一种防塌孔锚索钻机及其施工方法

1.本发明涉及建筑结构基坑支护工程技术领域，尤其涉及一种防塌孔锚索钻机及其施工方法。


背景技术：

2.基础工程是建筑结构施工的重要组成部分，结构的基础实现将建筑物上部荷载传递至所处地层，确保构筑物能够稳定向上延伸的目的。对于建造高度及埋深较大的市政隧道以及商用或民用住宅，基础施工前需要开挖大型基坑，以便具有足够的施工作业空间，对于此类深基坑工程，普遍采用边坡土钉墙及支护桩加预应力锚索作为主要基坑支护形式，对比其他基坑支护方案，使用该方案能够有效节省施工工期及工程成本，同时其支护效果经过众多工程案例验证，能够完全满足深基坑支护安全的要求。
3.预应力锚索施工主要在基坑支护桩完工后进行，施工时利用钻机向桩外土层钻孔，成孔后在孔内下放钢绞线并注入水泥砂浆，浆液凝固使得锚索锚固段形成锚固体，张拉锚索施加预应力并将锚索端部锚固在腰梁上，使得锚索与支护桩形成整体，同时锚索起到传递锚固力及控制基坑水平位移的作用。
4.采用锚索施工方式在不同地层条件进行支护时，锚索成孔质量差异较大，在普通粘土地层中，得益于土体自身粘聚力作用，锚索成孔效果好，但当土体含水率增大，土层类型为粉质黏土或砂土时，锚索钻孔后极易出现塌孔现象，在此类土质条件下开展预应力锚索作业时，普遍使用套管跟管钻进，增加锚索注浆次数以及对锚索所在土层进行旋喷注浆加固等方式进行锚索施工，但上述技术方案存在问题主要表现有：套管跟管钻进在土层中存在孤石时难以钻进，钻进过程对洞口附近土体扰动大，套管拔出后孔洞前端土层塌陷严重，增加锚索注浆次数使得施工效率降低，施工速度较缓慢，旋喷注浆能够取得良好加固效果，但施工成本高，对施工工期影响大，同时现有的基坑预应力锚索施工方法仍存在工艺复杂，工人劳动强度高，施工机械化程度低等问题，专利号为cn202110631384.7的专利文献公开了一种防冲钻机钻杆自动传送装置及其控制方法，其在钻孔的同时需要运用其他锚索设备，工艺繁琐；因此，改进现有锚索施工工艺，优化锚索施工设备，提升锚索施工机械化程度，确保锚索成孔质量的同时降低施工人员劳动强度，从而提高锚索施工速度与施工质量，对于基坑支护技术的发展具有实际的工程意义。


技术实现要素：

5.本发明提供一种防塌孔锚索钻机，旨在解决现有技术方案存在的施工工艺繁琐，不良地质钻孔容易出现塌孔，锚索施工机械化程度低，工人劳动强度大的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提出一种防塌孔锚索钻机，包括：机架、旋转底盘、传送装置、支撑组件和钻孔组件，所述旋转底盘转动设于所述机架上，所述传送装置设于所述旋转底盘上，所述传送装置用于将锚索传送入锚索孔内；
7.所述钻孔组件通过所述支撑组件与所述旋转底盘转动连接，所述钻孔组件用于钻
取锚索孔。
8.优选地，所述传送装置包括传送带、驱动件和支撑液压缸，所述驱动件驱动所述传送带传动，所述支撑液压缸的固定端与所述旋转底盘(3)连接，所述支撑液压缸的伸缩端与所述传送带连接，所述传送带用于放置并传送锚索。
9.优选地，所述支撑液压缸成对设置，分别设于所述传送带的两端。
10.优选地，所述支撑组件包括主臂和支撑油缸，所述主臂的一端与所述旋转底盘铰接，另一端与所述钻孔组件连接，所述支撑油缸的固定端与所述旋转底盘连接，所述支撑油缸的伸缩端与所述主臂连接，且所述支撑油缸与所述主臂呈夹角设置。
11.优选地，所述钻孔组件包括滑道、钻机、钻杆接头、连接件和钻杆，所述滑道与所述主臂固定连接，所述钻机活动连接在所述滑道内，且设于所述滑道的端部，所述钻机的一端设有所述钻杆接头，所述连接件的一端通过螺纹与所述钻杆接头连接，所述连接件的另一端与所述钻杆可拆卸连接。
12.优选地，所述连接件上设有多个连接孔，每个所述连接孔均用于安装对应的钻杆，相邻的两个所述连接孔之间设有传感器。
13.优选地，所述钻杆包括第一钻杆和第二钻杆，所述第一钻杆远离所述连接件的一端设有出浆孔，所述第二钻杆远离所述连接件的一端设有钢钻头。
14.优选地，所述机架的四周设有可活动连接的液压支腿。
15.优选地，所述防塌孔锚索钻机还包括行走部和电机，所述行走部设于所述机架的底部，所述电机驱动所述行走部运动。
16.进一步优选地，本发明还提供一种如上述所述的防塌孔锚索钻机的施工方法，所述施工方法的步骤为：
17.s1：按照设计要求开挖基坑土体至锚索孔设计高度以下600mm，碾压夯实锚索孔附近地层土体，确保该区域在钻孔组件作业过程保持平整稳定；
18.s2：根据设计锚索孔位确定锚索钻孔位置，利用水准仪对临坡面锚索孔位高程进行控制，在设计孔位处采用红漆等标记物做标记；
19.s3：利用防塌孔锚索钻机在设计锚索孔位置进行钻孔；
20.s4：按照设计长度要求切割钢绞线，在钢绞线自由端套设pvc套管，套管靠近锚固段断面使用胶带进行封堵，将钢绞线插入支架上预留孔洞，相邻支架间距根据实际情况调整，制作锚索过程可与钻孔过程同步进行；
21.s5：将制成锚索放在传送装置上，升降传送装置使其对齐锚孔，调整装置倾角与锚孔倾角相向，驱动传送装置带动锚索进入锚孔内；
22.s6：调整防塌孔锚索钻机的工作平面使钻孔组件对齐锚孔，启动钻孔组件进行钻孔，检测到靠近临坡面后自动控制钻孔组件停止钻进，打开注浆泵按设计注浆压力向锚索孔内进行二次注浆；
23.s7：施工混凝土腰梁或钢腰梁，待注浆材料达到设计强度后安装垫板和锚具，随后利用千斤顶张拉锚索完成锚索预应力施加作业；
24.s8：单排锚索施工完成后继续向下开挖土方，到达下一排锚索设计孔口位器重复步骤三至步骤七完成锚索钻孔注浆及张拉作业，锚索施工整体结束后对锚索进行封锚。
25.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果：本发明提供的防塌孔锚索钻机通
过设置传送装置，钻孔结束后下锚索过程可实现机械化操作，降低了工人劳动强度，同时确保了锚索入孔安装精度；通过设置钻孔组件以配合不同孔径大小的钻杆对锚索孔周围土体进行旋喷注浆预加固，有效避免钻孔过程塌孔问题出现；钻机带动钻杆旋转以实现旋喷注浆加固，所用钻杆直径小，减少了钻进过程对土体扰动，钻机自身功率大，旋喷注浆多钻杆同步钻进，施工效率高；对锚索施工工艺进行了优化，使用一台钻机可完成锚索钻孔、下索及注浆作业，锚索施工过程自动化程度高；通过设置旋转底盘与主臂，使锚索钻孔与入索工作平面相分离，以便于调整角度，旋转底盘旋转以提高作业半径，加大了钻机使用范围。
附图说明
26.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示出的结构获得其他的附图。
27.图1为本发明提供的防塌孔锚索钻机的结构示意图；
28.图2为本发明提供的防塌孔锚索钻机的连接件与钻杆连接的示意图；
29.图3为本发明提供的防塌孔锚索钻机的连接件的结构示意图；
30.图4为钢绞线与支架整体结构示意图；
31.图5为本发明提供的防塌孔锚索钻机的施工方法的流程示意图。
32.【附图标记说明】
33.1：机架；2：行走部；3；旋转底盘；4：电机；5：主臂；6：支撑液压缸；7：支撑油缸；8：传送装置；81：传送带；82：驱动件；9：钻机；10：钻杆接头；11：连接件；111：连接孔；112：传感器；12：滑道；13：钻杆；131：第一钻杆；132：第二钻杆；133：出浆孔；14：锚索；141：钢绞线；142：pvc套管；143：支架；15：液压支腿。
具体实施方式
34.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
35.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
36.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.本发明提供一种防塌孔锚索钻机，如图1-图5所示，其包括机架1、旋转底盘3、传送装置8、支撑组件和钻孔组件，旋转底盘3转动设于机架1上，传送装置8设于旋转底盘3上，传送装置8用于将锚索14传送入锚索孔内，钻孔组件通过支撑组件与旋转底盘3转动连接，钻孔组件用于钻取锚索孔。
39.本发明提供的防塌孔锚索钻机通过设置传送装置8，钻孔结束后下锚索14过程可实现机械化操作，降低了工人劳动强度，同时确保了锚索14入孔安装精度；通过设置钻孔组件以配合不同孔径大小的钻杆13对锚索孔周围土体进行旋喷注浆预加固，有效避免钻孔过程塌孔问题出现；钻机带动钻杆旋转以实现旋喷注浆加固，所用钻杆13直径小，减少了钻进过程对土体扰动，钻机9自身功率大，旋喷注浆多钻杆同步钻进，施工效率高；对锚索14施工工艺进行了优化，使用一台钻机9可完成锚索14钻孔、下索及注浆作业，锚索14施工过程自动化程度高；通过设置设有旋转底盘3与主臂5，使锚索14钻孔与入索工作平面相分离，以便于调整角度，旋转底盘旋转以提高作业半径，加大了钻机9使用范围。
40.进一步优选的，传送装置8包括传送带81、驱动件82和支撑液压缸6，其中，驱动件82可为回转马达，驱动件82驱动传送带81传动，支撑液压缸6的固定端与旋转底盘3连接，支撑液压缸6的伸缩端与传送带81连接，传送带81用于放置并传送锚索14，如图4所示，锚索14由钢绞线41、pvc套管142142与支架143组成，pvc套管142长度为90cm，套设在钢绞线41靠近锚索孔口的自由端上，防止浆液包裹钢绞线41自由端影响锚索14张拉效果，支架143沿钢绞线41长度方向设置多个，使钢绞线41相互隔离，注浆浆液能够完全包裹钢绞线41形成整体，支架143四周开设有钢绞线41可穿过的孔洞，中部孔洞使第一类钻杆13能穿过并向锚孔内注浆，因此制作锚索14时无需设置注浆管，锚索14注浆可利用钻机9实现。
41.进一步的，支撑液压缸6成对设置，分别设于传送带81的两端。
42.进一步的，支撑组件包括主臂5和支撑油缸7，主臂5的一端与旋转底盘3铰接，另一端与钻孔组件连接，支撑油缸7的固定端与旋转底盘3连接，支撑油缸7的伸缩端与主臂5连接，且支撑油缸7与主臂5呈夹角设置，优选地，沿旋转底盘33中心在前后方向对称设置有两个主臂5，两个主臂5间上下两侧加设有连接横杆用于增强稳定性，两主臂5左侧设置有支撑油缸7，通过支撑油缸7伸缩带动主臂5绕旋转底盘3旋转，进而实现调整钻机9工作平面高度与倾角。钻机9钻孔时，旋转底盘3旋转并调节支撑油缸7使钻机9正对锚索孔位置，下放锚索14时，旋转底盘3旋转并调节支撑液压缸6使传送装置8正对锚索孔，两类油缸连接线间夹角为60
°
，以确保钻机9工作时传送装置8与钻机9相互分离。
43.进一步的，钻孔组件包括滑道12、钻机9、钻杆接头10、连接件11和钻杆13，滑道12与主臂5固定连接，钻机9活动连接在滑道12内，且设于滑道12的端部，钻机9的一端设有钻杆接头10，连接件11的一端通过螺纹与钻杆接头10连接，连接件11的另一端与钻杆13可拆卸连接。连接件11上设有多个连接孔111，每个连接孔111均用于安装对应的钻杆13，相邻的两个连接孔111之间设有传感器112；具体的，连接件11采用扩大头形式，连接件11后端为突出部分，内径略小于钻杆接头10且周身设有与接头相匹配的螺纹，前端为扩大部分，直径为2～3倍钻杆接头10内径，连接件11与钻杆接头10及钻杆13均通过螺纹连接，如图3所示，连接件11前端开有五个连接孔111，分别处在连接中心与四周，打孔深度为一半连接件11前端厚度，且孔内设有与钻杆13相匹配螺纹槽，优选地，中心连接孔111直径与钻杆接头10内径相同，用于连接第二钻杆132，四周连接孔111直径为该孔径的1/3，用于连接第一钻杆131，
相邻连接孔111间设有传感器112，当钻进过程中连接件11抵达钻孔时，传感器112发送信号控制钻机9停止钻进，在其他实施例中可根据锚索14成孔大小调整连接孔111孔径。
44.进一步的，钻杆13包括第一钻杆131和第二钻杆132，第一钻杆131远离连接件11的一端设有出浆孔133，第二钻杆132端丽连接件11的一端设有钢钻头，钻杆13长度长于锚索孔深度0.5m，防止在不良地质中钻孔末端被掩埋，钻杆13整体由分段多节钻杆13螺纹连接组成，第一钻杆131远离钻机9一端开设有多个出浆孔133，用于连接注浆泵及旋喷注浆加固锚索孔四周土体，同时可用于在锚索孔中进行注浆，第二钻杆132为端部带合金钢钻头的中空套管，用于钻进形成锚索孔。优选地，采用第一钻杆131钻进时，注浆材料为水泥-水玻璃浆液，注浆泵压力为20～25mpa，采用第一钻杆131在锚孔内注浆时，注浆材料为42.5级硅酸盐水泥，水灰比为0.6～0.7，注浆泵压力控制在0.2～0.5mpa范围内，浆液注入速度9～15l/mim，采用第二钻杆132钻进时，钻杆13钻进速度为40～60cm/min，在不同地质中可调整注浆材料配比与钻进速度。
45.进一步的，机架1的四周设有可活动连接的液压支腿15，机架1作为主要承受部件，上端连接有传送装置8与钻孔组件等结构，优选地，机架1为整块的方形优质钢板，液压支腿15设置在机架1四周，钻机9工作时支腿下端伸出与地表接触保证机体结构稳定，钻机9移动时液压支腿15回缩悬吊在机架1下部。
46.进一步的，防塌孔锚索钻机还包括行走部2和电机4，行走部2设于机架1的底部，电机4驱动行走部2运动。其中，行走部2为履带底盘，固定设置在机架1下部，履带行走通过电机4驱动，优选地，履带底盘包括两履带，沿机架1中心左右两侧对称设置，确保钻机9移动过程稳定性，另外，行走部2也可采用电机4驱动的橡胶轮带动钻机9整体行走。
47.进一步优选的，本发明还提供一种如上述的防塌孔锚索钻机的施工方法，施工方法的步骤为：
48.s1：按照设计要求开挖基坑土体至锚索孔设计高度以下600mm，碾压夯实锚索孔附近地层土体，确保该区域在钻机9作业过程保持平整稳定；
49.s2：根据设计锚索孔位确定锚索14钻孔位置，利用水准仪对临坡面锚索孔位高程进行控制，在设计孔位处采用红漆等标记物做标记；
50.s3：利用防塌孔锚索钻机在设计锚索孔位置进行钻孔；
51.s4：按照设计长度要求切割钢绞线41，在钢绞线41自由端套设pvc套管142，套管靠近锚固段断面使用胶带进行封堵，将钢绞线41插入支架143上预留孔洞，相邻支架143间距根据实际情况调整，制作锚索14过程可与钻孔过程同步进行；
52.s5：将制成锚索14放在传送装置8上，升降传送装置8使其对齐锚孔，调整装置倾角与锚孔倾角相向，驱动传送装置带动锚索进入锚孔内，具体的，启动驱动件82，传送带81周期移动带动锚索14进入锚孔内；
53.s6：安装钻杆13至任意连接孔111上，调整防塌孔锚索钻机的工作平面使钻孔组件的钻杆对齐锚孔，启动钻孔组件将钻杆13旋入孔内，传感器112检测到靠近临坡面后自动控制钻机9停止钻进，打开注浆泵按设计注浆压力向锚索孔内进行二次注浆；
54.s7：施工混凝土腰梁或钢腰梁，待注浆材料达到设计强度后安装垫板和锚具，随后利用千斤顶张拉锚索完成锚索14预应力施加作业；
55.s8：单排锚索14施工完成后继续向下开挖土方，到达下一排锚索14设计孔口位器
重复步骤三至步骤七完成锚索14钻孔注浆及张拉作业，锚索14施工整体结束后对锚索14进行封锚。
56.步骤s3中，利用防塌孔锚索钻机在设计锚索孔位置进行钻孔的具体步骤为：第一，安装钻杆13：将连接件11螺纹连接在钻杆接头10上，旋转钻机9带动连接件11与第一钻杆131连接，利用橡胶塞封堵其余连接孔111；第二，钻机9就位：控制钻机9整体移动至锚索孔附近地面，将注浆泵与钻机9连接，检查注浆回路，确保浆液能够沿钻杆接头10中部孔道进入钻杆13；第三，预钻孔：调整钻机9作业平面倾角与高度，使钻机9轴线与锚索孔标记点对齐，打开注浆泵开关，控制钻机9旋转带动第一钻杆131钻进，钻杆13钻进过程注浆泵以设定压力向土体内旋喷注浆形成注浆体石体；第四，锚索14钻孔：拆除第一钻杆131并封堵其连接孔111，将第二钻杆132安装在连接件11上，钻机9对齐设计锚索孔位，钻机9旋转向土层内部旋进成孔，钻孔过程利用注浆泵经钻杆13中部孔道向孔内泵入清水，使钻屑在水流带动下流出孔外实现清孔，到达设计孔深后稳钻10min，防止钻孔底部尖灭；第五，退钻注浆：控制钻机9反向旋转退出第二钻杆132，钻杆13旋出同时利用注浆泵经中空钻杆13向锚索孔内注入水泥浆，注浆压力与锚索14注浆压力相同，防止浆液压力过大切割锚孔周围土体导致塌孔。
57.需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。