CN215292352U - 一种适用于高充填度溶洞的注浆钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型发明提供一种适用于高充填度溶洞的注浆钻头，主要包括刮刀，注浆孔道和排屑槽，注浆钻头采用无心复合片铸造，钻头部分设有刮刀，注浆孔道设置在注浆钻头内部以实现注浆功能，考虑钻进效果在其表面设有螺旋排屑槽。本实用新型可以解决小型一体式注浆钻机在高充填度溶洞分布地区因钻进过程中转屑堆积造成的钻进阻力激增、钻头空摩等现象，同时降低钻进的难度，减少刀具的磨耗，降低工程成本。

Description

一种适用于高充填度溶洞的注浆钻头

技术领域

本实用新型涉及一种土木工程领域内使用的钻孔注浆施工装置。

背景技术

在我国部分城市地区，岩土层软硬不均，变化较大，局部有破碎带，其裂隙发育段和破碎段含有裂隙水，在地下水的作用下极易产生岩溶现象，形成地下溶洞，施工过程中易造成上覆土体坍塌，给城市基础设施建设带来诸多问题。

目前，在现有的施工措施中，一般采用钻孔注浆加固的手段进行处理。其中小型一体式注浆钻机因体型小巧方便运输，装置成本低等特点被广泛应用于注浆充填加固施工中。然而对于高充填度溶洞，在钻孔过程中岩渣无法下落，积聚于钻壁与孔壁之间，增加了钻壁间不必要的摩擦，会对钻头造成剧烈磨损，甚至破环，减少设备的服役寿命，同时由于小型化一体式注浆钻机自重小，极大可能会出现卡钻情况，不仅耗时费工，而且对工程整体的安全性和经济性造成影响，因此亟需针对上述问题研发一种适用于高充填度溶洞的注浆钻头。

发明内容

本实用新型发明基于现有技术的不足，通过在钻头上设置与地层条件相适应的排屑槽，该设计可以使钻进过程中产生的岩渣通过排屑槽向上排出，减少岩渣在钻壁周围的堆积现象。

进一步创新，排屑槽的螺旋角、螺距、直径等设计参数可以根据计算公式考虑相应的地层参数进行设计，以实现一种适用于高充填度溶洞的注浆钻头。

本实用新型的目的可通过如下技术方案来实现：

一种适用于高充填度溶洞的注浆钻头，注浆钻头采用无心复合片铸造，其结构包括头部、本体和尾部，考虑钻进效果在本体表面设有螺旋排屑槽(3)，其特征在于，还包括刮刀(1)和注浆孔道(2)；钻头头部设有刮刀(1)；钻头头部还设有注浆孔道(2)，设置在注浆钻头内部以实现注浆功能。

所述注浆孔道(2)分布在钻头直径剖面上，左中右共有三个注浆孔道(2) 且在一线上，垂直于轴线。所述的刮刀(1)对称分布于钻头两侧，位于注浆孔道(2)的两侧，且以三个注浆孔道(2)所在面呈对称分布。

所述的螺旋排屑槽(3)起始于刮刀(1)即起始于结构头部，螺旋上升至结构尾部，分布于本体；共有两个螺旋排屑槽(3)。

考虑钻进效率和施工质量，刮刀(1)所在的头部直径略大于尾部直径。

所述的螺旋排屑槽(3)的主要参数为螺旋角、螺距及直径，设计时可以通过公式计算使上述参数与相应地层条件相匹配，以提高施工效率。

所述的螺旋排屑槽(3)的螺旋角设置可以考虑目标地层密度，根据钻屑重力、排屑槽摩擦力、孔壁阻力、浮力作用和水阻力作用，计算其螺旋角，以增加其在相应地层的排屑效率，计算公式为：

式中，g为重力加速度，单位为m/s；k₁为钻屑在泥浆中的阻力系数；ω为注浆钻头的角速度；R为注浆钻头的半径；ρ_泥浆为泥浆的密度；ρ_钻屑为钻屑的密度；f₁为钻屑与孔壁之间的滑动摩擦系数；f₂为钻屑与排屑槽之间的摩擦系数；α为螺旋排屑槽的螺旋角。

所述的螺旋排屑槽(3)螺距设置需考虑相应的地层软硬系数，计算公式为：

s＝k₂R

式中，s为螺旋槽的螺距；k₂为地层软硬系数。

所述的螺旋排屑槽直径可以考虑岩土层岩渣尺寸，计算公式为为：

k₃d_钻屑团＜r＜k₄R

式中，r为螺旋排屑槽的直径；k₃为富余度，使得钻削团颗粒可以适当通过； k₄为控制系数，防止排屑槽过大，影响钻头强度和注浆效果；d_钻屑团为钻屑团的平均直径。

本实用新型的有益效果：注浆钻头在钻进过程时会产生的大量钻屑，对于高充填度岩溶地区，在钻孔过程中岩渣无法下落，积聚于钻壁与孔壁之间，增加了钻壁间不必要的摩擦，会对钻头造成剧烈磨损，此时利用本实用新型，钻屑会随着设置的与地层特性相适应的两条排屑槽带出，且排屑槽的设置可以考虑相应地层密度、软硬程度及地层岩渣尺寸，针对性的调整螺旋角、螺距及直径，得到与目标地层相适应的钻头，有效的减少了钻注浆一体化钻机钻头的磨损，提高了钻头的使用寿命，并且卡钻现象发生频率大幅降低，钻孔施工效率和钻孔质量有明显改善，同时钻进过程中钻头得到很大程度上的保护，其注浆效果也有了进一步的提高。

附图说明

图1是该实用新型西南等轴测图

图2为该实用新型俯视图

图3为该实用新型正视图

附图标号说明：

1为刮刀；2为注浆孔道；3为螺旋排屑槽。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。

本实施例以一个高充填度溶洞的钻孔注浆为背景，处理范围地层为中风化泥质灰岩，区间内岩溶高度发育，溶洞平均充填率达75％，可定义为高充填度溶洞，充填物主要为软塑～可塑状黏土及粉质粘土，局部夹泥质灰岩碎块。本工程拟采用半径为50mm的注浆钻孔一体式钻机进行施工，具体步骤如下：

如图1所示，该适用于高充填度溶洞的注浆钻头，包括刮刀1，注浆孔道2 和排屑槽3，注浆钻头采用无心复合片铸造，钻头部分设有刮刀1，注浆孔道2 设置在注浆钻头内部以实现注浆功能，考虑钻进效果在其表面设有螺旋排屑槽 3。

如图2所示，刮刀1对称分布于钻头两侧，关于中间的注浆孔道2对称分布，共有三个注浆孔道2，每个注浆孔道2直径为8mm。

如图3所示，螺旋排屑槽3起始于刮刀1结构尾部，螺旋上升至注浆钻头尾部，分布于两刮刀1尾部，共有两个螺旋排屑槽3，并且考虑钻进效率和施工质量，刮刀1结构部位直径略大于钻头尾部直径。

螺旋排屑槽3，其螺旋角设置考虑目标地层密度，根据钻屑重力、排屑槽摩擦力、孔壁阻力、浮力作用和水阻力作用，计算其螺旋角，计算公式为：

式中，取g＝9.8m²；k₁＝1.2；ω＝20/3rad/s；R＝0.05m；ρ_泥浆＝1.03g/cm³；ρ_钻屑＝2.49g/cm³；f₁＝0.3；f₂＝0.45

计算得到α＝42.4°。

螺旋排屑槽3，其螺距设置考虑地层软硬系数，计算其螺距，计算公式为：

s＝k₂R

式中，取k₂＝0.9

得到s＝45mm。

螺旋排屑槽3，其直径设置考虑岩土层岩渣尺寸，计算公式为：

k₃d_钻屑＜r＜k₄R

计算结果为：r＝8mm。

Claims (4)

1.一种适用于高充填度溶洞的注浆钻头，注浆钻头采用无心复合片铸造，其结构包括头部、本体和尾部，在本体表面设有螺旋排屑槽(3)，其特征在于，还包括刮刀(1)和注浆孔道(2)；

钻头头部设有刮刀(1)；

钻头头部还设有注浆孔道(2)，设置在注浆钻头内部以实现注浆功能。

2.如权利要求1所述的注浆钻头，其特征是，所述注浆孔道(2)分布在钻头直径剖面上，左中右共有三个注浆孔道(2)且在一线上，垂直于轴线。

3.如权利要求2所述的注浆钻头，其特征是，所述的刮刀(1)对称分布于钻头两侧，位于注浆孔道(2)的两侧，且以三个注浆孔道(2)所在面呈对称分布。

4.如权利要求1所述的注浆钻头，其特征是，所述的螺旋排屑槽(3)起始于刮刀(1)即起始于结构头部，螺旋上升至结构尾部，分布于本体；

共有两个螺旋排屑槽(3)。

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