一种精准泄压降低冻胀的施工方法与流程

1.本发明涉及冻结施工技术领域。具体地说是精准泄压降低冻胀的施工方法。


背景技术：

2.冻结法是穿越复杂地层和富水软土地层的一种重要的施工方法，其运用人工制冷的方法，将土体中水的冻结成冰，形成一个坚固、封闭的冻土环(冻结壁)，用以抵抗水土压力和隔绝地下水，并在冻结壁保护下进行开挖构筑。但冻结壁形成过程中会产生冻胀现象，冻胀引发上部地表、管线等结构变形，可能引发上部地表道路、结构破坏。
3.为减弱冻胀现象对上部地表道路、管线结构等破坏，工程中通常采用螺旋钻在冻结壁上部钻孔取土泄压，将土体钻出形成孔洞，冻胀产生后孔洞变小变扁，以达到降低上部冻胀的目的。目前，采用钻杆来进行实际取土泄压施工时，由于在孔口位置开始钻进取土，取土后的泥浆不断冲刷孔口附近土层，会造成整个钻孔取土后形成内小外大的“萝卜状”孔洞。且实际施工中，冻胀敏感结构(道路、管线、建筑等)是需要泄压的重点部位，其冻胀量是需要重点关注的指标，但采用目前的泄压方法，由于敏感结构(道路、管线、建筑等)距离孔口较远，会造成敏感结构附近地层泄压效果不明显，而孔口位置上部地层由于“萝卜孔”的形成而缓解冻胀现象较为明显，甚至可能引发严重沉降。


技术实现要素：

4.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够对距离孔口较远的冻胀敏感结构等重点部位进行精准泄压的精准泄压降低冻胀的施工方法，可以精确卸载冻胀敏感结构最大变形处的冻胀抬升。
5.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
6.一种精准泄压降低冻胀的施工方法，包括以下步骤：
7.步骤一：套管钻进至冻胀敏感结构下方地层，套管头端钻至需泄压的取土区域；
8.步骤二：在套管中钻入泄压钻杆，泄压钻杆钻至取土区域；
9.步骤三：向泄压钻杆中注入高压保水泥浆，泄压钻杆的出口端喷出的高压保水泥浆冲击土体，冲出的土体混合部分高压保水泥浆形成外排泥浆从套管中流出，在取土区域形成孔洞。
10.进一步的，在步骤一中，在套管下放完毕后，在开孔位置处的套管上安装泄压阀和压紧装置；在步骤二中，泄压钻杆钻入套管内后，在泄压钻杆外设置内密封结构进行密封。
11.进一步的，在步骤二中，泄压钻杆在套管内部跟管钻进，在泄压钻杆伸出套管的头端达到取土区域的时候在卸压钻杆内加注保水泥浆。，确保套管终点的土体被高压保水泥浆冲出。
12.进一步的，在步骤三中，根据冻胀敏感结构上覆地表以及结构沉降量，调节高压保水泥浆的射流压力和泄压阀的开启程度，以调节卸压孔洞大小。
13.进一步的，在步骤三中，监测上部敏感结构的沉降情况，根据沉降情况调整泄压时
间、射流压力和泄出的外排泥浆量。
14.进一步的，在步骤一中，在套管下放完毕后，在开孔位置外的套管的末端安装止水阀，并在套管施工完成后关闭止水阀；在泄压钻杆钻进时再打开止水阀。
15.进一步的，在钻进的孔口位置安装孔口管后再钻进套管；所述压紧装置包括外盘根和用于将外盘根约束至紧密接触套管外壁的外约束机构；所述内密封结构包括设置在泄压钻杆外的内盘根和用于将内盘根约束至紧密接触套管内壁和泄压钻杆外壁的内约束机构。
16.进一步的，所述内密封结构设置在套管的尾端，所述内密封结构包括设置在套管尾端的第二外管、装填在第二外管与泄压钻杆之间的内盘根和设置在第二外管尾端的内压筒，所述内压筒的前端按压在所述内盘根尾端。
17.进一步的，所述套管下放施工中带有不低于1
°
的仰角，以使外排泥浆全部流出。
18.进一步的，所述泄压钻杆包括钻头、第一钻杆和第二钻杆，所述钻头设置在第一钻杆的头端，所述第二钻杆安装在所述第一钻杆的尾端，所述第一钻杆上靠近头端的位置处对称安装有两个水平延伸的射流孔，所述射流孔的直径为1mm-3mm且内大外小，两个所述射流孔的轴线共线且过所述泄压钻杆的轴线。
19.本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
20.本发明首先施工套管至冻胀敏感结构下方的地层，使钻孔产生的泥浆在套管中流出，泥浆不会再冲刷孔口以及非取土区域外的地层，避免取土地层出现“萝卜状”孔洞；其次在套管中钻入泄压钻杆，并将泄压钻杆深入需要精准泄压的取土区域下方地层，使用高压保水泥浆冲孔，冲出冻胀敏感结构所在地层下方、冻结壁上部的土体形成孔洞；进而使冻结壁上部地层沉降，卸载冻结压力；
21.本发明实现了冻结壁冻胀敏感结构的冻胀抬升精准控制，通过对套管和泄压钻杆位置的精准控制，实现仅在冻胀敏感结构下方地层定点冲击土体形成泄压孔洞，通过监控敏感结构上部的沉降来进行泄压孔洞大小和泄压终点的控制，实现精准泄压，精准的减小冻胀量，达到安全冻结的目的。
附图说明
22.图1为本发明实施例的施工示意图；
23.图2为本发明一个实施例的内密封结构的示意图；
24.图3为本发明另一个实施例的内密封结构的示意图；
25.图4为本发明泄压钻杆的主视结构示意图；
26.图5为本发明泄压钻杆的侧视结构示意图。
27.图中附图标记表示为：1-钻头、2-射流孔、4-第一钻杆、5-对接螺纹、6-第二钻杆、7-泄压钻杆、8-套管、9-取土区域、10-冻结壁、11-管线、12-冻胀敏感结构抬升示意、13-孔口管、14-抱管、15-压力表、16-泄压管、17-泄压阀、18-外盘根、19-第一外管、20-外压筒、21-内盘根、22-内压筒、23-第二连接片、24-止水阀、25-第二外管、26-内挡环。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述。
29.如图1至图3所示，一种精准泄压降低冻胀的施工方法，包括以下步骤：
30.步骤一：首先需要确定泄压的位置，如图1所示，图1中显示出了取土区域9的位置示意，取土位置为冻结壁10上方的管线11等敏感结构抬升幅度最大、即最大变形位置下方的地层，图1中显示有冻胀敏感结构抬升示意12；在实际取土泄压时，在孔口位置开始钻进取土，在孔口位置安装孔口管13，套管8钻进至需要泄压的位置；采用跟管钻进的方式下放套管8，一节一节的下套管8达到预定的位置，将套管8头端钻至需泄压的取土区域9；套管8直径大于卸压钻杆直径；在套管8根管钻进的过程中，钻孔产生的泥浆从套管8中流出，不再会像背景技术中介绍的那样始终冲刷着孔口附近的土层，不会生产"萝卜状"孔洞；
31.在套管8下放完毕后，在开孔位置处的套管8上安装泄压阀17、压紧装置和止水阀24；所述泄压阀17超过一定压力自动排气，还具有手动阀门和压力表15，可以手动泄压，通过压力表15来观察地层内压力状况，配合泄压阀17来维持钻孔地层压力；所述压紧装置包括设置在套管8外的外盘根18，所述外盘根18密封套管8与孔口管13之间的间隙，避免套管8钻入富水地层时出现涌水涌沙，有利于维持钻孔地层压力；所述止水阀24采用球阀且安装在所述套管8的尾端，在套管8施工完成后关闭止水阀24，防止泥水从套管8中流出；本技术中的头端指的是钻进地层方向的一端，尾端指的是头端的反向；
32.步骤二：打开止水阀24，在套管8中钻入泄压钻杆7，泄压钻杆7在套管8内部跟管钻进，直至泄压钻杆7伸出套管8的头端达到取土区域9；此外，在泄压钻杆7钻入套管8内后，在泄压钻杆7外设置内密封结构对套管8和泄压钻杆7之间的间隙进行密封；
33.步骤三：泄压钻杆7精准钻至需泄压区域后(泄压钻杆7从套管8的头端伸出并露出射流孔2)在泄压钻杆7内加注高压保水泥浆，泄压钻杆7的射流孔2喷出的高压保水泥浆冲击土体，冲出的土体混合部分高压保水泥浆形成外排泥浆在重力的作用下从套管8中流出，套管8是保护了不需要冲孔的地层，从而高压保水泥浆的冲击仅能在取土区域9形成孔洞；根据所需泄压量，调节射流压力和泄压阀17的开启程度，控制排出的泥浆量，做到精准泄压，调节卸压孔洞大小，泄压量根据上部地层、结构变化，动态调整；具体的，监测上部敏感结构的沉降情况，根据沉降情况调整泄压时间、射流压力和泄出的外排泥浆量，待敏感结构抬升的变形已经下落至目标的范围内，即到达地层泄压的终点；
34.在泄压完成后，泄压钻杆7抽出，套管8埋在土层里面或者将套管8拔出后在遗留的孔中注浆处理均可。
35.具体的，在泄压钻杆7的头端达到取土区域9后，同时利用钻机小幅度的往复的抽拉、旋转泄压钻杆7，在取土区域9形成长条状、圆柱状或球形的孔洞，抬升的冻胀敏感结构完全位于该孔洞的正上方，孔洞塌孔后即可降低冻胀量；
36.采用以上工艺，本发明实现了冻结壁10冻胀敏感结构(道路、建筑、管线11等)的冻胀抬升精准控制，通过对套管8和泄压钻杆7位置的精准控制，实现仅在冻胀敏感结构下方地层泄压，通过监控敏感结构上部的沉降来进行泄压孔洞大小和泄压终点的控制，实现精准泄压，达到安全冻结的目的。
37.进一步的，所述套管8下放施工中带有不低于1
°
的仰角，即精准卸压区域高于钻孔开孔区域，实际的角度以具体施工工况为准；该角度可以使冲孔的高压保水泥浆在自重作用下通过套管8流出，避免出现泥浆支撑孔洞不塌孔、泥浆中的水分迁移至冻结壁10内造成
冻胀增大等不利情况出现。
38.进一步的，如图4至图5所示，所述泄压钻杆7包括钻头1、第一钻杆4和第二钻杆6，所述钻头1设置在第一钻杆4的头端，该头端指的是泄压钻杆7首先进入套管8的一端；所述第二钻杆6安装在所述第一钻杆4的尾端，第一钻杆4和第二钻杆6长度为1m-2m，均采用地质钻杆，相邻的两个地质钻杆之间螺纹连接，螺纹连接用的对接螺纹5设置在第一钻杆4和第二钻杆6的端部，图4和图5中示意出了对接螺纹5，且接头位置密封不漏水；所述第一钻杆4上靠近头端的位置处对称焊接有两个水平延伸的射流孔2，射流孔2的孔壁外形近似为锥型，所述射流孔2的直径为1mm-3mm且内大外小，两个所述射流孔2的轴线共线且过所述泄压钻杆7的轴线，射流孔2射流冲刷土体。
39.进一步的，如图1至图3所示，在所述套管8下放完毕后，尾端最后一节套管8侧壁上开设有泄压孔，所述孔口管13的尾端设置有罩设在泄压孔外的抱管14，所述抱管14的头端法兰连接在所述孔口管13的尾端，且所述抱管14头端与所述孔口管13连通；所述抱管14的侧壁上连通有泄压管16，所述泄压阀17安装在所述泄压管16上；所述压紧装置还包括用于将外盘根18约束至紧密接触套管8外壁的外约束机构；所述外约束机构包括外压筒20和法兰连接在抱管14尾端的第一外管19，所述第一外管19的尾端设置有第一连接片，所述外压筒20通过螺栓螺母连接在第一连接片上，所述外压筒20的头端伸入第一外管19与套管8之间且抵压在所述外盘根18的尾端、挤压盘根使其达到将套管8与第一外管19之间的间隔密封效果。
40.在一个实施例中，如图2所示，所述内密封结构包括设置在泄压钻杆7外的内盘根21和用于将内盘根21约束至紧密接触套管8内壁和泄压钻杆7外壁的内约束机构，所述内约束机构包括内压筒22和固定设置在最后一节所述套管8内壁内侧的内挡环26，所述内挡环26上设置有若干过流孔，内挡环26的内壁不与泄压钻杆7接触；最后一节所述套管8的尾端设置有第二连接片23，所述止水阀24通过第二连接片23与最后一节所述套管8法兰连接，所述内压筒22的尾端设置有固定环片，所述固定环片夹紧固定在止水阀24与第二连接片23之间，所述内盘根21填充在套管8、泄压钻杆7、内挡环26与内压筒22尾端围成的填料空间内；本实施例中，仅需要使用一节特制的套管8和内压筒22即可实现内盘根21的安装，所述泄压孔也特制的套管8上过流孔，泄压钻杆7密封所需的部件更少，成本低。
41.在另一个实施例中，采用另外一种结构的内密封结构：如图3所示，所述止水阀24设置在套管8的尾端，所述内密封结构设置在止水阀24的尾端，所述内密封结构包括连接在所述止水阀24尾端的第二外管25、装填在第二外管25与泄压钻杆7之间的内盘根21和设置在第二外管25尾端的内压筒22，所述第二外管25的尾端设置有第三连接片，所述内压筒22的尾端设置有固定环片，所述固定环片通过螺栓螺母安装在第三连接片上，所述内压筒22的前端伸入在第二外管25与泄压钻杆7之间且按压在所述内盘根21尾端，使得内盘根21紧密的接触在泄压钻杆7的外壁上，防止外排泥浆从此处泄露，使得外排泥浆的出口唯一、只能从泄压阀17处排出，便于实现泄压量的精准控制；本实施例直接将内密封结构安装在套管8以及止水阀24的最尾端，无需拆卸其他部件，即可实现便捷安装，在钻杆伸入止水阀24以及套管8后可快速的实现套管8与泄压钻杆7之间间隙的密封。
42.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或
变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。