CN110792447B - 盾构搭载刀盘、有害气体富存区盾构隧道施工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种盾构搭载刀盘、有害气体富存区盾构隧道施工装置及方法。其中，盾构搭载刀盘，包括圆盘形刀座，所述圆盘形刀座内均布有四对刀具，每对刀具有两个相对的刀片构成；所述圆盘形刀座内设置有四个凹槽，分别为第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，对应设置在两个相对的刀片之间；所述第一凹槽内设置有地质雷达，其跟随圆盘形刀座旋转，用于对盾构工作面的前方进行圆周探测；所述第二凹槽内设置有可开闭的探测孔孔位，所述第三凹槽内设置有可开闭的抽气孔孔位，所述第四凹槽内设置有可开闭的注浆孔孔位。

Description

盾构搭载刀盘、有害气体富存区盾构隧道施工装置及方法

技术领域

本公开属于盾构隧道施工领域，尤其涉及一种盾构搭载刀盘、有害气体富存区盾构隧道施工装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在地铁隧道建设过程中，时常受到有害气体影响。高浓度可燃有害气体，如一氧化碳，硫化氢，二氧化硫，甲烷等在盾构施工过程中极易引发爆炸。而低浓度的有害气体如一氧化碳易于血红蛋白结合造成缺氧，硫化氢麻痹神经，甚至造成窒息。隧道施工，对维护人员人身安全造成极大安全隐患。创新盾构搭载有害气体预警，探测，处理装置，完善隧道建设监控方案，对隧道安全施工、智慧决策、安全运营及自然资源充分利用具有重要推动意义。

目前针对有害气体探测多采用地质法，从地面打超前地质钻孔，需要施工大量超前地质钻孔，严重影响施工进度，增加施工成本。发明人发现，对于现存地下封闭空间的有害气体多为有压气体，随着有压气体的逸出，会影响到整个空腔的稳定性，在隧道掘进施工过程中极易发生不均匀变形，影响盾构姿态。

发明内容

为了解决上述问题，本公开的第一方面提供一种盾构搭载刀盘，其能够实现小型地质雷达盾构集成搭载，提高盾构过程的安全性。

本公开的第二方面提供有害气体富存区盾构隧道施工装置，其能够在盾构掘进过程中对有害气体灾害源实时预警，实现对气体灾害源的稳定性分析与评判；能够对不稳定气体灾害源进行实时注浆，为安全科学盾构提供有力保障。

本公开的第三方面提供有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，其能够在盾构掘进过程中对有害气体灾害源实时预警，实现对气体灾害源的稳定性分析与评判；能够对不稳定气体灾害源进行实时注浆，为安全科学盾构提供有力保障。

为了实现上述目的，采用如下技术方案：

本公开第一方面提供的一种盾构搭载刀盘，其包括：

圆盘形刀座，所述圆盘形刀座内均布有四对刀具，每对刀具有两个相对的刀片构成；所述圆盘形刀座内设置有四个凹槽，分别为第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，对应设置在两个相对的刀片之间；所述第一凹槽内设置有地质雷达，其跟随圆盘形刀座旋转，用于对盾构工作面的前方进行圆周探测；所述第二凹槽内设置有可开闭的探测孔孔位，所述第三凹槽内设置有可开闭的抽气孔孔位，所述第四凹槽内设置有可开闭的注浆孔孔位。

作为一种实施方式，所述地质雷达外侧设置有减震层。

本公开第二方面提供的一种有害气体富存区盾构隧道施工装置，其包括：

盾构机，其上搭载有如上述所述的盾构搭载刀盘；所述盾构机和盾构搭载刀盘上的地质雷达均与控制中心相连，当地质雷达接收到不良地质信号且发现空洞时，地质雷达将探测信息传输至控制中心并由控制中心控制盾构机停止掘进施工作业；

钻孔设备，其通过盾构搭载刀盘上的探测孔孔位向空洞进行钻探；

气体识别装置，其包括抽气泵，抽气泵通过盾构搭载刀盘上的抽气孔孔位用于抽取空洞内的气体并传送至气体传感器模块，由气体传感器模块识别出钻探孔内的气体类型，再传送至控制中心。

作为一种实施方式，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置，还包括：

提纯装置，其用于对气体识别装置抽取的空洞内的有害气体内进行提纯。

作为一种实施方式，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置，还包括：

注浆装置，其用过盾构搭载刀盘上的注浆孔孔位，由注浆孔孔位向目标方向进行钻探并向空洞内加压灌浆，待空洞灌浆完毕后及时封堵注浆口。

作为一种实施方式，所述注浆装置包括浆液存储容器，所述浆液存储容器内设有压力泵，所述压力泵用于抽取浆液存储容器内的浆液注入至注浆孔内。

作为一种实施方式，浆液存储容器内的浆液为高压水泥沙浆灌浆。

本公开第三方面提供的一种有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，其包括：

隧道开始盾构施工后地质雷达随盾构机一同开机，地质雷达实时向隧道工作面前方发出高频电磁波，对盾构前方进行圆周探测；

随着盾构不断向前掘进，地质雷达也时刻接收着回波信号，当地质雷达接收到不良地质信号且发现空洞时，及时将探测信息传输至控制中心，盾构机停止掘进施工作业；开启探测孔孔位，钻孔设备由探测孔孔位向目标方向进行钻探，由抽气泵对空洞内气体进行收集并传送至气体传感器模块，由气体传感器模块识别出钻探孔内的气体类型，再传送至控制中心。

作为一种实施方式，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，还包括：

当空洞内有害气体抽取完毕，打开注浆孔孔位，由注浆孔孔位向目标方向进行钻探，由加压泵将预制水泥砂浆向空洞内加压灌浆，待空洞灌浆完毕后及时封堵注浆口。

作为一种实施方式，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，还包括：

利用提纯装置对气体识别装置抽取的空洞内的有害气体内进行提纯，经碳酸钠降解池除去抽取的空洞内的有害气体内硫化氢和二氧化硫这些酸性气体，经纤维膜及低温吸附器除去一氧化碳和一氧化氮这些杂质，得到甲烷气体；最后将提纯后的甲烷加压液化灌装，运出隧道。

本公开的有益效果是：

(1)本公开的盾构搭载刀盘中设置有地质雷达，其跟随圆盘形刀座旋转，用于对盾构工作面的前方进行圆周探测；本公开盾构搭载刀盘中还设置有可开闭的探测孔孔位、抽气孔孔位和注浆孔孔位，能够实现空洞内气体探测、抽取以及注浆操作，实现了小型地质雷达以及气体探测、抽取以及注浆操作的盾构集成搭载，提高了盾构过程的安全性。

(2)本公开的有害气体富存区盾构隧道施工装置中的盾构机上搭载有盾构搭载刀盘，当盾构搭载刀盘上的地质雷达接收到不良地质信号且发现空洞时，地质雷达将探测信息传输至控制中心并由控制中心控制盾构机停止掘进施工作业；还能够进一步地在盾构掘进过程中对有害气体灾害源实时预警，实现对气体灾害源的稳定性分析与评判；能够对不稳定气体灾害源进行实时注浆，为安全科学盾构提供有力保障。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例的一种盾构搭载刀盘结构示意图。

其中，1.圆盘形刀座，2.地质雷达，3.探测孔孔位，4.抽气孔孔位，5.注浆孔孔位。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种盾构搭载刀盘，其包括：

圆盘形刀座1，所述圆盘形刀座1内均布有四对刀具，每对刀具有两个相对的刀片构成；所述圆盘形刀座内设置有四个凹槽，分别为第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，对应设置在两个相对的刀片之间；所述第一凹槽内设置有地质雷达2，其跟随圆盘形刀座旋转，用于对盾构工作面的前方进行圆周探测；所述第二凹槽内设置有可开闭的探测孔孔位3，所述第三凹槽内设置有可开闭的抽气孔孔位4，所述第四凹槽内设置有可开闭的注浆孔孔位5。

作为一种实施方式，所述地质雷达外侧设置有减震层。

为满足前方探测距离要求，采用高频雷达以进一步缩小雷达体积，减小盾构机占比。经充分调研分析得：雷达内槽尺寸大小应采用或优于610mm×90mm。

为满足十米级精确预测预警所述雷达经充分调研分析得：其参数应采用或优于以下配置：

天线频率：200MHz；采样时窗长度为；256ns；扫描采样数：512；A/D采样分辨率：16bit；采集方式：连续采集；定位方式：时间定位。

减震层的材料要求除减震佳、耐磨度好、强度高，足以承受掘进过程中的水土压力保护天线和保持刀盘切削表面平整。除此之外材料应满足电磁波穿透能力强等特点避免对探测性能和结果产生干扰。

为满足雷达掘进安全及预测预警精度所述材料经充分调研分析得：应采用聚甲醛或采用性能更优于聚甲醛材料。

本实施例的盾构搭载刀盘中设置有地质雷达，其跟随圆盘形刀座旋转，用于对盾构工作面的前方进行圆周探测；本公开盾构搭载刀盘中还设置有可开闭的探测孔孔位、抽气孔孔位和注浆孔孔位，能够实现空洞内气体探测、抽取以及注浆操作，实现了小型地质雷达以及气体探测、抽取以及注浆操作的盾构集成搭载，提高了盾构过程的安全性。

实施例2

本实施例的一种有害气体富存区盾构隧道施工装置，其包括：

盾构机，其上搭载有实施例1所述的盾构搭载刀盘；所述盾构机和盾构搭载刀盘上的地质雷达均与控制中心相连，当地质雷达接收到不良地质信号且发现空洞时，地质雷达将探测信息传输至控制中心并由控制中心控制盾构机停止掘进施工作业；

钻孔设备，其通过盾构搭载刀盘上的探测孔孔位向空洞进行钻探；

气体识别装置，其包括抽气泵，抽气泵通过盾构搭载刀盘上的抽气孔孔位用于抽取空洞内的气体并传送至气体传感器模块，由气体传感器模块识别出钻探孔内的气体类型，再传送至控制中心。

在具体实施中，气体传感器模块预设在管片内。

为满足对隧道内常见有害气体，如一氧化碳，硫化氢，二氧化硫，甲烷等的监测。气体传感器模块由电化学一氧化碳传感器、电化学硫化氢传感器、电化学二氧化硫传感器和光干涉甲烷传感器组成。

具体地，抽气泵参数应采用或优于以下配置：离心式通风机、压力3.5kPa，风量2500m/h。

作为一种实施方式，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置，还包括：

提纯装置，其用于对气体识别装置抽取的空洞内的有害气体内进行提纯。

具体地，利用提纯装置对气体识别装置抽取的空洞内的有害气体内进行提纯，经碳酸钠降解池除去抽取的空洞内的有害气体内硫化氢和二氧化硫这些酸性气体，经纤维膜及低温吸附器除去一氧化碳和一氧化氮这些杂质，得到甲烷气体；最后将提纯后的甲烷加压液化灌装，运出隧道。

作为一种实施方式，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置，还包括：

注浆装置，其用过盾构搭载刀盘上的注浆孔孔位，由注浆孔孔位向目标方向进行钻探并向空洞内加压灌浆，待空洞灌浆完毕后及时封堵注浆口。

作为一种具体实施方式，所述注浆装置包括浆液存储容器，所述浆液存储容器内设有压力泵，所述压力泵用于抽取浆液存储容器内的浆液注入至注浆孔内。

作为一种实施方式，浆液存储容器内的浆液为高压水泥沙浆灌浆。

本实施例的一种有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，其包括：

隧道开始盾构施工后地质雷达随盾构机一同开机，地质雷达实时向隧道工作面前方发出高频电磁波，对盾构前方进行圆周探测；

随着盾构不断向前掘进，地质雷达也时刻接收着回波信号，当地质雷达接收到不良地质信号且发现空洞时，及时将探测信息传输至控制中心，盾构机停止掘进施工作业；开启探测孔孔位，钻孔设备由探测孔孔位向目标方向进行钻探，由抽气泵对空洞内气体进行收集并传送至气体传感器模块，由气体传感器模块识别出钻探孔内的气体类型，再传送至控制中心。

作为一种实施方式，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，还包括：

当空洞内有害气体抽取完毕，打开注浆孔孔位，由注浆孔孔位向目标方向进行钻探，由加压泵将预制水泥砂浆向空洞内加压灌浆，待空洞灌浆完毕后及时封堵注浆口。

作为一种实施方式，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，还包括：

利用提纯装置对气体识别装置抽取的空洞内的有害气体内进行提纯，经碳酸钠降解池除去抽取的空洞内的有害气体内硫化氢和二氧化硫这些酸性气体，经纤维膜及低温吸附器除去一氧化碳和一氧化氮这些杂质，得到甲烷气体；最后将提纯后的甲烷加压液化灌装，运出隧道。

本实施例的有害气体富存区盾构隧道施工装置中的盾构机上搭载有盾构搭载刀盘，当盾构搭载刀盘上的地质雷达接收到不良地质信号且发现空洞时，地质雷达将探测信息传输至控制中心并由控制中心控制盾构机停止掘进施工作业；还能够进一步地在盾构掘进过程中对有害气体灾害源实时预警，实现对气体灾害源的稳定性分析与评判；能够对不稳定气体灾害源进行实时注浆，为安全科学盾构提供有力保障。

下面提供浅地表有害气体富存区隧道盾构掘进智能施工决策体系的施工流程，包括以下步骤：

A、隧道盾构准备，雷达开机试机，各孔位调试预防卡位；

B、隧道开始盾构掘进，雷达开机开始实时圆周探查；

C、隧道同步进行管片安装施工，管片内预制气体传感器模块；

D、雷达探测异常，预警，停止施工，钻探孔位开启，向前钻探；

E、钻探取样分析，判断是否需要抽气，完毕后对空腔进行填充；

F、填充完毕后，待围岩稳定继续向前掘进。

本实施例的有害气体富存区盾构隧道施工装置安全严谨、实用性强、能够在有害气体富存地区下做到精细探查，进一步提高盾构施工安全、减少意外事故，为科学智慧施工提供有力保障。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有害气体富存区盾构隧道施工装置，其特征在于，包括：

盾构机，其上搭载有盾构搭载刀盘；所述盾构搭载刀盘上的地质雷达和盾构机均与控制中心相连，当地质雷达接收到不良地质信号且发现空洞时，地质雷达将探测信息传输至控制中心并由控制中心控制盾构机停止掘进施工作业；

钻孔设备，其通过盾构搭载刀盘上的探测孔孔位向空洞进行钻探；

气体识别装置，其包括抽气泵，抽气泵通过盾构搭载刀盘上的抽气孔孔位用于抽取空洞内的气体并传送至气体传感器模块，由气体传感器模块识别出钻探孔内的气体类型，再传送至控制中心。

2.如权利要求1所述的有害气体富存区盾构隧道施工装置，其特征在于，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置，还包括：

提纯装置，其用于对气体识别装置抽取的空洞内的有害气体内进行提纯。

3.如权利要求1所述的有害气体富存区盾构隧道施工装置，其特征在于，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置，还包括：

注浆装置，其用过盾构搭载刀盘上的注浆孔孔位，由注浆孔孔位向目标方向进行钻探并向空洞内加压灌浆，待空洞灌浆完毕后及时封堵注浆口。

4.如权利要求3所述的有害气体富存区盾构隧道施工装置，其特征在于，所述注浆装置包括浆液存储容器，所述浆液存储容器内设有压力泵，所述压力泵用于抽取浆液存储容器内的浆液注入至注浆孔内。

5.如权利要求4所述的有害气体富存区盾构隧道施工装置，其特征在于，浆液存储容器内的浆液为高压水泥沙浆灌浆。

6.如权利要求1所述的有害气体富存区盾构隧道施工装置，其特征在于，所述盾构搭载刀盘，包括：

圆盘形刀座，所述圆盘形刀座内均布有四对刀具，每对刀具有两个相对的刀片构成；所述圆盘形刀座内设置有四个凹槽，分别为第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，对应设置在两个相对的刀片之间；所述第一凹槽内设置有地质雷达，其跟随圆盘形刀座旋转，用于对盾构工作面的前方进行圆周探测；所述第二凹槽内设置有可开闭的探测孔孔位，所述第三凹槽内设置有可开闭的抽气孔孔位，所述第四凹槽内设置有可开闭的注浆孔孔位。

7.如权利要求6所述的有害气体富存区盾构隧道施工装置，其特征在于，所述地质雷达外侧设置有减震层。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，其特征在于，包括：

隧道开始盾构施工后地质雷达随盾构机一同开机，地质雷达实时向隧道工作面前方发出高频电磁波，对盾构前方进行圆周探测；

随着盾构不断向前掘进，地质雷达也时刻接收着回波信号，当地质雷达接收到不良地质信号且发现空洞时，及时将探测信息传输至控制中心，盾构机停止掘进施工作业；开启探测孔孔位，钻孔设备由探测孔孔位向目标方向进行钻探，由抽气泵对空洞内气体进行收集并传送至气体传感器模块，由气体传感器模块识别出钻探孔内的气体类型，再传送至控制中心。

9.如权利要求8所述的有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，其特征在于，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，还包括：

当空洞内有害气体抽取完毕，打开注浆孔孔位，由注浆孔孔位向目标方向进行钻探，由加压泵将预制水泥砂浆向空洞内加压灌浆，待空洞灌浆完毕后及时封堵注浆口。

10.如权利要求8所述的有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，其特征在于，所述有害气体富存区盾构隧道施工装置的使用方法，还包括：

利用提纯装置对气体识别装置抽取的空洞内的有害气体内进行提纯，经碳酸钠降解池除去抽取的空洞内的有害气体内硫化氢和二氧化硫这些酸性气体，经纤维膜及低温吸附器除去一氧化碳和一氧化氮这些杂质，得到甲烷气体；最后将提纯后的甲烷加压液化灌装，运出隧道。

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