用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切方法

摘要

本发明属于地下工程岩土体钻进、切割和地下工程防灾减灾技术领域，提供一种用于软硬地层的侧翼‑垂向组合式多维冷冻钻切方法；采用侧翼‑垂向组合式钻切的方式，通过控制伸缩臂驱动高强钻切头纵向钻切伸入地层直至完成纵向钻切，通过钻切头控制门分别控制螺纹钻切头和五角钻切头旋转钻切地层，利用中心转轴外侧与高强中空中心骨架嵌入式滑动连接驱使核心钻切头旋转钻切进入地层，实现多角度多刀具复合钻切软硬地层，避免深孔钻切施工遇岩石软土等软硬不均地层容易偏孔的难题，节约施工成本；在富水软硬不均地层中采用多维多区域冷冻的方法，实现深孔钻切施工纵向、垂向的360度全方位冻结，确保深孔钻切不坍塌，施工质量可靠，保证了施工安全。

权利要求

1.一种用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切方法，其特征在于，包括：

一、用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切装置

包括多管排泥系统1、可变钻切系统2、侧翼钻切系统3、多管排水系统4、冷冻系统5、主支撑系统6、地层系统7；

多管排泥系统1，包括第一排泥管101、第二排泥管102、第三排泥管103、第四排泥管

104、离心排泥机105；

可变钻切系统2，包括第一钻切头控制门201、第二钻切头控制门202、第三钻切头控制门203、第四钻切头控制门204、第五钻切头控制门205、第六钻切头控制门206、第七钻切头控制门207、第八头控制门208、第九钻切头控制门209、第十钻切头控制门210、第十一钻切头控制门211、第十二钻切头控制门212、第十三钻切头控制门213、第十四钻切头控制门

214、第十五钻切头控制门215、第十六钻切头控制门216、第十七钻切头控制门217、第十八钻切头控制门218、第十九钻切头控制门219、第二十钻切头控制门220、第二十一钻切头控制门221、第二十二钻切头控制门222、第二十三钻切头控制门223、第二十四钻切头控制门

224、第二十五钻切头控制门225、第二十六钻切头控制门226、第二十七钻切头控制门227、第二十八钻切头控制门228、第二十九钻切头控制门229、第三十钻切头控制门230、第三十一钻切头控制门231、第三十二钻切头控制门232、第三十三钻切头控制门233、第三十四钻切头控制门234、第三十五钻切头控制门235、第三十六钻切头控制门236、第三十七钻切头控制门237、第三十八钻切头控制门238、第三十九钻切头控制门239、第四十钻切头控制门

240、第四十一钻切头控制门241、第四十二钻切头控制门242、第四十三钻切头控制门243、第四十四钻切头控制门244、第四十五钻切头控制门245、第四十六钻切头控制门246、第四十七钻切头控制门247、第四十八钻切头控制门248、第一螺纹钻切头249、第二螺纹钻切头

250、第三螺纹钻切头251、第四螺纹钻切头252、第五螺纹钻切头253、第六螺纹钻切头254、第七螺纹钻切头255、第八螺纹钻切头256、第九螺纹钻切头257、第十螺纹钻切头258、第十一螺纹钻切头259、第十二螺纹钻切头260、第十三螺纹钻切头261、第十四螺纹钻切头262、第十五螺纹钻切头263、第十六螺纹钻切头264、第十七螺纹钻切头265、第十八螺纹钻切头

266、第十九螺纹钻切头267、第二十螺纹钻切头268、第二十一螺纹钻切头269、第二十二螺纹钻切头270、第二十三螺纹钻切头271、第二十四螺纹钻切头272、第一五角钻切头273、第二五角钻切头274、第三五角钻切头275、第四五角钻切头276、第五五角钻切头277、第六五角钻切头278、第七五角钻切头279、第八五角钻切头280、第九五角钻切头281、第十五角钻切头282、第十一五角钻切头283、第十二五角钻切头284、第十三五角钻切头285、第十四五角钻切头286、第十五五角钻切头287、第十六五角钻切头288、第十七五角钻切头289、第十八五角钻切头290、第十九五角钻切头291、第二十五角钻切头292、第二十一五角钻切头

293、第二十二五角钻切头294、第二十三五角钻切头295、第二十四五角钻切头296、核心钻切头297；

侧翼钻切系统3，包括第一高强钻切头301、第二高强钻切头302、第三高强钻切头303、第四高强钻切头304、第五高强钻切头305、第六高强钻切头306、第七高强钻切头307、第八高强钻切头308、第一伸缩臂309、第二伸缩臂310、第三伸缩臂311、第四伸缩臂312、第五伸缩臂313、第六伸缩臂314、第七伸缩臂315、第八伸缩臂316、圆环形侧翼钻探控制器317、钻探仓318；

多管排水系统4，包括第一排水管401、第二排水管402、第三排水管403、第四排水管

404、外部泵水机405；

冷冻系统5，包括第一冷冻枪501、第二冷冻枪502、第三冷冻枪503、第四冷冻枪504、第五冷冻枪505，第六冷冻枪506、第七冷冻枪507、第八冷冻枪508、第一冷冻开关509、第二冷冻开关510、第三冷冻开关511、第四冷冻开关512、第五冷冻开关513、第六冷冻开关514、第七冷冻开关515、第八冷冻开关516、第一中心冷冻液输送管517、第二中心冷冻液输送管

518、第三中心冷冻液输送管519、第四中心冷冻液输送管520、环形冷冻液贮藏室521、冷冻液输入管522、冷冻仓523；

主支撑系统6，包括中心转轴601、旋转密封盘602、高强中空中心骨架603、耐磨损外壳

604、耐磨损旋转底盘605；

二、钻切

当处于富水软硬地层需进行侧翼钻切施工时：

通过圆环形侧翼钻探控制器控制伸缩臂对应的高强钻切头纵向钻切伸入地层，直至完成纵向钻切施工；

当需要进行垂向压入式钻切施工时：

通过布设在耐磨损旋转底盘底部的若干钻切头控制门分别控制对应的螺纹钻切头和五角钻切头旋转钻切地层，同时利用中心转轴外侧与高强中空中心骨架嵌入式滑动连接驱使核心钻切头旋转钻切进入地层；

当遇富水软硬地层极易坍塌需进行冷冻施工进行应急处置时：

纵向通过侧翼钻切系统控制高强钻切头钻切伸入预定的深度，然后将高强钻切头回缩控制其行程为零，通过控制冷冻开关依次对应的冷冻枪将环形冷冻液贮藏室内的冷冻液注入到预处理的富水地层；垂向通过中心冷冻液输送管将环形冷冻液贮藏室内的冷冻液注入耐磨损旋转底盘底部的富水地层。

说明书

用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切方法

技术领域

[0001] 本发明属于地下工程岩土体钻进、切割和地下工程防灾减灾技术领域，尤其是涉及一种用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切方法。

背景技术

[0002] 软硬地层地质复杂多变，是地下工程建设过程中经常遇到的地层，也是引发地质灾害的主要危险源，特别是富水软硬不均地层，极易引发地表沉降、桩位偏差、地表建筑物倒塌、盾构隧道开仓换刀面坍塌、海底富水隧道破裂等事故，这是因为在软硬地层穿越施工不同于单一的软地层和硬地层，由于软地层和硬地层的刚度差异大，在该地层的钻切速度，以及软硬不均地层对钻切刀具的反作用力不相等，从而致使软硬地层可钻切性不同于单一的软地层和硬地层，导致钻切施工面的钻切力比在单一软地层和硬地层中更难控制。

[0003] 现有的用于软硬地层施工的钻进装置主要有超大直径的盾构刀盘、盾构刮刀、盾构机刀具、PDC钻头、物探冲刮钻头等，现有的用于软硬地层施工的切割装置主要是嵌岩桩气压控制式切割，但超大直径的盾构刀盘、盾构刮刀、盾构机刀具等盾构类钻进装置体型庞大、造价昂贵，PDC钻头、物探冲刮钻头等工程勘察类钻进装置成孔直径小、刀翼分布角度和切削齿分布设置不合理，嵌岩桩气压控制式切割软硬地层时切割面钻切力不能随地层变化而实时变化，功能性有待提高。因此，现有的软硬地层施工成孔装置，主要是单一的钻入装置和切割装置，缺少同时兼具钻进、切割功能于一体的复合型钻切装置。

[0004] 中国专利CN106907158A一种用于软硬不均地层的超大直径盾构刀盘系统，包括大型刀盘、中型刀盘、小型刀盘，辐条、面板、滚刀、切刀、先行刀、中心刀、搅拌棒、减速器、液压马达、动力传送装置、护盾和螺旋出土装置，但是该刀盘系统布设方式为多层刀盘空间交错分布，造价昂贵，当刀盘遇软硬地层进行钻进施工时，由于受限于盾构前端刀盘为整体结构，仅能通过控制各类刀盘驱使盾构钻入软硬区，难以有效控制软硬不同地层施工时各地层对应切割面的钻切力，同时也不能切割软硬地层中的硬地层，更不能对软硬地层进行冷冻法施工。

[0005] 中国专利CN206495679U一种在软硬不均地层中使用的盾构刮刀，包括刀体，在刀体的上面一侧边上设有刃口，在刀体上部的斜面上设有安装孔，在刀体的背部设有硬质合金，在刀体的刃口部位设有耐磨合金层，但是该盾构刮刀主要是增强其在不良地层中的抗冲击性能，且成本高，无法保证软硬地层施工时主体结构的精准度，不能用于钻切软硬地层中的岩土体。

[0006] 中国专利CN204552753U一种适用于软硬不均地层的盾构机刀具，包括安装在刀盘上的多个刀具组合，刀具组合包括滚刀和切削刀，滚刀的轴部安装有传感器，滚刀后部固定安装在刀盘上，切削刀后部通过具有液压伸缩装置的基座安装在刀盘上，基座可沿着盾构机轴向前后移动，但是该盾构机刀具由于受限于盾构前端刀盘为整体结构，仅能通过控制滚刀和切削刀钻入岩土体，不能精准调节软地层、硬地层、软硬相互地层等各类不同地层施工时盾构刀盘钻入面的钻入力，且成本高，也不能切割软硬地层中的硬地层。

[0007] 中国专利CN203891774U一种适于软硬交错地层的五刀翼PDC钻头，包括钻头本体及凸设于钻头本体冠部的五个刀翼，刀翼之间形成用于排出杂物的数个沟槽，该钻头通过调整刀翼的分布角度以及刀翼上的主切削齿分布来钻孔，当遇软硬地层时，刀翼上的主切削齿不能随着地层的变化以调整主切削齿的钻力，无法保证软硬地层中主体结构的受力均匀性，不能用于岩土体中软硬地层的钻进和切割。

[0008] 中国专利CN106223855A一种用于嵌岩桩软硬不均地层的气压控制式切岩装置，包括切岩护筒、锥形切削刀具系统、齿形切削刀具系统、振动传感系统、气压传感系统、气压囊系统、高压水管、多径接驳器、隔振弹簧、钻杆、气压控制器、振动控制器、高压水泵、电缆线、强力胶粘剂、气压流量控制器、气压稳固螺栓、橡胶减震垫、隔振紧固螺栓、固位销钉。该装置主要是针对软硬岩切岩时的受力情况，对钻空的软岩保持恒压，对未全部切入的硬岩施加气压，但是该装置无法解决遇软地层、硬地层、软硬交互地层等不同地层切割面的切割力实时调整问题，同时也无法解决软硬地层切割时切屑的快速排出，特别是不能切割硬地层，无法保持切割装置的受力均匀性。

发明内容

[0009] 为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切方法，具有富水地层纵轴向全方位冻结、侧翼钻切孔长、钻切刀具类型多样、刀具适应地层能力强、钻切力均匀、成本低、成孔精度高、钻切速度快的特点。

[0010] 本发明的技术方案如下：

[0011] 一种用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切方法，包括：

[0012] 当处于富水软硬地层需进行侧翼钻切施工时：

[0013] 通过圆环形侧翼钻探控制器控制伸缩臂对应的高强钻切头纵向钻切伸入地层，直至完成纵向钻切施工；

[0014] 当需要进行垂向压入式钻切施工时：

[0015] 通过布设在耐磨损旋转底盘底部的若干钻切头控制门分别控制对应的螺纹钻切头和五角钻切头旋转钻切地层，同时利用中心转轴外侧与高强中空中心骨架嵌入式滑动连接驱使核心钻切头旋转钻切进入地层；

[0016] 当遇富水软硬地层极易坍塌需进行冷冻施工进行应急处置时：

[0017] 纵向通过侧翼钻切系统控制高强钻切头钻切伸入预定的深度，然后将高强钻切头回缩控制其行程为零，通过控制冷冻开关依次对应的冷冻枪将环形冷冻液贮藏室内的冷冻液注入到预处理的富水地层；垂向通过中心冷冻液输送管将环形冷冻液贮藏室内的冷冻液注入耐磨损旋转底盘底部的富水地层。

[0018] 本发明提供的用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切方法可以通过一种用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切装置来实现。

[0019] 具体的，一种用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切装置，包括多管排泥系统、可变钻切系统、侧翼钻切系统、多管排水系统、冷冻系统、主支撑系统；

[0020] 多管排泥系统包括排泥管和离心排泥机；可变钻切系统包括钻切头控制门、螺纹钻切头、五角钻切头、核心钻切头；侧翼钻切系统包括高强钻切头、伸缩臂、圆环形侧翼钻探控制器、钻探仓；多管排水系统包括排水管、外部泵水机；冷冻系统包括冷冻枪、冷冻开关、中心冷冻液输送管、环形冷冻液贮藏室、冷冻液输入管、冷冻仓；主支撑系统包括中心转轴、旋转密封盘、高强中空中心骨架、耐磨损外壳、耐磨损旋转底盘；

[0021] 耐磨损旋转底盘设置在耐磨损外壳的底部；高强中空中心骨架设置于耐磨损外壳内部；高强中空中心骨架的外侧壁中上部焊接环形冷冻液贮藏室，环形冷冻液贮藏室上部布设冷冻液输入管，且冷冻液输入管的底部与环形冷冻液贮藏室的顶部连通；环形冷冻液贮藏室底部焊接环形的冷冻仓，且冷冻仓环绕在高强中空中心骨架外侧；冷冻仓中布设冷冻枪，冷冻枪与环形冷冻液贮藏室之间通过冷冻开关连通；

[0022] 冷冻仓底部焊接钻探仓，圆环形侧翼钻探控制器环绕嵌入高强中空中心骨架，其外侧壁与钻探仓焊接连接；同时圆环形侧翼钻探控制器的外壁与伸缩臂横向连接，伸缩臂与高强钻切头连接；

[0023] 钻探仓底部与耐磨损旋转底盘滑动连接，耐磨损旋转底盘底部布设若干钻切头控制门；若干钻切头控制门中分别安置螺纹钻切头、五角钻切头；

[0024] 中心转轴外侧与高强中空中心骨架嵌入式滑动连接，旋转密封盘设置在空心中心骨架的中下部，并与中心冷冻液输送管连接，中心冷冻液输送管的上端与环形冷冻液贮藏室连通，中心冷冻液输送管的下端贯穿深入核心钻切头的底部，核心钻切头安装在耐磨损旋转底盘的底部中心；

[0025] 耐磨损外壳内部沿纵向焊接有排水管以及排泥管，且排水管与外部泵水机连接，排泥管与外部的离心排泥机连接。

[0026] 本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

[0027] 1.本发明采用侧翼-垂向组合式钻切的方式，通过圆环形侧翼钻探控制器控制若干伸缩臂，从而驱动伸缩臂对应的高强钻切头纵向钻切伸入地层直至完成纵向钻切施工，同时通过布设在耐磨损旋转底盘底部的钻切头控制门分别控制对应的螺纹钻切头和五角钻切头旋转钻切地层，利用中心转轴外侧与高强中空中心骨架嵌入式滑动连接驱使核心钻切头旋转钻切进入地层，实现了多角度多刀具复合钻切软硬地层，避免深孔钻切施工遇岩石软土等软硬不均地层容易偏孔的难题，节约了施工成本。

[0028] 2.本发明在富水软硬不均地层中采用多维多区域冷冻的方法，纵向通过侧翼钻切系统控制各高强钻切头钻切伸入预定的深度，然后将各高强钻切头回缩控制其行程为零，通过控制冷冻开关对应的冷冻枪将环形冷冻液贮藏室内的冷冻液注入到预处理的富水地层，垂向通过中心冷冻液输送管将环形冷冻液贮藏室内的冷冻液注入耐磨损旋转底盘底部的富水地层，实现了深孔钻切施工纵向、垂向的360度全方位冻结，确保深孔钻切不坍塌，施工质量可靠，保证了施工安全。

[0029] 3.本发明具有富水地层纵轴向全方位冻结、侧翼钻切孔长、钻切刀具类型多样、刀具适应地层能力强、钻切力均匀、成本低、成孔精度高、钻切速度快的特点。

附图说明

[0030] 图1为本发明用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切装置的主视剖面示意图。

[0031] 图2为图1逆时针旋转22.5°的剖面图。

[0032] 图3为图1逆时针旋转67.5°的剖面图。

[0033] 图4为图1底部仰视图。

[0034] 图5为图1在五角钻切头收回状、螺纹钻切头工作状态下的底部仰视图。

[0035] 图6为图1在五角钻切头收工作、螺纹钻切头收回状态下的底部仰视图。

[0036] 图7为图1沿A-A’切线俯视图。

[0037] 图8为图1沿B-B’切线俯视图。

[0038] 图9为图1沿C-C’切线俯视图。

[0039] 图10为图1沿D-D’切线俯视图。

[0040] 图11为本发明装置高强钻切头钻切伸入地层时剖面示意图。

[0041] 图12为本发明装置高强钻切头未伸入地层时剖面示意图。

[0042] 图13为本发明装置多维冷冻状态下的剖面示意图。

[0043] 其中，1为多管排泥系统、101为第一排泥管、102为第二排泥管、103为第三排泥管、104为第四排泥管、105为离心排泥机、

[0044] 2为可变钻切系统、201为第一钻切头控制门、202为第二钻切头控制门、203为第三钻切头控制门、204为第四钻切头控制门、205为第五钻切头控制门、206为第六钻切头控制门、207为第七钻切头控制门、208为第八头控制门、209为第九钻切头控制门、210为第十钻切头控制门、211为第十一钻切头控制门、212为第十二钻切头控制门、213为第十三钻切头控制门、214为第十四钻切头控制门、215为第十五钻切头控制门、216为第十六钻切头控制门、217为第十七钻切头控制门、218为第十八钻切头控制门、219为第十九钻切头控制门、220为第二十钻切头控制门、221为第二十一钻切头控制门、222为第二十二钻切头控制门、
223为第二十三钻切头控制门、224为第二十四钻切头控制门、225为第二十五钻切头控制门、226为第二十六钻切头控制门、227为第二十七钻切头控制门、228为第二十八钻切头控制门、229为第二十九钻切头控制门、230为第三十钻切头控制门、231为第三十一钻切头控制门、232为第三十二钻切头控制门、233为第三十三钻切头控制门、234为第三十四钻切头控制门、235为第三十五钻切头控制门、236为第三十六钻切头控制门、237为第三十七钻切头控制门、238为第三十八钻切头控制门、239为第三十九钻切头控制门、240为第四十钻切头控制门、241为第四十一钻切头控制门、242为第四十二钻切头控制门、243为第四十三钻切头控制门、244为第四十四钻切头控制门、245为第四十五钻切头控制门、246为第四十六钻切头控制门、247为第四十七钻切头控制门、248为第四十八钻切头控制门、249为第一螺纹钻切头、250为第二螺纹钻切头、251为第三螺纹钻切头、252为第四螺纹钻切头、253为第五螺纹钻切头、254为第六螺纹钻切头、255为第七螺纹钻切头、256为第八螺纹钻切头、257为第九螺纹钻切头、258为第十螺纹钻切头、259为第十一螺纹钻切头、260为第十二螺纹钻切头、261为第十三螺纹钻切头、262为第十四螺纹钻切头、263为第十五螺纹钻切头、264为第十六螺纹钻切头、265为第十七螺纹钻切头、266为第十八螺纹钻切头、267为第十九螺纹钻切头、268为第二十螺纹钻切头、269为第二十一螺纹钻切头、270为第二十二螺纹钻切头、
271为第二十三螺纹钻切头、272为第二十四螺纹钻切头、273为第一五角钻切头、274为第二五角钻切头、275为第三五角钻切头、276为第四五角钻切头、277为第五五角钻切头、278为第六五角钻切头、279为第七五角钻切头、280为第八五角钻切头、281为第九五角钻切头、
282为第十五角钻切头、283为第十一五角钻切头、284为第十二五角钻切头、285为第十三五角钻切头、286为第十四五角钻切头、287为第十五五角钻切头、288为第十六五角钻切头、
289为第十七五角钻切头、290为第十八五角钻切头、291为第十九五角钻切头、292为第二十五角钻切头、293为第二十一五角钻切头、294为第二十二五角钻切头、295为第二十三五角钻切头、296为第二十四五角钻切头、297为核心钻切头、

[0045] 3为侧翼钻切系统、301为第一高强钻切头、302为第二高强钻切头、303为第三高强钻切头、304为第四高强钻切头、305为第五高强钻切头、306为第六高强钻切头、307为第七高强钻切头、308为第八高强钻切头、309为第一伸缩臂、310为第二伸缩臂、311为第三伸缩臂、312为第四伸缩臂、313为第五伸缩臂、314为第六伸缩臂、315为第七伸缩臂、316为第八伸缩臂、317为圆环形侧翼钻探控制器、318为钻探仓、

[0046] 4为多管排水系统、401为第一排水管、402为第二排水管、403为第三排水管、404为第四排水管、405为外部泵水机、

[0047] 5为冷冻系统、501为第一冷冻枪、502为第二冷冻枪、503为第三冷冻枪、504为第四冷冻枪、505为第五冷冻枪，506为第六冷冻枪、507为第七冷冻枪、508为第八冷冻枪、509为第一冷冻开关、510为第二冷冻开关、511为第三冷冻开关、512为第四冷冻开关、513为第五冷冻开关、514为第六冷冻开关、515为第七冷冻开关、516为第八冷冻开关、517为第一中心冷冻液输送管、518为第二中心冷冻液输送管、519为第三中心冷冻液输送管、520为第四中心冷冻液输送管、521为环形冷冻液贮藏室、522为冷冻液输入管、523为冷冻仓、[0048] 6为主支撑系统、601为中心转轴、602为旋转密封盘、603为高强中空中心骨架、604为耐磨损外壳、605为耐磨损旋转底盘、

[0049] 7为地层系统、701为软土层、702为硬土层、703为冷冻地层。

具体实施方式

[0050] 以下结合附图所示实施例对本发明作进一步说明。

[0051] 实施例

[0052] 本发明提供一种用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切方法，包括：

[0053] 当处于富水软硬地层需进行侧翼钻切施工时：

[0054] 通过圆环形侧翼钻探控制器控制伸缩臂对应的高强钻切头纵向钻切伸入地层，直至完成纵向钻切施工；

[0055] 当需要进行垂向压入式钻切施工时：

[0056] 通过布设在耐磨损旋转底盘底部的若干钻切头控制门分别控制对应的螺纹钻切头和五角钻切头旋转钻切地层，同时利用中心转轴外侧与高强中空中心骨架嵌入式滑动连接驱使核心钻切头旋转钻切进入地层；

[0057] 当遇富水软硬地层极易坍塌需进行冷冻施工进行应急处置时：

[0058] 纵向通过侧翼钻切系统控制高强钻切头钻切伸入预定的深度，然后将高强钻切头回缩控制其行程为零，通过控制冷冻开关依次对应的冷冻枪将环形冷冻液贮藏室内的冷冻液注入到预处理的富水地层；垂向通过中心冷冻液输送管将环形冷冻液贮藏室内的冷冻液注入耐磨损旋转底盘底部的富水地层。

[0059] 本发明提供的用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切方法可以通过一种用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切装置来实现。

[0060] 具体的，一种用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切装置，包括多管排泥系统、可变钻切系统、侧翼钻切系统、多管排水系统、冷冻系统、主支撑系统；

[0061] 多管排泥系统包括排泥管和离心排泥机；可变钻切系统包括钻切头控制门、螺纹钻切头、五角钻切头、核心钻切头；侧翼钻切系统包括高强钻切头、伸缩臂、圆环形侧翼钻探控制器、钻探仓；多管排水系统包括排水管、外部泵水机；冷冻系统包括冷冻枪、冷冻开关、中心冷冻液输送管、环形冷冻液贮藏室、冷冻液输入管、冷冻仓；主支撑系统包括中心转轴、旋转密封盘、高强中空中心骨架、耐磨损外壳、耐磨损旋转底盘；

[0062] 耐磨损旋转底盘设置在耐磨损外壳的底部；高强中空中心骨架设置于耐磨损外壳内部；高强中空中心骨架的外侧壁中上部焊接环形冷冻液贮藏室，环形冷冻液贮藏室上部布设冷冻液输入管，且冷冻液输入管的底部与环形冷冻液贮藏室的顶部连通；环形冷冻液贮藏室底部焊接环形的冷冻仓，且冷冻仓环绕在高强中空中心骨架外侧；冷冻仓中布设冷冻枪，冷冻枪与环形冷冻液贮藏室之间通过冷冻开关连通；

[0063] 冷冻仓底部焊接钻探仓，圆环形侧翼钻探控制器环绕嵌入高强中空中心骨架，其外侧壁与钻探仓焊接连接；同时圆环形侧翼钻探控制器的外壁与伸缩臂横向连接，伸缩臂与高强钻切头连接；

[0064] 钻探仓底部与耐磨损旋转底盘滑动连接，耐磨损旋转底盘底部布设若干钻切头控制门；若干钻切头控制门中分别安置螺纹钻切头、五角钻切头；

[0065] 中心转轴外侧与高强中空中心骨架嵌入式滑动连接，旋转密封盘设置在空心中心骨架的中下部，并与中心冷冻液输送管连接，中心冷冻液输送管的上端与环形冷冻液贮藏室连通，中心冷冻液输送管的下端贯穿深入核心钻切头的底部，核心钻切头安装在耐磨损旋转底盘的底部中心；

[0066] 耐磨损外壳内部沿纵向焊接有排水管以及排泥管，且排水管与外部泵水机连接，排泥管与外部的离心排泥机连接。

[0067] 如图1-图13所示，在优选的实施方式中，一种用于软硬地层的侧翼-垂向组合式多维冷冻钻切装置，包括多管排泥系统1、可变钻切系统2、侧翼钻切系统3、多管排水系统4、冷冻系统5、主支撑系统6、地层系统7。

[0068] 多管排泥系统1，包括第一排泥管101、第二排泥管102、第三排泥管103、第四排泥管104、离心排泥机105。

[0069] 可变钻切系统2，包括第一钻切头控制门201、第二钻切头控制门202、第三钻切头控制门203、第四钻切头控制门204、第五钻切头控制门205、第六钻切头控制门206、第七钻切头控制门207、第八头控制门208、第九钻切头控制门209、第十钻切头控制门210、第十一钻切头控制门211、第十二钻切头控制门212、第十三钻切头控制门213、第十四钻切头控制门214、第十五钻切头控制门215、第十六钻切头控制门216、第十七钻切头控制门217、第十八钻切头控制门218、第十九钻切头控制门219、第二十钻切头控制门220、第二十一钻切头控制门221、第二十二钻切头控制门222、第二十三钻切头控制门223、第二十四钻切头控制门224、第二十五钻切头控制门225、第二十六钻切头控制门226、第二十七钻切头控制门227、第二十八钻切头控制门228、第二十九钻切头控制门229、第三十钻切头控制门230、第三十一钻切头控制门231、第三十二钻切头控制门232、第三十三钻切头控制门233、第三十四钻切头控制门234、第三十五钻切头控制门235、第三十六钻切头控制门236、第三十七钻切头控制门237、第三十八钻切头控制门238、第三十九钻切头控制门239、第四十钻切头控制门240、第四十一钻切头控制门241、第四十二钻切头控制门242、第四十三钻切头控制门
243、第四十四钻切头控制门244、第四十五钻切头控制门245、第四十六钻切头控制门246、第四十七钻切头控制门247、第四十八钻切头控制门248、第一螺纹钻切头249、第二螺纹钻切头250、第三螺纹钻切头251、第四螺纹钻切头252、第五螺纹钻切头253、第六螺纹钻切头
254、第七螺纹钻切头255、第八螺纹钻切头256、第九螺纹钻切头257、第十螺纹钻切头258、第十一螺纹钻切头259、第十二螺纹钻切头260、第十三螺纹钻切头261、第十四螺纹钻切头
262、第十五螺纹钻切头263、第十六螺纹钻切头264、第十七螺纹钻切头265、第十八螺纹钻切头266、第十九螺纹钻切头267、第二十螺纹钻切头268、第二十一螺纹钻切头269、第二十二螺纹钻切头270、第二十三螺纹钻切头271、第二十四螺纹钻切头272、第一五角钻切头
273、第二五角钻切头274、第三五角钻切头275、第四五角钻切头276、第五五角钻切头277、第六五角钻切头278、第七五角钻切头279、第八五角钻切头280、第九五角钻切头281、第十五角钻切头282、第十一五角钻切头283、第十二五角钻切头284、第十三五角钻切头285、第十四五角钻切头286、第十五五角钻切头287、第十六五角钻切头288、第十七五角钻切头
289、第十八五角钻切头290、第十九五角钻切头291、第二十五角钻切头292、第二十一五角钻切头293、第二十二五角钻切头294、第二十三五角钻切头295、第二十四五角钻切头296、核心钻切头297。

[0070] 侧翼钻切系统3，包括第一高强钻切头301、第二高强钻切头302、第三高强钻切头303、第四高强钻切头304、第五高强钻切头305、第六高强钻切头306、第七高强钻切头307、第八高强钻切头308、第一伸缩臂309、第二伸缩臂310、第三伸缩臂311、第四伸缩臂312、第五伸缩臂313、第六伸缩臂314、第七伸缩臂315、第八伸缩臂316、圆环形侧翼钻探控制器
317、钻探仓318。

[0071] 多管排水系统4，包括第一排水管401、第二排水管402、第三排水管403、第四排水管404、外部泵水机405。

[0072] 冷冻系统5，包括第一冷冻枪501、第二冷冻枪502、第三冷冻枪503、第四冷冻枪504、第五冷冻枪505，第六冷冻枪506、第七冷冻枪507、第八冷冻枪508、第一冷冻开关509、第二冷冻开关510、第三冷冻开关511、第四冷冻开关512、第五冷冻开关513、第六冷冻开关
514、第七冷冻开关515、第八冷冻开关516、第一中心冷冻液输送管517、第二中心冷冻液输送管518、第三中心冷冻液输送管519、第四中心冷冻液输送管520、环形冷冻液贮藏室521、冷冻液输入管522、冷冻仓523。

[0073] 主支撑系统6，包括中心转轴601、旋转密封盘602、高强中空中心骨架603、耐磨损外壳604、耐磨损旋转底盘605。

[0074] 此外，地层系统7，包括软土层701、硬土层702、冷冻地层703。

[0075] 本发明装置的连接原理是：

[0076] 中心转轴601外侧与高强中空中心骨架603嵌入式滑动连接，旋转密封盘602安设在空心中心骨架603的下端，旋转密封盘602分别与第一中心冷冻液输送管517、第二中心冷冻液输送管518、第三中心冷冻液输送管519、第四中心冷冻液输送管520的上端连接，第一中心冷冻液输送管517、第二中心冷冻液输送管518、第三中心冷冻液输送管519、第四中心冷冻液输送管520的下端贯穿深入核心钻切头297的底部。

[0077] 高强中空中心骨架603的外侧壁上端焊接环形冷冻液贮藏室521，环形冷冻液贮藏室521上部布设冷冻液输入管522，其底部焊接冷冻仓523，环形冷冻液贮藏室521与冷冻仓523依次通过呈45°角的第一冷冻开关509、第二冷冻开关510、第三冷冻开关511、第四冷冻开关512、第五冷冻开关513、第六冷冻开关514、第七冷冻开关515、第八冷冻开关516焊接连接，冷冻仓523中布设第一冷冻枪501、第二冷冻枪502、第三冷冻枪503、第四冷冻枪504、第五冷冻枪505，第六冷冻枪506、第七冷冻枪507、第八冷冻枪508；第一冷冻开关509底部连接第一冷冻枪501，第二冷冻开关510底部连接第二冷冻枪502，第三冷冻开关511底部连接第三冷冻枪503，第四冷冻开关512底部连接第四冷冻枪504，第五冷冻开关513底部连接第五冷冻枪505，第六冷冻开关514底部连接第六冷冻枪506，第七冷冻开关515底部连接第七冷冻枪507，第八冷冻开关516底部连接第八冷冻枪508。

[0078] 冷冻仓523底部焊接钻探仓318，圆环形侧翼钻探控制器317嵌入高强中空中心骨架603，其外侧壁与钻探仓318焊接连接；圆环形侧翼钻探控制器317的外壁四周分别与第一伸缩臂309、第二伸缩臂310、第三伸缩臂311、第四伸缩臂312、第五伸缩臂313、第六伸缩臂314、第七伸缩臂315、第八伸缩臂316连接；第一伸缩臂309连接第一高强钻切头301，第二伸缩臂310连接第二高强钻切头302，第三伸缩臂311连接第三高强钻切头303，第四伸缩臂312连接第四高强钻切头304，第五伸缩臂313连接第五高强钻切头305，第六伸缩臂314连接第六高强钻切头306，第七伸缩臂315连接第七高强钻切头307，第八伸缩臂316连接第八高强钻切头308。

[0079] 钻探仓318底部与耐磨损旋转底盘605滑动连接，耐磨损旋转底盘605底部按45°角依次布设第一钻切头控制门201、第二钻切头控制门202、第三钻切头控制门203、第四钻切头控制门204、第五钻切头控制门205、第六钻切头控制门206、第七钻切头控制门207、第八头控制门208、第九钻切头控制门209、第十钻切头控制门210、第十一钻切头控制门211、第十二钻切头控制门212、第十三钻切头控制门213、第十四钻切头控制门214、第十五钻切头控制门215、第十六钻切头控制门216、第十七钻切头控制门217、第十八钻切头控制门218、第十九钻切头控制门219、第二十钻切头控制门220、第二十一钻切头控制门221、第二十二钻切头控制门222、第二十三钻切头控制门223、第二十四钻切头控制门224、第二十五钻切头控制门225、第二十六钻切头控制门226、第二十七钻切头控制门227、第二十八钻切头控制门228、第二十九钻切头控制门229、第三十钻切头控制门230、第三十一钻切头控制门231、第三十二钻切头控制门232、第三十三钻切头控制门233、第三十四钻切头控制门234、第三十五钻切头控制门235、第三十六钻切头控制门236、第三十七钻切头控制门237、第三十八钻切头控制门238、第三十九钻切头控制门239、第四十钻切头控制门240、第四十一钻切头控制门241、第四十二钻切头控制门242、第四十三钻切头控制门243、第四十四钻切头控制门244、第四十五钻切头控制门245、第四十六钻切头控制门246、第四十七钻切头控制门247、第四十八钻切头控制门248。

[0080] 第一钻切头控制门201中安置第一螺纹钻切头249，第二钻切头控制门202中安置第二螺纹钻切头250，第三钻切头控制门203中安置第三螺纹钻切头251，第四钻切头控制门204中安置第四螺纹钻切头252，第五钻切头控制门205中安置第五螺纹钻切头253，第六钻切头控制门206中安置第六螺纹钻切头254，第七钻切头控制门207中安置第七螺纹钻切头
255，第八头控制门208中安置第八螺纹钻切头256，第九钻切头控制门209中安置第九螺纹钻切头257，第十钻切头控制门210中安置第十螺纹钻切头258，第十一钻切头控制门211中安置第十一螺纹钻切头259，第十二钻切头控制门212中安置第十二螺纹钻切头260，第十三钻切头控制门213中安置第十三螺纹钻切头261，第十四钻切头控制门214中安置第十四螺纹钻切头262，第十五钻切头控制门215中安置第十五螺纹钻切头263，第十六钻切头控制门
216中安置第十六螺纹钻切头264，第十七钻切头控制门217中安置第十七螺纹钻切头265，第十八钻切头控制门218中安置第十八螺纹钻切头266，第十九钻切头控制门219中安置第十九螺纹钻切头267，第二十钻切头控制门220中安置第二十螺纹钻切头268，第二十一钻切头控制门221中安置第二十一螺纹钻切头269，第二十二钻切头控制门222中安置第二十二螺纹钻切头270，第二十三钻切头控制门223中安置第二十三螺纹钻切头271，第二十四钻切头控制门224中安置第二十四螺纹钻切头272，第二十五钻切头控制门225中安置第一五角钻切头273，第二十六钻切头控制门226中安置第二五角钻切头274，第二十七钻切头控制门
227中安置第三五角钻切头275，第二十八钻切头控制门228中安置第四五角钻切头276，第二十九钻切头控制门229中安置第五五角钻切头277，第三十钻切头控制门230中安置第六五角钻切头278，第三十一钻切头控制门231中安置第七五角钻切头279，第三十二钻切头控制门232中安置第八五角钻切头280，第三十三钻切头控制门233中安置第九五角钻切头
281，第三十四钻切头控制门234中安置第十五角钻切头282，第三十五钻切头控制门235中安置第十一五角钻切头283，第三十六钻切头控制门236中安置第十二五角钻切头284，第三十七钻切头控制门237中安置第十三五角钻切头285，第三十八钻切头控制门238中安置第十四五角钻切头286，第三十九钻切头控制门239中安置第十五五角钻切头287，第四十钻切头控制门240中安置第十六五角钻切头288，第四十一钻切头控制门241中安置第十七五角钻切头289，第四十二钻切头控制门242中安置第十八五角钻切头290，第四十三钻切头控制门243中安置第十九五角钻切头291，第四十四钻切头控制门244中安置第二十五角钻切头
292，第四十五钻切头控制门245中安置第二十一五角钻切头293，第四十六钻切头控制门
246中安置第二十二五角钻切头294，第四十七钻切头控制门247中安置第二十三五角钻切头295，第四十八钻切头控制门248中安置第二十四五角钻切头296。

[0081] 第一排水管401、第二排水管402、第三排水管403、第四排水管404以及第一排泥管101、第二排泥管102、第三排泥管103、第四排泥管104均焊接于耐磨损外壳604四周。

[0082] 本发明装置的工作原理是：

[0083] 本发明装置处于富水软硬地层需进行侧翼钻切施工时，通过圆环形侧翼钻探控制器317控制第一伸缩臂309、第二伸缩臂310、第三伸缩臂311、第四伸缩臂312、第五伸缩臂313、第六伸缩臂314、第七伸缩臂315、第八伸缩臂316等八个伸缩臂的伸缩，从而驱动上述八个伸缩臂对应的第一高强钻切头301、第二高强钻切头302、第三高强钻切头303、第四高强钻切头304、第五高强钻切头305、第六高强钻切头306、第七高强钻切头307、第八高强钻切头308纵向钻切伸入地层直至完成纵向钻切施工；当需要进行垂向压入式钻切施工时，通过布设在耐磨损旋转底盘605底部的四十八个钻切头控制门分别控制对应的若干螺纹钻切头和五角钻切头旋转钻切地层，同时利用中心转轴601外侧与高强中空中心骨架603嵌入式滑动连接驱使核心钻切头297旋转钻切进入地层。

[0084] 本发明装置遇富水软硬地层极易坍塌需进行冷冻施工进行应急处置时，纵向通过侧翼钻切系统控制各高强钻切头钻切伸入预定的深度，然后将各高强钻切头回缩控制其行程为零，通过控制若干冷冻开关依次对应的冷冻枪将环形冷冻液贮藏室内的冷冻液注入到预处理的富水地层；垂向依次通过第一中心冷冻液输送管517、第二中心冷冻液输送管518、第三中心冷冻液输送管519、第四中心冷冻液输送管520将环形冷冻液贮藏室521内的冷冻液注入耐磨损旋转底盘605底部的富水地层。

[0085] 多管排泥系统1中第一排泥管101、第二排泥管102、第三排泥管103、第四排泥管104均通过螺栓与外部离心排泥机105连接，其中，排泥管由高强度耐磨不锈钢材料制成，确保排泥通畅；离心排泥机105具有高效对孔内岩屑进行排泥的优点。

[0086] 可变钻切系统2中核心钻切头297安置耐磨损旋转底盘605的底部中心。钻切头控制门由不锈钢制成并且具有极其强的密封性，具有控制钻切头升降、切换刀盘的作用；螺纹钻切头由高强度合金制成，具有极强的破碎岩石能力；五角钻切头由高强度合金制成，具有极强的破土能力；核心钻切头由高强度合金制成，强度极高，耐腐蚀。

[0087] 侧翼钻切系统3中圆环形侧翼钻探器用于处理和发出指令，具有反应灵敏、抗干扰的优点；钻探仓由不锈钢材料制成，具有耐腐蚀、稳固性好的优点；伸缩臂由高强度合金制成，具有伸缩自如、强度高的优点；高强钻切头由高强度合金制成，具有快速钻切破碎软硬岩土体的优点。

[0088] 多管排水系统4中第一排水管401、第二排水管402、第三排水管403、第四排水管404均与外部泵水机405螺栓连接，排水管由合金材料制成外壳，柔性材料制成内胆，具有强度高、输水快的优点，外部泵水机能大量抽取孔内的水源，能快速排出孔内的积水。

[0089] 冷冻系统5中环形冷冻液贮藏室由高强度合金制成外壳，抗冻保温材料制成内胆，具有极好的安全性、保温性、贮藏性；冷冻液输入管由高强度合金制成外壳，抗冻保温材料制成内胆，具有输送快速、安全的优点；冷冻开关独立控制冷冻状态，具备独立处理信息的特性；冷冻枪由高强度合金制成外壳，抗冻保温材料制成内胆制作，起发射冷冻液至孔洞的作用；冷冻仓由高强度抗冻合金制成，安全，抗冻，耐腐蚀。

[0090] 主支撑系统6中的中心转轴由高强度合金制成，起传导动力作用；高强中空中心骨架由高强度合金制成，起内部保护作用；旋转密封盘由密封材料和合金制成，具有密封性强，抗冻性强，强度强的优点；下部耐磨损外壳由高强度合金和抗冻材料制成，耐腐蚀，耐磨损，耐极寒。

[0091] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。