CN1807827B - 在钢筋混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法及装置，方法为合理选择动力和辅助机具；根据钻孔大小和深度，选择钻具级配和钻头；金刚石钻头的选择；钻机机架的安装及调整；理想钻孔轴线轨迹的预设；测量仪器的选择与调整；开孔钻进与孔口导向扶正器的设计与使用；钻进参数钻压、转速和泵量的合理匹配；当钻孔轴线偏斜超标时的纠偏措施；和双向对钻法。可调整式机架和固定在其一端上的孔口导向扶正器，金刚石钻孔机固定在可调整式机架的钢梁上，可调整式机架底座通过四根高度可调丝杆固定在地面上，底座和钢梁之间设有水平可调丝杆，孔口导向扶正器固定在钢梁一端，钻杆穿过其限位孔，限位孔和钻杆是间隙配合。本发明精确度高。

Description

在钢筋混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种应用在土木建筑中水平钻孔方法及装置，特别是一种在钢筋混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法及装置。 

背景技术

现有的土建行业中的打孔设备虽然可以完成钻孔作业，但钻孔精度不高。在作业中，如果钻头遇到钢筋或硬度极大的材料时，偏斜率会很大。对于普通的土木建筑要求还是可以的，如果是一些特殊工程中就不能满足要求了。 

目前在钢铁企业，为实现高炉的快速大修，整个锅炉的混凝土基础(一般直径为Φ20m左右，高4-5m)需进行整体切割分离，为了实现切割绳的安装必须先打高精度的水平孔，以达到既能满足穿绳的目的，又能保证高炉的稳定性。 

水库大坝在加高加宽等改造工程过程中，需在一定的位置进行结构补筋，但又不能伤及原有混凝土结构中的钢筋，所以要求必须有高精度钻孔完成植筋工作。 

另外在核电工程，由于需防止核辐射问题，需实行长距离高精度水平钻孔进行定点采样或高精度定点安装测试设备。 

发明内容

本发明的发明目的是解决了现有行业中钻孔精度不高、偏斜率大的技术问题；而提供一种采用钻头、至少双扩孔器、三级导正作用校准的钻孔方法及钻孔装置。 

本发明解决的技术问题可采用以下技术方案来实现。 

一种在混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法，利用钻孔机连接各种中间连接管，带动钻头转动，尅取混凝土，产生的粉屑经循环冷却水带出孔外，形成指定口径的水平偏斜率低的混凝土钻孔，设备主要有金刚石钻孔机、动力设备、长导轨、可调整式机架，相关辅助机具有高压水泵、孔口导向扶正器、钻具组配，其特征为：施工方法为： 

1.选择动力驱动设备和相关辅助机具，根据钻孔口径的大小和深度，选择满足钻孔扭矩和功率需求的设备机具，设备制造精度、与给进导轨的装配精度均要求高； 

2.根据钻孔口径的大小和深度，选择钻具级配，选择钻头的外径，按照钻进工艺技术的要求，依次确定各连接部件的外径尺寸和长度，并随钻孔深度的变化和孔内异常情况的发生进行相应的级配调整，钻具组配总的连接部件依次为金刚石钻、扩孔器、岩心管、扩孔器、岩心管、变径接头、钻杆、单动扶正器、钻杆、主动钻杆、水接头、钻机输出轴，扩孔器和岩心管的配对数量至少两组， 

各种钻具的外径级配尺寸要求：第一扩孔器外径比钻头外径大，第二个扩孔器比第一个扩孔器大，但是其外径之差不超过1mm，第二个以后的扩孔器外径均应小于接近第二个扩孔器外径， 

但在保证连接强度的同时还要注意长度尺寸的选择，一般钻孔口径大，相应外径级配尺寸取大值，钻孔口径小，取小值， 

岩心管的长度根据孔深大小和孔内情况选择0.3～3.0米的不同尺寸，长岩心管的使用可根据设备功率消耗情况尽量加长；3.金刚石钻头的选择，采用壁厚比一般的金刚石薄壁混凝土钻头厚，又比地质岩心钻的钻头薄，既要满足工艺参数的实施要求，又要满足钻具级配的制造要求， 

金刚石在钻头胎体中的浓度低，金刚石的颗粒粗，钻头胎体的硬度要根据混凝土标号和金刚石质量来定，保持胎体的磨耗速度与金刚石的切削磨耗速度相等； 

4.钻机机架的安装及调整，钻机机架通过锚栓与地面固定，通过调整四个支撑丝杆来实现钻机水平的安装，方位的调整是再通过调节设置在机架纵横双向支架连接部位的水平调节丝杆来进行，当调整到设计方位时，再把连接螺栓固定死， 

在测量的监控下，按设计要求对钻机机架进行安装调节，具体按下列步骤进行： 

4.1.预安装，在测量数据的监控下，先调水平，后调方位，当水平方向，垂直方向的误差在±1mm内时紧固机架连接螺栓到一定程度，给微调留有松动的余地， 

4.2.精安装，在测量数据的监控下，先调方位，后调水平，再调方位，主要采用微调，反复校验，直到可视误差接近零时，方可紧固死所有钻机机架的连接螺栓， 

4.3.钻机导轨的端部与基础立面交接处采取锚栓紧固连接，增加钻机机架的稳定性， 

4.4.开孔前在钻机机架的端部固定孔口导向扶正器，增加设备系统安装的稳定性和精确度， 

当钻孔长度超过6m时，为了提高终孔中靶精度，在钻机起始安装时，根据钻孔长度的大小，提高钻机的安装上仰角度，调整范围为机架前后两端垂直高差0～20mm，钻机导轨面必须水平，起始上仰安装时，也是先调到水平，再调上仰角度； 

5.钻孔轴线轨迹的预设，结合钻机机架安装的起始上仰角度，并计算出钻孔轴线每米在水平和垂直两个方向上的最大允许偏差值绘制出钻孔轴线轨迹图，再根据钻具刚性强度和自然下垂规律绘制出钻孔轨迹图，用以指导实际生产施工，经测量，当偏斜误差在此范围内，可进行正常钻进，当误差超出此设计范围，应立即组织实施纠偏以确保整孔的钻孔精度； 

6.测量仪器设备的选择与监测调整，选择LeicaTC(R)-402型全站仪和LeicaNA-724型水准仪各一台，分别放置在钻机机架的正后方和正侧面，全站仪主要监测钻机机架方位和钻孔轴线的轨迹变化，水准仪主要监测钻机机架的水平度和上仰角度在施工过程中的变化， 

长导轨轨道面对称中心线和钻孔设计轴线要在同一垂直面内且相互平行，钻具安装完成后，要确保开孔位置的中心线与钻机输出轴的中心线以及钻孔设计的轴线均相互重合， 

除在开孔设备安装时对钻机机架，长导轨轨道、孔口导向扶正器、钻孔设计轴线进行测量标定及时调整外，还应在开孔后，对钻进的过程来实行实时测量监控，为钻孔工艺的调整提供准确数据依据； 

7.开孔钻进与孔口导向扶正器的设计与使用，开孔钻过时，除在操作工艺上采取轻压慢转之外，设计一个开孔导向扶正器，安装固定在长导轨机座前端上，让钻头通过此孔口导向扶正器进行开孔钻进，孔口导向扶正器的限位孔径比钻头体的外径或岩心管的外管尺寸只能大10～20um，当钻孔过程中，钻孔深度超过了3m时，解除开孔口导向扶正器的作用； 

8.单孔专用钻具的选用和监控，选用施工过程中单个钻孔的钻头、扩孔器和岩心管，并在开孔前，预先对这些钻具进行尺寸校验和连接的直线度测试，确保钻具配置正确，符合设计要求， 

在一个钻孔施工的全过程中，还应对钻具进行重复测试，观察变量情况，及时调整连接顺序，满足钻具级配条件； 

9.钻进参数的合理选择，对钻压、转速和泵量三种参数的匹配控制，分为开孔钻进、正常钻进和孔内异常钻进三种情况，在每种情况下均应调整参数数值： 

9.1.在开孔钻进时，钻压2～7KN，转速200～700r/min，泵量20～60L/min， 

9.2.在正常钻进时，钻压5～13KN，转速700～1500r/min，泵量25～80L/min， 

9.3.在孔内异常钻进时，钻压1～5KN，转速130～450r/min，泵量25～70L/min。 

本发明的岩心管的尺寸主要为0.3m、0.5m、1.0m、1.5m、2m、3m 6种尺寸，以满足孔内不同情况的操作工艺需求； 

各种钻具的外径级配尺寸要求为第一扩孔器外径比钻头外径大0.3～0.5mm，第二个扩孔器比第一个扩孔器再大0.2～0.3mm，第二个以后的扩孔器外径均应小于接近第二个扩孔器外径，单动扶正器外径小于第二个扩孔器外径，其它接头尺寸随连接部位尺寸而定； 

钻杆选用Φ55×4.5mm的地质岩心钻探专用管材加工而成。 

本发明如果钻孔长度较小或钻机功率足以满足动力需求的前提下，采用岩心管连接进行满眼钻进，钻具组配总的连接部件依次为，金刚石钻、扩孔器、岩心管、扩孔器、岩心管、扩孔器、岩心管、主动钻杆、水接头、钻机输出轴。 

本发明在开孔后，钻进的过程中实行实时测量监控，为钻孔工艺的调整提供准确数据依据，具体做法如下： 

1.首先在基础上标定出钻孔设计轴线的进出点，确定其方位坐标； 

2.调整机架的安装高度和方位，保证轨道面保持水平，安装钻机及孔口导向扶正器后，检测钻机输出轴的中心线和孔口导向扶正器的中心线均与钻孔设计的轴线均相互重合，长导轨面的对称中心线也与钻孔设计的轴线在同一平面内且相互平行，当钻长孔起始上仰安装时亦同样先做这一步，再调整钻机机座前后支架的高程差，最后固定整个装置； 

3.启动钻机钻进0.5mm时，停钻进行孔位测量校验，检查验证钻机机架、长导轨、钻具、孔口导向扶正器的组合施工是否符合设计精度要求，发生偏差立即调整，直到达到设计要求； 

4.钻进1.5米～2.0米之间，应停钻再一次进行孔位测量校验，看其结果是否满足设计误差要求，否则应立即采取相应措施实时纠偏； 

5.全孔钻进过程中，对钻孔轴线轨迹实行实时监控测量，每钻1m测量一次，以确定其偏差范围是否在设计标准范围内；否则应立即采取相应措施实时纠偏，另外，在对孔内测量的同时，还应对钻机机架整套装置进行观测测量，掌握机架变化，以便采取相应调整措施； 

6.钻孔完成后每隔1m要进行一次垂直偏差量以及水平偏差量复测，根据测量结果绘制钻孔轴线轨迹图。 

本发明如遇到钢筋或角钢时，压力相对要大，转速比正常钻进时要降低，泵量不减小，连续快速通过，防止或减小钻孔产生偏斜。 

本发明对钻压、转速和泵量三种参数的合理匹配控制，分为开孔钻进、正常钻进和孔内异常钻进三种情况，在每种情况下均应适当调整参数数值： 

1.在开孔钻进时，钻压3-5KN，转速300-500r/min，泵量30-40L/min； 

2.在正常钻进时，钻压8-10KN，转速1000-1200r/min，泵量40-60L/min； 

3.在孔内异常钻进时，钻压2-3KN，转速200-300r/min，泵量40-50L/min。 

本发明判断钻进过程中孔内情况，以便采取措施进行处理， 

当钻进遇到坚硬物体或断芯堵塞钻具内冷却水通道时，不应硬磨，通过取出的岩芯可判断孔内情况，再调整参数或制定相应的技术方案措施加以解决； 

经操作处理无效，造成进尺缓慢或不进尺，应立即停钻取出钻具进行测量，经实时测量数据判断孔斜是否超出设计范围，一般在不超出设计范围情况下，通过调整钻具级配和工艺参数实施孔斜实时纠偏，改善孔轴线轨迹，若超出设计范围，立即组织纠偏，其步骤如下： 

1.分析孔内情况，通过取出的岩芯和孔内观察，结合测量数据，分析孔斜致斜的原因，找出钢筋、角钢或其它坚硬物体的位置，标注好尺寸，为后续方案的设计与实施提供必要的理论数据； 

2.采取纠偏措施，当孔斜严重时，必须用灌浆料充填相应孔段，充实孔段以超过孔斜严重段200mm，灌浆料选用RG微膨胀二次灌浆料，后再采取相应的钻具级配和钻过参数，钻进到该孔段时快速扫孔通过，实施纠偏，通过后再经测量加以检验，直到合格为止； 

当孔斜不严重，但也要进行纠偏时，用此材料灌入少许量，在该孔段位置以相应的钻过参数与钻具级配并配以测量，进行快速扫孔通过。 

本发明如果现场条件允许，在严格测量监控下采取双向对钻，并加大钻孔口径等综合控制措施进行施工；当钻孔长度超过10m，加大钻孔口径或调整起始上仰角度。 

一种在混凝土上进行高精度水平钻孔施工的装置，包括金刚石钻孔机、动力设备、长导轨等，金刚石钻孔机、长导轨的支座固定在可调整式机架上，其特征为：还有孔口导向扶正器，长导轨的支座固定在可调整式机架的钢梁上，钢梁表面平整度高，可调整式机架底座的两根支撑钢与地面之间是四根高度调节杆，高度调节杆和地面保持不动，在两根支撑钢和钢梁之间设有水平调节杆，支撑钢和钢梁之间相互垂直；孔口导向扶正器的支架固定在钢梁的朝向打孔处的一端，钻杆穿过支架上的限位孔，限位孔的孔径略大于钻杆的孔径。 

本发明可调整式机架上的钢梁为箱式钢梁；高度调节杆与地面之间为20mm厚的300mm*300mm的钢板，高度调节杆和钢板固为一体，钢板通过锚栓与地面固定；高度调节杆、水平调节杆分别为高度可调丝杆、水平可调丝杆；限位孔的壳壁为厚30mm以上的钢材，钻杆和限位孔是间隙配合，限位孔的外侧靠近打孔处。 

本发明可满足钻孔口径为Ф20-200mm，钻孔长度为1-50m的施工要求。 

附图说明

本发明的有益效果是：钻孔轴线偏斜率小于1.25‰；对钢筋排布密的混凝土工程水平施工也可保持较高精度；双向打孔精度更高；发明设备结构简单，精密有效。 

图1为本发明的钻具组配装配图； 

图2为本发明的钻具组配总的连接方式框图； 

图3为本发明的满眼钻进时钻具组配总的连接方式框图； 

图4为钻孔钻进孔内示意图； 

图5为钻进遇到坚硬物体或岩芯堵塞时扩孔示意图； 

图6为本发明可调整式机架结构俯视图； 

图7为本发明孔口导向扶正器结构正视图； 

图8为本发明孔口导向扶正器结构侧视图。 

具体实施方式

1混凝土  2钻头  3扩孔器  4岩心管  5扩孔器  6岩心管  7孔壁  8孔壁9接头  10水槽  11单动扶正器  12钻杆  13接头  14主动钻杆  15水接头  16钻机输出轴  17长导轨  18可调整式机架  19可调整式支座  20钢板  21水平调节丝杆  22箱式钢梁  23高度调节丝杆  24锚栓  25支撑钢  26限位孔  27支架 

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

对于垂直钻孔，采用本发明方法和部分装置也是可以的，同样是本发明所要求保护的技术范围。 

在图1所示的实施例中，根据钻孔口径的大小，满足钻孔扭矩和功率的需求，同时又要求设备制造精度和与给进导轨的装配精度均应较高，以减小设备自身的装配误差对钻孔精度的影响，选用列孜敦土登(Liechtenstein)的喜利得(HILTI)公司生产的DD-750HY液压金刚石钻孔机配备D-LP32液压动力系统；结合自行设计和改进的长导轨17以及可调整式机架18，配以相关的专用辅助机具和精确的测量监控手段可满足本工法的施工要求。 

相关辅助机具有：电源控制柜、高压水泵、可调整式长导轨连接支撑机架、 孔口导向扶正器、钻具组配、金刚石自由钳等专用拧卸工具等。 

依据工程施工目的需要，一旦钻孔口径确定，就应首先选择钻头的外径，再按照钻进工艺技术的要求，依次确定各连接部件的外径尺寸和长度，并随钻孔深度的变化和孔内异常情况的发生进行相应级配调整，确保钻孔水平精度。 

在图2所示的实施例中，为钻具组配总的连接方式。 

此连接方式特别加强了扩孔器3(再并几个)和单动扶正器11的双重扶正作用，尤其是双扩孔器在孔内的定位作用是非常有效的，设计制作的单动扶正器的应用将大幅度提高钻具回转的稳定性，降低了钻具与孔壁7的摩擦阻力，减少设备动力的损耗。 

岩心管4的设计将采用不同长度的尺寸，主要为0.3m、0.5m、1.0m、1.5m、2m、3m等6种尺寸以满足孔内不同情况的操作工艺需求，长岩心管的使用可根据设备功率消耗情况尽量加长，以减少管子与钻孔孔壁7之间的间隙，保证钻具的相对刚性增强，减小钻孔的偏斜。 

各种钻具的外径级配尺寸要求：第一扩孔器3外径比钻头1外径大0.3mm～0.5mm，第二个扩孔器比第一个扩孔器再大0.2～0.3mm，第二个以后的扩孔器外径均应小于接近第二个扩孔器外径。钻杆12选用Ф55×4.5mm的地质岩心钻探专用管材加工而成，单动扶正器11外径略小于第二个扩孔器外径，其它接头尺寸随连接部位尺寸而定，但在保证连接强度的同时还要注意长度尺寸的设计。一般钻孔口径大，相应外径级配尺寸取大值，钻孔口径小，取小值。其装配简图如图1所示。 

如果钻孔长度较小或钻机功率足以满足动力需求的前提下，也可采用岩心管4连接进行满眼钻进。钻具组装方式如图3。 

岩心管4的长度可根据孔深大小和孔内情况选择0.3～3.0米的不同尺寸，配装扩孔器3进行导向扶正，以确保钻孔轴线的水平。 

钻头2结构是特别制造设计的，它的壁厚比一般的金刚石薄壁混凝土钻头厚，又比地质岩心钻的钻头薄，既要满足工艺参数的实施要求，又要满足钻具级配的制造要求。 

钻头2的设计除考虑传统的工艺参数实施要求外，在混凝土1基础钻孔工作中，首要前提是高效快速钻切，因此应选用粗颗粒的高品质人造金刚石。金 刚石在钻头胎体中的浓度应相对较低，这样才能保证在同样轴向压力的作用下，分配到孔底同时承担切削任务的单颗粒人造金刚石的压力相对较大，以确保金刚石颗粒能有效地切入被切割物体，在高速回转力的作用下产生有效磨削，否则就会出现“打滑”现象，不进尺。即浓度低，同时参与工作的金刚石数量就少；颗粒大，切入深度才能大，当然，此时的设备动力和冷却水量亦需相应予以配合。 

此外，钻头2在烧结压制过程中，胎体的粉料配方决定着胎体的硬度，此硬度应根据混凝土标号的高低和金刚石质量来定，最佳状态是能保持胎体的磨耗速度与金刚石的切削磨耗速度相等或近似相等，这样才能达到金刚石正常磨削出刃、正常磨耗，否则效果就会大大降低。如：胎体过软，胎体就会快速磨耗，造成金刚石很快出刃，还未等金刚石磨耗完，胎体已磨耗严重导致包锒不住金刚石，使金刚石受力脱落，形成不了有效切削；相反，胎体过硬，金刚石就很难出刃，造成胎块的合成金属块和被切割物体“打滑”摩擦，同样形成不了有效钻切。一旦钻头形成不了有效高速钻切，就会造成原位扩孔而形成钻具在重力作用下的下垂空间，导致孔斜加大，这一点非常重要。 

可调整式机架18在支撑长导轨17的长度方向上焊接制造成一根箱式钢梁22，其平面经过刨床加工外理，保证其平面平整度。长导轨17的五个支座就安装在箱式钢梁22上，底座两根短工字支撑钢25与地面的支撑方式选用焊接四根φ70mm的高度可调节丝杆23，调节行程为100mm，高度可调节丝杆与地面接触部分焊接上20mm厚的300mm*300mm的钢板20，钢板的四个角有四个孔，再通过锚栓24与地面固定。参见图6所示。 

可调整式机架18水平的安装调整可通过调整四个支撑丝杆来实现，方位的调整再通过调节设置在机架纵横双向支架连接部位的水平调节丝杆21来进行，当调整到设计方位时，再把连接螺栓固定死，这样整个设备机架系统在水平和方位两个方向的调节均能方便地控制，灵活性强、准确度高。 

安装时，在测量的监控下，严格按设计要求对钻机系统进行安装调节，具体按下列步骤进行： 

(1)、预安装。在测量数据的监控下，先调水平，后调方位；当水平方向，垂直方向的误差在±1mm内时紧固机架连接螺栓到一定程度，给微调留有松动 的余地。 

(2)、精安装。在测量数据的监控下，先调方位，后调水平；再调方位，主要采用丝杆进行微调，反复校验，直到可视误差为零时，方可紧固死所有机架的连接螺栓。 

(3)、导轨的端部与基础立面交接处采取锚栓紧固连接，增加机架系统的稳定性。 

(4)、开孔前在可调整式机架的端部固定孔口导向扶正器，增加设备系统安装的稳定性和精确度。 

由于钻具在重力作用下，会造成钻孔轴线产生自然的下垂趋势，当钻孔长度超过10米时，为了提高终孔中靶精度，满足1.25‰偏斜率的要求，在钻机起始安装时，可根据钻孔长度的大小，适当提高钻机的安装上仰角度，一般调整范围为可调整式机架前后两端垂直高差0-20mm。 

根据1.25‰的最大允许偏差范围，结合可调整式机架安装的起始上仰角度，计算出钻孔轴线每米在水平和垂直两个方向的最大允许偏差值绘制出钻孔轴线轨迹图，再根据钻具刚性强度和自然下垂规律绘制出理想的钻孔轨迹图，用以指导实际生产施工，经测量，当偏斜误差在此范围内，可进行正常钻进，当误差超出此设计范围，应立即组织实施纠偏以确保整孔的钻孔精度。 

为了确保测量精度，选择Leica.TC(R)-402型全站仪和LeicaNA-724型水准仪各一台分别放置在机架的正后方和正侧面。 

全站仪主要监测钻机机架的方位和钻孔轴线的轨迹变化，水准仪主要监测钻机机架的水平度和上仰角度在施工过程中的变化。 

安装测量要求的目标是：钻机导轨面必须水平，起始上仰安装时，也是先调到水平，再调上仰角度。但其轨道面对称中心线和钻孔设计轴线要在同一垂直面内且相互平行。钻具安装完成后，要确保开孔位置的中心线与钻机输出轴16的中心线以及钻孔设计的轴线均相互重合。 

为达到上述目标，除开孔设备安装时对可调整式机架18，长导轨轨道17、孔口导向扶正器、钻孔设计轴线等进行严格测量标定、及时调整外，还应在开孔后，钻进的过程中实行实时测量监控，为钻孔工艺的调整提供准确数据依据。具体做法如下： 

(1)、首先在基础上标定出钻孔设计轴线的进出点，确定其方位坐标。 

(2)、调整可调整式机架的安装高度和方位，保证轨道面保持水平，安装钻机及孔口导向扶正器后，检测钻机输出轴16的中心线和孔口导向扶正器的中心线均与钻孔设计的轴线均相互重合。此时，导轨面的对称中心线也一定与钻孔设计的轴线在同一平面内且相互平行。当钻长孔起始上仰安装时亦同样先做这一步，再调整可调整式支座19前后支架的高程差；最后固定整个设备。 

(3)、启动钻机钻进0.5mm时，停钻进行孔位测量校验，检查验证可调整式机架18、长导轨17、钻具、孔口导向扶正器的组合施工是否符合设计精度要求，发生偏差立即调整，直到达到设计要求。 

(4)、钻进1.5m～2.0m之间，应停钻再一次进行孔位测量校验，看其结果是否满足设计误差要求，否则应立即采取相应措施实时纠偏。 

(5)、全孔钻进过程中，对钻孔轴线轨迹实行实时监控测量，每钻1m测量一次，以确定其偏差范围是否在设计标准范围内；否则应立即采取相应措施实时纠偏。另外，在对孔内测量的同时，还应对可调整式机架整套装置进行观测测量，掌握可调整式机架变化，以便采取相应调整措施。 

(6)、钻孔完成后每隔一m要进行一次垂直偏差量以及水平偏差量复测，根据测量结果绘制钻孔轴线轨迹图。 

开孔钻过时，由于钻头2和混凝土表面慢慢磨削接触容易造成一定的侧滑位移，此时除在操作工艺上采取轻压慢转之外，设计一个孔口导向扶正器安装固定在长导轨17机座前端上，让钻头通过此孔口导向扶正器进行开孔钻进，可大大降低测滑位移量，提高开孔精度。当然，孔口导向扶正器的限位孔径26比钻头体的外径或岩心管的外管尺寸只能大10～20um。为了增强开孔导向扶正器的刚性，选择30mm以上厚的钢板制作是非常必要的，孔口导向扶正器的结构均可满足上述施工要求，其在实际钻进过程中结构如图7和图8所示。 

当钻孔深度大于3m时，可解除此孔口导向扶正器的作用。 

为了保证钻孔精度，减少因钻具磨损所造成的外径尺寸减小或微变形而对钻孔精度造成的影响，施工过程中单个钻孔均选用全新的钻头2、扩孔器3和岩心管4等主要钻具。并在开孔前，预先对这些钻具进行尺寸校验和连接的直线度测试，确保钻具配置正确合理，符合设计要求。当然，在一个钻孔施工的 全过程中，还应对钻具进行重复测试，观察变量情况，及时调整连接顺序，在满足钻具级配的条件下，一般钻头是按外径尺寸从大到小，内径尺寸从小到大的顺序使用，岩心管外径尺寸是按越接近钻头部位用相对尺寸小的，离钻头远的用相对尺寸大的，这一工艺控制过程叫做钻具的排队编号使用。钻具在拧卸与摆放过程中，应避免磕碰，以防变形影响精度，可采用木板垫护或入箱存放。 

为了减少钻具的磨损，同时提高设备的有效功率和施工能力，可采用在钻具外壁涂抹黄油和采用单动扶正器11的方法，单动扶正器的特点是采用轴承连接方式把管的内外两层结构分离开，内层结构和主钻具连接，传递压力和扭矩，外管和孔壁接触，只起支撑扶正作用，施工过程中，内部结构随钻具转动，外部结构和孔壁7接触可不转动或少转动。 

金刚石钻进原理是钻头包锒的金刚石颗粒在一定的轴向压力作用下切入混凝土或其他坚硬物质，然后在高转速的带动下快速地磨削被切割物体，磨削产生的粉末被冷却水带走，在金刚石被不断磨耗的过程中，钻头胎块中的新的金刚石颗粒也逐渐地被磨削出刃，替换前面先出刃的金刚石承担主要磨削切割作用，这样交替进行，直到整个钻头胎块磨耗至尽。在整个钻进过程中，钻头质量的好坏起着主导作用，钻压、转速和泵量三种参数的合理匹配是掌握控制规程的关键。如冷却水量的控制，若冷却水量过小，钻头高速磨削下来的粉屑就会滞留在孔底，严重的话会造成钻头重复磨削，同时摩擦产生的高温得不到及时很好地冷却，就易产生孔内“粘钻”事故或会使钻进效率低下，易产生扩孔偏斜；若水量过大，由于钻具和孔壁环状间隙相对过小，以及钻头底唇部的水槽总的过水断面积有限，就会在孔底产生活塞推举作用力，抵消一部分钻机给孔底的压力，从而造成金刚石不能有效地切入被磨削物体，还易造成钻具弯曲变形，影响钻孔精度。这样高精度的钻孔，钻进效率一定要高，才能避免因进尺缓慢造成孔内钻头和扩孔器在同一部位重复扩孔磨削，最终导致孔径扩大给钻孔偏斜创造了有利条件。 

三种钻进参数是配合好的钻头实施磨削的决定因素，可分为开孔钻进、正常钻进和孔内异常钻进三方面内容，不同的内容此三参数均应适当调整，如下所示： 

1.在开孔钻进时，钻压3-5kn，转速300-500r/min，泵量30-40L/min； 

2.在正常钻进时，钻压8-10kn，转速1000-1200r/min，泵量40-60L/min； 

3.在孔内异常钻进时，钻压2-3kn，转速200-300r/min，泵量40-50L/min。 

在图4所示的实施例中，如遇到钢筋或角钢时，压力相对要大，转速比正常钻进要降低，泵量不应减小，以便咬住不放，连续快速通过，这样才能防止或减小钻孔产生偏斜。 

钻进过程中孔内情况要正确判断，以便采取合理措施进行处理。当岩芯阻塞时应立即处理，不应硬磨。通过取出的岩芯可判断孔内情况，再调整合理的参数或制定相应的技术方案措施加以解决。 

通过理论分析和实践总结，认为导致钻孔偏斜的原因主要有以下几方面： 

1、设备系统误差：主要是可调整式机架18的连接平整度和长导轨17的连接精度； 

2、钻具精度：主要是管材加工的同心度和丝扣连接配合的紧密度； 

3、机具安装的水平度和连接的平行度； 

4、测量控制的精确度； 

5、钻进工艺参数控制水平(主要是钻进参数操作和钻具级配的合理性以及磨损程度)； 

6、混凝土1的均质程度和坚硬物体的影响程度； 

7、人为的其他因素造成的误差。 

只要严格按本施工方法及所用装置进行操作，上述影响因素中3、4、7项基本能控制在相当小的范围内；1、2项也可通过提高可调整式机架18的设计制造精度和钻具加工精度得以进一步改善，因此影响因素的关键在于克服第5项。第6项是事实上难以避免的。当遇到此情况也只有通过调节第5项的工艺参数来加以改善。 

第5、6项影响因素的成因分析如下： 

钻进工艺参数的控制除调节钻压、转速和泵量外，还取决于钻具级配的合理性，其中钻取混凝土1的钻头2必须是快速高效型的，钻具在孔内的稳定性是通过扩孔器3和孔口导向扶正器以及长岩心管的逐级加入得到了很好地控制。现在问题主要出现在：一方面，遇到混凝土1不均或角铁及坚硬物体时， 如何控制钻进工艺？这时因钻进进尺慢就不可避免地造成钻头在原位重复扩孔，导致孔径增大，钻具在重力作用下，会自然下垂，从而钻孔轴线下垂趋势形成；另一方面，随着钻孔的延伸，钻具的加长，钻具自身的刚性也相对变弱，这时钻具的口径对刚性的影响是比较大的，可以说口径越小，刚性越小，也就是说，口径越大，相对钻孔越不易偏斜，精确度越高，但设备功率要求也越高。在第一方面因素形成的条件下，钻具会加大下垂的趋势。参见图5所示。 

理论上，我们通过钻头2、双扩孔器、三级导正作用(每个外径都越来越大)，钻具在孔内正常磨削钻进时，钻具是水平稳定的，也就是说是不易产生偏斜的。 

当遇到坚硬物体或断芯堵塞钻具内冷却水通道时，钻进速度会减慢或不进尺，甚至钻具会产生跳动，这时钻头、扩孔器因具有较强磨削作用，会在高速迴转情况下，原位扩大孔径，然后钻具在重力作用下，因有下垂空间而下垂，造成钻孔轴线下垂，如图5所示。 

随钻孔的延长，再加上钻具刚性的减弱，柔性加强，因从扩孔孔段开始，钻具已存有下垂空间而造成钻具整体下垂的进一步加大，这一结果只能通过有效地操作减少下垂程度，但的确无法避免，而且随遇到硬质物体的次数的增多而加大，随钻具口径的减小而增加。对此情况可以通过抬升设备机具起始安装上仰角度来达到调整下垂值的目的，这已在前面步骤中加以描述了。 

当钻进遇到坚硬物体或断芯堵塞钻具内冷却水通道时，经操作处理无效，造成进尺缓慢或不进尺，应立即停钻取出钻具进行测量，经实时测量数据判断孔斜是否超出设计范围？一般在不超出设计范围的情况下，可以通过调整钻具级配和工艺参数实施孔斜实时纠偏，改善孔轴线轨迹。若超出设计范围，立即组织纠偏，其步骤如下： 

1、分析孔内情况： 

通过取出的岩芯和孔内观察，结合测量数据，准确分析孔斜致斜的原因，找出钢筋、角钢或其它坚硬物体的位置，标注好尺寸，为后续方案的设计与实施提供必要的理论数据。 

2、采取正确的纠偏措施： 

当孔斜严重时，必须采用灌浆料充填相应孔段。充实孔段以超过孔斜严重 段200mm为佳。灌浆料选用RG微膨胀二次灌浆料，其特点为早强、高强度，浇注一天可达到30-50Mpa；另具微膨胀性，这可很好地充填偏斜孔段。然后再采取正确的钻具级配，以合理的钻过参数钻进到该孔段时快速扫孔通过，实施纠偏，由于该材料强度高，扩孔器3在钻孔底部扩孔能力会大大减弱，这样有利于纠偏原有钻孔轨迹，通过后再经测量加以检验，直到合格为止。 

当孔斜不严重，但也要进行纠偏时，我们还可以选用此材料灌入少许量，由于该材料可填充钻孔下偏底部环面部位，又有很高的强度，我们可视为在原钻孔的底环状面正下方垫了一块“钢板”，在该孔段位置进行快速扫孔通过，当然需配以合理的钻过参数与钻具级配，也要配以精确地测量。 

如前面步骤所述，如果现场施工条件只允许单方向进行施工，也只有采取水平安装和起始上仰角度安装两种单一方向钻进的方式进行施工，如果现场条件允许，在严格测量监控下可采取双向对钻并加大钻孔口径等综合控制措施进行施工，这样不但会降低施工难度和成本，还将大大提高水平钻孔的精度。通常，只要钻孔长度不超过10米，采取水平安装和此施工方法及所用装置，即可满足1.25‰的技术要求，如果再采取大口径和起始上仰角安装以及双向对钻等措施的话，精度还会更进一步提高。施工建议：当钻孔长度超过10米，应考虑加大钻孔口径或调整起始上仰角度的方法，条件允许的情况下，也要考虑采取双向对钻的方法，以便提高成孔精度，但不管采取哪种方法，精确测量至关重要！ 

Claims (9)

1.一种在混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法，利用钻孔机连接各种中间连接管，带动钻头转动，尅取混凝土，产生的粉屑经循环冷却水带出孔外，形成指定口径的水平偏斜率低的混凝土钻孔，设备包括：金刚石钻孔机、动力设备、长导轨、可调整式机架，相关辅助机具包括：高压水泵、孔口导向扶正器、钻具组配，其特征为：施工方法为：

[1].选择动力驱动设备和相关辅助机具，根据钻孔口径的大小和深度，选择满足钻孔扭矩和功率需求的设备机具，设备制造精度、与给进导轨的装配精度均要求高；

[2].根据钻孔口径的大小和深度，选择钻具级配，选择钻头的外径，按照钻进工艺技术的要求，依次确定各连接部件的外径尺寸和长度，并随钻孔深度的变化和孔内异常情况的发生进行相应的级配调整，钻具组配总的连接部件依次为金刚石钻、扩孔器、岩心管、扩孔器、岩心管、变径接头、钻杆、单动扶正器、钻杆、主动钻杆、水接头、钻机输出轴，扩孔器和岩心管的配对数量至少两组，

各种钻具的外径级配尺寸要求：第一扩孔器外径比钻头外径大0.3～0.5mm，第二个扩孔器比第一个扩孔器大0.2～0.3mm，其外径之差不超过1mm，钻孔口径大，相应外径级配尺寸取大值，钻孔口径小，取小值，第二个以后的扩孔器外径均应小于第二个扩孔器外径，

在保证连接强度的同时还要注意长度尺寸的选择，岩心管的长度根据孔深大小和孔内情况选择0.3～3.0米的不同尺寸，长岩心管的使用根据设备功率消耗情况尽量加长，

[3].金刚石钻头的选择，采用的壁厚比一般的金刚石薄壁混凝土钻头厚，又比地质岩心钻的钻头薄，既要满足工艺参数的实施要求，又要满足钻具级配的制造要求，

金刚石在钻头胎体中的浓度应相对较低，选用粗颗粒的高品质人造金刚石，钻头胎体的硬度根据混凝土标号的高低和金刚石质量来定，保持胎体的磨耗速度与金刚石的切削磨耗速度相等； 

[4].钻机机架的安装及调整，钻机机架通过锚栓与地面固定，通过调整四个支撑丝杆来实现钻机水平的安装，方位的调整是再通过调节设置在机架纵横双向支架连接部位的水平调节丝杆来进行，当调整到设计方位时，再把连接螺栓固定死，

在测量的监控下，按设计要求对钻机机架进行安装调节，具体按下列步骤进行：

[4.1].预安装，在测量数据的监控下，先调水平，后调方位，当水平方向，垂直方向的误差在±1mm内时紧固机架连接螺栓到一定程度，给微调留有松动的余地，

[4.2].精安装，在测量数据的监控下，先调方位，后调水平，再调方位，主要采用微调，反复校验，直到可视误差接近零时，方可紧固死所有钻机机架的连接螺栓，

[4.3].钻机导轨的端部与基础立面交接处采取锚栓紧固连接，增加钻机机架的稳定性，

[4.4].开孔前在钻机机架的端部固定孔口导向扶正器，增加设备系统安装的稳定性和精确度，

当钻孔长度超过6m时，为了提高终孔中靶精度，在钻机起始安装时，根据钻孔长度的大小，提高钻机的安装上仰角度，调整范围为机架前后两端垂直高差0～20mm，钻机导轨面必须水平，起始上仰安装时，也是先调到水平，再调上仰角度；

[5].钻孔轴线轨迹的预设，结合钻机机架安装的起始上仰角度，并计算出钻孔轴线每米在水平和垂直两个方向上的最大允许偏差值，绘制出钻孔轴线轨迹图，再根据钻具刚性强度和自然下垂规律绘制出理想的钻孔轨迹图，用以指导实际生产施工，经测量，当偏斜误差在此范围内，进行正常钻进，当误差超出此设计范围，应立即组织实施纠偏以确保整孔的钻孔精度；

[6].测量仪器设备的选择与监测调整，选择LeicaTC(R)-402型全站仪和LeicaNA-724型水准仪各一台，分别放置在钻机机架的正后方和正侧面，全站仪监测钻机机架方位和钻孔轴线的轨迹变化，水准仪监测钻机机架的水平度和上仰角度在施工过程中的变化， 

长导轨轨道面对称中心线和钻孔设计轴线要在同一垂直面内且相互平行，钻具安装完成后，要确保开孔位置的中心线与钻机输出轴的中心线以及钻孔设计的轴线均相互重合，

除在开孔设备安装时对钻机机架，长导轨轨道、孔口导向扶正器、钻孔设计轴线进行测量标定、及时调整外，还应在开孔后，对钻进的过程来实行实时测量监控，为钻孔工艺的调整提供准确数据依据；

[7].开孔钻进与孔口导向扶正器的设计与使用，开孔钻过时，除在操作工艺上采取轻压慢转之外，设计一个开孔导向扶正器，安装固定在长导轨机座前端上，让钻头通过此孔口导向扶正器进行开孔钻进，孔口导向扶正器的限位孔径比钻头体的外径或岩心管的外管尺寸只能大10～20um，当钻孔过程中，钻孔深度超过了3m时，解除开孔口导向扶正器的作用；

[8].单孔专用钻具的选用和监控，选用施工过程中单个钻孔的钻头、扩孔器和岩心管，并在开孔前，预先对这些钻具进行尺寸校验和连接的直线度测试，确保钻具配置正确，符合设计要求，

在一个钻孔施工的全过程中，还应对钻具进行重复测试，观察变量情况，及时调整连接顺序，满足钻具级配条件；

[9].钻进参数的选择，对钻压、转速和泵量三种参数的匹配控制，分为开孔钻进、正常钻进和孔内异常钻进三种情况，在每种情况下均应调整参数数值：

[9.1].在开孔钻进时，钻压2～7KN，转速200～700r/min，泵量20～60L/min，

[9.2].在正常钻进时，钻压5～13KN，转速700～1500r/min，泵量25～80L/min，

[9.3].在孔内异常钻进时，钻压1～5KN，转速130～450r/min，泵量25～70L/min。

2.根据权利要求1所述的在混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法，其特征为：岩心管的尺寸为0.3m、0.5m、1.0m、1.5m、2m、3m，6种尺寸，以满足孔内不同情况的操作工艺需求；

单动扶正器外径小于第二个扩孔器外径；

钻杆选用Ф55×4.5mm的地质岩心钻探专用管材加工而成。 

3.根据权利要求1或2所述的在混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法，其特征为：在开孔后，钻进的过程中实行实时测量监控，为钻孔工艺的调整提供准确数据依据，具体做法如下：

[1].首先在基础上标定出钻孔设计轴线的进出点，确定其方位坐标；

[2].调整机架的安装高度和方位，保证轨道面保持水平，安装钻机及孔口导向扶正器后，检测钻机输出轴的中心线和孔口导向扶正器的中心线均与钻孔设计的轴线均相互重合，长导轨面的对称中心线也与钻孔设计的轴线在同一平面内且相互平行，当钻长孔起始上仰安装时亦同样先做这一步，再调整钻机机座前后支架的高程差，最后固定整个装置；

[3].启动钻机钻进0.5mm时，停钻进行孔位测量校验，检查验证钻机机架、长导轨、钻具、孔口导向扶正器的组合施工是否符合设计精度要求，发生偏差立即调整，直到达到设计要求；

[4].钻进1.5米～2.0米之间，应停钻再一次进行孔位测量校验，看其结果是否满足设计误差要求，否则应立即采取相应措施实时纠偏；

[5].全孔钻进过程中，对钻孔轴线轨迹实行实时监控测量，每钻1m测量一次，以确定其偏差范围是否在设计标准范围内；否则应立即采取相应措施实时纠偏，另外，在对孔内测量的同时，还应对钻机机架整套装置进行观测测量，掌握机架变化，以便采取相应调整措施；

[6].钻孔完成后每隔1m要进行一次垂直偏差量以及水平偏差量复测，根据测量结果绘制钻孔轴线轨迹图。

4.根据权利要求1或2所述的在混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法，其特征为：如遇到钢筋或角钢时，压力相对要大，转速比正常钻进时要降低，泵量不减小，连续快速通过，防止或减小钻孔产生偏斜。

5.根据权利要求1或2所述的在混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法，其特征为：对钻压、转速和泵量三种参数的匹配控制，分为开孔钻进、正常钻进和孔内异常钻进三种情况，在每种情况下均应适当调整参数数值：

[1].在开孔钻进时，钻压3-5KN，转速300-500r/min，泵量30-40L/min；

[2].在正常钻进时，钻压8-10KN，转速1000-1200r/min，泵量40-60L/min； 

[3].在孔内异常钻进时，钻压2-3KN，转速200-300r/min，泵量40-50L/min。

6.根据权利要求1或2所述的在混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法，其特征为：钻进过程中孔内情况要正确判断，以便采取措施进行处理，

当钻进遇到坚硬物体或断芯堵塞钻具内冷却水通道时，不应硬磨，通过取出的岩芯可判断孔内情况，再调整参数或制定相应的技术方案措施加以解决；

经操作处理无效，造成进尺缓慢或不进尺，应立即停钻取出钻具进行测量，经实时测量数据判断孔斜是否超出设计范围，在不超出设计范围情况下，通过调整钻具级配和工艺参数实施孔斜实时纠偏，改善孔轴线轨迹，若超出设计范围，立即组织纠偏，其步骤如下：

[1].分析孔内情况，通过取出的岩芯和孔内观察，结合测量数据，分析孔斜致斜的原因，找出钢筋、角钢或其它坚硬物体的位置，标注好尺寸，为后续方案的设计与实施提供必要的理论数据；

[2].采取纠偏措施，当孔斜严重时，必须用灌浆料充填相应孔段，充实孔段超过孔斜严重段200mm，灌浆料选用RG微膨胀二次灌浆料，后再采取相应的钻具级配和钻过参数，钻进到该孔段时快速扫孔通过，实施纠偏，通过后再经测量加以检验，直到合格为止；

当孔斜不严重，但也要进行纠偏时，用此材料灌入少许量，在该孔段位置以相应的钻过参数与钻具级配并配以测量，进行快速扫孔通过。

7.根据权利要求1或2所述的在混凝土上进行高精度水平钻孔施工方法，其特征为：如果现场条件允许，在测量监控下采取双向对钻，加大钻孔口径综合控制措施进行施工；当钻孔长度超过10m，加大钻孔口径或调整起始上仰角度。

8.一种在混凝土上进行高精度水平钻孔施工的装置，包括金刚石钻孔机、动力设备、长导轨，金刚石钻孔机、长导轨的支座固定在可调整式机架上，其特征为：还有孔口导向扶正器，长导轨的支座固定在可调整式机架的钢梁上，钢梁表面平整，可调整式机架底座的两根支撑钢与地面之间是四根高度调节杆，高度调节杆和地面保持不动，在两根支撑钢和钢梁之间设有水平调节杆，支撑钢和钢梁之间相互垂直；孔口导向扶正器的支架固定在钢梁的朝向打孔处 的一端，钻杆穿过支架上的限位孔，限位孔的孔径略大于钻杆的孔径。

9.根据权利要求8所述的在混凝土上进行高精度水平钻孔施工的装置，其特征为：可调整式机架上的钢梁为箱式钢梁；高度调节杆与地面之间为20mm厚的300mm*300mm的钢板，高度调节杆和钢板固为一体，钢板通过锚栓与地面固定；高度调节杆、水平调节杆分别为高度可调丝杆、水平可调丝杆；限位孔的壳壁为厚30mm以上的钢材，钻杆和限位孔是间隙配合，限位孔的外侧靠近打孔处。 

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