CN113863852B - 低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺与成孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺与成孔装置，出渣通道贯穿于被悬吊于孔底进行竖向岩土掘进施工的集成铣挖头中，被碎岩钻具切削后的钻渣通过垂直螺旋提渣器提升后进入中空出渣通道，在自重和垂直螺旋提渣器产生孔底负压的共同作用下，进入中空出渣通道的渣土或渣水混合物返回孔底渣土腔，构成局部内循环通路；垂直螺旋提渣器上部设置横向渣土出口与中空出渣通道连通；过滤式捞渣桶被吊运往返于地表与中空出渣通道的底部，将渣土逐桶吊运至地表。实现渣土无泥浆出渣，解决泥浆循环出渣所产生的环境污染、资源浪费、泥皮及孔底沉渣影响问题；出渣通道构成局部内循环，节省能源且避免污染环境，改善施工劳动强度和工作环境。

Description

低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺与成孔装置

技术领域

本发明属于地下工程施工技术领域，具体涉及一种用于竖向岩土掘进的低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺与成孔装置。

背景技术

破碎岩土、出渣、维持孔壁稳定是形成稳定地下空间进而开展基础工程建设的三大关键施工技术。按破碎岩土、出渣方式不同，现有的机械成孔方法主要包括适用于圆形孔的回旋钻机、冲击钻机、冲抓钻机、潜水钻机、旋挖钻机、螺旋钻机、全套管钻机以及适用于成槽的钢丝绳抓斗、液压导板抓斗、导杆液压抓斗、双轮铣等。在这些成孔方法中，除了旋挖钻、螺旋钻可在一定的适宜条件下不需泥浆采用干孔作业外，其余均需利用泥浆进行排渣或维持孔壁稳定，可以说泥浆在机械成孔技术中发挥着不可或缺的重要作用。然而，现有的泥浆正循环、反循环工艺采用满孔置浆、“整孔-地面”大循环出渣，面临着如下实际负面问题：①需制备泥浆量大，资源浪费、环境污染严重；②废浆处理困难，外运成本高，易造成二次环境污染；③需建、拆泥浆池和配置泥浆制作、循环设备，施工投入大；④能源效率低，80％以上的能源转化为泥浆循环而非携渣做功；⑤孔壁泥皮、孔底沉渣影响成桩质量等。

此外，现有桩工机械成孔普遍为圆形，对于矩形灌注桩尚无相应的专用桩工机械成孔设备。传统矩形桩施工主要以人工挖孔为主，而人工挖孔桩施工作业环境恶劣，工人劳动强度大、危险性极高、安全保障极差，是一种落后的施工工艺，也是建设部严格限制或禁止类技术。这使得具有优越力学特性的矩形桩在工程建设领域的应用受到了严格的限制和制约，进而也造成很多工程设计方案扭曲和资源浪费。无专用矩形桩成孔设备无疑成了应用矩形灌注桩的施工技术瓶颈。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种用于竖向岩土掘进的低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺，解决传统泥浆大循环出渣所产生的环境污染、资源浪费、能源效率低、成桩质量控制复杂等技术问题。

相应地，本发明还提供了一种低污染高效能孔底局部内循环成孔装置，解决当前桩施工特别是矩形孔施工无专用成孔机械装备的现实工程问题，实现全断面机械碎岩形成矩形截面孔，孔底局部内循环无泥浆出渣；也提供了一种低污染高效能孔底局部内循环圆形成孔装置，解决了传统圆形桩孔机械成孔施工中泥浆大循环出渣所产生的上述问题。本发明的低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺具有先进、实用、环保、节能等功能特性，同理还可应用于各种形状的灌注桩、竖井、沉井、围堰下沉等竖向岩土掘进开挖工程施工领域。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺，用于竖向岩土掘进成孔作业，其特征在于：

集成铣挖头被悬吊于孔内对岩土破碎成孔，成孔同时通过贯穿于集成铣挖头中的出渣通道进行渣土收集和出渣；集成铣挖头至少包括碎岩钻具、垂直螺旋提渣器和中空出渣通道；被碎岩钻具切削后的钻渣在孔底形成渣土腔，渣土腔内的渣土或渣水混合物通过垂直螺旋提渣器提升后进入中空出渣通道，在自重和垂直螺旋提渣器产生孔底负压的共同作用下，进入中空出渣通道的渣土或渣水混合物返回孔底渣土腔，构成局部内循环通路；

岩土掘进过程中，将过滤式捞渣桶吊运至中空出渣通道内，并使过滤式捞渣桶的桶口位于垂直螺旋提渣器出土口下方，过滤式捞渣桶具有渣水分离功能，使内循环流动的渣土或渣水混合物将被拦截、过滤到捞渣桶中；过滤式捞渣桶被吊运往返于地表与中空出渣通道的底部之间，将渣土逐桶吊运至地表，实现低污染高效能出渣。

上述技术方案中，所述中空出渣通道和所述垂直螺旋提渣器均竖向设置，垂直螺旋提渣器的上部出土口横向或接近横向地方式与中空出渣通道相通，中空出渣通道的底部、以及垂直螺旋提渣器的底部与孔底之间通过碎岩钻具的渣土流通道相通。

上述技术方案中，围绕所述中空出渣通道设置若干垂直螺旋提渣器，或者围绕垂直螺旋提渣器设置若干中空出渣通道设置，每个中空出渣通道设置至少一个匹配的过滤式捞渣桶。

针对矩形截面孔和圆形截面孔，本发明提供的低污染高效能孔底局部内循环成孔装置采取如下技术方案：

一种低污染高效能孔底局部内循环出渣成孔装置，其特征在于出渣通道贯穿于被悬吊于孔底进行挖孔施工的集成铣挖头中，包括：

中空出渣通道，竖向设置于悬吊式集成铣挖头的箱体外框架中，顶部开口与箱体外框架的顶盖相接，底部开口与箱体底板连接并与孔底相通，箱体底板下为集成铣挖头的碎岩钻具；中空出渣通道沿高度方向中间部位设置横向渣土流通孔；

垂直螺旋提渣器中的渣土流通通道，与所述中空出渣通道平行地竖向设置，流通通道的外壳顶端布置螺杆旋转驱动装置，螺杆悬空设置于外壳中；外壳底端筒口为与箱体底板连接的下部渣土入口，下部渣土入口与碎岩钻具的出渣区域对接，外壳上部设置横向渣土出口与渣土流通孔连通；

过滤式捞渣桶，至少桶底与桶壁布置筛孔，顶部开口在工作时位于渣土流通孔下方以接纳来自于渣土流通孔的渣土；过滤式捞渣桶被吊运往返于地表与中空出渣通道的底部之间，将渣土逐桶通过所述中空出渣通道吊运至地表。

上述技术方案中，所述垂直螺旋提渣器中，螺杆为外表面切有螺旋槽的圆柱，位于提渣器外筒内且其外表面与外筒内壁重合相切，螺杆的下端伸出提渣器外筒底端并穿过所述箱体底板而伸入下方碎岩钻具一定空间，且不与碎岩钻具碰撞干扰，构成垂直螺旋提渣器渣土入口；螺杆的上端与所述螺杆旋转驱动装置相接，螺杆旋转驱动装置在液压动力系统和液电控制系统的控制下驱动螺杆旋转。

上述技术方案中，箱体外框架的顶盖呈现斜面往下的导入口与所述中空出渣通道连通。

上述技术方案中，所述过滤式捞渣桶为圆弧底的中空圆桶，筛孔大小需根据渣土颗粒大小设置以实现渣水分离；桶口布置有悬吊挂钩，悬吊挂钩通过绳索与捞渣桶悬吊系统连接。

上述技术方案中，箱体底板下方设置至少一个钻头构成圆孔碎岩钻具；或者箱体底板下方设置多个螺旋牙带铣挖轮构成矩形孔碎岩钻具，每个螺旋牙带铣挖轮由轮毂、布置在轮毂上的螺旋状牙带及间隔设置在牙带上的多个铣刀齿组成；按螺旋牙带旋转方向不同分为左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖轮；一个左螺旋牙带铣挖轮和一个右螺旋牙带铣挖轮以水平轴连接方式对称布置于铣挖轮旋转驱动器左右两侧，并与铣挖轮旋转驱动器法兰相接构成一组螺旋牙带铣挖轮；铣挖轮旋转驱动器与箱体底板固定连接，通过液压动力系统驱动带动螺旋牙带铣挖轮旋转；多组螺旋牙带铣挖轮同轴排列；至少设置两列平行的螺旋牙带铣挖轮，各组螺旋牙带铣挖轮轴线方向与矩形孔长边平行，构成水平投影断面为矩形的水平四轴螺旋牙带铣挖轮岩土破碎机构。

上述技术方案中，矩形孔碎岩钻具至少设置四组共八个螺旋牙带铣挖轮，四组螺旋牙带铣挖轮按两行两列对称紧密布置于所述箱体底板下面。

上述技术方案中，矩形孔碎岩钻具中，所述箱体底板为外形尺寸小于上述螺旋牙带铣挖轮水平投影断面且与螺旋牙带铣挖轮中心重合的矩形承重板，在箱体底板正中心以及沿螺旋牙带铣挖轮轴线方向两侧设有三个渣土通道孔；其中，中心渣土通道孔与所述中空出渣通道底部开口相接；两侧渣土通道孔分别位于所对应的两组螺旋牙带铣挖轮平面投影中心处，对称分布于中心渣土通道孔两侧，与垂直螺旋提渣器下部渣土入口相接。

显然地，本发明还设置地面悬吊控制平台，用于悬吊所述集成铣挖头和所述过滤式捞渣桶，并通过电源和信号传输电缆为所述集成铣挖头和所述过滤式捞渣桶提供动力和控制信号。电源和信号传输电缆与所述地面悬吊控制平台的控制中心通过电缆绞车连接。所述地面悬吊控制平台位于孔口地面，能够悬吊并控制所述集成铣挖头的空间位置与姿态、提供钻进压力(减压钻进)、控制钻进深度与钻进速度，吊运所述过滤式捞渣桶自动倒渣并运渣到集中出渣点，提供装备的所有动力能源和智能逻辑控制。地面悬吊控制平台至少包括地面悬吊控制平台主体框架、主机悬吊系统、捞渣桶悬吊系统、倒渣运渣装置、电缆绞车。

所述地面悬吊控制平台主体框架为地面悬吊控制平台的支撑结构，可根据需要设置履带式底盘等行走机构。地面悬吊控制平台主体框架中间位置布置有井孔通道，工作状态时井孔通道与待施工的矩形桩孔准确定位。

所述主机悬吊系统位于地面悬吊控制平台主体框架上，布置有四组绳索起重装置，绳索起重装置的四束集成铣挖头悬吊绳索穿过主体框架中间的井孔通道分别与集成铣挖头箱体顶盖上的四个绳索接点连接，对悬吊于孔内的集成铣挖头能够进行上下、左右、前后移动，通过四组绳索起重装置的独立控制，能够对所述集成铣挖头的平面位置、深度、垂直姿态、钻进压力、钻进速度进行调整。

所述捞渣桶悬吊系统位于所述主体框架井孔通道旁，为小型绳索起重臂，为提高出渣效率，可布置多组独立的绳索起重臂和捞渣桶悬吊绳索，以交叉作业方式作业。能够灵活吊运所述过滤式捞渣桶以及其他施工器具。还可以设置倒渣运渣装置，优选位于地面悬吊控制平台主体框架井孔通道旁，能够夹持住所述过滤式捞渣桶，并将捞渣桶内的渣土以振动方式全部倒出至运渣传送带上。运渣传送带将渣土转运至集中出渣点。

所述电缆绞车位于地面悬吊控制平台主体框架上，能够根据所述集成铣挖头的位置，下放或收缩所述电源和信号传输电缆。

上述技术方案中，低污染高效能孔底局部内循环出渣矩形孔成孔工艺具体包括如下步骤：

集成铣挖头底部的两列螺旋牙带铣挖轮同步对向旋转进行矩形孔成形，此时，位于同一列的各螺旋牙带铣挖轮同轴旋转；在各螺旋牙带铣挖轮旋转过程中，渣土从位于同一列同一组的左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖轮各自边缘端先水平往中间移动，之后从左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖轮之间的结合部位上升；从两列螺旋牙带铣挖轮相邻的中间区域进入垂直螺旋提渣器中的渣土流通通道，进而进入所述中空出渣通道被收集和吊运出渣；

进入中空出渣通道的渣土被收集且同时进行过滤分筛，被筛掉的渣土沿着中空出渣通道下落，并由中空出渣通道底部开口往下，落入箱体底板下方的两列螺旋牙带铣挖轮相邻的中间区域；之后被相邻的左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖轮带动往水平两端移动，直至再次到达各自所在组的左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖轮之间的结合部位，经过结合部位由两列螺旋牙带铣挖轮相邻的中间区域再次上升，进入垂直螺旋提渣器中的渣土流通通道，再进入所述中空出渣通道被收集和吊运出渣。

上述低污染高效能孔底局部内循环出渣矩形孔成孔工艺在铣挖施工过程中进行，铣挖施工包括如下步骤：

步骤一：施工矩形孔孔口锁口，集成铣挖头悬吊就位，选用螺旋牙带铣挖轮成孔截面小于待施工矩形孔的集成铣挖头，并将集成铣挖头悬吊至锁口内；

步骤二：集成铣挖头竖向掘进一定深度，形成截面尺寸小于设计尺寸的矩形铣挖槽；此深度应根据地层情况、装备掘进能力、出渣效率综合确定，但不超过螺旋牙带铣挖轮的直径；在铣挖的同时通过贯穿于集成铣挖头中的出渣通道进行渣土收集和通过过滤式捞渣桶出渣操作；

步骤三：通过悬吊绳索调整集成铣挖头位置，使集成铣挖头在设计矩形孔尺寸内水平平移铣挖，完成符合设计尺寸的全断面矩形孔段；

步骤四：重复上述步骤二和三，竖向掘进和平移铣挖根据需要可以同时进行，连续地逐层铣挖掘进；直至到达设计孔深，将集成铣挖头提升至地面，完成矩形孔的铣挖施工。

由此，本发明创新性提出了一种低污染高效能孔底局部内循环出渣系统和工艺，用以解决矩形孔施工和出渣的工程实际问题。同时，针对现有桩工机械设备重大、泥浆污染、资源浪费、能效待提等共性问题提出有效解决方案，以实现“先进、实用、轻型、环保、智能、精细”六项功能特性为落脚点，打造一款新型智能化成孔和出渣同步施工装备和工艺。实现渣土无泥浆出渣，解决泥浆循环出渣所产生的环境污染、资源浪费、泥皮及孔底沉渣影响问题；出渣通道构成局部内循环，节省能源且避免污染环境，改善施工劳动强度和工作环境。

相对于现有技术，具有如下有益效果：

1)本发明的孔底局部内循环出渣工艺，采取过滤式捞渣桶绳索吊运出渣，相比传统泥浆循环出渣无需大量泥浆或仅需少量渣土改良液，有效解决了传统泥浆循环工艺采用满孔置浆、“整孔-地面”大循环出渣所面临的诸多问题，具有环境污染小、机械效能高、节约资源能源的效果，同时，可有效控制孔底沉渣和孔壁泥皮，保证了成桩质量。

2)本发明的低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺，具有先进、实用、环保、节能等功能特性，应用范围广泛，不仅可以适用于矩形和圆形的桩孔施工，亦可应用于各种形状的灌注桩、竖井、沉井、围堰下沉等竖向岩土掘进开挖工程施工领域。

3)采取绳索悬吊集成铣挖头的岩土掘进技术，将碎岩、出渣集成于一体，无高大的桅杆和钻杆，装备总体高度低、占空小、整机重量轻。四束绳索悬吊能更好的控制掘进垂直度，并提供中空出渣通道。孔底集成动力，只需一根电缆连接地表与孔底，机械效率高、功效损耗低，避免了孔深-钻杆效应，可适用于超深孔掘进。便于实现智能化、自动化、精细化施工，大大降低了人工劳动强度，提高了施工效率，保证了施工质量。

附图说明

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

图1是本发明的低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺原理图。

图2是本发明实施例提供的低污染高效能孔底局部内循环出渣矩形成孔装置的出渣通道和集成铣挖头的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的低污染高效能孔底局部内循环出渣矩形成孔装置去除外壳后的三维结构示意图。

图4是本发明实施例提供的矩形成孔装置集成铣挖头的螺旋牙带铣挖轮爆破结构示意图。

图5是本发明实施例提供的矩形成孔装置出渣通道侧视图和正视图。

图6是本发明实施例提供的矩形成孔装置出渣通道俯视图。

图7是本发明实施例提供的矩形成孔装置出渣通道透视图(侧视图和正视图)。

图8是本发明实施例提供的矩形成孔装置含有捞渣桶的出渣通道透视图(正视图)。

图9本发明实施例提供的低污染高效能孔底局部内循环出渣圆形成孔装置的出渣通道和集成铣挖头的结构示意图。

图10是本发明实施例提供的圆形成孔装置内部结构与工作状态图。

图11是本发明实施例提供的圆形成孔装置仰视图。

图12是本发明实施例提供的圆形成孔装置俯视图。

图中各附图标记对应如下：1-出渣通道、2-集成铣挖头、3-过滤式捞渣桶、21-螺旋牙带铣挖轮、211-铣挖轮轮毂、212-右螺旋牙带、213-左螺旋牙带、214-铣刀齿；22-铣挖轮旋转驱动器；23-箱体底板、231-箱体底板中心渣土通道、232-箱体底板两侧渣土通道；24-中空出渣通道；25-垂直螺旋提渣器、251-提渣器外筒、252-螺杆、253-螺杆旋转驱动装置、254-提渣器渣土入口、255-提渣器渣土出口；26-箱体外框架；27-四束集成铣挖头悬吊绳索；31-捞渣桶悬吊绳索。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的技术方案进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1是本发明低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺和装置的示意图。

集成铣挖头1通过集成铣挖头悬吊绳索15被悬吊于孔壁2内进行竖向掘进作业。集成铣挖头1至少包括碎岩钻具11、垂直螺旋提渣器12和中空出渣通道13；集成铣挖头1成孔同时通过贯穿于集成铣挖头1中的出渣通道进行渣土收集和出渣；出渣通道至少包括垂直螺旋提渣器12和中空出渣通道13构成的内循环通道。被碎岩钻具11切削后的钻渣在孔底形成渣土腔，渣土腔内的渣土或渣水混合物通过垂直螺旋提渣器12提升一定高度后进入中空出渣通道13，在自重和垂直螺旋提渣器12产生孔底负压的共同作用下，进入中空出渣通道13的渣土或渣水混合物返回孔底渣土腔，构成渣土或渣水混合物在孔底向上的一定高度范围内的局部内循环通路；

岩土掘进过程中，将过滤式捞渣桶14吊运至中空出渣通道13内，并使过滤式捞渣桶14的桶口位于垂直螺旋提渣器12出土口下方，过滤式捞渣桶14具有渣水分离功能，使内循环流动的渣土或渣水混合物将被拦截、过滤到捞渣桶中；过滤式捞渣桶14被吊运往返于地表与中空出渣通道13的底部之间，将渣土逐桶吊运至地表，实现低污染高效能出渣。

上述技术方案中，所述中空出渣通道13和所述垂直螺旋提渣器12均竖向设置，垂直螺旋提渣器12的上部出土口横向或接近横向地方式与中空出渣通道13相通，中空出渣通道13的底部、以及垂直螺旋提渣器12的底部与孔底之间通过碎岩钻具11的渣土流通道相通。

上述技术方案中，围绕所述中空出渣通道13设置若干垂直螺旋提渣器12，或者围绕垂直螺旋提渣器12设置若干中空出渣通道设置13，每个中空出渣通道13设置至少一个匹配的过滤式捞渣桶14。

过滤式捞渣桶14通过捞渣桶吊运绳索16吊运往返于孔底和地表之间。

如图2-8所示，本发明公开了一种低污染高效能孔底局部内循环出渣系统的具体实施方式，至少包含出渣通道1、集成铣挖头2和过滤式捞渣桶3。所述集成铣挖头2工作时由通过绳索悬吊于矩形孔内，用于完成矩形截面孔岩土铣挖破碎、渣土收集并装入上述过滤式捞渣桶内两个主要工序。所述过滤式捞渣桶2通过绳索吊运往返于地表与孔底，将渣土逐桶吊运至地表。

所述集成铣挖头2外形总体呈小于矩形桩孔截面尺寸的中空矩形箱体结构，至少包括螺旋牙带铣挖轮21、铣挖轮旋转驱动器22、箱体箱体底板23、中空出渣通道24、垂直螺旋提渣器25、箱体外框架26、液压动力系统和液电控制系统和电源和信号传输电缆未示出，其特征在于：

其中：所述螺旋牙带铣挖轮为八个四组，每个螺旋牙带铣挖轮21由轮毂211、布置在轮毂211上的螺旋状牙带(右螺旋牙带212、左螺旋牙带213)及间隔设置在牙带上的多个铣刀齿214组成，按螺旋牙带旋转方向不同分为左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖轮。一个左螺旋牙带铣挖轮和一个右螺旋牙带铣挖轮构成一组，以水平轴方式对称布置于所述铣挖轮旋转驱动器22左右两侧，并与铣挖轮旋转驱动器法兰相接，铣挖轮旋转驱动器22通过所述液压动力系统210驱动带动螺旋牙带铣挖轮21旋转。上述四组螺旋牙带铣挖轮21按两行两列对称紧密布置与所述箱体底板下面，轴线方向与矩形孔长边平行，每组铣挖轮旋转驱动器22与箱体底板23固定连接，构成水平投影断面为矩形的水平四轴螺旋牙带铣挖轮岩土破碎机构。

其中：所述箱体底板23为外形尺寸小于上述八个螺旋牙带铣挖轮水平投影断面且与其中心重合的矩形承重板，在箱体底板23正中心以及沿螺旋牙带铣挖轮轴线方向两侧设有三个渣土通道孔。其中，中心渣土通道孔与所述中空出渣通道24下端相接；两侧渣土通道孔分别位于所对应的两组螺旋牙带铣挖轮平面投影中心处，对称分布于中心渣土通道孔两侧，与所述垂直螺旋提渣器25下部的提渣器渣土入口254相接，垂直螺旋提渣器上部的提渣器渣土出口255与所述中空出渣通道24中间部位联通。中空出渣通道24上端与箱体外框架26上的箱体顶盖相接。

如图2所示，箱体外框架26、箱体底板23、中空出渣通道24、垂直螺旋提渣器25与所述箱体外框架26构成带有出渣通道1的箱形密封支撑框架，出渣通道1外壳与箱形密封支撑框架封闭的内腔(垂直螺旋提渣器25和中空出渣通道24连通区域之外的区域)为机电液设施空间，出渣通道1内腔(垂直螺旋提渣器25和中空出渣通道24连通的中空通道)与外界接触，为渣土、泥水流通通道。

其中：所述中空出渣通道24为圆形管状结构，其内径略大于所述过滤式捞渣桶3的外径，过滤式捞渣桶3能够在中空出渣通道24内上下自由运动。中空出渣通道24中间部位对称设置渣土流通孔，与所述垂直螺旋提渣器上部的提渣器渣土出口255相接。

其中：所述垂直螺旋提渣器25由渣土入口(提渣器渣土入口254)、提渣器外筒251、渣土出口(提渣器渣土出口255)、螺杆252及螺杆旋转驱动装置253组成。所述螺杆252为外表面切有螺旋槽的圆柱，位于提渣器外筒251内且其外表面与外筒内壁重合相切，螺杆的下端伸出提渣器外筒251底端一定长度，能够穿过所述箱体底板23并伸入下方螺旋牙带铣挖轮21一定空间，且不与螺旋牙带铣挖轮21碰撞干扰，构成垂直螺旋提渣器渣土入口254。所述螺杆252的上端与所述螺杆旋转驱动装置253相接，螺杆旋转驱动装置253在所述液压动力系统和液电控制系统的控制下，驱动螺杆252旋转。所述提渣器外筒251为渣土的流通通道，总体呈倒“L”字形，底端筒口为所述渣土入口，与所述箱体底板23连接，顶端布置有所述螺杆旋转驱动装置253，横向出口为提渣器渣土出口255，与所述中空渣土通道24中间部位渣土通道相接。

垂直螺旋提渣器个数与下面的螺旋牙带铣挖轮的个数与布置相对应，围绕中空出渣通道24布置就可以，根据出渣效率和空间布局也可以设置多个，对个数不限制。在本实施例中在中空出渣通道24两侧各设置一个。

箱体顶盖外形轮廓与所述箱体底板23相同，优选，其顶面下凹，呈漏斗状，以利于所述过滤式捞渣桶顺利吊运进入所述中空出渣通道内。箱体顶盖四角布置铣挖头绳索悬吊接点，所述铣挖头绳索悬吊接点通过四束集成铣挖头悬吊绳索27与所述地面悬吊控制平台相接，通过承重构件承受所述集成铣挖头全部荷载重量。

其中：所述箱体外框架26至少包括框架立柱、立面封板，框架立柱与立面封板形成密封的矩形箱体外壳，位于所述集成铣挖头四周，起到支撑和围合封闭箱体内腔的作用。

所述电源和信号传输电缆是为所述集成铣挖头提供动力和控制信号的传输介质，与所述地面悬吊控制平台(未图示)的控制中心通过电缆绞车连接。

如图8，所述过滤式捞渣桶3为圆弧底的中空圆桶，桶底与桶壁布置筛孔，筛孔大小需根据渣土颗粒大小设置以实现渣水分离。桶口布置有悬吊挂钩，悬吊挂钩通过捞渣桶悬吊绳索31与地面悬吊控制平台的捞渣桶悬吊系统连接。

当然，如常用底下桩孔施工，未图示的地面悬吊控制平台设置于孔口地面。具体到本发明，作为本发明的辅助机构，该地面悬吊控制平台能够悬吊并控制所述集成铣挖头2的空间位置与姿态、提供钻进压力(减压钻进)、控制钻进深度与钻进速度，吊运所述过滤式捞渣桶3，自动倒渣并运渣到集中出渣点，提供装备的所有动力能源和智能逻辑控制。至少包括地面悬吊控制平台主体框架、主机悬吊系统(用于悬吊集成铣挖头2)、捞渣桶悬吊系统(用于悬吊过滤式捞渣桶3)、倒渣运渣装置、电缆绞车等，其特征在于：

其中：所述地面悬吊控制平台主体框架为地面悬吊控制平台的支撑结构，可根据需要设置履带式底盘等行走机构。地面悬吊控制平台主体框架中间位置布置有井孔通道，工作状态时井孔通道与待施工的矩形桩孔准确定位。

其中：所述主机悬吊系统位于地面悬吊控制平台主体框架上，布置有四组绳索起重装置，绳索起重装置的四束集成铣挖头悬吊绳索27穿过主体框架中间的井孔通道分别与所述集成铣挖头的四个绳索接点连接，对悬吊于孔内的集成铣挖头2能够进行上下、左右、前后移动，通过四组绳索起重装置的独立控制，能够对所述集成铣挖头2的平面位置、深度、垂直姿态、钻进压力、钻进速度进行调整。

其中：所述捞渣桶/悬吊系统位于所述主体框架井孔通道旁，为小型绳索起重臂，能够灵活吊运所述过滤式捞渣桶3以及其他施工器具等。为提高出渣效率，所述捞渣桶悬吊系统可布置多组独立的绳索起重臂和捞渣桶悬吊绳索31，以交叉作业方式作业。

其中：所述倒渣运渣装置(未图示)位于地面悬吊控制平台主体框架的井孔通道旁，能够夹持住所述过滤式捞渣桶3，并将捞渣桶3内的渣土以振动方式全部倒出至运渣传送带上。运渣传送带将渣土转运至集中出渣点。

其中：所述电缆绞车位于地面悬吊控制平台主体框架上，能够根据所述集成铣挖头2的位置，下放或收缩所述电源和信号传输电缆。

同时，如图5-8所示，本发明还公开了一种低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺(矩形孔)，其特征在于：集成铣挖头悬2吊于矩形孔内对岩土逐层水平铣挖破碎完成矩形孔成形，并在铣挖成形矩形孔同时通过贯穿于集成铣挖头中的出渣通道1进行渣土收集和出渣；渣土收集过程中对渣土进行过滤分筛，过滤分筛后的渣土通过出渣通道上方被收集和吊运出渣；被筛掉的渣土在所述出渣通道1中进行循环再收集，直至最终被收集出渣。

上述技术方案中，低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺具体包括如下步骤：

集成铣挖头2底部的两列螺旋牙带铣挖轮21同步对向旋转进行矩形孔成形，此时，位于同一列的各螺旋牙带铣挖轮21同轴旋转；在各螺旋牙带铣挖轮21旋转过程中，渣土在被各螺旋牙带卷起旋转上升地同时，从位于同一列同一组的左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖轮各自边缘端先水平往中间移动(如图4-5中水平方向箭头所示)，之后从左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖轮之间的结合部位(铣挖轮旋转驱动器22所在位置)往上上升，从两列螺旋牙带铣挖轮相邻的中间区域进入垂直螺旋提渣器中的提渣器渣土入口254，经过提渣器外筒251中渣土流通通道，经提渣器渣土出口255进入所述中空出渣通道24被收集和吊运出渣；

进入中空出渣通道24的渣土被过滤式捞渣桶3收集且同时进行过滤分筛，被筛掉的渣土沿着中空出渣通道下落，并由中空出渣通道24底部开口往下，落入箱体底板23下方的两列螺旋牙带铣挖轮21相邻的中间区域；之后被相邻的左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖轮带动往水平两端移动，渣土在此过程也被各螺旋牙带卷起旋转上升，直至再次到达各自所在组的左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖轮之间的结合部位，经过结合部位由两列螺旋牙带铣挖轮相邻的中间区域被卷起再次上升，进入提渣器渣土入口254，再进入所述中空出渣通道24被收集和吊运出渣。

上述低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺在铣挖施工过程中进行，铣挖施工包括如下步骤：

步骤一：施工矩形孔孔口锁口，悬吊集成铣挖头就位，选用螺旋牙带铣挖轮成孔截面小于待施工矩形孔的集成铣挖头2，并将集成铣挖头悬吊至锁口内；

步骤二：集成铣挖头2竖向掘进一定深度，形成截面尺寸小于设计尺寸的矩形铣挖槽；此深度应根据地层情况、装备掘进能力、出渣效率综合确定，但不超过螺旋牙带铣挖轮的直径；在铣挖的同时通过贯穿于集成铣挖头中的出渣通道1进行渣土收集和通过过滤式捞渣桶3出渣操作；

步骤三：通过四束集成铣挖头悬吊绳索27控制调整集成铣挖头2位置，使集成铣挖头在设计矩形孔尺寸内水平平移铣挖，完成符合设计尺寸的全断面矩形孔段；

步骤四：重复上述步骤二和三，竖向掘进和平移铣挖根据需要可以同时进行，连续地逐层铣挖掘进；直至到达设计孔深，将集成铣挖头2提升至地面，完成矩形孔的智能铣挖施工。

图9-12是本发明实施例提供的低污染高效能孔底局部内循环出渣圆形成孔装置的实施例。

与矩形孔不同的是，集成铣挖头的箱体底板33下设置锥形钻头31构成圆孔碎岩装置，相应的，集成铣挖头的箱体外框架38成圆柱筒状。钻头旋转驱动器32固定在箱体底板33上。中空出渣通道34和垂直螺旋提渣器35均竖向平行设置，中空出渣通道34中各设置一个过滤捞渣筒。中空出渣通道34底部与箱体底板渣土回落通道331连通，箱体底板渣土提升通道332与垂直螺旋提渣器35底部连通。提渣器外筒351上部的提渣器渣土出口355与围绕周围设置的中空出渣通道34连通，且提渣器渣土出口355高于过滤捞渣筒的上部开口。提渣器渣土入口354与锥形钻头31的渣土流道连通。

螺杆352伸入锥形钻头31，螺杆旋转驱动装置353驱动螺杆做螺旋运动进行渣土提升。

工艺上来讲，渣土和或渣水混合物从中间垂直螺旋提渣器35被提升，然后从两侧中空出渣通道34进入捞渣筒被过滤提升，未被过滤掉的渣土循环回落后局部循环，继续从中间被垂直螺旋提渣器35继续提升，直至最后提出孔底。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺，用于竖向岩土掘进成孔作业，其特征在于：

集成铣挖头被悬吊于孔内对岩土破碎成孔，成孔同时通过贯穿于集成铣挖头中的出渣通道进行渣土收集和出渣；集成铣挖头至少包括碎岩钻具、垂直螺旋提渣器和中空出渣通道；被碎岩钻具切削后的钻渣在孔底形成渣土腔，渣土腔内的渣土或渣水混合物通过垂直螺旋提渣器提升后进入中空出渣通道，在自重和垂直螺旋提渣器产生孔底负压的共同作用下，进入中空出渣通道的渣土或渣水混合物返回孔底渣土腔，构成局部内循环通路；

岩土掘进过程中，将过滤式捞渣桶吊运至中空出渣通道内，并使过滤式捞渣桶的桶口位于垂直螺旋提渣器出土口下方，过滤式捞渣桶具有渣水分离功能，使内循环流动的渣土或渣水混合物将被拦截、过滤到捞渣桶中；过滤式捞渣桶被吊运往返于地表与中空出渣通道的底部之间，将渣土逐桶吊运至地表，实现低污染高效能出渣。

2.根据权利要求1所述的低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺，其特征在于：

所述中空出渣通道和所述垂直螺旋提渣器均竖向设置，垂直螺旋提渣器的上部出土口横向或接近横向地方式与中空出渣通道相通，中空出渣通道的底部、以及垂直螺旋提渣器的底部与孔底之间通过碎岩钻具的渣土流通道相通。

3.根据权利要求1所述的低污染高效能孔底局部内循环出渣工艺，其特征在于：

围绕所述中空出渣通道设置若干垂直螺旋提渣器，或者围绕垂直螺旋提渣器设置若干中空出渣通道设置，每个中空出渣通道设置至少一个匹配的过滤式捞渣桶。

4.一种低污染高效能孔底局部内循环出渣成孔装置，其特征在于出渣通道贯穿于被悬吊于孔底进行挖孔施工的集成铣挖头中，包括：

中空出渣通道，竖向设置于悬吊式集成铣挖头的箱体外框架中，顶部开口与箱体外框架的顶盖相接，底部开口与箱体底板连接并与孔底相通，箱体底板下为集成铣挖头的碎岩钻具；中空出渣通道沿高度方向中间部位设置横向渣土流通孔；

垂直螺旋提渣器中的渣土流通通道，与所述中空出渣通道平行地竖向设置，流通通道的外壳顶端布置螺杆旋转驱动装置，螺杆悬空设置于外壳中；外壳底端筒口为与箱体底板连接的下部渣土入口，下部渣土入口与碎岩钻具的出渣区域对接，外壳上部设置横向渣土出口与渣土流通孔连通；

过滤式捞渣桶，至少桶底与桶壁布置筛孔，顶部开口在工作时位于渣土流通孔下方以接纳来自于渣土流通孔的渣土；过滤式捞渣桶被吊运往返于地表与中空出渣通道的底部之间，将渣土逐桶通过所述中空出渣通道吊运至地表；

所述中空出渣通道和所述垂直螺旋提渣器均竖向设置，垂直螺旋提渣器的上部出土口横向或接近横向地方式与中空出渣通道相通，中空出渣通道的底部、以及垂直螺旋提渣器的底部与孔底之间通过碎岩钻具的渣土流通道相通。

5.根据权利要求4所述的低污染高效能孔底局部内循环出渣成孔装置，其特征在于所述垂直螺旋提渣器中，螺杆为外表面切有螺旋槽的圆柱，位于提渣器外筒内且其外表面与外筒内壁重合相切，螺杆的下端伸出提渣器外筒底端并穿过所述箱体底板而伸入下方碎岩钻具一定空间，且不与碎岩钻具碰撞干扰，构成垂直螺旋提渣器渣土入口；螺杆的上端与所述螺杆旋转驱动装置相接，螺杆旋转驱动装置在液压动力系统和液电控制系统的控制下驱动螺杆旋转。

6.根据权利要求4所述的低污染高效能孔底局部内循环出渣成孔装置，其特征在于箱体外框架的顶盖呈现斜面往下的导入口与所述中空出渣通道连通。

7.根据权利要求4所述的低污染高效能孔底局部内循环出渣成孔装置，其特征在于所述过滤式捞渣桶为圆弧底的中空圆桶，筛孔大小需根据渣土颗粒大小设置以实现渣水分离；桶口布置有悬吊挂钩，悬吊挂钩通过绳索与捞渣桶悬吊系统连接。

8.根据权利要求4所述的低污染高效能孔底局部内循环出渣成孔装置，其特征在于箱体底板下方设置至少一个钻头构成圆孔碎岩钻具；或者箱体底板下方设置多个螺旋牙带铣挖轮构成矩形孔碎岩钻具，每个螺旋牙带铣挖轮由轮毂、布置在轮毂上的螺旋状牙带及间隔设置在牙带上的多个铣刀齿组成；按螺旋牙带旋转方向不同分为左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖轮；一个左螺旋牙带铣挖轮和一个右螺旋牙带铣挖轮以水平轴连接方式对称布置于铣挖轮旋转驱动器左右两侧，并与铣挖轮旋转驱动器法兰相接构成一组螺旋牙带铣挖轮；铣挖轮旋转驱动器与箱体底板固定连接，通过液压动力系统驱动带动螺旋牙带铣挖轮旋转；多组螺旋牙带铣挖轮同轴排列；至少设置两列平行的螺旋牙带铣挖轮，各组螺旋牙带铣挖轮轴线方向与矩形孔长边平行，构成水平投影断面为矩形的水平四轴螺旋牙带铣挖轮岩土破碎机构。

9.根据权利要求4所述的低污染高效能孔底局部内循环出渣成孔装置，其特征在于矩形孔碎岩钻具至少设置四组共八个螺旋牙带铣挖轮，四组螺旋牙带铣挖轮按两行两列对称紧密布置于所述箱体底板下面。

10.根据权利要求8所述的低污染高效能孔底局部内循环出渣成孔装置，其特征在于矩形孔碎岩钻具中，所述箱体底板为外形尺寸小于上述螺旋牙带铣挖轮水平投影断面且与螺旋牙带铣挖轮中心重合的矩形承重板，在箱体底板正中心以及沿螺旋牙带铣挖轮轴线方向两侧设有三个渣土通道孔；其中，中心渣土通道孔与所述中空出渣通道底部开口相接；两侧渣土通道孔分别位于所对应的两组螺旋牙带铣挖轮平面投影中心处，对称分布于中心渣土通道孔两侧，与垂直螺旋提渣器下部渣土入口相接。