CN105714755A - 一种可开闭的隧道超前水压水量探测装置 - Google Patents
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Abstract
一种可自封闭的隧道超前水压水量探测装置，包括依次连接的可开闭的封堵装置、可伸缩的导水装置和水压水量测量装置。探测前采用水平超前钻孔机钻孔至所需探测的位置，软弱地层采用套管护壁。装置伸入探孔内，前端套管抵住孔底，继续向里推进中心套管，前端套管和首节套管之间相对运动，使得钢支架带动橡胶片撑开，形成密闭空间。首节套筒上的卡扣卡在前端套管的凹槽内，保证密闭装置处于工作状态。待水充满管节，关闭后端的阀门，通过水压计测定水压；打开阀门，通过水流量机测定水量；通过最前端孔隙水压力传感器测定前端地层中的孔隙水压力。测定完毕后继续往里推中心套管至卡扣脱出凹槽，旋转中心套管后方可松开钢支架，将整个装置脱出。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道超前水压水量探测装置，适用于各种土层及岩层隧道，特别是适用于矿山法隧道施工通过高水压断裂破碎带时的水压水量超前探测。属于土木工程现场探测技术领域。
背景技术
隧道施工中，地下水是最大的风险源之一，是造成开挖面坍塌，地面沉降的重要原因，尤其遇到断层破碎带，地层节理密集时，很有可能会产生突涌水。由于对地下水探测不明或处理不当引起的工程事故屡见不鲜，造成巨大的经济损失。工程施工前地质勘查并不能完全反应地质情况，特别是对地下水的探测，需要在施工过程中进行掌子面超前探测，更为准确的掌握施工范围内的工程地质及水文地质情况，以保证施工安全。
目前现有的超前探测手段主要有常规地质法(地质素描法、地质作图法、数码成像等)、超前导坑法(平行导坑法、正洞导坑法)、超前钻探预报法(深孔水平钻探、孔内摄影等)、物理勘探法(TSP、地质雷达及红外探水等)。常规地质法的优点是不干扰施工，设备简单，出结果快，预报效果较好，而且为整个隧道提供详细的地质资料；缺点是对于隧道前方未开挖的不良地质容易漏报。超前导坑预报法中的正洞导坑法是在隧道正洞中某个部位开挖一个断面较小的导坑以探明地质情况的方法。该方法较平行导坑法更直接、更准确。正洞导坑可作为隧道施工工法的一种，既开挖了隧道又探明了地质情况。物探法中红外探水是常用的方法，不需要钻孔，操作便捷，但是由于该方法受施工环境(如施工涌水、高能辐射体影响、掌子面后方拱顶滴水等)等各种因素的影响，所以掌子面的温度受到干扰很多，以至影响其探查效果。虽然此方法对定性预报掌子面前方有无隐伏的含水体是有效的，但对含水层的位置、赋存形态、出水量、出水压力等都无法进行定量分析，而且对有水情况下的地质灾害更是难以准确预报，即这种红外探水方法存在局限性。
超前钻探法可以直观反映掌子面前方基本地质情况，是施工预报最有效方法之一，对岩体完整性、地下水和垂直隧洞轴线的地质结构面等预报效果较好。传统的超前钻探法对水的探测多基于钻机油泵油压、孔口水压、流速来推测水头压力及涌水量，经验依赖性强，且可信度较低。本发明填补这一空白，对超前钻探所揭露地层的水压、水流量及孔隙水压力直接进行测定，更为准确的判断开挖面前方的地下水状况，并据此可对高水压条件下的地质灾害做出更准确的预报。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术不足，公开一种可自封闭的隧道超前水压水量探测装置，通过水平超前钻孔及可开闭的封闭装置，探测到掌子面前方水压和水量情况，以确定后续施工方案，从而规避风险，保证施工安全。
一种可开闭的隧道超前水压水量探测装置，其特征在于，包括依次连接的可开闭的封堵装置、可伸缩的导水装置和水压水量测量装置；
所述的可伸缩的导水装置顺次包括前端套管(2)、首节套管(10)、第二节套管(12)和第三节套管(13)，所述首节套管(10)、第二节套管(12)和第三节套管(13)相邻处分别通过管节紧固装置(11)连接。所述首节套管(10)的首尾分别插入前端套管(2)的后段和第二节套管(12)的前段内。所述第二节套管(12)的尾段插入第三节套管(13)的前段内。
所述可开闭的封堵装置位于整个探测装置的前端，包括弹簧(3)、过滤网(4)、凹槽(5)卡扣(6)、橡胶片(7)、钢支架(8)。其中：
所述的钢支架(8)由内、外两根钢杆(81、82)组成，内部钢杆81的一端与前端套管(2)的末端铰接，其另一端与外部钢杆82的中部铰接，外部钢杆82的一端与首节套管(10)外壁铰接；所述的橡胶片(7)与钢支架(8)的外部钢杆82相连，随着钢支架撑开而撑开。
所示的过滤网(4)设于首节套管(10)前端，位于首节套管(10)内部。
所述的弹簧(3)位于前端套管(2)中，弹簧(3)的一端与前端套管(2)的端头内壁凸起处(21)相连，其另一端抵在首节套管(10)的端头。
所述的凹槽(5)开凿在前端套管(2)内壁上，位于所述凸起21的后端。
在首节套管(10)外壁开设有凹槽结构101，所述的卡扣(6)设置在凹槽结构101内。所述卡扣(6)外形设计为：脱出方向的一侧为直边，伸入方向的一侧为弧形。卡扣(6)一端与首节套管(10)铰接，另一端与首节套管(10)通过弹簧62连接。
所述水压水量测量装置按照位置关系依次包括孔隙水压力计传感器(1)、孔隙水压力计显示器(14)、静止水压力计及显示表盘(15)、阀门(16)、水流量计及显示表盘(17)；所述孔隙水压力计传感器(1)位于前端套管(2)上；所述静止水压力计及显示表盘(15)、阀门(16)、水流量计及显示表盘(17)安装于第三节套管(13)上。
工作方式：
探测前采用水平超前钻孔机钻孔至所需探测的位置，软弱地层采用套管护壁。该装置伸入探孔内，前端套管抵住孔底，继续向里推进中心套管，前端套管和首节套管之间相对运动，使得钢支架带动橡胶片撑开，形成密闭空间。首节套筒上的卡扣卡在前端套管的凹槽内，保证密闭装置处于工作状态。待水充满管节，关闭后端的阀门，通过水压计测定水压；打开阀门后，通过水流量机测定水量；通过最前端孔隙水压力传感器测定前端地层中的孔隙水压力。测定完毕后继续往里推中心套管至卡扣脱出凹槽，旋转中心套管后方可松开钢支架，将整个装置脱出。本发明提供的隧道超前水压水量探测装置，通过水平超前钻孔及可开闭的封闭装置，探测到掌子面前方水压和水量情况，以确定后续施工方案，从而规避风险，保证施工安全。
本发明对超前钻探所揭露地层的水压、水流量及孔隙水压力直接进行测定，更为准确的判断开挖面前方的地下水状况，并据此可对高水压条件下的地质灾害做出更准确的预报。
本发明创新点及其有意效果:
1.本发明适用范围广，在满足钻孔条件的情况下，盾构隧道及山岭隧道均可使用。
2.本发明可以实现钻孔底部的自封闭，水压力测定结果更接近实际情况。
3.本发明直接探测钻孔内水压及水量，不需中间信号处理，结果直观可靠。
4.发明导水所用管节可以伸缩，工作时适应任意探测深度，非工作时便于携带和存放。
5.本发明可利用超前地质预报的钻孔进行探测，可不需要专门进行钻孔。
附图说明
图1为该装置前段自封闭装置及孔隙水压计传感器安装示意图；
图2为该装置中段套管管节安装示意图；
图3为该装置后段孔隙水压力仪表、阀门和水流量计的示意图；
图4为卡扣和凹槽局部放大图；
图5为非工作状态下套管卡扣位置示意图；
图6为工作状态下套管卡扣位置示意图；
图7为从工作状态脱出时卡扣位置示意图；
图8为本发明装置整体示意图。
标记说明：
1.孔隙水压力计传感器2.前端套管3.弹簧4.过滤网5.凹槽6.卡扣7.橡胶片8.钢支架9.钻孔套管10.首节套管11.管节紧固装置12.第二节套管13第三节套管14.孔隙水压力计显示器15.静止水压力计及显示表盘16阀门17.水流量计及显示表盘21.前端套管凸起81.钢支架内部钢杆82.钢支架外部钢杆61.卡扣处的铰62.卡扣处的弹簧101.首节套管凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明装置的超前探测水压水量的实施方式进行详细说明。
本发明涉及一种隧道超前水平钻孔水压水量探测装置，适用于各种土层及岩层隧道，特别是适用于矿山法隧道施工通过高水压断裂破碎带时的水压水量超前探测。。其包括前端可开闭的封堵装置、中部可伸缩的导水装置及后部水压水量测量装置。采用水平钻孔机钻孔至所需探测的位置，软弱地层采用套管护壁。能形成探测位置处的封闭空间，保证测定结果接近实际情况。该装置伸入探孔内，通过前套管和首节套管的相对运动以及套管之间的卡扣和凹槽，形成并保持装置工作时所需的密闭空间，待水充满套管后，方可进行探测。在关闭阀门，能通过水压计测定水压；在打开阀门后，能通过水流量机测定水量；能通过孔隙水压力计测定孔隙水压力。能实现自动脱扣，退出工作状态，测定完毕后继续往里推中心套管至卡扣脱出凹槽，旋转中心套管后方可松开钢支架，将整个装置脱出。
结构详细介绍：
一种可开闭的隧道超前水压水量探测装置，其特征在于，包括依次连接的可开闭的封堵装置、可伸缩的导水装置和水压水量测量装置；
所述的可伸缩的导水装置顺次包括前端套管(2)、首节套管(10)、第二节套管(12)和第三节套管(13)，所述首节套管(10)、第二节套管(12)和第三节套管(13)相邻处分别通过管节紧固装置(11)连接。所述首节套管(10)的首尾分别插入前端套管(2)的后段和第二节套管(12)的前段内。所述第二节套管(12)的尾段插入第三节套管(13)的前段内。
所述可开闭的封堵装置位于整个探测装置的前端，包括弹簧(3)、过滤网(4)、凹槽(5)卡扣(6)、橡胶片(7)、钢支架(8)。其中：
所述的钢支架(8)由内、外两根钢杆(81、82)组成，内部钢杆81的一端与前端套管(2)的末端铰接，其另一端与外部钢杆82的中部铰接，外部钢杆82的一端与首节套管(10)外壁铰接；所述的前端套管(2)工作时其前端因抵住探孔的底部，位置保持不动，所述的首节套管(10)在外力作用下可以伸入前端套管(2)内部；通过两套管的相对运动，实现钢支架(8)撑开；所述的橡胶片(7)与钢支架(8)的外部钢杆82相连，并可以随着钢支架撑开而撑开，实现端头封堵。
所述的过滤网(4)设于首节套管(10)前端，位于首节套管(10)内部，用于过滤地下水，防止导管堵塞。
所述的弹簧(3)位于前端套管(2)中，弹簧(3)的一端与前端套管(2)的端头内壁凸起21处相连，其另一端抵在首节套管(10)的端头，用于提供脱扣时的回弹力。
所述的凹槽(5)开凿在前端套管(2)内壁上，位于所述凸起21的后端。
相对应于凹槽(5)，在首节套管(10)外壁开设有凹槽结构(101)，所述的卡扣(6)设置在凹槽结构(101)内，(所述卡扣(6)外形设计为：脱出方向的一侧为直边，伸入方向的一侧为弧形，呈形)。卡扣(6)一端与首节套管(10)铰接(见铰接处的轴61)，另一端与首节套管(10)通过弹簧62连接，且弹簧62处于压缩状态，提供卡扣弹起的弹力。在首节套管(10)伸入前端套管(2)内，且钢支架(8)随之撑开时，卡扣(6)卡在凹槽(5)内，由于卡扣在脱出方向的一侧为直线形，使得卡扣不能脱出，实现两套管位置的在脱出方向固定；由于卡扣(6)在伸入方向的一侧为弧形，首节套管(10)可以在一定程度上继续伸入前端套管(2)，卡扣(6)可以在伸入方向一侧脱出凹槽(5)。旋转中心的套管(首节套管10、第二节套管12、第三节套管13)，使得在脱出过程中卡扣(6)能避开凹槽(5)，在弹簧(3)回弹力的作用下实现首节套管的脱出，钢支架和橡胶片随之解除对前端的封堵。
所述水压水量测量装置按照位置关系依次包括孔隙水压力计传感器(1)、孔隙水压力计显示器(14)、静止水压力计及显示表盘(15)、阀门(16)、水流量计及显示表盘(17)；所述孔隙水压力计传感器(1)位于前端套管(2)上；所述静止水压力计及显示表盘(15)、阀门(16)、水流量计及显示表盘(17)安装于第三节套管(13)上，阀门(16)用于控制水流在第三节套管(13)中的通断，以实现在关闭阀门(16)时可通过静止水压力计及显示表盘(15)测静止水压力，打开阀门(16)时可通过水流量计及显示表盘(17)测水流量。
本发明提供的隧道超前水压水量探测装置，按下列步骤进行操作:
1)在掌子面上设计钻孔位置，进行钻孔处理，软弱地层需要用套管护壁；
2)根据探孔深度，拉伸开所需的套管，并固定各管节处的紧固装置；
3)将探测装置深入探孔内至前端套管(2)接触到探孔底部；
4)继续往里推中心套管，至首节套管(10)的卡扣(6)卡在前端套管(2)凹槽(5)内，如图6，此时钢支架(8)与橡胶片(7)撑开，形成密闭空间；
5)调试孔隙水压力计，测定孔底位置的孔隙水压力；
6)待地下水充满套管管节后，关闭阀门(16)，通过水压力计(15)测定水压，待水压力计示数稳定后，记录水压力值；
7)打开阀门，水经管节流出，通过水流量计(17)测定水流量值；
8)探测完毕后，将中心套管继续往里推至卡扣(6)脱出，旋转中心套管至卡扣(6)不会在脱出过程中落入凹槽(5)的位置，如图7；
9)在弹簧的反力作用下，首节套管(10)相对前端套管(2)往外运动，至钢支架和橡胶片松开，以便整个装置脱出探孔。
Claims (1)
1.一种可开闭的隧道超前水压水量探测装置，其特征在于，包括依次连接的可开闭的封堵装置、可伸缩的导水装置和水压水量测量装置；
所述的可伸缩的导水装置顺次包括前端套管(2)、首节套管(10)、第二节套管(12)和第三节套管(13)，所述首节套管(10)、第二节套管(12)和第三节套管(13)相邻处分别通过管节紧固装置(11)连接；所述首节套管(10)的首尾分别插入前端套管(2)的后段和第二节套管(12)的前段内；所述第二节套管(12)的尾段插入第三节套管(13)的前段内；
所述可开闭的封堵装置位于整个探测装置的前端，包括弹簧(3)、过滤网(4)、凹槽(5)卡扣(6)、橡胶片(7)、钢支架(8)；其中：
所述的钢支架(8)由内、外两根钢杆(81、82)组成，内部钢杆81的一端与前端套管(2)的末端铰接，其另一端与外部钢杆82的中部铰接，外部钢杆82的一端与首节套管(10)外壁铰接；所述的橡胶片(7)与钢支架(8)的外部钢杆82相连，随着钢支架撑开而撑开；
所示的过滤网(4)设于首节套管(10)前端，位于首节套管(10)内部；
所述的弹簧(3)位于前端套管(2)中，弹簧(3)的一端与前端套管(2)的端头内壁凸起处(21)相连，其另一端抵在首节套管(10)的端头；
所述的凹槽(5)开凿在前端套管(2)内壁上，位于所述凸起21的后端；
在首节套管(10)外壁开设有凹槽结构101，所述的卡扣(6)设置在凹槽结构101内；所述卡扣(6)外形设计为：脱出方向的一侧为直边，伸入方向的一侧为弧形；卡扣(6)一端与首节套管(10)铰接，另一端与首节套管(10)通过弹簧62连接；
所述水压水量测量装置按照位置关系依次包括孔隙水压力计传感器(1)、孔隙水压力计显示器(14)、静止水压力计及显示表盘(15)、阀门(16)、水流量计及显示表盘(17)；所述孔隙水压力计传感器(1)位于前端套管(2)上；所述静止水压力计及显示表盘(15)、阀门(16)、水流量计及显示表盘(17)安装于第三节套管(13)上。
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