CN117052303A - 适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，包括钻车及钻车缆索所吊装的钻机，钻机包括依次连接的泥渣处理机构、加腋钻组件、水平钻组件及竖向钻装置；加腋钻组件包括加腋钻装置、转动液压缸、曲柄液压缸、加腋钻反力架，加腋钻装置在转动液压缸和曲柄液压缸的驱动下向外转动旋挖以形成水平悬臂的加腋部分；水平钻组件包括水平钻装置及驱动其作侧向移动的水平液压缸；竖向钻装置包括若干组成矩形开挖面的圆柱钻组件。本发明的优点是：通过缆索和带间隔布设绞刀和滚刀的可伸缩水平圆柱钻和可旋转加腋圆柱钻，实现深层岩体内钻挖水平悬臂和加腋结构的矩形桩孔；加腋、水平悬臂和竖向桩身均可一次成孔，无需其他机械辅助。

Description

适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机

技术领域

本发明属于抗滑桩钻孔机设备领域，具体涉及一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机。

背景技术

在边坡支护、路基构筑、基坑开挖和隧道进出口建设等工程中，抗滑桩是一种能够将岩土体侧向推力传递到滑动面以下稳固地层中，抵抗侧向推力，治理工程和地质灾害的最有效措施。抗滑桩分为矩形截面抗滑桩和圆形截面抗滑桩。矩形抗滑桩拥有侧向刚度大、单桩承载力高等优势，能有效增强抗滑力，提升抗滑系数等优点。因此，矩形截面抗滑桩被广泛地应用于各个工程领域。

传统的矩形截面抗滑桩截面较大，并且不能充分利用桩前岩土体强度。对于带水平悬臂结构的抗滑桩，水平悬臂可以充分地利用桩前岩土体的强度，提高抗滑桩的抗滑能力，但带水平悬臂矩形抗滑桩的水平悬臂桩孔成孔难度极大。传统的矩形截面抗滑桩通常采用人工开挖和机械开挖方式，人工挖孔桩施工造成的坍塌占坍塌事故总数的65％，并且效率低、成本高，机械开挖更加安全高效。因此，在岩土层内采用机械钻挖带水平悬臂矩形抗滑桩的桩孔对于保证施工人员安全、提高效率具有重要的意义。

目前矩形钻孔机设备和开挖方式多样，例如：

专利号CN 106836354 A《矩形抗滑桩机械成孔装置》通过多个切削片构成矩形铲头，铲头的后端设有配重或液压推进装置实现矩形桩孔的钻挖。

专利号 CN 103244053 A《矩形钻孔机》主要是通过两个凸轮体驱动两个钢框下部均布的T型刀头相向、往复运动，切削土体成矩形孔。

专利号CN 104533300 A《矩形钻孔机》在矩形传动箱底部设置锥形钻头和在四个侧面设置十字形长刀，锥形钻头钻进形成圆形桩孔，然后通过十字长刀旋转切削修整为矩形桩孔。

专利号 CN 207715083 U《一种矩形抗滑桩成孔钻机》主要是在钻杆底部设置圆形钻筒和矩形钻筒，圆形钻筒旋进成圆形桩孔，然后通过矩形钻筒切削圆形桩孔周围土体形成矩形桩孔。

专利号CN 105951798 A《一种矩形钻孔机》主要是通过电机驱动四个带绞刀的凹腰圆柱切削土体，钻挖成矩形桩孔。

现有的钻孔机主要在岩土体内形成竖向矩形桩孔，但存在以下问题：

(1)既无法实现土体内钻挖带加腋水平悬臂结构的矩形抗滑桩桩孔，更无法实现岩体（碎石、卵石、软岩、硬岩等地层）内的钻挖；

(2)采用其他机械（抓斗）或辅助措施（泥浆正循环排渣法）清理桩孔内渣土，钻挖和排渣设备集成度低，钻孔施工效率低和成本高。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，该矩形深孔钻机通过钻车上的缆索来吊装钻机以适应深孔的长度需求，并利用钻机自重产生压力来向下钻进，钻机通过对加腋钻组件、水平钻组件以及竖向钻装置进行控制来实现异步式施工带加腋水平悬臂抗滑桩的矩形深桩孔，即，竖向钻装置通过采用呈矩阵形式布设的圆柱钻组件来开挖竖向矩形桩孔，之后竖向矩形桩孔开挖至带加腋水平悬臂的设计深度后停止竖向钻装置的工作，通过加腋钻组件向外旋挖以形成加腋部分，之后再通过水平钻组件中水平液压缸驱动水平钻装置侧向水平伸长来实现在岩体内钻挖水平悬臂结构桩孔，从而形成带加腋的水平悬臂矩形桩孔；之后旋转复位加腋钻组件并回缩水平钻组件，最后再通过竖向钻装置继续下挖矩形桩孔至设计深度；此外，在加腋钻组件、水平钻组件以及竖向钻装置滚绞岩质地层时，通过注浆系统向桩孔内注入泥浆液以利于抽吸同泥浆混合的岩块。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，其特征在于所述矩形深孔钻机包括一具有缆索的钻车以及所述缆索下端吊装的钻机，所述钻机包括自上而下依次连接的泥渣处理机构、加腋钻组件、水平钻组件以及竖向钻装置；其中：

所述岩渣处理机构包括搅拌装置、破碎装置、吸渣系统、排渣系统以及注浆系统；所述搅拌装置包括一搅拌箱以及设置于所述搅拌箱上的搅拌机构；所述搅拌箱上所设置的吸渣口经所述破碎装置连接所述吸渣系统，所述搅拌箱上所设置的排渣口连接所述排渣系统；所述注浆系统接通至所述加腋钻组件内、所述水平钻组件内以及所述竖向钻装置内；

所述加腋钻组件包括加腋钻装置、转动液压缸、曲柄液压缸以及加腋钻反力架，所述加腋钻反力架呈侧向开口的箱型构造，所述加腋钻装置下端的上摆板与所述加腋钻反力架底面上的下摆板经一连轴形成转动连接，所述转动液压缸与所述加腋钻装置的中部或上部相铰接，所述曲柄液压缸与所述上摆板经一曲柄轴形成铰接，且所述曲柄轴位于所述连轴正下方；

所述水平钻组件包括水平钻装置以及驱动所述水平钻装置作侧向移动的水平液压缸；

所述竖向钻装置包括若干水平设置且组成矩形开挖面的圆柱钻组件。

所述钻车包括车载平台、钢立柱、拉杆、铰转轴、导轨、滑块、钢悬梁、卷扬电机以及缆索支架，所述钢立柱竖向设置于所述车载平台上，所述拉杆的上端与所述钢立柱上端铰接、下端与固定于所述车载平台上的铰转轴铰接，所述导轨竖向设置并沿所述钢立柱固定，所述滑块可滑动式装配于所述导轨上，所述钢悬梁固定于所述滑块上，所述卷扬电机固定于所述钢悬梁上，且所述缆索支架固定于所述钢悬梁下方，所述卷扬电机驱动所述缆索在竖直方向上作升降运动以带动所述钻机。

所述搅拌装置包括所述搅拌箱以及所述搅拌机构，所述搅拌机构包括主齿轮以及若干与所述主齿轮相啮合传动的辅齿轮，所述主齿轮由一搅拌电机驱动旋转，所述主齿轮上同轴设置有延伸入所述搅拌箱内的搅拌主转轴，所述搅拌主转轴上设置有搅拌叶片；所述辅齿轮上同轴设置有延伸入所述搅拌箱内的搅拌辅转轴，所述搅拌辅转轴上设置有搅拌叶片。

所述竖向钻装置包括U形叉板以及安装于所述U形叉板上的若干圆柱钻组件，所述圆柱钻组件呈矩阵分布；所述U形叉板由腹板、设置于所述腹板两侧的翼板以及垂直焊接于所述腹板上的钢支撑组成，所述圆柱钻组件包括两圆柱、驱动所述圆柱旋转的电机、间隔布置于所述圆柱表面的若干滚刀组件以及布置于相邻所述滚刀组件之间的若干绞刀组件，所述滚刀组件包括滚刀基座以及固定于所述滚刀基座上的一圈滚刀，所述绞刀组件包括绞刀基座以及倾斜固定于所述绞刀基座上的绞刀；所述电机固定于所述钢支撑上并驱动所述圆柱旋转。

所述水平钻组件还包括一水平钻反力架，所述水平钻反力架呈侧向敞口的箱型构造，所述水平钻反力架的上表面与所述加腋钻反力架固定连接、下表面与所述竖向钻装置的所述U形叉板固定连接；所述水平液压缸的缸筒端面固定于所述水平钻反力架的内侧壁面上，所述水平液压缸的活塞杆驱动所述水平钻装置侧向水平伸缩移动。

所述加腋钻反力架包括加腋液压反力板、设置于所述加腋液压反力板上端的加腋液压上侧板、设置于所述加腋液压反力板下端的加腋液压下侧板以及设置于所述加腋液压反力板两侧的加腋液压侧护板；所述转动液压缸的缸筒后端与所述加腋液压反力板之间经铰座铰接；所述曲柄液压缸的缸筒后端与所述加腋液压反力板之间经铰座铰接；所述上摆板呈半圆型；所述加腋钻装置包括加腋钻腹板、位于所述加腋钻腹板两侧的加腋钻翼板、若干加腋圆柱钻组件，各所述加腋圆柱钻组件沿竖直面和顶面间隔布设。

所述吸渣系统包括吸渣主管以及自所述吸渣主管抽吸端口分叉出的竖向吸渣支管、水平吸渣支管、加腋吸渣支管，所述竖向吸渣支管的吸头接入至所述竖向钻装置内，所述水平吸渣支管的吸头接入至所述水平钻组件内，所述加腋吸渣支管的吸头接入至所述加腋钻组件内，各所述吸头处均设置有吸渣阀门，所述水平吸渣支管的管体以及所述加腋吸渣支管的管体均采用伸缩管。

所述注浆系统包括注浆主管以及设置于所述注浆主管上的注浆泵，所述注浆主管的下端口分叉为竖向注浆支管、水平注浆支管以及加腋注浆支管，所述竖向注浆支管的喷头延伸入所述竖向钻装置中接近所述圆柱钻组件位置处，所述水平注浆支管的喷头延伸入所述水平钻组件内接近所述水平钻装置位置处，所述加腋注浆支管的喷头延伸入所述加腋钻组件内接近所述加腋圆柱钻组件位置处；各所述喷头处均设置有注浆阀门，所述水平注浆支管位于所述水平钻组件内的管体部分采用伸缩管以随所述水平钻装置前后移动，所述加腋注浆支管位于所述加腋钻反力架内的管体部分采用伸缩管以随所述加腋钻装置的旋转进行伸缩。

所述排渣系统包括排渣管以及设置于所述排渣管上的排渣泵，所述排渣管的下端口与所述搅拌箱上的所述排渣口相连通。

所述搅拌装置的上方设置有管道固定架，所述吸渣系统、所述排渣系统以及所述注浆系统中途径所述管道固定架的管路固定在所述管道固定架上。

本发明的优点是：

(1)通过缆索和带间隔布设绞刀和滚刀的可伸缩水平圆柱钻和可旋转加腋圆柱钻，实现深层岩体内钻挖水平悬臂和加腋结构的矩形桩孔；

(2)加腋、水平悬臂和竖向桩身桩孔均可一次成孔，无需其他机械辅助，达到提高施工效率、节省施工和设备成本目的；

(3)岩石经过破碎箱二次破碎，能更好地排出桩孔，防止排渣管的堵塞；

(4)同时具备钻挖和排渣功能，钻机集成度高，实现了钻挖和排渣的不间断同步进行，减少施工工序，节省施工成本，提高钻孔施工效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的各剖面位置示意图；

图3为本发明的局部示意图；

图4为本发明图2中的A-A剖视图；

图5为本发明中竖向钻装置的正视图；

图6为本发明图5中的B-B剖视图；

图7为本发明图2中的C-C剖视图；

图8为本发明图2中的D-D剖视图；

图9为本发明图2中的E-E剖视图；

图10为本发明中的水平钻组件侧视图；

图11为本发明图10中的F-F剖视图；

图12为本发明图2中的G-G剖视图；

图13为本发明图2中的H-H剖视图；

图14为本发明中的加腋钻组件侧视图；

图15为本发明图14中的I-I剖视图；

图16为本发明图2中的J-J剖视图；

图17为本发明图2中的K-K剖视图；

图18为本发明图2中的L-L剖视图；

图19为本发明图2中的M-M剖视图；

图20为本发明中适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机的施工步骤示意图；

1.竖向钻装置，2.水平钻组件，3.加腋钻组件，4.搅拌装置，5.破碎装置，6.吸渣系统，7.管道固定架，8.排渣系统，9.注浆系统，10.钻车；

11.圆柱钻组件，12.U形叉板，111.圆柱，112.绞刀组件，113.滚刀组件，114.电机，115.电机转轴，121.翼板，122.腹板，123.钢支撑，124.转轴孔，125.竖向吸渣支管通孔，126.竖向注浆支管通孔，1121.绞刀基座，1122.绞刀，1131.滚刀基座，1132.滚刀；

21.水平钻装置，22.水平液压缸，23.水平钻反力架，211.水平吸渣支管通孔，212.水平注浆支管通孔，231.水平液压侧护板，232.水平液压上侧板，233.水平液压下侧板，234.水平液压反力板，235.吸渣主管通孔，236.注浆主管通孔；

31.加腋钻装置，32.转动液压缸，33.曲柄液压缸，34.加腋钻反力架，311.U形连接器，3111.底板，3112.上摆板，3113.连轴孔，3114.连轴，3115.曲柄轴，312.加腋钻翼板，313.加腋钻腹板，314.加腋吸渣支管通孔，315.加腋注浆支管通孔，341.加腋液压侧护板，342.加腋液压上侧板，343.加腋液压下侧板，344.加腋液压反力板，345.下摆板，346.铰座；

41.搅拌箱，42.双层大叶片，43.搅拌主转轴，44.双层小叶片，45.搅拌辅转轴，46.单层小叶片，47.主齿轮，48.主齿轮隔离垫，49.辅齿轮，410.辅齿轮隔离垫，411.钢盖板，412.搅拌电机；

51.破碎箱，52.中隔板，53.连接管，54.机架，55.风机电机，56.风机叶片，57.破碎刀，58.筛网；

61.吸渣主管，62.竖向吸渣支管，63.水平吸渣支管，64.加腋吸渣支管，65.伸缩管，66.吸头，67.竖向吸渣阀门，68.水平吸渣阀门，69.加腋吸渣阀门；

71.顶部钢板，72.中部钢板，73.底部钢板，74.侧立板，75.方形通孔，76.排渣管固定孔，77.注浆管固定孔；

81.排渣管，82.排渣泵；

91.注浆主管，92.注浆泵，93.竖向注浆支管，94.水平注浆支管，95.加腋注浆支管，96.喷头，97.竖向注浆阀门，98.水平注浆阀门，99.加腋注浆阀门；

101.卷扬电机，102.固定轴，103.缆索，104.缆索支架，105.钢悬梁，106.滑块，107.钢立柱，108.导轨，109.铰转轴，1010.拉杆，1011.车载平台；

a.岩质地层，b.钻机，c.自由段桩孔，d.加腋孔，e.水平悬臂桩孔，f.嵌固段桩孔。

实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：如图1-19所示，本实施例具体涉及一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，该矩形深孔钻机包括钻车10以及经钻车10上的缆索103进行吊装的钻机，钻机包括自上而下依次连接的管道固定架7、泥渣处理机构、加腋钻组件3、水平钻组件2以及竖向钻装置1；其中，泥渣处理机构包括搅拌装置4、破碎装置5、吸渣系统6、排渣系统8以及注浆系统9。

如图1所示，钻车10包括车载平台1011、钢立柱107、拉杆1010、铰转轴109、导轨108、滑块106、钢悬梁105、缆索支架104、卷扬电机101、固定轴102以及缆索103，车载平台1011具有可走行的履带轮并位于地面上，钢立柱107竖向架设于车载平台1011的前端，拉杆1010对钢立柱107构成斜撑加固作用，具体的，拉杆1010的上端与钢立柱107的上端相铰接、下端与车载平台1011的铰转轴109相铰接；导轨108沿钢立柱107贴合固定从而构成竖直方向上的轨道，滑块106可滑动式装配于该导轨108上且在动力机构的驱动下，可在竖直方向上进行滑动；钢悬梁105固定于滑块106上，缆索支架104固定于钢悬梁105底面，卷扬电机101经固定轴102固定于钢悬梁105上，卷扬电机101用于驱动缆索103及其下端所吊装的钻机做升降运动。且需要说明的是，由于钻机的自重较大，钻机可在其自重压力下作向下运动，无需以往需要钻杆下压的作用，且缆索103具有足够的长度，能够实现对于矩形深孔的钻进需求。

如图1-8所示，竖向钻装置1用于进行矩形深孔的钻挖，主要包括若干圆柱钻组件11以及用于作为安装框架的U形叉板12，U形叉板12主要包括腹板122以及位于腹板122两侧的翼板121，基于圆柱钻组件11的设置数量，在腹板122的中间位置垂直焊接有钢支撑123。圆柱钻组件11由两个圆柱钻、一个电机113和一个电机转轴114组成，本实施例中圆柱钻的数量为4个，并呈矩阵分布以形成矩形切削面，在其向下切削过程中以形成矩形桩孔，此处的矩阵分布是指在钢支撑123的两侧分别布置有圆柱钻。圆柱钻包括圆柱111、在圆柱111表面间隔分布的若干道滚刀组件113以及在圆柱111表面相邻滚刀组件113之间间隔分布的若干绞刀组件112，在居中设置的钢支撑123与电机114外壳焊接或螺栓连接，电机114的电机转轴115驱动两侧的圆柱111旋转，电机转轴115的端部支撑于两侧翼板121的转轴孔124内。如图5-8所示，滚刀组件113在圆柱111上凸出的高度高于绞刀组件112，因此在切削岩体时，滚刀组件113上滚刀1132首先接触岩体，即滚刀组件113将呈整体的岩面首先压裂为若干大块岩石，之后再通过绞刀组件112将开挖面上的大块岩石进一步绞切为小直径岩块（或岩渣）；滚刀组件113包括滚刀基座1131以及固定于滚刀基座1131上的一圈滚刀1132；绞刀组件112包括绞刀基座1121和绞刀1122，绞刀1122在绞刀基座1121的固定下实现倾斜安装姿态，以利于对岩质地层的绞挖。对于岩体，如果采用滚刀1132直接将开挖面岩体压碎或绞刀1122直接绞挖，则滚刀和绞刀材料的强度、硬度和耐磨性需要达到较高要求，进而不仅增加滚刀和绞刀材料研发难度，还将增加施工成本。采用滚刀1132和绞刀1122结合，滚刀1132只压裂开挖面岩体，使岩体强度降低，以利于绞刀1122更容易切削岩体，进而不仅可以相应降低对滚刀和绞刀材料强度、硬度和耐磨性的要求，还能减少绞刀和滚刀的磨损。因此，采用滚刀1132先压裂开挖面岩体，后绞刀1122切削压裂后低强度岩体相结合的方法，不仅可以提高工作效率，还能较少刀具磨损，降低施工成本。

此外，在腹板122上还开设有多个竖向吸渣支管通孔125以及竖向注浆支管通孔126，其中，竖向吸渣支管通孔125的设置可便于吸渣系统6中的竖向吸渣支管62的吸头66延伸入U形叉板12内抽吸所开挖的岩渣；竖向注浆支管通孔126的设置可便于注浆系统9上的竖向注浆支管93贯穿通过并延伸入U形叉板12内进行补充注浆，以同所切削破碎的岩渣进行混合形成泥浆流体便于竖向吸渣支管62的抽吸。

如图1-3以及9-11所示，水平钻组件2用于进行水平悬臂桩孔的开挖，主要包括水平钻反力架23、水平液压缸22以及水平钻装置21。水平钻反力架23呈侧向敞口的箱型构造，包括水平液压反力板234、安装于水平液压反力板234上方的水平液压上侧板232、安装于水平液压反力板234下方的水平液压下侧板233以及安装于水平液压反力板234两侧的水平液压侧护板231，以组成前述的敞口箱型构造。水平液压缸22的设置数量应确保能够稳定顶推或回缩水平钻装置21，本实施例中水平钻装置21共设置有上下两组以实现钻挖水平悬臂矩形桩孔，基于此，水平液压缸22的数量也相应的设置为上下两组，水平液压缸22的缸筒后端固定于水平液压反力板234上，水平液压缸22的活塞杆前端连接水平钻装置21的安装架以驱动其向敞口方向作侧向水平伸缩移动，水平液压缸22在水平钻反力架23所提供的反力支撑之下，向前驱动水平钻装置21以切削绞挖岩体形成水平悬臂桩孔，在水平悬臂矩形桩孔开挖完成后，水平液压缸22驱动水平钻装置21回缩至水平钻反力架23的箱型空间内。需要说明的是，水平钻装置21所采用的结构与圆柱钻组件11所采用的结构相同，也采用到了滚刀组件和绞刀组件，以适应岩质地层；此外，在水平液压上侧板232上开设有吸渣主管通孔235，且在水平钻装置21的安装架隔板上开设有水平吸渣支管通孔211和水平注浆支管通孔212，吸渣系统6中的吸渣主管61经吸渣主管通孔235延伸入水平钻反力架23的箱型空间内，且吸渣主管61上所分叉出的水平吸渣支管63经水平吸渣支管通孔211使其吸头66延伸入水平钻装置21处抽吸所开挖的泥渣（岩渣和泥浆混合体）；注浆主管91上所分叉出的水平注浆支管94经水平注浆支管通孔212延伸至靠近水平钻装置21处进行补充注浆，以同所切削破碎的岩渣进行混合形成泥浆流体便于水平吸渣支管63的抽吸。

如图1-3以及12-15所示，加腋钻组件3包括加腋钻装置31、转动液压缸32、曲柄液压缸33以及加腋钻反力架34；其中：加腋钻反力架34包括加腋液压反力板344、布置于加腋液压反力板344两侧的加腋液压侧护板341、布置于加腋液压反力板344顶部的加腋液压上侧板342以及布置于加腋液压反力板344底部的加腋液压下侧板343，以使加腋钻反力架34构成呈侧向敞口的箱型构造。加腋钻装置31布置于加腋钻反力架34的箱型内并位于其敞口部位，包括加腋钻翼板312、加腋钻腹板313、U形连接器311以及若干加腋圆柱钻组件，加腋钻翼板312布置于加腋钻腹板313的两侧以构成各加腋圆柱钻组件的安装架体，各加腋圆柱钻组件在竖直面上以及顶面上间隔布设，此处所采用的加腋圆柱钻组件所采用的结构与圆柱钻组件11所采用的结构相同，也采用到了滚刀组件和绞刀组件，以适应岩质地层。U形连接器311设置于加腋钻腹板313的底部，用于同加腋液压下侧板343上的下摆板345相铰接。U形连接器311包括底板3111和焊接于底板3111两侧面的上摆板3112，底板3111同加腋钻腹板313的底部以及加腋钻翼板312的底部固定连接，上摆板3112呈半圆弧形并经连轴3114同下摆板345相铰接，连轴3114贯穿下摆板345以及上摆板3112上的连轴孔3113。转动液压缸32的一端铰接于加腋液压反力板344上、另一端铰接于加腋钻腹板313背面上的铰座346，且铰座346位于加腋钻腹板313的中部或上部位置；此外，曲柄液压缸33的一端铰接于加腋液压反力板344上、另一端经曲柄轴3115与上摆板3112相铰接，需要说明的是，在加腋液压反力板344上与曲柄液压缸33铰接的铰座和所述连轴3114处于同一水平位置，且曲柄轴3115位于连轴3114的正下方；以连轴3114为旋转中心，转动液压缸32向外顶推加腋钻装置31绕连轴3114旋转，同时曲柄液压缸33辅助加腋钻装置31绕着连轴3114旋转，达到转动液压缸32与曲柄液压缸33联合驱动加腋钻装置31向外旋转切削岩质地层形成加腋桩孔的目的。此方法的有益之处是：第一在旋转切削岩质地层过程中增加加腋钻装置31的切削力；第二在旋转切削岩质地层过程中增加加腋钻装置31的稳定性。此外，在加腋液压反力板344上开设有第一通孔，并在加腋钻腹板313上开设有加腋吸渣支管通孔314，吸渣系统6中的吸渣主管61上分叉出加腋吸渣支管64经加腋液压反力板344上的第一通孔以及加腋钻腹板313上的吸渣支管通孔314使其吸头66延伸入加腋钻装置31处抽吸所开挖的泥渣（岩渣和泥浆混合体）。还有，在加腋液压反力板344上开设有第二通孔，并在加腋钻腹板313上开设有加腋注浆支管通孔315，注浆系统9中的加腋注浆支管95的喷头96经加腋液压反力板344上的第二通孔以及加腋钻腹板313上的加腋注浆支管通孔315使其喷头96延伸入加腋钻装置31处进行补充注浆，以同所切削破碎的岩渣进行混合形成泥浆流体便于加腋吸渣支管64的抽吸。为了适应加腋钻装置31的旋转动作，加腋吸渣支管64和加腋注浆支管95采用伸缩管形式。

如图1-19所示，泥渣处理机构包括搅拌装置4、破碎装置5、吸渣系统6、排渣系统8以及注浆系统9。

搅拌装置4包括搅拌箱41和搅拌机构，搅拌箱41固定安装于加腋钻反力架34上表面，搅拌机构包括主齿轮47以及与之相啮合传动的多个辅齿轮49，其中主齿轮47由搅拌电机412驱动旋转，进而传动各辅齿轮49转动，主齿轮47上同轴设置有延伸入搅拌箱41内的搅拌主转轴43，搅拌主转轴43上设置搅拌叶片，此处的搅拌叶片采用双层大叶片42；各辅齿轮49上同轴设置有延伸入搅拌箱41内的搅拌辅转轴45，搅拌辅转轴45上同样设置有搅拌叶片，部分搅拌辅转轴45上的搅拌叶片采用双层小叶片44，另一部分的搅拌辅转轴45上的搅拌叶片采用单层小叶片46，通过对搅拌箱41中含岩渣的泥浆体进行搅拌可获得混合均匀的泥浆，以利于排出。为了避免在搅拌过程中，搅拌箱41内的泥浆渗入主齿轮47和辅齿轮49所在的齿轮箱内，在搅拌主转轴43与搅拌箱41的接入处设置有主齿轮隔离垫48，并在搅拌辅转轴45与搅拌箱41的接入处设置有辅齿轮隔离垫310。如图3所示，在主齿轮47和辅齿轮49所在的齿轮箱顶部为钢盖板411，用于同管道固定架7相连接。搅拌箱41上设置有吸渣口和排渣口。

搅拌箱41的吸渣口上连接有吸渣系统6，吸渣系统6主要包括吸渣主管61、竖向吸渣支管62、水平吸渣支管63、加腋吸渣支管64以及破碎装置5，吸渣主管61的一端经破碎装置5与搅拌箱41的吸渣口相连通，吸渣主管61的另一端（即抽吸端）分叉为竖向吸渣支管62、水平吸渣支管63以及加腋吸渣支管64，如图3所示，竖向吸渣支管62延伸入竖向钻装置1内，且竖向吸渣支管62的吸头66靠近圆柱钻组件11处，以使其能够抽吸绞挖出的泥渣（岩渣和泥浆混合体），在吸头66处设置有竖向吸渣阀门67用于控制管路通断。水平吸渣支管63延伸入水平钻组件2内，且水平吸渣支管63的吸头66靠近水平钻装置21处，以使其能够抽吸切绞挖出的泥渣（岩渣和泥浆混合体），在吸头66处设置有水平吸渣阀门68用于控制管路通断，其中，为了适应水平钻装置21的前后移动，将水平吸渣支管63的部分管路采用伸缩管65的形式。加腋吸渣支管64延伸入加腋钻组件3内，且加腋吸渣支管64的吸头66靠近加腋钻装置31处，以使其能够抽吸切削绞挖出的泥渣（岩渣和泥浆混合体），在吸头66处设置有加腋吸渣阀门69用于控制管路通断，且为了适应加腋钻装置31的旋转动作，加腋吸渣支管64采用伸缩管形式。

所抽吸的泥渣经破碎装置5进行破碎为细小颗粒后进入搅拌箱41内，破碎装置5主要包括破碎箱51、中隔板52、连接管53、机架54、风机电机55、风机叶片56、破碎刀57以及滤网58，中隔板52倾斜设置于破碎箱51内以构成利于泥渣流动的坡道，风机电机55经机架54安装于破碎箱51内的顶板上，风机电机55的转轴上设置有风机叶片56，高速旋转的风机电机55和风机叶片56可对吸渣主管61内构成负压抽吸，且在风机电机55的安装处安装破碎刀57，以使所抽吸的泥渣（岩渣和泥浆混合体）必须经过破碎刀57破碎后才能经连接管53进入搅拌箱41中，风机电机55的端面处设置有筛网58以过滤大颗粒岩渣，避免岩渣从风机电机55处流入搅拌箱41内。

注浆系统9主要包括注浆主管91、注浆泵92、竖向注浆支管93以及水平注浆支管94以及加腋注浆支管95，由于本实施例中的矩形深孔钻机是应用于岩质地层中的，所切削下来的为岩渣，颗粒状的纯固体较难被抽吸运输，因此注浆系统9的主要作用在于向切削处泵送所补充的泥浆，从而使岩渣与泥浆进行混合便于抽吸，注浆泵92负责泵送作业。注浆管91自地面延伸入加腋钻注浆3、水平钻装组件2和竖向钻装置1内，其下端口分叉为加腋注浆支管95、水平注浆支管94和竖向注浆支管93，分别延伸入加腋钻组件3内、水平钻组件2内和竖向钻装置1内进行浆液的泵送，加腋注浆支管95的喷射端为喷头96且在喷头96处设置有加腋注浆阀门99，水平注浆支管94的喷射端为喷头96且在喷头96处设置有水平注浆阀门98，竖向注浆支管93的喷射端为喷头96且在喷头96处设置有竖向注浆阀门97；在钻挖过程中，根据矩形深孔钻机是在向下开挖矩形钻孔还是在向侧向开挖水平悬臂桩孔或者是在开挖加腋孔，来决定加腋注浆阀门99、水平注浆阀门98、竖向注浆阀门97的通断。

搅拌箱41的排渣口连接来自于地面上的排渣系统8，排渣系统8包括排渣管81和排渣泵82，排渣管81的下端与搅拌箱81的排渣口相连通并使其端口向下延伸至一定深度，以利于抽排更多的泥浆，排渣管81通过排渣泵82从搅拌箱41内将搅拌均匀的泥浆抽排至地面进行收集处理。

如图1-3以及19所示，管道固定架7呈箱型构造，包括顶部钢板71、中部钢板72、底部钢板73以及将三者连接的若干侧立板74，此外，底部钢板73上开设有方形通孔75以供搅拌电机412贯穿通过，另外，在顶部钢板71、中部钢板72以及底部钢板73上还开设有供排渣管81通过的排渣管固定孔76以及供注浆主管91通过的注浆管固定孔77。为了避免钻孔过程中的管路晃动，管道固定架7可为各通过的管路提供固定作用。需要说明的是，顶部钢板71上设置有四个吊点以供缆索103连接并确保对管道固定架7的稳定吊装。

如图20所示，本实施例中的矩形深孔钻机在岩质地层中进行异步式钻挖带加腋水平悬臂矩形抗滑桩深桩孔的施工方法包括以下步骤：

(S1)在岩质地层a中，利用钻机b上的竖向钻装置1钻挖竖向矩形桩孔形成自由段桩孔c，直至水平悬臂桩孔e的设计深度；

在这一过程中，通过竖向注浆阀门97持续开启竖向注浆支管93上的喷头96进行泥浆注入，并通过水平注浆阀门98关闭水平注浆支管94上的喷头96，通过加腋注浆阀门99关闭加腋注浆支管95上的喷头96；

与此同时，竖向吸渣支管62的吸头66持续进行吸渣，而水平吸渣支管63和加腋吸渣支管64的吸头66则关闭。

(S2)待到达水平悬臂桩孔e的设计标高后，停止竖向钻装置1的钻挖工作；开启加腋钻组件3，在转动液压缸32和曲柄液压缸33的驱动之下，加腋钻装置31以连轴3114为转轴逐渐向外旋转并同时进行滚绞切削岩质地层a，至加腋钻装置31从竖直状态旋转为水平状态为止，累计转动90度，以形成加腋孔d；

在这一过程中，通过加腋注浆阀门99持续开启加腋注浆支管95上的喷头96进行泥浆注入，并通过水平注浆阀门98关闭水平注浆支管94上的喷头96，通过竖向注浆阀门97关闭竖向注浆支管93上的喷头96；

与此同时，加腋吸渣支管64的吸头66持续进行吸渣，而水平吸渣支管63和竖向吸渣支管62的吸头66则关闭。

(S3)之后，开启水平钻组件2，水平液压缸22驱动水平钻装置21水平向外钻挖至设计长度位置，以形成水平悬臂桩孔e；

在这一过程中，通过水平注浆阀门98持续开启水平注浆支管94上的喷头96进行泥浆注入，并通过加腋注浆阀门99关闭加腋注浆支管95上的喷头96，通过竖向注浆阀门97关闭竖向注浆支管93上的喷头96；

与此同时，水平吸渣支管63的吸头66持续进行吸渣，而加腋吸渣支管64和竖向吸渣支管62的吸头66则关闭。

(S4)完成加腋孔d和水平悬臂桩孔e的施工后，水平液压缸22驱动水平钻装置21向内收缩至最小行程，且转动液压缸32和曲柄液压缸33驱动加腋钻装置31回转复位至竖直状态；之后利用竖向钻装置1继续钻挖至设计深度，形成嵌固段桩孔f，在这一过程中，通过竖向注浆支管93的喷头96持续进行泥浆注入，并关闭加腋注浆支管95和水平注浆支管94上的喷头96；与此同时，竖向吸渣支管62的吸头66持续进行吸渣，而水平吸渣支管63和加腋吸渣支管64的吸头66则关闭。

本实施例的有益效果为：

(1)通过缆索和带间隔布设绞刀和滚刀的可伸缩水平圆柱钻和可旋转加腋圆柱钻，实现深层岩体内钻挖水平悬臂和加腋结构的矩形桩孔；

(2)加腋、水平悬臂和竖向桩身桩孔均可一次成孔，无需其他机械辅助，达到提高施工效率、节省施工和设备成本目的；

(3)岩石经过破碎箱二次破碎，能更好地排出桩孔，防止排渣管的堵塞；

(4)同时具备钻挖和排渣功能，钻机集成度高，实现了钻挖和排渣的不间断同步进行，减少施工工序，节省施工成本，提高钻孔施工效率。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (10)

1.一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，其特征在于所述矩形深孔钻机包括一具有缆索的钻车以及所述缆索下端吊装的钻机，所述钻机包括自上而下依次连接的泥渣处理机构、加腋钻组件、水平钻组件以及竖向钻装置；其中：

所述岩渣处理机构包括搅拌装置、破碎装置、吸渣系统、排渣系统以及注浆系统；所述搅拌装置包括一搅拌箱以及设置于所述搅拌箱上的搅拌机构；所述搅拌箱上所设置的吸渣口经所述破碎装置连接所述吸渣系统，所述搅拌箱上所设置的排渣口连接所述排渣系统；所述注浆系统接通至所述加腋钻组件内、所述水平钻组件内以及所述竖向钻装置内；

所述加腋钻组件包括加腋钻装置、转动液压缸、曲柄液压缸以及加腋钻反力架，所述加腋钻反力架呈侧向开口的箱型构造，所述加腋钻装置下端的上摆板与所述加腋钻反力架底面上的下摆板经一连轴形成转动连接，所述转动液压缸与所述加腋钻装置的中部或上部相铰接，所述曲柄液压缸与所述上摆板经一曲柄轴形成铰接，且所述曲柄轴位于所述连轴正下方；

所述水平钻组件包括水平钻装置以及驱动所述水平钻装置作侧向移动的水平液压缸；

所述竖向钻装置包括若干水平设置且组成矩形开挖面的圆柱钻组件。

2.根据权利要求1所述的一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，其特征在于所述钻车包括车载平台、钢立柱、拉杆、铰转轴、导轨、滑块、钢悬梁、卷扬电机以及缆索支架，所述钢立柱竖向设置于所述车载平台上，所述拉杆的上端与所述钢立柱上端铰接、下端与固定于所述车载平台上的铰转轴铰接，所述导轨竖向设置并沿所述钢立柱固定，所述滑块可滑动式装配于所述导轨上，所述钢悬梁固定于所述滑块上，所述卷扬电机固定于所述钢悬梁上，且所述缆索支架固定于所述钢悬梁下方，所述卷扬电机驱动所述缆索在竖直方向上作升降运动以带动所述钻机。

3.根据权利要求1所述的一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，其特征在于所述搅拌装置包括所述搅拌箱以及所述搅拌机构，所述搅拌机构包括主齿轮以及若干与所述主齿轮相啮合传动的辅齿轮，所述主齿轮由一搅拌电机驱动旋转，所述主齿轮上同轴设置有延伸入所述搅拌箱内的搅拌主转轴，所述搅拌主转轴上设置有搅拌叶片；所述辅齿轮上同轴设置有延伸入所述搅拌箱内的搅拌辅转轴，所述搅拌辅转轴上设置有搅拌叶片。

4.根据权利要求1所述的一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，其特征在于所述竖向钻装置包括U形叉板以及安装于所述U形叉板上的若干圆柱钻组件，所述圆柱钻组件呈矩阵分布；所述U形叉板由腹板、设置于所述腹板两侧的翼板以及垂直焊接于所述腹板上的钢支撑组成，所述圆柱钻组件包括两圆柱、驱动所述圆柱旋转的电机、间隔布置于所述圆柱表面的若干滚刀组件以及布置于相邻所述滚刀组件之间的若干绞刀组件，所述滚刀组件包括滚刀基座以及固定于所述滚刀基座上的一圈滚刀，所述绞刀组件包括绞刀基座以及倾斜固定于所述绞刀基座上的绞刀；所述电机固定于所述钢支撑上并驱动所述圆柱旋转。

5.根据权利要求4所述的一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，其特征在于所述水平钻组件还包括一水平钻反力架，所述水平钻反力架呈侧向敞口的箱型构造，所述水平钻反力架的上表面与所述加腋钻反力架固定连接、下表面与所述竖向钻装置的所述U形叉板固定连接；所述水平液压缸的缸筒端面固定于所述水平钻反力架的内侧壁面上，所述水平液压缸的活塞杆驱动所述水平钻装置侧向水平伸缩移动。

6.根据权利要求5所述的一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，其特征在于所述加腋钻反力架包括加腋液压反力板、设置于所述加腋液压反力板上端的加腋液压上侧板、设置于所述加腋液压反力板下端的加腋液压下侧板以及设置于所述加腋液压反力板两侧的加腋液压侧护板；所述转动液压缸的缸筒后端与所述加腋液压反力板之间经铰座铰接；所述曲柄液压缸的缸筒后端与所述加腋液压反力板之间经铰座铰接；所述上摆板呈半圆型；所述加腋钻装置包括加腋钻腹板、位于所述加腋钻腹板两侧的加腋钻翼板、若干加腋圆柱钻组件，各所述加腋圆柱钻组件沿竖直面和顶面间隔布设。

7.根据权利要求1所述的一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，其特征在于所述吸渣系统包括吸渣主管以及自所述吸渣主管抽吸端口分叉出的竖向吸渣支管、水平吸渣支管、加腋吸渣支管，所述竖向吸渣支管的吸头接入至所述竖向钻装置内，所述水平吸渣支管的吸头接入至所述水平钻组件内，所述加腋吸渣支管的吸头接入至所述加腋钻组件内，各所述吸头处均设置有吸渣阀门，所述水平吸渣支管的管体以及所述加腋吸渣支管的管体均采用伸缩管。

8.根据权利要求6所述的一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，其特征在于所述注浆系统包括注浆主管以及设置于所述注浆主管上的注浆泵，所述注浆主管的下端口分叉为竖向注浆支管、水平注浆支管以及加腋注浆支管，所述竖向注浆支管的喷头延伸入所述竖向钻装置中接近所述圆柱钻组件位置处，所述水平注浆支管的喷头延伸入所述水平钻组件内接近所述水平钻装置位置处，所述加腋注浆支管的喷头延伸入所述加腋钻组件内接近所述加腋圆柱钻组件位置处；各所述喷头处均设置有注浆阀门，所述水平注浆支管位于所述水平钻组件内的管体部分采用伸缩管以随所述水平钻装置前后移动，所述加腋注浆支管位于所述加腋钻反力架内的管体部分采用伸缩管以随所述加腋钻装置的旋转进行伸缩。

9.根据权利要求1所述的一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，其特征在于所述排渣系统包括排渣管以及设置于所述排渣管上的排渣泵，所述排渣管的下端口与所述搅拌箱上的所述排渣口相连通。

10.根据权利要求1所述的一种适应岩质地层的异步式带加腋水平悬臂的矩形深孔钻机，其特征在于所述搅拌装置的上方设置有管道固定架，所述吸渣系统、所述排渣系统以及所述注浆系统中途径所述管道固定架的管路固定在所述管道固定架上。