用于监测泥岩地层勘探孔封孔质量的多级伸缩式操作方法与流程

1.本发明属于盾构施工技术领域，尤其是涉及一种用于监测泥岩地层勘探孔封孔质量的多级伸缩式操作方法。


背景技术：

2.地下空间是一个城市的宝贵资源，近年来，随着人们对出行的需求日益增长，地面的公路交通已经不能满足人们的需要，许多城市开始探索地下的轨道交通即地铁。地铁建设离不开盾构隧道施工，由于盾构施工需要穿越诸多地层，在施工前必须进行详细的工程地质勘察。
3.钻探是工程地质勘察的常用手段，在钻探完成后，我们应对勘探孔进行封孔处理，否则地面的雨水等会沿着勘探孔渗入地层，影响盾构施工的质量。泥岩是一种遇水易松散崩解的沉积岩，在我国有广泛的分布。若盾构勘探孔封孔不严，地面水沿孔洞进入泥岩层，使得泥岩崩解，则盾构施工至勘探孔处易发生塌孔、渗水等灾害，甚至会导致严重的生产事故。因此，在含有泥岩的地层中进行盾构施工时，需要对勘探孔的封孔质量进行严密的监测。现阶段对勘探孔的研究主要集中在勘探孔的成孔、封孔手段，而勘探孔封孔质量的后期监测较少，也没有专门用于泥岩软化崩解监测的手段，无法实现长期的监测和预警。


技术实现要素：

4.为了克服现有的盾构施工监测装置及其操作方法无法对泥岩地层勘探孔封孔质量进行长期监测，无法对孔内湿度变化进行监测，无法全面了解孔内情况，无法用于泥岩地层的勘探孔封孔质量监测的问题，实现对泥岩地层勘探孔封孔质量的长期监测和预警，有效地提高盾构施工的安全和质量，本发明提供了一种用于监测泥岩地层勘探孔封孔质量的多级伸缩式操作方法，不但可以用于勘探孔封孔质量的长期监测，而且具有智能预警、地下定位、数据传输功能，能够保障盾构在含有泥岩地层中施工的安全性。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种用于监测泥岩地层勘探孔封孔质量的多级伸缩式操作方法，所述方法包括以下步骤：
7.(1)装置部署，过程如下：
8.1.1开挖勘探孔，根据勘探工作的需要以及设计，确定勘探孔深度和直径；
9.1.2确定装置下放深度；
10.1.3根据勘探孔的直径，确定下放注浆复用管的长度、外壁直径、复用管内壁直径，监测装置外壳的直径和高度；
11.1.4准备下放：将监测装置放入复用管内壁中，使橡胶塞与复用管内壁充分接触，并将地面监测站的电缆连入数据接口，将钢索与吊装孔连接；
12.1.5下放、扫描孔壁：将下放注浆复用管匀速下放至勘探孔的底部，在下放过程中，开启装置底部的摄像头与照明灯，获取勘探孔孔壁的土层详细信息，寻找薄弱位置，确定最
佳装置下放深度；
13.1.6注浆：将水泥浆注入下放注浆复用管的注浆层，使水泥浆沿着注浆层注入勘探孔的底部，同时提升下放注浆复用管与装置主体；
14.1.7下放监测装置，当提升下放注浆复用管至预定深度时，停止注浆，缓慢提升下放注浆复用管，同时将电缆和钢索慢慢向下放层中送入，使得合金底座紧贴水泥浆液，提升预定高度后，停止提升；
15.1.8展开监测装置，启动步进电机，驱动转轴，放出钢丝绳，使得内臂、中臂、外臂有序伸出，直至侧湿度计嵌入勘探孔的孔壁，铝合金板紧贴孔壁，关闭步进电机；
16.1.9继续注浆：断开吊装孔、数据接口的连接，使装置与地面的物理连接脱离，开启超声收发声呐，检查无线超声连接的可用性；继续向注浆层内注浆并提升下放注浆复用管，直至勘探孔的孔顶；
17.1.10封顶：停止注浆，移除下放注浆复用管，盖上勘探孔孔顶盖39，封孔完毕；
18.(2)监测预警，过程如下：
19.2.1封顶完毕后，开启侧湿度计、顶部湿度计，并解锁步进电机，使得钢丝绳可以带动步进电机的转动，监测步进电机感应电流变化；
20.2.2某一时刻，由于封孔质量不佳，地表水沿勘探孔渗流而下，勘探孔内湿度升高；顶部湿度计与侧湿度计监测到湿度变化，触发湿度预警，预警信息通过超声收发声呐传递至地面监测站。
21.进一步，所述步骤(2)中，监测预警的过程还包括如下：
22.2.3接下来的某一时刻，如果装置监测深度处泥岩地层遇水发生崩解，由于内弹簧、中弹簧、外弹簧的作用，铝合金板始终紧贴孔壁，泥岩孔壁的崩解塌陷使得伸缩探测机构伸出，带动钢丝绳，使步进电机转动，产生较大的感应电流，触发崩解预警，预警信息通过超声收发声呐传递至地面监测站。
23.再进一步，实现所述操作方法的多级伸缩式智能装置包括吊装孔、数据接口、合金外壳、合金底座、超声收发声呐、橡胶塞、多级伸缩探测机构、摄像头、照明灯、步进电机、转轴、齿轮组、定滑轮组、钢丝绳、侧湿度计和顶部湿度计；
24.其中，吊装孔和数据接口与合金外壳固定连接；合金底座与合金外壳通过卡扣连接；超声收发声呐与合金外壳固定连接；橡胶塞与合金外壳固定连接位于合金外壳的底部外侧；多级伸缩探测机构与合金外壳固定连接；摄像头与合金底座固定连接；照明灯与合金底座固定连接；步进电机与合金底座固定连接，转轴穿过合金底座上的圆孔，并可自由转动；步进电机的输出轴通过齿轮组与转轴联动；定滑轮组与金属外壳固定连接；钢丝绳一头与多级伸缩探测机构固定连接，钢丝绳另一头与绕线盘固定连接，并穿过定滑轮组，多级伸缩探测机构安装侧湿度计，顶部湿度计与合金外壳固定连接；绕线盘安装在转轴上。
25.优选的，所述多级伸缩探测机构包括内弹簧、内臂、内挡板、中弹簧、中臂、中挡板、外弹簧、外臂、外挡板、球支座和铝合金板，内弹簧的内端与合金外壳固定连接；内臂穿过合金外壳上的圆孔；内挡板与内臂固定连接，内弹簧的外端顶触在所述内挡板上；中弹簧位于内臂内且中弹簧的内端与内壁固定连接，中臂穿过内臂上的圆孔；中挡板与中臂固定连接，中弹簧的外端顶触在中挡板上；外弹簧位于中臂内且外弹簧的内端与中臂固定连接；外臂穿过中臂上的圆孔；外挡板与外臂固定连接，外弹簧的外端顶触在外挡板上；球支座与铝合
金板固定连接，并嵌入外臂上的孔位；侧湿度计与铝合金板固定连接。
26.本发明的有益效果主要表现在：(1)下放位置精确可控。本装置具有摄像头和照明灯，配合下放注浆复用管，并且采用下放前扫描孔壁、下放时选择位置、下放后注浆密实的“三步下放法”，能够判断勘探孔内泥岩地层薄弱位置，实现下放位置的自由选择，使监测工作更为合理和有效。(2)监测数据多维化。本装置通过顶部湿度计、侧湿度计能够监测孔壁湿度、孔内湿度，通过多级伸缩探测机构连接的钢丝绳以及步进电机能够监测孔壁位移，可实现孔内
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孔壁
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岩体多维监测和预警，避免了单一监测点而导致的监测误差，提高了预警的可用性和可靠性。(3)地层内的定位与数据传递。本装置配备有超声收发声呐，借助超声波在地下较强的传播能力，可实现多个装置间的定位以及数据传输，当盾构接近时还可借助超声波接收设备实时获取盾构掌子面前方的勘探孔情况，实现超前预报，有助于盾构施工的安全和质量。(4)适应能力强。本装置具有三段长度调节的多级伸缩式探测机构，能够根据勘探孔实际的孔径调整装置展开过程中多级伸缩式探测机构的伸出量，能够适配多种孔径的勘探孔，有较好的适用性。
附图说明
27.图1是用于监测泥岩地层勘探孔封孔质量的多级伸缩式智能装置的主视图。
28.图2是图1的侧视图。
29.图3是图1的俯视图。
30.图4是图1的仰视图。
31.图5是a
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a截面图。
32.图6是c
‑
c截面图。
33.图7是b
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b截面图。
34.图8是工作状态图。
35.图9是复用管示意图，(a)是主视图，(b)是截面图。
36.图10是预警原理图，(a)是初始状态，(b)是预警状态。
37.图11是开挖勘探孔的状态图。
38.图12是准备下放的状态图。
39.图13是下放、扫描孔壁的状态图。
40.图14是扫描完毕的状态图。
41.图15是注浆、提升的状态图。
42.图16是停止注浆、下放监测装置的状态图。
43.图17是展开监测装置的状态图。
44.图18是继续注浆的状态图。
45.图19是注浆、提升至孔顶的状态图。
46.图20是封顶、封孔结束的状态图。
47.图21是示例图。
48.图22是典型勘探孔的示意图。
49.其中，1.吊装孔；2.数据接口；3.合金外壳；4.合金底座；5.超声收发声呐；6.橡胶塞；7.多级伸缩探测机构；8.摄像头；9.照明灯；10.步进电机；11.转轴；12.齿轮；13.定滑轮
组；14.钢丝绳；15.内弹簧；16.内臂；17.内挡板；18.中弹簧；19.中臂；20.中挡板；21.外弹簧；22.外臂；23.外挡板；24.球支座；25.铝合金板；26.侧湿度计；27.顶部湿度计；28.勘探孔；29.下放注浆复用管；30.复用管外壁；31.注浆层；32.复用管内壁；33.下放层；34.地面监测站；35.绕线盘；36.泥岩地层；37.泥岩崩解塌陷；38.监测装置主体；39.勘探孔顶盖和40.注浆浆液。
具体实施方式
50.下面结合附图对本发明作进一步描述。
51.参照图1～图22，一种用于监测泥岩地层勘探孔封孔质量的多级伸缩式操作方法，包括以下步骤：
52.(1)装置部署，过程如下：
53.1.1开挖勘探孔,根据勘探工作的需要以及设计，确定勘探孔28深度为31米，采用xy
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100型钻机，开挖勘探孔28，勘探孔28直径100mm。
54.1.2确定装置下放深度。根据开挖勘探孔28后取样得到的岩芯，确定装置大致下放深度为22～23米，位于中风化钙质泥岩土层36中。
55.1.3确定设备关键参数。根据勘探孔28的直径，确定下放注浆复用管29长度32m，复用管外壁30直径800mm，复用管内壁32直径400mm；装置合金外壳3直径400mm，高度400mm。
56.1.4准备下放。将监测装置放入复用管内壁32中，使橡胶塞6与复用管内壁32充分接触，并将地面监测站34的电缆连入数据接口2，将钢索与吊装孔1连接。
57.1.5下放、扫描孔壁。将下放注浆复用管29匀速下放至勘探孔28的底部，在下放过程中，开启装置底部的摄像头8与照明灯9，获取勘探孔28孔壁的土层详细信息，寻找薄弱位置，确定最佳装置下放深度为22.3米。
58.1.6注浆。将水泥浆注入下放注浆复用管29的注浆层31，使水泥浆40沿着注浆层31注入勘探孔28的底部，同时提升下放注浆复用管29与装置主体38。
59.1.7下放监测装置。当提升下放注浆复用管29至22.1(22.3
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0.4/2)米深度时，停止注浆，缓慢提升下放注浆复用管29，同时将电缆和钢索慢慢向下放层33中送入，使得合金底座4紧贴水泥浆液。提升250mm后，停止提升。
60.1.8展开监测装置。启动步进电机10，驱动转轴11，放出钢丝绳14，使得内臂16、中臂19、外臂22有序伸出，直至侧湿度计26嵌入勘探孔28的孔壁，铝合金板25紧贴孔壁，关闭步进电机10。
61.1.9继续注浆。断开吊装孔1、数据接口2的连接，使装置与地面的物理连接脱离，开启超声收发声呐5，检查无线超声连接的可用性；继续向注浆层31内注浆并提升下放注浆复用管29，直至勘探孔28的孔顶。
62.1.10封顶。停止注浆，移除下放注浆复用管29，盖上勘探孔28孔顶盖39，封孔完毕。
63.(2)监测预警，过程如下：
64.2.1封顶完毕后，开启侧湿度计26、顶部湿度计27，并解锁步进电机10，使得钢丝绳14可以带动步进电机10的转动，监测步进电机10感应电流变化。
65.2.2某一时刻，由于封孔质量不佳，地表水沿勘探孔28渗流而下，勘探孔28内湿度升高，装置顶部湿度计27与侧湿度计26监测到湿度变化，触发湿度预警，预警信息通过超声
收发声呐5传递至地面监测站34。
66.2.3如预警原理图所示，接下来的某一时刻，装置监测深度处泥岩地层36遇水发生崩解，由于内弹簧15、中弹簧18、外弹簧21的作用，铝合金板25始终紧贴孔壁，泥岩孔壁的崩解塌陷37使得伸缩探测机构7伸出，带动钢丝绳14，使步进电机10转动，产生较大的感应电流，触发崩解预警，预警信息通过超声收发声呐5传递至地面监测站34。
67.某盾构隧道施工工程，采用一台rme254φ6450型复合式土压平衡盾构机施工。根据勘探孔揭露的地层结构、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质，盾构区间的土层参数如表1所示。
[0068][0069]
表1
[0070]
由于勘探工作的必要性，盾构区间内存在大量的勘探孔，若雨水沿封孔不良的勘探孔渗流至泥岩地层，将会导致泥岩崩解，进而影响盾构施工。因此需要对勘探孔的封孔质量进行长期监测，而目前尚无可以实现泥岩地层勘探孔封孔质量监测预警的装置，采用用于监测泥岩地层勘探孔封孔质量的多级伸缩式智能装置及其操作方法可以实现对泥岩地层勘探孔封孔质量的长期监测和预警，有效地提高盾构施工的安全和质量。本工程的典型勘探孔如图22所示。
[0071]
本实施例中，用于监测泥岩地层勘探孔封孔质量的多级伸缩式智能装置中，其中，吊装孔1和数据接口2与合金外壳3固定连接；合金底座4与合金外壳3通过卡扣连接；超声收发声呐5与合金外壳3固定连接；橡胶塞6与合金外壳3固定连接位于合金外壳3的底部外侧；多级伸缩探测机构7与合金外壳3固定连接；摄像头8与合金底座4固定连接；照明灯9与合金底座4固定连接；步进电机10与合金底座4固定连接，转轴11穿过合金底座4上的圆孔，并可自由转动；步进电机10的输出轴通过齿轮组12与转轴联动；定滑轮组13与金属外壳3固定连接；钢丝绳14一头与多级伸缩探测机构7固定连接，钢丝绳14另一头与绕线盘35固定连接，并穿过定滑轮组13；
[0072]
多级伸缩探测机构7中，内弹簧15的内端与合金外壳3固定连接；内臂16穿过合金外壳3上的圆孔；内挡板17与内臂16固定连接，内弹簧15的外端顶触在所述内挡板17上；中弹簧18位于内臂16内且中弹簧18的内端与内壁16固定连接，中臂19穿过内臂16上的圆孔；中挡板20与中臂19固定连接，中弹簧18的外端顶触在中挡板20上；外弹簧21位于中臂19内且外弹簧21的内端与中臂19固定连接；外臂22穿过中臂19上的圆孔；外挡板23与外臂22固定连接，外弹簧21的外端顶触在外挡板23上；球支座24与铝合金板25固定连接，并嵌入外臂22上的孔位；侧湿度计26与铝合金板25固定连接；顶部湿度计27与合金外壳3固定连接；绕线盘35安装在转轴11上。
[0073]
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。