一种软硬不均复合地层快凝沉降控制装置及其控制方法

摘要

本发明涉及地层沉降控制装置技术领域，具体是一种软硬不均复合地层快凝沉降控制装置及其控制方法，包括底座，底座的顶部设置有一组液压机械臂，液压机械臂的输出端上铰接连接有一组滑轨，滑轨上设置有一组钻孔组件，钻孔组件的旁侧设置有一组速凝组件，底座的顶部靠近液压机械臂的一侧设置有一组浆液输送组件，本发明中，在速凝组件的作用下，能够在自下而上钻孔灌浆的过程中，将孔洞快速封闭，防止未凝固的浆液流出，使得施工过程得以持续进行，在钻孔组件以及浆液输送组件的共同作用下，能够使得对复合地层的钻孔以及灌注过程同时进行，使得流动性较差的浆液得以完全到达孔洞的底部，保证对复合地层固化效果。

说明书

技术领域

本发明涉及地层沉降控制装置技术领域，特别是涉及一种软硬不均复合地层快凝沉降控制装置及其控制方法。

背景技术

复合地层是指在地下工程开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的组合地层，在盾构穿越上软下硬复合地层时，由于盾构姿态难以控制，刀盘对前方岩土体的切削程度不一致，易造成较大的地层扰动，引发大幅度、大面积的地表沉降，加上复合地层在空间上组合形态多变，地表沉降的分布规律更加复杂，地表沉降难以得到针对性控制，使盾构施工安全与盾构上方既有构建筑物的安全难以得到保障，面对这种软硬差别较大的地层时，可以通过向地层中灌入可以扩散到地层孔隙中的浆液，改良地层软硬不均的特性，使得开挖面地层性质尽量相近，以防止软硬不均地层盾构姿态难以控制，引发地层沉降，影响施工安全。

现有的浆液灌浆装置，存在问题如下：

（1）现有的浆液灌浆装置，在进行自上而下的灌浆操作时，需要等浆液完全凝固后，方可进行另一处的灌浆操作，施工的连续性差。

（2）现有的浆液灌浆装置，需要先通过钻孔机在复合地层中钻孔，之后通过浆液灌浆机向孔中灌浆，由于浆液的流动性较差，灌入的浆液难以完全到达孔洞的底部，导致对复合地层的固化效果不佳。

因此，现在亟需设计一种能解决上述问题的一种软硬不均复合地层快凝沉降控制装置及其控制方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种软硬不均复合地层快凝沉降控制装置及其控制方法，伸入地层中进行充分注浆，并逐级注浆凝固，有效改良地层软硬不均的特性，使得开挖面地层性质尽量相近，有效解决软硬不均地层盾构姿态难以控制而引发地层沉降的问题，提高施工安全性。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：一种软硬不均复合地层快凝沉降控制装置，包括底座，所述底座的顶部设置有一组液压机械臂，液压机械臂的输出端上铰接连接有一组滑轨，所述滑轨上设置有一组钻孔组件，所述钻孔组件的旁侧设置有一组速凝组件，所述底座的顶部靠近液压机械臂的一侧设置有一组浆液输送组件；

其中，速凝组件包括有固定架、转动盘、圆形固定盘、圆形套环、多组转轴、多组挡板、多组推动杆以及多组滑动杆，所述固定架设置在所述滑轨的没末端，所述圆形固定盘以及圆形套环同心设置在所述固定架远离滑轨一侧的侧壁上，所述转动盘与所述圆形套环转动连接，所述圆形套环的外边缘上设置有啮合齿槽，每组挡板均通过一组转轴与所述圆形固定盘转动连接，所述圆形固定盘上开设有多组弧形滑槽，多组所述推动杆的一端均与转动盘铰接，每组推动杆远离转动盘的一端均与一组滑动杆铰接，每组滑动杆远离推动杆的一端均与一组挡板铰接，每组滑动杆均与一组弧形滑槽对应，每组滑动杆均与对应的弧形滑槽滑动配合。

优选的，所述固定架的旁侧设置有一组快凝剂储存箱，每组所述挡板上均设置有一组排料孔，每组排料孔均与所述快凝剂储存箱的内部连通。

优选的，所述圆形套环的外边缘上设置有啮合齿槽，所述圆形套环上开设有供啮合齿槽通过的缺口。

优选的，所述每组挡板的外边缘均设置有密封橡胶层，两组相邻的挡板之间均通过所述密封橡胶层密封连接。

优选的，所述钻孔组件包括有滑动板、导料管、驱动电机、减速器、主动齿轮、从动齿轮、限位块、固定块、螺旋钻头、防回流块以及移动部件，所述滑动板滑动连接在所述滑轨上，所述固定块设置在所述滑动板的顶部，限位块设置在滑轨的顶部，所述导料管与限位块以及固定块均转动连接，所述从动齿轮套设在导料管的外壁上，所述驱动电机设置在滑动板的顶部，驱动电机的输出端与减速器传动连接，所述主动齿轮套设在减速器的输出轴上，所述主动齿轮与从动齿轮啮合，所述螺旋钻头设置在导料管远离驱动电机的一侧，所述导料管的末端开设有多组与导料管内部连通的导料孔，所述防回流块设置在导料管上靠近导料孔的一侧。

优选的，所述移动部件包括有转动电机、第一同步带、链条以及两组转动轴，所述转动电机设置在滑轨靠近滑动板的一侧，两组转动轴分别转动连接在滑轨的两侧，每组转动轴上均套设有一组飞轮，所述链条设置在两组飞轮上，且链条靠近滑动板的一侧与滑动板铰接，所述转动电机与靠近转动电机的一组转动轴通过第一同步带传动连接。

优选的，所述滑轨的顶部设置有一组传动部件，传动部件包括有传动架、齿环、连接齿轮、传动轴、第二同步带以及传动齿轮，所述传动架设置在限位块的旁侧，所述连接齿轮转动连接在传动架上，所述齿环套设在导料管的外壁上，所述齿环与连接齿轮啮合，所述传动轴设置在传动架的旁侧，所述传动齿轮设置在传动轴的末端，所述传动齿轮与啮合齿槽啮合，所述传动轴与连接齿轮之间通过第二同步带传动连接。

优选的，所述浆液输送组件包括有搅拌罐、圆形齿环、搅拌电机、驱动齿轮、转动杆、连接板以及多组转杆，所述搅拌罐设置在底座的顶部，搅拌罐的内部呈中空状，所述圆形齿环设置在所述搅拌罐的内壁上，所述转动杆与搅拌罐顶部的内壁转动连接，且转动杆与圆形齿环为同心设置，所述驱动齿轮套设在所述转动杆上，所述连接板设置在驱动齿轮的上方，且连接板与转动杆转动连接，多组转杆均匀设置在连接板的的底部，且每组转杆均与连接板转动连接，每组转杆上均套设在有一组被动齿轮，每组被动齿轮均与所述驱动齿轮以及圆形齿环啮合，每组转轴的外壁上均设置有多组搅动杆，所述搅拌电机设置在搅拌罐的顶部，搅拌电机的输出轴与转动杆固定连接。

优选的，所述浆液输送组件还包括有输送泵、输送管以及转动接头，所述输送泵设置在搅拌罐的旁侧，输送泵的输入端与搅拌罐的内部连通，所述输送管的输入端与输送泵的输出端连通，输送管的输出端通过所述转动接头与导料管连通。

优选的，一种软硬不均复合地层快凝沉降控制装置的控制方法，包括以下步骤:

S1:液压机械臂驱动螺旋钻头移动至适当位置，转动电机通过驱动链条运动，带动滑动板移动，使得齿环与连接齿轮啮合，之后，驱动电机通过主动齿轮驱动导料管转动，使得多组挡板展开，供螺旋钻头通过；

S2：螺旋钻头在驱动电机的作用下对复合地层较软的地层进行钻孔，并在滑动板的驱动下，逐渐深入地层中；

S3：当螺旋钻头到达适当的深度后，输送泵向导料管中注入浆液，通过导料管上的导料孔排出到钻的孔洞中，并在滑动板的作用下，逐渐退出孔洞；

S4：当导料管完全退出孔洞后，驱动电机通过主动齿轮驱动导料管转动，使得多组挡板闭合，将孔洞的出口封闭；

S5:多组挡板上的排料孔将快凝剂储存箱中的快凝剂注入到孔洞的出口处，将孔洞完全封闭，防止未凝固的浆液流出，之后多组挡板展开，与快凝剂脱离，并快速重复上述过程，进行下一步的处理。

本发明的有益效果是：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种软硬不均复合地层快凝沉降控制装置及其控制方法，伸入地层中进行充分注浆，并逐级注浆凝固，有效改良地层软硬不均的特性，使得开挖面地层性质尽量相近，有效解决软硬不均地层盾构姿态难以控制而引发地层沉降的问题，提高施工安全性。

其一、本发明中，在速凝组件的作用下，能够在自下而上钻孔灌浆的过程中，将孔洞快速封闭，防止未凝固的浆液流出，使得施工过程得以持续进行，具体的，多组挡板同时闭合，对未凝固的浆液进行遮挡封闭，之后，多组挡板上的排料孔将快凝剂储存箱中的快凝剂注入到孔洞的出口处，快凝剂快速凝固，将孔洞完全封闭，防止未凝固的浆液流出，之后多组挡板展开，与快凝剂脱离，防止挡板与快凝剂发生粘连，液压机械臂驱动钻头移动，能够快速进行下一步的钻孔灌注操作，使得施工得以持续进行；

其二、本发明中，在钻孔组件以及浆液输送组件的共同作用下，能够使得对复合地层的钻孔以及灌注过程同时进行，使得流动性较差的浆液得以完全到达孔洞的底部，保证对复合地层固化效果，具体的，转动电机通过第一同步带带动链条沿着两组飞轮转动，以驱动滑动板沿着滑轨移动，当螺旋钻头到达孔洞底部时，输送泵向导料管中注入浆液，滑动板驱动转动管逐渐从孔洞中退出，使得浆液充分填充在孔洞中，保证对复合地层的固化效果，防止复合地层过度沉降；

其三、本发明中，转动杆在搅拌电机的驱动作用下，会带动驱动齿轮转动，驱动齿轮转动时，会带动多组被动齿轮一同发生自转，进而带动转杆转动，且由于每组转杆均与连接板转动连接，在转杆进行自转的同时，会以转动杆为圆心，沿着转动杆转动，从而使得位于转杆外壁上的搅动杆既能够自转的同时，也能够沿着转动杆转动，对搅拌罐中的浆液进行不断地搅拌，使得浆液充分混合，并防止浆液凝固；

其四、本发明中，密封橡胶层能够将多组挡板之间的缝隙进行封闭，通过多组闭合的挡板对未凝固的浆液进行阻挡，防止浆液流出；

其五、本发明中，驱动电机通过减速器减速之后，通过主动齿轮与从动齿轮的啮合作用，带动螺旋钻头转动，对复合地层进行钻孔，输送泵向导料管中注入浆液，通过导料管上的导料孔排出到钻的孔洞的底部，导料管上的防回流块能够有效防止导料管在逐渐退出孔洞的过程中，浆液发生回流溢出；

其六、本发明中，转动管上的齿环随着滑动板移动，使得齿环与连接齿轮啮合，连接齿轮通过第二同步带带动传动轴转动，传动轴继续通过传动齿轮带动转动盘转动，使得多组挡板同时闭合或展开。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的侧视示意图；

图3为本发明中钻孔组件的部分立体结构示意图；

图4为图3中A处放大图；

图5为图3中B处放大图；

图6为本发明中传动部件部分的立体结构示意图；

图7为图6中C处放大图；

图8为本发明中速凝组件的立体结构示意图；

图9为图8中D处放大图；

图10为本发明中速凝组件的部分立体结构示意图；

图11为本发明中搅拌组件的立体结构剖视示意图；

图12为本发明中搅拌组件的部分立体结构示意图。

附图标记说明：

1、底座；2、搅拌罐；3、滑轨；4、液压机械臂；5、固定块；6、第一同步带；7、缺口；8、圆形套环；9、固定架；10、链条；11、输送管；12、转动接头；13、快凝剂储存箱；14、滑动板；15、转动电机；16、转动轴；17、导料管；18、驱动电机；19、减速器；20、从动齿轮；21、主动齿轮；22、飞轮；23、传动轴；24、限位块；25、速凝组件；26、传动齿轮；27、防回流块；28、螺旋钻头；29、导料孔；30、传动架；31、转动盘；32、啮合齿槽；33、圆形固定盘；34、推动杆；35、弧形滑槽；36、挡板；37、排料孔；38、转轴；39、搅拌电机；40、输送泵；42、圆形齿环；43、转杆；44、搅动杆；45、连接板；46、齿环；47、连接齿轮；48、第二同步带；49、被动齿轮；50、驱动齿轮；51、滑动杆；52、转动杆。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加浅显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一：

如图1-图12所示，本发明提供了一种软硬不均复合地层快凝沉降控制装置及其控制方法，包括底座1，所述底座1的顶部设置有一组液压机械臂4，液压机械臂4的输出端上铰接连接有一组滑轨3，所述滑轨3上设置有一组钻孔组件，所述钻孔组件的旁侧设置有一组速凝组件25，所述底座1的顶部靠近液压机械臂4的一侧设置有一组浆液输送组件；

这里需要说明的是，图示中的底座1形状仅是一种固定在平面的造型，底座1还可以根据实际工程需要，做成异形固定放置在盾构机上，或者固定在其他装置上。

其中，速凝组件25包括有固定架9、转动盘31、圆形固定盘33、圆形套环8、多组转轴38、多组挡板36、多组推动杆34以及多组滑动杆51，所述固定架9设置在所述滑轨3的没末端，所述圆形固定盘33以及圆形套环8同心设置在所述固定架9远离滑轨3一侧的侧壁上，所述转动盘31与所述圆形套环8转动连接，所述圆形套环8的外边缘上设置有啮合齿槽32，每组挡板36均通过一组转轴38与所述圆形固定盘33转动连接，所述圆形固定盘33上开设有多组弧形滑槽35，多组所述推动杆34的一端均与转动盘31铰接，每组推动杆34远离转动盘31的一端均与一组滑动杆51铰接，每组滑动杆51远离推动杆34的一端均与一组挡板36铰接，每组滑动杆51均与一组弧形滑槽35对应，每组滑动杆51均与对应的弧形滑槽35滑动配合；导料管17转动时，导料管17上的齿环46带动连接齿轮47转动，连接齿轮47通过传动轴23带动传动齿轮26转动，进而带动转动盘31转动，当转动盘31转动时，通过推动杆34带动滑动杆51沿着弧形滑槽35移动，驱动挡板36转动，控制多组挡板36同时展开与闭合。

具体的，所述固定架9的旁侧设置有一组快凝剂储存箱13，每组所述挡板36上均设置有一组排料孔37，每组排料孔37均与所述快凝剂储存箱13的内部连通；多组挡板36上的排料孔37能够将快凝剂储存箱13中的快凝剂注入到孔洞的出口处，将孔洞完全封闭。

具体的，所述圆形套环8的外边缘上设置有啮合齿槽32，所述圆形套环8上开设有供啮合齿槽32通过的缺口7；啮合齿槽32与传动齿轮26啮合，驱动转动盘31转动，能够通过控制导料管17的转动，来控制多组挡板36同时展开与闭合。

具体的，所述每组挡板36的外边缘均设置有密封橡胶层，两组相邻的挡板36之间均通过所述密封橡胶层密封连接；密封橡胶层能够将多组挡板36之间的缝隙进行封闭，通过多组闭合的挡板36对未凝固的浆液进行阻挡，防止浆液流出。

具体的，所述钻孔组件包括有滑动板14、导料管17、驱动电机18、减速器19、主动齿轮21、从动齿轮20、限位块24、固定块5、螺旋钻头28、防回流块27以及移动部件，所述滑动板14滑动连接在所述滑轨3上，所述固定块5设置在所述滑动板14的顶部，限位块24设置在滑轨3的顶部，所述导料管17与限位块24以及固定块5均转动连接，所述从动齿轮20套设在导料管17的外壁上，所述驱动电机18设置在滑动板14的顶部，驱动电机18的输出端与减速器19传动连接，所述主动齿轮21套设在减速器19的输出轴上，所述主动齿轮21与从动齿轮20啮合，所述螺旋钻头28设置在导料管17远离驱动电机18的一侧，所述导料管17的末端开设有多组与导料管17内部连通的导料孔29，所述防回流块27设置在导料管17上靠近导料孔29的一侧；驱动电机18通过减速器19减速之后，通过主动齿轮21与从动齿轮20的啮合作用，带动螺旋钻头28转动，对复合地层进行钻孔，输送泵40向导料管17中注入浆液，通过导料管17上的导料孔29排出到钻的孔洞的底部，防回流块27能够有效防止导料管17在逐渐退出孔洞的过程中，浆液发生回流溢出。

具体的，所述移动部件包括有转动电机15、第一同步带6、链条10以及两组转动轴16，所述转动电机15设置在滑轨3靠近滑动板14的一侧，两组转动轴16分别转动连接在滑轨3的两侧，每组转动轴16上均套设有一组飞轮22，所述链条10设置在两组飞轮22上，且链条10靠近滑动板14的一侧与滑动板14铰接，所述转动电机15与靠近转动电机15的一组转动轴16通过第一同步带6传动连接；转动电机15通过第一同步带6带动链条10沿着两组飞轮22转动，以驱动滑动板14沿着滑轨3移动，当导料孔29向孔洞中注入浆液时，滑动板14驱动转动管逐渐从孔洞中退出，使得浆液充分填充在孔洞中，保证对复合地层的固化效果，防止复合地层过度沉降。

具体的，所述滑轨3的顶部设置有一组传动部件，传动部件包括有传动架30、齿环46、连接齿轮47、传动轴23、第二同步带48以及传动齿轮26，所述传动架30设置在限位块24的旁侧，所述连接齿轮47转动连接在传动架30上，所述齿环46套设在导料管17的外壁上，所述齿环46与连接齿轮47啮合，所述传动轴23设置在传动架30的旁侧，所述传动齿轮26设置在传动轴23的末端，所述传动齿轮26与啮合齿槽32啮合，所述传动轴23与连接齿轮47之间通过第二同步带48传动连接；当浆液灌注完毕后，转动管上的齿环46随着滑动板14移动，使得齿环46与连接齿轮47啮合，连接齿轮47通过第二同步带48带动传动轴23转动，传动轴23继续通过传动齿轮26带动转动盘31转动，使得多组挡板36同时闭合，对未凝固的浆液进行遮挡封闭，防止浆液流出。

具体的，所述浆液输送组件包括有搅拌罐2、圆形齿环42、搅拌电机39、驱动齿轮50、转动杆52、连接板45以及多组转杆43，所述搅拌罐2设置在底座1的顶部，搅拌罐2的内部呈中空状，所述圆形齿环42设置在所述搅拌罐2的内壁上，所述转动杆52与搅拌罐2顶部的内壁转动连接，且转动杆52与圆形齿环42为同心设置，所述驱动齿轮50套设在所述转动杆52上，所述连接板45设置在驱动齿轮50的上方，且连接板45与转动杆52转动连接，多组转杆43均匀设置在连接板45的的底部，且每组转杆43均与连接板45转动连接，每组转杆43上均套设在有一组被动齿轮49，每组被动齿轮49均与所述驱动齿轮50以及圆形齿环42啮合，每组转轴38的外壁上均设置有多组搅动杆44，所述搅拌电机39设置在搅拌罐2的顶部，搅拌电机39的输出轴与转动杆52固定连接；转动杆52在搅拌电机39的驱动作用下，会带动驱动齿轮50转动，驱动齿轮50转动时，会带动多组被动齿轮49一同发生自转，进而带动转杆43转动，且由于每组转杆43均与连接板45转动连接，在转杆43进行自转的同时，会以转动杆52为圆心，沿着转动杆52转动，从而使得位于转杆43外壁上的搅动杆44既能够自转的同时，也能够沿着转动杆52转动，对搅拌罐2中的浆液进行不断地搅拌，使得浆液充分混合，并防止浆液凝固。

具体的，所述浆液输送组件还包括有输送泵40、输送管11以及转动接头12，所述输送泵40设置在搅拌罐2的旁侧，输送泵40的输入端与搅拌罐2的内部连通，所述输送管11的输入端与输送泵40的输出端连通，输送管11的输出端通过所述转动接头12与导料管17连通；输送泵40向导料管17中注入浆液，通过导料管17上的导料孔29排出到钻的孔洞中。

具体的，本发明还公开了一种软硬不均复合地层快凝沉降控制装置的控制方法，包括以下步骤:

S1:液压机械臂4驱动螺旋钻头28移动至适当位置，转动电机15通过驱动链条10运动，带动滑动板14移动，使得齿环46与连接齿轮47啮合，之后，驱动电机18通过主动齿轮21驱动导料管17转动，使得多组挡板36展开，供螺旋钻头28通过；

S2：螺旋钻头28在驱动电机18的作用下对复合地层较软的地层进行钻孔，并在滑动板14的驱动下，逐渐深入地层中；

S3：当螺旋钻头28到达适当的深度后，输送泵40向导料管17中注入浆液，通过导料管17上的导料孔29排出到钻的孔洞中，并在滑动板14的作用下，逐渐退出孔洞；

S4：当导料管17完全退出孔洞后，驱动电机18通过主动齿轮21驱动导料管17转动，使得多组挡板36闭合，将孔洞的出口封闭；

S5:多组挡板36上的排料孔37将快凝剂储存箱13中的快凝剂注入到孔洞的出口处，将孔洞完全封闭，防止未凝固的浆液流出，之后多组挡板36展开，与快凝剂脱离，并快速重复上述过程，进行下一步的处理。

工作原理：驱动电机18通过减速器19减速之后，通过主动齿轮21与从动齿轮20的啮合作用，带动螺旋钻头28转动，对复合地层进行钻孔，之后，输送泵40向导料管17中注入浆液，通过导料管17上的导料孔29排出到钻的孔洞的底部。

转动杆52在搅拌电机39的驱动作用下，会带动驱动齿轮50转动，驱动齿轮50转动时，会带动多组被动齿轮49一同发生自转，进而带动转杆43转动，且由于每组转杆43均与连接板45转动连接，在转杆43进行自转的同时，会以转动杆52为圆心，沿着转动杆52转动，从而使得位于转杆43外壁上的搅动杆44既能够自转的同时，也能够沿着转动杆52转动，对搅拌罐2中的浆液进行不断地搅拌，使得浆液充分混合，并防止浆液凝固。

转动电机15通过第一同步带6带动链条10沿着两组飞轮22转动，以驱动滑动板14沿着滑轨3移动，当导料孔29向孔洞底部注入浆液时，滑动板14驱动转动管逐渐从孔洞中退出，使得浆液充分填充在孔洞中，保证对复合地层的固化效果，防止复合地层过度沉降。

当浆液灌注完毕后，转动管上的齿环46随着滑动板14移动，使得齿环46与连接齿轮47啮合，连接齿轮47通过第二同步带48带动传动轴23转动，传动轴23继续通过传动齿轮26带动转动盘31转动，当转动盘31转动时，通过推动杆34带动滑动杆51沿着弧形滑槽35移动，驱动挡板36转动，控制多组挡板36同时闭合，对未凝固的浆液进行遮挡封闭，防止浆液流出。

之后，多组挡板36上的排料孔37将快凝剂储存箱13中的快凝剂注入到孔洞的出口处，快凝剂快速凝固，将孔洞完全封闭，防止未凝固的浆液流出，之后多组挡板36展开，与快凝剂脱离，防止挡板36与快凝剂发生粘连，液压机械臂4驱动钻头移动，能够快速进行下一步的钻孔灌注操作，使得施工得以持续进行。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。