一种岩石地层顶管管节安全监测装置及其调控方法与流程

本发明涉及顶管施工领域，尤其是涉及一种岩石地层顶管管节安全监测装置及其调控方法。

背景技术：

1、近年来，顶管技术在岩石地层中的应用日益增加，而管节开裂、破损则成为了长距离岩石顶管工程中的“拦路虎”，严重影响工程质量与安全。岩石地层中，滚刀破岩时需要较大的垂直压力，即迎面阻力较大，且随着岩石抗压强度的上升，迎面阻力增大。同时，岩石顶管施工中易发生岩屑沉积，导致摩阻力增大，甚至出现卡管。在上述因素的影响下，岩石顶管的顶进力较大，且可能出现顶进力突增的情况。此外，岩石地层中管节与孔壁的接触状态主要为点、线接触，接触面积较小。当出现管节偏转时，在顶进力侧向分力作用下管与岩接触压力较大，易引发管节结构破坏。

2、目前，岩石顶管施工中尚缺乏集结构监测、风险判定、防治措施为一体的结构安全保障方法。未能实时监测结构状态，可能导致潜在问题（如裂纹、变位等）未能及时发现，增加安全风险。难以有效评估施工中的不确定因素，导致风险管理不足和监测不足。为此我们提出一种岩石地层顶管管节安全监测装置及其调控方法用于解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种岩石地层顶管管节安全监测装置及其调控方法，解决岩石顶管的顶进力较大，出现管节偏转时，在顶进力侧向分力作用下管与岩接触压力较大，易引发管节结构破坏的问题，同时未能实时监测管节结构状态，增加安全风险，监测不足的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种岩石地层顶管管节安全监测装置及其调控方法，包括顶推装置和多个监测管节，顶推装置包括第二调节装置，第二调节装置上设有第一调节装置，监测管节上至少设有四个埋入式混凝土应变计，监测管节内壁环向设有多个表面应变计。

3、优选的方案中，监测管节包括多个圆周阵列的纵向钢筋，监测管节包括外侧环向钢筋和内侧环向钢筋，监测管节上设有通孔；

4、埋入式混凝土应变计与纵向钢筋连接，埋入式混凝土应变计至少布置在监测管节上、下、左和右4个方向上，通孔上设有穿线钢管，埋入式混凝土应变计的信号线贯穿穿线钢管进入监测管节内壁。

5、优选的方案中，表面应变计通过胶粘剂与监测管节内壁连接，表面应变计间隔45°布置，表面应变计的信号线抵靠在监测管节内壁上。

6、优选的方案中，监测管节内壁上设有振弦采集模块和无线传输模块，振弦采集模块与埋入式混凝土应变计和表面应变计连通。

7、优选的方案中，监测管节开裂时标记为开裂管节，开裂管节上设有多个裂纹，裂纹处设有拉线式位移传感器，开裂管节内壁上设有电流采集模块，电流采集模块与多个拉线式位移传感器连接。

8、优选的方案中，根据节段管节拉应变最大值ε1的大小把整个管路分为低风险区域、中风险区域和高风险区域；

9、0<ε1 ≤ 0.5εmax时为低风险区域，0.5εmax<ε1 ≤ 0.8εmax时为中风险区域，0.8εmax<ε1 ≤ εmax时为高风险区域。

10、优选的方案中，埋入式混凝土应变计测量监测管节的受顶进力；

11、受顶进力计算公式为：；

12、式中，fi为第i根结构监测管节所受顶进力；εi为第i根结构监测管节埋入式混凝土应变计所测应变的平均值；es为钢筋弹性模量；ec为混凝土弹性模量；as为管节横截面钢筋面积；ac为管节横截面混凝土面积。

13、优选的方案中，顶推装置包括多个液压缸，多个液压缸的一端设有推柱，推柱上设有第二调节装置，第二调节装置与第一调节装置结构相同，第一调节装置顶部顶推节段管节或者监测管节；

14、第一调节装置包括顶板和半轴，顶板两端设有转动座，半轴两端设有环槽，转动座抵靠在环槽上，半轴上设有蜗轮，蜗轮上设有啮合的蜗杆，蜗杆一端设有第一电机，第一电机安装在顶板上。

15、优选的方案中，顶板上设有凹槽和转座，蜗杆与转座转动连接，转动座上设有外环和转环，转环抵靠在环槽上，外环抵靠在半轴侧壁上，转动座上设有标度尺，半轴一侧设有指针；

16、半轴一侧设有挡面，第二调节装置的顶板抵靠在半轴的挡面上。

17、一种岩石地层顶管管节安全监测装置的调控方法，其特征是：s1、监测管节的制作和顶推装置的安装；

18、s2、顶进施工，通过顶推装置顶推多个节段管节后，监测管节吊装到位，顶推装置施加之前进行埋入式混凝土应变计与表面应变计的初值采集；

19、s3、根据埋入式混凝土应变计与表面应变计的应变大小与管节位置精确确定各结构风险区域的等级；

20、s4、管节偏转状态分析：通过表面应变计采集到的数据对比风险区域划分数据对比，当已顶进区域均为低风险区时，不用采取防治措施；

21、s5、当已顶进区域均为中、高风险区域时，通过埋入式混凝土应变计对管节受顶进力与偏转状态进行分析：

22、a1、当多个应变计压应变均增加，且增量大小相同时表示管节未发生偏转；

23、a2、当其中某个应变计的压应变增量大于其余应变计时表示管节向该侧发生偏转，通过驱动顶推装置调节顶推偏转角度位置，直至多个应变计的应变大小相同，

24、a3、当顶推力过大时，在部分管节底部开设清渣孔进行管底沉渣清理；

25、s6、当监测管节标记为开裂管节时，在裂纹处设置拉线式位移传感器进行监测，若裂纹持续扩张，则应对管节进行注浆加固处理。

26、s7、当顶管机达到接收井时，进行顶管接收。

27、本发明的有益效果为：当岩石顶管的顶进力较大，且出现顶进力突增的情况时，降低多个液压缸的顶进力，当出现管节偏转时，调整顶管机的顶进方向，以调节管节的进管路线，以使管节的路线会到正轨上，驱动第二调节装置，以使第二调节装置的顶板相对于半轴转动，以使第一调节装置相对于第二调节装置转动，驱动第一调节装置，以使第一调节装置的顶板相对于半轴转动，以使顶推装置能够调节顶板的推进面，以调节监测管节的各个方向上的受力，避免在顶进力侧向分力作用下管与岩接触压力较大，导致管节结构破坏的现象发生。

28、埋入式混凝土应变计至少布置于监测管节的上、下、左和右4个方向，多个表面应变计在监测管节内壁环向布置，监测管节出现裂纹时，在裂纹处安装拉线式位移传感器。通过表面应变计的拉应变最大值大小来进行结构风险区域的划分，对监测管节所受应力进行实时监控，当已顶进区域均为低风险区时，不用采取防治措施。

29、当存在中、高风险区域时，对监测管节所受顶进力与偏转状态进行分析，顶进力过大时，加强中、高风险区管节的二次补浆；或者在部分管节底部开设清渣孔进行管底沉渣清理。当某个埋入式混凝土应变计的压应变增量大于其余埋入式混凝土应变计时，表示监测管节向该侧发生偏转。调节顶管机的进管方向，同时调节偏转装置，以使顶推装置对监测管节各个方向的顶推力相同，避免监测管节局部的顶推力过大，顶进力突增引发管节结构破坏的现象发生。

30、当监测管节表面出现裂纹时，安装拉线式位移传感器实时对裂纹进行监测。整体结构对岩石顶管施工进行结构监测、风险判定和修正防治措施，本发明为岩石顶管施工的一体结构安全保障方法，能实时监测结构状态，闭麦你潜在问题，如裂纹或者变位未能及时发现，降低安全事故风险。有效评估施工中的不确定因素，增强风险管理和实时监测，具有较大的推广价值。