一种搭载于TBM上实时超前水压探测装置与方法与流程

本发明涉及一种搭载于TBM上实时超前水压探测装置与方法。

背景技术：

随着我国经济的不断发展，科技实力的不断提高，隧道施工任务的要求也日益提高。在隧道施工中，TBM施工法具有快速、优质、安全、经济、对围岩扰动少等优点，因此TBM施工法也逐渐成为隧道施工中的首选方法。然而，隧道开挖逐渐面临“埋深大、洞线长、地质复杂、地形险峻、灾害频发”等特点，其中突水突泥灾害是目前隧道施工面临的主要挑战和难题，往往造成严重的经济损失和生产安全问题。例如：2005年11月30日，马鹿箐隧道出口平导施工(反坡施工)PDK255+992处，超前探孔单孔最大涌水量为35，水压力为0.8～1.2MPa。2006年1月21日发生大规模涌水，事后测算最大涌水量为72万，突水总量约为18万。可以看出，水压是突水灾害中重要的预测指标。因此在隧道施工期间，提前探明掌子面前方含水构造的水压情况对于避免突水突泥灾害具有重要意义。

不论在理论上还是实践中，工程地质界对地下水压力的勘测研究都是有限的，对地下水压力的认识还是停留在地下水位上，没有进行渗流分析，没有考虑孔隙水压力和渗透压力的作用。理想的均匀介质静水压力分布假设仍然是当前工程界计算地下水力学作用的常用方法。隧道施工中现有常用的水压测量方法主要是布置断面衬砌进行监测。

上述方法具有以下不足：

(1)、对地下水压力的测量只能依赖监控量测，缺乏一种直观、快速、准确的测量方案。

(2)、于TBM法施工隧道中应用耗时长，成本高，缺乏一种可搭载于TBM上的水压探测装置与方法。

(3)、只能对围岩水压进行测量，无法测量掌子面前方含水区域岩体水压。

综上所述，为了更好的实现对掌子面前方含水构造水压的测量，避免所列举的现有测量水压仪器和方法的缺点，本文基于隧道周边水体分布信息以及对水压探测原理和TBM超前钻机机械结构的研究，设计了可搭载于TBM上的超前水压测量系统，但面临如下难题：

(1)、如何克服TBM复杂的机械结构与破岩强震动以及将水压测量系统搭载于TBM上。

(2)、如何克服TBM法施工隧道的狭小空间中，测量耗时长、成本高，以及数据结果准确性差的问题。

(3)、如何搭载于现有的超前钻机，实现水压测量系统的随钻伸缩。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种搭载于TBM上实时超前水压探测装置与方法，本发明可对TBM法施工隧道掌子面前方含水构造水压进行准确探测，保证TBM施工安全与人员安全，同时克服了数值分析方法与实际工程情况不同，准确性差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种搭载于TBM上实时超前水压探测装置，包括钻头、压敏陶瓷膜片和电阻传感器，其中，所述钻头与超前钻机钻杆相适配，所述钻头呈I型，中间段横截面小于两端横截面，所述中间段一侧开孔，孔内设置电阻传感器，所述压敏陶瓷膜片设置在孔表面，与所述电阻传感器相连，感应水压并进行输出。

所述孔用所述压敏陶瓷膜片封堵，封堵连接处进行密封。

所述钻头呈I型，进行超前钻探时，中间段承载水，形成环形密闭的饱水空间。

所述钻头内部为空腔。

所述压敏陶瓷膜片感应环形饱水空间的水压并将其转化为电信号。

所述电阻传感器，位于所述钻头内部空腔，将接收到的电信号转化为水压力输出。

所述压敏陶瓷膜片，尺寸与所述钻头开孔相同。

一种基于上述装置的探测方法，步骤包括：

(1)将钻头与搭载于TBM的超前钻机钻杆相连接；

(2)启动超前钻机，钻机推送钻杆压入待测水压区域岩体，直到最前方钻头完全压入钻孔，此时钻孔中形成一个含水的环形密闭空间；

(3)记录传感器压力读数，等待设定时间后，再次记录传感器读数，确定掌子面前方水压。

所述步骤(1)中，将电阻传感器置于开孔的钻头内，连接压敏陶瓷膜片，并将压敏陶瓷膜片焊接于钻头开孔位置，保证密封。

所述步骤(2)中，待孔深超过一个钻头的距离后，抽出适当深度进行清渣，清渣完成后继续推送钻头。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种准确、直观的地下水压力测量方案，搭载方便，测量快速，可对待测区域岩体水压力变化进行实时监控。

(2)本发明可根据超前钻机的型号进行钻头尺寸的选择，因而可搭载于任何型号的超前钻机。总体积与钻杆类似，搭载方便，不受TBM复杂的机械结构的影响。

(3)本发明可与超前钻机同时工作，于TBM停机维护时进行，避免了破岩强震动带来的困难。

(4)本发明可对待测区域岩体水压力进行直接测量，克服了数值分析方法与实际工程情况不同，准确性差的问题。

附图说明

图1是本发明各部分组合方式示意图。

图2是本发明探测原理示意图。

图3是本发明于TBM上搭载示意图。

其中：1.超前钻机。2.钻头。3.陶瓷膜片。4.电阻传感器。5.含水环形密闭空间。6.岩体。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明一种搭载于TBM上实时超前水压探测装置与方法的各部分组合方式示意图。包括超前钻机1、钻头2、陶瓷膜片3、电阻传感器4。其中钻机1可为TBM中常见的锚杆钻机或超前钻机，是该探测装置能搭载于TBM上的必要前提。钻头2的尺寸可视钻机1的型号而定，其结构是形成环形密闭含水空间的的保证。陶瓷膜片3具有耐磨、防腐蚀的特点，以保证其可以在钻机钻进过程中正常工作，同时陶瓷膜片3具有压敏的特点，可以将水压力转化为电阻传感器4可接收的电信号。电阻传感器4可将接收到的电信号转化为压力值进行储存和传输。

所述钻头2，两端横截面尺寸可根据所用超前钻机钻杆尺寸进行选择，所述钻头2中段横截面小于两端横截面。所述钻头2中段一侧开孔，并用所述压敏陶瓷膜片3封堵，保证密封。所述钻头2主要用于在进行超前钻探时，于工作面前方形成环形密闭的饱水空间。

所述压敏陶瓷膜片3，尺寸与所述钻头2开孔相同，与所述电阻传感器相连，共同构成压敏电阻。所述压敏陶瓷膜片3主要用于感应环形饱水空间的水压并将其转化为电信号。

所述电阻传感器4，位于所述钻头2内部空腔，主要用于将接收到的电信号转化为水压力输出。

如图2所示，为本发明探测原理示意图。钻机1推送钻头2压入待测水压区域岩体。待孔深超过一个钻头2的距离后，抽出适当深度进行清渣。清渣完成后继续推送钻头2，直到最前方钻头2完全压入钻孔，此时钻孔中形成一个含水的环形密闭空间5，该空间饱水后的水压力等于待测区域岩体的水压，方便陶瓷膜片3、电阻传感器4进行测量。

如图3所示，为本发明于TBM上搭载示意图。其搭载方式与超前钻机于TBM上的搭载方式相同。包括以下步骤：

1、将电阻传感器置于开孔的钻头内，连接压敏陶瓷膜片，并将压敏陶瓷膜片焊接于钻头开孔位置，保证密封。最后将钻头与搭载于TBM的超前钻机钻杆相连接。

2、启动超前钻机，钻机推送钻杆压入待测水压区域岩体。待孔深超过一个钻头的距离后，抽出适当深度进行清渣。清渣完成后继续推送钻头，直到最前方钻头完全压入钻孔，此时钻孔中形成一个含水的环形密闭空间5。

3、记录传感器压力读数。等待2小时，待钻孔水饱和后再次记录传感器读数。可得掌子面前方水压。探水装置搭载于TBM超前钻机时的工作状态。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。