CN116398056B - 用于土体的高效智能成孔系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于土体的高效智能成孔系统及其使用方法，包括钻头装置和尾杆装置，钻头装置与尾杆装置可拆卸连接；钻头装置包括第一中空钻杆，第一中空钻杆内活动设有一级中心杆，第一中空钻杆的纵向设有凹槽，凹槽内设有导轨，导轨内活动设有扩径机构，扩径机构与支撑机构相铰接，支撑机构与一级中心杆相连接；尾杆装置包括第二中空钻杆，第二中空钻杆内活动设有二级中心杆，第二中空钻杆与第一中空钻杆可拆卸连接，二级中心杆与一级中心杆可拆卸连接，第二中空钻杆与驱动机构相连接，驱动机构和二级中心杆均与控制中心相连接。本发明既可以实现常用的柱形锚杆孔，又可以在行进中完成不同直径、不同形状的孔型，且结构和操作简单，安装方便。

Description

用于土体的高效智能成孔系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及岩土工程实践以及试验研究中钻锚孔的技术领域，尤其涉及一种用于土体的高效智能成孔系统及其使用方法。

背景技术

锚固技术因其具有小扰动、强隐蔽性、高锚力和充分利用土体的自稳能力的特点，在土体的稳定性控制领域中得到广泛应用。锚固技术中常用的为柱形全长黏结型锚固系统，随着锚固技术的发展，为了获得更大的锚固力以及更优异的承载性能，更好地利用围岩体的自稳性能，锚固技术出现了各种各样的变径锚杆，如扩大头锚杆。相应的对土层锚杆锚固技术的成孔设备以及工艺也提出了新的挑战。现有的土体成孔设备不能在钻孔成型过程中很好的完成不同直径、不同形状的孔型。因此，用于土体的高效智能成孔系统及其使用方法的缺乏在一定程度上制约了土体稳定性控制领域的发展。

现有锚固系统主要依靠杆体与浆体间的黏结产生抗拔效应，目前常见的破坏模式为杆体-浆体界面的脱粘解耦，揭示了杆与浆间咬合摩擦作用弱，更多地依靠了浆体的抗剪强度，而浆体的抗压性能没有得到充分利用，因此，可通过改变杆体与浆体之间的受力形式，充分利用浆体的抗压和抗剪性能，使锚杆承载性能有效提升。鉴于此，拉压复合型锚固系统因其杆体-浆体界面受力过程具有更好的时空连续性，可有效降低杆体-浆体界面应力集中程度等优点，已被广泛应用，而与之相匹配的成孔设备却相对滞后。

目前，已有的旋喷式扩孔设备受限于土体类型，例如土遗址，作为以土为主要建筑材料的文化遗产，是人类文明发源与衍化的直接实证。在对土遗址进行加固时，如使用旋喷式扩孔设备，其工作时产生的水，又会对土遗址产生二次危害，因此只能使用机械式钻孔设备。

发明内容

针对现有的土体成孔设备成孔直径单一，成孔形状不可控的技术问题，本发明提出一种用于土体的高效智能成孔系统及其使用方法，利用控制中心控制二级中心杆使其推动一级中心杆与轴承式推拉板、进而带动前程支撑杆共同运动，前程支撑杆对前程扩径杆产生推力，推力分解为沿杆方向以及垂直于杆身向外侧的分力，使得前程扩径杆被支起，随着控制中心的控制，前程扩径杆被支起的角度也逐渐增加，伴随着主体结构系统的行进，前程扩径杆开始扩孔；利用控制中心控制二级中心杆使其拉动一级中心杆与轴承式推拉板、进而带动前程支撑杆、后程支撑杆共同运动，后程支撑杆对后程扩径杆产生推力，推力分解为沿杆方向以及垂直于杆身向外侧的分力，使得后程扩径杆被支起，随着控制中心的控制，后程扩径杆被支起的角度也逐渐增加，伴随着主体结构系统的行进，后程扩径杆开始扩孔；本发明通过预先计算，可完成多种不同直径、不同形状的锚杆孔型。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于土体的高效智能成孔系统，包括钻头装置和尾杆装置，钻头装置与尾杆装置可拆卸连接，所述尾杆装置与驱动机构相连接，驱动机构与控制中心相连接；所述钻头装置包括第一中空钻杆，第一中空钻杆的前端设有钻头，第一中空钻杆内活动设有一级中心杆，第一中空钻杆的纵向设有凹槽，凹槽内设有导轨，导轨内活动设有扩径机构，扩径机构的一端活动设置在导轨内且扩径机构的一端与支撑机构的一端相铰接，支撑机构的另一端与一级中心杆相连接；所述尾杆装置包括第二中空钻杆，第二中空钻杆内活动设有二级中心杆，第二中空钻杆的一端与第一中空钻杆可拆卸连接，二级中心杆的一端与一级中心杆可拆卸连接，第二中空钻杆的另一端与驱动机构相连接，驱动机构和二级中心杆的另一端均与控制中心相连接，控制中心控制驱动机构转动和水平移动，控制中心控制二级中心杆可转动和水平移动。

优选地，所述扩径机构包括前程扩径杆，支撑机构包括前程支撑杆，所述前程扩径杆的一端设有前程滑动块，前程扩径杆的另一端设有前程刮刀，前程扩径杆的一端与前程支撑杆的一端相铰接，前程滑动块活动设置在导轨内；所述前程支撑杆的另一端与推拉板相铰接，推拉板固定在一级中心杆的中部，推拉板与第一中空钻杆的内壁滑动连接。

优选地，所述一级中心杆的前部设有顶部挡板，顶部挡板与第一中空钻杆顶端之间设有一级中心杆顶端水平移动的空间；所述顶部挡板与一级中心杆活动连接，顶部挡板的外圆周上设有翼缘，翼缘活动设置在与凹槽相连通的周向凹槽内，翼缘与滑动块相匹配。

优选地，所述扩径机构还包括后程扩径杆，支撑机构还包括后程支撑杆，所述后程扩径杆设置在前程扩径杆的后端；所述后程扩径杆的一端设有后程滑动块，后程扩径杆的另一端设有后程刮刀，后程扩径杆的一端与后程支撑杆的一端相铰接，后程滑动块活动设置在导轨内；所述后程支撑杆的另一端与推拉板相铰接。

优选地，所述凹槽和导轨的数量均设有4个且纵向均匀布设在第一中空钻杆上，前程滑动块设置在相对应的一组导轨内，后程滑动块设置在一组导轨内；所述前程扩径杆、后程扩径杆设置在导轨内；所述导轨包括燕尾形导轨和方形导轨，燕尾形导轨和方形导轨相链接，前程滑动块和后程滑动块均为燕尾形滑块，燕尾形滑块滑动设置在燕尾形导轨内；所述推拉板为轴承式推拉板，轴承式推拉板的内圈与一级中心杆固定连接，前程支撑杆和后程支撑杆与轴承式推拉板的外圈相铰接。

优选地，所述前程扩径杆和后程扩径杆上均设有可伸缩的多级扩径杆，前程扩径杆和后程扩径杆内均设有微型信号电机I，微型信号电机I的输出端与多级扩径杆相连接；所述前程支撑杆和后程支撑杆为多级支撑杆，多级支撑杆内设有微型信号电机II，微型信号电机II的输出端与多级支撑杆相连接；所述微型信号电机I和微型信号电机II均通过无线与终端相连接；所述前程扩径杆和后程扩径杆的一端均固定有抱箍，抱箍与前程支撑杆或后程支撑杆的一端相铰接。

优选地，所述钻头装置和尾杆装置之间可拆卸连接有接杆装置，接杆装置包括第三中空钻杆和三级中心杆，三级中心杆与第三中空钻杆活动连接，第三中空钻杆的两端分别与第一中空钻杆、第二中空钻杆可拆卸连接，三级中心杆的两端分别与一级中心杆、二级中心杆相连接。

优选地，所述二级中心杆和三级中心杆的顶端均设有榫槽，一级中心杆的尾部设有第一榫头，三级中心杆的尾部设有第二榫头，二级中心杆顶端的榫槽与第一榫头或第二榫头相匹配，三级中心杆顶端的榫槽与相邻三级中心杆尾部的第二榫头或第一榫头相匹配；所述第一中空钻杆的尾端设有第三榫头，第三榫头与第二中空钻杆顶端的榫槽或第三中空钻杆顶端的榫槽相匹配，第三中空钻杆尾部的榫头与相邻第三中空钻杆顶端的榫槽或第二中空钻杆顶端的榫槽相匹配；所述第二中空钻杆或第三中空钻杆内均固定设有限位盘，限位盘的中心与二级中心杆或三级中心杆滑动连接；所述第二中空钻杆尾部与驱动机构相连接。

优选地，所述第一中空钻杆的外圈设有一号螺旋叶片，第二中空钻杆的外圈设有二号螺旋叶片，所述第三中空钻杆的外圈设有三号螺旋叶片；所述多级扩径杆的外圈设有刮土螺纹；所述驱动机构包括中心齿轮和传动齿轮，中心齿轮与传动齿轮相啮合，传动齿轮固定在第二中空钻杆的尾部；所述中心齿轮的两侧设有推进挡板，中心齿轮和传动齿轮均设置在推进挡板之间，中心齿轮通过转轴与控制中心相连接。

一种用于土体的高效智能成孔系统的使用方法的步骤为：

步骤1、首先在土层确定布孔位置，预先根据所要成孔形状，计算出前程扩径杆与后程扩径杆所需参数；组装钻头装置和尾杆装置，当所要成孔较深时，还应组装接杆装置；组装时，先将一级中心杆与二级中心杆连接，再将第二中空钻杆套在二级中心杆上，将第二中空钻杆与第一中空钻杆连接起来；

步骤2、组装完成后，在预设布孔点架好整个系统，通过控制中心控制驱动机构的中心齿轮带动传动齿轮旋转，进而带动尾杆装置与钻头装置开始在预设土层钻孔点钻锚孔；

步骤3、当钻头装置行进至需要扩径处时，通过终端控制前程扩径杆内的微型信号电机I带动前程扩径杆的多级扩径杆旋转至目标长度，控制前程支撑杆内的微型信号电机II带动前程支撑杆旋转至相应长度；

步骤4、通过控制中心控制二级中心杆转动从而带动一级中心杆与顶部挡板旋转，将顶部挡板的翼缘旋入到第一中空钻杆的凹槽内；控制中心控制二级中心杆带动一级中心杆向前推动推拉板与前程支撑杆，进而使前程扩径杆被前程支撑杆支起；

步骤5、前程扩径杆被支起后，被第一中空钻杆带动共同旋转，通过前程刮刀进行刮土扩径；当前程扩径杆被前程支撑杆支起的角度达到目标角度时，停止控制二级中心杆向前推动；随着钻头装置的行进，前程扩径杆在微型信号电机I的控制下，同时进行刮土与伸长，直至达到目标长度即完成前半程扩孔；

步骤6、完成前半程扩孔后，通过控制中心控制二级中心杆带动一级中心杆与顶部挡板旋转，将顶部挡板的翼缘旋出第一中空钻杆的凹槽；

步骤7、通过终端控制后程扩径杆的微型信号电机I带动后程扩径杆旋转至目标长度、控制微型信号电机II带动后程支撑杆旋转至相应长度；

步骤8、通过控制中心控制二级中心杆带动一级中心杆向后拉动推拉板、前程支撑杆和后程支撑杆，至将前程扩径杆拉回燕尾形的导轨，同时后程扩径杆将被后程支撑杆支起至目标角度，随后停止控制二级中心杆向后拉动；

步骤9、后程扩径杆被支起后，进而被第一中空钻杆带动共同旋转，通过后程刮刀进行刮土；随着钻头装置的行进，后程扩径杆在微型信号电机I的控制下同时进行刮土与缩短，直至达到目标长度。

步骤10、控制二级中心杆带动一级中心杆向前推动推拉板、前程支撑杆与后程支撑杆，直到后程扩径杆被拉回燕尾形的导轨即完成后半程扩孔，成孔完成；

步骤11、当需要进行连续扩孔时，只需重复上述步骤即可实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明既可以实现现阶段常用的柱形锚杆孔，又可以在行进中完成不同直径、不同形状的孔型；本发明的结构和操作简单，安装方便，锚固性能和锚固机理更加符合土遗址的保护和加固理念；且制造简单，造价低廉，维护保养便捷，有利于大范围推广使用。且：

a.本发明不仅可以实现现有可变径钻头在直径最大位置和最小位置进行扩孔，还可以解决在直径最大和最小位置之间的任意位置进行扩孔的技术问题，并且其直径范围可通过增加前程多级扩径杆与后程多级扩径杆改变。

b.本发明可以通过预先调节无线的终端和控制中心使钻杆在行进中实现不同形状的锚杆孔，如连续球形锚孔，通过改变锚杆孔形状，使得在杆体-浆体界面的脱粘解耦模式下，在依靠浆体的抗剪强度的同时也充分利用了浆体的抗压性能，增加了锚杆的轴向抗拉能力，提升了锚杆的锚固强度。

c.本发明可以实现在行进中完成多个不同形状的锚孔，不需要中途更换配件，扩孔具有连续、高效性，大大节约了连续成孔所需时间，同时节约了材料经费。

d.本发明包含三级中空钻杆，并且钻杆上均配有螺旋叶片，可以实现在行进扩孔的同时将刮下的土质碎屑沿螺旋叶片上返输送到孔口，极大简化了成孔流程。

e.本发明在钻头装置与尾杆装置间配置接杆装置，可以很大程度延长成孔深度，满足了现有技术中成孔深度不足、成孔深度单一的问题。

f.本发明的设计兼顾考虑了科研实验和施工生产的要求，使得整套装置制造简单、造价低廉，维护保养便捷，有利于大范围推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明自然状态示意图。

图2为图1中的钻头装置自然状态示意图。

图3为本发明钻头装置的顶部挡板卡接的示意图。

图4为图2中钻头装置的右视图和左视图。

图5为图4的(b)中A-A面剖视图。

图6为图4的(b)中B-B面剖视图。

图7为本发明尾杆装置和工作中心的自然状态示意图。

图8为本发明尾杆装置和工作中心结构剖视图。

图9为本发明尾杆装置的俯视图。

图10为本发明接杆装置自然状态示意图。

图11为本发明接杆装置的剖视图。

图12为本发明进行球型锚杆孔的前半程工作状态图。

图13为本发明进行球型锚杆孔的后半程工作状态图。

图14为本发明的前程扩径杆结构示意图。

图15为本发明的后程扩径杆结构示意图。

图16为本发明的前程支撑杆结构示意图。

图17为本发明的后程支撑杆结构示意图。

图18为本发明的轴承式推拉板的结构示意图。

图19为本发明的扩径杆抱箍的结构示意图。

图20为本发明的前程刮刀或后程刮刀的结构示意图。

图21为本发明的前程燕尾形滑动块或后程燕尾形滑动块结构示意图。

图22为本发明的顶部挡板的结构示意图。

图23为本发明的限位轴承的结构示意图

图24为本发明的终端的结构示意图

图25为本发明具体实施中前、后程扩径杆所需长度及角度的计算简图。

图26为本发明前程扩孔的计算示意图，其中，(a)为状态示意图，(b)为长度计算示意图。

图27为本发明后程扩孔的状态示意图。

图28-图31为本发明可完成的几种典型锚杆孔示意图。

图中，1为第一中空钻杆，101为钻头，102为一号螺旋叶片，103为凹槽，104为第三榫头104，105为燕尾形导轨，106为方形导轨，107为周向凹槽；2为前程扩径杆，201为前程刮刀，202为前程多级扩径杆，203为前程扩径杆抱箍，204为前程燕尾形滑动块；3为后程扩径杆，301为后程刮刀，302为后程多级扩径杆，303为后程扩径杆抱箍，304为后程燕尾形滑动块，4为前程支撑杆，401为前程多级支撑杆，5为后程支撑杆，501为后程多级支撑杆，6为一级中心杆，601为限位轴承，602为顶部挡板，612为挡板，622为翼缘，603为推拉板，613为内圈轴承板，623为外圈轴承板，604为一级榫头，7为二级中心杆，701为二级榫槽，8为三级中心杆，801为三级榫头，802为三级榫槽，9为第二中空钻杆，901为二号榫槽，902为二号螺旋叶片，903为二号限位盘，904为传动齿轮，10为三号中控钻杆，1001为三号榫槽1001，1002为三号螺旋叶片，1003为三号限位盘，1004为三号榫头，11为一号前程微型信号电机，12为一号后程微型信号电机，13为二号前程微型信号电机，14为二号后程微型信号电机，15为终端，16为销钉，17为主齿轮，171为中心齿轮，172为推进挡板，18为控制中心。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种用于土体的高效智能成孔系统，包括钻头装置、接杆装置、尾杆装置和工作中心，钻头装置、接杆装置、尾杆装置依次可拆卸连接，工作中心与尾杆装置相连接，用于驱动尾杆装置的转动和前后伸缩。钻头装置包括主体结构系统、前程系统、后程系统和终端，主体结构系统用于进行钻孔，终端用于控制前程系统和后程系统的展开、收缩以及钻孔，本发明通过钻头装置中的扩径机构和支撑机构组成的前程系统和后程系统实现在行进中改变扩孔形状，使其从现有技术可完成的柱形锚杆孔提升为一种连续球体型锚杆孔，此时，锚杆将利用土体本身的抗剪强度与周围土体和构造物拉力的传递，来提供足够的锚固力。本发明通过工作中心预加程序，控制钻头装置在行进中连续、高效的钻孔，且整套装置制造简单、造价低廉、维护保养便捷，有利于大范围推广使用。

如图2所示，钻头装置的主体结构系统包括第一中空钻杆1，第一中空钻杆1内设有空腔，空腔用于容纳一级中心杆的运动以及前程系统、后程系统的运动，第一中空钻杆上均匀设有4个凹槽103，凹槽103与空腔相连通，从而实现扩径机构和支撑机构的连接。第一中空钻杆1前端设有合金的钻头101，用于前进中钻锚孔，钻头101与第一中空钻杆1的前端固接，随着第一中空钻杆1的转动而转动。第一中空钻杆1外圈设有一号螺旋叶片102，一号螺旋叶片102可以实现在成孔的过程中，将刮下的土质碎屑上返输送到孔口，简化了传统成孔技术中成孔后再清理锚孔内土渣的过程。第一中空钻杆1尾端设有六边形的第三榫头104。第一中空钻杆1尾端通过第三榫头104与接杆装置或尾杆装置的钻杆前端的六边形的榫槽相连接，保证了钻杆之间连接的可靠性和稳定性。

第一中空钻杆1外圈嵌入4根燕尾形导轨105，4根方形导轨106，导轨位于凹槽103内。如图2、图3、图4所示，第一中空钻杆1上均匀设有4个凹槽103，且每个凹槽103均为纵向布设，相邻凹槽103相距1/4第一中空钻杆1的外径，这样对称设置方便设置对称的扩径机构和支撑机构。凹槽103长度均等于1根燕尾形导轨105与1根方形导轨106首尾相接的长度，即每个凹槽103内设有1根燕尾形导轨105与1根方形导轨106。2根燕尾形导轨105分别布设于凹槽103前端的前后两侧对称位置，尾端与2根方形导轨106相接，用于容纳前程系统；另外2根燕尾形导轨105分别布设于凹槽103后端的左右两侧对称位置，顶端与2根方形导轨106相接，用于容纳后程系统，从而可以将两个对称的扩径机构和支撑机构安装。燕尾形导轨105可实现前程扩径杆2和后程扩径杆3的燕尾形滑块在其中上下自由滑动的同时限制转动。此外，燕尾形导轨105还可以避免前程扩径杆2和后程扩径杆3因受力而被支起。当前程扩径杆2和后程扩径杆3伸长后，顶端设有的前程刮刀201和后程刮刀301就会进入方形导轨106中，不再阻碍前程扩径杆2和后程扩径杆3受力后被支出导轨。

如图5和图14所示，前程系统包括2根前程扩径杆2和2根前程支撑杆4，前程扩径杆2与前程支撑杆4相铰接。前程扩径杆2包括前程多级扩径杆202、前程刮刀201、前程扩径杆抱箍203、前程燕尾形滑动块204、一号前程微型信号电机11。一号前程微型信号电机11为伸缩电机，可以带动前程多级扩径杆202转动，同时带动前程多级扩径杆202进行伸缩。

2根前程扩径杆2分别布设于位于上部的2根燕尾形导轨105内。如图14所示，前程扩径杆2顶端设有前程刮刀201，用于刮土，如图20所示，前程刮刀201底部为燕尾形底座。前程扩径杆2中部设有前程多级扩径杆202，外圈设有前程扩径杆抱箍203，底部连接一号前程微型信号电机11。如图21所示，前程扩径杆2的尾端可通过销钉与前程燕尾形滑动块204拆卸连接。前程多级扩径杆202外圈设有刮土螺纹，可以随着第一中空钻杆1的旋转而进行刮土扩径。通过终端15控制一号前程微型信号电机11旋转带动前程多级扩径杆202共同旋转，由于前程刮刀201位于燕尾形导轨105内无法旋转，将向后提供反力，使得前程多级扩径杆202沿刮土螺纹旋转伸长。先将前程扩径杆伸长，使得前程刮刀201由燕尾形导轨滑至方形导轨，再通过前程支撑杆将前程扩径杆支起。如图19所示，前程扩径杆抱箍203的一端与前程支撑杆4的顶端相铰接，前程扩径杆抱箍203可实现前程扩径杆2沿刮土螺纹伸长时，不会带动前程支撑杆4共同旋转。

如图16和图24所示，前程支撑杆4包括前程多级支撑杆401、二号前程微型信号电机13；二号前程微型信号电机13可驱动前程多级支撑杆401伸缩，前程支撑杆4可与前程扩径杆抱箍203可拆卸连接。一号前程微型信号电机11、二号前程微型信号电机13统一配有终端15，可通过终端15无线、远程控制。终端15为移动终端，可设置在控制中心中。

如图6和图15，后程系统包括2根后程扩径杆3和2根后程支撑杆5，后程支撑杆5的顶部与后程扩径杆3相铰接。后程扩径杆3包括后程多级扩径杆302、后程刮刀301、后程扩径杆抱箍303、后程燕尾形滑动块304和一号后程微型信号电机12。所述2根后程扩径杆3分别布设于位于下部的2根燕尾形导轨105内。所述后程扩径杆3顶端设有后程刮刀301，中部设有后程多级扩径杆302，外圈设有后程扩径杆抱箍303，底部连接一号后程微型信号电机12；后程扩径杆3可与后程燕尾形滑动块304拆卸连接。后程多级扩径杆302外圈设有刮土螺纹。通过终端15控制一号后程微型信号电机12旋转，带动后程多级扩径杆302共同旋转，由于后程刮刀301位于燕尾形导轨105内无法旋转，将向后提供反力，使得后程多级扩径杆302沿刮土螺纹旋转伸长。

如图17和图25所示，所述后程支撑杆5包括后程多级支撑杆501、二号后程微型信号电机14；所述后程支撑杆5可与后程扩径杆抱箍303连接拆卸。所述一号后程微型信号电机12、二号后程微型信号电机14统一配有终端15，可通过终端15远程控制。

如图5、图8和图11，中心系统包括一级中心杆6、二级中心杆7、三级中心杆8，如图3所示，一级中心杆6尾端设有六边形的一级榫头604，一级榫头604与二级中心杆7或三级中心杆8的六边形的榫头相配合进行可拆卸连接。如图5和图23所示，一级中心杆6顶端设有限位轴承601，限位轴承601嵌入第一中空钻杆1的上部。限位轴承601的主要作用是为了防止一级中心杆与第一中空钻杆长期直接接触，造成磨损。

如图3、图5和图22所示，一级中心杆6上部设有顶部挡板602，顶部挡板602包含挡板612和两个翼缘622，挡板612，翼缘622设置在第一空钻杆1内壁的周向凹槽107内，周向凹槽与凹槽103相连通；翼缘622可旋入第一中空钻杆1的凹槽103内，以此限制前程扩径杆2向前滑动。挡板612在周向与一级中心杆6通过卡槽连接，在水平方向挡板612与一级中心杆6滑动连接，周向凹槽将顶部挡板602限位在第一中空钻杆1内，从而不影响一级中心杆6的上下移动。翼缘622的旋转角度很小，因此一级中心杆6也只需小角度的转动。如图3所示，且当需要限制前程扩径杆的滑动时，需要通过一级中心杆旋转，使得翼缘622旋入周向凹槽107的中部；当不需要限制时，只需将翼缘旋入周向凹槽的侧边即可。

如图5和图18所示，一级中心杆6中部设有轴承式的推拉板603，轴承式的推拉板603包括内圈轴承板613和外圈轴承板623，内圈轴承板613与一级中心杆6相卡接，内圈轴承板613和外圈轴承板623可活动连接，外圈轴承板623的外圆周与前程支撑杆4和后程支撑杆5可连接拆卸，因此可以实现在一级中心杆6转动过程中，前程支撑杆4和后程支撑杆5是不转动的，保证了前程系统和后程系统在调整中的稳定性。

如图8所示，二级中心杆7顶端设有六边形的二级榫槽701，尾部连接控制中心18；六边形的二级榫槽701可与一级中心杆6的六边形的第三榫头604或三级中心杆8的六边形，三级榫头801拆卸连接，保证了连接的稳定性。

如图11所示，三级中心杆8顶端设有六边形的三级榫槽802，尾端设有六边形的三级榫头801。六边形三级榫槽802可与一级中心杆6的六边形一级榫头604或相邻三级中心杆8的三级榫槽802拆卸连接。

如图10和图11所示，接杆装置包括第三中空钻杆10，三级中心杆8活动设置在第三中空钻杆10，第三中空钻杆10内设有空腔，顶部设有三号六边形榫槽1001，外圈设有三号螺旋叶片1002，内部设有三号限位盘1003，尾部设有六边形的三号榫头1004。六边形的三号榫槽1001可与第一中空钻杆1的六边形的第三榫头104拆卸连接。三号限位盘1003的内径略大于三级中心杆8的外径，三级中心杆8与三号限位盘1003滑动连接，用于支撑三级中心杆8同时不影响三级中心杆8的移动。三号限位盘1003与第三中空钻杆10固定连接。由于三级中心杆8较长，使用过程中，易产生弯矩，偏离中心，所以设置三号限位盘1003，限制三级中心杆8使其始终位于第三中空钻杆10的中心部位。

如图7和图8所示，尾杆装置包括第二中空钻杆9，二级中心杆7活动设置在第二中空钻杆9内，第二中空钻杆9内设有空腔，顶部设有二号六边形榫槽901，外圈设有二号螺旋叶片902，内部设有二号限位盘903，尾部设有传动齿轮904。六边形的二号榫槽901可与第一中空钻杆1的六边形榫头104或第三中空钻杆10的三号六边形榫头1004拆卸连接。二号限位盘903的内径略大于二级中心杆7的外径，二级中心杆7与二号限位盘903滑动连接；二号限位盘903与第二中空钻杆9固定连接。由于二级中心杆较长，使用过程中，易产生弯矩，偏离中心，所以设置二号限位盘903，限制二级中心杆7，使其始终位于装置中心部位。

如图7所示，工作中心包括主齿轮17和控制中心18，控制中心18可控制主齿轮17转动带动传动齿轮904旋转，从而实现中空钻杆的转动。主齿轮17包括中心齿轮171和推进挡板172，中心齿轮171与传动齿轮904相啮合，中心齿轮171和传动齿轮904设置在推进挡板172之间，推进挡板172固定在中心齿轮171转动轴上。所述控制中心18可控制主齿轮17通过推进挡板172推拉传动齿轮904，且通过推进挡板172带动第二中空钻杆9前进后退。控制中心18可以包括控制器和伸缩电机，从而实现第二中空钻杆9以及二级中心杆7的转动和前后移动，这个控制领域比较成熟的装置，本发明不详细说明。

实施例2

如图1-图13所示，一种用于土体的高效智能成孔系统的使用方法的步骤为：

如图25所示，前程扩径杆2、后程扩径杆3的所需长度根据计算有：

BC＝R-r

其中，R为连续球体形锚杆孔球心截面圆的半径，r为第一中空钻杆1的截面圆的半径，L₁为前程扩径杆所需长度，L₂为后程扩径杆所需长度。

则前程扩径杆5、后程扩径杆6被支起的最大角度根据计算有：

如图26所示，(b)中L₄为前半程图(a)中第2状态时，前程扩径杆的长度，L₁为前半程图(a)中第4状态时，前程扩径杆的长度，l为前程扩径杆抱箍至前程扩径杆一端的距离，x为前程支撑杆一端至第一中空钻杆的距离。

根据计算可得：前程扩径杆所需长度

同理，可得后程扩径杆的长度。

步骤1、首先在土层确定布孔位置，预先根据所要成孔形状，计算出前程扩径杆2与后程扩径杆3所需参数；调试工作中心、一号前程微型信号电机11、一号后程微型信号电机12、二号前程微型信号电机13、二号后程微型信号电机14；组装钻头装置、尾杆装置和工作中心，当所要成孔较深时，还应组装接杆装置；组装时，先通过内六角销钉将一级中心杆6与二级中心杆7连接，再将第二中空钻杆9套在二级中心杆7上，再通过内六角销钉16将第二中空钻杆9与第一中空钻杆1连接。

步骤2、组装完成后，在预设布孔点架好装置，通过控制中心18控制主齿轮17带动传动齿轮904旋转，进而带动尾杆装置与钻头装置开始在预设土层钻孔点钻锚孔。

步骤3、当钻头装置行进至需要扩径处时，通过终端15控制一号前程微型信号电机11带动前程扩径杆2旋转至目标长度，控制二号前程微型信号电机13带动前程支撑杆4旋转至相应长度。前程支撑杆4在旋转中伸长，通过二号前程微型信号电机控制前程支撑杆在旋转中伸长的同时，向后拉动二级中心杆使其带动一级中心杆和轴承式推拉板共同向后滑动，保持前程支撑杆伸长的长度始终等于轴承式推拉板向后滑动的长度。

步骤4、通过控制中心18控制二级中心杆7带动一级中心杆6与顶部挡板602旋转，将顶部挡板602的翼缘622旋入第一中空钻杆1的凹槽103内，从而可以实现对前程滑块的限位；控制二级中心杆7带动一级中心杆6向前推动轴承式推拉板603与前程支撑杆4，进而使前程扩径杆2被前程支撑杆4支起。

步骤5、前程扩径杆2被支起后，进而被第一中空钻杆1带动共同旋转，通过前程刮刀201进行刮土扩径。当前程扩径杆2被前程支撑杆4支起的角度达到目标角度时，停止控制二级中心杆7向前推动。随着钻头装置的行进，前程扩径杆2在一号前程微型信号电机11的控制下，同时进行刮土与伸长，直至达到目标长度即完成前半程扩孔。

步骤3的目标长度指图26的(a)中第2个状态时前程扩径杆所示的长度，步骤5的目标长度指图26的(a)中第4个状态时前程扩径杆所示的长度。当前程扩径杆达到图中第2个状态所示的长度后，不再推动二级中心杆，保持此时前程扩径杆的角度，随着钻头装置的行进，通过一号前程微型信号电机控制前程扩径杆逐渐伸长至图(a)中第4个状态所示的长度，可视为完成前半程扩孔。

步骤6、完成前半程扩孔后，通过控制中心18控制二级中心杆7带动一级中心杆6与顶部挡板602旋转，将顶部挡板602的翼缘622旋出第一中空钻杆1的凹槽103，方便收缩前程系统。

步骤7、通过终端15控制一号后程微型信号电机12带动后程扩径杆3旋转至目标长度，控制二号后程微型信号电机14带动后程支撑杆5旋转至相应长度。

步骤8、通过控制中心18控制二级中心杆7带动一级中心杆6向后拉动轴承式推拉板603、前程支撑杆4和后程支撑杆5，直至将前程扩径杆2拉回燕尾形导轨105，同时后程扩径杆将被后程支撑杆5支起至目标角度，随后停止控制二级中心杆7向后拉动。

步骤9、后程扩径杆3被支起后，进而被第一中空钻杆1带动共同旋转，通过后程刮刀301进行刮土。随着钻头装置的行进，后程扩径杆3在一号后程微型信号电机12的控制下，同时进行刮土与缩短，直至达到目标长度。

步骤7的目标长度指图27中第1个状态时后程扩径杆所示的长度，步骤9的目标长度指图27中第3个状态时后程扩径杆所示的长度。通过一号后程微型信号电机控制后程扩径杆达到图27中第1个状态所示的长度后，不再拉动二级中心杆，保持此时后程扩径杆的角度，随着钻头装置的行进，通过一号后程微型信号电机控制后程扩径杆逐渐缩短至图27中第3个状态所示的长度。

步骤10、控制二级中心杆7带动一级中心杆6向前推动轴承式推拉板603、前程支撑杆4与后程支撑杆5。直到后程扩径杆3被拉回燕尾形导轨105即完成后半程扩孔，成孔完成。

步骤11、当需要进行连续扩孔时，只需重复上述操作即可实现。

本发明可完成的几种典型锚杆孔示意图如图28-图31，图28所示为锚杆孔形状，将前程扩径杆支起后，不再进行其他操作，随着钻杆向前推进，完成前半程方形孔后，收起前程扩径杆，将后程扩径杆支起，不再进行其他操作，随着钻杆向前推进，完成后半程方形孔，收回后程扩径杆，随后按照上述步骤的实例操作，完成前半程球形孔，即可实现所述形状。图29所示为锚杆孔形状，如上述步骤的实例中操作，完成单个球形孔后，将前程扩径杆、后程扩径杆全部收回，钻杆前进一段距离后，重复实例操作即可实现。图30所示为锚杆孔形状，如实例中操作后，重复上述步骤的实例操作即可实现。图31所示为锚杆孔形状，将前程扩径杆支起后，不再进行其他操作，随着钻杆向前推进，完成前半程方形孔后，收起前程扩径杆，将后程扩径杆支起，不再进行其他操作，随着钻杆向前推进，完成后半程方形孔。

其他结构与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于土体的高效智能成孔系统，包括钻头装置和尾杆装置，钻头装置与尾杆装置可拆卸连接，其特征在于，所述尾杆装置与驱动机构相连接，驱动机构与控制中心（18）相连接；所述钻头装置包括第一中空钻杆（1），第一中空钻杆（1）的前端设有钻头（101），第一中空钻杆（1）内活动设有一级中心杆（6），第一中空钻杆（1）的纵向设有凹槽（103），凹槽（103）内设有导轨，导轨内活动设有扩径机构，扩径机构的一端活动设置在导轨内且扩径机构的一端与支撑机构的一端相铰接，支撑机构的另一端与一级中心杆（6）相连接；所述尾杆装置包括第二中空钻杆（9），第二中空钻杆（9）内活动设有二级中心杆（7），第二中空钻杆（9）的一端与第一中空钻杆（1）可拆卸连接，二级中心杆（7）的一端与一级中心杆（6）可拆卸连接，第二中空钻杆（9）的另一端与驱动机构相连接，驱动机构和二级中心杆（7）的另一端均与控制中心（18）相连接，控制中心（18）控制驱动机构转动和水平移动，控制中心（18）控制二级中心杆（7）可转动和水平移动；

所述扩径机构包括前程扩径杆（2），支撑机构包括前程支撑杆（4），所述前程扩径杆（2）的一端设有前程滑动块（204），前程扩径杆（2）的另一端设有前程刮刀（201），前程扩径杆（2）的一端与前程支撑杆（4）的一端相铰接，前程滑动块（204）活动设置在导轨内；所述前程支撑杆（4）的另一端与推拉板（603）相铰接，推拉板（603）固定在一级中心杆（6）的中部，推拉板（603）与第一中空钻杆（1）的内壁滑动连接；

所述一级中心杆（6）的前部设有顶部挡板（602），顶部挡板（602）与第一中空钻杆（1）顶端之间设有一级中心杆（6）顶端水平移动的空间；所述顶部挡板（602）与一级中心杆（6）活动连接，顶部挡板（602）的外圆周上设有翼缘（622），翼缘活动设置在与凹槽（103）相连通的周向凹槽内，翼缘（622）与扩径机构的前程滑动块（204）相匹配。

2.根据权利要求1所述的用于土体的高效智能成孔系统，其特征在于，所述扩径机构还包括后程扩径杆（3），支撑机构还包括后程支撑杆（5），所述后程扩径杆（3）设置在前程扩径杆（2）的后端；所述后程扩径杆（3）的一端设有后程滑动块（304），后程扩径杆（3）的另一端设有后程刮刀（301），后程扩径杆（3）的一端与后程支撑杆（5）的一端相铰接，后程滑动块（304）活动设置在导轨内；所述后程支撑杆（5）的另一端与推拉板（603）相铰接。

3.根据权利要求2所述的用于土体的高效智能成孔系统，其特征在于，所述凹槽（103）和导轨的数量均设有4个且纵向均匀布设在第一中空钻杆（1）上，前程滑动块（204）设置在相对应的一组导轨内，后程滑动块（304）设置在一组导轨内；所述前程扩径杆（2）、后程扩径杆（3）设置在导轨内；所述导轨包括燕尾形导轨（105）和方形导轨（106），燕尾形导轨（105）和方形导轨（106）相链接，前程滑动块（204）和后程滑动块（304）均为燕尾形滑块，燕尾形滑块滑动设置在燕尾形导轨（105）内；所述推拉板（603）为轴承式推拉板，轴承式推拉板的内圈与一级中心杆（6）固定连接，前程支撑杆（4）和后程支撑杆（5）与轴承式推拉板的外圈相铰接。

4.根据权利要求3所述的用于土体的高效智能成孔系统，其特征在于，所述前程扩径杆（2）和后程扩径杆（3）上均设有可伸缩的多级扩径杆，前程扩径杆（2）和后程扩径杆（3）内均设有微型信号电机I，微型信号电机I的输出端与多级扩径杆相连接；所述前程支撑杆（4）和后程支撑杆（5）为多级支撑杆，多级支撑杆内设有微型信号电机II，微型信号电机II的输出端与多级支撑杆相连接；所述微型信号电机I和微型信号电机II均通过无线与终端（15）相连接；所述前程扩径杆（2）和后程扩径杆（3）的一端均固定有抱箍，抱箍与前程支撑杆（4）或后程支撑杆（5）的一端相铰接。

5.根据权利要求3或4所述的用于土体的高效智能成孔系统，其特征在于，所述钻头装置和尾杆装置之间可拆卸连接有接杆装置，接杆装置包括第三中空钻杆（10）和三级中心杆（8），三级中心杆（8）与第三中空钻杆（10）活动连接，第三中空钻杆（10）的两端分别与第一中空钻杆（1）、第二中空钻杆（9）可拆卸连接，三级中心杆（8）的两端分别与一级中心杆（6）、二级中心杆（7）相连接。

6.根据权利要求5所述的用于土体的高效智能成孔系统，其特征在于，所述二级中心杆（7）和三级中心杆（8）的顶端均设有榫槽，一级中心杆（6）的尾部设有第一榫头，三级中心杆（8）的尾部设有第二榫头，二级中心杆（7）顶端的榫槽与第一榫头或第二榫头相匹配，三级中心杆（8）顶端的榫槽与相邻三级中心杆（8）尾部的第二榫头或第一榫头相匹配；所述第一中空钻杆（1）的尾端设有第三榫头（104），第三榫头（104）与第二中空钻杆（9）顶端的榫槽或第三中空钻杆（10）顶端的榫槽相匹配，第三中空钻杆（10）尾部的榫头与相邻第三中空钻杆（10）顶端的榫槽或第二中空钻杆（9）顶端的榫槽相匹配；所述第二中空钻杆（9）或第三中空钻杆（10）内均固定设有限位盘，限位盘的中心与二级中心杆（7）或三级中心杆（8）滑动连接；所述第二中空钻杆（9）尾部与驱动机构相连接。

7.根据权利要求6所述的用于土体的高效智能成孔系统，其特征在于，所述第一中空钻杆（1）的外圈设有一号螺旋叶片（102），第二中空钻杆（9）的外圈设有二号螺旋叶片（902），所述第三中空钻杆（10）的外圈设有三号螺旋叶片（1002）；所述多级扩径杆的外圈设有刮土螺纹；所述驱动机构包括中心齿轮（171）和传动齿轮（904），中心齿轮（171）与传动齿轮（904）相啮合，传动齿轮（904）固定在第二中空钻杆（9）的尾部；所述中心齿轮（171）的两侧设有推进挡板（172），中心齿轮（171）和传动齿轮（904）均设置在推进挡板（172）之间，中心齿轮（171）通过转轴与控制中心（18）相连接。

8.根据权利要求6或7所述的用于土体的高效智能成孔系统，其特征在于，其使用方法的步骤为：

步骤1、首先在土层确定布孔位置，预先根据所要成孔形状，计算出前程扩径杆（2）与后程扩径杆（3）所需参数；组装钻头装置和尾杆装置，当所要成孔较深时，还应组装接杆装置；组装时，先将一级中心杆（6）与二级中心杆（7）连接，再将第二中空钻杆（9）套在二级中心杆（7）上，将第二中空钻杆（9）与第一中空钻杆（1）连接起来；

步骤2、组装完成后，在预设布孔点架好整个系统，通过控制中心（18）控制驱动机构的中心齿轮（171）带动传动齿轮（904）旋转，进而带动尾杆装置与钻头装置开始在预设土层钻孔点钻锚孔；

步骤3、当钻头装置行进至需要扩径处时，通过终端（15）控制前程扩径杆（2）内的微型信号电机I带动前程扩径杆（2）的多级扩径杆旋转至目标长度，控制前程支撑杆（4）内的微型信号电机II带动前程支撑杆（4）旋转至相应长度；

步骤4、通过控制中心（18）控制二级中心杆（7）转动从而带动一级中心杆（6）与顶部挡板（602）旋转，将顶部挡板（602）的翼缘（622）旋入到第一中空钻杆（1）的凹槽（103）内；控制中心（18）控制二级中心杆（7）带动一级中心杆（6）向前推动推拉板（603）与前程支撑杆（4），进而使前程扩径杆（2）被前程支撑杆（4）支起；

步骤5、前程扩径杆（2）被支起后，被第一中空钻杆（1）带动共同旋转，通过前程刮刀（201）进行刮土扩径；当前程扩径杆（2）被前程支撑杆（4）支起的角度达到目标角度时，停止控制二级中心杆（7）向前推动；随着钻头装置的行进，前程扩径杆（2）在微型信号电机I的控制下，同时进行刮土与伸长，直至达到目标长度即完成前半程扩孔；

步骤6、完成前半程扩孔后，通过控制中心（18）控制二级中心杆（7）带动一级中心杆（6）与顶部挡板（602）旋转，将顶部挡板（602）的翼缘（622）旋出第一中空钻杆（1）的凹槽(103)；

步骤7、通过终端（15）控制后程扩径杆（3）的微型信号电机I带动后程扩径杆（3）旋转至目标长度、控制微型信号电机II带动后程支撑杆（5）旋转至相应长度；

步骤8、通过控制中心（18）控制二级中心杆（7）带动一级中心杆（6）向后拉动推拉板、前程支撑杆（4）和后程支撑杆（5），直至将前程扩径杆（2）拉回燕尾形的导轨，同时后程扩径杆将被后程支撑杆（5）支起至目标角度，随后停止控制二级中心杆（7）向后拉动；

步骤9、后程扩径杆（3）被支起后，进而被第一中空钻杆（1）带动共同旋转，通过后程刮刀（301）进行刮土；随着钻头装置的行进，后程扩径杆（3）在微型信号电机I的控制下同时进行刮土与缩短，直至达到目标长；

步骤10、控制二级中心杆（7）带动一级中心杆（6）向前推动推拉板、前程支撑杆（4）与后程支撑杆（5），直到后程扩径杆（3）被拉回燕尾形的导轨即完成后半程扩孔，成孔完成；

步骤11、当需要进行连续扩孔时，只需重复上述步骤即可实现。