CN113585969A - 浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，包括以下步骤：孔口管安装、辅助设备安装、钻杆安装、配置护壁泥浆和启动钻杆。本发明通过配置护壁泥浆，并调节护壁泥浆的流量和压力，控制合理的钻进速度，使护壁泥浆压力和钻进速度相互匹配。一方面保证了孔口回浆的畅通性，另一方面保证护壁泥浆有一定的时间向砂卵石地层缝隙间渗透，从而填充颗粒缝隙形成泥膜；形成泥膜后，首先胶结了原本松散、无胶结的颗粒，避免塌孔导致抱钻现象的发生；其次，泥膜形成后，减小了地层的渗透系数，在相应的工作压力区间内能够避免地面冒浆的产生。
Description
技术领域
本发明涉及冻结法施工钻孔技术领域。具体地说是浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法。
背景技术
冻结法引入市政工程建设以来，以其独特的优势成为加固不稳定地层的主要工法之一。近年来，随着一线城市轨道交通立体交叉穿越，穿越冻结工程不断涌现，水平钻孔的距离越来越长。富水砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其基本特征是结构松散、无胶结，呈大小不等的颗粒状，在钻孔过程中塌孔时有发生。一方面塌孔后产生抱钻影响钻进，钻孔难以成型；另一方面，由于市政冻结工程埋深比较浅，通常小于30m，加之砂卵石地层由于渗透系数大，水平钻孔过程中若护壁泥浆压力控制不好，极易导致地面冒浆。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种解决钻孔过程中塌孔及地面冒浆的浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：孔口管安装，在混凝土墙上进行一次钻孔取芯，将孔口管前端插入取芯钻孔中并固定；
步骤B：辅助设备安装，在孔口管的尾端安装压紧密封组件，并在孔口管的尾端与混凝土墙之间的孔口管的上安装压力监控及调节组件；
步骤C：钻杆安装，将钻杆穿过压紧密封组件并穿入到孔口管内；
步骤D：配置护壁泥浆，护壁泥浆的比重为1.03～1.05、粘度40～50s、失水量小于10mL；
步骤E：启动钻杆，对混凝土墙进行二次钻孔取芯并钻透混凝土墙，取出岩芯后，安装泥浆管路，将配置好的护壁泥浆加压经过钻杆输送至钻进处；护壁泥浆向富水砂卵石地层内渗透并在钻孔内壁上形成泥膜，形成钻进系统，护壁泥浆的流量为30～60L/min；钻进速度为0.5～1.0m/min。
上述浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，在步骤B中，所述压力监控及调节组件控制钻孔内护壁泥浆压力不超过0.6MPa。
上述浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，所述压力监控及调节组件控制正常钻进过程中钻孔内护壁泥浆压力稳定在0.2～0.3MPa。
上述浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，步骤A中，所述孔口管的管壁前端设置有鱼鳞扣，所述鱼鳞扣的表面包裹有麻丝。
上述浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，所述孔口管的规格为φ168*5mm，所述孔口管的材质为碳素钢，所述鱼鳞扣的长度为300mm，所述一次钻孔取芯的深度为300mm。
上述浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，所述压力监控及调节组件包括抗震压力表和孔口单向阀，所述孔口管的管壁上分别安装有第二球阀和第三球阀，所述第二球阀的流体入口和所述第三球阀的流体入口分别与钻杆和孔口管之间的环形空间流体导通；所述抗震压力表安装在所述第三球阀的流体出口端；所述孔口单向阀安装在所述第二球阀的流体出口端。
上述浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，所述孔口单向阀包括阀体、密封块、弹簧和螺杆，所述阀体的第一端与所述第二球阀的流体出口端连通，所述阀体的第二端内壁开设有内螺纹，所述螺杆的第一端螺纹连接在所述阀体第二端内，所述弹簧和所述密封块均设置在所述阀体内，所述阀体的内壁中部设置有凸台，所述密封块的第一端与所述凸台密封配合，所述弹簧的第一端与所述密封块的第二端搭接，所述弹簧的第二端与所述螺杆的第一端搭接，所述密封块第一端行程内的所述阀体侧壁上开设有出水口，所述阀体的外围套有套筒。
上述浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，所述孔口管的尾端固定连接有第一球阀，所述第一球阀的第一端与所述孔口管尾端连接，所述压紧密封组件的第一端与所述第一球阀的第二端连接，所述钻杆依次穿过所述压紧密封组件和第一球阀并穿入孔口管内；所述压紧密封组件包括固定筒、盘根、压紧套和螺栓，所述固定筒和压紧套均套在所述钻杆的表面，所述固定筒的第一端与所述第一球阀的第二端固定连接，所述固定筒的内壁沿其周向设置有凹槽，所述盘根设置在所述凹槽内，所述盘根的内壁与所述钻杆的表面贴合，所述压紧套的第一端插入所述固定筒第二端内，且所述压紧套的第一端端面与所述盘根的一端端面压紧贴合，所述固定筒的第二端和所述压紧套的第二端上均固定连接有法兰盘，所述固定筒第二端的法兰盘边沿沿其周向均匀开设有通孔，所述压紧套第二端的法兰盘边沿沿其周向均匀开设有螺纹孔，所述螺栓的端部穿过所述通孔并螺纹连接在所述螺纹孔内。
上述浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，所述盘根为耐磨含油型聚四氟乙烯材料。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1、本发明针对浅覆土富水砂卵石地层钻孔过程中存在的塌孔及地面冒浆现象，通过配置具有特定性能参数的护壁泥浆，并在一定的压力下向钻孔内输送护壁泥浆，通过控制合理的钻进速度、钻孔内护壁泥浆压力和护壁泥浆参数，使得三者相互匹配。一方面保证了孔口回浆的畅通性，另一方面保证护壁泥浆有一定的时间向砂卵石地层缝隙间渗透，从而填充颗粒缝隙在钻孔内壁上形成厚度为50mm左右的泥膜；形成泥膜后，首先胶结了原本松散、无胶结的颗粒，避免塌孔导致抱钻现象的发生；其次，泥膜形成后，在相应的工作压力区间内能够避免地面冒浆的产生。
2、本发明，通过设置压紧密封组件，一方面能够稳定钻杆正常转动钻进，另一方面对回浆起到了密封的作用；通过设置压力监控及调节组件，能够实时监测钻进过程中孔内护壁泥浆的压力，避免护壁泥浆压力过高引起地面冒浆和避免护壁泥浆压力过小导致泥膜无法形成；孔口单向阀能够根据实时钻进的情况调节孔内护壁泥浆的压力，减少护壁泥浆压力波动，使护壁泥浆压力处于相对稳定的状态；通过孔口单向阀与抗震压力表的配合使用，不仅解决了浅覆土富水砂卵石地层钻进过程中的塌孔难题，而且通过护壁泥浆在孔壁渗透成膜及压力控制，解决了钻孔过程中的地面冒浆难题，实现了浅覆土富水砂卵石地层中长距离水平冻结钻孔顺利成孔。
附图说明
图1本发明的侧视剖面结构示意图；
图2本发明图1的A处放大示意图；
图3本发明图1的B处放大示意图；
图中附图标记表示为：1-抗震压力表；2-孔口单向阀；201-阀体；202-出水口；203-密封块；204-弹簧；205-螺杆；3-泥膜；4-富水砂卵石地层；5-混凝土墙；6-孔口管；7-第一球阀；8-压紧密封组件；801-固定筒；802-盘根；803-压紧套；804-螺栓；9-钻杆；10-护壁泥浆；11-第二球阀；12-第三球阀；13-套筒；14-第四球阀；15-护壁泥浆管路。
具体实施方式
请参阅图1，浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，包括以下步骤：
步骤A：孔口管6安装，在混凝土墙5上进行一次钻孔取芯，一次钻孔取芯的深度为300mm，将孔口管6前端插入取芯钻孔中，在混凝土墙5上打上膨胀螺钉，并将孔口管6与膨胀螺钉焊接，所述孔口管6的管壁前端设置有鱼鳞扣，所述鱼鳞扣的表面包裹有麻丝，所述孔口管6的规格为φ168*5mm，所述孔口管6的材质为碳素钢，碳素钢的型号为20#，所述鱼鳞扣的长度为300mm；
步骤B：辅助设备安装，在孔口管6的尾端安装压紧密封组件8，并在孔口管6的尾端与混凝土墙5之间的孔口管6上安装压力监控及调节组件，所述压力监控及调节组件控制钻孔内护壁泥浆10压力保持在0.2～0.3MPa范围内，最大不超过0.6MPa；
步骤C：钻杆9安装，将钻杆9穿过压紧密封组件8并穿入到孔口管6内；
步骤D：配置护壁泥浆10，护壁泥浆10的比重为1.03～1.05、粘度40～50s、失水量小于10mL；
步骤E：启动钻杆9，对混凝土墙5进行二次钻孔取芯并钻透混凝土墙5，取出岩芯后，安装泥浆管路15，将配置好的护壁泥浆10加压经过钻杆9输送至钻进处；护壁泥浆10向富水砂卵石地层4内渗透并在钻孔内壁上形成泥膜3，形成钻进系统，护壁泥浆10的流量为30～60L/min，钻进速度为0.5～1.0m/min；通过配置护壁泥浆10，并在一定的压力下输送护壁泥浆10，控制合理的钻进速度，使护壁泥浆10压力和钻进速度相互匹配。一方面保证了孔口回浆的畅通性，另一方面保证护壁泥浆10有一定的时间向砂卵石地层缝隙间渗透，从而填充颗粒缝隙形成泥膜3；形成泥膜3后，首先胶结了原本松散、无胶结的颗粒，避免塌孔导致抱钻现象的发生；其次，泥膜3形成后，在相应的工作压力区间内能够避免地面冒浆的产生。
如图3所示，所述压力监控及调节组件包括抗震压力表1和孔口单向阀2，所述孔口管6的管壁上分别安装有第二球阀11和第三球阀12，所述第二球阀11的流体入口和所述第三球阀12的流体入口分别与钻杆9和孔口管6之间的环形空间流体导通；所述抗震压力表1安装在所述第三球阀12的流体出口端；所述孔口单向阀2安装在所述第二球阀11的流体出口端；所述孔口单向阀2包括阀体201、密封块203、弹簧204和螺杆205，所述阀体201的第一端与所述第二球阀11的流体出口连通，出水口202的数量为四个，单个出水口202的直径为10mm，所述阀体201的外径是40mm，进水口直径为16mm，所述阀体201的第二端内壁开设有内螺纹，所述螺杆205的第一端螺纹连接在所述阀体201第二端内，所述弹簧204和所述密封块203均设置在所述阀体201内，所述阀体201的内壁中部设置有凸台，所述密封块203的第一端与所述凸台密封配合，所述弹簧204的第一端与所述密封块203的第二端搭接，所述弹簧204的第二端与所述螺杆205的第一端搭接，通过设置压力监控及调节组件，能够实时监测钻进过程中孔内护壁泥浆10的压力，避免护壁泥浆10压力过高引起地面冒浆和避免护壁泥浆10压力过小导致泥膜3无法形成，孔口单向阀2能够根据实时钻进的情况调节孔内护壁泥浆10的压力，减少护壁泥浆10压力波动，使护壁泥浆10压力处于相对稳定的状态；所述密封块203第一端行程内的所述阀体201侧壁上开设有出水口202，所述阀体201的外围套有套筒13，所述套筒13的外径为90mm，套筒13能够起到防止护壁泥浆10飞溅的目的，同时套筒13与阀体201之间存在一定的间距，能够保证颗粒顺利排出。
如图2所示，所述孔口管6的尾端固定连接有第一球阀7，所述第一球阀7的第一端与所述孔口管6尾端连接，所述压紧密封组件8的第一端与所述第一球阀7的第二端连接，所述钻杆9依次穿过所述压紧密封组件8和第一球阀7并穿入孔口管6内；所述压紧密封组件8包括固定筒801、盘根802、压紧套803和螺栓804，所述固定筒801和压紧套803均套在所述钻杆9的表面，所述固定筒801的第一端与所述第一球阀7的第二端固定连接，所述固定筒801的内壁沿其周向设置有凹槽，所述盘根802设置在所述凹槽内，所述盘根802的内壁与所述钻杆9的表面贴合，所述盘根802为耐磨含油型聚四氟乙烯材料，规格为20mm，所述压紧套803的第一端插入所述固定筒801第二端内，且所述压紧套803的第一端端面与所述盘根802的一端端面压紧贴合，所述固定筒801的第二端和所述压紧套803的第二端上均固定连接有法兰盘，所述固定筒801第二端的法兰盘边沿沿其周向均匀开设有通孔，所述压紧套803第二端的法兰盘边沿沿其周向均匀开设有螺纹孔，所述螺栓804的端部穿过所述通孔并螺纹连接在所述螺纹孔内，通过设置压紧密封组件8，一方面能够稳定钻杆9正常转动钻进，另一方面对回浆起到了密封的作用。
工作原理：将钻杆9插入压紧密封组件8后，旋转螺栓804，螺栓804带动压紧套803靠近固定筒801，从而挤压盘根802，盘根802受到挤压后贴紧在钻杆9的表面，实现密封；
当需要调节护壁泥浆10的压力时，转动螺杆205，螺杆205旋入或旋出阀体201，使弹簧204受到不同程度的压缩，从而以不同的推力顶动密封块203，从而控制护壁泥浆10泄流的压力；通过孔口单向阀与抗震压力表的配合使用，不仅解决了浅覆土富水砂卵石地层钻进过程中的塌孔难题，而且通过护壁泥浆在孔壁渗透成膜及压力控制，解决了钻孔过程中的地面冒浆难题，实现了浅覆土富水砂卵石地层中长距离水平冻结钻孔顺利成孔。
针对浅覆土富水砂卵石地层钻孔过程中存在的塌孔及地面冒浆现象，通过配置比重为1.03～1.05、粘度40～50s、失水量小于10mL的护壁泥浆，护壁泥浆可选用充分水化并搅匀的膨润土，在0.2～0.3MPa压力下向钻孔内输送护壁泥浆，并控制钻进速度为0.5～1.0m/min，护壁泥浆10的流量为30～60L/min，控制合理的钻进速度、钻孔内护壁泥浆压力和护壁泥浆性能参数，使得三者相互匹配。一方面保证了孔口回浆的畅通性，另一方面保证护壁泥浆有一定的时间向砂卵石地层缝隙间渗透，从而填充颗粒缝隙在钻孔内壁上形成厚度为50mm左右的泥膜；形成泥膜后，首先胶结了原本松散、无胶结的颗粒，避免塌孔导致抱钻现象的发生；其次，50mm厚的泥膜形成后，减小了砂卵石地层的渗透系数，在相应的工作压力区间内能够避免地面冒浆的产生。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (9)
1.浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：孔口管(6)安装，在混凝土墙(5)上进行一次钻孔取芯，将孔口管(6)前端插入取芯钻孔中并固定；
步骤B：辅助设备安装，在孔口管(6)的尾端安装压紧密封组件(8)，并在孔口管(6)的尾端与混凝土墙(5)之间的孔口管(6)的上安装压力监控及调节组件；
步骤C：钻杆(9)安装，将钻杆(9)穿过压紧密封组件(8)并穿入到孔口管(6)内；
步骤D：配置护壁泥浆(10)，护壁泥浆(10)的比重为1.03～1.05、粘度40～50s、失水量小于10mL；
步骤E：启动钻杆(9)，对混凝土墙(5)进行二次钻孔取芯并钻透混凝土墙(5)，取出岩芯后，安装泥浆管路(15)，将配置好的护壁泥浆(10)加压经过钻杆(9)输送至钻进处；护壁泥浆(10)向富水砂卵石地层(4)内渗透并在钻孔内壁上形成泥膜(3)，形成钻进系统，护壁泥浆(10)的流量为30～60L/min；钻进速度为0.5～1.0m/min。
2.根据权利要求1所述的浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，其特征在于，在步骤B中，所述压力监控及调节组件控制钻孔内护壁泥浆(10)压力不超过0.6MPa。
3.根据权利要求2所述的浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，其特征在于，所述压力监控及调节组件控制正常钻进过程中钻孔内护壁泥浆(10)压力稳定在0.2～0.3MPa。
4.根据权利要求1所述的浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，其特征在于，步骤A中，所述孔口管(6)的管壁前端设置有鱼鳞扣，所述鱼鳞扣的表面包裹有麻丝。
5.根据权利要求4所述的浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，其特征在于，所述孔口管(6)的规格为φ168*5mm，所述孔口管(6)的材质为碳素钢，所述鱼鳞扣的长度为300mm，所述一次钻孔取芯的深度为300mm。
6.根据权利要求1所述的浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，其特征在于，所述压力监控及调节组件包括抗震压力表(1)和孔口单向阀(2)，所述孔口管(6)的管壁上分别安装有第二球阀(11)和第三球阀(12)，所述第二球阀(11)的流体入口和所述第三球阀(12)的流体入口分别与钻杆(9)和孔口管(6)之间的环形空间流体导通；所述抗震压力表(1)安装在所述第三球阀(12)的流体出口端；所述孔口单向阀(2)安装在所述第二球阀(11)的流体出口端。
7.根据权利要求6所述的浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，其特征在于，所述孔口单向阀(2)包括阀体(201)、密封块(203)、弹簧(204)和螺杆(205)，所述阀体(201)的第一端与所述第二球阀(11)的流体出口端连通，所述阀体(201)的第二端内壁开设有内螺纹，所述螺杆(205)的第一端螺纹连接在所述阀体(201)第二端内，所述弹簧(204)和所述密封块(203)均设置在所述阀体(201)内，所述阀体(201)的内壁中部设置有凸台，所述密封块(203)的第一端与所述凸台密封配合，所述弹簧(204)的第一端与所述密封块(203)的第二端搭接，所述弹簧(204)的第二端与所述螺杆(205)的第一端搭接，所述密封块(203)第一端行程内的所述阀体(201)侧壁上开设有出水口(202)，所述阀体(201)的外围套有套筒(13)。
8.根据权利要求1所述的浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，其特征在于，所述孔口管(6)的尾端固定连接有第一球阀(7)，所述第一球阀(7)的第一端与所述孔口管(6)尾端连接，所述压紧密封组件(8)的第一端与所述第一球阀(7)的第二端连接，所述钻杆(9)依次穿过所述压紧密封组件(8)和第一球阀(7)并穿入孔口管(6)内；所述压紧密封组件(8)包括固定筒(801)、盘根(802)、压紧套(803)和螺栓(804)，所述固定筒(801)和压紧套(803)均套在所述钻杆(9)的表面，所述固定筒(801)的第一端与所述第一球阀(7)的第二端固定连接，所述固定筒(801)的内壁沿其周向设置有凹槽，所述盘根(802)设置在所述凹槽内，所述盘根(802)的内壁与所述钻杆(9)的表面贴合，所述压紧套(803)的第一端插入所述固定筒(801)第二端内，且所述压紧套(803)的第一端端面与所述盘根(802)的一端端面压紧贴合，所述固定筒(801)的第二端和所述压紧套(803)的第二端上均固定连接有法兰盘，所述固定筒(801)第二端的法兰盘边沿沿其周向均匀开设有通孔，所述压紧套(803)第二端的法兰盘边沿沿其周向均匀开设有螺纹孔，所述螺栓(804)的端部穿过所述通孔并螺纹连接在所述螺纹孔内。
9.根据权利要求8所述的浅覆土富水砂卵石地层长距离水平冻结钻孔泥浆保压钻进方法，其特征在于，所述盘根(802)为耐磨含油型聚四氟乙烯材料。
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