一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统

1.本发明涉及地下施工技术领域，具体为一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.地下空间施工阶段容易受到地质环境影响，从而产生突水突泥、地表塌陷以及水库漏失等灾害，灾害发生时地下空间内的施工机具被埋。这类灾害隐蔽性强，灾后抢修作业的空间受限，并且受限于地下空间的限制使得装备短缺，常导致二次人员伤亡，装备反复埋没、工程废弃改线等后果。针对这一问题，现有技术利用钻具钻进被掩埋的区域，将突水、突泥点处通过注浆封堵，阻止地质灾害的源头后，再继续开挖恢复施工作业面。
4.发明人发现，地质灾害涌入的泥水等物质会影响地下空间的岩层特性，导致洞内治理缺乏安全、有限的施工条件，且用于灾害处置的钻具难以快速适应岩层参数，进而使得钻具的钻进效率低下，影响灾后处置的进度等。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，在钻注设备上布设传感器以获取岩层参数，通过预先构建的钻头模型、岩层模型和获取的岩层参数，得到与当前岩层相匹配的钻进参数，并以此钻进参数控制钻注设备，从而使得钻注设备能够快速适应地质灾害影响区域的岩层，加快钻进的效率，有利于灾害处置效率的提升。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，包括：
8.钻注设备，包括与钻杆连接的钻头，钻杆为空心结构并设有与注浆泵连通的注浆孔，钻杆上设有地层感知传感器和浆液传感器，分别获取岩层参数和注浆压力参数，发送给控制端用于控制钻注设备的钻进作业和注浆作业；
9.控制端，被配置为：根据地层感知传感器获取的岩层参数，以及预先构建的岩层模型和钻头模型，获得相匹配的钻进参数以控制钻注设备。
10.钻杆上设有封隔器，封隔器包括连接在钻杆外表面的基座和与基座连接的囊腔；钻杆内部具有弹簧座，弹簧座通过弹簧与钻杆内壁弹性连接，弹簧沿钻杆轴向方向布置，弹簧座上设有第一通道；基座上设有第二通道，囊腔与第二通道的一端连通。
11.弹簧处于拉伸状态时，第一通道和第二通道处于分离状态；弹簧处于压缩状态时，第一通道和第二通道的轴线重合，使得第二通道的另一端与第一通道连通，注浆材料能够由钻杆内部依次经第一通道和第二通道进入囊腔内部使其膨胀，将钻孔封堵。
12.钻杆包括与外层钻杆套接的中间套管和内层套管，由外至内依次为外层钻杆、中间套管和内层套管，外层钻杆用于钻孔作业，中间套管和内层套管为浆液通道。
13.地层感知传感器包括沿钻杆圆周外侧均匀布置的发射天线和接收天线，发射天线和接收天线沿钻杆轴向方向间隔设定距离。
14.浆液传感器包括至少两组，分别设置在钻头与钻杆的连接处以及钻杆的外壁面上，用于获取注浆压力和瞬时浆液流速。
15.岩层模型基于地质勘察资料获取的岩层密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角、剪胀角、岩性、软硬岩交替以及断层破碎信息构建。
16.岩层模型能够对密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角和剪胀角参数进行赋值。
17.钻头模型基于模拟软件构建，分别受到钻进压力、旋转扭矩、轴向冲击动荷载和扭转冲击动荷载作用。
18.钻头模型为复合冲击破岩模型。
19.在确保岩层模型中地层参数不变的情况下，分别改变钻进参数，对应输出不同钻进参数下的破岩体积和钻头所受到的扭矩值，根据钻头破岩效率和寿命，得到不同地层参数下的最优钻进参数。
20.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
21.在钻注设备上布设传感器以获取岩层参数，通过预先构建的钻头模型、岩层模型和获取的岩层参数，得到与当前岩层相匹配的钻进参数，并以此钻进参数控制钻注设备，从而使得钻注设备能够快速适应地质灾害影响区域的岩层，加快钻进的效率，有利于灾害处置效率的提升。
附图说明
22.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
23.图1是本发明一个或多个实施例提供的适用于地质灾害处置的定向钻注系统结构示意图；
24.图2是本发明一个或多个实施例提供的钻注设备结构示意图；
25.图3是本发明一个或多个实施例提供的破岩钻进参数优化系统示意图；
26.图4(a)是本发明一个或多个实施例提供的封隔器的囊腔未膨胀状态下的结构示意图；
27.图4(b)是本发明一个或多个实施例提供的封隔器囊腔膨胀状态下的结构示意图；
28.图5是本发明一个或多个实施例提供的钻杆截面结构示意图；
29.图6(a)-图6(b)均是本发明一个或多个实施例提供的地层感知传感器的结构示意图；
30.图7是本发明一个或多个实施例提供的浆液传感器结构示意图；
31.图2中：1钻头；2注浆泵；3地层感知传感器；4浆液传感器；5钻杆；6控制端；
32.图4中：11第一通道；12第二通道；13囊腔；14弹簧；
33.图5中：101外层钻杆；102中间套管；103内层套管；
34.图6中：31发射天线；32接收天线；
35.图7中：41第一浆液传感器；42第二浆液传感器
。
具体实施方式
36.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
37.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
39.正如背景技术中所描述的，地质灾害涌入的泥水等物质会影响地下空间的岩层特性，导致用于灾害处置的钻具难以快速适应岩层参数，进而使得钻具的钻进效率低下，影响灾后处置的进度。
40.因此以下实施例给出一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，将超前地质预报、快速钻进、地面注浆、综合评价与定向钻进技术相结合，通过在地面打设定向钻孔，并结合三管注浆技术完成不同注浆材料的远距离泵送，从而实现灾害的提前治理和主动防控。在灾害治理方面，相比于洞内注浆治理，可具备安全的施工条件。同时，在灾害防控方面，通过预注浆加固技术，可便于调节掌子面浆液凝固时间，具有灾害易治理、不耽误工期的优势。
41.实施例一：
42.如图1所示，一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，包括复杂地层快速稳定钻进系统、超长距离钻注一体化系统、超长距离定向钻注随钻感知与预报系统以及注浆效果检测系统。
43.复杂地层快速稳定钻进系统，包括钻注设备(本实施例选用螺杆马达钻具)、千米级高精度定向钻进与轨迹动态纠偏系统和钻进参数智能优化系统。
44.本实施例中，钻注设备的结构如图2所示，其中1为钻机的钻头；2为注浆泵；3为地层感知传感器；4为浆液传感器；5为钻杆；6为控制端。钻头为注浆和钻进的两用钻头，钻头被钻杆带动实现钻进，注浆泵与钻杆上的注浆孔连通，用于泵入浆液，钻杆上设有地层感知传感器和浆液传感器，分别获取地层信息和注浆压力信息用于控制钻进方向、力度以及注浆压力等参数。
45.该螺杆马达钻具在钻进过程中具备复合冲击钻进能力，即同时具备轴向冲击和扭转冲击功能，轴向冲击可通过较小的钻压获得更高的轴向破岩能量，而扭转冲击则会消除钻杆的粘滑效应，使得钻头不需要积蓄能量就可直接破岩。通过这两种情况的配合，可使钻头达到良好破岩的效果。
46.千米级高精度定向钻进与轨迹动态纠偏系统，由适用于复杂地层岩土体的强造斜定向造斜钻杆和轨迹参数实时动态测量仪器构成，该系统可完成钻孔轨迹数据的动态测量，进一步通过随钻动态纠偏复合定向轨迹控制，可完成由水平至垂直方向的大角度造斜，
实现钻孔轨迹的路径规划与优化控制。
47.钻进参数智能优化系统可实现钻进参数(钻进压力、钻头转速、扭矩、轴向冲击力、扭转冲击力、冲击频率)与岩层参数(岩层的强度、岩性、软硬岩交替、断层破碎带等)相匹配，使得不同地层匹配不同的钻进参数，从而实现复杂岩土层条件下的快速钻进。如图3所示，实现过程如下：
48.(1)模型参数获取，通过地质勘察资料获取岩层的密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角、剪胀角、岩性、软硬岩交替、断层破碎带等参数。
49.(2)构建复合冲击钻头-岩层模型，通过gdem软件，基于连续-非连续分析方法，构建复合冲击破岩模型，该模型包括两大部分，分别为钻头模型和岩层模型。该钻头模型分别受到钻进压力、旋转扭矩、轴向冲击动荷载和扭转冲击动荷载作用，其作用参数可动态调节；岩层模型，可进行密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角和剪胀角参数的赋值。
50.(3)模型结果输出与智能优化，保证地层参数不变，分别对应改变钻进参数(钻进压力、钻头转速、扭矩、轴向冲击力、扭转冲击力、冲击频率)，对应输出不同钻进参数下的破岩体积和钻头所受到的扭矩值，结合钻头破岩效率和寿命情况，获得不同地层参数下的最优钻进参数。
51.本实施例中，通过破岩体积可判定其破岩效率，破岩体积越大，破岩效率越高；通过钻头扭矩值可分析钻头的使用寿命，如钻头长期处于大扭矩下，对其工作寿命肯定产生不利影响。
52.本实施例中，根据钻头所受到的扭矩输出曲线来确定，在曲线中取扭矩相对较小，破岩体积相对较大的钻进参数，此种情况对于提高钻进效率，延长钻具使用寿命更加有利。
53.超长距离钻注一体化系统，包括与钻杆连接的封隔器和注浆泵2，如图4(a)-图4(b)所示，封隔器包括连接在钻杆外表面的基座和与基座连接的囊腔13；钻杆为空心结构，内部具有弹簧座，弹簧座通过弹簧14与钻杆内壁弹性连接，弹簧14沿钻杆轴向方向布置，弹簧座14上设有第一通道11；基座上设有第二通道12，囊腔13与第二通道12的一端连通；弹簧14处于拉伸状态时，第一通道11和第二通道12处于分离状态；弹簧14处于压缩状态时，第一通道11和第二通道12的轴线重合，使得第二通道12的另一端与第一通道11连通，注浆材料能够由钻杆内部依次经第一通道11和第二通道12进入囊腔13内部使其膨胀，将钻孔封堵，为后续注浆创造条件。注浆泵2可将注浆材料泵送到钻头和钻杆所在的灾源处，实现灾源突涌水灾害的治理。
54.在未注浆前，由于管腔内压力较小，弹簧14处于拉伸状态，第一通道11和第二通道12处于分离状态。当准备注浆时，开启注浆泵，管腔内压力进一步增大，弹簧14被压缩，同时带动弹簧座向钻头1方向移动，使第一通道11和第二通道12重合，此时管腔内的液体通过重合的第一通道11和第二通道12进入囊腔13内。囊腔13进一步扩大将钻孔封闭，进一步实现浆液材料的注入。
55.如图5所示，钻杆5为三管套接的注浆结构，即由外至内依次为外层钻杆101、中间套管102和内层套管103，外层钻杆101用于钻孔作业，中间套管102和内层套管103为浆液通道，不同浆液材料可通过中间套管102和内层套管103分别注入，该结构可实现不同注浆材料的同步注入。
56.超长距离定向钻注随钻感知与预报系统，如图6(a)-图6(b)所示，由固定在钻头1附近的发射天线31和接收天线32组成，发射天线为间隔120
°
排列的三个偶极子天线，接收天线32与发射天线31的距离为固定值，发射天线31可向钻头1四周发射电磁波。
57.本实施例中，发射天线31位于钻杆上，且靠近钻头1的位置，接收天线32在钻杆上，距离钻头1较远，发射天线31向周围岩层发射电磁波，电磁波穿过钻头1附近的岩层，由接收天线32接受，电磁波穿过岩石会携带岩石参数信息。
58.本实施例共设有三组发射天线31和接收天线32，在钻杆5旋转时，可获取钻头1处全角度的地质信息。
59.注浆效果检测系统，包括设在钻头1注浆端部的传感器，如图7所示，本实施例中，在钻头1根部设置第一浆液传感器41，在钻杆5外壁面上设置第二浆液传感器42。两传感器布设在注浆孔附近，可以提供注浆压力、瞬时浆液流速等注浆数据，通过对注浆数据的监测，可判定注浆效果是否达到规定复合要求。
60.系统的工作过程如下：
61.(1)将如图2所示的钻注设备运移至安全稳定的位置，并对该装备提前做好测试。
62.(2)根据灾源位置和钻注设备的当前位置确定钻进方向，启动钻注设备，开始向岩土层钻进，该钻头同时具备轴向冲击和扭向冲击作用，可实现多维度快速破岩。
63.(3)在钻进时，通过地勘设计资料提前获取钻进地层参数，通过钻进参数智能优化系统将地层参数与钻进参数相匹配，并针对不同的地质情况对钻进参数进一步优化，提高钻进效率，延长钻头寿命。
64.(4)在钻头不断钻进过程中，定向造斜钻杆具备一定的曲率，当钻头旋转而定向造斜钻杆不旋转时，钻孔轨迹为非造斜稳定钻进状态；当钻头和定向造斜钻杆都旋转时，钻孔轨迹为定向造斜状态。通过轨迹参数的动态测量仪进一步可实现轨迹的精准量测，保证钻进轨迹不偏离设计轨迹。
65.图2所示的钻注设备中，钻杆5为常规钻杆，钻杆5的最前方为钻头1，配备螺杆马达钻杆和无磁定位钻杆，形成带有定向造斜功能的钻杆。
66.(5)待钻具钻达预先设计的目标点，可控制螺杆马达端头的封隔器工作，为注浆创造条件。在未注浆前，由于管腔内压力较小，弹簧14处于拉伸状态，第一通道11和第二通道12处于分离状态。当准备注浆时，开启注浆泵，管腔内压力进一步增大，弹簧14被压缩，同时带动管道1也向钻头方向移动，最中第一通道11和第二通道12重合，管腔内的液体通过重合的第一通道11和第二通道12进入囊腔13内。囊腔13进一步扩大将钻孔封闭，进一步实现浆液材料的注入。不同浆液材料可通过图5所示的结构注入钻孔。
67.本实施例中，钻杆上的注浆孔开设在钻头1根部，即钻头1与钻杆5的连接点处，囊腔13设在距离该连接点一段距离处，利用囊腔13膨胀封堵钻孔后，钻孔会形成封闭的腔室，注浆材料从钻杆上的注浆孔进入该腔室。
68.囊腔13膨胀后将钻孔封闭，防止注浆时浆液从钻孔内返出。当注浆完毕后，降低压力，囊腔13则恢复原状，钻杆及钻头可顺利从钻孔内抽出。囊腔膨胀是为注浆做准备，注浆完成后即可认为灾害处置完成。当前的突涌水等灾害大多数是通过注浆加固来实现。
69.(6)在整个钻进及注浆过程中，超长距离钻注数据实时交互与智能决策系统将不断传入钻进数据和注浆数据。
70.(7)在钻进过程中，钻进过程实时监测系统监测钻头的钻速、扭矩、振动、噪声等随钻参数，地质雷达发射天线在绕钻头轴向的旋转过程中，发射电磁波，由接收天线收集反射信息。
71.(8)由于钻头在不同岩层、不同地址构造中钻进，随钻参数不同，可在超长距离定向钻注设备工作前，开展原位试验，建立工程实际地质条件与随钻参数匹配关系数据库，根据钻头在不同岩性岩层中钻进的随钻参数预测多种岩石力学参数(岩石单轴抗压强度、三轴抗压强度、抗拉强度、孔隙压力、内聚力、摩擦角等)与岩体结构(裂隙、空腔、岩层界面等)，实现近钻头处地质条件智能识别。
72.(9)钻进过程中通过对雷达阵列探测地质信息的解译分析，可实现一定范围内的地质信息预报。
73.(10)在注浆效果检测方面，注浆通道电阻传感器可对注浆通道内外电阻率差异率进行实时监测，注浆后由混凝土和岩土中充填物组成的岩层相比注浆前原有填充物的岩层电阻率值明显提高。通过布设注浆通道电阻传感器以岩石的电阻率差异为依据，在观测点上依次调整供电距离，使试验深度逐渐增大，根据得到观测点处沿垂直方向上由浅到深的电阻率变化情况评价注浆效果。
74.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，其特征在于，包括：钻注设备，包括与钻杆连接的钻头，钻杆为空心结构并设有与注浆泵连通的注浆孔，钻杆上设有地层感知传感器和浆液传感器，分别获取岩层参数和注浆压力参数，发送给控制端用于控制钻注设备的钻进作业和注浆作业；控制端，被配置为：根据地层感知传感器获取的岩层参数，以及预先构建的岩层模型和钻头模型，获得相匹配的钻进参数以控制钻注设备。2.如权利要求1所述的一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，其特征在于，所述钻杆上设有封隔器，封隔器包括连接在钻杆外表面的基座和与基座连接的囊腔；钻杆内部具有弹簧座，弹簧座通过弹簧与钻杆内壁弹性连接，弹簧沿钻杆轴向方向布置，弹簧座上设有第一通道；基座上设有第二通道，囊腔与第二通道的一端连通。3.如权利要求2所述的一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，其特征在于，所述弹簧处于拉伸状态时，第一通道和第二通道处于分离状态；弹簧处于压缩状态时，第一通道和第二通道的轴线重合，使得第二通道的另一端与第一通道连通，注浆材料能够由钻杆内部依次经第一通道和第二通道进入囊腔内部使其膨胀，将钻孔封堵。4.如权利要求1所述的一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，其特征在于，所述钻杆包括与外层钻杆套接的中间套管和内层套管，由外至内依次为外层钻杆、中间套管和内层套管，外层钻杆用于钻孔作业，中间套管和内层套管为浆液通道。5.如权利要求1所述的一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，其特征在于，所述地层感知传感器包括沿钻杆圆周外侧均匀布置的发射天线和接收天线，发射天线和接收天线沿钻杆轴向方向间隔设定距离。6.如权利要求1所述的一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，其特征在于，所述浆液传感器包括至少两组，分别设置在钻头与钻杆的连接处以及钻杆的外壁面上，用于获取注浆压力和瞬时浆液流速。7.如权利要求1所述的一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，其特征在于，所述岩层模型基于地质勘察资料获取的岩层密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角、剪胀角、岩性、软硬岩交替以及断层破碎信息构建。8.如权利要求7所述的一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，其特征在于，所述岩层模型能够对密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、抗拉强度、内摩擦角和剪胀角参数进行赋值。9.如权利要求1所述的一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，其特征在于，所述钻头模型基于模拟软件构建，分别受到钻进压力、旋转扭矩、轴向冲击动荷载和扭转冲击动荷载作用。10.如权利要求9所述的一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，其特征在于，在确保岩层模型中地层参数不变的情况下，分别改变钻进参数，对应输出不同钻进参数下的破岩体积和钻头所受到的扭矩值，根据钻头破岩效率和寿命，得到不同地层参数下的最优钻进参数。

技术总结
本发明涉及一种适用于隧道地质灾害处置的定向钻注一体化系统，包括钻注设备，包括与钻杆连接的钻头，钻杆为空心结构并设有与注浆泵连通的注浆孔，钻杆上设有地层感知传感器和浆液传感器，分别获取岩层参数和注浆压力参数，发送给控制端用于控制钻注设备的钻进作业和注浆作业；控制端，被配置为：根据地层感知传感器获取的岩层参数，以及预先构建的岩层模型和钻头模型，获得相匹配的钻进参数以控制钻注设备。在钻注设备上布设传感器以获取岩层参数，通过预先构建的模型和获取的岩层参数，得到与当前岩层相匹配的钻进参数，并以此钻进参数控制钻注设备，从而使得钻注设备能够快速适应地质灾害影响区域的岩层，有利于灾害处置效率的提升。率的提升。率的提升。


技术研发人员：李术才 李利平 孙子正 金青 林春金
受保护的技术使用者：山东大学深圳研究院
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/10/8