一种水下钻孔快速封堵气囊及其封堵方法

摘要

本发明公开一种水下钻孔快速封堵气囊，其包括橡胶材质的气囊本体，气囊本体顶部具有圆柱状凸起，圆柱状凸起外壁上开设有进出气口，进出气口经由圆柱状凸起内部设置的通道与气囊本体的内腔相通，进出气口处安装有导气管，导气管另一端设置有控制阀门；气囊本体上套设有一连接环，连接环位于气囊本体上部，连接环上沿圆周方向均匀分布有若干根连接绳，连接绳末端设有坠体。本发明封堵效果好，能够在极短的时间内将出现问题的水下地质钻孔封堵，实施方法简便易行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种封堵气囊，尤其是涉及一种水下钻孔快速封堵气囊及其封堵方法。

背景技术

在水下岩层中修建隧道，一般采用钻爆法。在爆破开挖时，即使前期进行了处理，在爆破震动以及高水压作用下，上部既有地质钻孔位置依然是薄弱环节，一旦出现涌水现象，就会对隧道内作业人员、设备的安全造成极大的威胁，这时就需要对涌水钻孔部位进行快速封堵，保证作业人员、设备的安全并为后面的处治措施赢得时间。

在水下松软地层中修建隧道常用盾构法。盾构机在江海中段掘进时，由于覆土厚度一般较小，且水压较大，切削面稳定难以控制，如有不慎，就有可能导致泥水劈裂地层，产生“冒顶”现象，从而产生塌陷和江(海)水倒灌等重大工程事故。特别是在穿越既有地质钻孔过程中，由于上部存在的既有钻孔是个薄弱环节，即使盾构前部的刀盘位置是封闭的，但是在掘进过程中，依然会出现涌水现象，给隧道中的作业人员带来安全威胁，并对设备造成短时间内难以修复的损害，若处理不好会给施工企业带来极大的经济损失，更会造成隧道建成后运营环境恶劣。因此必须在既有地质钻孔位置进行快速封堵，确保盾构机在掘进过程中的安全。

目前，水下地质钻孔封堵的方法，大多采用袖阀管或钢花管在钻孔周边进行注浆，注浆结束后将钻孔上方泥浆清理，然后施作混凝土盖板，将该区域封堵。但是，上述的注浆及混凝土填埋封堵方式存在以下缺点：1、必须选择在江（河）等枯水期水面平静时采用围堰或水上钻井平台施工，作业时间被大大限制，且成本高昂；水下注浆时，浆液的扩散范围很难得到有效控制，注浆效果检验较难；2、由于注浆浆液难免会扩散到水中，导致碱性浆液对水体造成严重污染；3、水下钻孔封堵难度大，由于在水面上不可能有稳定的工作平台，因此作业时间长，作业环境要求苛刻，在水下遇到紧急情况时，采用填埋、灌浆等封堵方法无法及时对水下地质钻孔进行封堵，根本无法提供足够的时间来确保人员和设备安全。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种耐磨、不易刺穿、能够快速充气和放气的水下钻孔快速封堵气囊，其在水下可以与各种土和岩石紧密胶结，能够方便、快捷、有效的解决快速封堵水下既有地质钻孔的问题，确保盾构法隧道和钻爆法隧道下穿既有钻孔地段江底时人员和设备的安全。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种水下钻孔快速封堵气囊，其包括橡胶材质的圆球形气囊本体，气囊本体顶部具有圆柱状凸起，圆柱状凸起外壁上开设有进出气口，进出气口经由圆柱状凸起内部设置的通道与气囊本体的内腔相通，进出气口处安装有导气管，导气管另一端设置有控制阀门；气囊本体上套设有一连接环，连接环位于气囊本体上部，连接环上沿圆周方向均匀分布有若干根连接绳，连接绳末端设有坠体。

另一种水下钻孔快速封堵气囊，其包括橡胶材质的椭圆球形气囊本体，气囊本体顶部具有圆柱状凸起，圆柱状凸起外壁上开设有进出气口，进出气口经由圆柱状凸起内部设置的通道与气囊本体的内腔相通，进出气口处安装有导气管，导气管另一端设置有控制阀门；气囊本体上套设有一连接环，连接环位于气囊本体上部，连接环上沿圆周方向均匀分布有若干根连接绳，连接绳末端设有坠体。

进一步地，上述的椭圆球形气囊本体内注有立体交叉结构的高性能无机物聚合物复合封堵材料。

上述水下钻孔快速封堵气囊的封堵方法，其包括以下步骤：

（1）、确定水下钻孔位置

查阅相关地质资料或采用物探方式对水下钻孔位置进行定位；

（2）、封堵气囊准备

通过导气管向圆球形气囊本体或椭圆球形气囊本体的内腔充气，四周均匀布置好坠体，将定位杆与气囊本体顶部的圆柱状凸起连接好；

（3）、封堵气囊下放

通过定位杆将封堵气囊下沉到既有钻孔位置，再将气体排出一部分，把定位杆取出，通过坠体与气囊本体的自身重力下沉到指定位置后缓慢的放出气体，此时可以通过导气管控制气囊上升与下沉；在气体的排放过程中，由于气囊本体的遇水膨胀特性，气囊本体会贴紧孔壁四周，达到封堵止水的目的。

在上述的水下钻孔快速封堵气囊的封堵方法中，采用椭圆球形气囊本体时，在椭圆球形气囊本体到达指定位置时，通过导气管注入立体交叉结构的高性能无机物聚合物复合封堵材料。

立体交叉结构的高性能无机物聚合物复合封堵材料在水下能够快速固化，弹性高，与气囊本体内表面具有良好的粘结力，且在延伸率大于200％时，粘结牢固不脱落。

本发明中的气囊本体采用主要材料为三元乙丙橡胶、丙烯酸类共聚物和甲基纤维素的橡胶。

本发明中的橡胶材质气囊本体与水接触时，水分子通过扩散、毛细及表面吸附等物理作用进入橡胶内，与橡胶中的亲水性基团形成极强的亲和力。亲水性物质不断吸收水分，致使橡胶发生形变，在橡胶自身抗形变力和渗透压差相当时，测得的膨胀率即为静水最大膨胀率。一般情况下，封堵气囊是在半封闭的地质钻孔条件下使用，遇水后膨胀率并不能达到其静水最大膨胀率，因此就产生了膨胀后的橡胶与约束体间的接触压力，依靠这种接触压力遇水膨胀橡胶就可以发挥密封止水的作用。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

该水下钻孔快速封堵气囊，其采用橡胶材质的气囊本体，无毒、无味、水压承受力强，反复膨胀收缩也不会降低其基本性能，同时具有机械强度高、耐磨、不易刺穿、吸水性高的特点，封堵效果好，能够在极短的时间内将出现问题的水下地质钻孔封堵，实施方法简便易行，只需要确定钻孔的具体位置，通过定位杆将封堵气囊送至指定位置，由于气囊本体的遇水膨胀的特性，气囊本体会贴紧孔壁四周，达到封堵止水的目的。

附图说明

图1是本发明水下钻孔快速封堵气囊实施例之一的结构俯视图；

图2是图1中封堵气囊的结构主视图；

图3是图1中封堵气囊的结构侧视图；

图4是本发明水下钻孔快速封堵气囊实施例之二的结构主视图；

图5是图4中封堵气囊的结构侧视图；

图中：1－坠体；2－连接环；3－气囊本体；4－导气管；5－控制阀门；6－进出气口；7－圆柱状凸起；8－立体交叉结构的高性能无机物聚合物复合封堵材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

实施例一

如图1、2、3所示，本发明的水下钻孔快速封堵气囊，其包括橡胶材质的圆球形气囊本体3，气囊本体顶部具有圆柱状凸起7，圆柱状凸起外壁上开设有进出气口6，进出气口经由圆柱状凸起内部设置的通道与气囊本体的内腔相通，进出气口处安装有导气管4，导气管另一端设置有控制阀门5；气囊本体上套设有一连接环2，连接环位于气囊本体上部，连接环上沿圆周方向均匀分布有若干根连接绳，连接绳末端设有坠体1。

使用时，首先查阅相关地质资料或采用物探方式对水下钻孔位置进行定位；然后，通过导气管向气囊本体的内腔充气，四周均匀布置好坠体，将定位杆与气囊本体顶部的圆柱状凸起连接好；接着，通过定位杆将封堵气囊下沉到既有钻孔位置，再将气体排出一部分，把定位杆取出，通过坠体与气囊本体的自身重力下沉到指定位置后缓慢的放出气体，此时可以通过导气管控制气囊上升与下沉；在气体的排放过程中，由于气囊本体的遇水膨胀特性，气囊本体会贴紧孔壁四周，达到封堵止水的目的。

实施例二

如图4、5所示，本发明的水下钻孔快速封堵气囊，其包括橡胶材质的椭圆球形气囊本体3，气囊本体顶部具有圆柱状凸起7，圆柱状凸起外壁上开设有进出气口6，进出气口经由圆柱状凸起内部设置的通道与气囊本体的内腔相通，进出气口处安装有导气管4，导气管另一端设置有控制阀门5；气囊本体上套设有一连接环2，连接环位于气囊本体上部，连接环上沿圆周方向均匀分布有若干根连接绳，连接绳末端设有坠体1。

上述的椭圆球形气囊本体3内注有立体交叉结构的高性能无机物聚合物复合封堵材料8。

圆球形气囊本体适用于一般情况下的水下钻孔封堵，但是，当圆球形封堵气囊不能很好的封堵水下钻孔时，采用椭圆球形气囊本体。

使用时，首先查阅相关地质资料或采用物探方式对水下钻孔位置进行定位；然后，通过导气管向气囊本体的内腔充气，四周均匀布置好坠体，将定位杆与气囊本体顶部的圆柱状凸起连接好；接着，通过定位杆将封堵气囊下沉到既有钻孔位置，再将气体排出一部分，把定位杆取出，通过坠体与气囊本体的自身重力下沉到指定位置时，通过导气管注入立体交叉结构的高性能无机物聚合物复合封堵材料，并且注入少量催化剂，然后缓慢的放出气体，此时可以通过导气管控制气囊上升与下沉；在气体的排放过程中，由于气囊本体的遇水膨胀特性，气囊本体会贴紧孔壁四周，达到封堵止水的目的。