一种地下工程岩土体钻孔用的变孔径钻杆及钻孔方法与流程

1.本发明涉及地下工程建造的技术领域，尤其涉及一种地下工程岩土体钻孔用的变孔径钻杆及钻孔方法。


背景技术：

2.在交通、水利、地下等工程领域，隧洞或隧道开挖是一项重要的分部工程，常用的开挖方法中，钻爆法由于设计灵活、成本低、效率高、适应性广等特点，仍被广泛应用。爆破开挖技术方案设计中，炮孔的封堵方法选择至关重要，在常规炮孔设计的基础上，发明人在已授权的中国实用新型专利《一种水工隧洞钻爆开挖封堵孔》（公告号：cn217877382u）中构思了一种螺纹状封堵孔结构，如图1所示。为实现这种封堵结构，首先需要进行非等直径钻孔的开挖，如图2所示，非等直径钻孔除了在爆破炮孔中有所应用外，在锚杆（索）加固孔、注浆防水固结孔中也有应用。
3.当前，常用的钻孔方法是先使用小直径钻头进行钻孔，然后再使用大直径钻头进行扩孔，该方法分两步进行，存在施作繁琐、相对费时、精度控制差等问题。如果在同一钻杆上不同位置安设两个不同直径的钻头，实现钻孔和扩孔同步进行，则非等直径钻孔可一次成形，不仅操作简单、节省时间，同时也提高了钻杆的技术先进性和钻孔精度，而目前还没有比较更为方便实用的工具。因此，可尝试发明一种“钻-扩孔一体化”的变孔径钻杆。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决现有技术的不足，而提供一种地下工程岩土体钻孔用的变孔径钻杆及钻孔方法。
5.本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
6.一种地下工程岩土体钻孔用的变孔径钻杆，包括钻孔杆，钻孔杆前端安装有钻孔钻头，钻孔杆后端连接有扩孔杆或扩孔套杆；
7.当钻孔杆后端连接扩孔杆时，扩孔杆前端与钻孔杆后端之间安装有第一扩孔钻头，扩孔杆尾端连接有钻机接头，钻孔杆、扩孔杆外壁上均套装有外支撑组件，钻孔杆、扩孔杆、钻机接头内贯穿有通水孔；
8.当钻孔杆后端连接扩孔套杆时，扩孔套杆前端安装有第二扩孔钻头，钻孔杆、扩孔套杆尾端单独连接有钻机接头，钻孔杆外壁上套装有外支撑组件，钻孔杆、钻机接头内贯穿有通水孔。
9.钻孔杆包括钻孔杆体，钻孔杆体的两端均设有第一连接头，第一连接头外壁设有第一外螺纹，通水孔贯穿钻孔杆体、第一连接头内部。
10.钻孔钻头包括中轴，中轴外壁上圆周均布有若干个线状刀头，中轴前端中心位置设有球状刀头，中轴内设有内螺纹连接孔并通过内螺纹连接孔与钻孔杆体前端第一连接头的第一外螺纹连接，球状刀头内设有与钻孔杆的通水孔对接的过水孔，球状刀头侧壁上设有与过水孔连通的出水孔。
11.扩孔杆包括扩孔杆体，扩孔杆体前端设有第二连接头，第二连接头外壁设有第二外螺纹，通水孔贯穿扩孔杆体、第二连接头内部，钻机接头连接在扩孔杆体尾端，扩孔杆体的外径与钻孔杆体的外径一致。
12.第一扩孔钻头包括第一刀掌，第一刀掌前端面外圆圆周均布有若干第一刀盘，第一刀掌中部设有钻轴，钻轴内部设有内螺纹对接孔，钻轴的内螺纹对接孔前端与钻孔杆体尾端第一连接头的第一外螺纹连接且后端与扩孔杆体前端第二连接头的第二外螺纹连接。
13.扩孔套杆包括扩孔套杆体，扩孔套杆体内贯穿有内套孔，内套孔前端设有内螺纹组装孔。
14.第二扩孔钻头包括第二刀掌，第二刀掌前端面外圆圆周设有若干第二刀盘，第二刀掌后端面中部设有连接圆柱，连接圆柱外壁设有组装外螺纹，第二刀掌、连接圆柱内贯穿有中心通孔，第二扩孔钻头的组装外螺纹与扩孔套杆的内螺纹组装孔连接，钻孔杆从中心通孔穿入扩孔套杆体的内套孔内。
15.外支撑组件包括滚珠轴承，滚珠轴承套装在钻孔杆体外壁或者扩孔杆体外壁上，滚珠轴承外套装有塑胶套，塑胶套外壁上圆周均布有若干支脚。
16.一种地下工程岩土体钻孔用的变孔径钻杆的钻孔方法，
17.当钻孔杆后端连接扩孔杆时，具体步骤为：
18.s1、孔位测量、钻杆组装；
19.s2、钻机就位；
20.s3、变孔径钻杆启动；
21.s4、孔道压水；
22.s5、钻孔杆、扩孔杆同步启动，钻孔推进；
23.s6、扩孔开始；
24.s7、钻孔完成；
25.s8、清理钻孔。
26.当钻孔杆后端连接扩孔套杆时，具体步骤为：
27.p1、孔位测量、钻杆组装；
28.p2、钻机就位；
29.p3、变孔径钻杆启动；
30.p4、孔道压水；
31.p5、钻孔杆启动，钻孔推进；
32.p6、扩孔套杆启动，扩孔开始；
33.p7、钻孔杆、扩孔套杆同时运转；
34.p8、钻孔完成；
35.p9、清理钻孔。
36.当钻孔杆后端连接扩孔杆时，钻孔钻头、第一扩孔钻头、钻孔杆和扩孔杆是一个整体，电动设备启动后，钻孔杆和扩孔杆开始转动，钻孔钻头和第一扩孔钻头同时启动，钻孔钻头首先开始钻孔的钻设，待钻孔钻头距离钻孔底部的长度等于扩孔段的长度时，第一扩孔钻头到达钻孔孔口，此时两个钻头同时作业，直至钻至设计深度；
37.当钻孔杆后端连接扩孔套杆时，钻孔杆和扩孔套杆为两套独立控制系统，电动设
备启动后，首先启动钻孔杆，此时钻孔钻头开始钻孔钻设，而扩孔套杆暂不启动，待钻孔钻头距离钻孔底部的长度等于扩孔段的长度时，第二扩孔钻头到达钻孔孔口，此时启动扩孔套杆，钻孔杆和扩孔套杆同时运转，直至钻至设计深度。
38.本发明的有益效果是：本发明通过将两种不同形式的钻杆和钻头进行组装式连接，构成了“钻-扩孔一体化”的整体钻杆，使得钻孔和扩孔两个工序同步进行，具有操作简单、节省时间、精度控制高、一次成形、独立控制等优点，提高了钻杆的技术先进性。
附图说明
39.图1为背景技术中涉及的实用新型专利中螺纹孔位于炮孔中部的结构；
40.图2为背景技术中涉及的实用新型专利中非等直径钻孔的结构；
41.图3为本发明钻孔杆后端连接扩孔杆时的结构示意图；
42.图4为本发明钻孔杆后端连接扩孔套杆时的结构示意图；
43.图5为本发明钻孔杆的结构示意图；
44.图6为本发明钻孔钻头的主视图；
45.图7为本发明钻孔钻头的剖面图；
46.图8为本发明扩孔杆的结构示意图；
47.图9为本发明扩孔套杆的结构示意图；
48.图10为本发明第一扩孔钻头的主视图；
49.图11为本发明第一扩孔钻头的剖面图；
50.图12为本发明外支撑组件的滚珠轴承的结构示意图；
51.图13为本发明外支撑组件的塑胶套、支脚的结构示意图；
52.图14为本发明第二扩孔钻头的主视图；
53.图15为本发明第二扩孔钻头的剖面图；
54.图16为本发明当钻孔杆后端连接扩孔杆时，变孔径钻杆的钻孔步骤图；
55.图17为本发明当钻孔杆后端连接扩孔套杆时，变孔径钻杆的钻孔步骤图；
56.图中：1-钻孔杆；2-钻孔钻头；3-扩孔杆；4-扩孔套杆；5-第一扩孔钻头；6-钻机接头；7-外支撑组件；8-通水孔；9-第二扩孔钻头；10-隧道轮廓线；11-变孔径钻孔；12-锚杆；13-初期支护；14-坡底；15-坡顶；
57.101-钻孔杆体；102-第一连接头；103-第一外螺纹；
58.201-中轴；202-线状刀头；203-球状刀头；204-内螺纹连接孔；205-过水孔；206-出水孔；
59.301-扩孔杆体；302-第二连接头；303-第二外螺纹；
60.401-扩孔套杆体；402-内套孔；403-内螺纹组装孔；
61.501-第一刀掌；502-第一刀盘；503-钻轴；504-内螺纹对接孔；
62.701-滚珠轴承；702-塑胶套；703-支脚；
63.901-第二刀掌；902-第二刀盘；903-连接圆柱；904-组装外螺纹；905-中心通孔；
64.以下将结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
具体实施方式
65.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
66.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
67.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
68.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
69.本发明考虑钻孔和扩孔的同步进行，将两种不同形式的钻杆和钻头进行组装式连接，构成了“钻-扩孔一体化”的整体钻杆，使得钻孔和扩孔两个工序同步进行，即发明一种变孔径钻杆，具有操作简单、节省时间、精度控制高、一次成形、独立控制等优点，提高了钻杆的技术先进性。
70.一种地下工程岩土体钻孔用的变孔径钻杆，包括钻孔杆1，钻孔杆1前端安装有钻孔钻头2，钻孔杆1后端连接有扩孔杆3或扩孔套杆4，如图3和图4所示；
71.当钻孔杆1后端连接扩孔杆3时，扩孔杆3前端与钻孔杆1后端之间安装有第一扩孔钻头5，扩孔杆3尾端连接有钻机接头6，钻孔杆1、扩孔杆3外壁上均套装有外支撑组件7，钻孔杆1、扩孔杆3、钻机接头6内贯穿有通水孔8；
72.当钻孔杆1后端连接扩孔套杆4时，扩孔套杆4前端安装有第二扩孔钻头9，钻孔杆1、扩孔套杆4尾端单独连接有钻机接头6，钻孔杆1外壁上套装有外支撑组件7，钻孔杆1、钻机接头6内贯穿有通水孔8。
73.变孔径钻杆即在一个整体钻杆上不同位置安放两个直径不同的钻头，钻杆前端的钻头用于钻孔，钻杆中部的钻头用于扩孔，当整体钻杆长度较大、两个钻头同时运转时，整体钻杆所受的扭矩较大，且两个钻头所受的阻力不一样，此时杆件会发生不协调变形甚至卡钻，且第一扩孔钻头5存在空转期，造成浪费，所以采用套杆的方式，可将钻孔杆1和扩孔套杆4分开独立运转，即两个杆件不共用同一钻杆。此时，两个杆件的启闭控制相互独立，根据需要随时启动，实现精细化操作。
74.钻孔钻头2的直径小于第一扩孔钻头5、第二扩孔钻头9的直径，整体钻杆和钻孔钻头2的总长度等于钻孔长度，第一扩孔钻头5、第二扩孔钻头9距离钻杆前端的距离等于钻孔长度减去扩孔段的长度。
75.在地下工程中，钻孔的直径较小而长度较大，故整体钻杆的长细比较大，在钻进过程中，容易发生抖动、倾斜甚至扭曲变形，为解决这个问题，在整体钻杆上布设外支撑组件7，充当整体钻杆的外支撑，减短钻杆的单段跨度，既可满足整体钻杆的转动，也能保证整体
钻杆的稳定。
76.钻孔钻头2是钻设一定实心体积的岩土体，第一扩孔钻头5、第二扩孔钻头9是钻设一定壁厚的圆筒形岩土体，故钻孔钻头2采用实心式，第一扩孔钻头5、第二扩孔钻头9采用圆筒式。
77.钻孔过程中，钻孔钻头2和岩土体摩擦生热，要对钻头进行冷却降温，在整体钻杆和钻孔钻头2中设置通水孔，第一扩孔钻头5、第二扩孔钻头9利用回流水进行冷却降温。
78.如图5所示，钻孔杆1采用常规的圆形或棱形钎杆。钻孔杆1包括钻孔杆体101，钻孔杆体101的两端均设有第一连接头102，第一连接头102外壁设有第一外螺纹103，通水孔8贯穿钻孔杆体101、第一连接头102内部。
79.如图6、图7所示，钻孔钻头2包括中轴201，中轴201外壁上圆周均布有若干个线状刀头202，中轴201前端中心位置设有球状刀头203，中轴201内设有内螺纹连接孔204并通过内螺纹连接孔204与钻孔杆体101前端第一连接头102的第一外螺纹103连接，球状刀头203内设有与钻孔杆1的通水孔8对接的过水孔205，球状刀头203侧壁上设有与过水孔205连通的出水孔206。
80.钻孔钻头2采用常规的金刚石材质，由中轴201和刀头组成。中轴201为圆柱体，中间设有内螺纹连接孔204，中轴201和钻孔杆体101的直径相同。刀头包括四个线状刀头202和一个球状刀头203，线状刀头202在截面上呈直角梯形，沿中轴201均匀分布，处在两条垂直的径向线上，线状刀头202里端围成的圆的直径等于中轴201上内螺纹连接孔204的直径，线状刀头202外端围成的圆的直径等于钻孔直径，且大于中轴201的直径，钻孔形成的泥水从线状刀头202和中轴201之间的间隙流出。球状刀头203位于中轴201的中部，其直径小于中轴201上的内螺纹连接孔204的直径，过水孔205、出水孔206用于钻孔钻头2的冷却降温，过水孔205、出水孔206整体呈“t”字形。中轴201和刀头可采用整体成形加工模式，也可通过镶嵌挤压焊接组装形成。
81.如图8所示，扩孔杆3采用常规的圆形或棱形钎杆。扩孔杆3包括扩孔杆体301，扩孔杆体301前端设有第二连接头302，第二连接头302外壁设有第二外螺纹303，通水孔8贯穿扩孔杆体301、第二连接头302内部，钻机接头6连接在扩孔杆体301尾端，扩孔杆体301的外径与钻孔杆体101的外径一致。
82.如图10、图11所示，第一扩孔钻头5包括第一刀掌501，第一刀掌501前端面外圆圆周均布有若干第一刀盘502，第一刀掌501中部设有钻轴503，钻轴503内部设有内螺纹对接孔504，钻轴503的内螺纹对接孔504前端与钻孔杆体101尾端第一连接头102的第一外螺纹103连接且后端与扩孔杆体301前端第二连接头302的第二外螺纹303连接。
83.第一扩孔钻头5采用常规的金刚石材质，设计成圆筒式，由钻轴503、第一刀掌501和第一刀盘502组成，整体形状呈“伞形”，平面呈扇叶状，剖面呈“m”形。钻轴503中间设有内螺纹对接孔504，用于和钻孔杆1、扩孔杆3的连接，钻轴503的直径和钻孔杆1、扩孔杆3的直径相同。第一刀盘502呈分离式，四个第一刀盘502沿第一刀掌501周围均匀对称分布，第一刀盘502围成的圆的内径和第一刀掌501直径相同，第一刀盘502围成的圆的外径和扩孔直径相等，第一刀盘502和第一刀掌501之间的间隙用于泥水的流动。钻轴503、第一刀掌501和第一刀盘502采用整体成形加工模式，也可通过镶嵌挤压焊接组装形成。
84.如图12、图13所示，外支撑组件7包括滚珠轴承701，滚珠轴承701套装在钻孔杆体
101外壁或者扩孔杆体301外壁上，滚珠轴承701外套装有塑胶套702，塑胶套702外壁上圆周均布有若干支脚703。
85.整体钻杆每60cm设置一个外支撑组件7，不满60cm的不设置。为方便钻孔过程中泥水的流动，滚珠轴承701和孔壁之间要有一定的空间，而不能直接采用常规的圆形体，因此在滚珠轴承701上套一个带支脚703的中空弹性塑胶套702，中空弹性塑胶套702采用硅胶制作，其内沿的直径大于滚珠轴承701的内径且小于滚珠轴承701的外径，外沿的直径等于滚珠轴承701的外径，保证滚珠轴承701能手动卡入其中并能顺利取出，既要有一定的弹性，还要有一定的强度，为保证滚珠轴承701在钻杆上的稳定性，其厚度为1-3cm。
86.如图9所示，扩孔套杆4包括扩孔套杆体401，扩孔套杆体401内贯穿有内套孔402，内套孔402前端设有内螺纹组装孔403。
87.扩孔套杆4采用圆筒式钎杆，一端设有内丝，和第二扩孔钻头9进行连接，扩孔套杆4的内径大于钻孔杆1的直径，扩孔套杆4的外径小于扩孔直径。
88.如图14、图15所示，第二扩孔钻头9包括第二刀掌901，第二刀掌901前端面圆周设有若干第二刀盘902，第二刀掌901后端面中部设有连接圆柱903，连接圆柱903外壁设有组装外螺纹904，第二刀掌901、连接圆柱903内贯穿有中心通孔905，第二扩孔钻头9的组装外螺纹904与扩孔套杆4的内螺纹组装孔403连接，钻孔杆1从中心通孔905穿入扩孔套杆体401的内套孔402内。
89.为使变孔径钻杆适用于多种工程工况，实现构件的循环利用，整体钻杆设计成可组装拆卸式，为防止螺纹连接处渗水，连接时缠绕防水生料带，整体钻杆和滚珠轴承701通过挤压紧贴。另外，为方便拆卸组装过程中扳手工具的使用，在钻头和钻杆上均预设扳手卡槽。
90.一种地下工程岩土体钻孔用的变孔径钻杆的钻孔方法，
91.当钻孔杆1后端连接扩孔杆3时，如图16所示，具体步骤为：
92.s1、孔位测量、钻杆组装；
93.s2、钻机就位；
94.s3、变孔径钻杆启动；
95.s4、孔道压水；
96.s5、钻孔杆1、扩孔杆3同步启动，钻孔推进；
97.s6、扩孔开始；
98.s7、钻孔完成；
99.s8、清理钻孔。
100.当钻孔杆1后端连接扩孔套杆4时，如图17所示，具体步骤为：
101.p1、孔位测量、钻杆组装；
102.p2、钻机就位；
103.p3、变孔径钻杆启动；
104.p4、孔道压水；
105.p5、钻孔杆1启动，钻孔推进；
106.p6、扩孔套杆4启动，扩孔开始；
107.p7、钻孔杆1、扩孔套杆4同时运转；
108.p8、钻孔完成；
109.p9、清理钻孔。
110.当钻孔杆1后端连接扩孔杆3时，钻孔钻头2、第一扩孔钻头5、钻孔杆1和扩孔杆3是一个整体，电动设备启动后，钻孔杆1和扩孔杆3开始转动，钻孔钻头2和第一扩孔钻头5同时启动，钻孔钻头2首先开始钻孔的钻设，待钻孔钻头2距离钻孔底部的长度等于扩孔段的长度时，第一扩孔钻头5到达钻孔孔口，此时两个钻头同时作业，直至钻至设计深度；
111.当钻孔杆1后端连接扩孔套杆4时，钻孔杆1和扩孔套杆4为两套独立控制系统，电动设备启动后，首先启动钻孔杆1，此时钻孔钻头2开始钻孔钻设，而扩孔套杆4暂不启动，待钻孔钻头2距离钻孔底部的长度等于扩孔段的长度时，第二扩孔钻头9到达钻孔孔口，此时启动扩孔套杆4，钻孔杆1和扩孔套杆4同时运转，直至钻至设计深度。
112.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。