CN112229285A - 一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置及其检测方法，属于隧道爆破开挖工程领域。本发明的检测装置包括安装基座，安装基座顶部设置有测振传感器，该测振传感器包括安装壳体以及内部的质量块，滑杆从质量块内穿过并两端连接至安装壳体两侧内壁，质量块能够沿滑杆水平滑动；质量块上设置有活动导电片，质量块下方对应设有多组沿水平方向均匀间隔设置的固定导电片，活动导电片的宽度大于相邻两组固定导电片之间的间隙。本发明克服现有技术中爆破振动检测应用不便、成本较高的不足，提供了一种基于机械式惯性传感器的简易检测装置，可以有效降低生产成本，简化操作流程、提高工作效率。

Description

一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及隧道爆破开挖工程技术领域，更具体地说，涉及一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置及其检测方法。

背景技术

在城市隧道施工过程中，对于坚硬岩层，机械开挖成本高昂、效率偏低，因此工程上常常采用钻爆法进行施工作业。然而，不同钻孔内的炸药爆炸产生的不同幅值、频率和相位的应力波，传播过程中不断叠加形成随机复合地震波，引起岩土介质振动，进而造成地面建筑物产生随时间变化的速度、位移、加速度等。爆破引起的振动具有以下特点：①峰值振速衰减快，加速度值较大；②振动持续时间短；③发生在地层浅部；④具有很强的方向性；⑤由于建筑物的自振频率较低，因此爆破产生的低频地震波比高频地震波对建筑物的危害大。若低频爆破地震波强度较高且离建筑物较近，则容易造成建筑物损坏，对人员安全造成严重威胁。为了消除隧道爆破施工对地面建筑物造成的潜在威胁，工程上可采用电子式爆破振动检测设备对施工过程进行检测，但这类设备造价高，且操作难度大。

经检索，中国专利申请号：2012104267332，发明创造名称为：一种振动式微机械电场传感器，该申请案包括基座、设置在基座上的敏感层和屏蔽层，屏蔽层包括活动结构、固定梳齿结构，其中活动结构包括一个中心设置有间隙的矩形质量块、设置在质量块四周的梳齿，与质量块四个端角相连接的支撑梁。该申请案通过振动速度信号的差分式反馈来对针对屏蔽层中的活动结构的振动阻尼进行调谐，实现振动式微机械电场传感器的常压封装，能实现大的灵敏度和提高输出信号的稳定性，解决了现存微机械电场传感器中的制造误差补偿和封装及输出信号稳定性等关键问题。

又如中国专利申请号：2017205960764，发明创造名称为：爆破用边坡振动监测仪，该申请案包括：外壳，其内设置有安装腔；地下桩，其通过标定筒与外壳底面固定，地下桩的顶端以及标定筒均为圆柱体结构，地下桩以及标定筒均位于竖直方向上；竖直检测机构，其安装于安装腔内壁上，以在爆破时检测竖直方向上的振动速度；水平检测机构，其包括水平检测壳体、检测板、安装柱以及四个水平振动组件，每个水平振动组件均包括：第一导电片、第二导电片、导电球、安装架、水平弹簧、永磁铁以及霍尔传感器。该爆破用边坡振动监测仪解决因每次检测第一导电球初始位置不一样而导致检测结果偏差很大的问题。

综上所述，目前关于振动检测技术已有大量专利公开，但侧重点各有不同，针对隧道爆破开挖的应用环境，仍有广泛的研究空间。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中爆破振动检测应用不便、成本较高的不足，拟提供一种地表振动强度检测装置及其检测方法，该检测装置是基于机械式惯性传感器的简易检测装置，可以有效降低生产成本，简化操作流程、提高工作效率；其检测方法操作简单，应用灵活，且检测精度较高。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，包括安装基座，安装基座顶部设置有测振传感器，该测振传感器包括安装壳体以及内部的质量块，滑杆从质量块内穿过并两端连接至安装壳体两侧内壁，质量块能够沿滑杆水平滑动；质量块上设置有活动导电片，质量块下方对应设有多组沿水平方向均匀间隔设置的固定导电片，活动导电片的宽度大于相邻两组固定导电片之间的间隙。

更进一步地，质量块两侧与安装壳体内壁之间分别设置有圆柱弹簧，该圆柱弹簧套设于滑杆两侧。

更进一步地，质量块为空心腔体结构，包括气缸座，气缸座顶部的顶侧壁两侧分别开设有气孔，滑杆即从气缸座的两端侧壁中穿过并向外延伸至安装壳体，滑杆的中部设有活塞。

更进一步地，安装基座的下部设置为螺杆段，顶部设置为安装位，测振传感器即安装于该安装位。

更进一步地，安装基座的螺杆段上方开设有用于安装臂杆的通孔。

更进一步地，安装壳体内还设置有电路板和电池仓，电路板和电池仓通过导线连接，多组固定导电片分别与电路板电性连接；安装壳体外壁上还设置有开关按钮和多组发光二极管，开关按钮和发光二极管也分别与电路板连接，相邻两个固定导电片连通后触发特定发光二极管常亮。

更进一步地，安装位的四周侧壁上分别开设有安装孔，利用螺栓向内顶紧固定测振传感器。

更进一步地，气缸座的材质为铅黄铜，活塞的材质为硅青铜，活动导电片和固定导电片的材质为铜质镀金材料。

更进一步地，滑杆与安装基座上的臂杆保持平行。

本发明的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测方法，采用如上所述的检测装置，按照以下过程进行：

S1、定位安装：将检测装置安装在隧道爆破开挖面与建筑与的连线上，且更靠近建筑物的位置，并将其固定安装于地面上；

S2、打开测振传感器开关，进行爆破施工；

S3、施工完成后，根据激活的发光二极管数目确定振动等级；

S4、关闭开关，拆除安装。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，通过定量检测振动引起的质量块位移，从而直接测量振动等级，测试精度和工作效率都有明显提升。

(2)本发明的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，主要结构为由弹簧、质量块、气缸组成的弹簧-质量-阻尼系统构成，零部件少，结构简单，生产成本较低。

(3)本发明的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测方法，使用方便，可以有效检测水平方向的、易引起建筑物损伤的低频振动。

附图说明

图1为本发明的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置的结构示意图；

图2为本发明中传感器安装位的结构示意图；

图3为本发明中测振传感器结构示意图；

图4为本发明中质量块剖面结构示意图；

图5为本发明中活动导电片触发发光二极管状态示意图；

图6为本发明装置安装位置状态示意图。

示意图中的标号说明：

100、安装基座；101、臂杆；102、安装位；103、安装孔；200、测振传感器；201、安装壳体；202、质量块；203、滑杆；204、圆柱弹簧；205、活动导电片；206、固定导电片；207、电池仓；208、电路板；209、开关按钮；210、发光二极管；211、气缸座；212、顶侧壁；213、气孔；214、活塞。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图1-图6所示，本实施例的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，包括安装基座100，安装基座100顶部设置有测振传感器200，具体地，如图1所示，该安装基座100的下部设置为螺杆段，顶部设置为安装位102，安装位102的四周侧壁上分别开设有安装孔103，利用螺栓向内顶紧固定测振传感器200。安装基座100的螺杆段上方开设有用于安装臂杆101的通孔。使用时可通过旋转臂杆101将安装基座100的螺杆部分插入地面，用于建立地面与测振传感器200之间的刚性连接。其中臂杆101可灵活拆卸。

如图3所示，本实施例中测振传感器200包括安装壳体201以及内部的质量块202，滑杆203从质量块202内穿过并两端连接至安装壳体201两侧内壁，质量块202能够沿滑杆203水平滑动；质量块202两侧与安装壳体210内壁之间分别设置有圆柱弹簧204，该圆柱弹簧204套设于滑杆203两侧。质量块202上设置有活动导电片205，质量块202下方对应设有多组沿水平方向均匀间隔设置的固定导电片206，活动导电片205的宽度大于相邻两组固定导电片206之间的间隙。

如图4所示，本实施例中质量块202为空心长方体结构，内部空腔为圆柱形气缸结构，具体包括气缸座211，气缸座211顶部的顶侧壁212的两侧分别开设有气孔213，该气孔213与内部空腔相通；滑杆203即从气缸座211的两端侧壁中穿过并向外延伸至安装壳体201。具体地，滑杆203为光滑细杆，其中部设有活塞214，活塞214与滑杆203之间保持固定，两端分别与安装壳体201相连，套设的圆柱弹簧204一端与质量块202相连，一端与安装壳体201相连。活塞214与气缸座211的内腔相配合，能够实现气缸座211相对于活塞214灵活平移。

本实施例中安装壳体201内还设置有电路板208和电池仓207，电路板208和电池仓207通过导线连接，多组固定导电片206分别与电路板208电性连接；安装壳体201外壁上还设置有开关按钮209和多组发光二极管210，开关按钮209和发光二极管210也分别与电路板208连接，相邻两个固定导电片206连通后触发特定发光二极管210常亮。

本实施例中多组矩形的固定导电片206等间距排列，活动导电片205顶端固连于质量块202上，随质量块202水平滑动而移动，其底部则能够在移动过程中触发相邻两个固定导电片206的连通，从而对应触发对应的发光二极管210常亮。该装置实际使用时用于感知隧道爆破引起的地表振动强度，本实施例中强度分为5个等级，强度等级与激活的发光二极管210数目保持一致。如图3所示，发光二极管210和开关按钮209焊接于电路板208上。由左向右依次共设置5个发光二极管210，编号为1-5。对应地，固定导电片206共设置有12个，如图5所示，由左向右编号依次为1-12。具体地，5号和6号(或7号和8号)固定导电片206导通，将触发1号发光二极管210常亮；4号和5号(或8号和9号)固定导电片206导通，将触发2号发光二极管210常亮；3号和4号(或9号和10号)固定导电片206导通，将触发3号发光二极管210常亮；2号和3号(或10号和11号)固定导电片206导通，将触发4号发光二极管210常亮；1号和2号(或11号和12号)固定导电片206导通，将触发2号发光二极管210常亮。1号发光二极管210常亮，表示振动等级为一级；1-2号发光二极管210常亮，表示振动等级为二级；1-3号发光二极管210常亮，表示振动等级为三级；1-4号发光二极管210常亮，表示振动等级为四级；1-5号发光二极管210常亮，表示振动等级为五级。

本实施例中气缸座211和顶侧壁212的材质为铅黄铜，活塞214的材质为硅青铜，活动导电片205和固定导电片206的材质为铜质镀金材料。安装壳体201和滑杆203的材质为45号钢。

如图4所示，本实施例中质量块202的几何参数L、h、D₁、D₂、l₁、l₂取值分别为20mm、12mm、1.5mm、9mm、2mm、16mm。质量块202最大行程为±8mm。质量块202的顶部开设两个气孔213，气孔213直径越大，则气缸的阻尼系数越小，本实施例中气孔213直径为1mm。质量块202的质量按照下式计算：

其中质量块202的密度ρ为8500kg/m³，计算得到质量块202质量为15.8克。

另外，本实施例中圆柱弹簧204材料为65Mn弹簧钢，其剪切弹性模量G为80GPa，圆柱弹簧204的直径D为10mm，弹簧丝直径d为0.3mm，弹簧有效匝数n为20，按照下式计算得到圆柱弹簧204的刚度k：

可知，本实施例中圆柱弹簧204刚度为4.05牛/米。

圆柱弹簧204和质量块202共同构成惯性式弹簧-质量系统传感器，传感器的固有频率按照下式计算：

可知，本实施例中传感器的固有频率为22.66赫兹。

本实施例中滑杆203直径为1.3mm，应用时爆破地震波将引起弹簧-质量系统的动态响应，质量块202将在滑杆203上左右振动，圆柱弹簧204不断在拉伸和压缩状态之间交替变化。根据上述设计参数，经计算可知一级振动加速度阈值为0.052g(g表示重力加速度)；二级振动加速度阈值为0.105g；三级振动加速度阈值为0.157g；四级振动加速度阈值为0.21g；五级振动加速度阈值为0.262g。如图5所示，爆破振动作用下，质量块202向左运动，左侧的圆柱弹簧204被压缩，右侧的圆柱弹簧204被拉伸，这一过程中，5号和6号、4号和5号、3号和4号相邻矩形固定导电片206先后导通，1号、2号、3号发光二极管210被先后激活并保持常亮，振动等级为三级。设计过程中，通过调整固定导电片206间距，可以控制传感器检测灵敏度。

本实施例中滑杆203与安装基座100上的臂杆101保持平行。爆破施工过程中，按照以下过程进行检测：

S1、定位安装：应按照图6所示位置安装，将其安装于隧道爆破开挖面与建筑与的连线上，且靠近建筑物的位置，位置确定后利用臂杆101将其固定安装于地面上，且确保臂杆101的延伸方向，与隧道爆破开挖面与建筑物的连线平行；

S2、打开测振传感器200开关，进行爆破施工；

S3、施工完成后，根据激活的发光二极管210数目确定振动等级；

S4、关闭开关，利用臂杆101拆除安装。

本实施例的检测装置，通过定量检测振动引起的质量块202位移，从而直接测量振动等级，测试精度较高，且整体结构设计简单，零部件较少，利用其进行检测时使用方便，可以有效检测水平方向的、易引起建筑物损伤的低频振动。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，其特征在于：包括安装基座(100)，安装基座(100)顶部设置有测振传感器(200)，该测振传感器(200)包括安装壳体(201)以及内部的质量块(202)，滑杆(203)从质量块(202)内穿过并两端连接至安装壳体(201)两侧内壁，质量块(202)能够沿滑杆(203)水平滑动；质量块(202)上设置有活动导电片(205)，质量块(202)下方对应设有多组沿水平方向均匀间隔设置的固定导电片(206)，活动导电片(205)的宽度大于相邻两组固定导电片(206)之间的间隙。

2.根据权利要求1所述的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，其特征在于：质量块(202)两侧与安装壳体(210)内壁之间分别设置有圆柱弹簧(204)，该圆柱弹簧(204)套设于滑杆(203)两侧。

3.根据权利要求1所述的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，其特征在于：质量块(202)为空心腔体结构，包括气缸座(211)，气缸座(211)顶部的顶侧壁(212)的两侧分别开设有气孔(213)，滑杆(203)即从气缸座(211)的两端侧壁中穿过并向外延伸至安装壳体(201)，滑杆(203)的中部设有活塞(214)。

4.根据权利要求1所述的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，其特征在于：安装基座(100)的下部设置为螺杆段，顶部设置为安装位(102)，测振传感器(200)即安装于该安装位(102)。

5.根据权利要求4所述的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，其特征在于：安装基座(100)的螺杆段上方开设有用于安装臂杆(101)的通孔。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，其特征在于：安装壳体(201)内还设置有电路板(208)和电池仓(207)，电路板(208)和电池仓(207)通过导线连接，多组固定导电片(206)分别与电路板(208)电性连接；安装壳体(201)外壁上还设置有开关按钮(209)和多组发光二极管(210)，开关按钮(209)和发光二极管(210)也分别与电路板(208)连接，相邻两个固定导电片(206)连通后触发特定发光二极管(210)常亮。

7.根据权利要求4所述的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，其特征在于：安装位(102)的四周侧壁上分别开设有安装孔(103)，利用螺栓向内顶紧固定测振传感器(200)。

8.根据权利要求3所述的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，其特征在于：气缸座(211)的材质为铅黄铜，活塞(214)的材质为硅青铜，活动导电片(205)和固定导电片(206)的材质为铜质镀金材料。

9.根据权利要求5所述的一种隧道爆破开挖地表振动强度检测装置，其特征在于：滑杆(203)与安装基座(100)上的臂杆(101)保持平行。

10.一种隧道爆破开挖地表振动强度检测方法，其特征在于：采用如权利要求1-9所述的检测装置，按照以下过程进行：

S1、定位安装：将检测装置安装在隧道爆破开挖面与建筑与的连线上，且更靠近建筑物的位置，并将其固定安装于地面上；

S2、打开测振传感器(200)开关，进行爆破施工；

S3、施工完成后，根据激活的发光二极管(210)数目确定振动等级；

S4、关闭开关，拆除安装。

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