CN115822609B - 一种竖井变直径施工控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种竖井变直径施工控制方法，在施工过程中，通过调整开挖直径来达到最佳的钻进效果。初始钻进开挖时，采用小内径钻进或等内径钻进的方式竖向钻进，完成设定的钻进行程后，下放沉井井壁；沉井井壁下放过程中，设置在所述沉井井壁上的倾斜传感器实时监测沉井井壁的倾斜角度并发送给监控单元，若沉井井壁的倾斜角度超过监控单元内部预设的倾角阈值，调整钻具的钻进类型，进行超外径或等外径钻进；若沉井井壁的倾斜角度未超过设定值，但井壁下放单元的设定行程已完成，所述沉井井壁的位移仍小于设定值，则调整钻具的钻进类型，进行超外径或等外径钻进；此外通过对钻具中的双刀盘进行同步控制，保证施工安全。

Description

一种竖井变直径施工控制方法

技术领域

本发明涉及一种施工控制方法，具体涉及一种竖井变直径施工控制方法，属于竖井钻进技术领域。

背景技术

近年来，随着城市的土地资源紧缺和规划理念升级，城市地下空间领域发展十分迅速。在城市地下空间工程中，可采用竖井机械施工方法对地下停车库、盾构始发井、深隧竖井等地下竖向工程进行施工，实现地下竖井建设中打井不下井、施工快速的目的。

竖井钻进施工一般会遇到多个地层，穿越地层复杂，开挖难度大。在使用沉井法钻进的过程中，经常出现土质软硬差异导致的沉井不畅及偏斜问题，如何保证钻井设备的竖直钻进效果以及施工安全是急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种竖井变直径施工控制方法，在施工过程中，通过调整开挖直径来达到最佳的钻进效果；且通过对钻具中的双刀盘进行同步控制，保证施工安全。

本发明的技术方案为：一种竖井变直径施工控制方法，竖井施工时所采用的钻进单元中的钻具为可变径全断面钻具，具备小内径钻进、等内径钻进、等外径钻进和超外径钻进四种钻进类型；

初始开挖时，采用小内径钻进或等内径钻进的方式竖向钻进，完成设定的钻进行程后，下放沉井井壁；沉井井壁下放过程中，设置在所述沉井井壁上的倾斜传感器实时监测沉井井壁的倾斜角度并发送给监控单元，若沉井井壁的倾斜角度超过监控单元内部预设的倾角阈值，调整钻具的钻进类型，进行超外径或等外径钻进；

若沉井井壁的倾斜角度未超过设定值，但井壁下放单元的设定行程已完成，所述沉井井壁的位移仍小于设定值，则调整钻具的钻进类型，进行超外径或等外径钻进。

作为本发明的一种优选方式，所述钻具包括：钻臂和两个刀盘，所述钻臂两端各通过一个伸缩臂与所述刀盘相连，通过所述伸缩臂的伸缩改变钻进类型；所述刀盘包括沿周向均匀间隔分布的三个辐条状刀臂，每个刀臂底面外边缘处安装有一个刀具；

在每个所述刀盘上均设置一个编码器，两个编码器分别监测两个刀盘的绝对角度，并发送给监控单元；所述绝对角度为刀盘相对其绝对0°位置转动的角度，绝对角度的取值范围为[0°,360°]；所述绝对0°位置为当两个刀盘的一个刀臂指向沉井井壁对应截面圆心后，两个刀盘各自逆时针旋转10°时的位置；

令测得的两个刀盘的绝对角度分别为R1和R2；定义两个刀盘的同步角为：当R1＞R2时，同步角φ=R1-R2-R；当R1＜R2时，同步角φ=R1+360°-R2-R；其中R为设定的最低风险绝对角度偏差值，R的取值范围为[40°,50°]；

钻进施工过程中，所述监控单元依据两个编码器的监测值实时计算两个刀盘的同步角，当所计算的同步角超出其内部预设的同步角阈值范围时，所述监控单元发出报警信号，并停止所述钻具的转动。

作为本发明的一种优选方式，钻进施工过程中，所述监控单元依据两个编码器的监测值实时计算同步角，并依据所计算的同步角调整两个刀盘的转速，使其同步角趋于0度。

作为本发明的一种优选方式，所述监控单元内部预设的同步角阈值范围为（-20°，20°）；当监控单元计算的同步角大于等于20°或小于等于-20°时，发出报警信号，并停止所述钻具的转动。

作为本发明的一种优选方式，在进行竖井钻进时，依据钻井位置的地质勘察报告确定进入不同地层时钻具的钻进类型，针对软岩、黏土地层，采用超外径钻进或等外径钻进；针对粉土、粉砂、淤泥质粘土地层，采用小内径或等内径钻进。

作为本发明的一种优选方式，在采用超外径钻进或等外径钻进时，竖向超挖距离为：设定的安全距离与刀盘高度以及设定的单次沉井量之和，其中设定的单次沉井量为10~20cm；

采用小内径或等内径钻进时，竖向超挖距离为10~15cm。

作为本发明的一种优选方式，所述钻进单元通过三个主臂与所述沉井井壁滑动配合；每个主臂上对应设置一个提吊点，由此通过三个提吊单元实现对钻进单元的提升和下放；

每个所述主臂设置有倾角仪，实时监测三个主臂的倾斜角度，并发送给监控单元；所述监控单元依据三个主臂的倾斜角度得到三个主臂的高度偏差值，并根据所计算的高度偏差值实时调整三个提吊单元的给进速度，使所述钻进单元的倾斜角度趋于0度。

作为本发明的一种优选方式，所述沉井井壁上增设浮力装置实现沉井井壁的减重下沉。

有益效果：

（1）针对同一竖井在施工时会穿越的不同地层，采用本发明的变直径施工控制方法动态调整钻进直径，适用性强，能够在保证下沉效果的同时，降低周边地层变形的风险，提高施工安全性。

（2）当采用小内径钻进和等内径钻进时，两个刀盘交叉运行，会有刀臂撞击风险。基于此，本发明通过在每个刀盘上设置编码器，实时监测两个刀盘的绝对角度，监控单元依据两个编码器的监测值获得两个刀盘的同步角，并由此调整两个刀盘的转速，使两个刀盘处于最佳运行状态；且当两个刀盘的同步角超过设定的同步角阈值时，停止钻具的转动，由此保证施工安全。

（3）在钻进单元的三个主臂上设置有倾角仪，实时监测三个主臂的倾斜角度，监控单元能够由此实时调整三个提吊单元的给进速度，使得钻进单元的倾斜角度趋于0度，从而实现纠偏，保证钻进断面均匀。

（4）在沉井井壁上增设浮力装置实现沉井井壁的减重下沉，能够减少对沉井井壁的提吊力，并轻量化井口装备和减小地基承载力。

附图说明

图1为小内径钻进时两个刀盘与井壁的相对位置示意图一；

图2为小内径钻进时两个刀盘与井壁的相对位置示意图二；

图3为等内径钻进时两个刀盘与井壁的相对位置示意图一；

图4为等内径钻进时两个刀盘与井壁的相对位置示意图二；

图5为等外径钻进时两个刀盘与井壁的相对位置示意图一；

图6为等外径钻进时两个刀盘与井壁的相对位置示意图二；

图7为超外径钻进时两个刀盘与井壁的相对位置示意图一；

图8为超外径钻进时两个刀盘与井壁的相对位置示意图二；

图9为两个刀盘处于绝对0°位置时的状态示意图；

图10为两个刀盘处于最佳运行位置示意图。

其中：1-刀臂、2-沉井井壁、3-钻臂、4-刀盘、5-刀具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本实施例提供一种竖井变直径施工控制方法，在施工过程中，通过调整开挖直径来达到最佳的钻进效果；且通过对双刀盘进行同步控制，保证钻进断面均匀和施工安全。

该竖井变直径施工控制方法所采用的钻井设备包括：钻进单元、提吊单元、井壁下放单元和监控单元；其中钻进单元用于实现竖向钻进，提吊单元用于实现钻进单元的提升和下放，通过提吊单元对钻进单元的提吊实现减压钻进；井壁下放单元用于下放沉井井壁2，沿沉井井壁2的周向设置两个以上结构相同的井壁下放单元，本例中井壁下放单元采用液压绞车，通过钢绞线与沉井井壁2相连，实现沉井井壁2的下放。在沉井井壁2的内壁面上沿周向均匀间隔分布有三个滑槽，钻进单元通过三个主臂分别与三个滑槽配合，作为钻进单元向下滑动的导向。每个主臂上对应设置一个提吊点，由此对应设置三个提吊单元实现对钻进单元的提升和下放。

其中钻进单元中的钻具采用回转式可变径包络成形全断面钻具，该钻具包括：钻臂3和两个刀盘4，通过钻进单元的公转驱动钻臂3进行公转，钻臂3左右两端各连接一个刀盘4，刀盘4上的自转驱动机构带动刀盘4自转；由此通过两个刀盘4的180°对称布置以及刀盘4的自转和钻臂3的公转，实现钻具的全断面钻进。

本例中，如图2所示，刀盘4包括沿周向均匀间隔分布的三个辐条状刀臂1，每个刀臂1底面外边缘处安装有一个刀具5。

钻臂3两端各通过一个伸缩臂（如伸缩油缸）与刀盘4相连，由此能够通过伸缩臂的伸缩改变两个刀盘4之间的间距，进而改变钻进直径（即钻进断面直径）。依据钻进直径与沉井井壁2外径和内径之间的关系（这里的外径和内径均指直径），将钻进类型分为：小内径钻进、等内径钻进、等外径钻进和超外径钻进；如图1和图2所示，小内径钻进指钻进直径小于沉井井壁内径；如图3和图4所示，等内径钻进指钻进直径等于沉井井壁内径；如图5和图6所示，等外径钻进指钻进直径等于沉井井壁外径；如图7和图8所示，超外径钻进指钻进直径大于沉井井壁外径。监控单元通过控制伸缩臂的伸缩实现钻进类型的控制。

竖井施工过程中，一般会遇到多个地层，穿越地层复杂，钻井过程中，如果均采用超外径或等外径钻进，虽可保证沉井刃脚无端阻力，沉井顺畅。但因不同地层，稳定性差别较大，对于自稳能力差的软土采用超外径或等外径开挖会带来垮塌等风险（周边地表沉降），因此，需要根据地层情况进行开挖尺寸的调整。

为能够实现开挖尺寸的动态调整，在沉井井壁2上设置有倾斜传感器，倾斜传感器实时监测井壁倾斜角度，并发送给监控单元。

初始钻进开挖时，钻进单元采用小内径或等内径钻进的方式竖向钻进，完成设定的钻进行程后，下放沉井井壁2，沉井井壁2在井壁下放单元的提吊作用下，利用自重下沉。此种情况下，由于是采用小内径或等内径方式钻进，沉井井壁2下沉时将受到下方土体的端阻力，为切土下沉。沉井井壁2下放过程中，倾斜传感器实时监测沉井井壁2的倾斜角度并发送给监控单元，若沉井井壁2的倾斜角度超过监控单元内部预设的倾角阈值，表明待切土体不均匀导致沉井倾斜，此时监控单元调整钻具的钻进直径，以进行超外径或等外径钻进，挖除沉井井壁2正下方土体，保证沉井均匀。

当沉井井壁2的倾斜角度未超过设定值，但井壁整体下沉困难时（如井壁下放过程中，监控单元监测到井壁下放单元的油缸压力小于设定值，或井壁下放单元的油缸设定行程已完成，但沉井井壁2的位移仍小于设定值，沉井井壁2的位移量可以通过测量沉井井壁2的高程即沉井井壁2在地面以上的高度来获得），说明钻进断面土体整体较硬，此时，也需调整钻具进行超外径或等外径钻进。

此外，在进行竖井钻进时，可先依据钻井位置的地质勘察报告确定钻具的钻进类型，针对比较硬、稳定性好的地层，如软岩、黏土等，采用超外径钻进或等外径钻进，且竖向超挖距离在保证10～20cm的单次沉井量的情况下尽量短，由此竖向超挖距离为：安全距离+刀盘高度+10～20cm沉井量；其中安全距离指为降低碰撞风险所设定的刀臂1与沉井井壁2刃脚之间的最小距离；针对粉土、粉砂、淤泥质粘土等自稳能力差的地层，采用小内径或等内径钻进，竖向超挖根据沉井情况保证10～15cm的单次沉井量。

进一步的，对比图1-图8可知，当采用等外径钻进和超外径钻进时，两个刀盘4不交叉，互不干扰；但采用小内径钻进和等内径钻进时，两个刀盘4交叉运行，会有刀臂撞击风险。为此本实施例提供了以下方法：为描述方便，令两个刀盘4分别为1号刀盘和2号刀盘，如图9所示，右边刀盘为1号刀盘，左边刀盘为2号刀盘；首先定义两个刀盘的绝对0°位置，本例中，图9所示为两个刀盘4的绝对0°位置，即当两个刀盘4的一个刀臂1指向沉井井壁2对应截面圆心后，两个刀盘4各自逆时针旋转10°时的位置为两个刀盘4的绝对0°位置。在每个刀盘4上均设置一个编码器，两个编码器分别监测两个刀盘4的绝对角度，即两个刀盘4相对自身绝对0°位置转动的角度，绝对角度的取值范围为[0°,360°]。

钻进时，两个刀盘4的旋转方式可以有两种情况：第一种情况为：1号刀盘逆时针旋转，同时2号刀盘顺时针旋转，此时称为正向；第二种情况1号刀盘顺时针旋转，同时2号刀盘逆时针旋转，此时称为反向。编码器的测量值以两个刀盘正向转动为基准；图9分别给出了1号刀盘绝对角度为90°、170°、180°以及270°时的位置，以及2号刀盘绝对角度为90°、180°、190°以及270°时的位置。

假设某时刻，测得1号刀盘的绝对角度为R1，2号刀盘的绝对角度为R2。当R1和R2的偏差在R时，两个刀盘4之间撞击的风险最小，R的取值范围为[40°,50°]；本例中，R的取值为40°；由此当R1＞R2时，定义同步角φ=R1-R2-40°；当R1＜R2时，定义同步角φ=R1+360°-R2-40°。同步角为0°的状态为两个刀盘的最佳运行角度，如图10所示。

初始时，使两个刀盘4处于如图10所示的最佳运行角度；然而，在钻进过程中，受地层不均匀等因素的影响，两个刀盘4不可能一直保持最佳运行角度。为此，钻进过程中，两个编码器分别监测两个刀盘4的绝对角度，并发送给监控单元；监控单元依据两个编码器的监测值实时计算同步角，并依据同步角调整两个刀盘4的转速，使其同步角趋于0度，达到最佳运行状态；此外，为保证安全，在监控单元中设置有同步角阈值，本例中同步角阈值为±20°，当同步角大于等于20°或小于等于-20°时，会有刀臂撞击风险；由此当监控单元计算的同步角大于等于20°或小于等于-20°时，发出报警信号，并停止钻具的转动，由此保证施工安全。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，进一步的，在钻进单元的三个主臂上也分别设置有倾角仪，实时监测三个主臂的倾斜角度，并发送给监控单元；监控单元由此得到三个主臂的高度偏差值，监控单元根据所计算的高度偏差值实时调整三个提吊单元的给进速度，使得钻进单元的倾斜角度趋于0度，从而实现纠偏，保证钻进断面均匀。

实施例3：

在上述实施例1的基础上，针对沿海软土地区，在沉井井壁2上增设浮力装置实现沉井井壁的减重下沉，以减少对沉井井壁的提吊力，并轻量化井口装备和减小地基承载力。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种竖井变直径施工控制方法，其特征在于，竖井施工时所采用的钻进单元中的钻具为可变径全断面钻具，具备小内径钻进、等内径钻进、等外径钻进和超外径钻进四种钻进类型；

所述钻具包括：钻臂和两个刀盘，所述钻臂两端各通过一个伸缩臂与所述刀盘相连，通过所述伸缩臂的伸缩改变钻进类型；所述刀盘包括沿周向均匀间隔分布的三个辐条状刀臂，每个刀臂底面外边缘处安装有一个刀具；

初始开挖时，采用小内径钻进或等内径钻进的方式竖向钻进，完成设定的钻进行程后，下放沉井井壁；沉井井壁下放过程中，设置在所述沉井井壁上的倾斜传感器实时监测沉井井壁的倾斜角度并发送给监控单元，若沉井井壁的倾斜角度超过监控单元内部预设的倾角阈值，调整钻具的钻进类型，进行超外径钻进或等外径钻进；

若沉井井壁的倾斜角度未超过设定值，但井壁下放单元的设定行程已完成，所述沉井井壁的位移仍小于设定值，则调整钻具的钻进类型，进行超外径钻进或等外径钻进。

2.如权利要求1所述的竖井变直径施工控制方法，其特征在于，在每个所述刀盘上均设置一个编码器，两个编码器分别监测两个刀盘的绝对角度，并发送给监控单元；所述绝对角度为刀盘相对其绝对0°位置转动的角度，绝对角度的取值范围为[0°,360°]；所述绝对0°位置为当两个刀盘的一个刀臂指向沉井井壁对应截面圆心后，两个刀盘各自逆时针旋转10°时的位置；

令测得的两个刀盘的绝对角度分别为R1和R2；定义两个刀盘的同步角为：当R1＞R2时，同步角φ=R1-R2-R；当R1＜R2时，同步角φ=R1+360°-R2-R；其中R为设定的最低风险绝对角度偏差值，R的取值范围为[40°,50°]；

钻进施工过程中，所述监控单元依据两个编码器的监测值实时计算两个刀盘的同步角，当所计算的同步角超出其内部预设的同步角阈值范围时，所述监控单元发出报警信号，并停止所述钻具的转动。

3.如权利要求2所述的竖井变直径施工控制方法，其特征在于，钻进施工过程中，所述监控单元依据所计算的同步角调整两个刀盘的转速，使其同步角趋于0度。

4.如权利要求2或3所述的竖井变直径施工控制方法，其特征在于，所述监控单元内部预设的同步角阈值范围为（-20°，20°）；当监控单元计算的同步角大于等于20°或小于等于-20°时，发出报警信号，并停止所述钻具的转动。

5.如权利要求1或2所述的竖井变直径施工控制方法，其特征在于，在进行竖井钻进时，依据钻井位置的地质勘察报告确定进入不同地层时钻具的钻进类型，针对软岩、黏土地层，采用超外径钻进或等外径钻进；针对粉土、粉砂、淤泥质粘土地层，采用小内径钻进或等内径钻进。

6.如权利要求1或2所述的竖井变直径施工控制方法，其特征在于，在采用超外径钻进或等外径钻进时，竖向超挖距离为：设定的安全距离与刀盘高度以及设定的单次沉井量之和，其中设定的单次沉井量为10~20cm；

采用小内径或等内径钻进时，竖向超挖距离为10~15cm。

7.如权利要求1或2所述的竖井变直径施工控制方法，其特征在于，所述钻进单元通过三个主臂与所述沉井井壁滑动配合；每个主臂上对应设置一个提吊点，由此通过三个提吊单元实现对钻进单元的提升和下放；

每个所述主臂设置有倾角仪，实时监测三个主臂的倾斜角度，并发送给监控单元；所述监控单元依据三个主臂的倾斜角度得到三个主臂的高度偏差值，并根据所计算的高度偏差值实时调整三个提吊单元的给进速度，使所述钻进单元的倾斜角度趋于0度。

8.如权利要求1或2所述的竖井变直径施工控制方法，其特征在于，所述沉井井壁上增设浮力装置实现沉井井壁的减重下沉。

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