CN202442785U - 用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置，包括微处理器和多个爆破振动速度传感器，爆破振动速度传感器通过伸缩机构与盾构机前端连接，爆破振动速度传感器与盾构掘进掌子面紧贴。所述的伸缩机构包括液压支杆和液压活动杆；液压活动杆的外端部设有用于安装爆破振动速度传感器的U型卡槽。该用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置具有安装便捷、现场操作方便、对施工干扰小的优点，适于各种海底隧道硬岩段预爆破处理对盾构安全影响的振动监测。

Description

用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置。

技术背景

盾构机通常应用于软土地层，随着盾构在隧道工程领域的推广应用，复杂地层条件下盾构掘进施工技术逐步得到工程界的高度重视。当盾构穿越地层范围内存在两种或两种以上地层，且不同地层的工程地质、水文地质及岩土力学等特征相差悬殊时，如掘进范围内隧道断面上部为第四系松软土层，而下部为高强度的坚硬岩石地层，盾构施工面临推力和盾构姿态难以控制、刀具与刀盘磨损严重，效率低等技术难题，掘进前必须提前对特硬基岩或孤石进行破碎预处理，以满足泥水盾构机破碎机和出渣系统的技术要求。

目前解决盾构掘进遇到的上述技术难题，常采用于基岩或孤石破碎预处理的传统方法包括：(1)盾构机强行磨进；(2)冲孔桩破碎基岩或孤石；(3)人工挖孔桩；(4)带压进仓人工破碎；(5)地下爆破破碎基岩或孤石等。前4种方法存在施工成本高，施工难度大，处理时间长，安全风险高，易引发安全事故等缺点。方法5因具有施工方便，安全高效，节约工期和成本等优点，在软硬不均或特硬地层盾构施工中逐步得到推广应用。当盾构掘进过程中遇到上下软硬不均地层时，采用地下钻爆预处理法，当爆破点距离盾构掘进掌子面较近或者爆破最大段药量较大时，必然存在爆破振动对盾构机系统的影响问题。较大的爆破振动可能造成盾构泥水仓工作压力瞬间超过安全极限，对泥水系统或停机保压系统造成不利影响，严重时将引起盾构泥水系统的损坏及掌子面失稳塌方。中国发明专利公报于2011年1月5日公开了专利申请号为201010266254.X、专利名称为《一种海底隧道在陆域段穿越复杂建筑群的爆破施工方法》的发明专利申请，其提出弥补了目前下穿建筑群海底隧道硬岩爆破施工中现有技术未根据振速控制指标及测试数据确定爆破次数和最大段药量等技术参数的不足，但未涉及到海底隧道水下硬岩预处理对盾构安全掘进的影响研究。此外，在广东某核电海底取水隧道工程中，德国Herrenknecht盾构设备生产商曾明确提出必须对爆破的影响进行动态监测，以评价硬岩爆破对盾构系统的影响。为解决该技术难题，亟需一种适用于海底特硬地层爆破预处理对泥水盾构影响的测试装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置，该用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置具有安装便捷、现场操作方便、对施工干扰小的优点，适于各种海底隧道硬岩段预爆破处理对盾构安全影响的振动监测。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置，包括微处理器和多个爆破振动速度传感器，多个爆破振动速度传感器均与微处理器连接，爆破振动速度传感器通过伸缩机构与盾构机前端连接，爆破振动速度传感器与盾构掘进掌子面紧贴。

所述的伸缩机构包括液压支杆和液压活动杆；液压活动杆的外端部设有用于安装爆破振动速度传感器的U型卡槽。

所述的爆破振动速度传感器为5个，分别位于盾构掘进掌子面的中心点、竖向中心线上下各1/2～2/3半径处以及水平中心线左右各1/2～2/3半径处。

有益效果：

与现有技术相比，采用本实用新型提出的用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置，可根据各监测点的振动速度(通过设置在监测点的多个爆破振动速度传感器检测得到)及泥水压力幅值变化(泥水系统工作压力幅值通过盾构机实时监控系统获得，一般控制在1.9-3.3bar左右)判断掌子面前方爆破对盾构泥水系统的影响度，基于盾构生产商提供的振动标准和泥水压力安全阀值，实现快速准确地评定每次爆破效果，进而优化爆破参数，减小硬岩爆破对盾构系统的安全影响。本实用新型具有安装便捷、现场操作方便、对施工干扰小、环境适应性好等优点，适于各种海底隧道硬岩段预爆破处理对盾构安全影响的振动监测，对确保海底隧道安全施工具有重要意义。

附图说明

图1是用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测系统图；

图2是掌子面测点布置图；

图3是液压支杆装置图；

附图中：1——海平面；2——套管及钻孔；3——爆破源；4——盾构掘进掌子面；5——爆破振动监测点；6——盾构机；7——衬砌管片；8——基岩；9——液压支杆；10——圆形平板支座；11——U型卡槽；12——传感器。

具体实施方式

以下将结合图和具体实施过程对本实用新型做进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示，根据勘探和物探资料，制定海底特硬岩层爆破专项实施方案，通过海上钻爆船移位确定基岩8的钻孔位置，钻孔至设计标高后，放置套管2护孔，根据设计爆破参数在爆破源3逐孔装药，联结爆破网络。

起爆前，按图1和图2所示，在保压状态下由专业人员带压进仓作业，安装振动监测传感器12。在掌子面4上确定振动测点5的位置，将TC4850爆破振动速度传感器12固定在液压支杆9前端的U型卡槽11内，然后将传感器12紧贴掌子面4，另一端垂直盾构机6的刀盘，启动液压支杆9使之伸长，将支杆后端圆形支座10稳固支撑在刀盘上。按所述步骤，分别安装其它监测点5处的振动传感器12。

监测点分别位于掌子面的中心点、竖向中心线上下各2/3半径处、水平中心线左右各2/3半径处，用于采集掌子面不同位置的爆破激励振动信号，【按照实践惯例，一般都是设置在半径的1/2-2/3处。】

所述的爆破振动速度传感器，为三矢量振动传感器，可同时测试掌子面同一测点处三个互相垂直方向上的振动速度，所述三个互相垂直的方向，其中一个方向为在水平面内与测点和爆源连线方向平行，第二个方向为在水平面内与测点和爆源连线方向垂直，而第三个方向为垂直于水平面竖直向上。

所述的液压支杆，是固定爆破振动速度传感器的可伸缩装置，前端为U型卡槽，后端为圆形平板支座，U型卡槽用于安装固定爆破振动速度传感器，并垂直压入泥膜与掌子面紧贴，后端通过液压支杆的伸张将平板支座垂直固定在盾构刀盘上。

所述的微处理器，嵌入盾构掘进控制室管理系统，可实现同步实时跟踪观测爆破振动信息数据及泥水系统压力变化幅值。

振动传感器安装完成后，通过信号传输线将其与振动信号采集仪相连，而信号数据采集仪通过多功能数据线与盾构控制室的微机系统相联。完成上述步骤后，启动安装在掌子面4传感器上的数据采集和接收装置，然后实施掌子面前方爆源3起爆，数据采集仪采集振动信号并传输到微机处理系统，进行数据处理分析。

根据爆破方案最大段装药量、爆源距盾构掌子面的距离、基岩介质密度及振动传播速度等爆破参数，基于盾构安全工作压力增幅与爆破振动速度之间的理论计算式，即可对爆破振动的影响做出及时判定。根据数据处理结果，可对掌子面前方爆破方案进行优化，确保爆破振动速度小于盾构系统所允许的安全阀值。

2010年6月4日对某海底隧道掌子面前方K0+200～K0+205硬岩段实施预爆破，获得盾构掌子面处的爆破振动监测结果，如表1所示。

表1 K0+200～K0+205硬岩段爆破振动测试数据

结合多次爆破振动监测结果，按萨道夫斯基爆破经验公式，建立掌子面质点振速V与比例药量

的衰减关系式为：

$V=316.452{\left(\frac{\sqrt[3]{Q}}{R}\right)}^{1.821}---\left(1\right)$

根据德国Herrenknecht盾构设备生产商提供的安全标准，海瑞克盾构机泥水压力系统安全工作压力[σ]为6.0Bar，掘进中监控获知的实际工作压力为σ。根据无限弹性介质中纵波传播的波动方程及动应力应变关系，可得到掌子面前方硬岩预爆破引起的瞬间泥水压力变化安全控制阀值Δσ与预爆破最大段药量之间的关系式为：

$316.452{\left(\frac{\sqrt[3]{Q}}{R}\right)}^{1.821}\sqrt{\mathrm{E\ρ}}=\mathrm{\Δ\σ}\≤\left[\mathrm{\σ}\right]-\mathrm{\σ}---\left(2\right)$

掘进中泥水仓实际工作压力σ一般控制在1.9-3.3bar左右，并随着埋深的增加逐步增大，而安全工作压力[σ]为6.0Bar，因此泥水系统工作压力安全控制阀值Δσ并非为一定值，而是一个变化控制值，与围岩强度、节理裂隙发育程度、掘进速度、埋深、水压等参数有关。硬岩爆破前，可根据掘进参数以及爆源距盾构掌子面的距离R、基岩介质密度ρ、动弹性模量E等参数，按上述关系式(2)对硬岩爆破方案进行及时优化，动态调整最大段爆破药量，确保爆破振动速度小于盾构泥水系统所允许的安全阀值，对盾构前方孤石或基岩爆破预处理起到了指导意义。

Claims (3)

1.一种用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置，其特征在于，包括微处理器和多个爆破振动速度传感器，多个爆破振动速度传感器均与微处理器连接，爆破振动速度传感器通过伸缩机构与盾构机前端连接，爆破振动速度传感器与盾构掘进掌子面紧贴。

2.根据权利要求1所述的用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置，其特征在于，所述的伸缩机构包括液压支杆和液压活动杆；液压活动杆的外端部设有用于安装爆破振动速度传感器的U型卡槽。

3.根据权利要求1或2所述的用于基岩爆破预处理施工中的海底盾构机的振动监测装置，其特征在于，所述的爆破振动速度传感器为5个，分别位于盾构掘进掌子面的中心点、竖向中心线上下各1/2～2/3半径处以及水平中心线左右各1/2～2/3半径处。

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