CN117214957A - 孤石探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及孤石探测技术领域，公开了一种孤石探测装置及方法。旨在解决现有技术中盾构施工中水下或地表环境复杂等工况下无法准确探测孤石的技术问题。本发明包括A数目的探测列，探测列包括至少3个探测单元，A等于刀盘上刀列的数目，探测列处于刀头转动方向的前方至少5度转角的方向，探测列间和探测单元间的径向间距不大于盾构刀盘处理的最大孤石尺寸；探测单元和盾构刀盘间设有密封元件；探测单元包括伸缩探杆、分级油缸、闸门；伸缩探杆贯穿盾构刀盘，分级油缸连接伸缩探杆一端以控制伸缩探杆伸缩，闸门安装于盾构刀盘后侧以限制伸缩探杆位置。本发明具有节约人力物力成本，孤石勘探工作效率和准确性较高，降低工程施工风险等优点。
Description
技术领域
本发明涉及孤石探测技术领域，尤其涉及一种孤石探测装置及方法。
背景技术
孤石具有强度高、分布无规律等特点，易引起刀盘偏载、振动冲击、应力分布不规律等现象，进而造成刀盘刀具强度降低、局部损伤开裂、刀具非正常磨损等事故，严重影响盾构安全、可靠、高效施工。
现有技术中的中国专利文献：CN 110045421 B中公开了一种孤石探测方法，通过钻孔将超声波探头放到待探测的位置上，启动驱动装 置，往垂直于探测孔的孔壁方向驱动若干个超声 波换能器，使得超声波探头与探测孔的孔壁紧贴 并耦合，然后使用超声波探测得出孤石迎波面的准确空间位置，通过数据线将数据传输至控制电 脑并按比例生成孤石的三维空间位置及尺寸。
但上述方案在实施过程中，至少存在如下技术问题：物探方法在地表无水或无干扰的条件下可以取得较好结果，而在水下或地表环境复杂等工况下则无法准确探测孤石。且勘探工程量较大，成本较高，易造成的孤石遗漏、 准确性较低等问题。因此，亟需提出一种适用于复杂工况的孤石探测方法。
发明内容
鉴于以上技术问题，本公开提供了一种孤石探测装置及方法，解决了现有技术中盾构施工中水下或地表环境复杂等工况下无法准确探测孤石的技术问题。
根据本公开的一个方面，提供一种孤石探测装置，包括若干探测单元，所述探测单元通过固定基座安装于盾构刀盘上，对应的所述盾构刀盘上设有安装孔，关闭工位下不突出于盾构刀盘的掌子面，其特征在于：所述孤石探测装置包括A数目的探测列，所述探测列包括至少3个探测单元，所述A等于刀盘上刀列的数目，所述探测列处于刀头转动方向的前方至少5度转角的方向，探测列间和探测单元间的径向间距不大于盾构刀盘处理的最大孤石尺寸；所述探测单元和所述盾构刀盘间设有密封元件；所述探测单元包括伸缩探杆、分级油缸、闸门；所述伸缩探杆贯穿盾构刀盘，所述分级油缸连接伸缩探杆一端以控制伸缩探杆伸缩，所述闸门安装于盾构刀盘后侧以限制伸缩探杆位置；所述分级油缸的油路上设有油压测量部件，所述油压测量部件电连接控制组件。
在本公开的一些实施例中，所述伸缩探杆伸出长度大于单环管片宽度。
在本公开的一些实施例中，所述控制组件包括感应元件、电控元件、显示元件；所述感应元件设于伸缩探杆前端；所述电控元件接收感应元件的电信号，并控制显示元件显示；所述电控元件的输出端还连接液压控制阀，以控制分级油缸实现伸缩探杆伸出或缩回。
在本公开的一些实施例中，所述感应元件包括超声波传感器/压力传感器/微动台阵探测器。
在本公开的一些实施例中，所述电控元件包括伺服控制单元。
在本公开的一些实施例中，所述伸缩探杆的端部为圆形，所述安装孔上设有密封板组；所述密封板组由多个扇形板圆周均布而成，所述扇形板的长弧边与所述安装孔的孔周经由合页式连接双向连接，所述扇形板的短弧边设有与所述伸缩探杆的端部形位对应的凹陷。
在本公开的一些实施例中，所述扇形板间设有电磁控制的常闭开关，所述扇形板由绝缘材料制成。
根据本公开的另一个方面，提供一种孤石探测方法，使用上述的孤石探测装置，其特征在于：包括如下步骤：
安装孤石探测装置：以盾构刀盘处理的最大孤石尺寸为极限距离，在盾构刀盘开设得以安装孤石探测装置的贯通孔，贯通孔间等径向间距布设，其间距小于所述极限距离；
确定并查验探测点位：初始探测点位即盾构刀盘静止时孤石探测装置所处位置，孤石探测装置跟随盾构刀盘旋转，形成以盾构刀盘的中心为圆心的圆环探测点位，盾构刀盘空转，每转360/A度，探测点位工作，传输探测点的坐标信息至电控元件，当等间距的圆环探测点位形成覆盖整个盾构刀盘的完整探测点位时，判定探测点位确定方案成立；
初始探测点位：每环管片掘进施工初始阶段，盾构停止掘进，盾构刀盘不转动，通过分级油缸控制伸缩探杆分级伸出；
（3.1）若伸缩探杆完全伸出L长度后所受阻力无突变，则表明该位置前方L距离内不存在孤石；
（3.2）若伸缩探杆分级伸出长度l时所受阻力明显增大或无法继续伸出，则表明该位置前方l距离内存在孤石；
圆环探测点位：伸缩探杆收缩，以盾构刀盘的中心为圆心旋转盾构刀盘至下一点位，重复步骤（3）中伸缩探杆探测孤石过程，直至测量范围涵盖盾构刀盘全周；
（4.1）若圆环探测点位内不存在孤石，则探测结束；
（4.2）若圆环探测点位内存在孤石，则跳转步骤（5）；
确定孤石尺寸：通过控制盾构刀盘转动方向和转动角度识别孤石尺寸，探测结束。
在本公开的一些实施例中，所述步骤（5）中，进一步结合感应元件判定孤石硬度，当孤石硬度超过所在工步的盾构刀盘设计的围岩硬度时，控制元件发送信号至盾构机的总控单元，采用降速小进给的方式，实施下一步切削，掘进速度降低至原计划速度的1/2~2/3，直至下一个探测工步的开启。
本发明的有益效果在于：
孤石探测装置结构简单，操作方便，单次探测间距不小于每环管片宽度，不影响单环连续掘进；同时节约人力物力成本，孤石勘探工作效率和准确性较高，降低工程施工风险，保证孤石地层盾构施工安全，提高盾构掘进效率；
通过盾构刀盘上等径向间距安装孤石探测装置，根据伸缩探杆伸至开挖面前方一定距离受阻力变化情况确定孤石距离，进而旋转盾构刀盘实现开挖面全区域探测，确定孤石数量、分布空间及大小特征，有利于及时制定应对策略，避免刀盘与孤石的突然碰撞，减少盾构刀盘刀具损伤事件发生，降低施工成本；
设置闸门安装于盾构刀盘后侧，实现贯通孔严格密封，以限制伸缩探杆收缩时的位置，以避免伸缩探杆损坏；
设置控制组件，通过伺服控制单元控制分级油缸压力，当压力达到一定值或突然增大时伸缩探杆停止伸出，避免探杆因受较大阻力而发生弯曲破坏；伸缩探杆伸出距离通过显示元件实时显示；
安装孔上设有密封板组，以实现伸缩探杆缩回盾构刀盘时，保护伸缩探杆不受损坏；扇形板为绝缘材料，以防止地底铁矿石的磁吸力，防止堵塞通道，扇形板间设有电磁控制的常闭开关，以实现密封板组的开合控制。
附图说明
图1为盾构刀盘与孤石探测装置安装示意图；
图2为孤石探测装置结构示意图；
图3为孤石探测方法流程框图；
图4为控制组件结构框图；
图5为密封板组结构示意图；
图中各部件名称：1、固定基座；2、盾构刀盘；3、伸缩探杆；4、分级油缸；5、闸门；6、孤石；7、扇形板；8、合页式连接；9、常闭开关。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本例公开一种孤石探测装置，参见图1至图5，包括若干探测单元，探测单元通过固定基座1安装于盾构刀盘2上，对应的盾构刀盘2上设有安装孔，关闭工位下不突出于盾构刀盘2的掌子面，其特征在于：孤石6探测装置包括A数目的探测列，探测列包括至少3个探测单元，A等于刀盘上刀列的数目，探测列处于刀头转动方向的前方至少5度转角的方向，探测列间和探测单元间的径向间距不大于盾构刀盘2处理的最大孤石6尺寸；探测单元和盾构刀盘2间设有密封元件；探测单元包括伸缩探杆3、分级油缸4、闸门5；伸缩探杆3贯穿盾构刀盘2，分级油缸4连接伸缩探杆3一端以控制伸缩探杆3伸缩，闸门5安装于盾构刀盘2后侧以限制伸缩探杆3位置；分级油缸4的油路上设有油压测量部件，油压测量部件电连接控制组件。伸缩探杆3伸出长度大于单环管片宽度。
探测列的数目和位置的设定，为了保证探测有一定的前置量，最大范围内的保护盾构刀头。
参见图4，控制组件包括感应元件、电控元件、显示元件；感应元件设于伸缩探杆3前端；电控元件接收感应元件的电信号，并控制显示元件显示；电控元件的输出端还连接液压控制阀，以控制分级油缸4实现伸缩探杆3伸出或缩回。感应元件包括超声波传感器/压力传感器/微动台阵探测器。电控元件包括伺服控制单元。
参见图5，伸缩探杆3的端部为圆形，安装孔上设有密封板组；密封板组由多个扇形板7圆周均布而成，扇形板7的长弧边与安装孔的孔周经由合页式连接8双向连接，扇形板7的短弧边设有与伸缩探杆3的端部形位对应的凹陷。扇形板7间设有电磁控制的常闭开关9，扇形板7由绝缘材料制成。密闭时，结合自锁功能，可以保护伸缩探杆，工作时伸缩探杆伸出不受阻碍。
工作过程中，感应元件可以测量接触压力，感知孤石的硬度，液压压力检测的相关元件可以感知前方是否遇到孤石。
对应的，本例公开一种孤石探测方法，参见图3，使用上述的孤石探测装置，包括如下步骤：
（1）安装孤石6探测装置：以盾构刀盘2处理的最大孤石6尺寸为极限距离，在盾构刀盘2开设得以安装孤石6探测装置的贯通孔，贯通孔间等径向间距布设，其间距小于极限距离；
（2）确定并查验探测点位：初始探测点位即盾构刀盘2静止时孤石6探测装置所处位置，孤石6探测装置跟随盾构刀盘2旋转，形成以盾构刀盘2的中心为圆心的圆环探测点位，盾构刀盘2空转，每转360/A度，探测点位工作，传输探测点的坐标信息至电控元件，当等间距的圆环探测点位形成覆盖整个盾构刀盘2的完整探测点位时，判定探测点位确定方案成立；
（3）初始探测点位：每环管片掘进施工初始阶段，盾构停止掘进，盾构刀盘2不转动，通过分级油缸4控制伸缩探杆3分级伸出；
（3.1）若伸缩探杆3完全伸出L长度后所受阻力无突变，则表明该位置前方L距离内不存在孤石6；
（3.2）若伸缩探杆3分级伸出长度l时所受阻力明显增大或无法继续伸出，则表明该位置前方l距离内存在孤石6；
（4）圆环探测点位：伸缩探杆3收缩，以盾构刀盘2的中心为圆心旋转盾构刀盘2至下一点位，重复步骤（3）中伸缩探杆3探测孤石6过程，直至测量范围涵盖盾构刀盘2全周；
（4.1）若圆环探测点位内不存在孤石6，则探测结束；
（4.2）若圆环探测点位内存在孤石6，则跳转步骤（5）；
（5）确定孤石6尺寸：通过控制盾构刀盘2转动方向和转动角度识别孤石6尺寸，探测结束。
步骤（5）中，进一步结合感应元件判定孤石6硬度，当孤石6硬度超过所在工步的盾构刀盘2设计的围岩硬度时，控制元件发送信号至盾构机的总控单元，采用降速小进给的方式，实施下一步切削，掘进速度降低至原计划速度的1/2~2/3，直至下一个探测工步的开启。
尽管已描述了本发明的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本实发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种孤石探测装置，包括若干探测单元，所述探测单元通过固定基座安装于盾构刀盘上，对应的所述盾构刀盘上设有安装孔，所述探测单元关闭工位下不突出于盾构刀盘的掌子面，其特征在于：所述孤石探测装置包括A数目的探测列，所述探测列包括至少3个探测单元，所述A等于刀盘上刀列的数目，所述探测列处于刀头转动方向的前方至少5度转角的方向，探测列间和探测单元间的径向间距不大于盾构刀盘处理的最大孤石尺寸；所述探测单元和所述盾构刀盘间设有密封元件；所述探测单元包括伸缩探杆、分级油缸、闸门；所述伸缩探杆贯穿盾构刀盘，所述分级油缸连接伸缩探杆一端以控制伸缩探杆伸缩，所述闸门安装于盾构刀盘后侧以限制伸缩探杆位置；所述分级油缸的油路上设有油压测量部件，所述油压测量部件电连接控制组件。
2.如权利要求1所述的孤石探测装置，其特征在于：所述伸缩探杆伸出长度大于单环管片宽度。
3.如权利要求1所述的孤石探测装置，其特征在于：所述控制组件包括感应元件、电控元件、显示元件；所述感应元件设于伸缩探杆前端；所述电控元件接收感应元件的电信号，并控制显示元件显示；所述电控元件的输出端还连接液压控制阀，以控制分级油缸实现伸缩探杆伸出或缩回。
4.如权利要求3所述的孤石探测装置，其特征在于：所述感应元件包括超声波传感器/压力传感器/微动台阵探测器。
5.如权利要求3所述的孤石探测装置，其特征在于：所述电控元件包括伺服控制单元。
6.如权利要求1所述的孤石探测装置，其特征在于：所述伸缩探杆的端部为圆形，所述安装孔上设有密封板组；所述密封板组由多个扇形板圆周均布而成，所述扇形板的长弧边与所述安装孔的孔周经由合页式连接双向连接，所述扇形板的短弧边设有与所述伸缩探杆的端部形位对应的凹陷。
7.如权利要求1所述的孤石探测装置，其特征在于：所述扇形板间设有电磁控制的常闭开关，所述扇形板由绝缘材料制成。
8.一种孤石探测方法，使用如权利要求1所述的孤石探测装置，其特征在于：包括如下步骤：
安装孤石探测装置：以盾构刀盘处理的最大孤石尺寸为极限距离，在盾构刀盘开设得以安装孤石探测装置的贯通孔，贯通孔间等径向间距布设，其间距小于所述极限距离；
确定并查验探测点位：初始探测点位即盾构刀盘静止时孤石探测装置所处位置，孤石探测装置跟随盾构刀盘旋转，形成以盾构刀盘的中心为圆心的圆环探测点位，盾构刀盘空转，每转360/A度，探测点位工作，传输探测点的坐标信息至电控元件，当等间距的圆环探测点位形成覆盖整个盾构刀盘的完整探测点位时，判定探测点位确定方案成立；
初始探测点位：每环管片掘进施工初始阶段，盾构停止掘进，盾构刀盘不转动，通过分级油缸控制伸缩探杆分级伸出；
（3.1）若伸缩探杆完全伸出L长度后所受阻力无突变，则表明该位置前方L距离内不存在孤石；
（3.2）若伸缩探杆分级伸出长度l时所受阻力明显增大或无法继续伸出，则表明该位置前方l距离内存在孤石；
圆环探测点位：伸缩探杆收缩，以盾构刀盘的中心为圆心旋转盾构刀盘至下一点位，重复步骤（3）中伸缩探杆探测孤石过程，直至测量范围涵盖盾构刀盘全周；
（4.1）若圆环探测点位内不存在孤石，则探测结束；
（4.2）若圆环探测点位内存在孤石，则跳转步骤（5）；
确定孤石尺寸：通过控制盾构刀盘转动方向和转动角度识别孤石尺寸，探测结束。
9.如权利要求8所述的孤石探测方法，其特征在于：所述步骤（5）中，进一步结合感应元件判定孤石硬度，当孤石硬度超过所在工步的盾构刀盘设计的围岩硬度时，控制元件发送信号至盾构机的总控单元，采用降速小进给的方式，实施下一步切削，掘进速度降低至原计划速度的1/2~2/3，直至下一个探测工步的开启。
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