CN117868134A - 一种用于高压旋喷的螺旋钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压旋喷的螺旋钻头，包括注浆杆，该注浆杆为空心钻杆，其内部空腔为待喷射材料的流动通道，且所述注浆杆的内部空腔中设有螺旋引流结构，外部套有注浆杆外壳，注浆杆外壳与注浆杆之间形成高压气体流动通道，所述的注浆杆与注浆杆外壳构成的双重管侧壁设有多个聚合喷嘴，待喷射材料注入注浆杆，沿流动通道流动，并经螺旋引流结构附加旋转能量后，与从高压气体流动通道流出的高压空气一起通过聚合喷嘴喷出。与现有技术相比，本发明具有提高喷射流的动能，降低钻头内部结构的磨损，注入流量大，施工工效高，切土搅拌效果好等优点。

Description

一种用于高压旋喷的螺旋钻头

技术领域

本发明涉及建筑领域，尤其是涉及一种用于高压旋喷的螺旋钻头。

背景技术

现有用于地基加固或以止水为目的的高压旋喷工艺通过特制钻头将水硬性胶凝材料注入地下，利用高压喷射流体对土层结构进行破坏，并与其破坏后的土粒混合搅拌，凝固后形成新的有强度的固结体。其胶凝材料通过高压软管由后台高压泵泵送至其钻头，由特制喷嘴喷射成桩，其通用的喷嘴设计与钻头流通道呈垂直状布置，被泵送的胶凝材料在喷嘴处折射成直角状，存在泵送压力因在折角处产生的湍流而动能衰减的问题。钻头内部结构也因其高速流动的胶凝材料摩擦冲击而受损。

专利202020452565.4公开了一种多孔高压旋喷钻头，包括钻头，钻头为竖直布置的圆柱型结构，钻头底部固定连接锥形的切削刃，切削刃尖角向下，切削刃顶部设有向上的卡接接头，卡接接头内部左侧设有内管输液腔，卡接接头内部右侧设有外管输液腔，钻头内部左侧设有内管输送管，钻头内部右侧设有外管输送管，内管喷头斜向上布置且内管喷头与水平面的夹角为十八度，内管外侧面设有四个外管喷头，外管喷头斜向上布置且外管喷头与水平面的夹角为负十八度，但该专利流体路径在末段存在弯折负角度，泵送压力在折角处产生的湍流而动能衰减的问题更显著。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于高压旋喷的螺旋钻头，以减少胶凝材料在泵送过程中的动能损失，降低钻头与喷嘴转角处的磨损，提高胶凝材料在切削破坏土层时的动能，增加其喷射距离，增大其加固体桩径，并提高施工钻头耐用性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于高压旋喷的螺旋钻头，包括注浆杆，该注浆杆为空心钻杆，其内部空腔为待喷射材料的流动通道，且所述注浆杆的内部空腔中设有螺旋引流结构，注浆杆外壳套有注浆杆外形成双重管结构，注浆杆外壳套与注浆杆之间的间隙作为高压气体流动通道，所述的注浆杆与注浆杆外壳构成的双重管侧壁设有多个聚合喷嘴，待喷射材料注入注浆杆，沿流动通道流动，并经螺旋引流结构附加旋转能量后，与从高压气体流动通道流出的高压空气一起通过聚合喷嘴喷出。

进一步地，所述注浆杆内径不变，即流动通道从注浆进口到聚合喷嘴为止具有相同的直径，优选地，注浆杆内径上部窄下部宽，即所述的流动通道包括窄径部和扩径部，其中窄径部位于注浆杆上部，其顶部连通材料输送管，底部外扩形成扩径部，扩径部的直径大于窄径部，且扩径部底部连通聚合喷嘴。

进一步地，所述的聚合喷嘴包括核喷嘴和圆喷嘴，其中核喷嘴与所述流动通道连通，圆喷嘴环绕在核喷嘴周围，并与所述高压气体流动通道连通。高压气体流动通道沿注浆杆内流动通道的外周形成环状，由设定在钻头的前端侧壁处的聚合喷嘴的周围喷嘴集中于圆喷嘴喷出，前端侧成为封闭状态。

进一步地，所述的注浆杆底部设有清水喷出孔，所述的清水喷出孔上端设有球阀座，所述的球阀座设有钢珠子，通过钢珠子封闭清水喷出孔。具体地，清水喷出孔经由形成于扩径部前端底部的球阀座向下方开口，通过钢珠子的投入而进行清水喷出孔封闭。清水喷出孔的开闭是不同的，也可以采用差压阀代替球阀座设定。

待喷射材料一般为胶凝材料，由流动通道从窄径部与扩径部和两者连接处的锥形基座有利于进入螺旋引流结构，通过该螺旋引流结构施加旋流能量而集中喷射到核喷嘴。

进一步地，所述的螺旋引流结构上设有多条引流槽，多条引流槽为并列螺旋结构的条柱状沟槽，或者为螺旋叶片形式。螺旋引流结构通过翼缘固定在注浆杆内璧上的，螺旋引流翼缘与注浆杆内壁多重固定，固定为钢结构一次成型，起导流作用，通过自身结构形式改变流体流动的方向，并在改变其方向后降低动能损失。

所述的注浆杆上设置的多个聚合喷嘴分别与螺旋引流结构上各引流槽出口匹配。

所述的注浆杆底部设有钻头挖掘刃，用于下钻切削土体。

所述的注浆杆上设有旋转器，注浆杆通过旋转器连接材料输送管。

所述的注浆杆上部与钻杆驱动机构以及钻杆动力头相连，所述的钻杆动力头固定在前端设备基座上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)提高喷射流的动能：通用钻头内部喷嘴与连通流路之间由转角折射变为螺旋进入，提高材料流动过程中的动能损耗。

(2)降低钻头内部结构的磨损：喷射材料路径由转角折射变为螺旋引流，减少了材料对钻头内部结构的直接冲刷，降低了钻头内部结构的磨损。

(3)注入流量大：钻头内部流通路扩大，单位时间内喷射量增大，且喷嘴可根据其施工工况选用(1-4个)。

(4)施工工效高：单位时间内，钻头注浆流量约为现有高压注浆设备的2倍，其施工所用时间为常规设备施工时间1/2。

(5)切土搅拌效果好：其喷嘴布置方向与钻头外结构相切，多个高压旋转喷流从不同的角度方向对周边土体进行交叉喷射搅拌，施加在钻杆上的偏向反作用力被抵消，钻杆的抖动和挠度消失，通过稳定的注入形成均质的加固体。

附图说明

图1为本发明用于高压旋喷的螺旋钻头整体结构示意图；

图2为第一种螺旋钻头局部剖面图；

图3为第二种螺旋钻头局部剖面图；

图4为螺旋引流结构中2个引流槽(引流槽I1和引流槽I2)并列旋转的流路内壁展开示意图；

图5为第三种螺旋钻头局部剖面图；

图6为螺旋引流结构引流槽与聚合喷嘴部分剖视图；

图7为第四种螺旋钻头局部剖面图；

图8为注浆杆1整体结构示意图；

图中标记说明：

1-注浆杆，11-旋转器，12-流动通道，12a-窄径部，12b-扩径部，13-高压气体流动通道，14-清水喷出孔，15-注浆杆外壳，2-聚合喷嘴，21-核喷嘴，22-圆喷嘴，3-螺旋引流结构，3a-引流槽a，3b-引流槽b，3c-引流槽c，3d-引流槽d，4-球阀座，41-钢珠子，5-钻杆动力头，6-前端设备基座，7-钻杆驱动机构，8-材料输送管，9-钻头挖掘刃，A-钻头，B-钻杆，C-钻杆连接部位，E-锥形基座，G-地下土层，X-加固地层，Y-胶凝材料高压射流。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种用于高压旋喷的螺旋钻头，如图1～2所示，包括：

注浆杆1：为前端硬质材料空性钻杆，其内部空前作为待喷射材料如胶凝材料的流动通道12；其外部套有注浆杆外壳15，注浆杆外壳15与注浆杆1构成双重管结构，注浆杆外壳套15与注浆杆1之间的间隙作为高压气体流动通道13，注浆杆1的内径尺寸可以不便，为一直管，也可以为变径管，即上部直径小，下部直径大的变径管，在本实施例中，如图2所示，流动通道12包括窄径部12a和扩径部12b，其中窄径部12a位于注浆杆1上部，其顶部连通材料输送管8，底部外扩形成扩径部12b，扩径部12b的直径大于窄径部12a，且扩径部12b底部连通聚合喷嘴2；

聚合喷嘴2，包括核喷嘴21和圆喷嘴22，其中核喷嘴21与所述流动通道12连通，圆喷嘴22环绕在核喷嘴21周围，并与所述高压气体流动通道13连通。凝胶材料由流动通道12从窄径部12a与扩径部12b的连接处锥形基座E处进入螺旋引流结构3，通过该螺旋引流结构3施加旋流能量而集中喷射到核喷嘴21，高压胶凝材料从核喷嘴21喷出，使其切割土体搅拌，形成加固体。空气由所述高压气体流动通道13沿胶凝材料流通的流动通道12的外周形成环状，高压气体流动通道内璧，形成高压气体包裹着胶凝材料，增大胶凝材料的喷射切割距离。

螺旋引流结构3，设置在流动通道12内，作用在于改变胶凝材料流动方向，由直流变为螺旋流动的结构。螺旋引流结构3是通过翼缘固定在注浆杆1内璧上的，如图2及图3可看出螺旋引流翼缘与注浆杆内壁多重固定，固定为钢结构一次成型，而非后期焊接。螺旋引流结构3起导流作用，通过自身结构形式改变其流体流动的方向，并在改变其方向后降低动能损失。螺旋引流结构3上设有多条引流槽，引流槽不限于条柱状，也可将螺旋板以螺旋叶片的形式加工设置。另外，当使用引流槽时，通过施工环境改变引流槽的截面形状达到最佳的施工效果。具体地：

如图2所示，引流槽为单根螺旋槽；

或者，如图4为螺旋引流结构中2个引流槽(引流槽I1和引流槽I2)并列旋转的流路内壁展开示意图，该结构能够创造多个流体并列旋转且独自高压喷流喷出；

或者如图3所示，为四根并列设置的引流槽：3a-引流槽a，3b-引流槽b，3c-引流槽c，3d-引流槽d，并列旋转而设定，且将由此形成流路的开口分别构成核喷嘴21的开口部(参见图5)，在注浆杆1上设置多个聚合喷射喷嘴2通过从各自不同的角度方向旋转喷射高压射流，能够得到独自的破碎搅拌力。

或者如图6所示，以流路扩径部横截面俯视图表示构成为4条的引流槽(3a-引流槽a，3b-引流槽b，3c-引流槽c，3d-引流槽d)在流路扩径部12b内并列行驶的状态，通过与各个引流槽对应地设置聚合喷射喷嘴2，多个高压旋转喷流从不同的角度方向对周边土体进行交叉喷射搅拌，施加在注浆杆上的偏向反作用力被抵消，注浆杆的抖动和挠曲消失，通过稳定的喷射形成均质的加固体。

上述各结构通过多条螺旋结构，设定为多个的聚合喷射喷嘴2，使来自上下台阶部位或如图7所示相同水平部位的多个高压射流相对于注浆杆1管壁向倾斜方向喷射。

注浆杆1底部设有清水喷出孔14，所述的清水喷出孔14上端设有球阀座4，所述的球阀座4设有钢珠子41，通过钢珠子41封闭清水喷出孔14。

如图1所示，注浆杆1也称为钻杆，连接材料输送管8与钻头A形成胶凝材料Y通道，驱动钻头A圆周运动进行高压胶凝材料Y的摆喷动作，其顶部设有旋转器11，旋转器11用作注浆杆1、材料输送管8和注浆杆外壳15的连接接头。钻杆中间可以为分节制成，每两节钻杆组装下钻时通过连接孔进行两两连接，连接部位如图1中C部，注浆杆1底部设有钻头挖掘刃9，是下钻切削土体使用的刀刃，注浆杆1通过钻杆驱动机构7夹住，并驱动注浆杆1做旋转运动，且钻杆驱动机构7与钻杆动力头5为联动装置，钻杆动力头5设置在前端设备基座6上。

如图8所示，E为钻头的锥形基座：是胶凝材料流动通道变径处的注入杆1与注浆管外壳15的连接支座。

使用时：

将胶凝材料注入加固地层X，首先，向流动通道12供给清水进行下钻切削水孔，清水从清水喷出孔14喷出，通过注浆杆驱动机构7一边对注浆杆1施加旋转等动作一边使其前进通过钻头A的钻头挖掘刃9和注浆杆1的旋转，使注浆杆1插入地下土层G。并使注浆杆1向地下土层G推进，在达到规定的深度时，若将旋转器11拆下并从与流动通道12连通口投入钢珠子41，钢珠子41因自重下落，嵌入清水喷出孔14的球阀座4而闭塞清水喷出孔14。同时，将之前供给清水的软管8切换为胶凝材料。

胶凝材料泵送的压力为20～40Mpa，喷出量为100～200升/分钟左右的高压射流，与圆喷嘴22的空气一起喷射，上升速度为15分钟/米左右。被压送至流动通道12的胶凝材料，从窄径部12a到达扩径部12b时，通过流路的扩张，内压发散而被引导至钻头A的锥形斜面壁，通过螺旋引流结构3附加旋转能量，形成流线弯曲面的内壁提高流速降低了紊流，流路阻力被抑制到最小，通过集中在核喷嘴21的入口的流线锥度进行输送，因此即使将钻杆提升时间设为以往的二分之一左右，也能够充分地维持注入密度。空气高压气体流动通道13输送到聚合喷嘴2经圆喷嘴22喷射释放，其喷射形式为包裹上述胶凝材料喷流同步喷射。

因此，上述紊流或流路阻力的减少相结合，能够扩大核喷嘴的口径可以在更短的时间内制造胶凝材料喷射流到达距离较长的加固地层X。从聚合喷嘴2喷射胶凝材料被空气包裹旋转射流，使注浆杆1以旋转或规定角度往复转动，同时在拔出方向上以每米15分钟的速度上升或后退，进而胶凝材料高压射流Y对周边地基进行穿孔切削，使破碎土粒在地下土层G上沿着注浆杆1的驱动轨迹形成圆柱状的注浆加固体。

本发明如上所述构成，能够防止因胶凝材料泵送流路曲折而产生紊流导致的压送能量衰减，并且从窄径部12a到扩径部12b的流路的扩张、基于螺旋引流结构3的回旋能量的附加，通过由扩径流路中的锥形斜面壁和流线弯曲面构成的内壁，能够利用以往加倍的效率来压送能量。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

除非特别规定，本文中使用的所有技术和科学术语与相关领域的专业技术人员通常理解的含义相同。这些术语仅用于描述具体实例的目的，而不意味着对本申请的范围进行限制。在本申请的说明书、权利要求书和附图中，术语"包括"、"具有"及其它相关变体的使用旨在广泛涵盖而非排他性地涵盖范围。

在本发明的描述中，技术术语如"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"向"、"周向"等指示方位或位置关系，是基于附图所示的方位或位置关系。这些术语仅为了方便描述本申请的实施例和简化说明，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位以特定的方式构造和操作。因此，不能将其理解为对本申请实施例的限制。

此外,还需要说明的是,在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”“设置”、“连接”应作广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或体连接。对于本领域技术人员而言,可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种用于高压旋喷的螺旋钻头，其特征在于，包括注浆杆(1)，该注浆杆(1)为空心钻杆，其内部空腔为待喷射材料的流动通道(12)，且所述注浆杆(1)的内部空腔中设有螺旋引流结构(3)，外部套有注浆杆外壳(15)，注浆杆外壳(15)与注浆杆(1)之间形成高压气体流动通道(13)，所述的注浆杆(1)与注浆杆外壳(15)构成的双重管侧壁设有多个聚合喷嘴(2)，待喷射材料注入注浆杆(1)，沿流动通道(12)流动，并经螺旋引流结构(3)附加旋转能量后，与从高压气体流动通道(13)流出的高压空气一起通过聚合喷嘴(2)喷出。

2.根据权利要求1所述的一种用于高压旋喷的螺旋钻头，其特征在于，所述的流动通道(12)包括窄径部(12a)和扩径部(12b)，其中窄径部(12a)位于注浆杆(1)上部，其顶部连通材料输送管(8)，底部外扩形成扩径部(12b)，扩径部(12b)的直径大于窄径部(12a)，且扩径部(12b)底部连通聚合喷嘴(2)。

3.根据权利要求1所述的一种用于高压旋喷的螺旋钻头，其特征在于，所述的聚合喷嘴(2)包括核喷嘴(21)和圆喷嘴(22)，其中核喷嘴(21)与所述流动通道(12)连通，圆喷嘴(22)环绕在核喷嘴(21)周围，并与所述高压气体流动通道(13)连通。

4.根据权利要求1所述的一种用于高压旋喷的螺旋钻头，其特征在于，所述的螺旋引流结构(3)上设有多条引流槽，多条引流槽为并列螺旋结构的条柱状沟槽，或者为螺旋叶片形式。

5.根据权利要求4所述的一种用于高压旋喷的螺旋钻头，其特征在于，所述的注浆杆(1)上设置的多个聚合喷嘴(2)分别与螺旋引流结构(3)上各引流槽出口匹配。

6.根据权利要求1所述的一种用于高压旋喷的螺旋钻头，其特征在于，所述的注浆杆(1)底部设有清水喷出孔(14)，所述的清水喷出孔(14)上端设有球阀座(4)。

7.根据权利要求6所述的一种用于高压旋喷的螺旋钻头，其特征在于，所述的球阀座(4)设有钢珠子(41)，通过钢珠子(41)封闭清水喷出孔(14)。

8.根据权利要求1所述的一种用于高压旋喷的螺旋钻头，其特征在于，所述的注浆杆(1)底部设有钻头挖掘刃(9)，用于下钻切削土体。

9.根据权利要求1所述的一种用于高压旋喷的螺旋钻头，其特征在于，所述的注浆杆(1)上设有旋转器(11)，注浆杆(1)通过旋转器(11)连接材料输送管(8)。

10.根据权利要求1所述的一种用于高压旋喷的螺旋钻头，其特征在于，所述的注浆杆(1)上部与钻杆驱动机构(7)以及钻杆动力头(5)相连，所述的钻杆动力头(5)固定在前端设备基座(6)上。