CN113863853B - 悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备及方法，集成铣挖头悬吊于矩形桩孔内，通过所述螺旋牙带铣挖轮对岩土逐层水平铣挖破碎完成矩形截面孔成形，并在铣挖同时通过垂直螺旋提渣器进行渣土收集，通过导向定位伸缩板进行孔壁支护。集成铣挖头箱体内围绕中空出渣通道设置垂直螺旋提渣器，下部渣土入口与螺旋牙带铣挖轮对接，上部渣土出口与所述中空出渣通道中间部位联通；箱体外设置能够水平伸缩的导向定位伸缩板。全断面机械碎岩成孔；能够实现无泥浆出渣，解决传统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成桩质量等技术问题；且在逐层水平铣挖同时对孔壁进行及时支护，解决孔壁稳定性问题。

Description

悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备及方法

技术领域

本发明属于工程机械与地下工程施工技术领域，具体涉及一种悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备及成孔方法。

背景技术

矩形灌注桩（抗滑桩）作为以承受水平荷载为主的构筑物，被广泛的应用于公路、铁路、库岸整治及地质灾害治理等工程建设领域中，用以加固稳定坡体，是一种抗滑处理的主要措施，尤其在关系地质灾害防治工程中占有重要地位。矩形灌注桩施工过程中，如何形成符合设计要求且稳定的矩形桩孔地下空间是首先要考虑并解决的核心关键问题。而现有的桩工机械，如回旋钻机、冲击钻机、冲抓钻机、潜水钻机、旋挖钻机、螺旋钻机、全套管钻机等，成孔均为圆形，尚无适用于矩形截面孔的桩工机械设备；用于地下连续墙的成槽机械，如液压抓斗、双轮铣等，可施工矩形孔，但因其是以成槽为主的专用设备，孔径尺寸往往不符合矩形抗滑桩的要求，且设备昂贵、施工费用高，实际工程中很少用于矩形灌注桩施工。在此状况下，人工挖孔被迫成为传统矩形桩施工的主要方法，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。无专用矩形桩成孔机械装备无疑成了应用矩形灌注桩的工程技术瓶颈。

针对上诉问题，现有技术的解决方法主要集中在利用已有机械设备进行矩形桩成孔工艺探索上，如“旋挖钻机+特制矩形钻头”、“冲击钻机＋方形钻头”、“螺旋钻+旋挖钻+自制矩形钻头”、“旋挖钻+液压挖斗修边”等。虽然上述解决方法有一定的实际应用效果，却依然存在如下问题：1)一个矩形孔需要多个圆形孔和特制矩形钻头修边组合，需要多孔次掘进，特别是需要多台机械设备才能完成，导致工序复杂、施工效率低、工期长、工程费用高；2)适用的地层条件有限，尤其是较硬的岩石类地层，无法通过特制钻头修边的方式达到矩形孔成孔目标；3)无法及时施作孔壁支护措施以保证孔壁稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备及成孔方法，解决矩形桩孔施工无专用机械成孔装备的现实工程技术问题。能够以机械方式完全破碎岩土并形成矩形截面孔洞，解决矩形孔全断面机械碎岩技术问题；能够实现无泥浆出渣，解决传统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成桩质量等技术问题；能够自动快速地对孔壁进行及时加固支护，解决孔壁稳定性问题。同时，针对现有桩工机械普遍存在的共性特征，解决高桅杆、设备重大导致设备进出场不便和对场地空间要求高等技术问题；解决“地面动力-钻杆-孔底钻头”传动模式所产生的功效损耗大、孔深-钻杆效应等技术问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备，其特征在于至少包含：

集成铣挖头，壳体包括中空箱体外框架、箱体顶盖和箱体底板，箱体外框架外形总体呈现小于矩形桩孔截面尺寸；箱体外框架中心设置竖向中空出渣通道，中空出渣通道上端与箱体顶盖相接，下方连接凸出于箱体底板的螺旋牙带铣挖轮；箱体外框架内围绕中空出渣通道设置垂直螺旋提渣器，垂直螺旋提渣器的下部渣土入口与螺旋牙带铣挖轮上部出渣区域对接，垂直螺旋提渣器上部渣土出口与所述中空出渣通道中间部位联通；箱体外框架的四个侧面设置能够水平伸缩以配合形成矩形截面的导向定位伸缩板；

过滤式捞渣桶，桶底与桶壁至少一部分区域布置筛孔，吊运往返于地表与矩形孔的孔底之间，将渣土逐桶通过中空出渣通道吊运至地表；

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提供动力和控制信号。

上述技术方案中，所述中空出渣通道为圆形管状结构，其内径略大于所述过滤式捞渣桶外径，过滤式捞渣桶能够在中空出渣通道内上下自由运动；中空出渣通道沿高度方向中间部位设置渣土流通孔，与所述垂直螺旋提渣器上部渣土出口相接。

上述技术方案中，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，设置多个螺旋牙带铣挖轮，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，两个螺旋牙带铣挖轮通过铣挖轮旋转驱动器同轴连接成为一组，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。

上述技术方案中，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；每组螺旋牙带铣挖轮包括一个左螺旋牙带铣挖轮和一个右螺旋牙带铣挖轮；左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖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，铣挖轮旋转驱动器通过液压动力系统驱动带动螺旋牙带铣挖轮旋转。

上述技术方案中，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，各组螺旋牙带铣挖轮轴线方向与矩形孔长边平行，每组铣挖轮旋转驱动器与箱体底板固定连接，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。

上述技术方案中，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，与垂直螺旋提渣器下部渣土入口相接。

上述技术方案中，箱体外框架、、箱体顶盖、箱体底板、中空出渣通道、垂直螺旋提渣器、与导向定位伸缩板构成带有中空通道的箱形密封支撑框架，箱形密封支撑框架和中空通道之间的内腔为机电液设施空间，中空通道为与外界接触的渣土、泥水流通通道。

上述技术方案中，所述箱体外框架至少包括框架立柱、立面封板，框架立柱与立面封板形成密封的矩形箱体外壳，位于集成铣挖头四周，起到支撑和围合封闭箱体内腔的作用。

上述技术方案中，所述垂直螺旋提渣器包括提渣器渣土入口、提渣器外筒、提渣器渣土出口、螺杆及螺杆旋转驱动装置；所述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螺旋牙带铣挖轮一定空间，且不与螺旋牙带铣挖轮碰撞干扰，构成垂直螺旋提渣器渣土入口；所述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，所述提渣器外筒为渣土的流通通道，总体呈倒“L”字形，底端筒口为所述渣土入口，与箱体底板连接，顶端布置有所述螺杆旋转驱动装置，横向出口为提渣器渣土出口，与中空渣土通道中间部位渣土通道相接。

上述技术方案中，所述导向定位伸缩板内嵌于箱体外框架内部且能够水平向外伸出和回位，箱体外框架每侧面各布置一组，至少包括导向板、伸缩承力机构、液压驱动油缸；所述伸缩承力机构固定端与箱体外框架固定连接，在液压驱动油缸的驱动下，伸缩承力机构伸缩端能够沿箱体侧板法向做伸长和收缩运动；所述导向板与所述伸缩承力机构伸缩端固定连接，并与箱体外框架平行，在伸缩承力机构完全收缩状态下，导向板与箱体外框架最外侧立面重合，形成所述集成铣挖头的平整的立面外壳，在伸缩承力机构伸长时，导向板与箱体外框架分开一定的伸长距离；工作状态时，上述四组导向定位伸缩板的导向板分别支撑于矩形孔的四个侧壁上，通过控制四组导向定位伸缩板的伸长量，能够对所述集成铣挖头在孔中的相对位置和垂直度进行调整与控制，实现导向定位与纠偏功能。

上述技术方案中，通过电源和信号传输电缆为所述集成铣挖头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。

上述技术方案中，所述过滤式捞渣桶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，悬吊挂钩通过绳索与所述地面悬吊控制平台的捞渣桶/护壁悬吊系统连接。

上述技术方案中，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。地面悬吊控制平台在特殊情况下还用于运送护壁构件，能够储存护壁构件并自动供给。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/护壁悬吊系统、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/护壁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，所述捞渣桶/护壁悬吊系统可布置多组独立的绳索起重臂和捞渣桶/护壁悬吊绳索，以交叉作业方式作业。能够灵活吊运所述过滤式捞渣桶、孔壁支护构件以及其他施工器具。在特殊情况下，护壁构件通过孔壁与所述集成铣挖头悬吊绳索间的空间吊运至孔底，移交给所述集成铣挖头的装配式护壁拼装固定装置。

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。

同时，本发明还公开了一种悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔方法，其特征在于集成铣挖头悬吊于矩形桩孔内，通过所述螺旋牙带铣挖轮对岩土逐层水平铣挖破碎完成矩形截面孔成形，并在铣挖同时通过垂直螺旋提渣器进行渣土收集，通过导向定位伸缩板进行孔壁支护。

所述悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔方法包含如下步骤：

步骤一：施工矩形孔孔口锁口，悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备就位，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；

步骤三：在导向定位伸缩板和地面悬吊控制平台的协同控制下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，集成铣挖头的导向定位伸缩板收缩复位，将集成铣挖头提升至地面，完成矩形孔的智能铣挖施工。

上述技术方案中，在步骤四后还包括：

步骤五：对于孔壁稳定性差需进行孔壁支护的情况，铣挖掘进满足护壁支护节段深度后停止铣挖掘进；捞渣桶或单独设置的护壁悬吊系统将装配式护壁构件逐件吊运至孔底，并由集成铣挖头的装配式护壁拼装固定装置完成护壁构件孔底拼装、连接与固定，构成完整的孔壁支护结构体系；对于孔壁自稳的情况，可不执行本步骤；装配式护壁构件由护壁构件供给系统推送供给；所述护壁构件供给系统位于所述地面悬吊控制平台主体框架井孔通道四角，能够备存一定数量的护壁构件，并能够通过传运装置自动供给挂接到所述捞渣桶悬吊系统或单独设置的护壁悬吊系统上；

步骤六：重复上述步骤四至五，直至到达设计孔深，集成铣挖头的导向定位伸缩板收缩复位，将集成铣挖头提升至地面，完成矩形孔的智能铣挖施工。

上述护壁构件供给系统可以为堆栈式框架支护构件推送系统，可以采用液压或电动堆栈式存储推进装置完成堆垛式框架支护构件的按件自动进给，同时，在集成铣挖头的箱体外周上还可以设置机械臂，用于完成装配式护壁拼装和固定，形成全自动作业和智能控制。

由此，本发明创新性提出了一种悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备及成孔方法，用以解决矩形孔无专用机械施工装备的工程实际问题。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施工装备。

相对于现有技术，本发明的悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备及成孔方法具有如下有益效果：

1)可以完成矩形灌注桩等矩形截面孔的全机械化施工，解决了无专用矩形成孔机械装备的现实工程问题，打破现有桩工机械孔形单一的局面，促进人工挖孔工艺淘汰，提升施工文明程度，降低安全生产事故发生概率。

2)将碎岩、出渣、孔壁支护功能集成于一套高度集成铣挖头装备，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。

3)采取“孔底局部内循环出渣”技术，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，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。

4)能够自动快速地对孔壁进行及时加固支护，保障孔壁的稳定。装配式护壁的采用与传统人工挖孔的现浇护壁相比，实现了孔壁支护的装配化、标准化、机械化和快速化施工，具有支护效果好、施工工期短、人工劳动强度低等效果。

5)采取绳索悬吊集成铣挖头的方式，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。

6)通过竖向与平移相结合的铣挖方法，能够实现水平轴类铣轮全断面碎岩掘进，无铣削盲区，不需针对支撑架体下方的岩土设置摆动齿等专用铣削措施，降低了设备的复杂程度，提供了设备的稳定性与耐用性。

7)一台地面悬吊控制平台可适配多个不同尺寸的集成铣挖头，一个集成铣挖头能够适用于一定范围内的多种矩形孔尺寸，具有较好的适用性和经济性。

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是本发明实施例提供的悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备工作状态整体结构示意图。

图2是本发明实施例提供的悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备三维结构示意图。

图3是本发明实施例提供的集成铣挖头的三维结构示意图。

图4是本发明实施例提供的集成铣挖头的俯视图。

图5是本发明实施例提供的集成铣挖头的主立面剖视图（含捞渣桶）。

图6是本发明实施例提供的集成铣挖头的侧立面剖视图（不含捞渣桶）。

图7是本发明集成铣挖头的导向定位伸缩板工作过程示意图。

图8是本发明集成铣挖头一种实施方式的内部空间结构示意图。

图9本发明又一个实施例提供的集成铣挖头的主立面剖视图（含捞渣桶）。

图10是本发明又一个实施例提供的集成铣挖头的侧立面剖视图（不含捞渣桶）。

图中各附图标记对应如下：

1-地面悬吊控制平台、2-集成铣挖头、3-过滤式捞渣桶、4-地层、5-孔口锁口、6-装配式护壁构件、7-孔壁；11-地面悬吊控制平台主体框架、12-主机悬吊系统、13-捞渣桶/护壁悬吊系统、14-护壁构件供给系统、15-四束集成铣挖头悬吊绳索、16-捞渣桶/护壁悬吊绳索、17-电源和信号传输电缆；21-螺旋牙带铣挖轮组、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-导向定位伸缩板、261-导向板、262-导向板伸缩承力机构；27-装配式护壁拼装固定装置、271-夹持机械手、272-三维运动机械臂；28-箱体外框架；29-箱体顶盖、291-顶盖漏斗状顶面、292-铣挖头绳索悬吊接点；210-液压动力系统和液电控制系统。

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1-8所示，本发明公开了一种悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备，至少包含地面悬吊控制平台1、集成铣挖头2和过滤式捞渣桶3。所述集成铣挖头2为核心工作部件，工作时由上述地面悬吊控制平台1通过绳索悬吊于孔内，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和孔壁支护三个主要工序。所述过滤式捞渣桶2由上述地面悬吊控制平台1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、导向定位伸缩板26、装配式护壁拼装固定装置27、箱体外框架28、箱体顶盖29、铣挖头绳索悬吊接点292、液压动力系统和液电控制系统210、电源和信号传输电缆，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上端与所述箱体顶盖29相接。

如图8所示，箱体底板23、中空出渣通道24、垂直螺旋提渣器25、箱体顶盖29与所述箱体外框架28构成带有中空通道的箱形密封支撑框架，中空通道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，其内腔（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210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。在本实施例中如图8在中空出渣通道24两侧各设置一个。

其中：所述箱体顶盖29外形轮廓与所述箱体底板23相同，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29四角布置铣挖头绳索悬吊接点292，所述铣挖头绳索悬吊接点292通过钢丝绳索与所述地面悬吊控制平台1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28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。

其中：所述导向定位伸缩板26内嵌于上述箱体外框架28内部且能够水平向外伸出和回位，共四组，每侧箱体外框架28各布置一组，至少包括导向板261、伸缩承力机构262、液压驱动油缸。所述伸缩承力机构262固定端与上述箱体外框架28固定连接，在液压驱动油缸的驱动下，伸缩承力机构伸缩端能够沿箱体侧板法向做伸长和收缩运动。所述导向板261与所述伸缩承力机构伸缩端固定连接，并与所述箱体外框架28平行，在伸缩承力机构完全收缩状态下，导向板261与箱体外框架28最外侧立面重合，形成所述集成铣挖头的平整的立面外壳，在伸缩承力机构伸长时，导向板261与箱体外框架28分开一定的伸长距离。工作状态时，上述四组导向定位伸缩板26的导向板分别支撑于矩形孔的四个侧壁上，通过控制四组导向定位伸缩板26的伸长量，能够对所述集成铣挖头在孔中的相对位置和垂直度进行调整与控制，实现导向定位与纠偏功能。如图7所示。

所述电源和信号传输电缆17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1的控制中心通过电缆绞车连接。

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，悬吊挂钩通过绳索与所述地面悬吊控制平台1的捞渣桶/护壁悬吊系统13连接。

所述地面悬吊控制平台1位于孔口地面，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（特殊情况下运送护壁构件，能够储存护壁构件并自动供给），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11、主机悬吊系统12、捞渣桶/护壁悬吊系统13、护壁构件供给系统14、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11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11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12位于地面悬吊控制平台主体框架11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15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292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/护壁悬吊系统13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、孔壁支护构件以及其他施工器具等。护壁构件通过孔壁与所述集成铣挖头悬吊绳索15间的空间吊运至孔底，移交给所述集成铣挖头的装配式护壁拼装固定装置27。为提高出渣效率，所述捞渣桶/护壁悬吊系统13可布置多组独立的绳索起重臂和捞渣桶/护壁悬吊绳索16，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11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11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17。

在优选实施例中需要加强支护时，可以设置护壁构件供给系统14，可以为手动式堆栈式框架支护构件推送系统，亦或是采用如图1-2所示的液压或电动堆栈式存储推进装置完成堆垛式框架支护构件的按件自动进给，同时，在集成铣挖头的箱体外周上还可以设置如图9-10所示的机械臂式样的装配式护壁拼装固定装置27，用于完成装配式护壁拼装和固定，形成全自动作业和智能控制。具体如下：

在优选实施例中需要加强支护时，如图9-10所示，所述装配式护壁拼装固定装置27内嵌于上述箱体外框架28下部，共四组，每侧箱体外框架28各布置一组，至少包括夹持机械手271和三维运动机械臂272。所述三维运动机械臂272为固定在箱体外框架28的箱体侧板承力件上，能够进行水平、垂直、伸缩移动的机械组件。所述夹持机械手271固定于所述三维运动机械臂272的工作端，包括夹持手和液压扳手两个功能部件，所述夹持手能够在液压的驱动下夹紧或松开，液压扳手能够在液压的驱动下完成螺栓加固动作。优选装配式护壁拼装固定装置27采用液压或电液式孔底动力站。

装配式护壁拼装固定装置27能够把用于拼装的围合式装配式护壁构件6夹持住，并执行特定动作将装配式护壁构件6在孔底拼装到孔壁四周，再通过所述液压扳手将多块装配式护壁构件6进行螺栓连接加固，形成整体性较强的孔壁支护构造。

其中：所述护壁构件供给系统14位于所述主体框架井孔通道四角，能够备存一定数量的装配式护壁构件6，并能够通过传运装置自动供给挂接到所述捞渣桶/护壁悬吊系统上。

同时，本发明还公开了一种悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备成孔方法，如图1-7所示，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：施工矩形孔的孔口锁口5，悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备就位，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2悬吊至孔口锁口5内，四个面的导向定位伸缩板26根据孔形大小水平伸出，使导向板261紧密支撑在四周孔壁上。

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、出渣效率等综合确定，但不应超过螺旋牙带铣挖轮21的直径。

步骤三：如图7所示，在导向定位伸缩板26和主机悬吊系统12的协同控制下，使集成铣挖头2在设计矩形孔尺寸内平移铣挖，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可同时进行，连续地逐层铣挖掘进。

步骤五：对于孔壁稳定性差需进行孔壁支护的情况，铣挖掘进满足护壁支护节段深度后停止铣挖掘进。如图9-10，护壁构件供给系统14和捞渣桶/护壁悬吊系统13按预设程序协同作业，将装配式护壁构件6逐件吊运至孔底，并由集成铣挖头2的装配式护壁拼装固定装置27自动完成护壁构件孔底拼装、连接与固定，构成完整的孔壁支护结构体系。对于孔壁自稳的情况，可不执行本步骤。

步骤六：重复上述步骤四至五，直至到达设计孔深，集成铣挖头的导向定位伸缩板26收缩复位，将集成铣挖,2提升至地面，完成矩形孔的智能铣挖施工。

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 (9)

1.一种悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备，其特征在于至少包含：

集成铣挖头，壳体包括中空箱体外框架、箱体顶盖和箱体底板，箱体外框架外形总体呈现小于矩形桩孔截面尺寸；箱体外框架中心设置竖向中空出渣通道，中空出渣通道上端与箱体顶盖相接，下方连接凸出于箱体底板的螺旋牙带铣挖轮；箱体外框架内围绕中空出渣通道设置垂直螺旋提渣器，垂直螺旋提渣器的下部渣土入口与螺旋牙带铣挖轮上部出渣区域对接，垂直螺旋提渣器上部渣土出口与所述中空出渣通道中间部位联通；箱体外框架的四个侧面设置能够水平伸缩以配合形成矩形截面的导向定位伸缩板；

过滤式捞渣桶，桶底与桶壁至少一部分区域布置筛孔，吊运往返于地表与矩形孔的孔底之间，将渣土逐桶通过中空出渣通道吊运至地表；

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提供动力和控制信号。

2.根据权利要求1所述的悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备，其特征在于，所述中空出渣通道为圆形管状结构，其内径略大于所述过滤式捞渣桶外径，过滤式捞渣桶能够在中空出渣通道内上下自由运动；中空出渣通道沿高度方向中间部位设置渣土流通孔，与所述垂直螺旋提渣器上部渣土出口相接。

3.根据权利要求1所述的悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备，其特征在于，顶盖呈现斜面往下的导入口与所述中空出渣通道连通。

4.根据权利要求1所述的悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备，其特征在于，设置多个螺旋牙带铣挖轮，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，两个螺旋牙带铣挖轮通过铣挖轮旋转驱动器同轴连接成为一组，多组螺旋牙带铣挖轮同轴排列；箱体底板下至少设置两列平行的螺旋牙带铣挖轮，各列螺旋牙带铣挖轮轴线方向与矩形孔长边平行；每组铣挖轮旋转驱动器与箱体底板固定连接，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。

5.根据权利要求4所述的悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备，其特征在于，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；每组螺旋牙带铣挖轮包括一个左螺旋牙带铣挖轮和一个右螺旋牙带铣挖轮；左螺旋牙带铣挖轮和右螺旋牙带铣挖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，铣挖轮旋转驱动器通过液压动力系统驱动带动螺旋牙带铣挖轮旋转。

6.根据权利要求1所述的悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备，其特征在于，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下部渣土入口相接。

7.根据权利要求1所述的悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备，其特征在于，箱体外框架、箱体顶盖、箱体底板、中空出渣通道、垂直螺旋提渣器、与导向定位伸缩板构成带有中空通道的箱形密封支撑框架，箱形密封支撑框架和中空通道之间的内腔为机电液设施空间，中空通道为与外界接触的渣土、泥水流通通道。

8.一种悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔方法，其特征在于集成铣挖头悬吊于矩形桩孔内，通过螺旋牙带铣挖轮对岩土逐层水平铣挖破碎完成矩形截面孔成形，并在铣挖同时通过垂直螺旋提渣器进行渣土收集，通过导向定位伸缩板进行孔壁支护；包含如下步骤：

步骤一：施工矩形孔孔口锁口，悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔装备就位，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；

步骤三：在导向定位伸缩板和地面悬吊控制平台的协同控制下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；集成铣挖头的导向定位伸缩板收缩复位，将集成铣挖头提升至地面，完成矩形孔的智能铣挖施工。

9.根据权利要求8所述的悬吊潜入式矩形桩智能铣挖成孔方法，其特征在于在步骤四后还包括：

步骤五：对于孔壁稳定性差需进行孔壁支护的情况，铣挖掘进满足护壁支护节段深度后停止铣挖掘进；捞渣桶或单独设置的护壁悬吊系统将装配式护壁构件逐件吊运至孔底，并由集成铣挖头的装配式护壁拼装固定装置完成护壁构件孔底拼装、连接与固定，构成完整的孔壁支护结构体系；对于孔壁自稳的情况，可不执行本步骤；装配式护壁构件由护壁构件供给系统逐件推送供给；所述护壁构件供给系统位于所述地面悬吊控制平台主体框架井孔通道四角，能够备存一定数量的护壁构件，并能够通过传运装置自动供给挂接到所述捞渣桶或单独设置的护壁悬吊系统上；

步骤六：重复上述步骤四至五，直至完成矩形孔的智能铣挖施工。