專利名稱：水下巖土鉆探設(shè)備及水下巖土勘探方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巖土鉆探，尤其是涉及一種用于水下、特別是海底的巖土勘測的
水下巖土鉆探設(shè)備及其水下巖土勘探方法。
背景技術(shù)：
二十一世紀是海洋資源開發(fā)的新世紀，世界各國把開發(fā)海洋、發(fā)展海洋經(jīng)濟和海 洋產(chǎn)業(yè)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略目標。隨著海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，海洋不但會成為人類未來重要的 資源、特別是能源基地，也會成為世界各國爭奪擴展和發(fā)展空間的主要戰(zhàn)場。在對未知與未 來的探測方面，深海洋底與太空一樣，具有很強的吸引力和挑戰(zhàn)性。隨著人類開發(fā)深水資源 步伐的不斷加快與深水資源開發(fā)相關(guān)的工程技術(shù)已經(jīng)和正在成為世界工業(yè)史上科技創(chuàng)新 的熱點之一。 我國已將海洋資源開發(fā)作為國家的重大需求，開發(fā)和利用海洋作為國家的基本國 策。海洋資源開發(fā)對我國具有重大戰(zhàn)略意義，同時機遇和挑戰(zhàn)并存。深海水下巖土工程勘 察與探測設(shè)備及技術(shù)是海上采油平臺等大型海工設(shè)施的設(shè)計與施工中不可或缺的關(guān)鍵支 撐技術(shù)，也是制約我國深海開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。開發(fā)海洋巖土工程勘探設(shè)備和測控技術(shù)對我 國深海資源開發(fā)具有重要的工程價值和實用意義，并將填補國內(nèi)海洋巖土工程勘探技術(shù)的 空白，為進行海洋巖土工程特性研究、大型海洋工程結(jié)構(gòu)物_巖土相互作用和安全評價提 供有力的技術(shù)支持。 深海水下巖土工程勘察與探測設(shè)備及技術(shù)是海上采油平臺等大型海工設(shè)施的設(shè) 計與施工中的關(guān)鍵支撐技術(shù)，但我國目前擁有的海洋水下巖土工程勘探技術(shù)主要是由國外 購進或者租借的、且僅適用于水深30米以淺的近?；蚪豆こ獭?0米以深、特別是100 米到1000米水深的海底巖土工程勘察工作，基本上是委托美國、日本和荷蘭等海洋科技發(fā) 達國家的公司來完成的，難以充分掌握第一手資料并造成有關(guān)信息情報流失。所以，在深 海水下巖土工程勘察與探測技術(shù)方面，我國基本上沒有擁有自己獨立知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備和技 術(shù)，這已成為嚴重制約我國深海采油平臺等大型海洋工程設(shè)施建設(shè)中的重大瓶頸技術(shù)難題 之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的
在于提出 一種可在不同尺度的深水中進行巖土工程探測的水下巖土鉆探設(shè)備。 進一步地，本發(fā)明需要提供一種可在不同尺度的深水中進行巖土工程探測的水下
巖土勘探方法。 根據(jù)本發(fā)明的水下巖土鉆探設(shè)備，可以包括反力支撐裝置，用于為水下巖土鉆探 設(shè)備提供反力；真空形成裝置，所述真空形成裝置可以設(shè)置在所述反力支撐裝置上，用于在 反力支撐裝置中產(chǎn)生負壓；鉆進裝置，所述鉆進裝置可以設(shè)置在所述反力支撐裝置內(nèi)用于 鉆進鉆桿；控制裝置，所述控制裝置可以設(shè)置在所述反力支撐裝置內(nèi)，用于控制鉆桿的鉆進；以及鉆進數(shù)據(jù)測量和處理裝置，所述鉆進數(shù)據(jù)測量和處理裝置可以用于測量并處理鉆 桿的鉆進參數(shù)。 根據(jù)本發(fā)明的水下巖土鉆探設(shè)備以鉆進方式勘查海底泥面以下巖土層，由于所述
反力支撐裝置為水下巖土鉆探設(shè)備的鉆進提供足夠的反力，從而使得所述水下巖土鉆探設(shè)
備可以在水下進行安全工作，并可獲得水下的鉆進參數(shù)，從而可得到巖石和土體物理力學(xué)
特性參數(shù)及其沿深度的變化，并確定海洋巖土地基的承載能力和模量。 另外，根據(jù)本發(fā)明的水下巖土鉆探設(shè)備還具有如下附加技術(shù)特征中的至少一個 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述水下巖土鉆探設(shè)備還包括鉆桿續(xù)接裝置，所述鉆
桿續(xù)接裝置與鉆進裝置相鄰設(shè)置，用于續(xù)接所述鉆桿。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述鉆桿續(xù)接裝置包括至少一個聯(lián)結(jié)鉆桿；聯(lián)結(jié)鉆 桿放置裝置，所述聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置用于容納所述聯(lián)結(jié)鉆桿；旋轉(zhuǎn)電機，所述旋轉(zhuǎn)電機用于 將聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置旋轉(zhuǎn)至預(yù)定位置；以及推進直線電機，所述推進直線電機用于推進已 安置的聯(lián)結(jié)鉆桿，以與所述鉆桿進行續(xù)接。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述鉆桿續(xù)接裝置還包括卡盤聯(lián)結(jié)裝置，用于在聯(lián)結(jié) 鉆桿和所述鉆桿進行續(xù)接過程中進行卡接。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，當旋轉(zhuǎn)電機將聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置旋轉(zhuǎn)至預(yù)定位置時， 卡盤聯(lián)結(jié)裝置與預(yù)定容納孔相卡接，使預(yù)定的聯(lián)結(jié)鉆桿通過卡盤連接裝置由推進桿推動， 進而與鉆桿進行續(xù)接。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述反力支撐裝置包括鉆桿放置和控制艙，用于容納 鉆桿和所述控制裝置；鉆桿連接和推進艙，所述鉆桿連接和推進艙與所述鉆桿放置和容納 艙相連接，用于容納所述鉆進裝置；真空鉆進艙，所述真空鉆進艙與所述鉆桿連接和推進艙 進行連接；以及貫入艙，所述貫入艙與所述真空鉆進艙連接，用于貫入到水下巖土內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述真空鉆進艙和所述貫入艙之間設(shè)置有分離板，用 于防止水下巖土中的泥漿進入所述真空鉆進艙，以實現(xiàn)水和泥漿的隔離。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述負壓可以為-60kPa -80kPa。所述負壓可為推進 鉆桿提供足夠的反力，以對抗深海洋底形成的巨大水壓力和氣壓差。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述真空形成裝置包括排水排氣管；水泵，所述水泵
抽出所述貫入艙和真空鉆進艙內(nèi)的水，并通過排水排氣管排出；以及真空泵，所述真空泵經(jīng)
由所述排水排氣管將真空鉆進艙和貫入艙的氣體排出至預(yù)定的負壓。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述反力支撐裝置的重量為15-30噸。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述水下巖土鉆探設(shè)備還包括對所述反力支撐裝置進
行密封的密封裝置，以在深海高壓力下進行密封，使得反力支撐裝置可以在密封干燥的環(huán)
境下工作。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述水下巖土鉆探設(shè)備還包括水土分離裝置，所述水 土分離裝置與所述排水排氣管連接，用于對流經(jīng)所述排水排氣管內(nèi)的水執(zhí)行水土分離。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述鉆進裝置包括鉆桿；鉆進位置傳感器，用于檢測 鉆桿鉆進到預(yù)定位置后，觸發(fā)鉆進停止信號；以及用于驅(qū)動鉆桿鉆進的電機，所述電機在接 收到所述停止信號之后停止驅(qū)動。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述控制裝置配置成用于自動執(zhí)行下述中的至少之
5一 鉆桿連接過程控制、鉆桿自動推進控制以及鉆進數(shù)據(jù)測量和處理控制。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述水下巖土鉆探設(shè)備還包括水下監(jiān)控裝置，用于在
水下作業(yè)時進行過程監(jiān)控。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述水下巖土鉆探設(shè)備還包括巖土工程反饋分析與評 價裝置，用于對所述鉆進參數(shù)進行分析和評價。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述水下巖土鉆探設(shè)備的水下勘探深度為30-1000m。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，根據(jù)本發(fā)明的水下巖土鉆探設(shè)備，在深度為30-1000m 的水下進行深海鉆探，獲得鉆進速度，通過數(shù)值仿真和反饋分析，建立勘探數(shù)據(jù)與巖土特性 的定量關(guān)系，對巖土工程特性進行合理評價。 根據(jù)本發(fā)明的另外一個實施例，提供了一種水下巖土勘探方法，該方法采用上述
水下巖土鉆探設(shè)備進行勘探。其步驟為 將所述水下巖土鉆探設(shè)備下沉至水下巖土區(qū)域； 利用所述真空形成裝置將所述水下巖土鉆探設(shè)備吸力貫入所述水下巖土區(qū)域內(nèi)； 以及 利用鉆桿執(zhí)行水下巖土鉆探。 根據(jù)本發(fā)明的水下巖土勘探方法，可用于反演分析巖石和土層的物理力學(xué)性態(tài)參 數(shù)，確定巖土材料的變形模量與強度指標，確定海洋巖土地基的承載能力。
本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的水下巖土鉆探設(shè)備的反力支撐裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖； 圖2是圖1中所示的水下巖土鉆探設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖1中所示的水下巖土鉆探設(shè)備的鉆進裝置示意圖； 圖4是圖1中所示的水下巖土鉆探設(shè)備的鉆桿續(xù)接裝置示意圖；禾口 圖5是圖1中所示的水下巖土鉆探設(shè)備的工作狀態(tài)圖，其中，圖5(a)顯示了水下
巖土鉆探設(shè)備的下沉安裝狀態(tài)，圖5(b)顯示了水下巖土鉆探設(shè)備的吸力貫入狀態(tài)，圖5(c)
顯示了水下巖土鉆探設(shè)備的鉆進勘測狀態(tài)。
具體實施例方式
下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終
相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附
圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。 下面將參考圖1-圖4詳細描述根據(jù)本發(fā)明的水下巖土鉆探設(shè)備l，其中圖1顯示
了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的水下巖土鉆探設(shè)備的反力支撐裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖1-圖4所示，水下巖土鉆探設(shè)備1包括反力支撐裝置11、真空形成裝置12、鉆進裝置13、控制裝置(未示出)和鉆進數(shù)據(jù)測量和處理裝置(未示出)。
反力支撐裝置11用于為水下巖土鉆探設(shè)備1提供反力。反力支撐裝置11包括 鉆桿放置和控制艙111、鉆桿連接和推進艙112、真空鉆進艙113和貫入艙114?？蛇x地，鉆 桿放置和控制艙111、鉆桿連接和推進艙112和貫入艙114均為橫截面為圓形的圓桶狀艙， 且真空鉆進艙113可為上端直徑小于下端直徑的錐筒狀艙。 其中，鉆桿放置和控制艙111用于容納鉆桿131和控制裝置。鉆桿連接和推進艙 112與鉆桿放置和容納艙相連接，用于容納鉆進裝置13。真空鉆進艙113與鉆桿連接和推 進艙112進行連接。貫入艙114與真空鉆進艙113連接，用于貫入到水下巖土內(nèi)。在本發(fā) 明的一個示例中，反力支撐裝置11還包括水土分離裝置16?？蛇x地，水土分離裝置16可以 為分離板，該分離板16設(shè)置在真空鉆進艙113和貫入艙114之間，且在分離板16上形成有 很多孔，用于對貫入艙114中的水實現(xiàn)水和泥漿的隔離，可以防止水下巖土中的泥漿進入 真空鉆進艙113中。 根據(jù)本發(fā)明的水下巖土鉆探設(shè)備1中，反力支撐裝置11采用吸力桶基礎(chǔ)的原理， 即通過放置在桶頂?shù)恼婵毡脤ο到y(tǒng)抽真空，即可以對海底泥面形成主動吸力，如圖2所示。 在該吸力的作用下，桶型的反力支撐裝置11貫入海底泥面一定深度，形成一個密封系統(tǒng)。 由于桶內(nèi)外巨大的壓力差，使得反力支撐裝置ll對海底泥面的吸力構(gòu)成鉆進所需要的反 力的主要部分，另外還有水下巖土鉆探設(shè)備1本身的重量，也額外地添加了所述反力的大 小，并進一步地增加水下勘探的穩(wěn)定性。根據(jù)計算，例如，根據(jù)本發(fā)明的桶徑為2m且桶高為 3. 0-4. 0m的反力支撐裝置11可以提供大約15-50噸的反力。 由于水下巖土鉆探設(shè)備1需要在密封的環(huán)境下工作，因此，在本發(fā)明的一個示例 中，水下巖土鉆探設(shè)備1還包括對反力支撐裝置11進行密封的密封裝置15，以在深海高壓 力下對反力支撐裝置11進行密封。 如圖2所示，真空形成裝置12設(shè)置在反力支撐裝置11上，以便于在反力支撐裝置 11中產(chǎn)生負壓。真空形成裝置12包括排水排氣管121、與排水排氣管121上端相連的水泵 122以及真空泵123。其中，排水排氣管121的下端伸入真空鉆進艙113中。水泵122抽出 貫入艙114和真空鉆進艙113內(nèi)的水后，水通過排水排氣管121排出，真空泵123經(jīng)由排 水排氣管121將真空鉆進艙113和貫入艙114的氣體排出至預(yù)定的負壓。具體地，該負壓 為-60kPa -SOkPa。需要說明的是，普通技術(shù)人員在閱讀了上述技術(shù)方案之后，可以根據(jù) 水下勘探的需要來調(diào)節(jié)所述負壓的大小，由此上述范圍只是為了說明的目的，而不是為了 限制本發(fā)明的保護范圍。 工作時，首先通過水泵122抽出貫入艙114和真空鉆進艙113內(nèi)的水，然后停止水 泵122工作，并啟動真空泵123工作，通過真空泵123對真空鉆進艙113進行抽氣、使真空 鉆進艙113內(nèi)的壓力達到_60kPa _80kPa的負壓。當真空度滿足上述要求后，停止真空 泵123工作，從而為推進鉆桿131提供了足夠的反力，以對抗深海洋底形成的巨大水壓力和
氣壓差。 由于在真空鉆進艙113和貫入艙114之間形成分離板使水和泥漿隔離，從而防止 水下巖土中的泥漿進入真空鉆進艙113中而堵塞排水排氣管121，從而實現(xiàn)了對流經(jīng)排水 排氣管121內(nèi)的水進行過濾，由此保證了水泵122和真空泵123在勘測過程和勘測結(jié)束后 能正常運轉(zhuǎn)。
如圖3所示，鉆進裝置13設(shè)置在反力支撐裝置11內(nèi)，用于鉆進鉆桿131，具體地， 鉆進裝置13設(shè)置在鉆桿連接和推進艙112內(nèi)。鉆進裝置13包括鉆桿131、用于測定鉆進位 移的鉆進位置傳感器132、錐齒輪傳動裝置134和電機133。 工作時，電機133通過錐齒輪傳動裝置134驅(qū)動鉆桿131鉆進海底泥面，并可隨時 測定轉(zhuǎn)速。當電機鉆進位置傳感器132檢測鉆桿131鉆進到預(yù)定位置后，觸發(fā)鉆進停止信 號，電機在接收到停止信號之后停止驅(qū)動鉆桿131。 由于將在深海水下環(huán)境工作，不能進行人工干預(yù)，各個工作過程需要在預(yù)設(shè)程序 下完成全過程自動操作?？刂蒲b置以及鉆進數(shù)據(jù)測量和處理裝置均設(shè)置在反力支撐裝置11 的鉆進放置和控制艙111內(nèi)?？刂蒲b置用于控制鉆桿131的鉆進，且控制裝置配置成用于自 動執(zhí)行下述中的至少之一 鉆桿法蘭旋轉(zhuǎn)控制、鉆桿連接過程控制以及鉆桿自動推進控制。 而鉆進數(shù)據(jù)測量和處理裝置用于測量并處理鉆桿131的鉆進參數(shù)。 在本發(fā)明的一個實施例中，還包括鉆桿續(xù)接裝置14，鉆桿續(xù)接裝置14設(shè)置在在鉆 進放置和控制艙111內(nèi)，與鉆進裝置13的上部相鄰設(shè)置，當鉆桿131的長度不夠時可以續(xù) 接鉆桿131。 如圖4所示，鉆桿續(xù)接裝置14包括至少一個聯(lián)結(jié)鉆桿141、聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置 142、旋轉(zhuǎn)電機143、推進直線電機144、推進桿146、轉(zhuǎn)角傳感器(未示出)和位移傳感器(未 示出)。 聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置142用于容納上述聯(lián)結(jié)鉆桿141，也就是說，聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置 142至少形成有一個用于放置聯(lián)結(jié)鉆桿141的容納孔。所述聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置142可以根據(jù) 水下勘探的需要進行設(shè)定，例如，所述聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置142可以容納多個聯(lián)結(jié)鉆桿141， 并在需要時將多個聯(lián)結(jié)鉆桿141連接到所述鉆桿131上。旋轉(zhuǎn)電機143用于將聯(lián)結(jié)鉆桿放 置裝置142旋轉(zhuǎn)至預(yù)定位置。推進直線電機144通過驅(qū)動推進桿146來推進已安置的聯(lián)結(jié) 鉆桿141，以便與鉆桿131進行續(xù)接。 在本發(fā)明的一個示例中，如圖2-圖4所示，鉆桿續(xù)接裝置14還包括卡盤聯(lián)結(jié)裝置 145，該卡盤聯(lián)結(jié)裝置145設(shè)置在鉆進放置和控制艙111內(nèi)，可與聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置142中 的其中一個容納孔相配合，即，當旋轉(zhuǎn)電機142將聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置142旋轉(zhuǎn)至預(yù)定位置 時，卡盤聯(lián)結(jié)裝置145與預(yù)定容納孔相卡接，使預(yù)定的聯(lián)結(jié)鉆桿141通過卡盤連接裝置由推 進桿146推動，進而與鉆桿131進行續(xù)接。 鉆桿續(xù)接裝置14的工作過程為首先通過旋轉(zhuǎn)電機143帶動聯(lián)結(jié)放置鉆桿裝置 142到指定位置，當轉(zhuǎn)角傳感器檢測到聯(lián)結(jié)放置鉆桿裝置142到指定位置時，旋轉(zhuǎn)電機143 停止工作。然后，通過推進直線電機144來推動已放置好的聯(lián)結(jié)鉆桿141到指定位置，以便 完成鉆桿連接，完成鉆桿延長的目標，當位移傳感器檢測到聯(lián)結(jié)鉆桿141到達指定位置時， 推進直線電機144停止工作。 啟動卡盤聯(lián)結(jié)裝置145，當卡盤聯(lián)結(jié)裝置145上的傳感器檢測到聯(lián)結(jié)鉆桿141和鉆 桿131完成連接后，卡盤松開，連接動作完成。此時，啟動推進直線電機144返回到其初始 位置，并使推進直線電機144停止工作。然后再啟動旋轉(zhuǎn)電機143，聯(lián)結(jié)放置鉆桿裝置142 轉(zhuǎn)到一定角度后，旋轉(zhuǎn)電機143停止工作。由此完成了聯(lián)結(jié)鉆桿141和鉆桿131的聯(lián)結(jié)，此 時，聯(lián)結(jié)鉆桿141和原鉆桿131合成為新的鉆進鉆桿。如果新的鉆桿長度仍不夠，則可根據(jù) 上述工作過程再續(xù)接新的聯(lián)結(jié)鉆桿141。
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在本發(fā)明的一個實施例中，水下巖土鉆探設(shè)備1還進一步包括水下監(jiān)控裝置，即 用于在水下作業(yè)時采用監(jiān)控錄像設(shè)備進行過程監(jiān)控。在本發(fā)明的另一個示例中，水下巖土 鉆探設(shè)備1進一步包括巖土工程反饋分析與評價裝置，用于對鉆進參數(shù)進行分析和評價。
在本發(fā)明的再一個實施例中，水下巖土鉆探設(shè)備1進一步包括數(shù)據(jù)采集存儲發(fā)送 及處理系統(tǒng)(未示出)。在深海水下環(huán)境工作的水下巖土鉆探設(shè)備1通過數(shù)據(jù)采集存儲發(fā) 送及處理系統(tǒng)自動完成勘測過程中的數(shù)據(jù)采集、存儲、發(fā)送及處理。在巖石層的勘測過程 中需要記錄鉆桿位移、單位時間進尺；而在海底泥面勘測中需要記錄鉆桿位移、進尺以及壓 力，并進行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集存儲發(fā)送及處理。 根據(jù)本發(fā)明的水下巖土鉆探設(shè)備l，其水下勘探深度可達到30-1000m。需要說明
的是，普通技術(shù)人員在閱讀了上述技術(shù)方案之后，可以根據(jù)水下勘探的需要來適應(yīng)所述勘
探的深度，由此上述范圍只是為了說明的目的，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。 根據(jù)本發(fā)明的水下巖土鉆探設(shè)備以鉆進方式勘查海底泥面及巖石層，并通過反力
支撐裝置為水下巖土鉆探設(shè)備的鉆進提供反力，而且可獲得鉆桿的鉆進參數(shù)，從而可得到 巖石和土體物理力學(xué)特性參數(shù)及其沿深度的變化，并確定海洋巖土地基的承載能力。 下面將參照圖5來描述利用上述水下巖土鉆探設(shè)備1進行水下巖土勘探的方法，
該方法包括以下步驟 1.將水下巖土鉆探設(shè)備1下沉至海底泥面或巖石層； 2.利用真空形成裝置12將水下巖土鉆探設(shè)備1吸力貫入海底泥面或巖石層內(nèi)； 以及 3.利用鉆桿131執(zhí)行水下巖土鉆探。 下面將參考圖1-圖5詳細描述根據(jù)本發(fā)明的水下巖土鉆探設(shè)備1在深海水下的 工作原理。 如圖5所示，船載水下巖土鉆探設(shè)備1通過錨鏈2和安裝線3放置到到預(yù)定位置 后，水下巖土鉆探設(shè)備1在其自重作用下自動下沉，并接觸安裝在海底泥面或巖石層上(參 考圖5(a))，然后通過水下巖土鉆探設(shè)備1頂部的水泵122和真空泵123抽水和抽氣，對海 底泥面或巖石層施加主動吸力，使得貫入艙114貫入海底泥面或巖石層(圖5(b))，然后進 行自動控制鉆進勘測(圖5 (c))，同時記錄采集并發(fā)送處理數(shù)據(jù)。將水下巖土鉆探設(shè)備1回 收到海上輪船4后，進行數(shù)據(jù)分析和反演，并研究鉆探進尺速率與巖土性質(zhì)的關(guān)系，通過數(shù)
值仿真和反饋分析，建立勘探數(shù)據(jù)與巖土特性的定量關(guān)系，對巖土工程特性進行合理評價。
任何提及"一個實施例"、"實施例"、"示意性實施例"等意指結(jié)合該實施例描述的 具體構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例中。在本說明書各處的該示意性 表述不一定指的是相同的實施例。而且，當結(jié)合任何實施例描述具體構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或者特點 時，所主張的是，結(jié)合其他的實施例實現(xiàn)這樣的構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或者特點均落在本領(lǐng)域技術(shù)人員 的范圍之內(nèi)。 盡管參照本發(fā)明的多個示意性實施例對本發(fā)明的具體實施方式
進行了詳細的描 述，但是必須理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計出多種其他的改進和實施例，這些改進和實施 例將落在本發(fā)明原理的精神和范圍之內(nèi)。具體而言，在前述公開、附圖以及權(quán)利要求的范圍 之內(nèi)，可以在零部件和/或者從屬組合布局的布置方面作出合理的變型和改進，而不會 離本發(fā)明的精神。除了零部件和/或布局方面的變型和改進，其范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
一種水下巖土鉆探設(shè)備，包括反力支撐裝置，用于為水下巖土鉆探設(shè)備提供反力；真空形成裝置，所述真空形成裝置設(shè)置在所述反力支撐裝置上，用于在反力支撐裝置中產(chǎn)生負壓；鉆進裝置，所述鉆進裝置設(shè)置在所述反力支撐裝置內(nèi)用于鉆進鉆桿；控制裝置，所述控制裝置設(shè)置在所述反力支撐裝置內(nèi)，用于控制鉆桿的鉆進；以及鉆進數(shù)據(jù)測量和處理裝置，所述鉆進數(shù)據(jù)測量和處理裝置用于測量并處理鉆桿的鉆進參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水下巖土鉆探設(shè)備，還包括鉆桿續(xù)接裝置，所述鉆桿續(xù)接裝置與鉆進裝置相鄰設(shè)置，用于續(xù)接所述鉆桿。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下巖土鉆探設(shè)備，其中，所述鉆桿續(xù)接裝置包括至少一個聯(lián)結(jié)鉆桿；聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置，所述聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置用于容納所述聯(lián)結(jié)鉆桿；旋轉(zhuǎn)電機，所述旋轉(zhuǎn)電機用于將聯(lián)結(jié)鉆桿放置裝置旋轉(zhuǎn)至預(yù)定位置；以及推進直線電機，所述推進直線電機用于推進已安置的聯(lián)結(jié)鉆桿，以與所述鉆桿進行續(xù)接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下巖土鉆探設(shè)備，其中，所述鉆桿續(xù)接裝置還包括卡盤聯(lián)結(jié)裝置，用于在聯(lián)結(jié)鉆桿和所述鉆桿進行續(xù)接過程中進行卡接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下巖土鉆探設(shè)備，其中，所述反力支撐裝置包括鉆桿放置和控制艙，用于容納鉆桿和所述控制裝置；鉆桿連接和推進艙，所述鉆桿連接和推進艙與所述鉆桿放置和容納艙相連接，用于容納所述鉆進裝置；真空鉆進艙，所述真空鉆進艙與所述鉆桿連接和推進艙進行連接；以及貫入艙，所述貫入艙與所述真空鉆進艙連接，用于貫入到水下巖土內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下巖土鉆探設(shè)備，其中，所述真空鉆進艙和所述貫入艙之間設(shè)置有分離板，用于防止水下巖土中的泥漿進入所述真空鉆進艙。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下巖土鉆探設(shè)備，其中，所述負壓為-SOkPa -SOkPa。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下巖土鉆探設(shè)備，其中，所述真空形成裝置包括排水排氣管；水泵，所述水泵抽出所述貫入艙和真空鉆進艙內(nèi)的水，并通過排水排氣管排出；以及真空泵，所述真空泵經(jīng)由所述排水排氣管將真空鉆進艙和貫入艙的氣體排出至預(yù)定的負壓。
9 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下巖土鉆探設(shè)備，其中，所述反力支撐裝置的重量為15-30噸。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下巖土鉆探設(shè)備，還包括對所述反力支撐裝置進行密封的密封裝置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的水下巖土鉆探設(shè)備，還包括水土分離裝置，所述水土分離裝置與所述排水排氣管連接，用于對流經(jīng)所述排水排氣管內(nèi)的水執(zhí)行水土分離。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下巖土鉆探設(shè)備，其中，所述鉆進裝置包括鉆桿；鉆進位置傳感器，用于檢測鉆桿鉆進到預(yù)定位置后，觸發(fā)鉆進停止信號；以及用于驅(qū)動鉆桿鉆進的電機，所述電機在接收到所述停止信號之后停止驅(qū)動。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下巖土鉆探設(shè)備，其中，所述控制裝置配置成用于自動執(zhí)行下述中的至少之一鉆桿連接過程控制、鉆桿自動推進控制以及鉆進數(shù)據(jù)測量和處理控制。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下巖土鉆探設(shè)備，還包括水下監(jiān)控裝置，用于在水下作業(yè)時進行過程監(jiān)控。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下巖土鉆探設(shè)備，還包括巖土工程反饋分析與評價裝置，用于對所述鉆進參數(shù)進行分析和評價。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下巖土鉆探設(shè)備，其中，所述水下巖土鉆探設(shè)備的水下勘探深度為30-1000m。
17. —種水下巖土勘探方法，該方法利用權(quán)利要求1-16中任一所述的水下巖土鉆探設(shè)備進行水下巖土勘探，所述方法包括下述步驟將所述水下巖土鉆探設(shè)備下沉至水下巖土區(qū)域；利用所述真空形成裝置將所述水下巖土鉆探設(shè)備吸力貫入所述水下巖土區(qū)域內(nèi)；以及利用鉆桿執(zhí)行水下巖土鉆探。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種水下巖土鉆探設(shè)備，包括反力支撐裝置，用于為水下巖土鉆探設(shè)備提供反力；設(shè)置在所述反力支撐裝置上以產(chǎn)生負壓的真空形成裝置；設(shè)置在所述反力支撐裝置內(nèi)用于鉆進鉆桿的鉆進裝置；設(shè)置在所述反力支撐裝置內(nèi)、用于控制鉆桿的鉆進的控制裝置；以及鉆進數(shù)據(jù)測量和處理裝置。根據(jù)本發(fā)明的水下巖土鉆探設(shè)備以鉆進方式勘查海底泥面以下巖土層，由于反力支撐裝置能夠為水下巖土鉆探設(shè)備的鉆進提供足夠的反力，從而可以順利地進行水下鉆進以獲得鉆進參數(shù)，并可得到巖石和土體物理力學(xué)特性參數(shù)及其沿深度的變化，并確定海洋巖土地基的承載能力和模量。本發(fā)明還公開一種采用上述水下巖土鉆探設(shè)備的水下巖土勘探方法。
文檔編號G01V9/00GK101761311SQ200910244128
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者張嘎, 張建民, 張建紅, 鄭瑞華 申請人:清華大學(xué)