CN117211672A - 一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，包括一具有竖向钻杆的钻车，所述竖向钻杆的下端自上而下依次连接有岩渣处理机构和多功能钻组件；所述多功能钻组件包括若干圆柱钻组件、U形叉板、滑动反力架以及水平液压缸，所述圆柱钻组件安装在所述U形叉板上并在竖向面和水平面上均呈矩阵布置，所述水平液压缸固定在所述滑动反力架上并驱动所述U形叉板作侧向移动；所述岩渣处理机构包括搅拌装置、吸渣系统、破碎装置、注浆系统以及排渣系统；所述注浆系统接通至所述多功能钻组件内。本发明的优点是：加腋结构、水平悬臂结构和竖向桩身均可一次成孔，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。

Description

一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机

技术领域

本发明涉及抗滑桩钻孔机设备的技术领域，尤其是一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机。

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。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搅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)既无法实现岩体内钻挖带水平悬臂或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、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，提供了一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，对于岩质地层中钻挖浅桩孔，在竖向钻杆底部设置带间隔布设绞刀和滚刀的竖向和水平多功能圆柱钻，滚刀刀刃高于绞刀，便于滚刀压裂岩石后绞刀进行破碎处理；首先通过多功能圆柱钻的竖向钻头钻挖竖向矩形桩孔至水平悬臂设计深度；然后通过背部布设水平多级液压推进装置的多功能圆柱钻钻挖水平悬臂矩形桩孔，或通过多功能圆柱钻沿竖向和水平方向同时钻挖加腋和水平悬臂桩孔，钻挖完成后收回多功能圆柱钻；最后多功能圆柱钻沿竖向继续钻挖至设计深度，可实现在岩质地层中采用钻机钻挖带水平悬臂或带加腋水平悬臂矩形抗滑桩的浅桩孔，节省工期和施工成本，提高工作效率，保证工程质量和施工人员的安全。

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钻头变向矩形浅孔钻机，其特征在于所述矩形浅孔钻机包括一具有竖向钻杆的钻车，所述竖向钻杆的下端自上而下依次连接有岩渣处理机构和多功能钻组件，其中：

所述多功能钻组件包括若干圆柱钻组件、U形叉板、滑动反力架以及水平液压缸，所述圆柱钻组件安装在所述U形叉板上并在竖向面和水平面上均呈矩阵布置，所述水平液压缸固定在所述滑动反力架上并驱动所述U形叉板作侧向移动；

所述岩渣处理机构包括搅拌装置、吸渣系统、破碎装置、注浆系统以及排渣系统；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，所述竖向钻杆的下端连接并驱动所述搅拌机构；所述搅拌箱上所设置的吸渣口经所述破碎装置同所述吸渣系统相连通，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多功能钻组件内，所述注浆系统包括注浆主管、注浆泵以及多功能注浆支管，所述注浆主管的一端连接位于地面上的所述注浆泵、另一端同若干所述多功能注浆支管连接，所述多功能注浆支管的喷头接入至所述多功能钻组件内并靠近所述圆柱钻组件设置，各所述喷头处均设置有多功能注浆阀门，所述多功能注浆支管与所述注浆主管之间通过伸缩管连接。

所述钻车包括旋转电机、钢悬梁、滑块、钢立柱、导轨、铰转轴、拉杆以及车载平台，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，所述旋转电机固定于所述钢悬梁上并驱动所述竖向钻杆旋转。

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，所述竖向钻杆的下端驱动所述主齿轮转动，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多功能吸渣支管，所述多功能吸渣支管的吸头接入至所述多功能钻组件内并靠近所述圆柱钻组件设置，各所述吸头处均设置有多功能吸渣阀门，所述多功能吸渣支管与所述吸渣主管之间通过伸缩管连接。

所述排渣系统包括排渣管以及排渣泵，所述排渣泵一端与所述排渣管相连接、另一端与所述搅拌箱上的所述排渣口相连接。

所述搅拌机构的上方设置有管道固定架且所述管道固定架套装在所述竖向钻杆的外侧。

所述吸渣主管、所述注浆主管以及所述排渣管均沿所述管道固定架排布固定。

所述U形叉板由腹板、设置于所述腹板两侧的翼板以及设置于所述腹板中部的钢支撑组成，所述腹板包括水平腹板和竖向腹板；所述圆柱钻组件包括两个圆柱、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，所述电机的转轴贯穿两侧的所述圆柱且所述转轴端部对应设置于所述U形叉板的两侧所述翼板的转轴孔内，所述电机的外壳焊接固定于所述钢支撑上。

所述滑动反力架包括反力板、轨板以及连接板，所述轨板安装在所述反力板的顶部，所述轨板底部的两侧均固定有T形滑轨，所述连接板分别固定于所述U形叉板的所述腹板的两侧，所述连接板的顶部固定有滑块且所述滑块内开设有同所述T形滑轨相配合的T形滑槽，所述水平液压缸的缸筒端面固定在所述滑动反力架的所述反力板上，所述水平液压缸的活塞杆同所述U形叉板的所述竖向腹板连接。

本发明的优点是：

(1)通过钻杆和带间隔布设绞刀和滚刀的水平和竖向多功能圆柱钻，实现浅层岩体内钻挖水平悬臂或带加腋水平悬臂结构的矩形桩孔；

(2)在岩体内多功能圆柱钻可实现互相垂直方向矩形桩孔的钻挖；

(3)加腋结构、水平悬臂结构和竖向桩身均可一次成孔，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；

(4)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；

(5)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为本发明适应岩质地层钻头变向矩形浅孔钻机示意图；

图2为本发明适应岩质地层钻头变向矩形浅孔钻机各剖面位置示意图；

图3为本发明适应岩质地层钻头变向矩形浅孔钻机局部示意图；

图4为图2中A-A剖面图；

图5为图2中B-B剖面图；

图6为图2中C-C剖面图；

图7为图2中D-D剖面图；

图8为本发明多功能钻组件示意图；

图9为图8中E-E剖面图；

图10为图2中F-F剖面图；

图11为图2中G-G剖面图；

图12为图2中H-H剖面图；

图13为图2中I-I剖面图；

图14为本发明适应岩质地层钻头变向矩形浅孔钻机施工工艺流程示意图（一）；

图15为本发明适应岩质地层钻头变向矩形浅孔钻机施工工艺流程示意图（二）；

如图1-15所示，图中标记分别表示为：

1.多功能钻组件，2.搅拌装置，3.破碎装置，4.吸渣系统，5.管道固定架，6.排渣系统，7.注浆系统，8.钻车；

11.圆柱钻组件，12.U形叉板，13.滑动反力架，14.水平液压缸，111.圆柱，112.绞刀组件，113.滚刀组件，114.电机，115.电机转轴，1121.绞刀基座，1122.绞刀，1131.滚刀基座，1132.滚刀，121.翼板，122.竖向腹板，123.水平腹板，124.钢支撑，125.转轴孔，126.多功能吸渣支管通孔，127.多功能吸渣主管通孔，128. 多功能注浆支管通孔，129.多功能注浆主管通孔，131.反力板，132.轨板，133.T形滑轨，134.滑块，135.T形滑槽，136.连接板；

21.搅拌箱，22.双层大叶片，23.搅拌主转轴，24.双层小叶片，25.搅拌辅转轴，26.单层小叶片，27.主齿轮，28.主齿轮隔离垫，29.辅齿轮，210.辅齿轮隔离垫，211.钢盖板，212.钻杆；

31.破碎箱，32.中隔板，33.连接管，34.机架，35.风机电机，36.风机叶片，37.破碎刀，38.滤网；

41.吸渣主管，42.多功能吸渣支管，43.伸缩管，44.吸头，45.多功能吸渣阀门；

51.顶部钢板，52.中部钢板，53.底部钢板，54.侧立板，55.圆形通孔，56.排渣管固定孔，57.注浆管固定孔；

61.排渣管，62.排渣泵；

71.注浆主管，72.注浆泵，73.多功能注浆支管，74.喷头，75.多功能注浆阀门；

81.旋转电机，82.钢悬梁，83.滑块，84.钢立柱，85.导轨，86.铰转轴，87.拉杆，88.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1-13所示，本实施例涉及一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，该矩形浅孔钻机包括钻车8、管道固定架5、岩渣处理机构以及多功能钻组件1；钻车8上具有一竖向设置的钻杆212，管道固定架5套装于钻杆212的杆体上，岩渣处理机构和多功能钻组件1自钻杆212的下端从上而下依次连接，其中，岩渣处理机构包括搅拌装置2、破碎装置3、吸渣系统4、排渣系统6以及注浆系统7。

如图1所示，钻车8包括旋转电机81、钢悬梁82、滑块83、钢立柱84、导轨85、铰转轴86、拉杆87以及车载平台88，车载平台88具有可走行的履带轮并位于地面上，钢立柱84竖向架设于车载平台88的前端，拉杆87对钢立柱84构成斜撑加固作用，具体的，拉杆87的上端与钢立柱84的上端相铰接、下端与车载平台88上的铰转轴86相铰接；导轨85沿钢立柱84贴合固定从而构成竖直方向上的轨道，滑块83可滑动式装配于该导轨85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82固定于滑块83上，旋转电机81安装于钢悬梁82上，竖直设置的钻杆212由旋转电机81驱动旋转并可随滑块83作竖直方向上的移动，即钻杆212可在滑块83的驱动下向下钻进。

如图1-9所示，多功能钻组件1可分别用于进行矩形抗滑桩的浅孔钻挖、水平悬臂桩孔的开挖以及加腋孔的开挖。多功能钻组件1包括若干圆柱钻组件11、U形叉板12、滑动反力架13以及水平液压缸14，圆柱钻组件11安装在U形叉板12上并在竖向面和水平面上均呈矩阵布置，即多功能钻组件1在竖向面和水平面上均可形成矩形开挖面，本实施例中，圆柱钻组件11呈直角面布置，水平液压缸14固定在滑动反力架13上并驱动U形叉板12作侧向移动，以带动圆柱钻组件11作同步侧向移动。

其中，U形叉板12由腹板、设置于腹板两侧的翼板121以及设置于腹板中部的钢支撑124组成，腹板包括水平腹板123和竖向腹板122，两者形成直角面结构，与圆柱钻组件11的布置方式相对应。圆柱钻组件11包括两个圆柱钻以及驱动圆柱钻转动的电机114，本实施例中，圆柱钻组件11共设置有5组（共10个圆柱钻），在竖向面上设置有2组圆柱钻组件11（共4个圆柱钻），在水平面上设置有4组圆柱钻组件11（共8个圆柱钻）。圆柱钻由圆柱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所组成，具体地，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。钢支撑124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125内。滑动反力架13包括反力板131、轨板132以及连接板136，轨板132安装在反力板131的顶部，轨板132底部的两侧均固定有T形滑轨133，连接板136分别固定于U形叉板12的腹板的两侧，连接板136的顶部固定有滑块134且滑块134内开设有同T形滑轨133相配合的T形滑槽135，水平液压缸14的缸筒端面固定在滑动反力架13的反力板131上，水平液压缸14的活塞杆同U形叉板12的竖向腹板122连接，水平液压缸14通过驱动U形叉板12的竖向腹板122来带动连接板136上的滑块134作侧向移动，并且由于滑块134内的T形滑槽135与轨板132上的T形滑轨133之间的配合，可以起到导向作用，保证多功能钻组件1侧向移动的稳定性与安全性。

在多功能钻组件1进行矩形抗滑桩的浅孔钻挖时，水平液压缸14不工作（水平液压缸14的活塞杆处于最小行程），多功能钻组件1中在水平面上的圆柱钻组件11工作，多功能钻组件1向下钻挖矩形桩孔；在多功能钻组件1进行水平悬臂桩孔的开挖时，水平液压缸14工作（水平液压缸14的活塞杆向侧部伸长），多功能钻组件1中在竖向面上的圆柱钻组件11工作，多功能钻组件1向侧部钻挖水平悬臂桩孔；在多功能钻组件1进行加腋孔的开挖时，水平液压缸14工作（水平液压缸14的活塞杆向侧部伸长），多功能钻组件1中在竖向面和水平面上的圆柱钻组件11工作，多功能钻组件1向下并向侧部钻挖加腋孔。

此外，轨板132上还设有多功能吸渣主管通孔127和多功能注浆主管通孔129，分别用于固定吸渣系统4的吸渣主管41和注浆系统7的注浆主管71，腹板上设有多功能吸渣支管通孔126和多功能注浆支管通孔128，分别用于吸渣系统4的固定多功能吸渣支管42和注浆系统7的多功能注浆支管73。多功能吸渣支管42与吸渣主管41之间通过伸缩管43连接，多功能注浆支管73与注浆主管71之间也通过伸缩管43连接，便于多功能钻组件1在侧向移动时，多功能吸渣支管42和多功能注浆支管73也随之移动。

如图1-13所示，岩渣处理机构包括搅拌装置2、破碎装置3、吸渣系统4、排渣系统6以及注浆系统7。

其中，搅拌装置2主要包括搅拌箱21和搅拌机构，搅拌箱21固定安装于滑动反力架13（轨板132）上表面，搅拌机构包括主齿轮27以及与之相啮合传动的多个辅齿轮29，其中主齿轮27同钻杆212的下端固定连接，旋转的钻杆212可驱动主齿轮27旋转，进而传动各辅齿轮29转动，主齿轮27上同轴设置有延伸入搅拌箱21内的搅拌主转轴23，搅拌主转轴23上设置搅拌叶片，此处的搅拌叶片采用双层大叶片22；各辅齿轮29上同轴设置有延伸入搅拌箱21内的搅拌辅转轴25，搅拌辅转轴25上同样设置有搅拌叶片，部分搅拌辅转轴25上的搅拌叶片采用双层小叶片24，另一部分的搅拌辅转轴25上的搅拌叶片采用单层小叶片26，通过对搅拌箱21的岩渣和泥浆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21内的泥浆渗入主齿轮27和辅齿轮29所在的齿轮箱内，在搅拌主转轴23与搅拌箱21的接入处设置有主齿轮隔离垫28，并在搅拌辅转轴25与搅拌箱21的接入处设置有辅齿轮隔离垫210。如图3所示，在主齿轮27和辅齿轮29所在的齿轮箱顶部为钢盖板211，用于同管道固定架5相连接。搅拌箱21上设置有吸渣口和排渣口。

搅拌箱21的吸渣口上连接有吸渣系统4，吸渣系统4主要包括吸渣主管41和多功能吸渣支管42，吸渣主管41的一端经破碎装置3与搅拌箱21的吸渣口相连通，吸渣主管41的另一端（即抽吸端）连接有多个多功能吸渣支管42，其中，多功能吸渣支管42延伸入多功能钻组件1内，且多功能吸渣支管42的吸头44靠近圆柱钻组件11处，以使其能够抽吸切削搅挖出的岩渣，在吸头44处设置有多功能吸渣阀门45用于控制管路通断。

所抽吸的岩渣经破碎装置3进行破碎为细小颗粒后进入搅拌箱21内，破碎装置3主要包括破碎箱31、中隔板32、连接管33、机架34、风机电机35、风机叶片36、破碎刀37以及滤网38，中隔板32倾斜设置于破碎箱31内以构成利于岩渣流动的坡道，风机电机35经机架34安装于破碎箱31内的顶板上，风机电机35的转轴上设置有风机叶片36，高速旋转的风机电机35和风机叶片36可对吸渣主管41内构成负压抽吸，且在风机电机35的安装处安装破碎刀37，以使所抽吸的岩渣必须经过破碎刀37破碎后才能经连接管33进入搅拌箱21中，风机电机35的端面处设置有筛网38以过滤大颗粒岩渣，避免岩渣从风机电机35处流入搅拌箱21内。

注浆系统7的出浆口延伸至多功能钻组件1内，注浆系统7主要包括注浆主管71、注浆泵72以及多功能注浆支管73，注浆主管71的一端连接位于地面上的注浆泵72、另一端同若干多功能注浆支管73连接。多功能注浆支管73延伸入多功能钻组件1内，且多功能注浆支管73的喷头74靠近圆柱钻组件11处，通过注浆系统7往岩渣处注入泥浆，使得岩渣与泥浆混合，便于吸渣系统4的抽取，并且在喷头74处设置有多功能注浆阀门75用于控制管路通断。

搅拌箱21的排渣口连接来自于地面上的排渣系统6，排渣系统6包括排渣管61和排渣泵62，排渣管61的下端与搅拌箱21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61通过排渣泵62从搅拌箱21内将搅拌均匀的泥浆抽排至地面进行收集处理。

如图1-13所示，管道固定架5呈箱型构造，包括顶部钢板51、中部钢板52、底部钢板53以及将三者连接的若干侧立板54，此外，在管道固定架5的顶部钢板51、中部钢板52和底部钢板53上开设有圆形通孔55以供钻杆212贯穿通过，另外，在顶部钢板51、中部钢板52和底部钢板53上还开设有供排渣管61通过的排渣管固定孔56以及供注浆主管71通过的注浆管固定孔57。为了避免钻孔过程中的管路晃动，管道固定架5可为各通过的管路提供固定作用。

本实施例还具有以下施工方法：

如图14所示，当仅施工水平悬臂桩孔时，施工方法步骤如下：

(S1)在岩质地层a中，利用钻机b上的多功能钻组件1中在水平面上的圆柱钻组件11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，水平面上的圆柱钻组件11附近的多功能吸渣支管42上的吸头44和多功能注浆支管73上的喷头74分别进行吸渣和注浆。

(S2)待多功能钻组件1到达水平悬臂桩孔e的底部设计标高后，关闭多功能钻组件1中在水平面上的圆柱钻组件11，在这一过程中，关闭水平面上的圆柱钻组件11附近的多功能吸渣支管42上的吸头44和多功能注浆支管73上的喷头74；开启多功能钻组件1中在竖向面上的圆柱钻组件11以及水平液压缸14，水平液压缸14的活塞杆向岩体侧部伸长，以驱动多功能钻组件1进行侧向移动，从而使多功能钻组件1中在竖向面上的圆柱钻组件11钻挖岩体，形成水平悬臂桩孔e，在这一过程中，竖向面上的圆柱钻组件11附近的多功能吸渣支管42上的吸头44和多功能注浆支管73上的喷头74分别进行吸渣和注浆。

(S3)待水平悬臂桩孔e钻挖至设计长度后，关闭多功能钻组件1中在竖向面上的圆柱钻组件11，水平液压缸14的活塞杆收缩至最小行程，使多功能钻组件1移动回自由段桩孔c内，在这一过程中，关闭竖向面上的圆柱钻组件11附近的多功能吸渣支管42上的吸头44和多功能注浆支管73上的喷头74；开启多功能钻组件1中在水平面上的圆柱钻组件11，向下钻挖嵌固段桩孔f，直至嵌固段桩孔f的设计深度，在这一过程中，水平面上的圆柱钻组件11附近的多功能吸渣支管42上的吸头44和多功能注浆支管73上的喷头74分别进行吸渣和注浆。

如图15所示，当同时施工加腋孔和水平悬臂桩孔时，施工方法步骤如下：

(S1)在岩质地层a中，利用钻机b上的多功能钻组件1中在水平面上的圆柱钻组件11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，水平面上的圆柱钻组件11附近的多功能吸渣支管42上的吸头44和多功能注浆支管73上的喷头74分别进行吸渣和注浆。

(S2)待多功能钻组件1到达水平悬臂桩孔e的底部设计标高后，将多功能钻组件1向上移动至加腋孔d的顶部设计标高；开启多功能钻组件1中在竖向面和水平面上的圆柱钻组件11以及水平液压缸14，在多功能钻组件1向下运动的同时，水平液压缸14的活塞杆向岩体侧部伸长，以驱动多功能钻组件1进行侧向移动，从而使多功能钻组件1中在竖向面和水平面上的圆柱钻组件11钻挖岩体，形成加腋孔d，在这一过程中，竖向面和水平面上的圆柱钻组件11附近的多功能吸渣支管42上的吸头44和多功能注浆支管73上的喷头74分别进行吸渣和注浆。

（S3）待多功能钻组件1到达水平悬臂桩孔e的底部设计标高后，水平液压缸14的活塞杆继续向岩体侧部伸长，以驱动多功能钻组件1进行侧向移动，从而使多功能钻组件1中在竖向面上的圆柱钻组件11钻挖岩体，形成水平悬臂桩孔e，在这一过程中，竖向面上的圆柱钻组件11附近的多功能吸渣支管42上的吸头44和多功能注浆支管73上的喷头74分别进行吸渣和注浆。

（S4）待水平悬臂桩孔e钻挖至设计长度后，关闭多功能钻组件1中在竖向面上的圆柱钻组件11，水平液压缸14的活塞杆收缩至最小行程，使多功能钻组件1移动回自由段桩孔c内，在这一过程中，关闭竖向面上的圆柱钻组件11附近的多功能吸渣支管42上的吸头44和多功能注浆支管73上的喷头74；开启多功能钻组件1中在水平面上的圆柱钻组件11，向下钻挖嵌固段桩孔f，直至嵌固段桩孔f的设计深度，在这一过程中，水平面上的圆柱钻组件11附近的多功能吸渣支管42上的吸头44和多功能注浆支管73上的喷头74分别进行吸渣和注浆。

本实施例的优点是：

(1)通过钻杆和带间隔布设绞刀和滚刀的水平和竖向多功能圆柱钻，实现浅层岩体内钻挖水平悬臂或带加腋水平悬臂结构的矩形桩孔；

(2)在岩体内多功能圆柱钻可实现互相垂直方向矩形桩孔的钻挖；

(3)加腋结构、水平悬臂结构和竖向桩身均可一次成孔，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；

(4)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；

(5)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 (9)

1.一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，其特征在于所述矩形浅孔钻机包括一具有竖向钻杆的钻车，所述竖向钻杆的下端自上而下依次连接有岩渣处理机构和多功能钻组件，其中：

所述多功能钻组件包括若干圆柱钻组件、U形叉板、滑动反力架以及水平液压缸，所述圆柱钻组件安装在所述U形叉板上并在竖向面和水平面上均呈矩阵布置，所述水平液压缸固定在所述滑动反力架上并驱动所述U形叉板作侧向移动；

所述岩渣处理机构包括搅拌装置、吸渣系统、破碎装置、注浆系统以及排渣系统；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，所述竖向钻杆的下端连接并驱动所述搅拌机构；所述搅拌箱上所设置的吸渣口经所述破碎装置同所述吸渣系统相连通，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多功能钻组件内，所述注浆系统包括注浆主管、注浆泵以及多功能注浆支管，所述注浆主管的一端连接位于地面上的所述注浆泵、另一端同若干所述多功能注浆支管连接，所述多功能注浆支管的喷头接入至所述多功能钻组件内并靠近所述圆柱钻组件设置，各所述喷头处均设置有多功能注浆阀门，所述多功能注浆支管与所述注浆主管之间通过伸缩管连接。

2.如权利要求1所述的一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，其特征在于所述钻车包括旋转电机、钢悬梁、滑块、钢立柱、导轨、铰转轴、拉杆以及车载平台，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，所述旋转电机固定于所述钢悬梁上并驱动所述竖向钻杆旋转。

3.如权利要求1所述的一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，其特征在于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，所述竖向钻杆的下端驱动所述主齿轮转动，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.如权利要求1所述的一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，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多功能吸渣支管，所述多功能吸渣支管的吸头接入至所述多功能钻组件内并靠近所述圆柱钻组件设置，各所述吸头处均设置有多功能吸渣阀门，所述多功能吸渣支管与所述吸渣主管之间通过伸缩管连接。

5.如权利要求4所述的一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，其特征在于所述排渣系统包括排渣管以及排渣泵，所述排渣泵一端与所述排渣管相连接、另一端与所述搅拌箱上的所述排渣口相连接。

6.如权利要求5所述的一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，其特征在于所述搅拌机构的上方设置有管道固定架且所述管道固定架套装在所述竖向钻杆的外侧。

7.如权利要求6所述的一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，其特征在于所述吸渣主管、所述注浆主管以及所述排渣管均沿所述管道固定架排布固定。

8.如权利要求1所述的一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，其特征在于所述U形叉板由腹板、设置于所述腹板两侧的翼板以及设置于所述腹板中部的钢支撑组成，所述腹板包括水平腹板和竖向腹板；所述圆柱钻组件包括两个圆柱、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，所述电机的转轴贯穿两侧的所述圆柱且所述转轴端部对应设置于所述U形叉板的两侧所述翼板的转轴孔内，所述电机的外壳焊接固定于所述钢支撑上。

9.如权利要求9所述的一种适应岩质地层的钻头变向矩形浅孔钻机，其特征在于所述滑动反力架包括反力板、轨板以及连接板，所述轨板安装在所述反力板的顶部，所述轨板底部的两侧均固定有T形滑轨，所述连接板分别固定于所述U形叉板的所述腹板的两侧，所述连接板的顶部固定有滑块且所述滑块内开设有同所述T形滑轨相配合的T形滑槽，所述水平液压缸的缸筒端面固定在所述滑动反力架的所述反力板上，所述水平液压缸的活塞杆同所述U形叉板的所述竖向腹板连接。