一種適用于tbm隧洞的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)施系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種適用于TBM隧洞的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)施系統(tǒng)，可用于水利水電、交通建設(shè)等TBM開(kāi)挖巖質(zhì)隧洞時(shí)掌子面巖體的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]TBM(即全斷面隧道掘進(jìn)機(jī))隧道開(kāi)挖法相較于傳統(tǒng)鉆爆開(kāi)挖法具有施工效率高、成硐效果好、對(duì)圍巖擾動(dòng)小、安全性優(yōu)等特點(diǎn)，已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于水利水電、交通建設(shè)等領(lǐng)域。而隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐漸深入，隧道工程將不可避免地遇到高地應(yīng)力、大埋深的地質(zhì)環(huán)境，使得TBM在開(kāi)挖過(guò)程中面臨著掌子面巖體的巖爆、坍塌失穩(wěn)、掘進(jìn)困難等困擾。因此，如何獲得掌子面巖體的損傷破裂信息、監(jiān)測(cè)預(yù)警可能的地質(zhì)災(zāi)害，是提高TBM掘進(jìn)信息化智能化水平、建立巖體災(zāi)害預(yù)警體系的關(guān)鍵。
[0003]聲發(fā)射技術(shù)的基本原理在于利用布置在空間中構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的若干聲發(fā)射傳感器(要實(shí)現(xiàn)空間定位，理論上最少需要四個(gè))，將接收到的巖體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生微破裂而釋放的應(yīng)力波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并在主機(jī)中進(jìn)行分析、處理。由于不同傳感器接收到的應(yīng)力波存在到時(shí)時(shí)差，通過(guò)反演計(jì)算便可確定聲源位置、時(shí)間、能量大小等信息。已有研究表明，許多巖石工程地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前，都存在聲發(fā)射活動(dòng)異常。聲發(fā)射活動(dòng)信息反映了巖體內(nèi)部的損傷破裂發(fā)展，監(jiān)測(cè)TBM隧洞掌子面巖體的聲發(fā)射活動(dòng)信息，分析其損傷演化過(guò)程，可為判斷和預(yù)防掌子面巖爆、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，以及評(píng)價(jià)TBM掘進(jìn)效率提供重要依據(jù)。另一方面，聲發(fā)射信號(hào)在巖體中的傳播存在衰減，因此聲發(fā)射傳感器的布置對(duì)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的效果及范圍存在重要影響，而受工程實(shí)際的制約，特別是TBM隧洞中，聲發(fā)射傳感器往往只能布置在一定區(qū)域內(nèi)，故如何進(jìn)行傳感器的布置并實(shí)現(xiàn)傳感器與巖體的有效耦合對(duì)于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。
[0004]目前，針對(duì)TBM隧洞現(xiàn)場(chǎng)條件下聲發(fā)射監(jiān)測(cè)傳感器的布置及安裝研究還較少。已有的研究(文獻(xiàn)《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》，2010年第8期，陳炳瑞，“深埋隧洞TBM施工過(guò)程圍巖損傷演化聲發(fā)射試驗(yàn)”。文獻(xiàn)《Journal of Rock Mechanics and GeotechnicalEngineering》，2013年第6 期，Wuwei Cheng , “Acoustic emiss1n monitoring ofrockbursts during TBM-excavated headrace tunneling at Jinping Π hydropowerstat1n” o中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)CN101726544A，公開(kāi)日2010.06.09，發(fā)明專(zhuān)利名稱“聲發(fā)射深孔監(jiān)測(cè)傳感器防護(hù)、固定與回收集成裝置”)，通過(guò)在TBM隧洞旁開(kāi)挖試驗(yàn)洞，并垂直于TBM掘進(jìn)方向鉆設(shè)若干試驗(yàn)孔，使用安裝桿將特制的帶保護(hù)套的聲發(fā)射傳感器推送至鉆孔孔底，在防水膠作用下使其與孔底巖壁耦合，從而實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)TBM側(cè)向圍巖聲發(fā)射信號(hào)的目的。這種傳感器布置方式需要在兩平行隧洞間的橫通洞中沿TBM掘進(jìn)方向提前開(kāi)挖試驗(yàn)洞，并鉆設(shè)試驗(yàn)孔，而實(shí)際工程中往往不具備相應(yīng)施工條件，且這類(lèi)傳感器布設(shè)方式只能用于監(jiān)測(cè)TBM隧洞側(cè)向圍巖區(qū)域的損傷破裂過(guò)程，難以獲得掌子面巖體聲發(fā)射活動(dòng)信息。同時(shí)，現(xiàn)有特制的帶保護(hù)套的聲發(fā)射傳感器裝置雖能解決傳感器與孔底巖壁的耦合問(wèn)題，但其組成部件多，制作工序復(fù)雜，操作不便，一個(gè)孔內(nèi)只能安裝一個(gè)聲發(fā)射傳感器，這些都限制了其使用范圍。另外，要實(shí)現(xiàn)未開(kāi)挖巖體的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，須鉆設(shè)深孔(20m以上)以安放聲發(fā)射傳感器，而鉆機(jī)成孔過(guò)程中由于鉆頭受力不均，鉆桿將產(chǎn)生一定的撓度偏離，使得實(shí)際成孔并非完全筆直，而是有一定的曲率。若采用鋼制推送桿，推送(及回收)過(guò)程將在彎曲處存在較大的阻力，不利于傳感器的順利推送與回收。
[0005]為實(shí)現(xiàn)對(duì)TBM開(kāi)挖下掌子面巖體的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，須根據(jù)TBM施工特點(diǎn)設(shè)計(jì)合理可行的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在保證聲發(fā)射傳感器與巖體耦合良好以及試驗(yàn)后能有效回收的前提下，考慮可能出現(xiàn)的安裝問(wèn)題，盡量精簡(jiǎn)裝置，提高裝置的可操作性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種適用于TBM隧洞的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)施系統(tǒng)，因地制宜解決TBM隧洞掌子面巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)難以實(shí)施、傳感器與鉆孔孔壁耦合困難、試驗(yàn)后傳感器不易回收的問(wèn)題，使TBM開(kāi)挖掌子面巖體過(guò)程中的微破裂聲發(fā)射信息能被有效獲取，為提高TBM掘進(jìn)信息化智能化水平、建立巖體災(zāi)害預(yù)警體系奠定基礎(chǔ)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種適用于TBM隧洞的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)施系統(tǒng)，其特征在于:包括以下步驟:
[0008]a在隧道內(nèi)敞開(kāi)式TBM盾殼后的巖壁上，以豎直線為中心的100°頂拱范圍內(nèi)，等間距鉆設(shè)五個(gè)傾斜的監(jiān)測(cè)鉆孔，各監(jiān)測(cè)鉆孔與隧道軸線分別共面，且兩者所成夾角相等，每個(gè)孔內(nèi)按相同間距布置兩個(gè)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置，構(gòu)成一空間網(wǎng)狀陣列；
[0009]b聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置的制作，將聲發(fā)射傳感器數(shù)據(jù)線穿過(guò)珍珠棉止漏塞I中孔后，一同套在PPR空心管上，在所述珍珠棉止漏塞I的兩側(cè)安裝止漏塞定位套進(jìn)行固定，再在另一PPR空心管上安裝好珍珠棉止漏塞Π通過(guò)止漏塞定位套固定，通過(guò)三通將安裝有止漏塞的相鄰兩PPR空心管連接起來(lái)，然后將聲發(fā)射傳感器固定在三通上，即完成一個(gè)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置的制作；
[0010]c聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置在所述監(jiān)測(cè)鉆孔內(nèi)的安裝，根據(jù)鉆孔深度，將兩個(gè)所述聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)直通續(xù)接若干段PPR空心管，并將孔底一側(cè)端口封住，調(diào)節(jié)管長(zhǎng)，使得作為推送桿的PPR空心管推至監(jiān)測(cè)鉆孔孔底時(shí)，兩個(gè)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置均處在預(yù)定的空間位置，再將整個(gè)裝置緩慢伸入鉆孔內(nèi)完成安裝；
[0011]d聲發(fā)射傳感器與孔壁的耦合，在聲發(fā)射傳感器數(shù)據(jù)線與洞外聲發(fā)射儀連接后，將耦合劑逐步注入各PPR空心管內(nèi)并通過(guò)三通溢出充填耦合區(qū)，直至耦合良好，然后將孔口一側(cè)端口封??；
[0012]e聲發(fā)射監(jiān)測(cè)與裝置回收，當(dāng)TBM開(kāi)動(dòng)時(shí)，打開(kāi)聲發(fā)射儀開(kāi)始采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)，待TBM由遠(yuǎn)及近直至通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)區(qū)域后，關(guān)閉聲發(fā)射儀，斷開(kāi)數(shù)據(jù)線連接，將推送桿緩慢拔出，旋下直通，收集管內(nèi)耦合劑，完成回收。
[0013]作為改進(jìn)，在向PPR空心管內(nèi)注入耦合劑時(shí)，開(kāi)啟聲發(fā)射儀采集數(shù)據(jù)并用鐵錘敲擊巖壁，檢查相應(yīng)聲發(fā)射通道是否能有效接收振動(dòng)信號(hào)，若能則表明耦合良好，停止注入并將端口封住;否則繼續(xù)注入耦合劑直至聲發(fā)射傳感器能有效接收信號(hào)，再將端口封住，所述耦合劑為00#潤(rùn)滑脂。
[0014]作為改進(jìn)，同一監(jiān)測(cè)鉆孔內(nèi)，靠近孔口一側(cè)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置的三通其溢出口口徑小于靠近孔底一側(cè)的，以使兩耦合區(qū)盡可能均勻地充填耦合劑。
[0015]—種用于上述聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)施系統(tǒng)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置，包括兼做推送桿和耦合劑注入通道的PPR空心管、用于連接兩段PPR空心管并作為耦合劑溢出通道的三通、套在PPR空心管上用于形成耦合區(qū)的止漏塞、用于連接PPR空心管的直通、用于封住PPR空心管端口防止耦合劑流出的端蓋，所述止漏塞直徑略大于監(jiān)測(cè)鉆孔直徑，每一個(gè)止漏塞兩端均設(shè)有防止其相對(duì)PPR空心管滑動(dòng)的止漏塞定位套，所述三通、直通、端蓋通過(guò)螺紋連接方式與PPR空心管相連。
[0016]所述止漏塞為珍珠棉止漏塞I和珍珠棉止漏塞Π，所述端蓋為孔底端蓋和孔口端至
ΠΠ O
[0017]本發(fā)明由于采用上述技術(shù)方案，具有如下有益效果:
[0018]1.監(jiān)測(cè)鉆孔布置方案充分利用了 TBM施工時(shí)，拱頂區(qū)域存在的有限空間，布置傳感器構(gòu)成空間網(wǎng)狀陣列，有利于聲發(fā)射微震裂源的定位。同時(shí)這種傳感器布置方式使得當(dāng)少數(shù)聲發(fā)射傳感器或其線路出現(xiàn)故障無(wú)法工作時(shí)，不會(huì)影響聲發(fā)射監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的整體穩(wěn)定性，仍具有良好的微震裂源定位能力。
[0019]2.采用具有滿足使用要求流動(dòng)性的粘稠態(tài)半流體一00射聞滑脂作為耦合介質(zhì)，使得巖體中的應(yīng)力波可通過(guò)該耦合介質(zhì)被傳感器有效接收，同時(shí)也避免了采用鉆孔全段充水耦合方式時(shí)面臨的堵水困難以及鉆孔巖壁上可能存在貫通裂隙而形成滲漏通道的問(wèn)題。由于該耦合劑具有粘稠特性，使得可以用珍珠棉材料制作止漏塞即可進(jìn)行封堵，在由一對(duì)止漏塞限定的含聲發(fā)射傳感器的一小段范圍內(nèi)，通過(guò)三通充填耦合劑，可實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射應(yīng)力波的有效傳播與接收。
[0020]3.因地制宜解決TBM隧洞掌子面巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)難以實(shí)施、傳感器與鉆孔孔壁耦合困難、試驗(yàn)后傳感器不易回收的問(wèn)題，使TBM開(kāi)挖掌子面巖體過(guò)程中的微破裂聲發(fā)射信息能被有效獲取，為提高TBM掘進(jìn)信息化智能化水平、建立巖體災(zāi)害預(yù)警體系奠定基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0021 ]圖1為T(mén)BM隧洞聲發(fā)射監(jiān)測(cè)傳感器布置俯視圖；
[0022]圖2為聲發(fā)射傳感器及其監(jiān)測(cè)鉆孔位置橫剖面投影圖；
[0023]圖3為3#監(jiān)測(cè)鉆孔及傳感器位置縱剖面圖；
[0024]圖4為聲發(fā)射網(wǎng)狀監(jiān)測(cè)陣列示意圖；
[0025]圖5為聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置示意圖；
[0026]圖6為聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置1-1剖面圖；
[0027]圖7為聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置Π-Π剖面圖；
[0028]圖8為止漏塞定位套主視圖；
[0029]圖9為止漏塞定位套俯視圖；
[0030]圖10為止漏塞定位套A-A剖面投影圖；
[0031]圖11為直通連接示意圖；
[0032]圖12為孔底端蓋連接示意圖；
[0033]圖13為孔口端蓋連接示意圖。
[0034]其中，I一隧道，2—敞開(kāi)式TBM，3—掌子面巖體，4一聲發(fā)射監(jiān)測(cè)區(qū)域，5—監(jiān)測(cè)鉆孔，6—珍珠棉止漏塞I，7—止漏塞定位套，8