CN114352191B - 一种地层弱化预处理方法及成孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地层弱化预处理方法，涉及桩基础施工技术领域，桩基施工方法包括获取岩层硬度参数与将岩层破碎至等量弱化程度所需的放电参数之间的第一关系模型；在超前孔的施工钻具上加装数据采集装置；潜孔钻机钻进超前孔，通过数据采集装置实时采集，获取地层硬度参数；下放破碎电极至超前孔孔底；上提破碎电极，将破碎电极设定为对应的放电参数；控制破碎电极对岩层进行放电，将岩层破碎，弱化岩层硬度；继续上提破碎电极并放电破碎，直至地面，完成全行程地层弱化处理。本发明能够通过构建第一关系模型，能够精确的根据钻进深度所对应的岩层硬度进行等离子脉冲放电破碎弱化，解决现有钻孔灌桩施工效率低，施工成本高的问题。

Description

一种地层弱化预处理方法及成孔方法

技术领域

本发明涉及桩基础施工技术领域，具体涉及一种地层弱化预处理方法及成孔方法。

背景技术

钻孔灌注桩施工单纯依靠旋挖钻机搭载机械钻具进行桩基础作业，效率较低，施工成本较高。尤其在硬岩地层，钻进效率更是大幅降低，钻具及设备损耗带来的成本也是成倍增长。已有的采用等离子脉冲技术进行桩基础施工，主要考虑直接钻进成孔，需要搭配循环系统，排渣慢，成孔质量未知。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的等离子脉冲技术施工直接钻进成孔导致排渣慢，成孔质量不能保证的缺陷，从而提供一种地层弱化预处理方法及成孔方法。

为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种地层弱化预处理方法，包括以下步骤：获取岩层硬度参数与将岩层破碎至等量弱化程度所需的放电参数之间的第一关系模型；在超前孔的施工钻具上加装数据采集装置；潜孔钻机钻进超前孔，通过所述数据采集装置实时采集，获取地层硬度参数；下放破碎电极至超前孔孔底；上提所述破碎电极，根据所述第一关系模型得出所述破碎电极所处的岩层破碎至所述等量弱化程度需要的所述放电参数，将所述破碎电极设定为对应的所述放电参数；控制所述破碎电极对岩层进行放电，将岩层破碎，弱化岩层硬度；继续上提所述破碎电极并放电破碎，直至地面，完成全行程地层弱化处理。

可选的，获取所述第一关系模型的方法包括对岩层进行放电实验；所述放电实验包括以下步骤：对相同硬度的岩层进行不等量的放电能量的爆破，记录所述岩层硬度参数、所述放电参数以及破碎后的石块的粒径参数；对不同硬度的岩层进行等量的放电能量的爆破，记录所述岩层硬度参数、所述放电参数以及破碎后的石块的所述粒径参数；对不同硬度的岩层进行不等量的放电能量的爆破，记录所述岩层硬度参数、所述放电参数以及破碎后的石块的所述粒径参数；统计达到相同破碎程度时，不同硬度的岩层所需的放电能量，计算得出所述第一关系模型。

可选的，还包括以下步骤：获取不同钻进深度下的钻进压力参数，得出钻进压力参数与钻进深度参数之间的第二关系模型；获取对不同硬度的岩层进行钻进破碎至等量弱化程度需要的钻进压力参数，计算得到岩层硬度参数与所述钻进压力参数之间的第三关系模型；通过所述第二关系模型和所述第三关系模型得出不同钻进深度与对应的岩层硬度参数之间的第四关系模型；根据所述第一关系模型和所述第四关系模型得出不同钻进深度与对应的放电参数之间的第五关系模型。

可选的，所述第一关系模型包括由所述岩层硬度参数和放电参数生成硬岩破碎能量曲线图；所述第二关系模型包括由所述钻进深度参数和所述钻进压力参数生成的地层强度曲线图；所述第三关系模型包括由所述岩层硬度参数与所述钻进压力参数生成硬岩钻进压力曲线图；通过将所述地层强度曲线图和所述硬岩钻进压力曲线图拟合生成所述第四关系模型的地层硬度曲线图；通过将所述硬岩破碎能量曲线图和所述地层硬度曲线图拟合生成第五关系模型的地层破碎能量曲线图。

可选的，所述上提破碎电极的上提距离为：首次上提，破碎电极的上提距离等于爆破半径；之后每次上提，破碎电极的上提距离等于爆破直径。

可选的，所述等量弱化程度为超前孔的全行程的岩层破碎后的石块的粒径参数在同一设置范围内。

可选的，所述数据采集装置包括压力传感器，在潜孔钻机钻进超前孔时，通过所述压力传感器实时获取钻进压力参数。

可选的，所述破碎电极采用等离子脉冲碎岩装置。

本发明的另一方面提供了一种成孔方法，包括以上任一项所述的地层弱化预处理方法，还包括，控制旋挖钻机对地层弱化预处理后的超前孔进行施工形成桩孔。

可选的，所述桩孔形成后，在所述桩孔中下入钢筋笼，灌注混凝土成桩。

本发明具有以下优点：

1.利用本发明提供的技术方案，获取第一关系模型，能够得到将超前孔全行程不同硬度的地层破碎至等量弱化的程度所需要的放电能量，根据第一关系模型，采用放电电极能够精准的对不同硬度的岩层进行等量弱化。施工地层进行弱化的预处理后，有利于后续的成孔作业。本发明适用范围广，能应用于多种施工场景，能够提高施工效率，降低施工成本，节省人力物力。

2.通过放电实验，能够较为精确的得出岩层硬度与放电能量之间的关系，进一步提高第一关系模型的科学性与准确性。

3.获取第二关系模型、第三关系模型、第四关系模型，再根据第四关系模型和第一关系模型得出第五关系模型，超前孔对应不同深度的岩层破碎至等量弱化程度所需的放电参数即可得出，能够直观的看出超前孔全行程的不同钻进深度对应的放电参数，上提破碎电极，可以根据破碎电极所处的钻进深度确定对应的放电参数，使得超前孔全行程的地层弱化预处理操作更加便捷、高效。

4.将第二关系模型、第三关系模型分别生成曲线图，拟合之后得到第四关系模型，再由第一关系模型和第四关系模型拟合得出第五关系模型，使得第五关系模型更加准确，利用该第五关系模型能进一步提高旋挖钻机的成孔质量。

5.压力传感器能够实时获取超前孔钻进时的钻进压力参数，便于得到第二关系模型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了第一关系模型的曲线图；

图2示出了第二关系模型的曲线图；

图3示出了第五关系模型的曲线图。

图4示出了本发明提供的施工方法的状态图。

附图标记说明：

1、旋挖钻机；2、超前孔；3、桩孔；a、破碎电极放电状态。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明要解决的技术问题是现有技术中桩基础施工单纯依赖旋挖钻机，硬岩地层施工效率低下，且现有的等离子脉冲技术直接钻进，成孔质量低。本发明主要通过获取岩层硬度参数与将岩层破碎至等量弱化程度所需的放电参数之间的第一关系模型，根据第一关系模型对地层进行电极放电破碎弱化，为旋挖钻机钻孔提供有利的条件，有效的提高桩孔施工效率，且能保证桩孔的成孔质量。

本发明提供了一种地层弱化预处理方法，参照图4，包括以下步骤，获取岩层硬度参数与将岩层破碎至等量弱化程度所需的放电参数之间的第一关系模型；在超前孔2的施工钻具上加装数据采集装置；潜孔钻机钻进超前孔2，如图4-1所示，通过所述数据采集装置实时采集，获取地层硬度参数；下放破碎电极至超前孔2孔底；上提所述破碎电极，根据所述第一关系模型得出所述破碎电极所处的岩层破碎至所述等量弱化程度需要的所述放电参数，将所述破碎电极设定为对应的所述放电参数；控制所述破碎电极对岩层进行放电，将岩层破碎，弱化岩层硬度，如图4-2所示。继续上提所述破碎电极并放电破碎，直至地面，完成全行程地层弱化处理。

具体的，获取所述第一关系模型的方法包括对岩层进行放电实验。

其中，放电实验包括以下步骤：

(1)对相同硬度的岩层进行不等量的放电能量的爆破，记录岩层硬度参数、放电参数以及破碎后的石块的粒径参数；

(2)对不同硬度的岩层进行等量的放电能量的爆破，记录岩层硬度参数、放电参数以及破碎后的石块的粒径参数；

(3)对不同硬度的岩层进行不等量的放电能量的爆破，记录岩层硬度参数、放电参数以及破碎后的石块的粒径参数；

(4)统计达到相同破碎程度时，不同硬度的岩层所需的放电能量，计算得出第一关系模型。

比如，试验室内用脉冲碎岩样机对硬度为50兆帕的花岗岩进行放电试验。试验目的为将花岗岩采用脉冲碎岩方式使花岗岩碎裂为粒径5-10cm的石块。结果为，在5kJ的能量下，通过10次放电可将0.5立方米的50MPa的岩石破碎为粒径5-10cm的石块。

以上步骤1)～步骤4)只作为区分记号，不作为对先后顺序的限制。

超前孔2完成后，钻杆上可携带岩层硬度探测器，利用钻杆将破碎电极下放至超前孔2的孔底，由孔底上提，在上提的过程中，硬度探测器对破碎电极所处的深度对应的岩层的硬度进行探测，当岩层的硬度在需要弱化的硬度范围中时，根据第一关系模型，得出该岩层硬度参数对应的放电参数，将破碎电极的放电参数设置呈对应的放电参数，控制破碎电极放电破碎，将地层进行弱化处理，放电弱化后，岩层硬度探测器实时监测地层的硬度，若破碎之后的地层硬度仍然未达到设定的弱化程度，可增加破碎电极的放电能量，或通过增加破碎电极的放电次数，对当前岩层进行再次放电破碎，直至地层岩石的硬度达到等量弱化程度。等量弱化程度将在后续详细介绍。

本实施例中，数据采集装置用于采集钻进时的物理参数，包括压力、钻速、振动等参数。本实施例中，数据采集装置包括压力传感器，用于在潜孔钻机钻进超前孔时实时采集钻进压力参数。

本实施例中，等量弱化程度为超前孔2的全行程的岩层破碎后的石块的粒径参数在同一设置范围内。等量弱化程度有两种判断标准，一种是无需进行机械式碎岩，旋挖钻机1直接进行清孔作业。可根据施工现场的钻机及钻具的型号来确认。另一种是，等量弱化程度为不同钻进深度的岩层破碎后的石块的粒径参数在同一设置范围内。比如，不同深度的花岗岩破碎后形成的石块的粒径在5-10cm范围内视为花岗岩层得到等量弱化。当然，等量弱化程度还可以根据现场施工机械及钻具的规格来设定，若钻具筒径较大，则石块的粒径范围在10-20cm内的视为达到等量弱化。

具体的，本实施例中，破碎电极采用等离子脉冲碎岩装置。

作为一种优选的实施方式，本发明还可以获取钻进深度和放电参数之间的关系模型，从而，在超前孔作业完成后，可以更加直观的看出不同钻进深度对应的岩层进行等量弱化所需的放电参数。具体步骤包括：

(1)由岩层硬度参数和放电参数生成表达第一关系模型的硬岩破碎能量曲线图，参照图1。

(2)获取不同钻进深度下的钻进压力参数，计算得到钻进压力参数与钻进深度参数之间的第二关系模型；具体的实现方式为，钻孔设备能够自动探测钻进深度，钻具上携带压力传感器，钻孔设备进行超前孔2钻进时，在不同钻进深度时，通过压力传感器获取钻进压力参数。根据钻进深度参数与钻进压力参数生成地层强度曲线图，参照图2。试验室对各硬度岩石进行钻进，搭配压力传感器，比如，对50MPa的岩石进行钻进时，钻进压力为5kN，由此对应地层强度曲线压力为5kN的部分岩层硬度为50MPa。

(3)获取对不同硬度的岩层进行钻进破碎至等量弱化程度所需的钻进压力参数，计算得到钻进压力参数与岩层硬度参数之间的第三关系模型。第三关系模型可以通过实验数据概括得出。具体实验步骤包括：

1)对相同硬度的岩层进行不等量的钻进压力的破碎，记录岩层硬度参数、钻进压力参数以及破碎后的石块的粒径参数；

2)对不同硬度的岩层进行等量的钻进压力的破碎，记录岩层硬度参数、钻进压力参数以及破碎后的石块的粒径参数；

3)对不同硬度的岩层进行不等量的钻进压力的破碎，记录岩层硬度参数、钻进压力参数以及破碎后的石块的粒径参数；

4)统计达到相同破碎程度时，不同硬度的岩层所需的钻进压力，计算得出第三关系模型。根据钻进压力参数与岩层硬度参数生成表达第三关系模型的硬岩钻进压力曲线图。

(4)根据第二关系模型和第三关系模型计算得出钻进深度参数与岩层硬度参数之间的第四关系模型；因为第二关系模型和第三关系模型中均含有钻进压力参数，因此，通过计算可以转换为钻进深度参数与岩层硬度参数之间的第四关系模型。一个具体的实施方法为，将步骤(2)中得到的地层强度曲线图和步骤(3)中得到的硬岩钻进压力曲线图拟合生成地层硬度曲线图，即第四关系模型。

(5)根据第四关系模型和第一关系模型计算得出第五关系模型。一种具体的实施方式为，由步骤(2)中得到地层硬度曲线图与步骤(1)中得到的硬岩破碎能量曲线图拟合生成地层爆破能量曲线图，参照图3。

当然，在步骤(4)中，第四关系模型还可以根据钻进深度参数和岩层硬度参数计算得出。步骤(5)中，第五关系模型也可以根据钻进深度参数和放电参数计算得出。

以上步骤(1)～步骤(5)只作为区分记号，不作为对先后顺序的限制。

进一步的，通过上提钻头上提破碎电极。上提破碎电极的上提距离为：

首次上提，破碎电极的上提距离等于爆破半径；

之后每次上提，破碎电极的上提距离等于爆破直径。具体的，当超前孔2内的岩层均为硬岩层时，比如超前孔2深度是10米，破碎电极的爆破范围的半径是一米，就是第一次上提1米，爆破后，再上提2米，继续爆破，以后每次上提2米后爆破，直至10米深的桩孔3的岩层全部得到等量弱化。参照图4-2中，图中a所示为破碎电极放电状态。当超前孔2内的岩层为软硬间隔的岩层，根据岩层钻进压力可以得出当前深度的岩层的硬度，当硬度较大需要破碎弱化时，对其进行定位放电破碎弱化，既能保证不同深度的地层均能得到爆破弱化，又能保证不同深度的地层能得到等量弱化，能够有效的节约施工工序，提高施工效率，保证后续旋挖钻机的成孔质量。

本发明提供的地层弱化预处理方法，可用于钻孔灌桩，但不仅限于钻孔灌桩。

本发明还提供一种成孔方法，包括以上任一项所述的地层弱化预处理方法，还包括，控制旋挖钻机对地层弱化预处理后的超前孔进行施工形成桩孔3，如图4-3所示。

具体的，桩孔3形成后，在桩孔3中下入钢筋笼，灌注混凝土成桩。

根据上述描述，本专利申请具有以下优点：

1、搭配传统机械，提高施工效率，降低施工成本；

2、智能化作业，一键弱化施工地层，节省人力物力。

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发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种地层弱化预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取岩层硬度参数与将岩层破碎至等量弱化程度所需的放电参数之间的第一关系模型；

在超前孔(2)的施工钻具上加装数据采集装置；

潜孔钻机钻进超前孔(2)，通过所述数据采集装置实时采集，获取地层硬度参数；

下放破碎电极至超前孔(2)孔底；

上提所述破碎电极，根据所述第一关系模型得出所述破碎电极所处的岩层破碎至所述等量弱化程度需要的所述放电参数，将所述破碎电极设定为对应的所述放电参数；

控制所述破碎电极对岩层进行放电，将岩层破碎，弱化岩层硬度；

继续上提所述破碎电极并放电破碎，直至地面，完成全行程地层弱化处理；

获取不同钻进深度下的钻进压力参数，得出钻进压力参数与钻进深度参数之间的第二关系模型；

获取对不同硬度的岩层进行钻进破碎至等量弱化程度需要的钻进压力参数，计算得到岩层硬度参数与所述钻进压力参数之间的第三关系模型；

通过所述第二关系模型和所述第三关系模型得出不同钻进深度与对应的岩层硬度参数之间的第四关系模型；

根据所述第一关系模型和所述第四关系模型得出不同钻进深度与对应的放电参数之间的第五关系模型。

2.根据权利要求1所述的地层弱化预处理方法，其特征在于，

获取所述第一关系模型的方法包括对岩层进行放电实验；

所述放电实验包括以下步骤：

对相同硬度的岩层进行不等量的放电能量的爆破，记录所述岩层硬度参数、所述放电参数以及破碎后的石块的粒径参数；

对不同硬度的岩层进行等量的放电能量的爆破，记录所述岩层硬度参数、所述放电参数以及破碎后的石块的所述粒径参数；

对不同硬度的岩层进行不等量的放电能量的爆破，记录所述岩层硬度参数、所述放电参数以及破碎后的石块的所述粒径参数；

统计达到相同破碎程度时，不同硬度的岩层所需的放电能量，计算得出所述第一关系模型。

3.根据权利要求1所述的地层弱化预处理方法，其特征在于，

所述第一关系模型包括由所述岩层硬度参数和放电参数生成硬岩破碎能量曲线图；

所述第二关系模型包括由所述钻进深度参数和所述钻进压力参数生成的地层强度曲线图；

所述第三关系模型包括由所述岩层硬度参数与所述钻进压力参数生成硬岩钻进压力曲线图；

通过将所述地层强度曲线图和所述硬岩钻进压力曲线图拟合生成所述第四关系模型的地层硬度曲线图；

通过将所述硬岩破碎能量曲线图和所述地层硬度曲线图拟合生成第五关系模型的地层破碎能量曲线图。

4.根据权利要求1所述的地层弱化预处理方法，其特征在于，

所述上提破碎电极的上提距离为：

首次上提，破碎电极的上提距离等于爆破半径；

之后每次上提，破碎电极的上提距离等于爆破直径。

5.根据权利要求1所述的地层弱化预处理方法，其特征在于，所述等量弱化程度为超前孔(2)的全行程的岩层破碎后的石块的粒径参数在同一设置范围内。

6.根据权利要求1所述的地层弱化预处理方法，其特征在于，所述数据采集装置包括压力传感器，在潜孔钻机钻进超前孔时，通过所述压力传感器实时获取钻进压力参数。

7.根据权利要求1所述的地层弱化预处理方法，其特征在于，所述破碎电极采用等离子脉冲碎岩装置。

8.一种成孔方法，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的地层弱化预处理方法，还包括，控制旋挖钻机(1)对地层弱化预处理后的超前孔进行施工形成桩孔(3)。

9.根据权利要求8所述的成孔方法，其特征在于，所述桩孔(3)形成后，在所述桩孔(3)中下入钢筋笼，灌注混凝土成桩。