基于顶锤式跟管钻进的钻孔钻进方法及施工过程的加固方法

技术领域

本发明涉及土壤、岩石的钻孔钻进方法技术领域，更具体地说，涉及一种基于顶锤式跟管钻进的钻孔钻进方法及施工过程的加固方法。

背景技术

在建筑领域中，钻孔深度的设置通常有较为严格的要求。当钻孔深度较深时，钻孔的传统加固方式是，先利用露天钻机在施工地面向下钻孔，再向钻孔内注浆，浆料凝固后形成为加固结构。但在裂隙带、破碎带等复杂地层情况下，钻头退出钻孔后，钻孔的孔壁失去支撑，容易发生塌孔现象。为避免塌孔现象的发生，目前常用的护孔方式是，在钻杆退出钻孔后，先向钻孔内插入钢制套管，再向套管内注浆，以稳固地层。

然而，受到钢制套管长度的限制，上述的这种护孔方式，只能在钻孔靠近顶端的部分实现稳固地层的作用，钻孔中钢制套管无法沿及的部分仍然具有发生塌孔的风险，存在较大的安全隐患。

为解决上述问题，现有技术中的跟管钻进是较为可行的一种施工方式。一般来说，跟管钻进的钻具有同心跟管钻具和偏心跟管钻具这两种，例如申请号为2012102948866的中国专利文件公开的同心跟管钻具，以及申请号为2003201152028的中国专利文件公开的潜孔锤偏心跟管钻具。同时，现有技术中的跟管钻进通常采用潜孔锤钻具或钻头实现跟管钻进，例如申请号为2014108498585的中国专利文件公开的潜孔锤跟管钻头、申请号为2008200543648的中国专利文件公开的潜孔同心跟管扩孔钻具、申请号为2010102750305的中国专利文件公开的潜孔锤反循环同心跟管钻进钻具。

一般来说，在建筑领域中，潜孔锤钻机适用于大孔径、深孔等要求高性能的直桩或钻孔，多用于垂直地面的预埋孔/钻孔的钻进施工。然而，在其他领域中，潜孔锤钻机的占用空间大、前部重量较大，且钻孔效率较低，并不适用于复杂地质环境中短孔、直孔、倾斜孔的钻进施工。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中潜孔锤式钻进设备不适用于复杂地质环境中短孔、直孔、倾斜孔的钻进施工的不足，提供一种基于顶锤式跟管钻进的钻孔钻进方法，旨在提高复杂地质环境中短孔、直孔、倾斜孔的钻进效率和钻孔的结构强度。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于顶锤式跟管钻进的钻孔钻进方法，利用滑动设置在推进梁上的顶锤式凿岩机驱动主钻杆钻进；同时，所述主钻杆的第一连接端与主套管的头部可配合地连接，并驱使所述主套管与主钻杆同步钻进。

进一步地，所述主套管完成钻进后，先将顶锤式凿岩机与主钻杆拆杆，顶锤式凿岩机再回退至初始位置，然后在主钻杆上连接附加钻杆；之后，在所述附加钻杆上套设附加套管，并完成所述主套管与附加套管的接管；最后，顶锤式凿岩机与附加钻杆接杆，并驱使所述主套管与主钻杆继续同步钻进。

进一步地，所述主套管完成钻进后，若当主钻杆露出于主套管的长度大于所述附加套管的长度时，直接在所述主套管上套设附加套管，并完成所述主套管与附加套管的接管；之后，顶锤式凿岩机与主钻杆接杆，并驱使所述主套管与主钻杆继续同步钻进。

进一步地，所述主套管完成钻进后，先将顶锤式凿岩机与主钻杆拆杆，顶锤式凿岩机再回退至初始位置，然后在主钻杆上连接附加钻杆；之后，利用推进梁上设置的机械手，将推进梁上储存库内的套设有附加套管的附加钻杆搬送至接杆位置，并完成所述主套管与附加套管的接管；最后，顶锤式凿岩机与附加钻杆接杆，并驱使所述主套管与主钻杆继续同步钻进。

进一步地，所述储存库包括，

支架，所述支架连接在所述推进梁上；

转动轴，所述转动轴与所述支架转动连接，所述转动轴上设置有至少两个卡盘，所述卡盘在周向上设置有若干个卡口，不同卡盘上处于对应位置处的卡口共同形成为用于放置附加钻杆的卡位；

阻挡部，所述阻挡部设置在所述支架上，所述阻挡部上开设有缺口；

所述储存库被配置为：仅当转动轴带动卡盘转动，以使位于卡位上的附加钻杆转动至缺口所对应的位置处时，所述机械手将处于缺口所对应位置处的附加钻杆搬送至所述接杆位置。

进一步地，在附加套管与主套管接管之前，利用设置在所述附加套管与附加钻杆之间的塞件阻止所述附加套管在所述附加钻杆上轴向滑动；在附加套管与主套管接管时，将所述塞件取下。

进一步地，所述附加套管完成钻进后，先将顶锤式凿岩机与主钻杆拆杆，顶锤式凿岩机再回退至初始位置；之后，

若当附加钻杆露出于附加套管的长度大于附加套管的长度时，将另一根附加套管搬送并套设在附加钻杆上，然后进行接管操作；

若当附加钻杆露出于附加套管的长度小于附加套管的长度时，将另一根附件钻杆搬送至接杆位置并进行接杆，然后进行另一根附加套管的接管操作；

另一根附加套管的接管完成后，顶锤式凿岩机与位于最后端的附加钻杆连接，顶锤式凿岩机通过若干个附加钻杆驱动主钻杆继续钻进。

进一步地，利用推进梁上设置的卷扬机和滑轮组件配合，实现附加套管吊起和搬运。

本发明的一种施工过程的加固方法，利用上述的钻孔钻进方法进行钻孔的钻进施工；之后，向留在钻孔内的套管内注浆，以完成对基础和/或地层的加固。

进一步地，所述施工过程为地铁施工中的坍塌预防处理过程，或者为地铁通道产生坍塌后的处理过程。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的钻孔钻进方法，利用顶锤式凿岩机实现主钻杆的顶锤式推进，同时利用主钻杆上设置的主套管实现跟管钻进，使得利用本发明的顶锤式跟管钻进推进器加工形成的孔具有较高的稳定性适合复杂地质环境中短孔、直孔、倾斜孔的钻进施工，且钻进施工的效率更高。

(2)本发明的钻孔钻进方法，主钻杆与顶锤式凿岩机之间为可传动连接，可以通过增加附加钻杆延长主钻杆的钻进深度，而不需像潜孔锤式钻进机对场地空间有较高要求。

(3)本发明的钻孔钻进方法，可利用推进梁上设置储存库存储附加钻杆，因而在需要时，能够快速完成主钻杆与附加钻杆的接杆，以延长钻进深度；附加钻杆上套设有附加套管，因而在完成主钻杆的接杆后，可以直接将附加钻杆上附加套管与主套管连接，从而实现主套管的接管，能够提高推进器整体的钻进速度。

(4)本发明的施工过程加固方法，使施工过程更加有效、准确、快捷、经济性，减少乃至避免后期施工出现坍塌事故危险几率，提高安全保障。应用在地铁施工中，在前期基础施工以及地铁通道的抢险救灾方面而言，同样更加有效、准确、快捷，缩短时间，能够避免二次塌方，避免造成二次经济损失，给施工人员带来安全保障。

附图说明

图1为本发明的推进器的结构示意图；

图2为本发明中附加跟管组件的结构示意图；

图3为本发明中塞件的结构示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

在建筑领域中，潜孔锤式跟管钻进设备是常用的垂直钻孔施工设备，即常用于垂直于地面的钻孔的施工。然而，受到潜孔锤式钻杆自身结构的限制，潜孔锤式跟管钻进设备对于场地空间的高度要求较高，且潜孔锤式钻杆钻头部分重量较重、尺寸较大，很难实现细短钻孔的钻进，因而潜孔锤式跟管钻进设备特别不适用于地质环境复杂和现场环境复杂的钻孔钻进施工。

例如，在地铁施工过程中进行坍塌预防处理，或者在地铁坍塌产生后的处理过程中，需要对地基裂隙带、破碎带、坍塌段进行加固后再开挖施工，但受到自身结构的影响，潜孔锤式跟管钻进设备无法进入施工地点，因而不适用于地铁塌方的预防和处理。

在现有技术中，顶锤式凿岩机是凿岩设备的钻进驱动设备。顶锤式凿岩机在驱动钻杆钻进时，顶锤式凿岩机的驱动力作用在钻杆的顶端，即作用在钻杆上与顶锤式凿岩机的运动端连接的一端，这种钻进方式就是本实施方式所称的顶锤式钻进。

本实施方式提供的推进器，其整体尺寸较小，使得配置有本实施方式的钻进设备尺寸能够适应复杂的现场环境；同时，本实施方式顶锤式跟管钻进推进器能够在钻进的同时向钻孔内配置套管，从而防止钻孔的塌孔现象，进而提高钻孔结构的稳定性。

具体的，参照图1，本实施方式的顶锤式跟管钻进推进器，其包括顶锤式凿岩机300、主跟管组件600、夹钎器500和推进梁700。其中，顶锤式凿岩机300滑动设置在推进梁700上，并能够沿着第一方向移动，夹钎器500设置在推进梁700上靠近前端的位置。应当指出的是，在本实施方式中，第一方向指的是推进梁700的长度方向，例如图1中标示的x方向，第二方向指的是推进梁700的高度方向，例如图1中标示的y方向，第三方向指的是推进梁700的宽度方向，例如图1中标示的z方向；本实施方式中描述的顶锤式凿岩机300沿着第一方向移动指的是，顶锤式凿岩机300可以沿着第一方向前进和后退。

主跟管组件600包括主钻杆和主套管，主套管套设在主钻杆上；主套管的长度小于主钻杆的长度，因而主钻杆靠近于顶锤式凿岩机300的一端可以露出于主套管，从而方便于主钻杆的安装/接杆。

主钻杆的第一连接端与主套管的头部可配合地连接，即，主钻杆的第一连接端上设置有钻头，主钻杆转动时，钻头与主套管的头部传动连接，从而能够带动主套管的头部相对于主套管的管身转动，同时套管的管身在其头部的牵引下向钻孔内配置，实现跟管钻进。主钻杆的第一连接端与主套管的头部的可配合连接结构可以参考潜孔锤式跟管钻进设备中钻杆与套管的连接结构，例如但不限于申请号为2012102948866的中国专利文件、申请号为2003201152028的中国专利文件。

主钻杆的第二连接端与顶锤式凿岩机300可传动地连接，即，顶锤式凿岩机300运动端的动力能够传递给主钻杆的第二连接端，从而实现顶锤式凿岩机300对于主钻杆的钻进驱动。其中，主钻杆的第二连接端与顶锤式凿岩机300可传动地连接指的是，第二连接端与顶锤式凿岩机300的运动端之间既可以直接连接，又可以通过传动件连接；在某些场景中，传动件可以是附加钻杆110，从而增加本实施方式的钻进器的钻进深度。

例如，在钻孔施工中，若钻孔的设计深度较高，而主钻杆和/或主套管的长度小于钻孔的设计深度时，通常需要进行接杆和/或接管，以实现钻进深度的延长。同时，在本实施方式中，由于主套管的长度小于主钻杆的长度，因而延长钻进深度通常只有两种方式，一种是仅进行接管，即延长套管长度；另一种是进行接杆和接管，即延长钻杆和套管的长度。

对于第一种方式，顶锤式凿岩机300从推进梁的后端开始驱使主跟管组件600钻进，当主套管的尾端经过夹钎器500之后，夹钎器500夹紧主钻杆，主钻杆与顶锤式凿岩机300完成拆杆，顶锤式凿岩机300退回至推进梁的后端，然后将附加套管套设在主钻杆上，并将主套管的尾部与附加套管的头部连接，之后顶锤式凿岩机300移动至主钻杆的第二连接端处与主钻杆接杆，并继续驱动主跟管组件600钻进。

对于第二种方式，当主套管的尾端经过夹钎器500之后，夹钎器500夹紧主钻杆，主钻杆与顶锤式凿岩机300完成拆杆，顶锤式凿岩机300退回至推进梁的后端，然后将附加钻杆110搬送至接管位置，并将附加钻杆110的第一连接头111与主钻杆的第二连接端连接，之后完成附加套管的套设并完成附加套管与主套管的连接，并将顶锤式凿岩机300移动至附加钻杆110的第二连接头112处与附加钻杆110连接。附加钻杆110的接杆位置指的是，附加钻杆110被放置在推进梁700上，其第一连接头111能够与主钻杆传动连接，第二连接头112能够与顶锤式凿岩机300连接。

当然，在某些场景中，需要根据钻孔的设计深度多次进行接管/接杆时，具体操作过程可参照上述的两种方式，即在位于第一方向上末端的主套管/附加套管经过夹钎器500后，利用夹钎器500夹紧主钻杆/附加钻杆，之后进行接管/接杆操作。

以下，

本实施方式中，作为进一步的改进，可以在推进梁700上设置储存库200和机械手240；储存库200内可以容置若干个附加钻杆110，机械手240用于将储存库200内容置的附加钻杆110搬送至接杆位置，因而不需利用吊装设备将附加钻杆110吊起并放置在接杆位置，较大程度地缩短了接杆时间，进而提高了利用本实施方式的推进器进行钻进施工的效率。

作为储存库200的其中一种实施例，该储存库200可以包括支架201、转动轴212和阻挡部230。其中，支架201连接推进梁700上，以使储存库200通过连接在推进梁700上。转动轴212转动连接在支架201，转动轴212能够相对于推进梁700发生转动，具体可以是通过驱动件211驱使转动；转动轴212上还设置有至少两个卡盘220，卡盘220上周向设置有若干个卡口，不同卡盘220上处于对应位置的卡口共同形成为卡位，附加钻杆110卡设在卡位中，并能够随着转动轴212相对于支架201转动。

阻挡部230设置在支架201上，阻挡部230用于阻挡处于储存状态的附加钻杆110从储存库200中脱出。其中，储存状态指的是不需进行接杆时，附加钻杆110容置在储存库200内的状态。此外，阻挡部230上还设置有允许附加钻杆110脱出于储存库200的缺口231，转动轴212相对于推进梁700时，也相对于阻挡部230转动；当转动轴212转动至特定位置时，卡盘220上卡设的某一根附加钻杆110正好处于与缺口231对应的位置，即处于待用状态，此时机械手240能够将附加钻杆110从储存库200中取出并搬送至接杆位置。待用状态指的时，附加钻杆110处于能够被搬送至接杆位置进行接杆的状态。

参照图2，附加钻杆110上还可以设有附加套管120，附加钻杆110和附加套管120共同形成为附加跟管组件100，附加跟管组件100被容置在储存库200中，因而机械手240在搬送附加钻杆110时，同时能完成附加套管120的搬送，从而提高接管和接杆的效率。

附加套管120的两端分别设置有第一连接部121和第二连接部122。其中，第一连接部121用于与主套管的尾部连接，当本实施方式的钻杆上连接有多个附加套管120时，位于前端的附加套管120通过第二连接部122与位于后端的附加套管120的第一连接部121连接，以实现接管。

具体的，附加套管120的长度可以小于附加钻杆110的长度，且当附加跟管组件100被容置于储存库200中时，附加套管120可以被卡设在两个卡盘220之间。即，转动轴212上设置的至少两个卡盘220中，有两个卡盘220之间的距离等于或略大于附加套管120的长度，当附加跟管组件100被容置于储存库200中时，附加套管120的两端分别与两个卡盘220相配合，从而完成卡盘220对于附加套管120的固定。

作为进一步的优化，附加钻杆110和附加套管120之间可以利用可拆卸的塞件130进行固定，因而在搬送过程中，附加钻杆110和附加套管120可以同步运动；搬送完成后，可以将塞件130拆除，此时可以分别对附加钻杆110进行接杆，以及对附加套管120进行接管操作。此外，附加套管120套设在附加钻杆110上时，由于附加钻杆110的外径需要小于附加套管120的内径设置，因而当附加跟管组件100在搬送的过程中，附加套管120在自身重力的作用下沿着附加钻杆110的轴向滑动，甚至冲击主套管，造成损坏；因此，塞件130能够固定附加钻杆110和附加套管120，防止以上现象的发生。

作为更进一步地优化，塞件130可以由柔性材料制成，例如橡胶材料、塑料材料、硅胶材料。此外，在大多数情况下，钻孔都是倾斜向下加工，或者垂直向下加工，因而可以仅在附加套管120靠近推进梁700的前端的一端设置塞件130，从而防止附加套管120朝向推进梁700的前端滑动；当然，也可以在附加套管120的两端均设置塞件130。

机械手240可以设置为若干个。当附加钻杆110上设置有附加套管120，且附加钻杆110的两端均突出于附加套管120的两端设置时，机械手240可以至少设置为两个，且至少两个机械手240可以设置在附加套管120的不同侧，即至少两个机械手240中至少一个机械手240设置在附加套管120的一侧，至少两个机械手240中其余的机械手240设置在附加套管120的另一侧，因而能够更加方便、稳定地对附加跟管组件100进行搬送。

为了进一步防止处于储存状态的附加钻杆110从储存库200中脱出，推进梁700上可以设置若干个固定件701。固定件701具体可以为框状结构，固定件701与推进梁700可以围成附加钻杆110的防脱结构，即，处于储存状态的附加钻杆110位于固定件701的框状结构与推进梁700之间，固定件701和推进梁700能够防止附加钻杆110沿第二方向移动和/或沿第三方向移动。此外，当附加钻杆110上套设有附加套管120时，固定件701与推进梁700可以围成附加跟管组件100的防脱结构。

以下，

本实施方式中，作为进一步的改进，可以在推进梁700上设置吊装机构400，该吊装机构400包括卷扬机410和滑轮组件420，卷扬机410和滑轮组件420具体可以设置在推进梁700上靠近后端的位置。卷扬机410和滑轮组件420用于吊起并搬送附加钻杆110和/或附加套管120，例如从施工场地的存储区吊运附件钻杆和附件套管。

以下，

利用本实施方式的顶锤式跟管钻进推进器进行钻进施工，具体包括以下步骤：

步骤一、利用顶锤式凿岩机300驱动套设有主套管的主钻杆进行钻进。

具体的，可以先将顶锤式凿岩机300的运动端与主钻杆的第二连接端进行传动连接，具体是直接将顶锤式凿岩机300的运动端与主钻杆的第二连接端连接；之后，顶锤式凿岩机300在推进梁700上沿着第一方向移动，主钻杆向前钻进，使得位于主钻杆第一连接端上的钻头向前钻进，钻头带着主套管的头部相对于主套管的管身转动，套管的头部牵引着主套管的管身钻进，从而实现跟管钻进。

步骤二、当主套管完成钻进后，对顶锤式凿岩机300与主钻杆拆杆，顶锤式凿岩机300回退至初始位置，在主钻杆拆杆上连接附加钻杆。

具体的，主套管完成钻进指的是，主套管已经基本位于钻孔中，主套管的尾端部分位于钻孔外；此时，利用夹钎器夹紧主钻杆的第二连接端，并进行拆杆；拆杆完成后，顶锤式凿岩机300在推进梁上沿着第一方向回退至初始位置，之后将附加钻杆搬送至接杆位置，并完成主钻杆的第二连接端与附加钻杆的第一连接头111的连接。

其中，可以利用吊装设备实现附加钻杆的搬送，例如起吊机；也可利用吊装机构400实现附加钻杆的搬送；当推进梁700上设置有储存库200时，也可以利用机械手将储存库200内的附加钻杆搬送至接杆位置。

步骤三、当完成接杆后，若当附加钻杆上套设有附加套管时，完成附加套管与主套管的接管；否则，将附加套管搬送并套设在附加钻杆上，之后完成附加套管与主套管的接管。

其中，当附加钻杆上套设有附加套管时，可以利用塞件固定附加钻杆和附加套管，防止附加套管沿着附加钻杆的轴向滑动；在对附加套管与主套管进行接管之前，可先将塞件取下，再将主套管的尾部与附加套管的第一连接部121连接。

当附加钻杆上未套设有附加套管时，可以利用吊装设备实现附加套管的搬送，也可利用吊装机构400实现附加套管的搬送。

步骤四、完成接管后，顶锤式凿岩机300与附加钻杆连接，顶锤式凿岩机300通过附加钻杆驱动主钻杆继续钻进。

具体的，主套管和附加套管接管完成后，顶锤式凿岩机300在推进梁上沿第一方向前进，当顶锤式凿岩机300移动至附加钻杆的第二连接头112附近时，顶锤式凿岩机300的运动端与第二连接头112接杆；之后，顶锤式凿岩机300继续驱动主钻杆钻进，即驱动主钻杆的钻头钻进。

步骤五、当附加套管完成钻进后，或者在附加套管钻进过程中，钻头已经钻至设计深度，停止钻进。当附加套管完成钻进后，钻头仍然未到达设计深度，对顶锤式凿岩机300与附加钻杆拆杆，顶锤式凿岩机300回退；之后，若当附加钻杆露出于附加套管的长度小于附加套管的长度时，可以将另一根附件钻杆搬送至接杆位置进行接杆，然后再进行另一根附加套管的接管操作；若当附加钻杆露出于附加套管的长度大于附加套管的长度时，可以将另一根附加套管搬送并套设在附加钻杆上，然后进行附加套管的接管操作。

步骤六、当完成接管后，顶锤式凿岩机300与位于最后端的附加钻杆连接，顶锤式凿岩机300通过若干个附加钻杆驱动主钻杆继续钻进。

步骤七、重复步骤五和步骤六，直到完成钻孔的钻进施工。

此外，在步骤二中，若当主钻杆露出于主套管的长度大于附加套管的长度，也可不进行接杆操作，直接进行附加套管的接管操作。完成接管后，顶锤式凿岩机300与主钻杆连接，并继续驱动主钻杆进行钻进。

本实施方式还提供了一种钻进设备，该钻进设备配置有本实施方式的顶锤式跟管钻进推进器。钻进设备可以是自行式钻进台车，也可以是露天钻机，或者是相关领域中常用的其他钻孔施工设备。顶锤式跟管钻进推进器配置在钻进设备的钻臂上，钻进设备可以由燃油机驱使移动，也可以由电机驱使移动。

利用本实施方式的钻进设备进行钻孔钻进施工，可应用于各种类的施工过程。例如，在进行地铁施工过程中的坍塌预防处理，或者进行产生坍塌后的处理过程，具体是利用钻进设备进行若干个钻孔钻进施工，钻孔钻进施工后，向钻孔内注浆；注浆凝固后完成对钻孔的加固。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。