[发明专利]用于将待固结加压流体混合物喷射到地下的喷射头

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于将待固结加压流体混合物喷射到地下以形成固结土壤部分的高效喷射头。

背景技术

使用被称为“喷射灌浆”的技术在地下形成人造砾岩(conglomerate)的柱状结构。这些技术都是基于土壤自身的颗粒与粘合剂的混合，通常称为水泥混合物，这种混合物在高压条件下通常通过形成在喷射头(通常被称为“水枪(monitor)”)中的小直径喷嘴喷射，所述喷射头固定在一串管状杆的下端附近，管状杆朝向地面旋转和撤回。在这串杆的底部，在水枪下方，固定有钻探工具，在开挖阶段，钻探工具通过所述杆供应的钻探流体润滑，在这种情况下，所述杆起到管道的作用。

粘合剂的射流被分散并与周围的土壤与混合，从而形成通常为圆柱形状的砾岩块，该砾岩块在硬化时形成固结的土壤区域。

目前在地基部门中最常用的杆串具有大截面的管道，水和水泥的混合物通过该管道供给至存在喷嘴的水枪区域。喷嘴容纳在径向定向的孔中，即，垂直于水枪的纵向轴线。从流体动力学角度来讲，这种构造降低了沿着路径的摩擦损失，因为只要流体未到达水枪的末端，流体的流速就会较低。一旦流体到达这个区域，液流就会在喷嘴的区域中互不相关地偏离，同时还会在液流偏离的区域内形成以强湍流为特征的不规则自由运动。这导致在喷嘴的出口附近产生高水头损失，这是由于湍流阻止液流以有序方式流出喷嘴，即，材料的单个颗粒的速度矢量朝向根据每个喷嘴的主轴线方向流出。

流体从水枪内部到外部的过程是大量水头损失的原因，因此，应当理解所述过程不只是增加了功率消耗，而且还减小了被处理材料的柱形物的直径。因此，在领域内存在限制水枪内所产生的水头损失的需求。

专利文献公开了用于喷射灌浆部门的各种水枪，在水枪内部具有多个槽道，所述多个槽道根据多重螺旋几何结构的布局而扭曲，并且这些通道能够引导液流从水枪的入口螺旋运动到相关喷嘴的入口。JP-A-2008285811给出了一个实例。这种类型的多重螺旋几何结构本质上并不能保证对于通常使用的构造(即，产生湍流自由运动的构造)在性能方面具有最大的改进，除非对于上述结构的正确标注的基本参数是确定的并且对射流的入口和出口区域进行修改，以使效率最大化。

该专利文献还描述了具有一个或多个弯曲管道的其它水枪，这些弯曲管道用于使流体混合物偏离，将流体混合物从主管道朝向侧喷嘴输送，遵循方向逐渐变化的路径，从而减小湍流和集中水头损失。US-5228809公开了一种具有恒定截面和规则曲率的管道。EP-1396585公开了逐步变细的可变曲率的管道。然而，用于将流体混合物沿着整个最终入口长度输送到喷嘴的管道的直径取决于对两种相反的要求的平衡的需要：第一，必须限制水枪的外部尺寸(通常相对较小并且大小为约100mm左右)；第二，期望对管道提供可能的最佳曲率半径。换言之，这些系统提供了一长度，该长度具有可感知的长度和缩小的直径，并且可与喷嘴的出口的长度相比较。因此，源自于减小的集中损失的优势受到以下事实的限制：流体在最终长度内具有非常高的速度，非常高的合成摩擦损失。另外，管道、弯曲和倒圆(radius)的存在大大地复杂化了水枪的总体架构，使得装配、维护和拆卸步骤复杂得多。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种水枪或喷射头，该喷射头在离开水枪的射流的穿透(penetrative capacity)能力方面具有最大可能的效率，更准确地说，在待处理的土壤上获得更大的粉碎效果，而功率消耗保持不变。

这个目的以及其它的目的和优势，将从下文的内容获得更充分的理解，并且根据本发明通过具有所附权利要求中所列出的特征的喷射头或水枪获得。简言之，喷射头包括外圆柱形本体，且具有：至少一个流体上部入口、至少一个出口侧喷嘴和至少一根具有螺旋中心线的螺旋管道。该管道将上部入口连接至喷嘴，并对流经该管道的流体传递围绕外本体的纵向轴线且朝向喷嘴的螺旋运动。该螺旋管道朝向喷嘴逐渐变细，并且包括管道的终端长度，当从平行于纵向轴线且相切于螺旋中心线的截面平面看时，以及当从垂直于纵向轴线的截面平面看时，该终端长度以变细的方式倒圆至喷嘴。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的优选非限制性实施方式，附图中：

图1、图1A和图2是示出螺旋线的几何形态的示例性图示；

图3示出了两个收缩管道的示意图；

图4是根据本发明的喷射头或水枪的一实施方式的部分剖开形式的示意性透视图；

图5是图4所示的水枪的稍微放大比例的示意性平面图；

图6是整合在图4所示的水枪中的螺旋本体的轴向截面视图；