一种降水井的成孔装置及成孔方法与流程

1.本技术涉及建筑施工领域，尤其是涉及一种降水井的成孔装置及成孔方法。


背景技术：

2.为了保证深基坑施工的安全性，需要通过降水井来对基坑进行降排水操作，降低地下水位。
3.目前，降水井的施工方法主要包括以下步骤：1、利用钻机在基坑内进行钻井作业；2、将井管插入井孔内；3、沿井孔的边沿位置向井管与井孔侧壁之间填充砂砾；4、洗井：在井管内放置污水泵，从井孔外向井管与井孔的侧壁之间注入清水，利用污水泵持续从井管内抽水，直到污水泵排出的水流清澈。
4.然而，钻机在钻孔的过程中，若地质条件不好，加上水流的冲击，会造成孔口部分坍塌，需要重新选择位置进行钻孔成井，延缓了施工进程，且孔口坍塌后，可能会对钻机产生一定的损伤。


技术实现要素：

5.为了改善钻孔过程中，孔口部分容易坍塌的问题，本技术提供一种降水井的成孔装置及成孔方法。
6.第一方面，本技术提供一种降水井的成孔装置，采用如下的技术方案：一种降水井的成孔装置，包括设有钻杆和钻头的牙轮钻机，所述钻杆带动钻头向下钻动形成井道，所述钻杆内设有朝向钻头喷水的输水道；所述钻杆的外侧套设有环状的气垫，气管连通输气设备向气垫内输入气体，所述气垫的外侧与井道贴合，所述气垫的内侧设有限位套管，所述限位套管与钻杆之间存在间隙；所述气垫的另一侧与所述气垫内设有多个竖向贯通的泥浆通道。
7.通过采用上述技术方案，输水道的持续喷水作用，一方面能够对钻头进行降温，防止钻头烧毁，另一方面喷出的水由下至上逐渐充满井道，在这一过程中，会将钻头钻孔过程中产生的泥土、碎石等杂物从井道内带出，这样，不需要钻头反复提升、将钻出的泥土倒出，提高了钻孔效率；在牙轮钻机驱动钻杆转动、钻杆带动钻头进行钻动的过程中，将气垫设置在井道的井口处，通过输气设备使得气垫进入膨胀状态，当气垫的外侧与井道的内壁贴合、且在限位套管的限位作用下，气垫达到最大膨胀度，能够实现对井道的井口处的可靠支撑，防止在钻头持续向下钻动的过程中，井道的井口处发生坍塌；输水道喷出的水和泥土混合成泥浆，泥浆通过气垫上的泥浆通道排出；通过设置限位套管，使得气垫在膨胀并为井道的井口处提供足够的支撑力的同时，能够与钻杆之间保持间隙，这样，能够防止气垫或限位套管对钻杆的转动产生干涉。
8.可选的，所述限位套管的顶部高度不低于所述气垫的顶部高度，所述限位套管的底部高度不高于所述气垫的底部高度。
9.通过采用上述技术方案，对限位套管的高度及安装位置进行了限定，也就是说，气垫的内侧能够完全与限位套管接触，这样，确保了在限位套管的限位作用下，气垫能够可靠膨胀、并产生足够的支撑力，进一步的，限位套管为钢管等不易变形的材料制作，不会在气垫的挤压下产生形变，进而可靠地进行径向的限位。
10.可选的，还包括中部开口的集水槽，所述气垫的顶部设有与集水槽连接的连接板，所述集水槽用于收集泥浆并输送到集水坑内；所述集水槽和连接板上均设有若干与泥浆通道分别且一一对应的通孔。
11.通过采用上述技术方案，在地面上设置集水槽并通过连接板将集水槽连接在气垫的顶部，能够实现对气垫的轴向的定位，也就是能够防止气垫向井道的下方掉落；进一步的，集水槽上的若干通孔、连接板上的若干通孔和气垫上的若干泥浆通道分别且一一对应，形成多个贯通的通道，用于将井道内的泥浆排出到外部。
12.可选的，所述集水槽的外径大于井道的内径，所述集水槽的外壁上设有缺口，所述缺口朝向与集水坑连通的排水沟。
13.通过采用上述技术方案，将集水槽的外径设为大于井道的内径的状态，且集水槽的外径至少大于井道的内径两倍，这样，能够有效增大集水槽与地面的接触面积，一方面能够提高集水槽安装后的稳定性，另一方面能够使得集水槽能够容纳更多从井道内溢出的泥浆，缓解泥浆向外排放的压力，进而有效防止泥浆四处漫溢，而且，泥浆通过从气垫内部的泥浆通道直接排入到集水槽内，避免了含水的泥浆与井道的井口接触，这样最大程度上保持了井道的井口处的干燥，防止泥浆对井道的井口造成侵蚀而更加容易坍塌，显著提高了对井道的井口处的支撑效果；在集水槽与集水坑之间还设有排水沟，集水槽内的泥浆通过缺口直接流入到排水沟内，再通过排水沟将泥浆引入集水坑，集水槽的外径较大，使得与地面直接接触的排水沟及集水坑均远离井道，防止泥浆中的水再次渗入到地面下、并影响井道周边土壤的紧实度，进一步提高对井道的井口的防塌效果。
14.可选的，所述气垫的内部还设有支管，所述支管的一端与气管连通，所述支管的另一端穿过气垫及限位套管并与间隙连通，所述支管上装配有压差阀。
15.通过采用上述技术方案，气管与输气设备连通，输气设备向气垫供气、使得气垫膨胀，在气垫达到所需要的膨胀度后，气垫内的气压仍小于压差阀；在间隙被泥浆部分堵塞时（间隙处泥浆排出速度明显降低或钻杆的扭矩增大），输气设备继续向气垫内输气，使得气垫内的气压进一步升高，这样，当气垫内的气压达到压差阀的阈值后，压差阀会开启，会有部分压力较高的气体从支管处排入到间隙内，形成对间隙的冲洗作用，清除卡在间隙内的较大的杂物，确保间隙处于畅通的状态，也就确保了钻杆能以预设的扭矩可靠地转动，也不会因为间隙的堵塞，造成限位套管与气垫的跟转，使得气垫对井道的井口的支撑作用可靠。
16.可选的，所述气管位于气垫外部的部分为软质管、位于气垫内部的部分为硬质管，所述支管为硬质管。
17.通过采用上述技术方案，在拆装气垫时，位于气垫外部的气管选择软质管，可以更加方便管路的调整，而由于压差阀装配在气垫的内部，需要选择硬质管作为气管和支管，从而实现对压差阀的支撑作用，也能够防止压差阀因重力下坠，造成支管弯曲、内径变小，而影响压差阀开启后气流的快速且大量喷出，也就影响了对堵塞的间隙的冲洗作用。
18.可选的，所述气垫的外侧还间隔设有若干凸条，所述凸条沿竖直方向伸展，所述凸
条的长度不低于气垫的高度。
19.通过采用上述技术方案，在气垫膨胀完毕后，凸条会被压入井道的内壁或者与井道内壁之间紧密贴合，这样，在间隙发生一定堵塞、限位套管和气垫产生跟转的倾向时，凸条在井道内壁上的嵌入或紧密贴合能够实现对跟转的抑制作用，为压差阀开启、实现对间隙的反冲洗留下足够的时间余量。
20.第二方面，本技术提供一种降水井的成孔方法，采用如下的技术方案：一种降水井的成孔方法，包括如下步骤：s1、结合图纸并利用测量方法确保钻孔位置，在钻孔位置处设置标记，并在标记的外侧开挖集水坑；s2、将牙轮钻机移动至相应位置，将钻杆竖起且钻杆的底部距离地面1-1.5m；s3、将集水槽、连接板、限位套管及未充气的气垫依次套入钻杆，然后将钻头与钻杆进行装配、连接；s4、水源向输水道输送水体，水体浸润钻头后，牙轮钻机启动、钻孔开始钻孔、形成深度逐渐变大的井道，在钻孔深度达到气垫高度的2-3倍后，停止钻孔；s5、将气管与输气设备连通，将气垫放入井道，保持连接板的顶部与井道的井口平齐后，输气设备向气垫输气、气垫开始膨胀；s6、在凸条陷入井道的内壁后，输气设备停止输气，通过螺栓锁紧连接板与集水槽后，继续钻孔至预设深度，成孔完毕。
21.通过采用上述技术方案，对气垫在钻杆上的安装顺序进行限定，确保了在钻头与钻杆连接前，进行气垫的安装，这样，能够防止钻头过大，造成限位套管无法穿过的情况。
22.可选的，在步骤s3中，先在限位套管的底部与地面之间设置木棍、形成对气垫及限位套管的简易支撑，然后再进行钻头与钻杆的连接。
23.通过采用上述技术方案，由于限位套管与钻杆之间无相互接触，通过木棍的建议支撑作用，可以防止在钻头钻孔的初期，限位套管与气垫向下掉落后与钻头接触，造成限位套管或气垫损坏甚至人员受伤。
24.可选的，在钻孔过程中，定期开启输气设备，气垫内的气压达到压差阀的阈值、压差阀开启，气垫内的部分气体通过支管冲入间隙内、形成对间隙的冲洗。
25.通过采用上述技术方案，可以通过定期开启输气设备的方式，主动进行对间隙的冲洗，防止间隙堵塞。
26.综上所述，本技术包括以下有益效果：1、通过输气设备对气垫充气使其逐渐膨胀，当气垫的外侧与井道的内壁贴合、且在限位套管的限位作用下，气垫达到最大膨胀度，能够实现对井道的井口处的可靠支撑，防止在钻头持续向下钻动的过程中，井道的井口处发生坍塌。
27.2、通过在气垫的上方设置连接板及集水槽，使得泥浆从气垫内部的泥浆通道直接排入到集水槽内，避免了含水的泥浆与井道的井口接触，这最大程度上保持了井道的井口处的干燥，，显著提高了对井道的井口处的防坍塌效果。
附图说明
28.图1是本技术中成孔装置的示意性立体图；
图2是图1所示成孔装置的钻杆及集水槽的示意性俯视图；图3是沿图2中的剖切线a-a截取的示意性剖视图；图4是图3所示的b处示意性局部放大视图，其中示出了气垫的内部结构。
29.图5是支管与限位套管的连接结构示意图。
30.图中： 1、牙轮钻机；11、钻杆；111、输水道；2、井道；3、气垫；31、泥浆通道；32、凸条；4、输气设备；41、气管；42、支管；420、压差阀；5、限位套管；50、间隙；6、集水槽；61、通孔；62、缺口；63、螺栓；7、连接板；8、集水坑；80、排水沟。
具体实施方式
31.图1是本技术中成孔装置的示意性立体图。参见图1， 一种降水井的成孔装置，包括设有钻杆11和钻头的牙轮钻机1，钻杆11带动钻头向下钻动形成井道2，钻杆11内设有朝向钻头喷水的输水道111；钻头和钻杆11连接后会存在缝隙，输水道111内的水体通过缝隙喷向钻头，实现对钻头的降温并钻头钻出的与泥土混合后形成泥浆，泥浆会由下至上充满井道2，最后从井道2内溢出，通过形成泥浆，实现钻头钻出的泥土的自动排出，无需通过反复提升钻头的方式，将钻头钻出的泥土带出，提高了钻孔的连续性，进而能够提高钻孔效率；图2是图1所示成孔装置的钻杆11及集水槽6的示意性俯视图，图3是沿图2中的剖切线a-a截取的示意性剖视图。参见图2和图3，钻杆11的外侧套设有环状的气垫3，气垫3的内侧固定设有限位套管5，且限位套管5为硬性的不可产生形变的材质，使得气垫3不会与间隙50直接接触，气垫3的外侧固定设有凸条32，气垫3内穿设有用于与输气设备4连接的气管41，输气设备4向气垫3输气后、气垫3开始膨胀，当凸条32陷入井道2或与井道2的内壁紧密贴合后，气垫3达到最大膨胀状态，输气设备4停止输气，并保持气垫3内的气压恒定，此时，限位套管5与钻杆11为同轴状态，且限位套管5与钻杆11之间有用于确保钻杆11可靠转动的间隙50。
32.泥浆由下至上逐渐充满井道2，并从井道2的上方溢出，由于气垫3的外侧与井道2贴合、气垫3内留有尺寸大于间隙50的泥浆通道31，使得泥浆会通过泥浆通道31向外溢出，不会与井道2的井口处产生接触，有效确保气垫3对井道2的井口处的可靠支撑。
33.图4是图3所示的b处示意性局部放大视图。参见图4，在气垫3的上方依次设置连接板7和集水槽6，且集水槽6和连接板7上均设有若干与泥浆通道31分别且一一对应的通孔61，使得泥浆在经过泥浆通道31后会依次通过连接板7的通孔61及集水槽6的通孔61，并临时集中在集水槽6内，也就是说，泥浆在排入集水槽6的过程中，不会与井道2的井口处产生接触，也就不会造成井道2的井口处的土壤松动，而集水槽6与集水坑8之间设有排水沟，集水槽6的外壁上设有缺口62，缺口62与排水沟对应，这样，泥浆会通过缺口62进入到排水沟内，再通过排水沟进入到集水坑8，由于集水槽6的外径大于井道2的内径，这样，排水沟与井道2之间也存在一定的距离，从而使得泥浆井道2溢出至流入集水坑8的过程中，均不会与井道2及井道2周边的土壤接触，有效防止泥浆对井道2的井口或井道2周边的土壤产生侵蚀，造成土壤松动而坍塌，也就使得气垫3对井道2的支撑作用有效；而且，由于集水槽6的尺寸较大，会对井道2的井口处的土壤形成轴向的压迫作用，结合气垫3对井道2的井口处的径向支撑作用，显著提高对井道2的井口处的支撑效果。
34.图5是支管42与限位套管5的连接结构示意图。参见图5，在气管41位于气垫3内的部分上设置支管42，支管42的一端连通气管41、另一端连通间隙50，且支管42上设置有压差阀420，这样，在间隙50发生堵塞后，通过输气设备4增大气垫3内的气压，使得气压突破压差阀420的阈值后，气垫3内的部分气体能从气垫3内排出，形成对间隙50进行冲洗的脉冲气流，有效清除间隙50内堵塞的杂质，防止间隙50堵塞后，钻杆11对限位套管5及气垫3产生跟转作用，确保气垫3处于静止地可靠地对井道2的井口处的支撑作用，防止井道2的井口处的坍塌。
35.本技术使用一种降水井的成孔装置进行成孔的方法，具体包括如下步骤：s1、结合图纸并利用测量方法确保钻孔位置，在钻孔位置处设置标记，并在标记的外侧开挖集水坑；s2、将牙轮钻机1移动至相应位置，将钻杆11竖起且钻杆11的底部距离地面1-1.5m；s3、将集水槽6、连接板7、限位套管5及未充气的气垫3依次套入钻杆11，然后再限位套管5的底部与地面之间设置木棍、形成对气垫3及限位套管5的简易支撑，最后将钻头与钻杆11进行装配、连接；s4、水源向输水道111输送水体，水体浸润钻头后，牙轮钻机1启动、钻孔开始钻孔、形成深度逐渐变大的井道2，在钻孔深度达到气垫3高度的2-3倍后，停止钻孔；s5、将气管41与输气设备4连通，将气垫3放入井道2，保持连接板7的顶部与井道2的井口平齐后，输气设备4向气垫3输气、气垫3开始膨胀；s6、在凸条32陷入井道2的内壁后，输气设备4停止输气，通过螺栓63锁紧连接板7与集水槽6后，继续钻孔至预设深度，成孔完毕。
36.通过使用上述方法，对钻孔流程进行了详细安排，确保用于支撑井道2的井口处的气垫3能在钻头钻出一定深度的井道2后，能顺畅地放入到井道2内，再通过输气设备4输气，实现气垫3的膨胀，进而使得气垫3形成对井道2的井口处于的径向支撑作用，再配合尺寸较大的集水槽6且集水槽6内存有泥浆，使得集水槽6的整体重量较大，能够形成对井道2的井口处的轴向压紧作用，在气垫3径向支撑、集水槽6轴向压紧的双重作用下，井道2的井口处能保持紧实的状态、不会发生坍塌。
37.在钻孔过程中，定期开启输气设备4，气垫3内的气压达到压差阀420的阈值、压差阀420开启，气垫3内的部分气体通过支管42冲入间隙50内、形成对间隙50的冲洗，这样，避免了在间隙50堵塞后再进行冲洗而错过最佳的冲洗时间，进而造成气垫3发生跟转，在无法起到对井道2的井口的支撑作用的同时，甚至会因为自身转动，而促进井口的坍塌，也就是说，通过有计划地周期性的主动清洗，可以有效避免间隙50的堵塞，确保气垫3及钻杆11均处于可靠的工作状态。
38.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种降水井的成孔装置，包括设有钻杆(11)和钻头的牙轮钻机(1)，所述钻杆(11)带动钻头向下钻动形成井道(2)，其特征在于，所述钻杆(11)内设有朝向钻头喷水的输水道(111)；所述钻杆(11)的外侧套设有环状的气垫(3)，气管(41)连通输气设备(4)向气垫(3)内输入气体，所述气垫(3)的外侧与井道(2)贴合，所述气垫(3)的内侧设有限位套管(5)，所述限位套管(5)与钻杆(11)之间存在间隙(50)；所述气垫(3)的另一侧与所述气垫(3)内设有多个竖向贯通的泥浆通道(31)。2.根据权利要求1所述的种降水井的成孔装置，其特征在于，所述限位套管(5)的顶部高度不低于所述气垫(3)的顶部高度，所述限位套管(5)的底部高度不高于所述气垫(3)的底部高度。3.根据权利要求1所述的种降水井的成孔装置，其特征在于，还包括中部开口的集水槽(6)，所述气垫(3)的顶部设有与集水槽(6)连接的连接板(7)，所述集水槽(6)用于收集泥浆并输送到集水坑(8)内；所述集水槽(6)和连接板(7)上均设有若干与泥浆通道(31)分别且一一对应的通孔(61)。4.根据权利要求3所述的种降水井的成孔装置，其特征在于，所述集水槽(6)的外径大于井道(2)的内径，所述集水槽(6)的外壁上设有缺口(62)，所述缺口(62)朝向与集水坑(8)连通的排水沟(80)。5.根据权利要求1所述的种降水井的成孔装置，其特征在于，所述气垫(3)的内部还设有支管(42)，所述支管(42)的一端与气管(41)连通，所述支管(42)的另一端穿过气垫(3)及限位套管(5)并与间隙(50)连通，所述支管(42)上装配有压差阀(420)。6.根据权利要求5所述的种降水井的成孔装置，其特征在于，所述气管(41)位于气垫(3)外部的部分为软质管、位于气垫(3)内部的部分为硬质管，所述支管(42)为硬质管。7.根据权利要求1所述的种降水井的成孔装置，其特征在于，所述气垫(3)的外侧还间隔设有若干凸条(32)，所述凸条(32)沿竖直方向伸展，所述凸条(32)的长度不低于气垫(3)的高度。8.一种降水井的成孔方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、结合图纸并利用测量方法确保钻孔位置，在钻孔位置处设置标记，并在标记的外侧开挖集水坑(8)；s2、将牙轮钻机(1)移动至相应位置，将钻杆(11)竖起且钻杆(11)的底部距离地面1-1.5m；s3、将集水槽(6)、连接板(7)、限位套管(5)及未充气的气垫(3)依次套入钻杆(11)，然后将钻头与钻杆(11)进行装配、连接；s4、水源向输水道(111)输送水体，水体浸润钻头后，牙轮钻机(1)启动、钻孔开始钻孔、形成深度逐渐变大的井道(2)，在钻孔深度达到气垫(3)高度的2-3倍后，停止钻孔；s5、将气管(41)与输气设备(4)连通，将气垫(3)放入井道(2)，保持连接板(7)的顶部与井道(2)的井口平齐后，输气设备(4)向气垫(3)输气、气垫(3)开始膨胀；s6、在凸条(32)陷入井道(2)的内壁后，输气设备(4)停止输气，通过螺栓(63)锁紧连接板(7)与集水槽(6)后，继续钻孔至预设深度，成孔完毕。9.根据权利要求7所述的一种降水井的成孔方法，其特征在于，在步骤s3中，先在限位
套管(5)的底部与地面之间设置木棍、形成对气垫(3)及限位套管(5)的简易支撑，然后再进行钻头与钻杆(11)的连接。10.根据权利要求7所述的一种降水井的成孔方法，其特征在于，在钻孔过程中，定期开启输气设备(4)，气垫(3)内的气压达到压差阀(420)的阈值、压差阀(420)开启，气垫(3)内的部分气体通过支管(42)冲入间隙(50)内、形成对间隙(50)的冲洗。

技术总结
本申请提供了一种降水井的成孔装置及成孔方法，涉及建筑施工领域。其包括设有钻杆和钻头的牙轮钻机，所述钻杆带动钻头向下钻动形成井道，所述钻杆内设有朝向钻头喷水的输水道；所述钻杆的外侧套设有环状的气垫，气管连通输气设备向气垫内输入气体，所述气垫的外侧与井道贴合，所述气垫的内侧设有限位套管，所述限位套管与钻杆之间存在间隙；所述气垫的另一侧与所述气垫内设有多个竖向贯通的泥浆通道。本申请具有能够防止钻孔过程中，孔口部分出现坍塌的效果。出现坍塌的效果。出现坍塌的效果。


技术研发人员：张天桃 张帮华 黄益宝 金大德 周钊
受保护的技术使用者：江苏建宇建设集团有限公司
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/7/20