CN106052946A - 一种自进式围岩孔隙水压力传感装置 - Google Patents

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晏启祥
徐亚军
杜彬
杨俊哲
何川
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Abstract

本发明公开了一种自进式围岩孔隙水压力传感装置，包括依次首尾连接的端部钻进段、加强透水段、压力传感段和尾部紧固段，端部钻进段包括相互连接的前部的钻头和后部的杆体；加强透水段包括管壁上设有多个透水通孔的透水外管和设于透水外管内的过滤层；压力传感段包括外壁上设有螺纹的传感外管，传感外管内设有承压空腔和压力传感元件；尾部紧固段包括外壁上设有螺纹的紧固外管和套装于紧固外管上的螺母。本发明将具有钻进功能的端部钻进段、具有透水过滤功能的加强透水段、具有压力检测功能的压力传感段和具有紧固连接功能的尾部紧固段集成于一体，一方面能保证传感器信号线的安全，另一方面能保障水压力测试的准确性和有效性。

Description

一种自进式围岩孔隙水压力传感装置
技术领域
本发明涉及一种围岩孔隙水压力传感装置，尤其涉及一种自进式围岩孔隙水压力传感装置，属于隧道和地下工程监测领域。
背景技术
盾构法隧道在施工安全、快速和经济等方面的优势，使得其在城市富水软弱地层、尤其在江湖河海水下隧道工程中应用日益增多，精确考虑水压力对隧道管片衬砌结构安全的影响越来越有必要。为此，需要对衬砌壁后围岩孔隙水压力进行实时精确监测。
当前，盾构隧道壁后围岩孔隙水压力测试主要采用埋入式，即在浇筑管片混凝土之前，将孔隙水压力传感器遮盖保护后固定在管片外侧钢筋上，待浇筑混凝土和管片养护完成后，去掉传感器上的遮盖保护层，使得围岩孔隙水压力传感器接触地下水的部位处于管片外表面上；利用盾构机，将埋设有围岩孔隙水压力传感器的管片拼装安装在设计位置，进行壁后同步注浆填充盾尾间隙并稳定好管片，管片到位稳定后即可进行水压力测量。
然而，埋入式水压力传感器存在以下问题：一是预埋围岩孔隙水压力传感器时，混凝土振捣容易改变其位置和方向，同时，混凝土振捣也容易损坏传感器导线，导致传感器失效；二是即使围岩孔隙水压力传感器正确安装到位，但由于盾构同步注浆浆液对管片外侧的覆盖，硬化后的浆液将在传感器外侧形成一层硬壳，阻碍围岩地下水与传感器外表面的连通，从而引起传感器测读数据严重失实甚至无效。
所以，为了解决上述问题，有必要开发一种新的围岩孔隙水压力传感装置，一方面能保证传感器信号线的安全，另一方面传感段还能穿过盾构同步注浆浆液硬化层深入围岩内部，从而保障水压力测试的准确性和有效性。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种测量精确且便于安装的自进式围岩孔隙水压力传感装置。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种自进式围岩孔隙水压力传感装置，包括依次首尾连接的端部钻进段、加强透水段、压力传感段和尾部紧固段，所述端部钻进段包括相互连接的前部的钻头和后部的杆体；所述加强透水段包括透水外管和设于所述透水外管内的过滤层，所述透水外管的管壁上设有多个透水通孔；所述压力传感段包括传感外管，所述传感外管的外壁上设有螺纹，所述传感外管内的前部设有承压空腔，所述传感外管内的后部设有压力传感元件；所述尾部紧固段包括紧固外管和螺母，所述紧固外管的外壁上设有螺纹，所述螺母套装于所述紧固外管上；所述杆体的后端与所述透水外管的前端相通密封连接，所述透水外管的后端与所述传感外管的前端相通密封连接，所述传感外管的后端与所述紧固外管的前端相通密封连接，所述压力传感元件的信号线穿过所述紧固外管后置于所述紧固外管外。
根据实际应用需要，所述杆体、所述透水外管、所述传感外管和所述紧固外管为一体成型的同一管体；或者，所述杆体、所述透水外管和所述传感外管各自独立且相互之间通过螺纹连接，所述紧固外管与所述传感外管为一体成型的同一管体。这两种结构中，前者结构稳定但加工难度较大，后者易于加工但稳定性差一些；两种结构在现有技术基础上均能实现并均能满足应用需求，具体根据应用需要和施工条件而定。
具体地，所述过滤层为均匀填充于所述透水外管内的尼龙过滤网。
所述透水外管内的后端由前而后依次设有土工布透水层和透水石层，所述透水石层为碳化硅粉末、氧化铝粉末或陶瓷制成的透水石层。
所述土工布透水层和所述透水石层在前后方向的厚度均为3～5mm。
所述透水外管上的多个透水通孔呈梅花形分布于所述透水外管的管壁上。
本发明的有益效果在于：
本发明将具有钻进功能的端部钻进段、具有透水过滤功能的加强透水段、具有压力检测功能的压力传感段和具有紧固连接功能的尾部紧固段集成于一体，一方面能保证传感器信号线的安全，另一方面能保障水压力测试的准确性和有效性；其具体优点如下：
利用端部钻进段能确保加强透水段避开壁后注浆层以便于顺利透水，同时，其加强透水段的多层滤水构造可以有效阻隔泥沙，保证围岩孔隙水顺利流入压力传感段的承压空腔，确保测试结果的精度和有效性；本发明所述自进式围岩孔隙水压力传感装置还具有设计合理、安装简便、易于实施的特点；相对于埋入式传感器，本发明所述自进式围岩孔隙水压力传感装置的存活率更大、测读结果更有效、测读数据精度更高。
附图说明
图1是本发明所述自进式围岩孔隙水压力传感装置的主视结构示意图；
图2是本发明所述端部钻进段、加强透水段、压力传感段的主视结构示意图；
图3是本发明所述自进式围岩孔隙水压力传感装置安装应用时的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图2和图3所示，本发明所述自进式围岩孔隙水压力传感装置包括依次首尾连接的端部钻进段1、加强透水段2、压力传感段3和尾部紧固段4，端部钻进段1包括相互连接的前部的钻头1a和后部的钢制杆体1b；加强透水段2包括透水外管2a、均匀填充于透水外管2a内的尼龙过滤网2c、依次设于透水外管2a后端的土工布透水层2d和透水石层2e，透水石层2e为碳化硅粉末、氧化铝粉末或陶瓷制成的透水石层，土工布透水层2d和透水石层2e在前后方向的厚度均为3～5mm，透水外管2a的管壁上设有多个呈梅花形分布的透水通孔2b；压力传感段3包括传感外管(图中未标记)，所述传感外管的外壁上设有螺纹3a，所述传感外管内的前部设有承压空腔3b，所述传感外管内的后部设有压力传感元件3c，压力传感元件3c的压力感应端与承压空腔3b的后端相连；尾部紧固段4包括紧固外管(图中未标记)和螺母4a，所述紧固外管与所述传感外管为一体成型且外壁上设有螺纹3a的同一管体，螺母4a套装于所述紧固外管上；杆体1b的后端与透水外管2a的前端相通密封连接，透水外管2a的后端与所述传感外管的前端相通密封连接，压力传感元件3c的信号线5穿过所述紧固外管后置于所述紧固外管外；根据应用需要，杆体1b、透水外管2a和所述传感外管之间可以一体成型，也可以各自独立且相互之间通过螺纹连接。
如图3所示，为便于本发明所述自进式围岩孔隙水压力传感装置9(下称“自进式传感装置”)不因钻进破坏混凝土管片7且进入预先设定位置，需在混凝土管片7浇筑过程中埋设中空圆形配套铸铁预埋件(下称“预埋件”)6，预埋件6预制在混凝土管片7的厚度方向，预埋件6的内侧(背向围岩一侧)与混凝土管片7之间设置拉筋6b固定，预埋件6的外侧(面向围岩一侧)设置一定厚度的遇水膨胀橡胶保护层6a供自进式传感装置9穿越并进入围岩，遇水膨胀橡胶保护层6a可防止地下水进入混凝土管片7内腐蚀钢筋，同时防止地下水进入预埋件6流入隧道。
结合图1-图3，自进式传感装置9的安装步骤与工作原理如下：
在预制混凝土管片7之前，需在恰当位置埋设预埋件6；待混凝土管片7拼装完成、壁后注浆浆液硬化以后，借助小型钻机，从混凝土管片7的内侧向围岩体内通过预埋件6旋转打入自进式传感装置9，自进式传感装置9通过表面螺纹3a与预埋件6的内壁螺纹相互配套，先后穿过预埋件6外侧的遇水膨胀橡胶保护层6a和混凝土管片7的壁后浆液硬化层8，最终达到围岩预定深度后通过螺母4a进行固定，将外围电缆与压力传感元件3c的信号线5连接，即完成自进式传感装置9的安装。
自进式传感装置9安装完成后，围岩体内孔隙水依次通过密集布孔的透水外管2a上的透水通孔2b、尼龙过滤网2c、土工布透水层2d和透水石层2e后进入承压空腔3b，流体压强触发压力传感元件3c转化为电信号通过信号线5输出。
虽然自进式传感装置9安装完成以后，自进式传感装置9的感知部位水压力与管片衬砌外表面水压力并非同一位置水压力，但通过计算传感部位与管片外壁的相对高差并加上这一部分的水压力差之后，测试结果的误差可控制在非常小的范围。
从上述实施例可以看出，本发明提出的自进式传感装置9设计合理；相比于目前的埋入式围岩孔隙水压力传感器，所具有的自进式壳体结构能使自进式传感装置9快速深入围岩体内，其加强透水段2避免了壁后浆液硬化层8的包裹和干扰，其加强透水段2中多层透水、滤水构造设置能充分隔离钻进和地下水渗透过程中的泥沙、保证孔隙水正常流入承压空腔3b，因此确保了围岩孔隙水压力测试数据的准确性；同时，由于压力传感段3的压力传感元件3c在所述传感外管的内部，在预埋件6的配合下，钻进过程中基本不会受到损坏，保证了自进式传感装置9的存活率和有效性。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (7)

1.一种自进式围岩孔隙水压力传感装置，其特征在于：包括依次首尾连接的端部钻进段、加强透水段、压力传感段和尾部紧固段，所述端部钻进段包括相互连接的前部的钻头和后部的杆体；所述加强透水段包括透水外管和设于所述透水外管内的过滤层，所述透水外管的管壁上设有多个透水通孔；所述压力传感段包括传感外管，所述传感外管的外壁上设有螺纹，所述传感外管内的前部设有承压空腔，所述传感外管内的后部设有压力传感元件；所述尾部紧固段包括紧固外管和螺母，所述紧固外管的外壁上设有螺纹，所述螺母套装于所述紧固外管上；所述杆体的后端与所述透水外管的前端相通密封连接，所述透水外管的后端与所述传感外管的前端相通密封连接，所述传感外管的后端与所述紧固外管的前端相通密封连接，所述压力传感元件的信号线穿过所述紧固外管后置于所述紧固外管外。
2.根据权利要求1所述的自进式围岩孔隙水压力传感装置，其特征在于：所述杆体、所述透水外管、所述传感外管和所述紧固外管为一体成型的同一管体；或者，所述杆体、所述透水外管和所述传感外管各自独立且相互之间通过螺纹连接，所述紧固外管与所述传感外管为一体成型的同一管体。
3.根据权利要求1或2所述的自进式围岩孔隙水压力传感装置，其特征在于：所述过滤层为均匀填充于所述透水外管内的尼龙过滤网。
4.根据权利要求3所述的自进式围岩孔隙水压力传感装置，其特征在于：所述透水外管内的后端由前而后依次设有土工布透水层和透水石层，所述透水石层为碳化硅粉末、氧化铝粉末或陶瓷制成的透水石层。
5.根据权利要求1或2所述的自进式围岩孔隙水压力传感装置，其特征在于：所述透水外管内的后端由前而后依次设有土工布透水层和透水石层，所述透水石层为碳化硅粉末、氧化铝粉末或陶瓷制成的透水石层。
6.根据权利要求5所述的自进式围岩孔隙水压力传感装置，其特征在于：所述土工布透水层和所述透水石层在前后方向的厚度均为3～5mm。
7.根据权利要求1或2所述的自进式围岩孔隙水压力传感装置，其特征在于：所述透水外管上的多个透水通孔呈梅花形分布于所述透水外管的管壁上。
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