一种用于滑带跨界加固的顺序联动式定向限域旋喷装置及施工方法与流程

本发明涉及滑坡治理与高压喷射注浆加固，特别是一种用于滑带跨界加固的顺序联动式定向限域旋喷装置及施工方法。

背景技术：

1、现有高压喷射注浆技术用于滑带局部加固时，通常存在如下问题：其一，喷射前缺少可靠的井下限域结构，浆液易沿孔壁、裂隙或松散区窜流，导致目标短段成形不集中；其二，喷射过程中喷头易受返浆冲击、孔壁摩擦不均及提升扰动影响而发生周向偏移；其三，地面定向动作与井下实际喷射方位之间缺少稳定的刚性传动关系，存在角度失真；其四，封隔、锁紧与启喷之间缺少强制顺序关系，易出现封隔未完成即喷射、停喷后串浆或卡阻等情况。因此，需要一种能够在井下依次完成封隔、锁紧、定向及启喷的装置及施工方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述不足，提供一种用于滑带跨界加固的顺序联动式定向限域旋喷装置及施工方法，以解决现有技术中封隔不可靠、抗扭锁紧不稳定、地面定向与井下真实喷射方位不一致以及喷射启闭顺序失控等技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于滑带跨界加固的顺序联动式定向限域旋喷装置，包括外钻杆、设置于外钻杆内的输浆管、可轴向滑动地设置于输浆管内的中空控制杆、可转动地穿设于中空控制杆内的定向轴、以及设置于外钻杆、输浆管、中空控制杆和定向轴下端的井下顺序联动旋喷执行头；输浆管与中空控制杆外壁之间形成环形输浆通道；

3、井下顺序联动旋喷执行头内设有可转动的喷嘴套筒，喷嘴套筒与定向轴下端传动连接；喷嘴套筒侧壁设有侧向喷嘴；

4、中空控制杆下端设有沿轴向依次间隔布置的第一执行台肩、第二执行台肩和第三执行台肩；

5、第一执行台肩与封隔联动套配合，以在中空控制杆向下移动至第一行程位置时同步驱动上压缩式封隔组件和下压缩式封隔组件径向胀紧；

6、第二执行台肩与楔形驱动套配合，以在中空控制杆在完成第一行程后继续向下移动至第二行程位置时驱动楔块式抗扭锁紧组件径向张开并与孔壁或套管内壁形成周向限位；

7、第三执行台肩与顶阀推杆配合，以在中空控制杆在完成第二行程后继续向下移动至第三行程位置时驱动针阀式启闭组件开启，使浆液经环形输浆通道进入喷嘴套筒并由侧向喷嘴喷出。

8、优选地，所述井下顺序联动旋喷执行头包括外套筒、设置于所述外套筒上部的上压缩式封隔组件、设置于所述外套筒下部的下压缩式封隔组件、设置于所述上压缩式封隔组件和所述下压缩式封隔组件之间的楔块式抗扭锁紧组件、通过上密封支承件和下密封支承件可转动地设置于所述外套筒内的喷嘴套筒、设置于所述喷嘴套筒内的针阀式启闭组件以及与所述喷嘴套筒传动连接的所述定向轴下端。

9、优选地，所述中空控制杆在一次连续下移过程中使所述井下顺序联动旋喷执行头依次完成封隔、锁紧和启喷，所述中空控制杆向上回撤时，所述针阀式启闭组件、所述楔块式抗扭锁紧组件、所述上压缩式封隔组件和所述下压缩式封隔组件按与开启时相反的顺序依次复位。

10、优选地，所述上压缩式封隔组件和所述下压缩式封隔组件均包括固定锥环、活动压环和位于所述固定锥环与所述活动压环之间的弹性封隔套；所述活动压环在轴向受压时沿所述固定锥环的锥面滑移，以使所述弹性封隔套径向外鼓并与孔壁或套管内壁贴合。

11、优选地，所述封隔联动套上端与所述第一执行台肩接触，下端分别与所述上压缩式封隔组件和所述下压缩式封隔组件的活动压环传力连接，以在所述第一执行台肩下移时同步压紧两处所述弹性封隔套。

12、优选地，所述楔块式抗扭锁紧组件包括所述楔形驱动套、沿周向间隔均布的三个径向锁紧块以及用于使所述径向锁紧块回缩的复位弹簧；所述楔形驱动套在所述第二执行台肩的驱动下轴向下移，并通过楔面将所述三个径向锁紧块向外推出。

13、优选地，所述径向锁紧块的外端设有防滑齿纹层或硬质耐磨层。

14、优选地，所述上密封支承件和所述下密封支承件均包括径向轴承、密封圈和迷宫密封槽，以在允许所述喷嘴套筒相对所述外套筒转动的同时限制浆液进入支承配合间隙。

15、优选地，所述针阀式启闭组件包括阀座、阀芯和复位弹性件；所述阀芯在所述第三执行台肩通过所述顶阀推杆驱动时脱离所述阀座，使所述环形输浆通道与所述侧向喷嘴导通；所述阀芯与所述阀座采用锥面密封配合。

16、优选地，所述阀芯头部设有导流槽和环形刮边，所述环形刮边在启闭过程中对所述阀座入口处沉积浆体进行刮擦，以降低堵浆风险。

17、优选地，所述定向轴与所述喷嘴套筒采用花键连接；所述定向轴与所述中空控制杆之间通过转动隔离配合设置，以在所述中空控制杆轴向移动时允许所述定向轴独立转动。

18、本发明公开一种利用上述用于滑带跨界加固的顺序联动式定向限域旋喷装置实施滑带跨界加固的施工方法，包括如下步骤：

19、s1、钻孔与下放：利用所述外钻杆成孔后，将所述井下顺序联动旋喷执行头下放至待加固区间；

20、s2、封隔：驱动所述中空控制杆向下移动至第一行程位置，使所述第一执行台肩通过所述封隔联动套同步驱动所述上压缩式封隔组件和所述下压缩式封隔组件胀紧，在孔内形成位于所述上压缩式封隔组件和所述下压缩式封隔组件之间的限域喷射腔段；

21、s3、锁紧：在维持步骤s2形成的所述限域喷射腔段状态下，驱动所述中空控制杆继续向下移动至第二行程位置，使所述第二执行台肩驱动所述楔形驱动套下移，从而推动所述三个径向锁紧块向外张开，使所述井下顺序联动旋喷执行头相对孔壁或套管内壁形成周向限位；

22、s4、定向：在维持步骤s2和步骤s3形成的封隔及周向限位状态下，转动所述定向轴，使所述侧向喷嘴转至设计喷射方位；

23、s5、喷射：在完成步骤s2至步骤s4后，驱动所述中空控制杆继续向下移动至第三行程位置，使所述第三执行台肩通过所述顶阀推杆驱动所述针阀式启闭组件开启，并向所述环形输浆通道内输送高压浆液，使浆液由所述侧向喷嘴喷出形成跨界加固短段；

24、s6、停喷与复位：停止输浆后，驱动所述中空控制杆向上回撤，先使所述第三执行台肩脱离所述顶阀推杆以使所述针阀式启闭组件关闭，再使所述第二执行台肩脱离所述楔形驱动套以使所述楔块式抗扭锁紧组件回缩，最后使所述第一执行台肩脱离所述封隔联动套以使所述上压缩式封隔组件和所述下压缩式封隔组件解除封隔；

25、s7、移位重复：将所述井下顺序联动旋喷执行头移至下一施工位置，重复步骤s2至s6。

26、进一步地，步骤s4中，所述侧向喷嘴在喷射过程中保持固定方位，或者在10°～45°范围内往复摆转形成扇形喷射区。

27、进一步地，步骤s5形成的所述跨界加固短段沿孔轴方向包括位于滑带上盘的上盘锚固段、穿越滑带本体的跨滑带段以及位于滑带下盘的下盘锚固段；其中，上盘锚固段长度为0.3m～2.0m，跨滑带段长度为0.2m～1.5m，下盘锚固段长度为0.3m～2.0m。

28、进一步地，多个所述跨界加固短段在垂直于坡向的投影面内采用至少两排错列布设；相邻同排跨界加固短段中心距为0.6d～1.2d，相邻两排之间的错列偏移量为0.3d～0.8d，其中d为单个跨界加固短段的等效成形宽度。

29、进一步地，单个所述跨界加固短段施工完成后，以单位长度注浆量q作为施工校核参数，其中q=v/l，v为该跨界加固短段的累计注浆体积，l为该跨界加固短段的轴向长度；当q低于预设下限时，对该跨界加固短段进行补喷或延长喷射时间。

30、本发明有益效果：

31、1、强制时序互锁，降低误喷与串浆风险：本发明通过中空控制杆下端依次间隔布置的三级执行台肩，利用一次连续轴向下移动作，依次触发封隔胀紧、抗扭锁紧、针阀启喷动作，形成封隔在前、锁紧在中、启喷在后的强制动作顺序；回撤时按关阀-解锁-解封的反向顺序依次复位，从结构上避免了封隔未完成即喷射、停喷后浆液上窜等问题，显著提升井下喷射作业的时序可靠性，降低误喷与串浆卡阻风险。

32、2、双封隔限域注浆，提升加固段成形集中度：本发明采用上下两组压缩式封隔组件，在喷射前同步胀紧贴合孔壁，形成封闭的限域喷射腔段，可有效阻挡高压浆液沿孔壁、裂隙或松散地层窜流，使注浆成形范围集中限定于目标加固区间，保障滑带跨界短段加固的成形边界清晰，提升注浆材料的有效利用率与加固针对性。

33、3、楔块式周向锁紧，增强喷射过程稳定性：本发明在双封隔组件之间设置楔块式抗扭锁紧组件，喷射前通过径向锁紧块顶紧孔壁形成周向限位，可有效抵消高压返浆冲击、孔壁摩擦不均及作业扰动带来的喷头周向偏转，使井下执行头在喷射过程中保持周向固定，避免偏喷与方位漂移，保障定向喷射的成形均匀性。

34、4、刚性定向传动，保障方位控制精度：本发明采用定向轴与喷嘴套筒花键刚性传动结构，定向动作与中空控制杆的轴向往复动作相互隔离，地面方位调整可直接、无失真地传递至井下侧向喷嘴，解决了传统结构地面设定与井下实际喷射方位不一致的问题，显著提升定向加固的方位控制精度，适配滑带定向切断、局部补强等精准加固需求。

35、5、针阀式启闭防堵，提升部件使用寿命与可靠性：本发明采用锥面密封的针阀式启闭组件，仅在封隔、锁紧完成后开启喷射，启闭控制精准；阀芯头部设置的环形刮边可在启闭过程中刮除阀座入口沉积浆体，配合锥面密封结构，有效降低高压浆液环境下的堵浆风险，同时提升密封耐久性，适配井下反复启闭的作业工况。