CN118065910A - 一种空隙探测系统及复杂地层下的隧道施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空隙探测系统及复杂地层下的隧道施工方法，所述空隙探测系统包括电磁雷达探测装置、贯入探查装置和处理装置，电磁雷达探测装置发送电磁雷达并接收电磁雷达的反射数据，电磁雷达探测装置的探测结果被发送到处理装置中；贯入探查装置包括贯入部件和保持部件，贯入构件可进退地收纳在保持构件的内部，贯入部件的前端安装有压力计，保持部件的后端部设置有行程计，贯入探查装置通过沿着盾构机外表面的法线推出贯入部件测量空隙C的深度，将其作为空隙C的实测值使用，并将测量结果传输到处理装置，最后保存在存储单元中。本发明能够减少因填充材料注入过少或过多而引起的地层失稳，提高盾构隧道的施工质量。

Description

一种空隙探测系统及复杂地层下的隧道施工方法

技术领域

本发明属于隧道盾构施工技术领域，涉及一种空隙探测系统及利用该空隙探测系统进行复杂地层下隧道施工的方法。

背景技术

盾构机在复杂地层条件下掘进，盾构机四周及上部土体易发生崩落，从而形成了较大的空隙。采用设计时设定的填充材料的量，衬砌填充有可能会变得不充分。如果填充材料注入不充分，则在衬砌的背面会残留空隙，造成地基下沉。因此，在隧道施工中，需要精确掌握衬砌背面的空隙的深度，妥善进行填充材料的灌注，有必要提出一种复杂地层下的隧道施工方法及空隙探测系统。

发明内容

为了解决现行盾构机在复杂地层条件下掘进过程中因各种原因而产生较大的空隙，导致衬砌背部填充不充分的问题，本发明提供了一种空隙探测系统及复杂地层下的隧道施工方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种空隙探测系统，包括电磁雷达探测装置、贯入探查装置和处理装置，其中：

所述电磁雷达探测装置发送电磁雷达并接收电磁雷达的反射数据，电磁雷达探测装置的探测结果被发送到处理装置中；

所述处理装置包括存储单元、处理单元和显示单元，处理装置将从电磁雷达探测装置接收到的探测结果保存在存储单元中，处理单元根据接收到的探测结果将地下的空隙C和地层的变化点可视化，通过将雷达探测结果计算空隙C的深度，根据该深度注入填充材料；其中，空隙C的深度＝误差系数D×雷达探测深度，误差系数D＝d2/d1，d1为盾构机停止掘进时通过雷达探测作业所得的空隙C的深度，d2为贯入探查作业的实测值；处理装置将雷达探测作业的探测结果、空隙C的深度、填充材料注入量显示在显示单元，管理者通过显示单元实时确认；另外，处理装置将挖掘出的砂土的排土量与注入量进行比较，在排土量与注入量之差超过了一定的值时发出警报，根据排土量和填充注入量之差，确认有无未填充的部位；

所述贯入探查装置包括贯入部件和保持部件，贯入构件可进退地收纳在保持构件的内部，贯入部件的前端安装有用于测量贯入部件向山地推出时所受到压力的压力计，保持部件的后端部设置有用于测量贯穿部件推出时行程长度的行程计，贯入探查装置通过沿着盾构机外表面的法线推出贯入部件测量空隙C的深度，将其作为空隙C的实测值使用，并将测量结果传输到处理装置，最后保存在存储单元中。

本发明中，所述电磁雷达探测装置包括电磁雷达主体、固定在盾构机的盾构主体内表面的安装台、夹设在电磁雷达主体与安装台之间的间隙中的缓冲件，其中：

所述盾构主体上设有贯通孔，贯通孔内设置有防护材料，电磁雷达主体设置在防护材料的下表面；

所述安装台为面向贯通孔开口的、截面呈コ字状的箱型部件，安装台将电磁雷达主体和防护材料的一部分收纳其中；

所述电磁雷达主体与安装台的间隙中填充有缓冲材料。

一种利用上述空隙探测系统进行复杂地层下隧道施工的方法，包括如下步骤：

步骤S1、衬砌工序：

步骤S11、贯入探查作业：

从盾构机向山地推出贯入部件，实测盾构机周围的空隙的深度；

步骤S12、雷达探测作业：

在盾构机停止掘进时，利用电磁雷达探测装置测量贯入探查装置处的空隙深度；

步骤S13：计算误差系数D：

误差系数D与通过雷达探测作业S22得到的探测结果相乘，来抑制土质和空隙C内的状况(有无砂土等)引起的误差；

误差系数D＝d2/d1；

其中，d1：在衬砌工序S1中通过雷达探测作业测得的空隙C的深度；d2：衬砌工序S1中通过贯入探查作业所测得的空隙C的深度；

步骤S2、盾构掘进工序：

利用盾构机对山地进行掘进，在该工序过程中进行如下作业：

步骤S21、雷达探测作业：

在盾构机的掘进过程中，利用空隙探测系统的电磁雷达探测装置进行空隙深度的测量；

步骤S22、空隙估计作业：

将误差系数D与雷达探测作业所测的空隙深度相乘，校正雷达探测作业的探测结果，作为空隙深度的估计值；

步骤S23、空隙填充作业：

基于空隙深度的估计值，向空隙注入与空隙深度对应的填充材料。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明提供的隧道施工方法及空隙探测系统，由于根据雷达探测结果和贯入探查结果推定盾构机周围的空隙的大小，因此与仅通过雷达探测进行推测的情况相比，能够更准确地推定空隙的大小。由于使用贯入部件实测了空隙，因此可以恰当掌握空隙与地山的边界。因此，通过参照进行空隙实测位置的雷达探测结果，可以区分空隙与山地，并可以根据该结果推定盾构机周围的空隙大小。本发明的应用，能够减少因填充材料注入过少或过多而引起的地层失稳，提高盾构隧道的施工质量。

附图说明

图1是隧道施工的流程图。

图2是贯入探查装置的结构示意图，a是贯入探查装置的剖视图，b是贯入探查装置的放大图。

图3是电磁雷达探测装置和贯入探查装置的配置图。

图4是盾构机的剖视图。

图5是空隙探测系统的结构示意图。

图6是电磁雷达探测装置的结构示意图，a是电磁雷达探测装置的剖视图，b是电磁雷达探测装置的放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

在本实施方式中，将对基于盾构隧道的隧道施工方法进行说明。如图1和图2所示，所述隧道施工方法包括利用盾构机1进行的掘进工序和在盾构机1内部包含衬砌分段S的衬砌工序。在盾构机1以及衬砌分段S和山地G之间形成的空隙C中注入填充材料F。空隙C的大小利用空隙探测系统2进行估计。如图3所示，空隙探测系统2包括电磁雷达探测装置3、贯入探查装置4和处理装置5。具体施工步骤如下：

步骤S1：衬砌工序

盾构机停止掘进时所进行的工序，包括盾构机开始掘进之前以及盾构掘进一定距离之后(1环量)之后的衬砌作业，该工序主要为衬砌作业，故称为衬砌工序。

衬砌工序是在盾构机1的内部组装衬砌分段S，形成衬砌的工序(参照图1)。盾构机1进行规定长度(1环量)掘进停止后，再进行衬砌分段S的组装。通过组装衬砌分段S而形成的分段环与现有的分段环连结。在该工序过程中，进行贯入探查作业以及雷达探查作业。

步骤S11：贯入探查作业

工作流程：

从盾构机1上安装的贯入探查装置4向山地G推出贯入部件41，实测盾构机1周围空隙C的深度(参考图2a)。在盾构机停止掘进时，由电磁雷达探测装置3对安装了贯入探查装置4的位置处的空隙C深度进行测量，将其作为空隙C的实测值使用，在空隙估计作业中作为d2用于计算误差系数D。

贯入探测装置4的详细介绍：

如图2a所示，贯入探查装置4设置在盾构机1内部的间隔壁13的附近。另外，贯入探查装置4到间隔壁13的距离与电磁雷达探测装置3的中心到间隔壁13的距离相同。

如图2b所示，贯入探查装置4包括贯入部件41和保持部件42。贯入构件41由棒状构件构成，可进退地收纳在保持构件42的内部。在贯入部件41的前端安装有压力计43。压力计43测量贯入部件41向山地G推出时所受到的压力。保持部件42由筒状部件构成。贯入部件41内插在保持部件42的中空部位。另外，在保持部件42的后端部设置有用于测量贯穿部件41推出时行程长度的行程计44。

在盾构机1的盾构主体11上，贯入探查装置4的部位设有贯通孔15。在保持部件42上形成有凸缘45。保持部件42通过将贯通凸缘45的螺栓46与盾构主体11连接固定在盾构主体11上。另外，保持部件42以相对于盾构主体(蒙皮板)11垂直的方式固定在盾构主体11上。即：贯入探查装置4通过沿着盾构机1外表面的法线推出贯入部件41来测量空隙C的深度。贯入部件41到达空隙C和山地G的边界时压力急剧上升，因此在用压力计43测定的值急剧变大。此时，利用行程计44测量行程长度，将该行程长度作为空隙C的深度。贯入探查装置4的测量结果被传输到处理装置5，最后被保存在存储单元51中。

如图3所示，贯入探查装置4分别布置在从盾构主体11的顶点起中心角约为5°、25°、45°左右的位置。此外，贯入探查装置4的配置及数量没有限定，根据盾构机1的大小、设想的山地状况、电磁雷达探测装置3的配置等因素适当决定即可。此外，贯入探查装置4优选配置在尽可能靠近电磁雷达探测装置3位置。

步骤S12：雷达探测作业

衬砌工序中对贯入探查装置处的空隙深度进行雷达探测作业，用于估计误差系数。

如图4所示，盾构机1停止掘进时，利用空隙探测系统2的电磁雷达探测装置3对贯入探查装置处空隙C的深度进行测量，在空隙估计作业中作为d1用于计算误差系数D。

工作流程：

如图5所示，从安装在盾构机1的电磁雷达探测装置3发送电磁雷达，并且通过电磁雷达探测装置3接收电磁雷达的反射数据。电磁雷达探测装置3的探测结果随后被发送到处理装置5中(参照图5)。

电磁雷达探测装置3的详细介绍：

如图6a所示，电磁雷达探测装置3安装在盾构机1内部的间隔壁13附近。如图5所示，在盾构机1的盾构主体11上方装备六台电磁雷达探测装置3。电磁雷达探测装置3分别安装在从盾构主体11的顶点起中心角约为15°、35°、55°左右的位置处。此外，电磁雷达探测装置3的配置及数量没有限定，根据盾构机1的大小和具体的山地状况条件等因素决定即可。

如图6b所示，电磁雷达探测装置3包括电磁雷达主体31、固定在盾构机1的盾构主体11的内表面的安装台32、夹设在电磁雷达主体(电磁波天线)31与安装台32之间的间隙中的缓冲件33。

盾构主体11上，在电磁雷达探测装置3的安装部位设有贯通孔15。电磁雷达主体31设置在防护材料34的下表面(参照图6b)。安装台32与螺栓接合。防护材料34是使得电磁雷达主体31发出电磁雷达和反射雷达能够通过，并且具有足够的耐磨损能力，能够承受盾构机1掘进时与山地G产生的摩擦的材料。本实施方式中使用玻璃纤维强化塑料作为防护材料34。此外，除了玻璃纤维强化塑料之外，超高强度纤维加强混凝土(UFC)、加入玻璃长纤维的硬质发泡聚氨酯树脂等均可使用。

安装台32由面向贯通孔15开口的凹部35、截面呈コ字状的箱型部件构成。在贯通孔15的周围固定有基座36，安装台32使用螺栓37固定。安装台32将电磁雷达主体31和防护材料34的一部分收纳在凹部35中，在收纳的状态下，覆盖着贯通孔15。凹部35比电磁雷达主体31稍大。在电磁雷达主体31与凹部35的间隙中填充有缓冲材料33。缓冲材料33使用硅。缓冲材料33填充在与凹部35的间隙中，以使电磁雷达主体31不会因盾构机1的振动而脱落。另外，缓冲件33即使在地下水浸入安装台32内的情况下，也能够防止水渗透到电磁雷达主体31。此外，构成缓冲材料33的材料不限于硅，但优选没有收缩性的材料。

步骤S2：盾构掘进工序。

在盾构掘进工序中，利用盾构机1对山地G进行掘进。如图2所示，盾构机1的盾构主体11为金属板材质的筒状体，盾构主体11的前面配置有刀头12。在盾构主体11内部设有间隔壁13，在刀头12和间隔壁13之间设有腔室14。盾构机1通过刀头12切削山地G，同时将挖掘出的泥沙输送至腔室14。泥沙在腔室14内与泥水、污泥材料等混合后，排出盾构机1外。

步骤S21：雷达探测作业。

盾构掘进工序内进行雷达探测作业是为了估计空隙深度以便进行空隙填充。

如图4所示，在盾构机1的掘进过程中，利用空隙探测系统2的电磁雷达探测装置3进行空隙C深度的测量，以便估计空隙深度进行空隙填充。

步骤S22：空隙估计作业。

工作流程：

在空隙估计作业中，校正雷达探测作业的探测结果，根据校正后的探测结果，估计空隙C的深度。空隙C深度的估计由处理装置5的处理单元52进行。

在本实施方式中，基于误差系数D估计空隙C的深度：

空隙C的估计深度＝误差系数D×d3；

其中，d3为雷达探测装置所测得的空隙深度；

通过将预先计算出的误差系数D与通过雷达探测作业得到的探测结果相乘，来抑制土质和空隙C内的状况(有无砂土等)引起的误差。

处理装置5的详细介绍：

如图3所示，处理装置5具备存储单元51、处理单元52和显示单元53。处理装置5通过有线或无线与电磁雷达探测装置3连接。

处理装置5将从电磁雷达探测装置3接收到的探测结果保存在存储单元51中。同时，通过处理单元52进行数据处理。处理单元52根据接收到的探测结果，将地下的空隙C和地层的变化点等可视化。此外，处理单元52通过将雷达探测结果乘以误差系数D，来计算空隙C的深度。

处理装置5将雷达探测作业的探测结果、空隙C的大小、注入量等显示在显示单元53。管理者可通过显示单元53实时确认。另外，处理装置5也可以将挖掘出的砂土的排土量与注入量进行比较，在排土量与注入量之差超过了一定的值(阈值)时发出警报。这样，可以根据排土量和填充注入量之差，确认有无未填充的部位。

步骤S23：空隙填充作业。

在计算出空隙C的形状(深度)后，向衬砌分段S的背面与山地G的空隙C注入填充材料F。空隙填充作业中注入的填充材料F的量根据由空隙探测系统2估计的空隙C的大小设定。

在本实施方式中，从盾构机1或衬砌分段S的外表面上部注入填充材料F。另外，根据电磁雷达探测装置3的探测结果，在判断为存在较大空隙C的情况下，优先利用盾构机1的注入管16(参照图6a)向空隙C注入填充材料F。

所述实施方式中，雷达探测作业可始终进行，也可每隔一定时间进行一次(衬砌工序中，盾构开始掘进之前必须进行一次雷达探测作业，其余衬砌作业中，可根据具体需求实施雷达探测作业；盾构掘进工序中的雷达探测作业始终进行)。具体施工步骤可按如下顺序进行：

先根据贯入探查作业、雷达探测作业估计误差系数D，再进行雷达探测作业，将雷达探测作业所测空隙深度乘以误差系数D实施空隙估计作业，最后进行空隙填充作业。其中，贯入探查作业、雷达探测作业的顺序可以调换。

Claims (9)

1.一种空隙探测系统，其特征在于所述空隙探测系统包括电磁雷达探测装置、贯入探查装置和处理装置，其中：

所述电磁雷达探测装置发送电磁雷达并接收电磁雷达的反射数据，电磁雷达探测装置的探测结果被发送到处理装置中；

所述处理装置包括存储单元、处理单元和显示单元，处理装置将从电磁雷达探测装置接收到的探测结果保存在存储单元中，处理单元根据接收到的探测结果将地下的空隙C和地层的变化点可视化，通过将雷达探测结果计算空隙C的深度，根据该深度注入填充材料；处理装置将雷达探测作业的探测结果、空隙C的深度、填充材料注入量显示在显示单元，管理者通过显示单元实时确认；另外，处理装置将挖掘出的砂土的排土量与注入量进行比较，在排土量与注入量之差超过了一定的值时发出警报，根据排土量和填充注入量之差，确认有无未填充的部位；

所述贯入探查装置包括贯入部件和保持部件，贯入构件可进退地收纳在保持构件的内部，贯入部件的前端安装有用于测量贯入部件向山地推出时所受到压力的压力计，保持部件的后端部设置有用于测量贯穿部件推出时行程长度的行程计，贯入探查装置通过沿着盾构机外表面的法线推出贯入部件测量空隙C的深度，将其作为空隙C的实测值使用，并将测量结果传输到处理装置，最后保存在存储单元中。

2.根据权利要求1所述的空隙探测系统，其特征在于所述电磁雷达探测装置包括电磁雷达主体、固定在盾构机的盾构主体内表面的安装台、夹设在电磁雷达主体与安装台之间的间隙中的缓冲件，其中：

所述盾构主体上设有贯通孔，贯通孔内设置有防护材料，电磁雷达主体设置在防护材料的下表面；

所述安装台为面向贯通孔开口的、截面呈コ字状的箱型部件，安装台将电磁雷达主体和防护材料的一部分收纳其中；

所述电磁雷达主体与安装台的间隙中填充有缓冲材料。

3.根据权利要求1所述的空隙探测系统，其特征在于所述电磁雷达探测装置和贯入探查装置安装在盾构机内部的间隔壁附近，贯入探查装置到间隔壁的距离与电磁雷达探测装置的中心到间隔壁的距离相同。

4.根据权利要求1所述的空隙探测系统，其特征在于所述贯入构件由棒状构件构成，保持部件由筒状部件构成，贯入部件内插在保持部件的中空部位。

5.根据权利要求2所述的空隙探测系统，其特征在于所述防护材料使用玻璃纤维强化塑料、超高强度纤维加强混凝土或加入玻璃长纤维的硬质发泡聚氨酯树脂。

6.根据权利要求2所述的空隙探测系统，其特征在于所述缓冲材料使用硅。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述空隙探测系统进行复杂地层下的隧道施工的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤S1、衬砌工序：

步骤S11、贯入探查作业：

从盾构机向山地推出贯入部件，实测盾构机周围的空隙的深度；

步骤S12、雷达探测作业：

在盾构机停止掘进时，利用电磁雷达探测装置测量贯入探查装置处的空隙深度；

步骤S13：计算误差系数D：

误差系数D与通过雷达探测作业得到的探测结果相乘，来抑制土质和空隙C内的状况引起的误差；

步骤S2、盾构掘进工序：

利用盾构机对山地进行掘进，在该工序过程中进行如下作业：

步骤S21、雷达探测作业：

在盾构机的掘进过程中，利用空隙探测系统的电磁雷达探测装置进行空隙深度的测量；

步骤S22、空隙估计作业：

将误差系数D与雷达探测作业所测的空隙深度相乘，校正雷达探测作业的探测结果，作为空隙深度的估计值；

步骤S23、空隙填充作业：

基于空隙深度的估计值，向空隙注入与空隙深度对应的填充材料。

8.根据权利要求7所述的复杂地层下的隧道施工方法，其特征在于所述步骤S13中，误差系数的计算公式为：D＝d2/d1；其中，d1：在衬砌工序中通过雷达探测作业测得的空隙C的深度；d2：衬砌工序中通过贯入探查作业所测得的空隙C的深度。

9.根据权利要求7所述的复杂地层下的隧道施工方法，其特征在于所述步骤S22中，空隙的估计深度＝误差系数D×d3；其中，d3为雷达探测装置所测得的空隙深度。