异步式钻挖带加腋水平悬臂的矩形抗滑桩机械成孔方法与流程

本发明属于抗滑桩钻孔机设备领域，具体涉及一种异步式钻挖带加腋水平悬臂的矩形抗滑桩机械成孔方法。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、目前矩形钻孔机设备和开挖方式多样，例如：

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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：

10、(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；

11、(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。

技术实现思路

1、本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种异步式钻挖带加腋水平悬臂的矩形抗滑桩机械成孔方法，该机械成孔方法在钻机上自上而下依次设置泥渣处理机构、加腋钻组件、水平钻组件以及竖向钻组件，以进行异步式钻挖带加腋水平悬臂的矩形抗滑桩桩孔，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矩形桩孔至水平悬臂的设计深度后停止，通过加腋钻组件向外旋挖以形成加腋部分，之后水平钻组件通过水平液压缸驱动水平钻装置侧向水平伸长来钻挖水平悬臂结构矩形桩孔，完成带加腋部分的水平悬臂结构矩形桩孔的钻挖后旋转复位加腋钻组件并回缩水平钻组件，最后竖向钻装置继续向下钻挖矩形桩孔至设计深度。

2、本发明目的实现由以下技术方案完成：

3、一种异步式钻挖带加腋水平悬臂的矩形抗滑桩机械成孔方法，其特征在于所述机械成孔方法包括以下步骤：

4、s1：在钻机上自上而下依次设置泥渣处理机构、加腋钻组件、水平钻组件以及竖向钻装置；其中：

5、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；

6、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；

7、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；

8、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；

9、s2：使所述加腋钻装置位于所述加腋钻反力架的箱型空间内，并使所述水平钻组件中的所述水平钻装置处于最小行程的待机状态，控制所述竖向钻装置竖直向下钻挖岩土体直至水平悬臂的设计深度，以形成矩形桩孔的自由段；

10、s3：使所述竖向钻装置停止钻挖， 开启所述加腋钻组件，在所述转动液压缸和所述曲柄液压缸的驱动之下，所述加腋钻装置以所述连轴为旋转中心逐渐向外旋转并同时进行钻挖岩土体，至所述加腋钻装置从竖直状态旋转为水平状态为止，以形成加腋孔；

11、s4：控制所述水平液压缸驱动所述水平钻装置向外水平移动钻挖岩土体至设计长度，以形成水平悬臂桩孔；

12、s5：使所述水平钻装置回缩至最小行程并停止工作，并使所述加腋钻装置回转复位至竖直状态；继续控制所述竖向钻装置竖直向下钻挖岩土体至矩形桩孔的设计深度以形成矩形桩孔的嵌固段。

13、步骤s1中，根据所述矩形桩孔的设计深度选择所述钻机与位于地面上的钻车之间的连接形式，所述连接形式为经竖向钻杆连接或经缆索连接；

14、若所述矩形桩孔的设计深度位于所述竖向钻杆的长度范围之内，则在所述钻车上设置所述竖向钻杆，所述竖向钻杆的下端与所述钻机相连接；

15、若所述矩形桩孔的设计深度超过所述竖向钻杆的长度，则在所述钻车上设置所述缆索且所述缆索的下端吊装所述钻机。

16、所述钻车包括车载平台、钢立柱、拉杆、铰转轴、导轨、滑块以及钢悬梁，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；

17、所述钻车与所述钻机之间采用所述竖向钻杆连接时，在所述钢悬梁上设置一旋转电机并驱动所述竖向钻杆旋转；

18、所述钻车与所述钻机之间采用所述缆索连接时，在所述钢悬梁上固定设置一组卷扬电机并驱动所述缆索在竖直方向上吊装所述钻机，且于所述钢悬梁的下方固定设置缆索支架。

19、步骤s1中，所述钻机所钻挖的地层为土质地层；

20、所述泥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；

21、所述搅拌装置包括搅拌箱以及搅拌机构；所述搅拌箱上设置有吸渣口、排渣口以及进浆口；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，所述主齿轮由所述竖向钻杆的下端驱动或由一搅拌电机驱动，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；

22、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、水平吸渣支管以及加腋吸渣支管；所述搅拌箱的吸渣口与所述吸渣主管相连接，且所述吸渣主管与所述吸渣口之间设置有所述破碎装置；所述破碎装置包括用于抽吸的风机以及用于破碎泥渣的破碎刀；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，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；

23、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，所述注浆主管的一端口与所述搅拌箱上的进浆口相连通，以将泥浆泵送入所述搅拌箱内；

24、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，所述排渣管的一端口与所述搅拌箱上的排渣口相连通，以将所述搅拌箱中的泥渣泵送至地面进行收集。

25、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个圆柱、均布设置于所述圆柱表面的若干搅刀组件以及驱动所述圆柱旋转的电机，所述搅刀组件由搅刀基座以及倾斜固定于所述搅刀基座上的搅刀组成，所述电机的转轴贯穿所述圆柱且对应设置于所述u形叉板的两侧所述翼板的转轴孔内，所述钢支撑焊接于所述电机外壳；

26、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的底面固定连接、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；

27、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。

28、在步骤s2和步骤s5中，所述竖向钻装置竖直向下钻挖土质地层的过程中，关闭所述加腋吸渣支管和所述水平吸渣支管的所述吸头处的吸渣阀门，并开启所述竖向吸渣支管的所述吸头处的吸渣阀门以将所述竖向钻装置所破碎泥渣抽吸至所述破碎装置中，所述破碎装置将所抽吸泥渣二次破碎后送入所述搅拌箱中进行搅拌，且所述注浆系统实时向所述搅拌箱内泵送入泥浆以同泥渣混合；所述排渣系统实时抽排所述搅拌箱中的泥渣和泥浆混合物至地面进行收集处理；

29、步骤s3中，所述加腋钻装置向外旋转钻挖岩土体形成加腋孔的过程中，关闭所述水平吸渣支管和所述竖向吸渣支管的所述吸头处的吸渣阀门，并开启加腋吸渣支管的所述吸头处的吸渣阀门以将所述加腋钻装置所破碎泥渣抽吸至所述破碎装置中，所述破碎装置将所抽吸泥渣二次破碎后送入所述搅拌箱中进行搅拌，且所述注浆系统实时向所述搅拌箱内泵送入泥浆以同泥渣混合；所述排渣系统实时抽排所述搅拌箱中的泥渣和泥浆混合物至地面进行收集处理；

30、步骤s4中，所述水平液压缸驱动所述水平钻装置向外水平移动钻挖所述水平悬臂桩孔的过程中，关闭所述加腋吸渣支管和所述竖向吸渣支管的所述吸头处的吸渣阀门，并开启所述水平吸渣支管的所述吸头处的吸渣阀门以将所述水平钻装置所破碎泥渣抽吸至所述破碎装置中，所述破碎装置将所抽吸泥渣二次破碎后送入所述搅拌箱中进行搅拌，且所述注浆系统实时向所述搅拌箱内泵送入泥浆以同泥渣混合；所述排渣系统实时抽排所述搅拌箱中的泥渣和泥浆混合物至地面进行收集处理。

31、步骤s1中，所述钻机所钻挖的地层为岩质地层；

32、所述泥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；

33、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或由所述竖向钻杆的下端驱动旋转，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；

34、所述吸渣系统包括一吸渣主管，所述吸渣主管与所述搅拌箱的所述吸渣口之间设置有所述破碎装置，所述破碎装置包括用于抽吸的风机以及用于破碎泥渣的破碎刀，所述吸渣主管的抽吸端口分叉为加腋吸渣支管、竖向吸渣支管、水平吸渣支管，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，所述吸头处均设置有吸渣阀门，所述加腋吸渣支管和所述水平吸渣支管的管体采用伸缩管；

35、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；

36、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钻装置位置处；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。

37、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个圆柱钻以及驱动两所述圆柱钻旋转的电机，所述圆柱钻包括圆柱以及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；所述电机的外壳固定于所述钢支撑上且所述电机驱动两侧所述圆柱旋转；

38、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的底面固定连接、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；

39、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。

40、在步骤s2和步骤s5中，所述竖向钻装置竖直向下钻挖岩质地层的过程中，关闭所述水平注浆支管喷头处的注浆阀门以及所述水平吸渣支管吸头处的吸渣阀门，关闭所述加腋注浆支管喷头出的注浆阀门以及所述加腋吸渣支管吸头处的吸渣阀门，并开启所述竖向注浆支管喷头处的注浆阀门以向所述竖向钻装置钻挖处的岩面上进行持续泥浆注入，同时开启所述竖向吸渣支管吸头处的吸渣阀门以将所述竖向钻装置所破碎岩块与泥浆的混合物抽吸至所述破碎装置中，所述破碎装置将所抽吸的岩块与泥浆混合物二次破碎后送入所述搅拌箱中进行搅拌；所述排渣系统实时抽排所述搅拌箱中的岩块与泥浆混合物至地面进行收集处理；

41、步骤s3中，所述加腋钻装置向外旋转钻挖岩质地层形成加腋孔的过程中，关闭所述水平注浆支管喷头处的注浆阀门以及所述水平吸渣支管吸头处的吸渣阀门，关闭所述竖向注浆支管喷头处的注浆阀门以及所述竖向吸渣支管吸头处的吸渣阀门，并开启所述加腋注浆支管喷头出的注浆阀门以向所述加腋钻装置钻挖处的岩面上进行持续泥浆注入，同时开启所述加腋吸渣支管吸头处的吸渣阀门以将所述加腋钻装置所破碎岩块与泥浆的混合物抽吸至所述破碎装置中，所述破碎装置将所抽吸的岩块与泥浆混合物二次破碎后送入所述搅拌箱中进行搅拌；所述排渣系统实时抽排所述搅拌箱中的岩块与泥浆混合物至地面进行收集处理；

42、步骤s4中，所述水平液压缸驱动所述水平钻装置向外水平移动钻挖所述水平悬臂桩孔的过程中，关闭所述竖向注浆支管喷头处的注浆阀门和所述竖向吸渣支管吸头处的吸渣阀门，关闭所述加腋注浆支管喷头出的注浆阀门以及所述加腋吸渣支管吸头处的吸渣阀门，并开启所述水平注浆支管喷头处的注浆阀门以向所述水平钻装置钻挖处的岩面上进行持续泥浆注入，同时开启所述水平吸渣支管吸头处的吸渣阀门以将所述水平钻装置所破碎岩块和泥浆的混合物抽吸至所述破碎装置中，所述破碎装置将所抽吸岩块和泥浆的混合物二次破碎后送入所述搅拌箱中进行搅拌；所述排渣系统实时抽排所述搅拌箱中的岩块和泥浆的混合物至地面进行收集处理。

43、本发明的优点是：

44、（1）基于所需钻挖桩孔的深度，可选择钻杆或缆索来实现对钻机的吊装连接；在竖向钻装置上组合设置可水平伸缩的水平钻组件以及可向外旋挖的加腋钻组件，以实现在土质地层或岩质地层中钻挖带加腋孔的水平悬臂结构的矩形抗滑桩桩孔；

45、（2）带加腋的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；

46、（3）针对土质地层，通过真空吸渣和泥浆联合排渣，改善施工环境，节省泥浆成本；针对岩质地层，向钻挖界面补充注入泥浆同岩块进行混合以实现抽吸，且岩块通过破碎箱二次破碎，以更好地排出桩孔，防止排渣管的堵塞；

47、（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；

48、（5）通过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，可实现岩质地层内钻挖水平悬臂和加腋结构的矩形桩孔。