本發(fā)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(shù)：

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，科技實力的不斷提高，隧道施工任務(wù)的要求也日益提高。在隧道施工中，TBM施工法具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟、對圍巖擾動少等優(yōu)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(zhì)復(fù)雜、地形險峻、災(zāi)害頻發(fā)”等特點，其中突水突泥災(zāi)害是目前隧道施工面臨的主要挑戰(zhàn)和難題，往往造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和生產(chǎn)安全問題。例如：2005年11月30日，馬鹿箐隧道出口平導(dǎo)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(fā)生大規(guī)模涌水，事后測算最大涌水量為72萬，突水總量約為18萬?？梢钥闯觯畨菏峭凰疄?zāi)害中重要的預(yù)測指標(biāo)。因此在隧道施工期間，提前探明掌子面前方含水構(gòu)造的水壓情況對于避免突水突泥災(zāi)害具有重要意義。

不論在理論上還是實踐中，工程地質(zhì)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(rèn)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(zhì)靜水壓力分布假設(shè)仍然是當(dāng)前工程界計算地下水力學(xué)作用的常用方法。隧道施工中現(xiàn)有常用的水壓測量方法主要是布置斷面襯砌進行監(jiān)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(jiān)控量測，缺乏一種直觀、快速、準(zhǔn)確的測量方案。

(2)、于TBM法施工隧道中應(yīng)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(qū)域巖體水壓。

綜上所述，為了更好的實現(xiàn)對掌子面前方含水構(gòu)造水壓的測量，避免所列舉的現(xiàn)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(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計了可搭載于TBM上的超前水壓測量系統(tǒng)，但面臨如下難題：

(1)、如何克服TBM復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)與破巖強震動以及將水壓測量系統(tǒng)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(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確性差的問題。

(3)、如何搭載于現(xiàn)有的超前鉆機，實現(xiàn)水壓測量系統(tǒng)的隨鉆伸縮。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)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(fā)明可對TBM法施工隧道掌子面前方含水構(gòu)造水壓進行準(zhǔn)確探測，保證TBM施工安全與人員安全，同時克服了數(shù)值分析方法與實際工程情況不同，準(zhǔn)確性差的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)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(cè)開孔，孔內(nèi)設(shè)置電阻傳感器，所述壓敏陶瓷膜片設(shè)置在孔表面，與所述電阻傳感器相連，感應(yīng)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(huán)形密閉的飽水空間。

所述鉆頭內(nèi)部為空腔。

所述壓敏陶瓷膜片感應(yīng)環(huán)形飽水空間的水壓并將其轉(zhuǎn)化為電信號。

所述電阻傳感器，位于所述鉆頭內(nèi)部空腔，將接收到的電信號轉(zhuǎn)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(qū)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(huán)形密閉空間；

(3)記錄傳感器壓力讀數(shù)，等待設(shè)定時間后，再次記錄傳感器讀數(shù)，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(nèi)，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(dāng)深度進行清渣，清渣完成后繼續(xù)推送鉆頭。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明提供了一種準(zhǔn)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(qū)域巖體水壓力變化進行實時監(jiān)控。

(2)本發(fā)明可根據(jù)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?？傮w積與鉆桿類似，搭載方便，不受TBM復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)的影響。

(3)本發(fā)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(fā)明可對待測區(qū)域巖體水壓力進行直接測量，克服了數(shù)值分析方法與實際工程情況不同，準(zhǔn)確性差的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明各部分組合方式示意圖。

圖2是本發(fā)明探測原理示意圖。

圖3是本發(fā)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(huán)形密閉空間。6.巖體。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，為本發(fā)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(jié)構(gòu)是形成環(huán)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)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(cè)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(huán)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(gòu)成壓敏電阻。所述壓敏陶瓷膜片3主要用于感應(yīng)環(huán)形飽水空間的水壓并將其轉(zhuǎn)化為電信號。

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

如圖2所示，為本發(fā)明探測原理示意圖。鉆機1推送鉆頭2壓入待測水壓區(qū)域巖體。待孔深超過一個鉆頭2的距離后，抽出適當(dāng)深度進行清渣。清渣完成后繼續(xù)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(huán)形密閉空間5，該空間飽水后的水壓力等于待測區(qū)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(fā)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(nèi)，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(qū)域巖體。待孔深超過一個鉆頭的距離后，抽出適當(dāng)深度進行清渣。清渣完成后繼續(xù)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(huán)形密閉空間5。

3、記錄傳感器壓力讀數(shù)。等待2小時，待鉆孔水飽和后再次記錄傳感器讀數(shù)?？傻谜谱用媲胺剿畨骸Ｌ剿b置搭載于TBM超前鉆機時的工作狀態(tài)。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。