CN112228095B - 一种tbm隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置及方法，所述钻探装置包括钻进组件、钻机姿态控制组件、数据监测组件以及TBM钻机平台固定座；钻进组件与TBM液压系统连接获取动力，实现合金钻头旋转和平移钻进岩体；钻机姿态控制组件用于控制钻杆角度、方向和位置，并保持钻进的精确性和稳定性；数据监测组件通过高精度传感器和数据模块获取和储存钻进力学响应信号，以分析岩体完整性特征；TBM钻机平台固定座目的是实现钻探装置的TBM搭载；本发明通过钻探装置钻进及力学响应信息解译TBM掌子面前方的岩体完整性参数，是一种获取工程地质勘察资料的原位设备和方法，为TBM隧道安全、高效掘进提供重要支撑。

Description

一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置及方法
技术领域
本发明涉及隧道及地下工程领域，具体是适用于敞开式和护盾式TBM超前工程地质勘探和隧道掌子面前方岩体完整性测量的装置及方法。
背景技术
全断面隧道掘进机(TBM)技术目前在国内隧道及地下工程领域内广泛应用，尤其是深埋长隧道建设中优先选用。然而，TBM对岩体完整性的敏感性更强，一方面，在完整性良好的岩体中，TBM易出现“掘不动，速度慢”等情况，需要根据岩体完整性特征合理选取滚刀强度和刚度；另一方面，在完整性较差的岩体中，若前方地质条件勘探不清楚，TBM易出现卡机和工程失稳等事故。因此，TBM隧道掌子面前方岩体完整性勘察是施工的重难点。
TBM是一个庞大的机械电磁体，在岩体完整性的测试中，现今采用的物探方法受到极大的干扰，导致测试精度大大降低，严重影响了工程应用效果。而传统的钻探方法，在完整性较差的岩体中，常常因塌孔和孔缩问题导致测试无法正常进行。现场大量钻探经验表明，岩体钻进过程中的监测数据与岩体质量有着很好的相关性，在同一完整的岩体中钻机，钻进监测数据反映了很好的聚合性，而在不同完整性的岩体中钻机，钻进数据又有很好的规律性。为此，采用钻进数据反演分析岩体完整性特征成为可能，极大的解决了TBM掌子面前方岩体特征难以探测这一亟待解决的工程难题。
目前在TBM平台上通过搭载岩体完整性钻探装置的技术还暂未开展和应用。利用钻孔过程中的监测数据分析岩体质量具有重要价值，将产生很好的经济效益和社会效益。因此，亟待研发一种能够应用于敞开式和护盾式TBM超前工程地质勘探和隧道掌子面前方岩体完整性测量的装置及操作方法，即一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置及方法，利用带有数字化和信息化技术的超前钻进装置，获取钻进过程中的钻具响应动态信息，用于分析TBM隧道掌子面前方岩体完整性，为TBM高效和安全掘进提供重要勘察资料。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置，其特征在于，包括钻进组件、钻机姿态控制组件、数据监测组件以及TBM钻机平台固定座；所述钻进组件是依靠合金钻头钻进隧道掌子面前方岩体，合金钻头安装于钻杆顶部，通过钻机旋转器和托板滑块带动钻杆运动，使钻杆产生旋转和平移，钻进组件整体固定在滑轨钢架以保持稳定性；所述钻机姿态控制组件为实现合金钻头灵活移动和变换钻进位置，由前部升降器、中部升降器和尾部连接件组成，前部升降器包括前部升降固定销、前部升降套筒和前部升降轴，中部升降器包括中部升降固定销、中部升降套筒和中部升降轴，尾部连接件包滑轨钢架支座和圆柱销；所述数据监测组件包含位移感应器、液压传感器、转速测试仪、扭矩仪转子、扭矩仪定子以及用于安装和固定的配件；所述TBM钻机平台固定座是通过前部升降器底座、中部升降器底座和尾部连接支座将钻探装置牢牢固定于TBM钻机平台架。
进一步地，在上述方案中，所述钻机旋转器底座和托板滑块通过滑轨卡槽实现在滑轨脊上稳定的前后移动，并将位移传输到钻杆，以带动合金钻头钻进待测岩体。
进一步地，在上述方案中，所述钻机钻进时消耗的旋转和平移动力由TBM液压系统提供，通过TBM液压输入口将液压依次传输到液压箱、钻机液压转接器、管道、液压转接器实现动力供给，并由液压封闭螺栓、转接器密封垫和液压转接器螺栓实现组件固定和密封。
进一步地，在上述方案中，所述位移感应器在平移过程中通过感应与位移感应器标靶的相对距离来记录合金钻头的钻进进尺。
进一步地，在上述方案中，所述扭矩仪转子随钻杆同轴运动，扭矩仪定子感应扭矩仪转子的受力状态以实现合金钻头的钻进扭矩测量，与钻杆同轴的转速测试仪记录钻杆旋转速度，扭矩仪定子和转速测试仪支座除用于固定扭矩仪转子和转速测试仪外，还具有约束钻杆的作用。
进一步地，在上述方案中，所述液压传感器利用液压传感器接头安装于管道，并采用固定螺栓进行压紧密封。
进一步地，在上述方案中，所述装置由无线信号接收器和数据模块进行传输和记录监测数据，并通过信号传输端口和数据传输针实现和TBM数据处理设备信号对接。
本发明还提供了一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置的操作方法，其特征在于，包括以下施工步骤：
步骤1：将TBM钻机平台架安装到TBM刀盘后方的施工平台，调整前部升降轴和中部升降轴至合理高度，使合金钻头贴近待测岩体钻孔。
步骤2：TBM液压输入口接入TBM液压系统，为钻进提供持续动力，同时将信号传输端口与TBM数据传输系统相连接。
步骤3：开启位移感应器、液压传感器、转速测试仪、扭矩仪转子和扭矩仪定子，检查数据是否正常输出。
步骤4：启动钻进组件，使钻杆以一定的扭矩和推力向前运动，合金钻头持续钻进岩体，根据位移感应器测值判断钻进距离，钻进至预设距离后，关闭钻进组件。
步骤5：提取并保存数据模块中的数据信息，获取和整理钻进过程中的钻进时间(T，s)、钻进位移(S，m)、钻进压力(P，Pa)、钻进转速(N，rev/s)和钻进扭矩(M，N2m)等数据，并计算出参数A的值。
步骤6：获取钻进监测数据后，利用钻进位移(S，m)和钻进时间(T，s)求得钻进速度(V，m/s)，代入公式“K＝A3V3P-0.53N-0.53M-0.5”，计算完整性指数，完整岩体K为0-2、块状岩体K为2-3，非常破碎与空洞岩体K大于3，通过各段钻孔的K值判断岩体的完整性，实施完毕。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置数字化、信息化水平高，探测过程具有快速性、连续性和实时性；本发明通过合金钻头的钻进力学响应信息获取岩体质量参数，是一种原位获取工程地质条件的方法，且采用严格的公式计算岩体完整性，克服了传统人为观察主观判断的不确定性；本发明的结构设计灵活具有可调节性，能满足不同类型和直径的TBM使用，保障TBM安全高效施工。
附图说明
图1是本发明的TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置三维图。
图2是本发明的钻探装置结构体系立面图。
图3是本发明的钻探装置结构体系俯视图。
图4是本发明的钻进组件和钻机姿态控制组件装配示意图。
图5是本发明的钻探装置和TBM平台接口的安装图。
图6是本发明装置操作方法的流程图。
图7是本发明的钻探装置在完整性岩体中的监测曲线图。
图8是本发明的应用实施例钻进响应参数相关性和数据拟合图。
图9是本发明的应用实施例的数据曲线波动示意图。
其中，1-合金钻头；2-钻杆；3-扭矩仪转子；4-扭矩仪定子；5-转速测试仪；6-转速测试仪支座；7-钻机旋转器；8-钻机旋转器底座；9-位移感应器；10-托板滑块；11-位移感应器标靶；12-滑轨卡槽；13-滑轨脊；14-液压传感器；15-管道；16-TBM液压输入口；17-信号传输端口；18-数据模块；19-滑轨钢架；20-前部升降固定销；21-前部升降套筒；22-前部升降轴；23-前部升降器底座；24中部升降固定销；25-中部升降套筒；26-中部升降轴；27-中部升降器底座；28-TBM钻机平台架；29-滑轨钢架支座；30-尾部连接支座；31-圆柱销；32-无线信号接收器；33-数据传输针；34-液压传感器接头；35-液压转接器；36-液压转接器螺栓；37-液压封闭螺栓；38-液压箱；39-钻机液压转接器；40-固定螺栓；41-转接器密封垫；42-螺丝。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚完整的描述。应该了解，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图5所示，本发明的一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置，包括钻进组件、钻机姿态控制组件、数据监测组件以及TBM钻机平台固定座。
如图1-图4所示，所述钻进组件由合金钻头1、钻杆2、托板滑块10、管道15、TBM液压输入口16、液压转接器35、液压转接器螺栓36、液压封闭螺栓37、液压箱38、钻机液压转接器39、固定螺栓40、转接器密封垫41和螺丝42组成；所述钻进组件是依靠合金钻头1钻进隧道掌子面前方岩体，合金钻头1安装于钻杆2顶部，通过钻机旋转器7和托板滑块10带动钻杆2运动，使钻杆2产生旋转和平移，钻进组件整体固定在滑轨钢架19以保持稳定性；所述钻机旋转器底座8和托板滑块10通过滑轨卡槽12实现在滑轨脊上13稳定的前后移动，并将位移传输到钻杆2，以带动合金钻头1钻进待测岩体；所述钻进时消耗的旋转和平移动力由TBM液压系统提供，通过TBM液压输入口16将液压依次传输到液压箱38、钻机液压转接器39、管道15、液压转接器35实现动力供给，并由液压封闭螺栓37、转接器密封垫41和液压转接器螺栓36实现组件固定和密封。
如图1-图3所示，所述钻机姿态控制组件由滑轨卡槽12、滑轨脊13、滑轨钢架19、前部升降固定销20、前部升降套筒21、前部升降轴22、中部升降固定销24、中部升降套筒25、中部升降轴26、滑轨钢架支座29和圆柱销31组成；所述钻机姿态控制组件为实现合金钻头1灵活移动和变换钻进位置，由前部升降器、中部升降器和尾部连接件组成，前部升降器包括前部升降固定销20、前部升降套筒21和前部升降轴22，中部升降器包括中部升降固定销24、中部升降套筒25和中部升降轴26，尾部连接件包滑轨钢架支座29和圆柱销31；所述钻机姿态控制组件可以通过调节前部升降轴22和中部升降轴26调节钻杆2的方向，控制合金钻头1的钻进角度和位置。
如图1-图4所示，所述数据监测组件由扭矩仪转子3、扭矩仪定子4、转速测试仪5、转速测试仪支座6、钻机旋转器7、钻机旋转器底座8、位移感应器、位移感应器标靶11、液压传感器14、信号传输端口17、数据模块18、无线信号接收器32、数据传输针33、液压传感器接头34、组成；所述数据监测组件包含位移感应器9、液压传感器14、转速测试仪5、扭矩仪转子3、扭矩仪定子4以及用于安装和固定的配件；所述位移感应器9在平移过程中通过感应与位移感应器标靶11的相对距离来记录合金钻头1的钻进进尺；所述扭矩仪转子3随钻杆2同轴运动，扭矩仪定子4感应扭矩仪转子3的受力状态以实现合金钻头1的钻进扭矩测量，与钻杆2同轴的转速测试仪5记录钻杆旋转速度，扭矩仪定子4和转速测试仪支座6除用于固定扭矩仪转子3和转速测试仪5外，还具有约束钻杆2的作用。所述液压传感器14利用液压传感器接头34安装于管道15，并采用固定螺栓40进行压紧密封；如图5所示，所述数据监测传感器信号由无线信号接收器32和数据模块18进行传输和记录监测数据，并通过信号传输端口17和数据传输针33实现和TBM数据处理设备信号对接。
如图1-图4所示，所述TBM钻机平台固定座由前部升降器底座23、中部升降器底座27、TBM钻机平台架28和尾部连接支座30组成；所述TBM钻机平台固定座是通过前部升降器底座23、中部升降器底座27和尾部连接支座30将钻探装置牢牢固定于TBM钻机平台架28，通过设置前部升降器底座23和中部升降器底座27的安装间距实现钻探装置的尺寸控制，可满足各种规格TBM的需要。
如图6-图9所示，本发明还提供了一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置的操作方法，其特征在于，包括以下施工步骤：
步骤1：将TBM钻机平台架(28)安装到TBM刀盘后方的施工平台，调整前部升降轴(22)和中部升降轴(26)至合理高度，使钻杆(2)方向与预设角度误差不应大于±3°。调整合金钻头(1)贴近待测岩体钻孔，位置误差不应大于±30mm。若出现因合金钻头(1)位置调整影响钻杆(2)方向，应返回重复调整钻杆(2)方向和合金钻头(1)位置，直至角度和方向均满足工程要求。调整完毕后，固定前部升降器和中部升降器使托板滑块(10)能沿着滑轨脊平稳移动，在钻进受力状态下不产生偏转。
步骤2：TBM液压输入口(6)接入TBM液压系统，为钻进过程提供持续动力，通过调节液压水平控制钻进力，以满足不同强度岩体的实际钻进需要。与此同时，将信号传输端口(17)与TBM数据传输系统相连接，务必保持数据传输针(33)与TBM数据接收针匹配，将数据信号传输到TBM信息管理平台，可用于数据查询、分析和备份。
步骤3：开启位移感应器(9)、液压传感器(14)、转速测试仪(5)、扭矩仪转子(3)和扭矩仪定子(4)，检查数据是否正常输出，所有数据应同步，采样频率为1组/s。位移传感器(9)和转速测试仪(5)在钻进装置固定后应清零。在钻进过程中，观察扭矩仪转子(3)、扭矩仪定子(4)以及液压传感器(14)的示数变化，用于控制采取的钻进推力与预设值匹配。若出现传感器数据异常，应该检查是否有损坏并及时更改。
步骤4：启动钻进组件，使钻杆(2)以一定的扭矩和推力向前运动，合金钻头(1)持续钻进岩体，若合金钻头(1)有明显损耗时，应及时更换，确保不因钻进机具问题导致监测数据异常。在钻进装置驱动时，应预设钻进进尺，根据位移感应器(9)测值判断钻进距离，钻进至预设距离后，关闭钻进组件。当未达到预设钻进进尺临时暂停时，当重新钻进时，数据模块(18)记录数据能够自动衔接，保持位移感应器(9)的数据连贯性。
步骤5：提取并保存数据模块(18)中的数据信息，获取和整理钻进过程中的钻进时间(T，s)、钻进位移(S，m)、钻进压力(P，Pa)、钻进转速(N，rev/s)和钻进扭矩(M，N2m)等数据，对出现异常数据时，应能够有警示和剔除。采用滤波方法对数据噪音进行合理化滤波，在保持信号规律不丢失的前提下，使数据更加清晰。对于同一种钻探装置，常数A具有唯一性，也可以根据实际钻进情况计算出参数A的值。
步骤6：获取钻进监测数据后，利用钻进位移(S，m)和钻进时间(T，s)求得钻进速度(V，m/s)，代入公式“K＝A3V3P-0.53N-0.53M-0.5”，计算完整性指数。通过完整性指数可以快速评价岩体结构特征，完整岩体K值为0-2、块状岩体K值为2-3，非常破碎与空洞岩体K值大于3。通过各段钻孔的K值判断岩体的完整性，并形成记录表或柱装彩图，整个钻探实施完毕。
此外，本说明书应被视为一个整体，上述实施方式并非本发明唯一的独立技术方案，实施例中的技术方案可经适当组合调整，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置，其特征在于，包括钻进组件、钻机姿态控制组件、数据监测组件以及TBM钻机平台固定座；所述钻进组件包括合金钻头（1）、钻杆（2）、钻机旋转器（7）、钻机旋转器底座（8）和托板滑块（10），合金钻头（1）钻进隧道掌子面前方岩体，合金钻头（1）安装于钻杆（2）顶部，通过钻机旋转器（7）和托板滑块（10）带动钻杆（2）运动，使钻杆（2）产生旋转和平移，所述钻进组件整体固定在一滑轨钢架（19）上以保持稳定性，滑轨钢架（19）包括滑轨卡槽（12）、滑轨脊（13）；所述钻机姿态控制组件由前部升降器、中部升降器和尾部连接件组成，前部升降器包括前部升降固定销（20）、前部升降套筒（21）和前部升降轴（22），中部升降器包括中部升降固定销（24）、中部升降套筒（25）和中部升降轴（26），尾部连接件包括滑轨钢架支座（29）和圆柱销（31）；所述数据监测组件包含位移感应器（9）、液压传感器（14）、转速测试仪（5）、扭矩仪转子（3）、扭矩仪定子（4）以及用于安装和固定的配件；所述TBM钻机平台固定座是通过前部升降器底座（23）、中部升降器底座（27）和尾部连接支座（30）将钻探装置固定于TBM钻机平台架（28）；
所述钻机旋转器底座（8）和托板滑块（10）通过滑轨卡槽（12）实现在滑轨脊（13）上稳定的前后移动，并将位移传输到钻杆（2），以带动合金钻头（1）钻进待测岩体；
钻机钻进时消耗的旋转和平移动力由TBM液压系统提供，通过TBM液压输入口(16)将液压依次传输到液压箱（38）、钻机液压转接器（39）、管道（15）、液压转接器（35）实现动力供给，并由液压封闭螺栓（37）、转接器密封垫（41）和液压转接器螺栓（36）实现钻进组件的固定和密封；
位移感应器（9）在平移过程中通过感应与位移感应器标靶（11）的相对距离来记录合金钻头（1）的钻进进尺。
2.根据权利要求1所述的一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置，其特征在于扭矩仪转子（3）随钻杆（2）同轴运动，扭矩仪定子（4）感应扭矩仪转子（3）的受力状态以实现合金钻头（1）的钻进扭矩测量，与钻杆（2）同轴的转速测试仪（5）记录钻杆旋转速度，扭矩仪定子（4）和转速测试仪支座（6）除用于固定扭矩仪转子（3）和转速测试仪（5）外，还具有约束钻杆（2）的作用。
3.根据权利要求1所述的一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置，其特征在于液压传感器（14）利用液压传感器接头（34）安装于管道（15），并采用固定螺栓（40）进行压紧密封。
4.根据权利要求1所述的一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置，其特征在于由无线信号接收器（32）和数据模块（18）进行传输和记录监测数据，并通过信号传输端口（17）和数据传输针（33）实现和TBM数据处理设备信号对接。
5.一种根据权利要求1-4任一所述的一种TBM隧道掌子面前方岩体完整性钻探装置的使用方法，其特征在于，包括以下施工步骤：
步骤1：将TBM钻机平台架（28）安装到TBM刀盘后方的施工平台，调整前部升降轴（22）和中部升降轴（26）至合理高度，使合金钻头（1）贴近待测岩体钻孔；
步骤2：TBM液压输入口（16）接入TBM液压系统，为钻进提供持续动力，同时将信号传输端口（17）与TBM数据传输系统相连接；
步骤3：开启位移感应器（9）、液压传感器（14）、转速测试仪（5）、扭矩仪转子（3）和扭矩仪定子（4），检查数据是否正常输出；
步骤4：启动钻进组件，使钻杆（2）以一定的扭矩和推力向前运动，合金钻头（1）持续钻进岩体，根据位移感应器（9）测值判断钻进距离，钻进至预设距离后，关闭钻进组件；
步骤5：提取并保存数据模块（18）中的数据信息，获取和整理钻进过程中的钻进时间（T，s）、钻进位移（S，m）、钻进压力（P，Pa）、钻进转速（N，rev/s）和钻进扭矩（M，N·m）的数据，并计算出参数A的值；
步骤6：获取钻进监测数据后，利用钻进位移（S，m）和钻进时间（T，s）求得钻进速度（V，m/s），代入公式“K=A×V×P-0.5×N-0.5×M-0.5”，计算完整性指数K，完整岩体0≤K＜2、块状岩体2≤K≤3，非常破碎与空洞岩体K＞3，通过各段钻孔的K值判断岩体的完整性，实施完毕。
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