防涌水涌砂的安全出土盾构机螺旋输送机的制作方法

本发明属于盾构施工领域，尤其涉及防涌水涌砂的安全出土盾构机螺旋输送机。

背景技术：

近年来，随着地下空间进一步的开发利用，盾构法施工是安全性最高的施工方法。对于富水砂层地段,通常选择泥水盾构,但由于整个标段的地质变化、施工场地限制等原因,有时也不得不采用土压平衡盾构。盾构机正常推进时候，掌子面剥落的渣土通过螺旋输送机入土口进入螺旋输送机，通过皮带传送机，排到出渣电瓶车的渣土中。

螺旋输送机作为土压平衡盾构开挖仓内渣土外运的通道，对维持开挖土仓平衡、掌子面稳定以及掘进安全起着总要的作用。螺旋输送机的闸门是保证螺旋输送机密封的主要构件，当土层中水量大的时候，闸门密封不好或者不能及时关闭，会出现喷涌事故，轻则地表沉降、重则塌方，其安全风险高。目前螺旋输送机闸门一般可分为单闸门和双闸门两种，单闸门结构简单，占用空间的大，双闸门左右对开，占用空间小，相对速度较快，开口由中间向两侧开启，其优点明显，但是容易卡死，从闸门开口处通过的渣土会沉积在闸门处，渣土会卡到闸门与门框缝隙。所以现有的两种螺旋输送机闸门在遇到涌水、涌砂时，喷涌的泥沙作用在闸门的闸板上，使闸板关闭的阻力增大，便无法正常关闭，易造成喷涌超方，甚至地面坍塌。另一种常用的办法，将一级螺旋输送机改造成二级螺旋输送机，但是其成本高昂，如果遇到富水地层，一旦出现涌水、涌砂，其密封效果也不佳。

为了防止盾构机螺旋输送机出现喷涌现象，有很多专利对螺旋输送机的出土口进行改进，比如专利号cn201620724889.2的实用新型专利一种用于盾构机螺旋输送机出土闸门的启闭装置，专利号cn201910321395.8的发明专利一种卷扬式自动关合盾构螺旋输送机闸门及其使用方法，专利号cn2017217812975公开的实用新型专利闸板倾斜设置的螺旋输送机闸门等现有技术，均是针对螺旋输送机的闸门进行改进，这些改进都需要改进螺旋输送机的本申结构，对于已有的螺旋输送机设备就需要更新换代，其成本较高，而且整体的结构比较复杂。再比如专利号cn20112052118521公开了一种螺旋输送机闸门安全装置，具体是在螺旋输送机闸门的后端安装有连接管，并在连接管安装一个手动闸门，在遇到大量压力水涌时，通过人工关闭螺旋输送机的出土闸门，其手动闸门使用不方便，无法控制出土量；专利号cn201911095616.0公开了一种带有防喷涌装置的盾构螺旋输送机，具体包括螺旋输送机和皮带输送机，还包括防喷涌装置和控制电路，所述防喷涌装置具有一管状主体、开合闸门和气动控制系统，该专利的防喷涌装置结构复杂，体积大，占用空间较大，不太适合空间狭窄的区域，而且也无法控制出土量。而在盾构施工过程中，通常需要根据掘进的地层不同需要设置螺旋输送机的排土流量，螺旋输送机排土流量控制不当极易造成地面沉降、喷涌等一些问题，严重威胁盾构施工安全。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题提供一种防涌水涌砂的安全出土盾构机螺旋输送机，该螺旋输送机通过在闸门口增加出土控制装置，控制出渣的快慢，释放螺旋输送机内的压力，解决传统螺旋输送机在富水沙层、承压水沙层盾构施工过程中喷涌的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种防涌水涌砂的安全出土盾构机螺旋输送机，包括螺旋输送机筒体、驱动装置、置于螺旋输送机筒体内的螺旋搅拌轴和置于螺旋输送机筒体上的出渣闸门，其特征在于：在出渣闸门的闸门口安装有出渣控制装置，所述出渣控制装置包括连接板、出渣套筒、置于出渣套筒内的叶轮阀和叶轮阀驱动装置，在连接板上开设有渣料通孔，所述出渣套筒为圆形筒体结构，其中一端设有驱动装置安装座，另一端设有密封端盖，在出渣套筒的筒体上分别开设有套筒进渣口和套筒出渣口，所述出渣套筒安装在连接板上，其进渣口与连接板上的渣料通孔密封对接，并通过连接板安装在出渣闸门的闸门口外侧，其渣料通孔与出渣闸门的出渣口密封对接；所述叶轮阀包括中心转轴、沿着中心转轴圆周方向分布的至少两块旋转挡板和设置在至少两块旋转挡板两端的叶轮，叶轮阀水平置于出渣套筒内，并将出渣套筒的内腔分隔成至少两个出渣腔，且叶轮的外缘以及每块旋转挡板的边缘均与出渣套筒的内壁密封接触；所述叶轮阀驱动装置安装在出渣套筒的其中一侧驱动装置安装座上，其输出轴与叶轮阀的中心转轴连接，带动叶轮阀在出渣套筒内旋转控制出渣量。

本发明进一步的技术方案：所述叶轮阀驱动装置为液压马达，并配套设有液压控制系统，所述液压控制系统采用开式液压控制系统，包括油箱，液压柱塞泵和电磁换向阀，所述液压柱塞泵为轴向变量柱塞泵，由一台四极电机驱动，并通过比例阀进行控制，所述电磁换向阀为双向控制阀，液压柱塞泵的输入端与油箱相连，输出端通过电磁换向阀与液压马达的油缸输入端相连，液压马达的油缸出油管通过电磁换向阀回到油箱。

本发明较优的技术方案：所述叶轮阀的长度与出渣套筒的内腔长度相等，叶轮的外径与出渣套筒的内径相等，并在两个叶轮的外缘与出渣套筒内壁接触面设有第一密封圈；所述旋转挡板为方形挡板，其厚度为5～8cm，其中一长边固定在中心转轴上，另一长边与出渣套筒的内壁接触，并在接触面设有密封条，所述密封条嵌入开设在旋转挡板上的密封条卡槽内。

本发明较优的技术方案：所述连接板采用形状大小与出渣闸门闸门口的形状相同的方形板体，在板体上开设有多个螺纹连接孔，所述渣料通孔的面积为闸门口面积的1/3～2/5，且与套筒进渣口的形状大小相同，在连接板的渣料通孔与出渣闸门对接面设有第二密封圈；在板体上还开设有面积大于1/2闸门口面积的渣料排出口，所述渣料排出口与套筒出渣口均对准渣土皮带输送机。

本发明较优的技术方案：所述叶轮阀包括四块旋转挡板，四块旋转挡板沿着中心转轴的圆周方向等间距分布，并与两端的叶轮结合将出渣套筒的内腔分隔成四个大小相同、且截面成扇形的出渣腔，所述套筒进渣口和套筒出渣口的口径均小于每个出渣腔的截面弧形长度。

本发明较优的技术方案：在驱动装置安装座和密封端盖上分别开设有轴承孔，并对应安装有滚动轴承，所述中心转轴的两端分别伸出出渣套筒与对应侧的滚动轴承转动连接，并在连接处通过轴承盖密封，且穿过驱动装置安装座的轴端与叶轮阀驱动装置的输出轴连接。

本发明进一步的技术方案：所述叶轮阀两端的叶轮与出渣套筒两端封闭结构之间设有润滑腔，在中心转轴内设有第一润滑油路，在每块旋转挡板临近叶轮的位置设有连通润滑腔和第一润滑油路的第二润滑油路，第一润滑油路贯穿中心转轴，并在两端分别设有封堵头。

本发明较优的技术方案：所述第一密封圈和密封条均采用聚氨酯密封条。

本发明较优的技术方案：在连接板与出渣闸门连接面的渣料通孔外缘设有一圈密封圈卡槽，所述第二密封圈采用聚氨酯密封条，嵌入凹槽内。

本发明较优的技术方案：所述第一润滑油路设置在中心转轴的中轴线上，其直径为1～1.3cm，所述第二润滑油路的直径为0.6～0.9cm；所述油箱采用盾构机自带液压系统的油箱。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过在螺旋输送机通过在闸门口增加出土控制装置，通过对出土量的控制，从而解决了传统螺旋输送机在富水沙层、承压水沙层盾构施工过程中喷涌的问题；

(2)本发明中的出土控制装置可以通过螺栓直接安装在螺旋输送机的闸门口，不会对螺旋输送机的闸门口结构有任何影响，也不需要对现有螺旋输送机进行任何改进，可以直接根据需要进行安装和拆卸，使用方便简单，即使出现故障也可以单独取下维修、清洗或者更换，不用整机更换，降低了生产成本；

(3)本发明中的出土控制装置采用叶轮阀的结构，并通过液压控制系统进行控制，通过控制电讯号，控制叶轮阀旋转的快慢，控制出渣的快慢，无论叶轮阀的旋转快慢均可实现将螺旋输送机内的压力通过叶片旋转释放，大大解决喷涌的问题，避免了地面塌方的问题发生；

(4)本发明中的出土装置，包括叶轮阀和外套筒，其叶轮阀与外套筒之间配合紧密，既可以保证叶轮阀的正常旋转，又可以保证叶轮阀与套筒壁之间的密封效果；

本发明结构简单、使用方便，密封效果好，并能有效的控制出土量，施工连续效率高、成本低廉经济性高、装置生产装拆方便，推广性强，解决了螺旋输送机在富水沙层、承压水沙层地质层环境下施工出现喷涌的问题，提高了施工安全性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中出渣控制装置的结构示意图；

图3是本发明中出渣控制装置的仰视图；

图4是图2中a-a剖视图；

图5是图2中b-b剖视图；

图6是本发明中的叶轮阀驱动装置的液压控制图；

图7是本发明中连接板的结构示意图；

图8是本发明中出渣套筒的结构示意图；

图9是本发明中出渣套筒的纵向剖面图；

图10是本发明中叶轮阀的结构示意图；

图11是本发明中叶轮阀的纵向剖面图；

图12是图11中e-e剖视图；

图13是本发明中驱动装置安装座的结构示意图；

图14是本发明中密封端盖的结构示意图；

图15是驱动装置安装座剖面图；

图16是密封端盖的剖面图。

图中：1—螺旋输送机筒体，2—驱动装置，3—螺旋搅拌轴，4—出渣闸门，5—出渣控制装置，50—连接板，5000—渣料通孔，5001—螺纹连接孔，5002—渣料排出口，5003—密封圈卡槽，51—出渣套筒，52—叶轮阀，5200—中心转轴，5201—旋转挡板，5202—叶轮，5203—润滑腔，5204—第一润滑油路，5205—二润滑油路，5206—封堵头，53—叶轮阀驱动装置，54—密封端盖，55—驱动装置安装座，56—套筒进渣口，57—套筒出渣口，58—密封条，5800—密封条卡槽，59—第一密封圈，510—第二密封圈，511—油箱，512—液压柱塞泵，513—电磁换向阀，514—液压柱塞泵，515—四极电机，516—比例阀，517—滚动轴承，518—轴承盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至图16为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例提供了一种防涌水涌砂的安全出土盾构机螺旋输送机，如图1所示，包括螺旋输送机筒体1、驱动装置2、置于螺旋输送机筒体1内的螺旋搅拌轴3和置于螺旋输送机筒体1上的出渣闸门4，螺旋搅拌轴3上设有搅拌叶，通过驱动装置2驱动将渣土从螺旋输送机筒体1的渣土进口输送到渣土出口，并在渣土出口处设有出渣闸门4，通过出渣闸门4控制出渣，将渣土送到皮带输送机上，并通过皮带输送机将其输出。本发明中的螺旋输送机还包括设置在出渣闸门4外侧的出渣控制装置5。如图2至图4所示，所述出渣控制装置5包括连接板50、出渣套筒51、置于出渣套筒51内的叶轮阀52和叶轮阀驱动装置53，在连接板50上开设有渣料通孔5000，在出渣套筒51的筒体上对称开设有套筒进渣口56和套筒出渣口57，所述出渣套筒51安装在连接板50上，其进渣口与连接板50上的渣料通孔5000密封对接，如图1所示，出渣控制装置5通过连接板50安装在出渣闸门4的外侧，其渣料通孔5000与出渣闸门4的出渣口密封对接。如图5所示，所述叶轮阀52水平置于出渣套筒51内，并将出渣套筒51的内腔分隔成四个出渣腔5100，叶轮阀52的外缘与出渣套筒51的内壁密封接触；所述叶轮阀驱动装置53安装在出渣套筒51的其中一侧，其输出轴与叶轮阀52的中心转轴5200连接，带动叶轮阀52在出渣套筒51内旋转控制出渣量。

实施例提供了一种防涌水涌砂的安全出土盾构机螺旋输送机，所述叶轮阀驱动装置53为液压马达，并配套设有液压控制系统，如图6所示，所述液压控制系统采用开式液压控制系统，通过外接电信号，包括油箱511，液压柱塞泵512和电磁换向阀513，所述液压柱塞泵514为轴向变量柱塞泵，由一台55kw四极电机515驱动，驱动转速1470r/min,四极电机515通过型罩、联轴器等辅件与液压柱塞泵514的控制端连接，液压柱塞泵514通过比例阀516进行控制，比例阀516的工作电压24v，控制电路200ma-600ma。所述电磁换向阀513为双向控制阀，进行双向旋转切换，液压柱塞泵512的输入端与油箱511相连，输出端通过电磁换向阀513与液压马达的油缸输入端相连，液压马达的油缸出油管通过电磁换向阀513回到油箱511。所述油箱5011采用盾构机自带液压系统的油箱。液压控制系统中的开式液压柱塞泵由四极电机515驱动，液压柱塞泵512的s口从盾构机油箱5011吸油，经过a口出油后进入叶轮阀驱动装置53(液压马达)的压油进口a口，驱动液压马达旋转，液压马达低压油经b口返回盾构机油箱5011。本发明通过电控液压系统驱动液压马达带动叶轮阀52转动，根据需要调节电流大小控制液压阀组流量，来控制叶轮阀52的转速。叶轮阀52转速越快，出渣系统的效率越高，根据实际需要进行控制。

实施例提供的出渣控制装置5，其连接板50具体结构如图7所示，采用形状大小与出渣闸门4闸门口的形状相同的方形板体，在板体上开设有多个螺纹连接孔5001，可以方便螺栓连接到螺旋输送机的出渣闸门4处，所述渣料通孔5000的面积为闸门口面积的1/3左右，且与套筒进渣口56的形状大小相同，在面的渣料通孔5000外缘设有一圈密封圈卡槽5003，并在密封圈卡槽5003内嵌入聚氨酯密封条制成的第二密封圈510，在连接板50与螺旋输送机的出渣闸门4连接时，可以通过第二密封圈510进行密封。在连接板上还开设有面积大于1/2闸门口面积的渣料排出口5002，在掘进顺畅的时候，可以不需要拆卸出渣控制装置5，直接将闸门口完全打开，可以直接通过所述渣料排出口5002出料，将渣土直接排出到渣土皮带输送机上，可以节约出渣控制装置5的拆装时间。

实施例提供的出渣控制装置5的出渣套筒51，如图8和图9所示，为圆形筒体结构，出渣套筒51的两端分别设有法兰连接盘，如图13和图14所示，驱动装置安装座55和密封端盖54上也设有螺栓连接孔，驱动装置安装座55可以与出渣套筒51其中一端的法兰连接盘密封连接，密封端盖54可以与出渣套筒51另一端的法兰连接盘密封连接。如图15和图16所示，在驱动装置安装座55和密封端盖59上分别开设有轴承孔，如图4所示，在每侧的轴承孔内对应安装有滚动轴承517，叶轮阀52的中心转轴5200的两端分别伸出出渣套筒51与对应侧的滚动轴承517转动连接，并在连接处通过轴承盖518密封，其连接处均通过轴承密封件将其密封，确保其密封效果。所述叶轮阀52的中心转轴5200一端为主动端，通过轴的键槽、花键与液压马达进行安装，安装液压马达端盖，安装液压马达，另一端为被动端，通过轴承盖518、轴承密封件与密封端盖54密封连接。实施例中出渣套筒51的内圈尺寸按照叶轮阀52外形尺寸制作，叶轮阀52安装到出渣套筒51内部能够达到间隙配合，叶轮阀52与出渣套筒51之间通过密封连接达到密封作用。出渣套筒51顶部连接螺旋机出土口，不影响螺旋出渣闸门4的开合，其与螺旋机连接板处加装一道聚氨酯密封条，防止泥浆外漏。

实施例提供的出渣控制装置5的叶轮阀52，如图10至图12所示，包括中心转轴5200、沿着中心转轴520圆周方向分布的四块旋转挡板5201和设置在四块旋转挡板5201两端的叶轮5202，所述叶轮阀52采用q345钢材制成，其长度与出渣套筒51的内腔长度相等，叶轮5202的外径与出渣套筒51的内径相等，并在两个叶轮5202的外缘与出渣套筒51内壁接触面设有第一密封圈59。四块旋转挡板5201沿着中心转轴5200的圆周方向等间距分布，相邻两块旋转挡板5201之间形成90°夹角，四块旋转挡板5201与两端的叶轮5202结合将出渣套筒51的内腔分隔成四个大小相同、且截面成扇形的出渣腔5100，所述套筒进渣口56和套筒出渣口57的口径均小于每个出渣腔5100的截面弧形长度，能确保渣土能够进入每个出渣腔5100内。所述旋转挡板5201为方形挡板，与中心转轴5200为一体，其厚度为6cm左右，长82cm,其中一长边固定在中心转轴5200上，另一长边与出渣套筒51的内壁接触，并在接触面设有密封条58，所述密封条58嵌入开设在旋转挡板5201上的密封条卡槽5800内。所述第一密封圈59和密封条58均采用聚氨酯密封条。

为了使叶轮阀52在出渣套筒51顺畅旋转，实施例中的叶轮阀52两端的叶轮5202外侧设有凹槽，如图4和图12所示，在叶轮阀52安装到出渣套筒51之后，两端面的凹槽分别与出渣套筒51两端封闭结构之间形成润滑腔5203，在中心转轴5200中轴线设有直径为1.2cm的第一润滑油路5204，在每块旋转挡板5201临近叶轮5202的位置设有连通润滑腔5203和第一润滑油路5204的第二润滑油路5205，第一润滑油路5204贯穿中心转轴5200，并在两端分别设有封堵头5206，封堵头5206通过螺纹连接，可以方便打开向润滑油路内注入润滑油。所述第二润滑油路5205的直径为0.8cm,且每块旋转挡板5201上的第二润滑油路与中心转轴5200之间的夹角为60°。实施例中的叶轮阀总长约1.5米，腔体和叶轮密封部分长约1米，左右两侧伸出轴长约50公分。

本发明使用时，可以根据需要将出渣控制装置5安装到螺旋输送机的出渣口，其安装通过螺栓，方便拆卸，且安装后之后不会影响出渣闸门4的正常开合，在出渣控制装置5安装好之后，调节出渣闸门4的开合度，使出渣口小于或等于出渣控制装置5连接板上的渣料通孔5000，便可以正常进行出料，渣料通过螺旋搅拌轴3输送到出料闸门4处，然后直接进入出渣控制装置5的每个出渣腔5100进行渣料排出，可以根据螺旋输送机渣料排出的快慢，来控制出渣控制装置5的叶轮阀52的转动速度，从而控制其出料速度，无论叶轮阀的旋转快慢均可实现将螺旋机内的压力通过叶片旋转释放，大大解决喷涌的问题，避免了地面塌方的问题发生。本发明中的螺旋输送机主要用于富水沙层、承压水沙层等含水量较高的土层，起到防喷涌的目的，在掘进顺畅不需要防喷涌的时候，可以不需要拆卸出渣控制装置5，直接将闸门口完全打开，直接通过连接板50上面的渣料排出口5002出料，将渣土直接排出到渣土皮带输送机上，可以节约出渣控制装置5的拆装时间。

本发明可以通过控制电讯号，控制叶轮阀旋转的快慢，控制出渣的快慢，并通过叶轮叶片的旋转将螺旋机内的压力释放，大大解决喷涌的问题，避免了地面塌方的问题发生，且安全性可靠、施工连续效率高、成本低廉经济性高、装置生产装拆方便，推广性强。

综上所述，为本发明列举的一个实施例，但本发明不仅限于上述实施例，只要以任何相同或相似的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明保护的范围。