在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法及其鑽孔裝置的製作方法
2023-05-18 08:11:51 2
專利名稱：在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法及其鑽孔裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及混凝土鑽孔技術，尤其是涉及一種用於水利水電工程大壩中在混凝土 上進行高精度垂直鑽孔的施工方法及其鑽孔裝置。
背景技術：
在工業與民用建築的管道安裝、改造施工中，使用金剛石薄壁鑽頭進行混凝土垂 直鑽孔施工已經很廣泛，施工技術已經非常成熟。但工業與民用建築中的混凝土鑽孔施工 孔深較淺、垂直度要求低，施工難度低。而用液壓式立軸鑽機進行地質巖芯鑽探更是非常常 見，技術也非常成熟，雖然鑽孔深度較深，但其所鑽地層與混凝土有較大差異，鑽孔垂直度 要求也較低，一般僅為1% 3%。而南水北調中線源頭丹江口水庫大壩加高改擴建工程中 的技術施工方案中，為解決每條應力釋放縫，需從大壩下遊側鑽10個長12 m的高精度混凝 土水平鑽孔，以確保和在每條應力釋放縫大壩上遊方面垂直鑽孔22 m深處能百分之百的相 交，其垂直鑽孔精度達到傾斜率不大於3%。。如此深的混凝土鑽孔又有如此高的垂直度要 求，施工難度極大。申請號為CN200510062186. 4的發明專利申請就公開了一種碾壓混凝土鑽孔取芯 工藝，技術方案是單管鑽具由多根長度0.25 4 m不等、兩端螺紋同心度較高的短巖芯 管對接而成，總長為8 10 m，鑽具累計直線度偏差不超過5 mm，並在兩鑽杆柱中間增設外 徑與鑽具同徑的單動扶正器；鑽具取芯後，吊離孔口前，增設抗彎裝置；鑽具起鑽後，增設 退芯裝置，其步驟為拆開鑽具上部接頭長度為20 30 cm、外徑略小於巖芯管內徑的橡皮 活塞放在混凝土芯上部的巖芯管內，裝上接頭與膠管接頭，利用水泵與液壓傳動的平穩性 以30 cm/min的速度將混凝土芯緩慢壓出巖芯管。具有上述步驟的碾壓混凝土鑽孔取芯工 藝存在鑽孔精度和取芯率低的嚴重缺陷。
發明內容
本發明的目的就是克服現有技術中的不足，提供一種可快速移機、起下鑽方便快 捷、施工高效、鑽孔垂直度好、鑽孔精度和取芯率高的在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施 工方法及其鑽孔裝置。為解決現有技術中的問題，本發明在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法， 採用金剛石薄壁鑽進工藝，包括如下步驟
(1)設備及機具的選擇根據在施工過程中便於安裝、搬遷的需要合理選擇動力驅動設 備；根據鑽孔口徑和金剛石鑽進的技術要求，選用合適的輔助機具；根據高效快速鑽切的 需要，選用合適的鑽孔裝置及其級配；
(2)設備的安裝與固定；
(3)確定鑽進操作過程及鑽進參數值鑽進過程包括開孔鑽進和正常鑽進，在所述正常 鑽進過程中，當孔內遇到異常情況時，還包括孔內異常鑽進，根據三種鑽進狀態，確定開孔 鑽進、正常鑽進和孔內異常鑽進的鑽進參數值，在每種鑽進情況下均適當調整；
4(4)鑽孔施工按照步驟(3)確定的鑽進操作過程進行鑽孔施工；
(5)鑽孔取芯在步驟(4)鑽孔施工過程中，採用卡簧取芯法進行巖芯的採取，取芯的 長短取決於巖芯的完整性和巖芯管的長度；
(6)鑽孔孔斜測量在步驟(4)鑽孔施工過程中，根據重錘測斜原理，使用鑽孔測斜儀 準確地測量出鑽孔軸線的偏斜位移尺寸，以便判斷是否滿足質量要求；
(7)鑽孔糾偏當步驟(6)中測得鑽孔軸線的偏斜位移尺寸超出允許範圍時，實施糾
偏；
(8)混凝土巖芯的編錄與保護在鑽孔施工結束後，繪製鑽孔圖表，對混凝土結構和膠 結狀況以及構造特徵進行描述並保留主要孔段的具有特徵的巖芯；
(9)鑽孔質量的檢查和驗收在鑽孔施工結束後，組織質量檢查和驗收，並籤字存檔。上述方法中，步驟(1)中所述動力驅動設備選擇以柴油機為動力的XY-200型液壓 式立軸鑽機，所述輔助機具包括供應衝洗液的BW150/30型單缸往復式泵和輔助A字型鑽塔。上述方法中，步驟(3)中所述開孔鑽進的參數值為鑽壓2 7 kN，轉數200 700 r/min，泵量20 60 L/min ；所述正常鑽進的參數值為鑽壓5 13 kN，轉數700 1500 r/min，泵量25 80 L/min ；所述孔內異常鑽進的參數值為鑽壓1 5 kN，轉數130 450 r/min，泵量 25 70 L/min。所述步驟(4)包括以下分步驟
(4. 1)開孔鑽進採用輕壓、慢轉的操作方式，並接300 mm長的巖芯管連接擴孔器和鑽 頭進行鑽進，鑽進深度達0. 5 m後停止鑽進，執行步驟(6)和(7)，符合實際要求方可繼續鑽 進；
(4. 2)正常鑽進正常鑽進參數值，使巖芯管長度增加到4 6 m，保持滿眼鑽進，每間 隔3 m加一個扶正器，當孔內遇到異常情況時則繼續執行分步驟(4. 3)；
(4. 3)孔內異常鑽進採取輕壓、慢轉的操作方式，慢慢掃孔，如無法恢復正常情況應立 即停止鑽進操作並分析孔內情況，採取措施解決異常情況後，則繼續執行分步驟(4. 2)。上述方法中，步驟(5)中所述卡簧取芯法是在鑽孔施工的過程中先停止衝洗液的 供應，向上慢慢微提鑽孔裝置，讓卡簧在具有一定錐度的鑽頭體內壁自上往下滑行，緊緊抱 住巖芯，在鑽孔裝置慢轉的強大扭矩作用下，扭斷巖芯，再提出鑽孔裝置，以相反的程序退 出巖芯。上述方法中，步驟(6)中所述鑽孔孔斜測量的過程包括確保一根直線的下端在 重錘限位作用下始終處於孔底中心位置，線的上端固定在一個可以在水盆裡自由浮動的浮 漂架上，靠重錘垂直作用的原理，孔口浮漂可自由地找到平衡位置，這時可準確地測量出鑽 孔軸線的偏斜位移尺寸。上述方法中，步驟(7)中所述鑽孔糾偏採用的方法是糾偏前計算好尺寸和所需 的相關用量，用灌漿料灌實所需進行糾偏的孔段，並超過開始糾偏孔段高度200 mm，待凝固 後，再用鑽孔裝置鑽進到該糾偏孔段後快速掃孔通過，實施糾偏。一種在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的裝置，採用如下技術方案包括位於下端 的鑽頭和位於上端的鑽杆，其中，在所述鑽頭和所述鑽杆之間自下而上依次連接有擴孔器、 巖芯管和變徑接頭，所述鑽杆上還套裝有扶正器，所述鑽杆的頂端通過鑽杆接頭與主動鑽杆相連接。進一步，所述擴孔器的外徑比所述鑽頭的外徑大0. 3 0. 5 mm，所述巖芯管的外 徑比所述鑽頭的外徑小3 mm，所述扶正器的外徑和所述巖芯管的外徑相等。進一步，所述鑽頭為金剛石鑽頭，所述鑽杆選用Φ50 mm標準地質鑽杆。具備上述結構和步驟的本發明在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法及 其鑽孔裝置的優點是
本發明在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法及其鑽孔裝置，不但實現了在混凝 土上進行高精度垂直鑽孔的目的，也為快速移機、起下鑽方便快捷、動力充足、施工高效的 混凝土鑽孔技術總結出一套切實可行的施工方法，施工結果巖芯採取率達到100%，鑽孔垂 直度好，鑽孔偏斜率小於3%。，鑽進效率高，鑽孔質量好，可在水利水電工程領域各種混凝土 大壩的檢測、改造工程中廣泛推廣應用。
圖1為本發明在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法中所使用的鑽孔裝置 實施例的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。以在南水北調中線源頭丹江口水庫大壩上施工為例，本發明在混凝土上進行高精 度垂直鑽孔的施工方法，包括如下步驟
(1) 設備及機具的選擇
為了保證施工效率，同時根據大壩上施工便於安裝，搬遷等功能的需要，選擇以柴油機 為動力的XY-200型液壓式立軸鑽機作為動力驅動設備，採用金剛石薄壁鑽進工藝，其特點 是施工效率高，鑽孔垂直度好，取芯率可達100%。根據鑽孔口徑和金剛石鑽進的技術要求，選用BW150/30型單缸往復式泵供應衝 洗液，輔助A字型鑽塔和其它相應的配套鑽具進行鑽孔施工。為保證攝像清楚，採用清水做 衝洗液，不添加任何化學處理劑，同時也保障做到環保施工。為了保證高效快速鑽切，選用合適的鑽孔裝置及其級配。如圖1所示，鑽孔裝置包括鑽頭1和鑽杆2，在鑽頭1和鑽杆2之間自下而上依次 連接有擴孔器3、巖芯管4、變徑接頭5，鑽杆2上套裝有扶正器6，鑽杆2的頂端通過鑽杆 接頭7與主動鑽杆8相連接。鑽頭1為金剛石鑽頭，其壁厚比一般的金剛石薄壁混凝土鑽 頭厚，又比地質巖芯鑽探用的金剛石鑽頭薄，既滿足工藝參數的實施要求，又滿足鑽孔裝置 級配的製造要求。金剛石在鑽頭1胎體中的濃度相對較低，選用粗顆粒的高品質金剛石單 晶作為主要切削材料，鑽頭1胎體的硬度根據大壩混凝土的標號和金剛石品質選用中等硬 度。在本實施例中，主動鑽杆8與動力驅動設備鑽機9上的迴轉器91套裝，主動鑽杆 8的上部通過水管11外接水泵12。在鑽孔裝置進行垂直鑽孔的過程中，動力驅動設備鑽機 9通過其迴轉器91帶動主動鑽杆8迴轉，水泵12通過水管11提供衝洗液。在本實施例中，上述鑽孔裝置的級配要求為擴孔器3的外徑比鑽頭1的外徑大
60.3 0.5 mm，巖芯管4的外徑比鑽頭1的外徑小3 mm，扶正器6的外徑和巖芯管4的外徑 相等，鑽杆2選用Φ 50 mm標準地質鑽杆。(2)設備的安裝與固定
鑽機安裝必須固定牢固，周正水平，保證鑽機的天車、立軸、孔口三點在一條鉛垂線上。(3)確定鑽進操作過程及鑽進參數值
鑽進過程包括開孔鑽進和正常鑽進，在所述正常鑽進過程中，當孔內遇到異常情況時， 還包括孔內異常鑽進。鑽進效率和鑽孔質量的另一關鍵因素取決於鑽進參數的合理選擇，對鑽壓、轉數 和泵量三種參數的合理匹配控制是施工過程中的重要環節，根據三種鑽進狀態，在每種鑽 進情況下均適當調整鑽進參數值。在本實施例中，開孔鑽進的參數值為鑽壓2 7 kN，轉數200 700 r/min，泵量 20 60 L/min ；正常鑽進的參數值為鑽壓5 13 kN，轉數700 1500 r/min，泵量25 80 L/min ；孔內異常鑽進的參數值為鑽壓1 5 kN，轉數130 450 r/min，泵量25 70 L/min。(4)鑽孔施工
(4. 1)開孔鑽進是非常重要的一個階段，開孔的垂直精度直接決定著整個鑽孔的施工 質量。開孔應輕壓、慢轉、中等泵量。接300 mm長短巖芯管連接擴孔器和鑽頭進行鑽進，鑽 進深度達0. 5 m後，停鑽進行檢測，符合實際要求方可繼續鑽進，否則應進行校正糾偏。(4. 2)正常鑽進正常鑽進時，一切參數保持正常，隨鑽孔深度的增加，按設計的鑽 孔裝置連接方式和尺寸級配連接鑽孔裝置。巖芯管長度增加到4 6 m，以增強孔內鑽孔裝 置的剛性，保持滿眼鑽進。每間隔3 m加一個扶正器，以確保鑽孔裝置在孔內的垂直迴轉。(4. 3)孔內異常鑽進在正常鑽進過程中，孔內遇到異常情況，如遇到硬質物體、卡 鑽等情況時，應採取輕壓、慢轉、大泵量，慢慢掃孔，直到恢復正常情況方可繼續鑽進。否則 應立即停鑽，分析孔內情況，採取正確有效的處理措施，切勿盲目加壓通過，否則容易導致 鑽孔偏斜加劇和孔內事故的發生，異常情況解決後，則繼續進行正常鑽進。整個鑽進過程中，鑽頭和鑽孔裝置其他部分的外徑會逐漸磨損，使用時應嚴格測 量，進行排隊使用，按先用內徑小、外徑大的，後用內徑大、外徑小的原則。每鑽進3 m，進行孔斜測量一次，以便掌握鑽孔偏斜軌跡。當超出允許值時，應立即 進行糾偏。(5)鑽孔取芯
在本實施例中採用卡簧取芯法進行巖芯的採取。鑽孔正常情況，取芯的長短取決於巖 芯的完整性和巖芯管的長度。當決定取芯時，先停止衝洗液的供應，向上慢慢微提鑽孔裝 置，讓卡簧在具有一定錐度的鑽頭體內壁自上往下滑行，緊緊抱住巖芯，在鑽孔裝置慢轉的 強大扭矩作用下，扭斷巖芯，再提出鑽孔裝置，以相反的程序退出巖芯。為了便於分析孔內 情況，取出的巖芯應進行編錄。認真填寫鑽孔記錄表。(6)鑽孔孔斜測量
根據重錘測斜原理，採用自行設計的鑽孔高精度測斜儀，可準確地測量出鑽孔軸線的 偏斜位移尺寸，以便判斷是否滿足質量要求。當超出允許值時，立即採取糾偏措施。該測量 裝置是確保一根直線的下端在重錘限位作用下始終處於孔底中心位置，線的上端固定在一
7個可以在水盆裡自由浮動的浮漂架上，靠重錘垂直作用的原理，孔口浮漂可自由地找到平 衡位置，這時可準確地測量出鑽孔偏斜的水平位移值，並認真填寫鑽孔基本情況分析表。(7)鑽孔糾偏
當步驟(6)中測得鑽孔軸線的偏斜位移尺寸超出允許範圍時，實施糾偏。糾偏前把孔內情況分析清楚，確定需要糾偏的孔段，計算好尺寸和所需的相關用 量。選用RG微膨脹二次灌漿料灌實所需進行糾偏的孔段，並超過開始糾偏孔段高度200 mm，待凝固後，再採取合理的糾偏鑽孔裝置級配，以合理的鑽進參數鑽進到該糾偏孔段後快 速掃孔通過，實施糾偏。RG微膨脹二次灌漿料其特點為早強、高強度，澆注後一天的抗壓強度可達到30 50MPa,另具微膨脹性，可很好地充填偏斜孔段。(8)混凝土巖芯的編錄與保護
鑽孔取芯率保證100%。在鑽孔結束後，認真繪製鑽孔柱狀圖表，對混凝土結構和膠結狀 況以及構造特徵進行描述，待業主、監理等相關技術人員鑑定認可後，保留主要孔段的具有 特徵的巖芯，並用巖芯箱保護擺放，以便專家集中研判。(9)鑽孔質量的檢查和驗收
鑽孔統一編號，認真填寫各種資料，對施工情況必須如實、準確地記錄，對資料必須及 時整理，單個鑽孔結束後，及時報業主、監理等相關技術人員，組織質量檢查和驗收，並籤字 存檔。總之，本發明的實施例公布的是其較佳的實施方式，但並不限於此。本領域的普通 技術人員極易根據上述實施例，領會本發明的精神，並做出不同的引申和變化，但只要不脫 離本發明的精神，都在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法，採用金剛石薄壁鑽進工藝，其特徵在 於包括以下步驟(1)設備及機具的選擇根據在施工過程中便於安裝、搬遷的需要合理選擇動力驅動設 備；根據鑽孔口徑和金剛石鑽進的技術要求，選用合適的輔助機具；根據高效快速鑽切的 需要，選用合適的鑽孔裝置及其級配；(2)設備的安裝與固定；(3)確定鑽進操作過程及鑽進參數值鑽進過程包括開孔鑽進和正常鑽進，在所述正常 鑽進過程中，當孔內遇到異常情況時，還包括孔內異常鑽進，根據三種鑽進狀態，確定開孔 鑽進、正常鑽進和孔內異常鑽進的鑽進參數值，在每種鑽進情況下均適當調整；(4)鑽孔施工按照步驟(3)確定的鑽進操作過程進行鑽孔施工；(5)鑽孔取芯在步驟(4)鑽孔施工過程中，採用卡簧取芯法進行巖芯的採取，取芯的 長短取決於巖芯的完整性和巖芯管的長度；(6)鑽孔孔斜測量在步驟(4)鑽孔施工過程中，根據重錘測斜原理，使用鑽孔測斜儀 準確地測量出鑽孔軸線的偏斜位移尺寸，以便判斷是否滿足質量要求；(7)鑽孔糾偏當步驟(6)中測得鑽孔軸線的偏斜位移尺寸超出允許範圍時，實施糾偏；(8)混凝土巖芯的編錄與保護在鑽孔施工結束後，繪製鑽孔圖表，對混凝土結構和膠 結狀況以及構造特徵進行描述並保留主要孔段的具有特徵的巖芯；(9)鑽孔質量的檢查和驗收在鑽孔施工結束後，組織質量檢查和驗收，並籤字存檔。
2.根據權利要求1所述的在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法，其特徵在於 步驟(1)中所述動力驅動設備選擇以柴油機為動力的XY-200型液壓式立軸鑽機，所述輔助 機具包括供應衝洗液的BW150/30型單缸往復式泵和輔助A字型鑽塔。
3.根據權利要求1或2所述的在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法，其特徵在 於步驟(3)中所述開孔鑽進的參數值為鑽壓2 7 kN，轉數200 700 r/min，泵量20 60 L/min ；所述正常鑽進的參數值為鑽壓5 13 kN，轉數700 1500 r/min，泵量25 80 L/min ；所述孔內異常鑽進的參數值為鑽壓1 5 kN，轉數130 450 r/min，泵量25 70 L/min。
4.根據權利要求3所述的在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法，其特徵在於 所述步驟(4)包括以下分步驟(4. 1)開孔鑽進採用輕壓、慢轉的操作方式，並接300 mm長的巖芯管連接擴孔器和鑽 頭進行鑽進，鑽進深度達0. 5m後停止鑽進，執行步驟(6)和(7)，符合實際要求方可繼續鑽 進；(4. 2)正常鑽進正常鑽進參數值，使巖芯管長度增加到4 6 m，保持滿眼鑽進，每間 隔3 m加一個扶正器，當孔內遇到異常情況時則繼續執行分步驟(4. 3)；(4. 3)孔內異常鑽進採取輕壓、慢轉的操作方式，慢慢掃孔，如無法恢復正常情況應立 即停止鑽進操作並分析孔內情況，採取措施解決異常情況後，則繼續執行分步驟(4. 2)。
5.根據權利要求3所述的在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法，其特徵在於 步驟(5)中所述卡簧取芯法是在鑽孔施工的過程中先停止衝洗液的供應，向上慢慢微提鑽 孔裝置，讓卡簧在具有一定錐度的鑽頭體內壁自上往下滑行，緊緊抱住巖芯，在鑽孔裝置慢轉的強大扭矩作用下，扭斷巖芯，再提出鑽孔裝置，以相反的程序退出巖芯。
6.根據權利要求3所述的在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法，其特徵在於 步驟(6)中所述鑽孔孔斜測量的過程包括確保一根直線的下端在重錘限位作用下始終處 於孔底中心位置，線的上端固定在一個能夠在水盆裡自由浮動的浮漂架上，靠重錘垂直作 用的原理，孔口浮漂能夠自由地找到平衡位置，以準確地測量出鑽孔軸線的偏斜位移尺寸。
7.根據權利要求3所述的在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法，其特徵在於 步驟(7)中所述鑽孔糾偏採用的方法是糾偏前計算好尺寸和所需的相關用量，用灌漿料 灌實所需進行糾偏的孔段，並超過開始糾偏孔段高度200 mm，待凝固後，再用鑽孔裝置鑽進 到該糾偏孔段後快速掃孔通過，實施糾偏。
8.—種如權利要求1所述的在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法所使用的鑽 孔裝置，包括位於下端的鑽頭和位於上端的鑽杆，其特徵在於，在所述鑽頭和所述鑽杆之間 自下而上依次連接有擴孔器、巖芯管和變徑接頭，所述鑽杆上還套裝有扶正器，所述鑽杆的 頂端通過鑽杆接頭與主動鑽杆相連接。
9.根據權利要求8所述的在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法所使用的鑽孔 裝置，其特徵在於所述擴孔器的外徑比所述鑽頭的外徑大0.3 0.5 mm，所述巖芯管的外 徑比所述鑽頭的外徑小3 mm，所述扶正器的外徑和所述巖芯管的外徑相等。
10.根據權利要求8或9所述的在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法所使用的 鑽孔裝置，其特徵在於所述鑽頭為金剛石鑽頭，所述鑽杆選用Φ50 mm標準地質鑽杆。
全文摘要
本發明公開了一種在混凝土上進行高精度垂直鑽孔的施工方法及其鑽孔裝置，選擇輕便型全液壓鑽機，採用金剛石薄壁鑽進工藝；採用合適的金剛石鑽頭的壁厚；金剛石鑽孔機具的合理匹配；鑽進過程按開孔鑽進，正常鑽進和孔內異常鑽進三種情況選用不同的鑽進參數；採用卡簧取芯法進行巖芯的採取；自行設計鑽孔高精度測斜儀進行孔斜測量，並糾偏；混凝土巖芯的編錄與保護；鑽孔質量的檢查和驗收。實現了高精度垂直鑽孔，可在水利水電工程領域各種混凝土大壩的檢測、改造工程中廣泛推廣應用。
文檔編號E21B10/46GK102003138SQ201010541390
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月12日 優先權日2010年11月12日
發明者刑樹林, 潘鴻寶 申請人:潘鴻寶