一種搭載于TBM上實時超前水壓探測裝置與方法與流程

本發明涉及一種搭載于TBM上實時超前水壓探測裝置與方法。

背景技術：

隨著我國經濟的不斷發展，科技實力的不斷提高，隧道施工任務的要求也日益提高。在隧道施工中，TBM施工法具有快速、優質、安全、經濟、對圍巖擾動少等優點，因此TBM施工法也逐漸成為隧道施工中的首選方法。然而，隧道開挖逐漸面臨“埋深大、洞線長、地質復雜、地形險峻、災害頻發”等特點，其中突水突泥災害是目前隧道施工面臨的主要挑戰和難題，往往造成嚴重的經濟損失和生產安全問題。例如：2005年11月30日，馬鹿箐隧道出口平導施工(反坡施工)PDK255+992處，超前探孔單孔最大涌水量為35，水壓力為0.8～1.2MPa。2006年1月21日發生大規模涌水，事后測算最大涌水量為72萬，突水總量約為18萬。可以看出，水壓是突水災害中重要的預測指標。因此在隧道施工期間，提前探明掌子面前方含水構造的水壓情況對于避免突水突泥災害具有重要意義。

不論在理論上還是實踐中，工程地質界對地下水壓力的勘測研究都是有限的，對地下水壓力的認識還是停留在地下水位上，沒有進行滲流分析，沒有考慮孔隙水壓力和滲透壓力的作用。理想的均勻介質靜水壓力分布假設仍然是當前工程界計算地下水力學作用的常用方法。隧道施工中現有常用的水壓測量方法主要是布置斷面襯砌進行監測。

上述方法具有以下不足：

(1)、對地下水壓力的測量只能依賴監控量測，缺乏一種直觀、快速、準確的測量方案。

(2)、于TBM法施工隧道中應用耗時長，成本高，缺乏一種可搭載于TBM上的水壓探測裝置與方法。

(3)、只能對圍巖水壓進行測量，無法測量掌子面前方含水區域巖體水壓。

綜上所述，為了更好的實現對掌子面前方含水構造水壓的測量，避免所列舉的現有測量水壓儀器和方法的缺點，本文基于隧道周邊水體分布信息以及對水壓探測原理和TBM超前鉆機機械結構的研究，設計了可搭載于TBM上的超前水壓測量系統，但面臨如下難題：

(1)、如何克服TBM復雜的機械結構與破巖強震動以及將水壓測量系統搭載于TBM上。

(2)、如何克服TBM法施工隧道的狹小空間中，測量耗時長、成本高，以及數據結果準確性差的問題。

(3)、如何搭載于現有的超前鉆機，實現水壓測量系統的隨鉆伸縮。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種搭載于TBM上實時超前水壓探測裝置與方法，本發明可對TBM法施工隧道掌子面前方含水構造水壓進行準確探測，保證TBM施工安全與人員安全，同時克服了數值分析方法與實際工程情況不同，準確性差的問題。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種搭載于TBM上實時超前水壓探測裝置，包括鉆頭、壓敏陶瓷膜片和電阻傳感器，其中，所述鉆頭與超前鉆機鉆桿相適配，所述鉆頭呈I型，中間段橫截面小于兩端橫截面，所述中間段一側開孔，孔內設置電阻傳感器，所述壓敏陶瓷膜片設置在孔表面，與所述電阻傳感器相連，感應水壓并進行輸出。

所述孔用所述壓敏陶瓷膜片封堵，封堵連接處進行密封。

所述鉆頭呈I型，進行超前鉆探時，中間段承載水，形成環形密閉的飽水空間。

所述鉆頭內部為空腔。

所述壓敏陶瓷膜片感應環形飽水空間的水壓并將其轉化為電信號。

所述電阻傳感器，位于所述鉆頭內部空腔，將接收到的電信號轉化為水壓力輸出。

所述壓敏陶瓷膜片，尺寸與所述鉆頭開孔相同。

一種基于上述裝置的探測方法，步驟包括：

(1)將鉆頭與搭載于TBM的超前鉆機鉆桿相連接；

(2)啟動超前鉆機，鉆機推送鉆桿壓入待測水壓區域巖體，直到最前方鉆頭完全壓入鉆孔，此時鉆孔中形成一個含水的環形密閉空間；

(3)記錄傳感器壓力讀數，等待設定時間后，再次記錄傳感器讀數，確定掌子面前方水壓。

所述步驟(1)中，將電阻傳感器置于開孔的鉆頭內，連接壓敏陶瓷膜片，并將壓敏陶瓷膜片焊接于鉆頭開孔位置，保證密封。

所述步驟(2)中，待孔深超過一個鉆頭的距離后，抽出適當深度進行清渣，清渣完成后繼續推送鉆頭。

本發明的有益效果為：

(1)本發明提供了一種準確、直觀的地下水壓力測量方案，搭載方便，測量快速，可對待測區域巖體水壓力變化進行實時監控。

(2)本發明可根據超前鉆機的型號進行鉆頭尺寸的選擇，因而可搭載于任何型號的超前鉆機。總體積與鉆桿類似，搭載方便，不受TBM復雜的機械結構的影響。

(3)本發明可與超前鉆機同時工作，于TBM停機維護時進行，避免了破巖強震動帶來的困難。

(4)本發明可對待測區域巖體水壓力進行直接測量，克服了數值分析方法與實際工程情況不同，準確性差的問題。

附圖說明

圖1是本發明各部分組合方式示意圖。

圖2是本發明探測原理示意圖。

圖3是本發明于TBM上搭載示意圖。

其中：1.超前鉆機。2.鉆頭。3.陶瓷膜片。4.電阻傳感器。5.含水環形密閉空間。6.巖體。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，為本發明一種搭載于TBM上實時超前水壓探測裝置與方法的各部分組合方式示意圖。包括超前鉆機1、鉆頭2、陶瓷膜片3、電阻傳感器4。其中鉆機1可為TBM中常見的錨桿鉆機或超前鉆機，是該探測裝置能搭載于TBM上的必要前提。鉆頭2的尺寸可視鉆機1的型號而定，其結構是形成環形密閉含水空間的的保證。陶瓷膜片3具有耐磨、防腐蝕的特點，以保證其可以在鉆機鉆進過程中正常工作，同時陶瓷膜片3具有壓敏的特點，可以將水壓力轉化為電阻傳感器4可接收的電信號。電阻傳感器4可將接收到的電信號轉化為壓力值進行儲存和傳輸。

所述鉆頭2，兩端橫截面尺寸可根據所用超前鉆機鉆桿尺寸進行選擇，所述鉆頭2中段橫截面小于兩端橫截面。所述鉆頭2中段一側開孔，并用所述壓敏陶瓷膜片3封堵，保證密封。所述鉆頭2主要用于在進行超前鉆探時，于工作面前方形成環形密閉的飽水空間。

所述壓敏陶瓷膜片3，尺寸與所述鉆頭2開孔相同，與所述電阻傳感器相連，共同構成壓敏電阻。所述壓敏陶瓷膜片3主要用于感應環形飽水空間的水壓并將其轉化為電信號。

所述電阻傳感器4，位于所述鉆頭2內部空腔，主要用于將接收到的電信號轉化為水壓力輸出。

如圖2所示，為本發明探測原理示意圖。鉆機1推送鉆頭2壓入待測水壓區域巖體。待孔深超過一個鉆頭2的距離后，抽出適當深度進行清渣。清渣完成后繼續推送鉆頭2，直到最前方鉆頭2完全壓入鉆孔，此時鉆孔中形成一個含水的環形密閉空間5，該空間飽水后的水壓力等于待測區域巖體的水壓，方便陶瓷膜片3、電阻傳感器4進行測量。

如圖3所示，為本發明于TBM上搭載示意圖。其搭載方式與超前鉆機于TBM上的搭載方式相同。包括以下步驟：

1、將電阻傳感器置于開孔的鉆頭內，連接壓敏陶瓷膜片，并將壓敏陶瓷膜片焊接于鉆頭開孔位置，保證密封。最后將鉆頭與搭載于TBM的超前鉆機鉆桿相連接。

2、啟動超前鉆機，鉆機推送鉆桿壓入待測水壓區域巖體。待孔深超過一個鉆頭的距離后，抽出適當深度進行清渣。清渣完成后繼續推送鉆頭，直到最前方鉆頭完全壓入鉆孔，此時鉆孔中形成一個含水的環形密閉空間5。

3、記錄傳感器壓力讀數。等待2小時，待鉆孔水飽和后再次記錄傳感器讀數。可得掌子面前方水壓。探水裝置搭載于TBM超前鉆機時的工作狀態。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。