[发明专利]一种基于物联网的高压旋喷钻机及其智能施工方法

权利要求书

1.一种基于物联网的高压旋喷钻机，其特征在于其该高压旋喷钻机主要包括钻机行走与定位装置(1)、旋转触探钻头(2)、气液浆喷头(3)、随钻测井仪(4)、浆液制备装置(5)、泵送运输装置(6)、供气供水装置(7)、监测传感装置(8)；物联网控制装置(9)；钻机行走与定位装置(1)搭载钻机，用于行走与就位；旋转触探钻头(2)装在钻杆端部用于钻探成孔，利用监测传感装置(8)获取随钻地层分层识别；气液浆喷头(3)装在旋转触探钻头(2)后部的钻杆上，气液浆喷头(3)内部安装监测传感装置(8)，监测喷气、喷液、喷浆的压力；随钻测井仪(4)安装在气液浆喷头(3)后部的钻杆上，用于在钻进成孔与水泥喷浆后的钻孔内声波测井，测井的波速信息无线传输到地面的物联网控制装置；浆液制备装置(5)为高压旋喷钻机的附属设备，通过泵送运输装置(6)与钻机上的输送管相连接，通过物联网控制装置(9)实现喷浆材料的混合、搅拌；泵送运输装置(6)用于高压旋喷所需的气、液、浆的加压运输，内部布置监测传感装置(8)采集气、液、浆的喷射压力；供气供水装置(7)提供高压旋喷所需的气、水供给。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高压旋喷钻机，其特征在于所述旋转触探钻头(2)中，钻杆接头(10)内嵌于空心钻杆(11)，空心钻杆(11)外套限位凸台(12)，在限位凸台(12)下方安装半封闭水环(13)，在半封闭水环(13)内的空心钻杆(11)上设置出水孔(14)，在空心钻杆(11)安装硬质合金刀头(15)，钻杆转动硬质合金刀头(15)的旋转切削土体。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高压旋喷钻机，其特征在于所述监测传感装置(8)中，北斗GPS传感器(16)安装在空心钻杆(11)的顶部；钻头压力传感器(17)安装于旋转触探钻头(2)尾部与空心钻杆(11)连接处；扭矩传感器(18)安装于钻头压力传感器(17)位置的空心钻杆(11)内部；压力传感器(19)分别安装在半封闭水环(13)内部以及气、液、浆的泵送传输装置(6)内部；转速传感器(20)安装在空心钻杆(11)中部位置的内部；深度传感器(21)安装在气液浆喷头(3)的位置处；倾角传感器(22)安装在空心钻杆(11)的尾部；流量传感器(23)分别安装在气、液、浆的泵送传输装置(6)内部；上述传感器所采集的信息通过无线传输给地面的物联网控制装置(9)。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的高压旋喷钻机，其特征在于物联网控制装置(9)包括数据接口模块(24)、数据服务器(25)、中央处理模块(26)、控制规则输入设备(27)、自动控制规则验证模块(28)、自动控制执行模块(29)、实时存储刷新模块(30)、ZigBee主协调模块(31)、ZigBee/UPnP协议转化模块(32)；其中，数据接口模块(24)将不同数据格式接入到数据服务器(25)中，数据服务器(25)将数据存储、备份与发布，中央处理模块(26)将数据分析与计算，控制规则输入设备(27)将监测信息反馈控制规则的输入，自动控制规则验证模块(28)将验证监测信息的规则控制条件，自动控制执行模块(29)将智能施工过程控制，实时存储刷新模块(30)将监测信息数据的更新，ZigBee主协调模块(31)与ZigBee/UPnP协议转化模块(32)将物联网的网络传输与控制。

5.一种如权利要求1所述的基于物联网的高压旋喷钻机的智能施工方法，其特征在于该智能施工方法包括以下步骤:

步骤1：利用安装在高压旋喷钻机上的钻机行走与定位装置(1)控制钻机的行走和定位，通过北斗GPS传感器(16)对高压旋喷桩施工位置进行准确定位；

步骤2：在预定桩位利用旋转触探钻头(2)钻至设计标高，完成高压旋喷桩的钻进成孔；在钻进过程中采集钻头压力传感器(17)、半封闭水环(13)内部压力传感器、扭矩传感器(18)的监测信息传输至物联网控制装置(9)，通过钻头压力、钻进孔内水压力与钻头扭矩来分析确定岩土地层识别；

步骤3：收起钻杆，在收起钻杆过程中，利用随钻测井仪(4)，开展钻孔内周边加固前岩土体的声波检测，测井波速信息无线传输到地面的物联网控制装置(9)；

步骤4：依据岩土地层识别，评定不同土层的成桩特性，智能化设定相应的浆液比重、水灰比、喷浆压力、转速等施工参数，经物联网控制装置(9)执行相应的施工操作，自动接通浆液制备装置(5)、供气供水装置(7)，按照设定好的浆液参数制备浆液，制备好的浆液经泵送运输装置(6)调整好合适压力向高压旋喷钻机泵送；

步骤5：再次将钻杆插入地层，至桩底设计标高，打开气液浆喷头(3)随钻头提升过程进行气液浆的喷射、切削土体与混合搅拌的施工；在喷浆施工中，气、液、浆的泵送传输装置(6)内部的压力传感器(19)、转速传感器(20)、深度传感器(21)、倾角传感器(22)、流量传感器(23)同步监测喷浆压力、钻杆转速、喷浆深度、浆液流量等信息，并将上述信息传输到物联网控制装置(9)，评估是否达到施工要求，利用物联网控制装置(9)智能化动态调整浆液制备装置(5)、供气供水装置(7)、泵送运输装置(6)的运行情况，实现施工参数动态调整，保障施工质量可靠性；

步骤6：重复步骤4按施工要求进行复喷施工，直至施工完毕，停止施工；

步骤7：收起钻杆，在收起钻杆过程中，利用随钻测井仪(4)，开展钻孔内周边加固后岩土体的声波检测，测井波速信息无线传输到地面的物联网控制装置(9)，对比加固前和加固后声波波速差异，检测加固质量与效果；

步骤8：钻机移位，重复步骤1至步骤7进行下一根桩的施工。