CN112832772A - 一种护盾式tbm隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，涉及隧道围岩变形监测领域，包括用于通过销轴转动连接护盾开孔一侧的盖板，盖板朝向护盾开孔的一侧连接有刻度盘，刻度盘上标定有盖板与护盾所呈夹角的角度，用于测取盖板远离销轴一端距离护盾的距离，盖板能够绕销轴转动改变与护盾外壁的夹角，以改变刻度盘进入护盾开孔的体积，通过盖板配合刻度盘形成形变量测量装置，利用盖板接触围岩后的转动位移带动刻度盘移动，使得刻度盘进入护盾内的部分发生变化，便于从护盾内部对刻度盘状态进行观察，以获取盖板接触围岩的状态，从而直观的获取围岩的形变情况。

Description

一种护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置

技术领域

本公开涉及隧道围岩变形监测领域，特别涉及一种护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置及方法。

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，并不必然构成现有技术。

随着我国隧道的建设逐渐向深埋长大方向发展，TBM工法越来越发挥着不可替代的作用，在建以及规划的TBM开挖隧道数量占总隧道数量的比例逐年增长。但是随着埋深的加大，TBM穿越深埋高应力地层时，隧道围岩在高应力的作用下将发生随时间增长而逐渐增大的向内收敛变形效应。

发明人发现，当围岩变形过大时，则会对TBM护盾造成强烈挤压，导致TBM无法前进而形成卡机灾害，围岩大变形导致的卡机灾害比例约为37％，并因此造成了极大的经济损失。监测隧道围岩的变形是预防卡机灾害的有效方法；然而，由于护盾式TBM与围岩之间的间隙过小，难以布置结构复杂的围岩变形监测设备，而利用超声波等非接触方式对护盾侧面的围岩形变量进行测量时，容易受到设备本身超前探测等设备的干扰，产生探测噪声，需要进行繁琐的去噪处理才能获取形变数据，导致形变量无法实时直观的获取，常规的监测方法尚无法应用，难以满足对围岩变形监测以辅助调整TBM运行状态的需求。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测方法及方法，通过盖板配合刻度盘形成形变量测量装置，利用盖板接触围岩后的转动位移带动刻度盘移动，使得刻度盘进入护盾内的部分发生变化，便于从护盾内部对刻度盘状态进行观察，以获取盖板接触围岩的状态，从而直观的获取围岩的形变情况。

本公开的第一目的是提供一种护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，采用以下技术方案：

包括用于通过销轴转动连接护盾开孔一侧的盖板，盖板朝向护盾开孔的一侧连接有刻度盘，刻度盘上标定有盖板与护盾所呈夹角的角度，用于测取盖板远离销轴一端距离护盾的距离，盖板能够绕销轴转动改变与护盾外壁的夹角，以改变刻度盘进入护盾开孔的体积。

进一步地，所述盖板朝向护盾一面的面积大于护盾开孔的面积，盖板能够完全覆盖遮挡护盾开孔。

进一步地，所述盖板一端安装有销轴，另一端用于接触隧道围岩以带动盖板转动，盖板通过销轴安装在护盾的外壁上，且销轴位于护盾开孔的一侧。

进一步地，所述的刻度盘为扇形板，圆心端与销轴同轴布置，半径为盖板沿垂直销轴轴线方向上长度的一半。

进一步地，所述刻度盘的圆心角等于盖板初始状态下与护盾外壁的夹角，刻度盘的刻度布置在扇形板的圆弧端。

进一步地，所述盖板与护盾之间连接有弹性件，用于推动盖板远离销轴一端抵接围岩。

进一步地，还包括覆盖遮挡护盾开孔的遮罩，遮罩与盖板相对设置，且位于护盾内连接护盾内壁。

进一步地，所述遮罩朝向护盾开孔的一侧设有凹槽，用于容纳穿过护盾开孔进入护盾内的刻度盘。

本公开的第二目的是提供一种TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测方法，利用如上所述的护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，包括以下步骤：

调整盖板状态，使得盖板远离销轴一端接触隧道围岩；

TBM运行，盖板随着围岩与护盾的间距变化而转动，并带动扇形板相对于护盾开孔移动；

获取扇形板上进入护盾内部分的刻度值，测取围岩的形变量。

进一步地，盖板所抵接围岩无变形时，扇形板位于护盾外，随着围岩变形量的变化，扇形板进入护盾内的体积随之变化。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)通过盖板配合刻度盘形成形变量测量装置，利用盖板接触围岩后的转动位移带动刻度盘移动，使得刻度盘进入护盾内的部分发生变化，便于从护盾内部对刻度盘状态进行观察，以获取盖板接触围岩的状态，从而直观的获取围岩的形变情况；

(2)变形量刻度盘读数简单直观，方便快捷，根据比例关系重新设计刻度盘上的刻度值，使得盖板端部在围岩变形作用下的下降高度，与刻度盘伸入TBM护盾内显示的刻度值相一致，能够更为直观的获取围岩形变状态；

(3)采用转动盖板，围岩变形时盖板自动下降与护盾贴合，不会对TBM前进造成阻碍，也不会损坏测量装置，盖板可防止石块掉入对刻度盘造成磨损，耐久性好；结合透明玻璃罩可防止地下水渗入TBM内部，且可装卸，便于维护测量装置。

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为本公开实施例1、2中监测装置安装在护盾时的结构示意图；

图2为本公开实施例1、2中监测装置的结构示意图。

图中，1、盖板；2、刻度盘；3、销轴；4、支撑弹簧；5、透明玻璃罩；6、螺栓。

具体实施方式

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地说明。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；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅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设备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公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中利用超声波等非接触方式对护盾侧面的围岩形变量进行测量时，容易受到设备本身超前探测等设备的干扰，产生探测噪声，需要进行繁琐的去噪处理才能获取形变数据；针对上述问题，本公开提出了一种护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置及方法。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图所示，提出了一种护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置。

主要包括盖板1、刻度盘2、弹性件和遮罩；

盖板作为遮挡元件和测量探板，通过销轴3安装在护盾开孔位置的一侧，形成转动连接，远离销轴的一端接触围岩区域，获取围岩与护盾之间的距离变化而转动，得到围岩形变量；

刻度盘作为测量元件，随盖板运动，通过读取刻度盘相对于护盾的位置变化来获取盖板的角度变化，以得到围岩的变形情况；

弹性件作为驱动盖板的元件，使得盖板端部能够紧贴隧道围岩，从而使得盖板随围岩的形变状态而发生转动，在本实施例中，弹性件为支撑弹簧4，一端连接盖板，另一端连接护盾壳体，通过护盾壳体对盖板施加弹性力；

所述遮罩为保护元件，布置在护盾开孔位置，并安装在壳体内，对开孔位置进行隔离，为了方便对刻度盘进行监测和读数，遮罩选用透明玻璃罩5，通过螺栓6固定在护盾内壁上。

具体的，盖板朝向护盾开孔的一侧连接有刻度盘，刻度盘上标定有盖板与护盾所呈夹角的角度，用于测取盖板远离销轴一端距离护盾的距离，盖板能够绕销轴转动改变与护盾外壁的夹角，以改变刻度盘进入护盾开孔的体积；

盖板和刻度盘是一个整体，通过转动销轴将之固定在TBM护盾上。

当隧道围岩变形时，盖板受压下降，观测员在TBM内通过刻度盘读取围岩变形量值。同时，盖板与护盾之间设有支撑弹簧连接，围岩无变形时，弹簧支撑盖板使盖板保持在顶部的初始位置。透明玻璃罩通过螺栓固定于护盾的内侧。

对于盖板的配置，盖板朝向护盾一面的面积大于护盾开孔的面积，盖板能够完全覆盖遮挡护盾开孔，对护盾开孔的薄弱位置进行更好的保护；

盖板一端安装有销轴，另一端用于接触隧道围岩以带动盖板转动，盖板通过销轴安装在护盾的外壁上，且销轴位于护盾开孔的一侧。

所述盖板采用与TBM护盾相同材质，以保证其结构安全性；盖板可防止石块掉入对刻度盘造成磨损，耐久性好。

围岩变形时盖板自动下降与护盾贴合，不会对TBM前进造成阻碍，也不会损坏测量装置。

对于刻度盘的结构，刻度盘为扇形板，圆心端与销轴同轴布置，半径为盖板沿垂直销轴轴线方向上长度的一半；

刻度盘的圆心角等于盖板初始状态下与护盾外壁的夹角，刻度盘的刻度布置在扇形板的圆弧端。

由于每台TBM的隧道超挖量不同，盖板长度L根据隧道超挖量H和盖板与护盾的夹角30°计算得出；

所述刻度盘的半径R与盖板的长度L与存在固定比例关系，L＝2R。根据该比例关系重新设计刻度盘上的刻度值，使得盖板端部在围岩变形作用下的下降高度ΔH，与刻度盘伸入TBM护盾内显示的刻度值相一致。变形量刻度盘读数简单直观，方便快捷。

所述转动销轴采用高强度钢材制造，制造精度要求与盖板上的孔密切贴合以保证测量精度。销轴需定期涂抹润滑油以保证其耐久性。

盖板与护盾之间连接有弹性件，用于推动盖板远离销轴一端抵接围岩，弹性件选用支撑弹簧；

支撑弹簧有一定刚度，当围岩无变形时，足以支撑盖板和刻度盘至原始位置。

透明玻璃罩从护盾内侧覆盖遮挡护盾开孔，遮罩与盖板相对设置，且位于护盾内连接，遮罩朝向护盾开孔的一侧设有凹槽，用于容纳穿过护盾开孔进入护盾内的刻度盘。

护盾内壁透明玻璃罩具有防水性能，并且可装卸，便于维护测量装置。

解决了护盾式TBM隧道无法有效监测围岩变形的问题，在单护盾、双护盾式TBM均可应用。

盖板配合刻度盘形成形变量测量装置，利用盖板接触围岩后的转动位移带动刻度盘移动，使得刻度盘进入护盾内的部分发生变化，便于从护盾内部对刻度盘状态进行观察，以获取盖板接触围岩的状态，从而直观的获取围岩的形变情况。

实施例2

本公开的另一典型实施方式中，如图1-图2所示，提出了一种TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测方法，利用如实施例1所述的护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置。

包括以下步骤：

调整盖板状态，使得盖板远离销轴一端接触隧道围岩；

TBM运行，盖板随着围岩与护盾的间距变化而转动，并带动扇形板相对于护盾开孔移动；

获取扇形板上进入护盾内部分的刻度值，测取围岩的形变量；

盖板所抵接围岩无变形时，扇形板位于护盾外，随着围岩变形量的变化，扇形板进入护盾内的体积随之变化。

支撑弹簧有一定刚度，当围岩无变形时，支撑盖板和刻度盘至顶部原始位置，此时盖板端部与围岩底部相接触；当隧道围岩变形时，盖板受压下降，弹簧收缩；

利用刻度盘的变形量刻度值，观测员在TBM内通过刻度盘读取围岩变形量值。

整个监测过程无需依赖电气设备及超声波探测设备，因此现有的TBM运行过程中的设备信号不会对本实施例中的监测装置产生干涉，能够更为直观的获取围岩变形量，提高观测效率及精度。

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)

1.一种护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，其特征在于，包括用于通过销轴转动连接护盾开孔一侧的盖板，盖板朝向护盾开孔的一侧连接有刻度盘，刻度盘上标定有盖板与护盾所呈夹角的角度，用于测取盖板远离销轴一端距离护盾的距离，盖板能够绕销轴转动改变与护盾外壁的夹角，以改变刻度盘进入护盾开孔的体积。

2.如权利要求1所述的护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，其特征在于，所述盖板朝向护盾一面的面积大于护盾开孔的面积，盖板能够完全覆盖遮挡护盾开孔。

3.如权利要求1所述的护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，其特征在于，所述盖板一端安装有销轴，另一端用于接触隧道围岩以带动盖板转动，盖板通过销轴安装在护盾的外壁上，且销轴位于护盾开孔的一侧。

4.如权利要求1所述的护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，其特征在于，所述的刻度盘为扇形板，圆心端与销轴同轴布置，半径为盖板沿垂直销轴轴线方向上长度的一半。

5.如权利要求4所述的护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，其特征在于，所述刻度盘的圆心角等于盖板初始状态下与护盾外壁的夹角，刻度盘的刻度布置在扇形板的圆弧端。

6.如权利要求1所述的护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，其特征在于，所述盖板与护盾之间连接有弹性件，用于推动盖板远离销轴一端抵接围岩。

7.如权利要求1所述的护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，其特征在于，还包括覆盖遮挡护盾开孔的遮罩，遮罩与盖板相对设置，且位于护盾内连接护盾内壁。

8.如权利要求7所述的护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，其特征在于，所述遮罩朝向护盾开孔的一侧设有凹槽，用于容纳穿过护盾开孔进入护盾内的刻度盘。

9.一种TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测方法，利用如权利要求1-8任一项所述的护盾式TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测装置，其特征在于，包括以下步骤：

调整盖板状态，使得盖板远离销轴一端接触隧道围岩；

TBM运行，盖板随着围岩与护盾的间距变化而转动，并带动扇形板相对于护盾开孔移动；

获取扇形板上进入护盾内部分的刻度值，测取围岩的形变量。

10.如权利要求9所述的TBM隧道围岩超挖感知与围岩变形监测方法，其特征在于，盖板所抵接围岩无变形时，扇形板位于护盾外，随着围岩变形量的变化，扇形板进入护盾内的体积随之变化。

Images