CN113187529A - 一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置和方法，其中装置包括设于隧道流质充填衬砌底部的自动卸砂阀，自动卸砂阀对应的隧道流质充填衬砌内顶部设有摄像头，自动卸砂阀对应的位置还设有配合使用的中空锚杆，所述中空锚杆上设有多个永磁铁管，所述永磁铁管表面吸附第一磁性浆液；另外本发明还公开相应的计量及加固施工方法；本发明运用影像识别技术进行卸砂量的计量，并通过计量出的卸砂量判断需要加固的位置，选择出合适长度的中空锚杆以及合适数量的永磁铁管，采用磁性砂浆与永磁铁管吸附的方式并将磁锚直接插入所需加固位置，实现仰孔反重力式注浆过程。
Description
技术领域
本发明涉及隧道流质充填衬砌领域，具体地指一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置和方法。
背景技术
目前，随着国内外基础建设不断发展，流质充填衬砌工程作业量不断增大。国内外土木领域做流质充填衬砌工程时，自动卸砂阀常被固定于一处，目前所用到的卸砂阀原理见CN201921205509.4-用于隧洞衬砌的应力自反馈式卸压阀，这种自动卸压阀可以解决隧道衬砌结构中衬砌包裹填充物的问题，能够实现自动卸压，且当卸砂量达到一定量会将受力荷载降低到一个相对稳定的值时，此时卸压阀门自动关闭，停止卸砂，该卸压阀的作用是当隧道围岩持续受力的荷载时将隧道衬砌结构中充填的流质砂卸出，可以降低隧道围岩的径向应力，从而达到更好地隧道衬砌效果。然而当卸砂量超过允许范畴时，就需要考虑卸砂的位移对整体工程的影响，基于此隧洞衬砌卸压阀的背景，需要计量出各卸压阀的卸砂量来判断需要加固的位置及相应加固锚杆尺寸，为后面加固施工提供参数。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置和方法，运用影像识别技术进行卸砂量的计量，并通过计量出的卸砂量判断需要加固的位置，选择出合适长度的中空锚杆以及合适数量的永磁铁管，采用磁性砂浆与永磁铁管吸附的方式并将磁锚直接插入所需加固位置，实现仰孔反重力式注浆过程。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置，包括设于隧道流质充填衬砌底部的自动卸砂阀，自动卸砂阀对应的隧道流质充填衬砌内顶部设有摄像头，自动卸砂阀对应的位置还设有配合使用的中空锚杆，所述中空锚杆上设有多个永磁铁管，所述永磁铁管表面吸附第一磁性浆液。
优选地，所述中空锚杆内穿设有抽气管和注浆管，所述中空锚杆表面开设有用于穿设抽气管和注浆管的通孔，注浆管内注入第二磁性浆液。
优选地，所述中空锚杆外表面还开设有外螺纹，其表面设有与其螺纹配合的螺母，每两个螺母可将一个永磁铁管限位于中空锚杆表面。
优选地，所述中空锚杆一端还设有垫板。
优选地，所述第一磁性浆液组分为：水泥、氧化钙类膨胀剂、水、Fe3O4粉末、水性环氧树脂乳液、水性环氧树脂固化剂；所述第二磁性浆液组分为：水泥、水、Fe3O4粉末、水性环氧树脂乳液和水性环氧树脂固化剂。
优选地，所述第一磁性浆液中水的含量小于第二磁性浆液中水的含量。
优选地，所述摄像头为360°旋转的角度可调式摄像头。
另外本发明公开一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量方法，它包括如下步骤：
Step1：提前放置摄像头于自动卸砂阀对应的隧道流质充填衬砌内顶部，以便动态捕捉自动卸砂阀卸砂时空腔区变化的过程；
Step2：隧道流质充填衬砌内的砂由于长时间切向力及径向力作用，砂通过自动卸砂阀泄出，并于自动卸砂阀上方形成圆锥体空腔区；
Step3：通过摄像头录制视频并将视频传输到外界计算机设备，对图片分帧量取实时卸砂空腔区的直径R及最大深度h并通过以下公式计量得出卸沙量；
空腔区体积为
以1s/次为一卸载间隔，根据摄像头量取的直径R和深度h，计算任意卸载时刻卸砂量Si＝V。
Step4：根据Step3所得数据绘制图表，得到各个自动卸砂阀卸砂完成后的卸砂量，根据各个自动卸砂阀所在位置的不同卸砂量，选择配置相应长度的中空锚杆及永磁铁管数量。
优选地，所述Step4中，卸砂量质量：中空锚杆长度：永磁铁管数量为1:1:1。
另外，本发明还公开一种隧道流质充填衬砌卸砂量加固施工方法，它包括如下步骤：
步骤1)：将多个永磁铁管安装到中空锚杆上，将抽气管和注浆管穿设于中空锚杆内，并从通孔穿出，再将第一磁性浆液涂抹于永磁铁管处，第一磁性浆液因磁力作用吸附于永磁铁管表面，不会因重力而脱落；
步骤2)：拆卸掉卸砂阀，然后采用螺旋转进方法钻出引孔，再将中空锚杆及其吸附的第一磁性浆液插入引孔内，对中空锚杆与引孔之间的缝隙进行封堵，将抽气管与抽气泵连接，开启抽气泵，抽出引孔内大部分气体，形成负压环境；
步骤3)：打开高压喷射注浆机，向注浆管内注入第二磁性浆液，然后注入到引孔内，由于第二磁性浆液与永磁铁管表面的磁力吸附作用，从而第二磁性浆液不会因重力而流出，与第一磁性浆液共同形成锚固体；
步骤4)：完成一次注浆过程后，对垫板底部支撑以对中空锚杆加以固定；等待第一磁性浆液、第二磁性浆液凝结后拉出所述抽气管和注浆管；
步骤5)：用高压喷射注浆机向中空锚杆内注入第二磁性浆液并注满整个中空锚杆，最后将止浆塞安装在中空锚杆底部，二次注浆完成。
本发明有益效果如下：
1.本发明的摄像头放置在隧道流质充填衬砌内部，通过高清的摄像头实时捕捉图片，可采用图像分帧处理，利用ACDsee V5.0软件计算出卸砂完成后空腔区最大直径和最大深度。
2.通过影像识别判断卸砂量可找出隧道流质充填衬砌所需加固位置，可根据该卸砂后空腔区的体积扩展发育情况的变化公式推导出任一时刻卸载空腔区的外廓形状及任意时刻下卸砂体积，从而精准施工。
3.通过影像识别及图像分帧处理可得卸砂后空腔区直径和深度的变化趋势，可分析变化过程中围岩荷载和最大荷载集中位置变化。
4.可根据影像识别计量的卸砂量结果，判断所需加固位置直径及深度，进而计算出配置中空锚杆长度及分段磁锚段数，不盲目施工，提高加固效果。
5.本发明使用两种不同配比的磁性浆液，可根据实际需求灵活应用，提高加固效果，减少成本。
6.采用第一磁性砂浆与永磁铁管吸附的方式配置分段磁锚，并将分段磁锚直接插入所需加固位置，实现了仰孔式裂缝注浆的可行性，实现了反重力式注浆，克服了一般仰孔所注普通浆液因重力而流出的难题。
7.本发明中空锚杆采用特殊设计，于无磁吸引段处钻通孔，用于分叉式注浆管和抽气管设置。
8.使用抽气管可抽出锚杆及注浆时引孔内存留的气体，降低注浆过程中填充时隧道内的气压，避免由于气体存在造成隧道内无法注入浆液及注浆不满的问题，提高引孔内浆液密实度，提高加固程度。
9.使用注浆管可通过后期注入粘稠度较低的第二磁性浆液，填充无磁吸引段空区和空隙，加固隧道流质充填衬砌，提高加固程度。
附图说明
图1为一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置安装摄像头后的结构示意图；
图2为自动卸砂阀卸砂时的结构示意图；
图3为中空锚杆插入到引孔后的结构示意图；
图4为抽气管、注浆管与中空锚杆、抽气泵和高压喷射注浆机连接的结构示意图；
图5为中空锚杆与永磁铁管的连接结构示意图；
图6为中空锚杆内布设抽气管和注浆管的结构示意图；
图7为卸砂空腔空间扩展示意图；
图8为本发明任意时刻下圆锥空腔区扩展发育示意图；
图9为本发明圆锥空腔区计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1至6所示，一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置，包括设于隧道流质充填衬砌1底部的自动卸砂阀2，自动卸砂阀2对应的隧道流质充填衬砌1内顶部设有摄像头3，自动卸砂阀2对应的位置还设有配合使用的中空锚杆4，所述中空锚杆4上设有多个永磁铁管5，所述永磁铁管5表面吸附第一磁性浆液。
优选地，所述中空锚杆4内穿设有抽气管6和注浆管7，所述中空锚杆4表面开设有用于穿设抽气管6和注浆管7的通孔8，注浆管7内注入第二磁性浆液。在本实施例中，抽气管6由工程塑料制成，其作用是在注浆过程前降低填充时隧道内的气压，避免由于气体存在造成隧道内无法注入浆液及注浆不满的现象；注浆管7采用塑料材料制成，其作用是后期注入第二磁性浆液时，填充空隙，加固隧道流质充填衬砌。
优选地，所述中空锚杆4外表面还开设有外螺纹，其表面设有与其螺纹配合的螺母9，每两个螺母9可将一个永磁铁管5限位于中空锚杆4表面。
优选地，所述中空锚杆4一端还设有垫板10。垫板10采用钢性材料制成，可用螺母9将其固定在中空锚杆4上，其作用是可以防止二次注入第二磁性浆液时因自身重力大于磁吸附力而回返流出。
优选地，所述第一磁性浆液组分为：水泥、氧化钙类膨胀剂、水、Fe3O4粉末、水性环氧树脂乳液、水性环氧树脂固化剂；所述第二磁性浆液组分为：水泥、水、Fe3O4粉末、水性环氧树脂乳液和水性环氧树脂固化剂。
优选地，所述第一磁性浆液中水的含量小于第二磁性浆液中水的含量。
优选地，所述摄像头3为360°旋转的角度可调式摄像头。本实施例中，摄像头3采用高清镜头(可360°旋转)及图像传感器(charge-coupled device)构成，它可以实时监控隧道流质充填衬砌卸砂时空腔区的变化并传输到外界。
另外本发明公开一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量方法，它包括如下步骤：
Step1：提前放置摄像头3于自动卸砂阀2对应的隧道流质充填衬砌1内顶部，以便动态捕捉自动卸砂阀2卸砂时空腔区变化的过程；
Step2：隧道流质充填衬砌1内的砂由于长时间切向力及径向力作用，砂通过自动卸砂阀2泄出，并于自动卸砂阀2上方形成圆锥体空腔区；
Step3：通过摄像头录制视频并将视频传输到外界计算机设备，对图片分帧量取实时卸砂空腔区的直径R及最大深度h并通过以下公式计量得出卸沙量；
空腔区体积为
以1s/次为一卸载间隔，根据摄像头量取的直径R和深度h，计算任意卸载时刻卸砂量Si＝V。
在本实施例中可利用ACDsee V5.0软件图片分帧技术量取实时卸砂空腔区的理论直径及理论深度；
在该步骤中，如图7、8、9所示，存在以下推导过程：设最终卸载完成后影像识别量取的空腔区直径为Rmax，对应任意时刻影像识别量取的弦长为lmax和圆锥空腔的高度hmax，任意一次卸载过程中圆锥空腔扩展最大直径Ri和高度hi与最终卸载完成后直径Rmax、lmax和hmax的关系如下：
由上式一和式二可知任意卸载时刻空腔区的形状均类似于圆锥体结构，故空腔区体积为
以1s/次为一卸载间隔，根据摄像头(3)量取的直径R(R＝2r)和深度h，计算任意卸载时刻卸砂量Si＝V。
Step4：根据Step3所得数据绘制图表，得到各个自动卸砂阀2卸砂完成后的卸砂量，根据各个自动卸砂阀2所在位置的不同卸砂量，选择配置相应长度的中空锚杆4及永磁铁管5数量。
优选地，所述Step4中，卸砂量质量kg：中空锚杆长度m：永磁铁管数量个为1:1:1。在本实施例中，经初步试验结果得出，当卸砂量为50kg时，所需配置的中空锚杆长度大概为5m长，所需配置的磁锚段数为5段(每段0.4m)，即需要5根永磁铁管。
另外，本发明还公开一种隧道流质充填衬砌卸砂量加固施工方法，它包括如下步骤：
步骤1)：将多个永磁铁管5安装到中空锚杆4上，将抽气管6和注浆管7穿设于中空锚杆4内，并从通孔8穿出，再将第一磁性浆液涂抹于永磁铁管5处，第一磁性浆液因磁力作用吸附于永磁铁管5表面，不会因重力而脱落；在本实施例中，第一磁性浆液包括：水泥400g、氧化钙类膨胀剂50g、水80g、Fe3O4粉末100g、水性环氧树脂乳液50g、水性环氧树脂固化剂42.5g，这种配置而成的砂浆较为浓稠，具有磁性，可被永磁铁管5吸附，能够预先对引孔11底部进行封堵，以便后续加固隧道流质充填衬砌。在上述技术方案中，膨胀剂采用氧化钙类膨胀剂，可使水泥混凝土膨胀，增大与外壁的压力，增强加固效果。
步骤2)：拆卸掉卸砂阀2，然后采用螺旋转进方法钻出引孔11，再将中空锚杆4及其吸附的第一磁性浆液插入引孔11内，对中空锚杆4与引孔11之间的缝隙进行封堵，将抽气管6与抽气泵12连接，开启抽气泵12，抽出引孔11内大部分气体，形成负压环境；在本实施例中，引孔11的深度可根据中空锚杆4长度决定。
步骤3)：打开高压喷射注浆机13，向注浆管7内注入第二磁性浆液，然后注入到引孔11内，由于第二磁性浆液与永磁铁管5表面的磁力吸附作用，从而第二磁性浆液不会因重力而流出，与第一磁性浆液共同形成锚固体；在本实施例中，第二磁性浆液包括：水泥400g、水120g、Fe3O4粉末100g、水性环氧树脂乳液50g、水性环氧树脂固化剂42.5g，这种配置而成的砂浆较为稀疏，砂浆也具有磁性，可被永磁铁管5吸附，可在后续注浆中填充空隙，加固隧道。
步骤4)：完成一次注浆过程后，对垫板10底部支撑以对中空锚杆4加以固定；等待第一磁性浆液、第二磁性浆液凝结后拉出所述抽气管6和注浆管7；
步骤5)：用高压喷射注浆机13向中空锚杆4内注入第二磁性浆液并注满整个中空锚杆4，最后将止浆塞安装在中空锚杆4底部，二次注浆完成。本实施例中，中空锚杆4采用直径5cm的高强度中空玻璃纤维锚杆。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置，包括设于隧道流质充填衬砌(1)底部的自动卸砂阀(2)，其特征在于：自动卸砂阀(2)对应的隧道流质充填衬砌(1)内顶部设有摄像头(3)，自动卸砂阀(2)对应的位置还设有配合使用的中空锚杆(4)，所述中空锚杆(4)上设有多个永磁铁管(5)，所述永磁铁管(5)表面吸附第一磁性浆液。
2.根据权利要求1所述的一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置，其特征在于：所述中空锚杆(4)内穿设有抽气管(6)和注浆管(7)，所述中空锚杆(4)表面开设有用于穿设抽气管(6)和注浆管(7)的通孔(8)，注浆管(7)内注入第二磁性浆液。
3.根据权利要求1所述的一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置，其特征在于：所述中空锚杆(4)外表面还开设有外螺纹，其表面设有与其螺纹配合的螺母(9)，每两个螺母(9)可将一个永磁铁管(5)限位于中空锚杆(4)表面。
4.根据权利要求1所述的一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置，其特征在于：所述中空锚杆(4)一端还设有垫板(10)。
5.根据权利要求2所述的一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置，其特征在于：所述第一磁性浆液组分为：水泥、氧化钙类膨胀剂、水、Fe3O4粉末、水性环氧树脂乳液、水性环氧树脂固化剂；所述第二磁性浆液组分为：水泥、水、Fe3O4粉末、水性环氧树脂乳液和水性环氧树脂固化剂。
6.根据权利要求5所述的一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置，其特征在于：所述第一磁性浆液中水的含量小于第二磁性浆液中水的含量。
7.根据权利要求1所述的一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量及加固施工装置，其特征在于：所述摄像头(3)为360°旋转的角度可调式摄像头。
8.一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量方法，其特征在于：它包括如下步骤：
Step1：提前放置摄像头(3)于自动卸砂阀(2)对应的隧道流质充填衬砌(1)内顶部，以便动态捕捉自动卸砂阀(2)卸砂时空腔区变化的过程；
Step2：隧道流质充填衬砌(1)内的砂由于长时间切向力及径向力作用，砂通过自动卸砂阀(2)泄出，并于自动卸砂阀(2)上方形成圆锥体空腔区；
Step3：通过摄像头(3)录制视频并将视频传输到外界计算机设备，对图片分帧量取实时卸砂空腔区的直径R(R＝2r)及最大深度h并通过以下公式计量得出卸沙量；
空腔区体积为
以1s/次为一卸载间隔，根据摄像头(3)量取的直径R和深度h，计算任意卸载时刻卸砂量Si＝V。
Step4：根据Step3所得数据绘制图表，得到各个自动卸砂阀(2)卸砂完成后的卸砂量，根据各个自动卸砂阀(2)所在位置的不同卸砂量，选择配置相应长度的中空锚杆(4)及永磁铁管(5)数量。
9.根据权利要求7所述的一种隧道流质充填衬砌卸砂量计量方法，其特征在于：所述Step4中，卸砂量质量(kg)：中空锚杆长度(m)：永磁铁管数量(个)为1:1:1。
10.一种隧道流质充填衬砌卸砂量加固施工方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤1)：将多个永磁铁管(5)安装到中空锚杆(4)上，将抽气管(6)和注浆管(7)穿设于中空锚杆(4)内，并从通孔(8)穿出，再将第一磁性浆液涂抹于永磁铁管(5)处，第一磁性浆液因磁力作用吸附于永磁铁管(5)表面，不会因重力而脱落；
步骤2)：拆卸掉卸砂阀(2)，然后采用螺旋转进方法钻出引孔(11)，再将中空锚杆(4)及其吸附的第一磁性浆液插入引孔(11)内，对中空锚杆(4)与引孔(11)之间的缝隙进行封堵，将抽气管(6)与抽气泵(12)连接，开启抽气泵(12)，抽出引孔(11)内大部分气体，形成负压环境；
步骤3)：打开高压喷射注浆机(13)，向注浆管(7)内注入第二磁性浆液，然后注入到引孔(11)内，由于第二磁性浆液与永磁铁管(5)表面的磁力吸附作用，从而第二磁性浆液不会因重力而流出，与第一磁性浆液共同形成锚固体；
步骤4)：完成一次注浆过程后，对垫板(10)底部支撑以对中空锚杆(4)加以固定；等待第一磁性浆液、第二磁性浆液凝结后拉出所述抽气管(6)和注浆管(7)；
步骤5)：用高压喷射注浆机(13)向中空锚杆(4)内注入第二磁性浆液并注满整个中空锚杆(4)，最后将止浆塞安装在中空锚杆(4)底部，二次注浆完成。
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