(8)，软质均匀土层中快速钻进，硬质地层及软硬不均地层中减压低速钻进。随钻定向纠偏，方法为：钻进开始前设好初始角度，钻进时SE-1型测斜仪(10)即可显示出相对变化的方位角和俯仰角，根据与设计轨迹的差异，利用鸭嘴楔型钻头(8)进行纠偏，打直孔时钻杆(6)旋转加推进；需要进行转向调整时，停止旋转，将鸭嘴楔型钻头(8)斜板面调整到需要纠偏方向后只推进不旋转，通过测斜仪(10)显示达到纠偏角度后再次旋转推进。必要时可短距离回钻平推，纠偏后利用灯光测绘仪复核。
e.循环泥浆冲洗液，钻进时利用泥浆循环系统(5)循环冲洗液，润滑、冷却钻头，避免钻屑在钻具底部沉积造成钻孔偏斜，护壁防止超长钻孔坍塌。泥浆冲洗液以膨润土、外加剂和水搅拌而成，采用马氏漏斗粘度测定泥浆粘度。粘土层不加外加剂，粘度为30秒；粉细砂、中粗砂层掺入纤维素，粘度分别为40、50秒，PH值控制在8.5～10。回收处理后检查泥浆粘度及PH值后循环利用。泥浆用量按下式计算：
V＝(3～5)L×π×R2
V-膨润土泥浆用量(m3)
L-钻孔长度(m)
R-钻孔直径(m)
f.充填注浆，钻进至设计深度后，利用泥浆循环系统(5)充填注浆，保护冻结管并控制地面沉降。选择混合浆液，质量配比为水泥∶膨润土∶水＝400～500∶40∶1000，混合浆液的初凝时间为8小时。注浆压力按正常钻进时泵压+0.2MPa，绝对泵压不超过2.5MPa。终孔后24小时进行孔口补充注浆。
g.打压试漏终孔测斜，对冻结管进行注水试压检测密闭性，注水压力1.0MPa，要求前30分钟压力下降不超过0.05MPa，后15分钟稳压不降。复测该冻结孔的偏斜，控制在200mm以内，否则补孔。
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