CN107100628A - 一种并行隧洞tbm施工过程的监测仪器埋设平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并行隧洞TBM施工过程的监测仪器埋设平台及方法，包括移动测量仪、底盘、控制箱、皮带系统、平台架；移动测量仪与控制箱通过无线网络连接；控制箱固定在底盘上；皮带系统用于渣土的运输；平台架用于辅助监测仪器埋设施工；本发明针对传统隧洞施工与监测仪器埋设施工互相干扰的不足，对TBM掘进机出渣功能进行改进，监测仪器埋设平台及方法实现与TBM掘进机的有机结合、自动运行，在保证隧洞掘进和监测施工互不影响的条件下，辅助监测人员高效、安全的进行监测仪器埋设和安装。

Description

一种并行隧洞TBM施工过程的监测仪器埋设平台及方法

技术领域

本发明涉及隧洞施工期监测仪器的埋设领域，尤其是能在隧洞TBM开挖掘进施工同时，进行隧洞监测仪器埋设施工的平台和方法领域。

背景技术

由于地下隧洞地质条件复杂，在地下隧洞的开挖掘金施工中，岩爆、透水、蠕变塌方等都会对施工过程造成影响，为了及时对隧洞灾害进行预警，需要在隧洞开挖施工作业同时，即刻进行监测仪器的埋设和监测工作；同时，在隧洞长期运行过程中，需要监控隧洞内岩体、钢筋、衬砌等结构的稳定，在施工完毕后这些结构部位通常都会被衬砌混凝土包裹，因此需要在施工期，一边施工一边埋设监测仪器。

隧洞空间较为狭小封闭，监测仪器埋设与隧洞开挖、渣土运输、衬砌支护等多个作业通常在同一个部位，相互之间的干扰非常明显。

为此，传统做法是在施工作业现场配备调度人员进行施工协调，保证监测作业的开展，在隧洞开挖施工停机检修时段、渣土车无干扰时段、距离施工作业位置较远部位进行监测仪器埋设。然而打时间差的方法，压缩了监测仪器埋设的施工时间，监测仪器埋设人员长期处于待命状态，效率低，无法完成长时间连续的工作；在距离开挖断面位置较远部位进行监测仪器埋设施工，意味着此部位开挖后已经经历了较长时段，由于施工期监测，重点关注开挖后围岩等结构即刻发生的变化，这种方法也无法获得有效的一手资料。此外，在监测仪器埋设过程中，通常需要搭建简易施工支架，支架的安装、运移、埋设做作业，都对施工过程中隧洞来往车辆和人员造成了阻碍和安全隐患。

TBM（Tunnel Boring Machine）掘进机进行隧洞施工相对于传统的隧洞爆破开挖施工、隧洞明挖施工有很大优势，其利用了回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，集成了掘进、出碴、导向、支护和通风防尘等多功能，掘进效率极大提高，洞壁岩石破碎量较小，安全性较高。工程实际每天常见进尺10~20米，每月进尺最大可达到1000米以上；由于TBM掘进机进行隧洞施工后隧洞完整性较好，对其他作业影响较小，为此可以在TBM掘进机的基础上，建立一种并行隧洞TBM施工过程的监测仪器埋设平台及方法，对TBM掘进机出渣功能进行改进，实现与TBM掘进机有机串联、自动运行，在保证隧洞掘进和监测施工互不影响的前提下，辅助监测人员高效、安全的进行监测仪器埋设和安装。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种并行隧洞TBM施工过程的监测仪器埋设平台及方法，能高效的用于隧洞TBM施工过程中的监测仪器埋设和安装，实现两种施工过程的同时开展、互不干扰的目的，提高了隧洞施工期监测仪器埋设的效率和安全性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出的一种并行隧洞TBM施工过程的监测仪器埋设平台，包括移动测量仪、底盘、控制箱、皮带系统、平台架；移动测量仪与控制箱通过无线网络连接，将TBM掘进机数据发送给控制箱；控制箱固定在底盘上；所述的皮带系统包含下降皮带、水平皮带、提升皮带、防尘罩1、防尘罩2、防尘罩3；所述的底盘包含底座、齿纹地撑、移动轮、轨道、通风电力通讯管线；下降皮带与TBM掘进机固定连接；平台架、水平皮带、提升皮带安装在底盘上，可以通过滑轮在底盘的轨道上移动；提升皮带连接通向洞口的长距离出渣皮带或连接支护衬砌回填灌浆功能平台的渣土运输机构；防尘罩2为伸缩式，可随下降皮带的移动同步伸展或收缩；通风电力通讯管线包括用于通风的可伸缩波纹通气管和用于电力通讯线路收缩的绞盘。

作为优选，所述的下降皮带上焊接有等间距的挡板，以保证渣土不掉落，同时挡板装有测力计，能够测量渣土重量，并将数据传送到控制箱；下降皮带的尾部位于水平皮带头部上方；所述的提升皮带焊接有等间距的挡板，用于渣土的提升和传送。

作为优选，所述的平台架上部装有工作台和防砸网，用于遮挡隧洞洞壁掉落的渣土及渗水；平台架上装有吊机和照明设备；平台架下部有液压伸缩装置，可以伸缩和旋转，自动调节平台架的高低和方向；平台架底部为减震底座、滑轮，减震底座用于降低隧洞掘进震动的影响，滑轮使平台架能够在底盘上沿隧洞轴线方向进行移动；平台架下方有防尘罩1、防尘罩2、防尘罩3，均为半透明PVC材料；所述的底盘下装有齿纹地撑，为铰形式，可以使齿纹地撑在垂直于隧洞断面内转动，齿纹地撑支撑面为锯齿形，用于使监测仪器埋设平台贴合、稳固于隧洞断面。

作为优选，所述的移动测量仪能够测量TBM掘进机的掘进机头、伸缩杆、支撑、支腿的实时移动距离、移动范围、受力大小参数，并通过无线网络将数据传输到控制箱；所述的控制箱能够动态调节底盘高度和平台架位置，同时能够动态控制水平皮带和提升皮带的转速、平台架的角度。

一种并行隧洞TBM施工过程的监测仪器埋设平台的运行方法，包括以下步骤：

步骤一，同步移动过程；TBM掘进机包含掘进和换步二个过程，掘进过程，支撑撑紧洞壁，支腿缩回，掘进机头向前挖掘，头部伸缩杆逐步伸长；换步过程，支腿紧撑洞壁，停止挖掘，支撑缩回，头部伸缩杆收缩，尾部伸缩杆伸长，实现TBM掘进机的主体前移；二个过程重复循环；在换步过程中下降皮带整体向前移动，防尘罩2伸长，控制箱控制监测仪器埋设平台随之移动，控制箱同步控制平台架反向移动并调整角度和液压伸缩长度，以保证工作台相对监测仪器埋设断面位置固定不变，涉及到尺寸设计和计算：

对于不同的隧洞工程，需要设计监测仪器埋设平台尺寸；具体方法为：若按照监测仪器埋设施工要求在同一个断面最大停留时间为t小时，即工作台在此断面连续停留并完成此断面的监测仪器埋设施工，最多需要t小时；则在保证TBM掘进机、监测仪器埋设平台同步移动，正常运输渣土的同时，还要保证平台架反向运动，使平台架相对监测仪器埋设断面位置固定不变；用参数量化表述为：当时段初下降皮带在0~x范围内，底盘长度为a，底盘在0~a范围内，两者交叠长度为x，平台架有效移动范围为x~a；时段末，下降皮带在-2x~-x范围内，底盘在-x~(a-x)范围内，平台架有效移动范围为-x~(a-x)，两者无交叠；则整个时段t，平台架有效移动范围为x~(a-x)，即要求保证在t小时内，TBM掘进机进尺不大于2x，平台架可完成范围x~(a-x)内某一断面的施工任务；对于a，可按照隧洞尺寸设计得到a；对于x，要求a-x>x且t小时内TBM掘进机进尺小于或等于2x，可计算得到x值；

步骤二，空间定位；首次进行隧洞断面某点的监测仪器埋设施工时，控制箱记录监测仪器埋设平台、平台架、液压伸缩杆的状态参数，实现工作台的空间位置记录，当需要工作台再次返回原始施工点时，通过控制箱进行控制，实现空间返回；

步骤三，渣土量预报，控制箱通过获取传送带速度和渣土重量，可以估算得到单位时段的出渣量，对于需要渣土车进行渣土的运输，用于实时地提前预报辅助车辆调控。

隧洞施工空间狭小封闭，传统监测仪器埋设与隧洞开挖、渣土运输、衬砌支护等多个作业通常在同一个部位，两种施工过程相互之间干扰明显；此外，在监测仪器埋设过程中，通常需要搭建简易施工支架，支架的安装、运移、埋设做作业，都对施工过程中隧洞来往车辆和人员造成了阻碍和安全隐患。

本发明通过结合TBM隧洞施工过程，建立监测仪器埋设平台，取得以下有益效果：

针对监测仪器埋设需要一定时间的问题，建立可以自动控制移动的监测仪器埋设平台和平台架，通过移动测量仪和控制箱，获得TBM掘进机的移动信息，并实时控制监测仪器埋设平台和平台架进行相应移动，以确保工作台能够长时间的固定于一个监测仪器施工断面，保证了监测仪器埋设所需要的时间。

监测仪器的埋设和测量通常需要一定的空间，例如隧洞钻孔需要钻机的配合，隧洞施工期断面的收敛监测则需要在隧洞断面上两点牵拉测量线或者建立激光可视通道，因此建立了包含下降皮带、水平皮带、提升皮带的渣土运输的皮带系统，将原有TBM渣土顶部的运输路径下移。

监测仪器的埋设包含定位、打孔、埋设、固定、初始测量等多个步骤，对于同一测点需要多次操作，同时，当需要进行隧洞断面上两点间关系测量时，需要在两点间往返操作；通过控制箱建立空间定位，记录监测仪器埋设平台、平台架、液压伸缩杆的状态参数，可以快速的使工作台返回施工点，提高了施工的效率。

渣土通产需要车辆运输送达固定弃渣地点，在TBM掘进机尾端实时监控渣土量，能够辅助后续渣土运输工序的车辆统筹安排，提高施工效率，降低工程成本。

现有TBM掘进机类型较多，采用独立的监测仪器埋设平台，独立于TBM掘进机，便于与不同类型的TBM掘进机进行衔接，结构简易，便于拆卸和维护。监测断面通常选择较少数量的重要断面，因此只需要针对布设监测仪器的断面施工隧洞，衔接监测仪器埋设平台。

附图说明

图1为传统TBM掘进机施工布置示意图。

图2为TBM掘进机和监测仪器埋设平台施工布置关系示意图。

图3为监测仪器埋设平台各部分关系示意图。

图4为监测仪器埋设平台移动控制距离关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

对某地下工程开挖，需要开挖15km的地下隧洞，分为三个施工段，分别为0~8km、9~12km、1~15km，洞室直径为8m，通过TBM掘进机进行开挖。根据此区域岩石特性不同，TBM掘进机开挖速度为每分钟2~8cm，单个行程2m，耗时0.4~1.7小时，每天进行换步操作3-5次，同时进行停机检修和维护，每日总掘进进尺为8~12m。

9~12km公里施工段有一个较为深入的地质断层，对此区域9.15km位置设计单位规划了一个监测断面，对监测断面的施工包括安装锚杆测力计、多点位移计、渗压计，锚索测力计（型号为：BGK-FBG-A3）、岩石变位计（型号为：BGK-FBG-4911）、渗压计（型号为：BGK-FBG-4500S）；同时测量断面的收敛变形量；按照工作要求在同一个断面最大停留时间为12小时，即工作台在此断面连续停留并完成此断面的监测仪器埋设施工，最多需要12小时。

设备尺寸设计。

按照图4的示意，时段初下降皮带在0~x范围内，底盘长度为a，底盘在0~a范围内，两者交叠长度为x，平台架有效移动范围为x~a；时段末，下降皮带在-2x~-x范围内，底盘在-x~(a-x)范围内，平台架有效移动范围为-x~(a-x)，两者无交叠；则，整个时段，平台架有效移动范围为x~(a-x)，即要求保证在12小时内，TBM掘进机进尺不大于2x，平台架可完成范围x~(a-x)内某一断面的施工任务。

24小时最大掘进进尺为12m，则12小时下取2x为最大6m，a为底盘长度，考虑到隧洞转弯的限制，对于直径为8m的隧洞，取a为8m，则初始时刻在3~5m范围内的断面为最佳施工位置，即3~5m范围为平台架时段内可达范围。

为此设计，下降皮带与水平皮带的重叠部分为3m，平台架长度8m，为了保证渣土运输，要求下降皮带与水平皮带至少有1m的交叠，因此水平皮带头部伸出平台架1m，水平皮带总长9m；平台架12小时时段内可达范围为：在初始时刻，距离底盘头部后方3~5m范围内的区域。

同步移动控制。

需要注意的是，实际施工中是需要平台架上的工作台能够保持在一个固定断面点，液压伸缩装置能够使工作台比平台架有更大的移动范围，此部分作为施工中的安全控制余量，不作为设备尺寸设计纳入考虑。

施工运行过程中，监测仪器埋设平台跟随TBM掘进机持续前进，当需要进行监测仪器埋设的断面进入距离底盘头部后方3m区域时，控制箱控制平台架移动到监测断面，开始进行施工；施工的同时，移动测量仪测量TBM掘进机参数，自动控制监测仪器埋设平台和平台架相应移动，以保持渣土的正常运输，平台架与施工断面相对静止。

空间定位。

工作台首次移动到施工断面某点后，操作人员操作控制箱记录监测仪器埋设平台、平台架、液压伸缩杆的状态参数，实现工作台空间位置记录；在整个监测仪器埋设施工时段内，工作台需要再次移动到首次工作台空间位置时，控制箱按照记录的参数调整平台架、液压伸缩杆的状态，同时按照监测仪器埋设平台移动量，反向调节平台架进行移动，达到工作台返回首次施工断面点部位，实现空间定位。

渣土量预报。

由于地下岩土性质不同，TBM掘进机开挖速度会产生变化，单位时段内需要开挖和传送的渣土量有变化；监测仪器埋设平台在实时传送渣土的同时，将下降皮带测量的渣土重量等信息通过通讯线路传送到后续渣土运输环节，实现渣土量的预报。

对于第1秒，测的渣土重量为5吨，下降皮带长度为5m，渣土运移速度为1m/秒，则平均运移渣土流量为1吨/秒，此部位距离隧洞口待命渣土车距离为150m，持续记录150秒后，渣土重量变为8吨，平均运移渣土流量为1.6吨/秒；记录各个时刻（即150秒中的每一秒）的平均运移渣土流量，进行累加获得运移路径上的渣土总量，这里计算得到数值为195吨，则在隧洞口可向渣土车预报此刻到达渣土流量为1吨/秒，TBM掘进机部位渣土掘进流量为1.6吨/秒，目前传送带正在运移总量为195吨。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种并行隧洞TBM施工过程的监测仪器埋设平台，包括移动测量仪、底盘、控制箱、皮带系统、平台架；移动测量仪与控制箱通过无线网络连接，将TBM掘进机数据发送给控制箱；控制箱固定在底盘上；所述的皮带系统包含下降皮带、水平皮带、提升皮带、防尘罩1、防尘罩2、防尘罩3；所述的底盘包含底座、齿纹地撑、移动轮、轨道、通风电力通讯管线；下降皮带与TBM掘进机固定连接；平台架、水平皮带、提升皮带安装在底盘上，可以通过滑轮在底盘的轨道上移动；提升皮带连接通向洞口的长距离出渣皮带或连接支护衬砌回填灌浆功能平台的渣土运输机构；防尘罩2为伸缩式，可随下降皮带的移动同步伸展或收缩；通风电力通讯管线包括用于通风的可伸缩波纹通气管和用于电力通讯线路收缩的绞盘。

2.根据权利要求1所述的一种并行隧洞TBM施工过程的监测仪器埋设平台，其特征在于，所述的下降皮带上焊接有等间距的挡板，以保证渣土不掉落，同时挡板装有测力计，能够测量渣土重量，并将数据传送到控制箱；下降皮带的尾部位于水平皮带头部上方；所述的提升皮带焊接有等间距的挡板，用于渣土的提升和传送。

3.根据权利要求2所述的一种并行隧洞TBM施工过程的监测仪器埋设平台，其特征在于，所述的平台架上部装有工作台和防砸网，用于遮挡隧洞洞壁掉落的渣土及渗水；平台架上装有吊机和照明设备；平台架下部有液压伸缩装置，可以伸缩和旋转，自动调节平台架的高低和方向；平台架底部为减震底座、滑轮，减震底座用于降低隧洞掘进震动的影响，滑轮使平台架能够在底盘上沿隧洞轴线方向进行移动；平台架下方有防尘罩1、防尘罩2、防尘罩3，均为半透明PVC材料；所述的底盘下装有齿纹地撑，为铰形式，可以使齿纹地撑在垂直于隧洞断面内转动，齿纹地撑支撑面为锯齿形，用于使监测仪器埋设平台贴合、稳固于隧洞断面。

4.根据权利要求3所述的一种并行隧洞TBM施工过程的监测仪器埋设平台，其特征在于，所述的移动测量仪能够测量TBM掘进机的掘进机头、伸缩杆、支撑、支腿的实时移动距离、移动范围、受力大小参数，并通过无线网络将数据传输到控制箱；所述的控制箱能够动态调节底盘高度和平台架位置，同时能够动态控制水平皮带和提升皮带的转速、平台架的角度。

5.如权利要求4所述的一种并行隧洞TBM施工过程的监测仪器埋设平台的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，同步移动过程；TBM掘进机包含掘进和换步二个过程，掘进过程，支撑撑紧洞壁，支腿缩回，掘进机头向前挖掘，头部伸缩杆逐步伸长；换步过程，支腿紧撑洞壁，停止挖掘，支撑缩回，头部伸缩杆收缩，尾部伸缩杆伸长，实现TBM掘进机的主体前移；二个过程重复循环；在换步过程中下降皮带整体向前移动，防尘罩2伸长，控制箱控制监测仪器埋设平台随之移动，控制箱同步控制平台架反向移动并调整角度和液压伸缩长度，以保证工作台相对监测仪器埋设断面位置固定不变，涉及到尺寸设计和计算：

对于不同的隧洞工程，需要设计监测仪器埋设平台尺寸；具体方法为：若按照监测仪器埋设施工要求在同一个断面最大停留时间为t小时，即工作台在此断面连续停留并完成此断面的监测仪器埋设施工，最多需要t小时；则在保证TBM掘进机、监测仪器埋设平台同步移动，正常运输渣土的同时，还要保证平台架反向运动，使平台架相对监测仪器埋设断面位置固定不变；用参数量化表述为：当时段初下降皮带在0~x范围内，底盘长度为a，底盘在0~a范围内，两者交叠长度为x，平台架有效移动范围为x~a；时段末，下降皮带在-2x~-x范围内，底盘在-x~(a-x)范围内，平台架有效移动范围为-x~(a-x)，两者无交叠；则整个时段t，平台架有效移动范围为x~(a-x)，即要求保证在t小时内，TBM掘进机进尺不大于2x，平台架可完成范围x~(a-x)内某一断面的施工任务；对于a，可按照隧洞尺寸设计得到a；对于x，要求a-x>x且t小时内TBM掘进机进尺小于或等于2x，可计算得到x值；

步骤二，空间定位；首次进行隧洞断面某点的监测仪器埋设施工时，控制箱记录监测仪器埋设平台、平台架、液压伸缩杆的状态参数，实现工作台的空间位置记录，当需要工作台再次返回原始施工点时，通过控制箱进行控制，实现空间返回；

步骤三，渣土量预报，控制箱通过获取传送带速度和渣土重量，可以估算得到单位时段的出渣量，对于需要渣土车进行渣土的运输，用于实时地提前预报辅助车辆调控。