一种隧道土岩层用钻锚设备及其施工方法

技术领域

本申请涉及土岩层钻孔技术领域，尤其是涉及一种隧道土岩层用钻锚设备及其施工方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，锚杆支护是指在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下硐室施工中采用的一种加固支护方式。这种加固支护方式用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆柱，打入地表岩体或硐室周围岩体预先钻好的孔中，或依赖于黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，以达到支护的目的。

但是，现目前施工，遇到土岩层松软的情况下，在利用钻孔的设备将锚孔钻好，钻孔设备撤离锚孔后，锚孔内部容易坍塌导致锚杆装入时安装不到位，从而导致锚杆的安装存在困难。

发明内容

为了降低锚杆安装存在的困难，并提高锚杆的安装效率，本申请提供一种隧道土岩层用钻锚设备及其施工方法。

第一方面，本申请提供的一种隧道土岩层用钻锚设备，包括支撑架，所述支撑架包括支撑台和滑动座，所述滑动座滑动设置于所述支撑台上；

钻锚组件，转动设置于所述滑动座上，所述钻锚组件转动的轴向与所述滑动座的滑动方向相平行；

锚杆组件，滑动设置于所述钻锚组件内，所述锚杆组件沿所述钻锚组件的轴向方向滑动；

驱动组件，设置于所述滑动座上，用于驱动所述钻锚组件转动。

通过采用上述技术方案，当对较松软的土岩层进行钻锚时，将支撑架放置于需要锚定的区域旁，滑动座滑动后带动钻锚组件靠近锚定区域，然后驱动组件驱动钻锚组件转动，以对锚定的区域进行钻孔，直至锚孔形成后，钻锚组件继续处于锚孔内，将锚杆组件滑入钻锚组件内，使得锚杆组件在钻锚组件的支撑下进入锚孔内。然后滑动座带动钻锚组件撤出锚孔，以使锚杆组件留在锚孔内，以便于将混凝土浆注入锚孔内将锚杆组件固定。本申请通过采用锚杆组件滑动设置于钻锚组件内的方式，使得钻锚组件完成锚孔的钻取后，锚杆组件直接留在锚孔内，以使得锚杆组件安装一步到位，从而降低锚杆安装存在的困难，并提高锚杆的安装效率。

可选的，所述钻锚组件包括：

钻杆，具有第一端部和第二端部，所述第一端部转动于所述滑动座内，所述钻杆位于所述滑动座外的周壁上设置有螺纹刀片；

多个钻头，设置于所述第二端部上。

可选的，所述第二端部背离所述第一端部的端面开设有安装槽，所述钻头铰接于所述安装槽的槽底，所述钻头位于所述安装槽内沿所述钻杆的周向方向分布，所述钻头背离所述安装槽槽底的尖端从所述安装槽内露出。

可选的，所述钻锚组件还包括锚头，所述锚头设置于所述第二端部背离所述第一端部的端面，所述锚头沿所述钻杆的周向方向分布，在所述钻杆轴向上，所述锚头位于所述钻杆上的高度与所述钻头位于所述钻杆上的高度。

可选的，每一所述钻头均朝远离所述钻杆的方向渐缩，所述钻头包括第一钻面和第二钻面，所述第一钻面靠近所述锚头设置，所述第二钻面与相邻所述钻头上的第二钻面相抵接，当所述第一钻面与所述安装槽槽壁相抵接时，所述第二钻面之间限定出供所述锚杆组件滑出所述钻杆的锚定通道。

可选的，所述第二钻面上设置有钻尖部，所述钻尖部沿所述钻杆的径向方向延伸。

可选的，所述钻杆内部开设有贯穿所述第一端部和第二端部的安装通道，所述安装通道与所述锚定通道连通，所述锚杆组件包括：

锚杆，滑动设置于所述安装通道和所述锚定通道内，且所述锚杆开设有注浆孔，所述注浆孔贯穿所述锚杆的两端。

可选的，所述锚杆组件还包括位于所述锚杆端部的多个加强杆，所述加强杆铰接于所述锚杆的周壁上，所述锚杆上还开设有供所述加强杆转入的容纳槽，所述加强杆远离与所述锚杆铰接的一端延伸出容纳槽，所述锚杆与所述安装通道内壁之间具有间隙，所述加强杆延伸出容纳槽的一端远离所述锚杆的端部设置，并且用于与所述钻头的自由端相抵接。

可选的，所述钻锚设备还包括滑动设置于所述支撑台上的定位座，所述定位座上开设有连通所述注浆孔的注浆通道，所述定位座的滑动方向与所述滑动座的滑动方向相同，所述定位座朝向所述滑动座的侧壁上设有若干定位块，所述定位块围绕所述注浆通道周向设置，所述锚杆朝向定位座的端面上开设有供所述定位块卡入的定位槽。

第二方面，本申请提供一种隧道土岩层用钻锚设备的施工方法，通过使用上述的隧道土岩层钻锚设备采用如下的技术方案：

对待进行锚定的区域进行标点，并将支撑架移动至需锚定的区域；

将钻杆的钻头和锚头对准待锚定的标点，启动驱动组件驱动钻杆转动，同时滑动座带动钻杆朝锚定的区域进行靠近，以形成锚孔；

将锚杆放入安装通道，使得锚杆具有加强杆的端部进入锚定通道；

再将定位座朝滑动座滑动，直至定位块滑入定位槽；

驱动组件驱动钻杆相对于锚杆转动；

滑动座带动钻杆朝定位座滑动，直至钻头滑过加强杆，然后滑动座带动钻杆朝远离定位座滑动，直至钻头抵接加强杆转动至与锚杆相垂直；

将混凝土浆通过注浆通道注入锚杆具有加强杆的端部，滑动座带动钻杆脱离锚孔。

综上所述，本申请通过驱动组件驱动钻杆转动，通过钻头和锚头对土岩层进行钻取，以形成锚孔。在钻取的过程中，滑动座还带动钻杆朝锚孔内部移动，以加深锚孔的深度，直至锚孔钻取结束后，将锚杆滑入钻杆内，并通过锚杆抵接钻头转动，使得锚杆进入锚定通道，以将锚杆安装到位。此时滑动座在带动钻杆朝锚孔外滑动，使得钻头滑过加强杆，然后滑动座再带动钻杆朝锚孔内滑动，使得钻头抵接于加强杆，以抵动加强杆从容纳槽内转出至与锚杆相垂直，以增大锚杆位于锚孔内和土岩层，及后续注入混凝土的接触面积，从而加强锚杆锚定的稳定性。

附图说明

图1是本实施例提供的钻锚设备整体结构图。

图2是本实施例提供的钻锚设备中滑动座和定位座内部的结构示意图。

图3是本实施例提供的钻杆和锚杆的剖面示意图。

图4是图3中A部分的放大示意图。

图5是本实施例提供的钻杆和锚杆端面示意图。

图6是图3中A部分中加强杆打开后的剖面示意图。

图7是图3中B部分的放大示意图。

附图标记说明：1、支撑架；11、支撑台；111、气缸；112、导轨；113、齿条；12、滑动座；121、第一电机；122、第一齿轮；13、定位座；131、第三电机；132、第四齿轮；133、注浆通道；134、定位块；2、钻锚组件；21、钻杆；211、第一端部；212、第二端部；213、第三齿轮；214、安装槽；215、安装通道；22、钻头；221、第一钻面；222、第二钻面；223、锚定通道；224、钻尖部；23、螺纹刀片；26、锚头；3、锚杆组件；31、锚杆；311、注浆孔；312、容纳槽；313、定位槽；314、通孔；32、加强杆；4、驱动组件；41、第二电机；42、第二齿轮。

具体实施方式

以下结合附图1-7对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种隧道土岩层用钻锚设备及其施工方法。其中，隧道土岩层用钻锚设备参照图1，钻锚设备包括支撑架1、钻锚组件2、锚杆组件3和驱动组件4。支撑架1包括支撑台11和滑动座12，滑动座12滑动设置于支撑台11上。钻锚组件2转动设置于滑动座12上。钻锚组件2转动的轴向与滑动座12的滑动方向相平行。锚杆组件3滑动设置于钻锚组件2内。锚杆组件3沿钻锚组件2的轴向方向滑动。驱动组件4设置于滑动座12上，用于驱动钻锚组件2转动。

在本实施例中，支撑台11下端铰接有两对气缸111。支撑台11的底部开设有滑槽，滑槽供其中一个气缸111与支撑台11相铰接的部位滑动，以便于通过气缸111调整支撑台11的倾斜角度，进而调整钻锚组件2和锚杆组件3的朝向。

进一步地，滑动座12沿支撑台11的长度方向滑动。支撑台11上固定连接有位于滑动座12滑动路径两侧的导轨112，其中一根导轨112上固定有齿条113。

参照图1和图2，滑动座12上固定连接有第一电机121，第一电机121的输出轴穿设于滑动座12内并同轴连接有第一齿轮122。第一电机121的输出轴沿垂直于滑动座12滑动的方向延伸。第一齿轮122从滑动座12一侧的侧壁露出，并与齿条113相啮合，以便于通过第一电机121驱动第一齿轮122转动，在第一齿轮122和第一齿条113的啮合下，带动滑动座12沿导轨112沿支撑台11的长度方向来回滑动。

参照图1和图2，钻锚组件2包括钻杆21和多个钻头22。钻杆21具有第一端部211和第二端部212。第一端部211转动于滑动座12内。钻杆21位于滑动座12外的周壁上设置有螺纹刀片23。螺纹刀片23沿钻杆21的长度方向延伸，以便于钻杆21伸入土岩层内转动时，通过螺纹刀将钻取的土岩碎渣从锚孔中带出。

具体地，多个钻头22位于第二端部212的端面上，以便于钻头22钻取土岩层形成锚孔。第一端部211转动连接于滑动座12内。

在本实施例中，驱动组件4包括第二电机41和第二齿轮42。第二电机41固定于滑动座12的侧壁上。第二电机41与钻杆21位于滑动座12的同一侧。第二电机41的输出轴与钻杆21相平行。第二电机41的输出轴穿设至滑动座12内，第二齿轮42同轴连接于第二齿轮42并位于滑动座12内。值得注意的是，钻杆21位于滑动座12内的第一端部211同轴连接有第三齿轮213。第三齿轮213转动于滑动座12内与第二齿轮42相啮合。可以知道，通过第二电机41驱动第二齿轮42转动，第二齿轮42带动第三齿轮213转动，进而带动钻杆21转动，实现钻杆21转动后对土岩层进行钻孔操作。

进一步地，参照图3和图4，第二端部212背离第一端部211的端面开设有安装槽214，钻头22铰接于安装槽214的槽底。钻头22位于安装槽214内沿钻杆21的周向方向分布。钻头22背离安装槽214槽底的尖端从安装槽214内露出。

需要说明的是，钻头22的铰接轴线与钻杆21的长度方向相垂直，钻头22转动于安装槽214内，钻头22与安装槽214槽底相抵接时，钻头22背离安装槽214槽底的尖端从安装槽214内露出，以便于钻头22最先接触到土岩层。值得注意的是，钻头22在随钻杆21转动的过程中，由于钻头22铰接设置，在土岩层质地较硬时，钻头22可通过在安装槽214内来回摆动增加钻孔过程中的韧性，通过钻头22的来回摆动小范围的逐步破碎较为坚硬的土岩层，减少钻头22受到的损伤。

另外，钻杆21带动钻头22转动，钻头22可以抵紧于安装槽214的槽底，以对土岩层进行钻取，并且钻头22随着钻杆21的转动，钻取的土岩层渣在钻杆21离心力的作用下甩到钻杆21的周向方向，并随着钻杆21的深入，钻杆21上的螺纹刀片23将钻取的土岩层渣排出锚孔。

进一步地，钻锚组件2还包括锚头26。锚头26设置于第二端部212背离第一端部211的端面。锚头26沿钻杆21的周向方向分布。在钻杆21轴向上，锚头26位于钻杆21上的高度与钻头22位于钻杆21上的高度。

在本实施例中，锚头26呈圆锥状，并且锚头26位于安装槽214外，通过锚头26增加钻杆21端部的破碎能力，以便于钻杆21钻取质地硬的土岩层，从而加强钻杆21的钻锚能力。

进一步地，参照图4和图5，每一钻头22均朝远离钻杆21的方向渐缩。钻头22包括第一钻面221和第二钻面222，第一钻面221靠近锚头26设置，第二钻面222与相邻钻头22上的第二钻面222相抵接，当第一钻面221与安装槽214槽壁相抵接时，第二钻面222之间限定出供锚杆组件3滑出钻杆21的锚定通道223。

在本实施例中，钻头22呈四棱锥，四棱锥靠近锚头26的一侧为第一钻面221，四棱锥远离锚头26的一侧为第二钻面222。钻头22的尖端部沿钻杆21的长度的延伸，以减小第一钻面221和第二钻面222位于钻头22上的倾斜度。

参照图5和图6，钻头22与安装槽214槽底相抵接时，钻头22靠近第二钻面222的端部位于锚定通道223内。钻杆21内部开设有贯穿第一端部211和第二端部212的安装通道215，安装通道215与锚定通道223连通，以便于锚杆组件3滑入安装通道215进入钻杆21内，直至锚杆组件3抵动钻头22，钻头22受到抵动后朝相互远离的方向转动，使得第一钻面221抵接于安装槽214的槽壁，以便于锚杆组件3的端部从钻头22之间滑出进入锚孔。

具体地，安装槽214朝远离第一端部211的方向呈渐扩状，增大钻头22在安装槽214内的转动范围，进而增大钻头22之间锚定通道223大小，便于锚杆组件3能够顺利滑出钻杆21。

参照图5和图6，第二钻面222上设置有钻尖部224，钻尖部224沿钻杆21的径向方向延伸。在锚杆组件3长度方向的投影中，钻尖部224远离第二钻面222的端部与钻头22远离安装槽214槽壁的端部重合，以避免钻尖部224对锚杆组件3的滑动造成阻碍。

在本实施例中，锚杆组件3包括锚杆31。锚杆31滑动设置于安装通道215和锚定通道223内，且锚杆31开设有注浆孔311，注浆孔311贯穿锚杆31的两端。在锚杆31滑入安装通道215直至进入锚定通道223内后，以将锚杆31安装入锚孔内，并通过锚杆31内部的注浆孔311，将混凝土泥浆从锚杆31位于钻杆21外的一端注入，以使混凝土泥浆充满锚定通道223，以通过混凝土泥浆将锚杆31固定于锚孔内，以完成锚杆31的固定。

进一步地，参照图4和图6，锚杆组件3还包括位于锚杆31端部的多个加强杆32。加强杆32铰接于锚杆31的周壁上。锚杆31上还开设有供加强杆32转入的容纳槽312。加强杆32远离与锚杆31铰接的一端延伸出容纳槽312。锚杆31与安装通道215内壁之间具有间隙。加强杆32延伸出容纳槽312的一端远离锚杆31的端部设置，并且用于与钻头22的自由端相抵接。

值得注意的是，加强杆32延伸出容纳槽312的端部呈弧状设置，以便于受到抵接后从容纳槽312内转出。

可以理解，加强杆32的铰接轴线与锚杆31的长度方向相垂直。加强杆32和锚杆31铰接的位置靠近锚杆31的端部设置，使得加强杆32位于容纳槽312内时，锚杆31可以顺利进入安装通道215，直至锚杆31抵动钻头22，使得钻头22转动后抵接于安装槽214的槽壁，此时，钻杆21从锚孔内滑出，锚杆31保持不动，钻杆21相对于锚杆31从锚孔外滑动，锚杆31和加强杆32滑过钻头22，直至加强杆32位于容纳槽312外的一端滑过钻头22后，使得钻头22位于加强杆32远离锚杆31端部的一侧。然后钻杆21再朝锚孔内滑动，使得钻头22通过第二钻面222与加强杆32的端部抵接，抵动加强杆32转出容纳槽312，直至加强杆32转动至于锚杆31相垂直，使得锚杆31在锚孔内与土岩层的接触面积增大，进而增强锚杆31固定于锚孔内的稳定性。

参照图1和图3，在本实施例中，钻锚设备还包括滑动设置于支撑台11上的定位座13。定位座13上开设有连通注浆孔311的注浆通道133。定位座13的滑动方向与滑动座12的滑动方向相同。

定位座13上固定连接有第三电机131，第三电机131位于定位座13背对支撑台11的一侧。第三电机131的输出轴穿设于定位座13内。定位座13内转动连接有于第三电机131同轴连接的第四齿轮132，第四齿轮132从定位座13的侧壁上露出与齿条113相啮合，以通过第三电机131的驱动，带动第四齿轮132转动，并在第四齿轮132和齿条113的啮合下，定位座13沿导轨112的长度方向滑动，实现定位座13的自动滑动。

参照图6和图7，定位座13朝向滑动座12的侧壁上设有若干定位块134，定位块134围绕注浆通道133周向设置。锚杆31朝向定位座13的端面上开设有供定位块134卡入的定位槽313。

当需要将混凝土泥浆注入到锚孔内将锚杆31固定时，定位座13朝滑动座12滑动后，使得定位块134卡入定位槽313内，以对锚杆31的状态进行固定，便于将混凝土泥浆通过注浆通道133注入锚杆31的注浆孔311，直至进入锚孔内，以将锚杆31位于锚孔内具有加强杆32的端部进行包裹，便于混凝土泥浆将锚杆31加强固定。

进一步地，锚杆31靠近加强杆32的端部开设有连通容纳槽312和注浆孔311的通孔314，以便于混凝土泥浆注入注浆孔311内后，一部分泥浆从锚杆31位于锚孔内的端部流出，另一部分混凝土泥浆通过通孔314进入容纳槽312，进而再通过容纳槽312进入锚孔内，增大混凝土泥浆通过锚杆31进入锚孔内的速度，提升混凝土泥浆注入锚孔内的流畅度。

本申请实施例一种隧道土岩层钻锚设备的实施原理为：当对隧道土岩层进行钻锚时，由于会遇到土岩层质地较为松软的情况，采用钻杆21和锚杆31一体的方式进行钻孔。在钻杆21进行钻孔时，锚杆31可以位于钻杆21内与钻杆21一同转动，也可以钻杆21单独转动，直至锚孔钻完之后，钻杆21撤离锚孔，锚杆31保持不动，使得钻杆21上的钻头22滑过加强杆32的端部后，钻杆21再继续往锚孔内移动，以通过钻头22抵动加强杆32转入容纳槽312，使得加强杆32转动至于锚杆31相垂直，使得锚杆31通过加强杆32增大自身与土岩层的接触面积，进而加强锚杆31锚定的稳固性。

本实施例还提供一种隧道土岩层用钻锚设备的施工方法，使用了钻锚设备，具体包括以下步骤：

对待进行锚定的区域进行标点，并将支撑架1移动至需锚定的区域。锚定的区域可以是隧道周向方向上的土岩层，通过支撑台11下的气缸111驱动，改变支撑台11的倾斜角度，进而改变锚杆31和钻杆21的朝向，以对不同方向上的锚定区域进行钻孔。

将钻杆21的钻头22和锚头26对准待锚定的标点，启动驱动组件4驱动钻杆21转动，同时滑动座12带动钻杆21朝锚定的区域进行靠近，以形成锚孔。钻杆21转动后通过钻头22和锚头26将土岩层破碎，再通过螺纹刀片23将破碎的土岩层碎渣排除锚孔外。

将锚杆31放入安装通道215，使得锚杆31具有加强杆32的端部进入锚定通道223。锚杆31抵动钻头22相互远离，以使得锚杆31进入锚定通道223，以将锚杆31安装到位。

再将定位座13朝滑动座12滑动，直至定位块134滑入定位槽313，以将锚杆31位于锚孔内的位置固定。

驱动组件4驱动钻杆21相对于锚杆31转动，以通过钻杆21和锚杆31的相对转动，将锚杆31和钻杆21之间的土岩层碎渣进一步研磨，提升钻杆21相对于锚杆31滑动的流畅性。

滑动座12带动钻杆21朝定位座13滑动，直至钻头22滑过加强杆32，然后滑动座12带动钻杆21朝远离定位座13滑动，直至钻头22抵接加强杆32，使得加强杆32转动至与锚杆31相垂直，以将加强杆32转入容纳槽312，增加锚杆31和土岩层的接触面积，加强锚杆31固定于锚孔内的稳固性。

将混凝土浆通过注浆通道133注入锚杆31具有加强杆32的端部，滑动座12带动钻杆21脱离锚孔，以通过混凝土泥浆将加强杆32和锚杆31固定于锚孔内，避免钻杆21撤离后带动锚杆31的移动，直至混凝土泥浆凝固后，完成对锚杆31的固定。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。