自潜式水下钻芯取样装置技术领域
本发明涉及一种自潜式水下钻芯取样装置，适用于海洋工程、港口与航道工程、水
利水电工程、市政公用工程、公路工程、铁路工程及建筑工程等软土领域。
背景技术
随着我国海洋开发的推进和内陆工程建设向水域发展，工程前期的勘探技术成果
为能够反应实际地质情况，钻探施工在向标准化、规范化、科技化发展，钻取岩芯土样能够
呈现完整的形态，以便工程地质人员精确鉴别判定地层状态。
目前我国开发的海洋工程主要位于潮间带及近海海域，采用四脚升降钻探平台，
该平台施工不受风浪影响有一定的效果，但受浅层不均匀沉降的持力层影响较大，容易发
生倾覆，同时该平台只能在水深较浅的海域进行钻探施工；采用施工船上安装普通钻机，配
备波浪补偿装置，钻探施工的取芯率与操作人的技能水平息息相关，此施工方案目前比较
普及，但受潮汐及风浪的影响较大，施工需避开上述不利自然因素；另采用专业的海洋钻探
平台，该设备比较先进，具有自平衡动力系统，不受风浪影响，但施工效率极低，为弥补这一
缺陷，采用多组人员轮流施工，耗费时间成本和人力成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、制作方
便、成本较低、受风浪影响小的自潜式水下钻芯取样装置，以简化施工工序，提高施工精度。
本发明所采用的技术方案是：一种自潜式水下钻芯取样装置，其特征在于：具有吊
装平台，该吊装平台下端依次经钢管和弹性管连接压重机构，所述吊装平台还经起升机构
连接所述压重机构；
所述压重机构内具有连通压重机构上下端的安装通道，安装通道依次与所述弹性
管和钢管连通形成吊装运输通道；
所述安装通道内装有自潜钻机，该自潜钻机内具有与所述压重机构上安装通道连
通的轴向通孔，该轴向通孔内设有可卡装岩芯管的卡装机构；
所述吊装运输通道内设有用于提升下放岩芯管、自潜钻机的吊装机构。
所述压重机构上设有定位机构。
所述定位机构具有定位控制器，以及与定位控制器电路连接的GPS定位器和若干
螺旋桨。
所述压重机构下端设有水平调节机构。
所述水平调节机构具有调平控制器、若干螺纹升降杆，以及与调平控制器电路连
接的用于驱动螺纹升降杆转动的电动机和用于监测所述压重机构水平状态的水平传感器，
其中螺纹升降杆均匀安装于压重机构上，螺纹升降杆下端设置抗扭铁片。
所述起升机构包括卷筒机构和钢丝绳，其中卷筒机构安装于所述吊装平台上，钢
丝绳上端绕于卷筒机构上，钢丝绳下端连接所述压重机构。
所述岩芯管吊装机构包括绳索、岩芯管接头和套于绳索上的重力锤套，所述绳索
上端经动作机构安装于吊装平台，绳索下端连接岩芯管接头；
所述岩芯管上端设有连接头，连接头具有与所述岩芯管接头相适配的连接孔，连
接孔内设有用于卡接岩芯管接头的接头卡槽。
所述岩芯管接头包括接头本体，接头本体上由下而上依次具有伸缩机构Ⅰ、卡扣机
构、挡圈旋转机构及挡圈；
所述伸缩机构Ⅰ包括沿岩芯管接头轴向布置的伸缩杆Ⅰ，伸缩杆Ⅰ上套有弹簧Ⅰ；
所述卡扣机构具有弹簧管和与所述接头卡槽相适配的接头卡扣，接头卡扣下端与
接头本体可转动铰接，接头卡扣上端经弹簧管连接接头本体；
所述挡圈旋转机构具有沿岩芯管接头轴向布置的伸缩杆Ⅱ，套于伸缩杆Ⅱ上的弹
簧Ⅱ，伸缩杆Ⅱ下部制有一圈朝向上方的导向齿；
所述挡圈同轴可转动安装于接头本体上，该挡圈上均匀制有若干可供所述接头卡
扣穿过的缺口槽，挡圈上具有与下方导向齿相适配的从动齿。
所述岩芯管管外壁上设有可与自潜钻机内卡装机构相适配的岩芯管卡扣，连接孔
孔底设有控制岩芯管卡扣缩进的接触开关；
所述岩芯管接头具有岩芯管接头Ⅰ和岩芯管接头Ⅱ两种，岩芯管接头Ⅰ下端端部制
有盲孔；
当岩芯管接头Ⅱ经接头卡扣卡接在连接孔内时，岩芯管接头Ⅱ下端抵接所述接触
开关；当岩芯管接头Ⅰ经接头卡扣卡接在连接孔内时，岩芯管接头Ⅰ下端与抵接连接孔孔底，
所述接触开关位于盲孔内。
所述自潜钻机由上而下依次为跟进机构、动力机构和旋转推进机构；
所述动力机构具有螺纹管Ⅰ和驱动螺纹管Ⅰ转动的电动机Ⅰ、齿轮组Ⅰ，以及螺纹管
Ⅱ和驱动驱动螺纹管Ⅱ转动的电动机Ⅱ、齿轮组Ⅱ；
所述跟进机构与螺纹管Ⅰ螺纹连接；所述旋转推进机构与螺纹管Ⅱ螺纹连接，旋转
推进机构内设有所述卡装机构。
本发明的有益效果是：本发明通过设置弹性管减弱风浪对下方压重机构、自潜钻
机等的影响，通过定位机构和水平调节机构提高施工精度。本发明结构简单、操作方便，仅
需两个操作人员即可完成施工，节约人力成本。本发明秉承安全、文明(无噪音、无污染、科
技化施工理念。本发明由于设有弹性管、定位机构和水平调节机构，施工时不受潮汐、风浪、
水深等自然因素影响，节约时间成本。本发明采用1m一钻，岩芯采取率高，岩芯无扰动，有利
于工程地质人员鉴别判定地层状态，保证高质量。
附图说明
图1为实施例的结构示意图。
图2为实施例中自潜钻机的示意图。
图3为实施例中自潜钻机的剖视图。
图4为图3的A-A剖视图。
图5为图3的B-B剖视图。
图6为图3的C-C剖视图。
图7为实施例中岩芯管接头Ⅰ与岩芯管连接示意图。
图8为实施例中岩芯管接头Ⅱ与岩芯管连接示意图。
图9为实施例中图8中A部的放大图。
图10为实施例中自潜式水下钻芯取样装置的使用状态示意图。
图11～图13为实施例中自潜钻机下潜工作示意图。
图14～图16为实施例中自潜钻机提取遇阻时的工作示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例为一种自潜式水下钻芯取样装置，具有吊装平台1、钢管2、压
重机构4，以及可以拉升、弯曲的弹性管3，其中吊装平台1下端与钢管2的上端连接固定，并
且吊装平台1上制有与钢管2内部连通的通孔，钢管2下端与弹性管3同轴固定连接，弹性管3
下端连接压重机构4。本例中在吊装平台1上安装有若干起升机构5，起升机构5包括卷筒机
构501和钢丝绳502，其中卷筒机构501安装在吊装平台1上，钢丝绳502上端绕于卷筒机构
501上，钢丝绳502下端连接压重机构4，通过起升机构5可控制压重机构4相对吊装平台1上
升或下降。
本例中在压重机构4上制有连通压重机构上下的安装通道401，在安装通道401内
装有自潜钻机6。如图2～图6所示，本实施例中自潜钻机6由上而下依次为跟进机构603、动
力机构604和旋转推进机构605。其中动力机构604具有螺纹管Ⅰ6041和驱动螺纹管Ⅰ6041转
动的电动机Ⅰ6042、齿轮组Ⅰ6043，以及螺纹管Ⅱ6044和驱动驱动螺纹管Ⅱ转动的电动机Ⅱ
6045、齿轮组Ⅱ6046。跟进机构603与螺纹管Ⅰ螺纹连接；旋转推进机构605与螺纹管Ⅱ螺纹
连接。本例中跟进机构603、动力机构604和旋转推进机构605轴向均具有通孔，跟进机构
603、动力机构604和旋转推进机构605内通孔连通形成轴向通孔601，旋转推进机构605对应
轴向通孔601内设有卡装机构，本例中卡装机构采用卡槽602。
本实施例中自潜钻机6的工作原理如下：
自潜钻机6向下钻进：
a、旋转推进机构605向下前进：启动电动机Ⅱ6045，齿轮组Ⅱ6046正向转动螺纹管
Ⅱ6044，螺纹管Ⅱ6044转动过程中与其接触的旋转推进机构605旋转，由于旋转推进机构
605外围的大螺纹与土体接触，则旋转推进机构605向前运动。
b、动力机构向下前进：同时启动电动机Ⅰ、Ⅱ6042、6045，反向旋转齿轮组Ⅱ，和正
向旋转齿轮组Ⅰ，此时旋转推进机构605和跟进机构603作为其反力，通过转动接触的螺纹管
Ⅰ、Ⅱ，使得动力机构604向旋转推进机构605方向移动。
c、跟进机构向下前进：启动电动机Ⅰ6042，齿轮组Ⅰ反向转动螺纹管Ⅰ,螺纹管Ⅰ转动
过程中与其接触的跟进机构603按照螺纹管Ⅰ的动力，此时动力机构604和旋转推进机构605
作为其反力，使得跟进机构603旋转，由于跟进机构603外围的大螺纹与土体接触，则动力机
构方向靠拢。
自潜钻机6向上移动时只需把上述c、b、a中的电动机按向下移动时的反向转动即
可。
在压重机构4的下端装有定位机构9和水平调节机构。其中定位机构9具有定位控
制器，以及与定位控制器电路连接的GPS定位器和若干螺旋桨。定位机构9可根据GPS定位器
及目标点位置，驱动螺旋桨，使得GPS定位器至目标点位置，从而使得自潜式水下钻芯取样
装置到达指定位置。水平调节机构具有调平控制器、4个螺纹升降杆10，以及与调平控制器
电路连接的用于驱动螺纹升降杆转动的电动机和用于监测所述压重机构4水平状态的水平
传感器，4个螺纹升降杆10均匀安装于压重机构4上。水平调节机构根据水平传感器检测压
重机构4所处的是否平衡状态，所处低高程的螺纹升降杆10通过电动机的转动抬升压重机
构4一角，为防止螺纹升降杆跟转，在螺纹升降杆10底端设置抗扭铁片。
本实施例中安装通道401与弹性管3和钢管2形成岩芯管7及自潜钻机6的吊装运输
通道，在通道上方设置有可用于吊装岩芯管7及自潜钻机6的吊装机构8。吊装机构8包括安
装固定于吊装平台1上的动作机构(可选用卷筒)，以及与动作机构相连的绳索802，绳索802
上套有重力锤套801，绳索802连接岩芯管接头803。
本例在岩芯管7上端设有连接头701，连接头701具有与岩芯管接头803及相适配的
连接孔702，连接孔702内设有接头卡槽705。岩芯管7管外壁上设有岩芯管卡扣703(卡扣的
打开关闭是机械弹簧的，正常状态是保持弹出的)，该岩芯管卡扣可与自潜钻机6中轴向通
孔601内壁上的卡槽602配合实现卡装锁定。岩芯管卡扣703经控制电路(或机械传动机构)
连接设置于连接孔702孔底的接触开关704。
本实施例中岩芯管接头803具有岩芯管接头Ⅰ和岩芯管接头Ⅱ两种结构形式，岩芯
管接头Ⅰ下端端部制有盲孔8031。
当岩芯管接头Ⅱ卡接在连接孔702内时，岩芯管接头Ⅱ下端抵接接触开关704(图
8)，接触开关704控制岩芯管卡扣703缩进；当岩芯管接头Ⅰ经卡接在连接孔702内时，岩芯管
接头Ⅰ下端抵接连接孔702孔底，接触开关704位于盲孔8031内，故岩芯管接头Ⅰ不与接触开
关704接触(图7)，岩芯管卡扣703保持原始的撑开状态。
如图9所示，本例中岩芯管接头803包括接头本体8031，在接头本体上由下而上依
次具有伸缩机构Ⅰ、卡扣机构、挡圈旋转机构及挡圈8037。伸缩机构Ⅰ包括沿岩芯管接头轴向
布置的伸缩杆Ⅰ8033，伸缩杆Ⅰ上套有弹簧Ⅰ8034。卡扣机构具有弹簧管8036和与接头卡槽
705相适配的接头卡扣8035，接头卡扣下端与接头本体可转动铰接，接头卡扣上端经弹簧管
连接接头本体。挡圈旋转机构具有沿岩芯管接头轴向布置的伸缩杆Ⅱ80310，套于伸缩杆Ⅱ
上的弹簧Ⅱ80311，伸缩杆Ⅱ下部制有一圈朝向上方的导向齿8039。挡圈8037同轴可转动安
装于接头本体上，该挡圈上均匀制有若干可供所述接头卡扣8035穿过的缺口槽，缺口槽与
缺口槽之间形成挡片，挡圈上具有与下方导向齿相适配的从动齿8038。
本实施例中岩芯管接头的工作原理如下：
岩芯管接头803经接头卡扣8035配合接头卡槽705卡接与连接孔702内，接头卡扣
8035对应挡圈8037的缺口槽位置，从动齿8038与导向齿错开一定角度。
当重力锤套801沿绳索802下落撞击岩芯管接头803时，伸缩机构Ⅰ先被压缩，岩芯
管接头803中伸缩机构Ⅰ以上的部分向下移动，接头卡扣8035在向下冲击力和卡槽705下边
缘支撑力的作用下压缩弹簧管8036、穿过挡圈上的缺口槽向内缩进。
在伸缩机构Ⅰ被压缩后，挡圈旋转机构中的弹簧Ⅱ、伸缩杆Ⅱ也在冲击力作用下被
压缩，挡圈8037再次向下移动。挡圈8037下移过程中从动齿8038与下方的导向齿8039逐渐
啮合，由于初始时从动齿8038与导向齿8039错开一定角度，在下移过程中从动齿8038在导
向齿的作用下旋转一定角度，从动齿8038带动挡圈8037旋转一定角度。挡圈8037转动后，挡
圈的缺口槽与接头卡扣8035位置错开，被挡片阻挡，无法向外撑开。
需要接头卡扣8035再次向外撑开时，可在岩芯管接头803取出后通过人工转动挡
圈8037，使挡圈的缺口槽与接头卡扣8035位置对应。
本实施例的具体施工方法如下：
1、首先确定勘探孔位置，施工船11四个方位抛锚定位；
2、与此同时，将自潜钻机6装入压重机构4的安装通道内，用船上的吊机1101将自
潜式水下钻芯取样装置吊装到勘探孔位上方(见图10)；
3、同时释放4根起升机构5的钢丝绳502，将自潜式水下钻芯取样装置的定位机构
9、水平调节机构、压重机构4沉入水中直至接近海底泥面，弹性管3随之拉伸；
4、启动定位机构9，调整自潜式水下钻芯取样装置位置使自潜钻机6与勘探点对
接；
5、利用压重机构4的自重将其沉入海底泥面，调整其水平调节机构使压重机构处
于水平状态，自潜钻机6则处于竖直状态；
6、自潜钻机6的动力机构604和跟进机构603利用压重机构4作为自身反力，旋转推
进机构605钻入土体(图11)，钻进米数可以根据设备大小及岩芯管确定，可取1m一钻；
7、动力机构604向旋转推进机构605端移动(图12)；
8、跟进机构603以旋转方式向动力机构604移动(图13)；
9、启动吊装机构8，将吊装机构8的岩芯管接头Ⅱ与自潜钻机内的岩芯管7对接，岩
芯管接头Ⅱ抵接接触开关704，接触开关704控制旋转推进机构605与岩芯管7之间的岩芯管
卡扣703缩进，岩芯管7与自潜钻机6分离，吊装机构8提取岩芯管7至吊装平台1，卸下装有岩
芯的岩芯管7取样，同时更换另一个岩芯管7与岩芯管接头Ⅱ对接；
10、吊装机构8将岩芯管7下放到自潜钻机6内，释放重力锤套801，重力锤套801沿
绳索802自由落下，重力锤套801撞击岩芯管接头Ⅱ，岩芯管接头Ⅱ受到冲击后接头卡扣
8035缩进，岩芯管接头Ⅱ与岩芯管7脱离，岩芯管接头Ⅱ不再抵接接触开关704，旋转推进机
构605与岩芯管7之间经岩芯管卡扣703卡装锁定；
11、提取岩芯管接头Ⅱ至吊装平台1，重力锤套801放置到原位置；
12、重复步骤6至步骤11，直至自潜钻机6钻入深度达到预定孔深或满足技术要求
后，执行终孔；
13、吊装平台1下放岩芯管接头Ⅰ，使该岩芯管接头Ⅰ与岩芯管7对接，并保持旋转推
进机构605与岩芯管7之间的岩芯管卡扣703撑开状态；
14、通过绳索802将自潜钻机6及岩芯管7一同往回提取；
a、跟进机构603以旋转方式向上移动(图14)；
b、动力机构604向跟进机构603端移动(图15)；
c、旋转推进机构605向动力机构604端旋转移动(图16)；
d、重复步骤a至步骤c，直至自潜钻机6顺利提取至吊装平台1；
15、回收起升机构5的4根钢丝绳502，将压重机构4从海底拉回船上，弹性管3随之
压缩。