一种隧道塌方预警装置的制作方法

1.本发明涉及隧道塌方预警技术领域，具体的说，是一种隧道塌方预警装置，应用于昔格达地层隧道中对塌方进行预警。


背景技术：

2.昔格达地质昔格达地层隧道开挖后在干塑状态下承载力变化不大，但遇水软化后其承载力将大幅度降低，甚至呈流塑状态，凝聚力明显下降。当含水率超过敏感界限时，围岩迅速劣化，力学性能跳跃式下降，同时昔格达地层具有遇水成泥的现象，高含水率下岩土内部容易发生流变无法自稳，隧道开挖过程后，释放掉开挖部分原始地应力，围岩瞬间发生应力重分布现象，围岩裂隙增大，促进坍塌的发生。同时，因隧道挖掘过程中地下水流失，土壤结团，地层中的静、动水压力减弱，造成昔格达地层中的结构重新分布，也可能形成沉降或塌方，对工程顺利进行和施工人员的人身安全造成重大威胁。
3.此类塌方或沉降一般发生在隧道掘进过程中初期支护完成后且二次衬砌完成之前，隧道拱顶因围岩形变挤压初期支护结构，隧道拱顶的初期支护结构超过形变限度失效引发局部坍塌。
4.因此，在隧道挖掘过程中对隧道围岩状态进行监测以预警沉降、塌方等地质灾害的发生很有必要。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术所存在的缺陷，本发明提供了一种隧道塌方预警装置，通过连杆将支撑隧道顶部的弧形顶撑的形变量传递到检测器，检测器检测弧形顶撑的形变量并传递给蜂鸣控制器，蜂鸣控制器在弧形顶撑的形变量达到设定限度时控制蜂鸣器发出警示声，指示塌方发生的潜在位置，提醒施工人员及时作出处理或及时避险。
6.本发明通过下述技术方案实现：一种隧道塌方预警装置，包括用于支撑所述隧道顶部的弧形顶撑和弧形安装板、竖杆、水平安装板、连杆、检测器、蜂鸣控制器、蜂鸣器；所述弧形安装板的弧形面与所述弧形顶撑的弧形顶部贴合固定，所述弧形安装板底部与所述竖杆顶部固定连接，所述竖杆底部与所述水平安装板固定连接，所述水平安装板上设有滑轨，所述滑轨上滑动连接有齿条，所述连杆的底端与所述齿条端部铰接，所述连杆的顶端与所述弧形顶撑的弧形底部铰接；所述检测器包括壳体、光栅读数头、轴杆和齿轮，所述壳体与所述水平安装板固定连接，所述轴杆的读数端贯穿所述壳体侧壁延伸至所述壳体内部，所述轴杆的读数端外周上设有光栅刻度，安装于壳体内部的光栅读数头对准所述光栅刻度；所述轴杆的安装端贯穿所述壳体侧部延伸至所述壳体外部，所述轴杆的安装端外周上套设有齿轮，所述齿轮与所述齿条相互啮合；所述光栅读数头与蜂鸣控制器电连接，所述蜂鸣控制器与所述蜂鸣控制器与蜂鸣
器电连接。
7.隧道施工中，隧道顶部最容易发生坍塌落石的部位，当支撑隧道顶部围岩的弧形支撑的底端也开始变形时，及容易引起弧形顶撑与隧道侧壁初衬脱落，造成整体塌方，造成的破坏更为严重，因此，弧形顶撑的底部发生大的形变时应当及时处理，对围岩进一步支固，以避免隧道坍塌事故的发生。
8.本发明中弧形顶撑直接支撑隧道顶部围岩，弧形安装板贴合于弧形顶撑的内弧面顶部，检测器通过竖杆和水平安装板固定在弧形安装板底部，连杆顶端与弧形顶撑的弧形底部铰接，当围岩压力过大挤压弧形顶撑形变时，弧形顶撑的形变量通过连杆推动齿条在水平安装板上的滑轨移动。与齿条相互啮合的齿轮因此转动，驱动轴杆，轴杆位于检测器的壳体内的端部外周设有光栅刻度，安装于壳体内的光栅读数头检测光栅刻度的转动度数，实现间接采集弧形顶撑的弧形底部形变量的作用。同时，蜂鸣控制器接收光栅读数头采集的形变量信息，当形变量到达设定值时，控制蜂鸣器发出警报，提醒施工人员及时作出处理或及时避险。
9.为了更好地实现本发明，进一步地，包括沿隧道长度方向设置的排水渠和罩设于排水渠顶部的拱罩，所述排水渠和所述拱罩共同形成防护通道；所述拱罩靠近所述隧道开凿断面的一端设有闸门，所述闸门上滑动安装有挡板，所述闸门上固定安装有电磁锁；所述电磁锁处于锁紧状态时，所述防护通道通畅，所述电磁锁处于打开状态时，所述挡板沿所述闸门落下封闭所述防护通道；所述拱罩上设有轨道，所述轨道上滑动连接有移动测距仪，所述移动测距仪用于测量自身到所述水平安装板的距离；所述轨道上还设有计轴，所述计轴中储存自身所在的位置信息，用于所述移动测距仪经过所述计轴时向所述计轴获取位置信息；所述拱罩上还安装有警报器，所述移动测距仪上还安装有警报控制器，所述警报控制器与所述警报器、所述电磁锁分别电连接。
10.本发明设计排水渠引水对昔格达地层中隧道施工断面塌方这一险进行提前防治，减小施工断面塌方的发生几率；并将排水渠作为防护通道的一部分，既为人员提供了避险和逃生的通道，也充分利用了排水渠空间，避免为了增设防护通道而导致隧道截面跨度扩大从而进一步增加塌方发生几率；本发明充分发挥了逃生装置的各个部分的作用，避免增设不必要结构而压缩隧道施工空间，不会对施工造成负面影响，在实现人员防护避险逃生的功能的同时，降低施工复杂程度，降低了在一线施工队伍中推广和应用门槛，对已经开始施工的项目也可快速简单地实现逃生装置的安装，保障了施工单位工期不受影响，避免因耽误工期而导致一线施工管理人员的出现排斥心理，有利于推广应用。
11.所述电磁锁通电常闭，将所述挡板卡在闸门的顶部，防止挡板下落封闭防护通道；拱罩上设置轨道，轨道上设有计轴和移动测距仪，计轴位于所述弧形顶撑的下方，当移动测距仪经过计轴时，感应到计轴时便测定位于自身斜上方的水平安装板到自身的距离，移动测距仪测量到自身到水平安装板的距离低于设定值时，移动测距仪同时向警报控制器和电磁锁发送控制信号，警报控制器控制警报器发出警报提醒施工人员；同时断开电磁锁电源，电磁锁断电时常开，挡板在重力作用下下滑至闸门底部，将防护通道靠近隧道掘进断面的一端封闭，当隧道塌方涌水突泥时，防止大量的水流或泥浆涌入防护通道；人员打开逃生门
通过逃生口进入防护通道内部后将逃生门关闭，将隧道内漫灌的水流和泥浆隔绝在防护通道外部。
12.为了更好地实现本发明，进一步地，所述移动测距仪为激光测距仪，所述水平安装板的底面设有反光层。
13.通过反光层增大激光反射率，保证测量精度，避免因隧道内施工粉尘对激光造成阻碍，造成反射的激光强度减弱影响准确度。
14.为了更好地实现本发明，进一步地，还包括绞盘控制器、电动绞盘、绕线轮、牵引绳、清淤块、拱罩、吊车轨道和移动吊车；所述排水渠的出水端设有电动绞盘，所述排水渠的入水端设有绕线轮，所述电动绞盘和所述绕线轮之间通过呈环形的所述牵引绳连接，所述牵引绳上等距安装有清淤块，所述电动绞盘转动时，所述清淤块随所述牵引绳拖行于所述排水渠底部；所述排水渠和所述拱罩共同形成防护通道，所述拱罩侧壁开设有逃生口，所述逃生口处铰接有可开合的逃生门，所述拱罩的内顶部设有吊车轨道，所述吊车轨道上通过滑轮吊设有移动吊车，所述移动吊车底部设有锁扣，所述锁扣与所述清淤块可拆卸连接；所述警报控制器与所述绞盘控制器电连接，所述绞盘控制器与所述电动绞盘电连接。
15.在昔格达地貌中，为减少涌水突泥事故发生，对隧道待挖掘断面使用排水渠提前排出水体很有必要，排水过程中昔格达地层中土壤岩石随水流排出，在排水过程中土石会逐渐沉积堵塞排水渠，为了避免这种情况，使用电动绞盘拖动安装有清淤块的牵引绳，清淤块被拖动的过程中与沉积在排水渠底部的土石碰撞，沉积土石受力重新混入水流并被冲走路，避免了土石沉积堵塞排水渠；同时在引水渠上设置拱罩形成防护通道，在隧道塌方时为人员提供防护避险和逃生通道，人员直接通过防护通道逃生，而不必涉险通过塌方地带；为了快速转运人员，在拱罩的内顶部设有滑轨，滑轨上通过滑轮吊装有移动吊车，人员乘坐于移动吊车上，再将锁扣扣紧在牵引绳上的清淤块上，电动绞盘拖动牵引绳并带动移动吊车，将人员快速转运出来。警报控制器在控制警报器发出警报的同时，向绞盘控制器发送金警报信号，绞盘控制器接收警报信号后控制电动绞盘提高功率，加快转速，便于人员快速逃离险地。
16.为了更好地实现本发明，进一步地，所述拱罩的内顶部还设有供风管路，所述供风管路位于所述防护通道的出口的一端连接有气泵，所述供风管路的管壁上开设有供风口。
17.拱罩内顶部增加供风管路，警报控制器同时与气泵电连接，水平安装板与移动测距仪距离过近时，警报控制器控制气泵运行，为防护通道内进行通风供氧。
18.为了更好地实现本发明，进一步地，所述移动吊车上设有辅助驱动装置，所述辅助驱动装置的主动轴与所述滑轮的中心转轴传动连接。
19.辅助驱动装置为直流驱动电机，直流驱动电机的主动轴通过减速箱与所述滑轮的中心转轴转动连接，为移动吊车提供辅助动力，在电动绞盘失效时驱动移动吊车前行，辅助驱动装置内部带有为直流驱动电机供能的蓄电池。
20.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：（1）本发明具有检测弧形顶撑的弧形底部的形变量的检测结构，对弧形顶撑弧形底部形变进行检测，当弧形顶撑的弧形底部形变量过大时及时发出警报，对塌方潜在隐患
进行预警，以提醒施工人员及时进行支固处理或紧急避险；避免大面积垮塌的出现；（2）围岩不稳导致隧道拱形顶部空腔或围岩裂隙，处于昔格达地貌中的裸岩突石在重力作用下出现岩面掉落，数量较多时对弧形顶撑造成重压导致弧形支撑顶部出现塑性变形；本发明具有检测弧形顶撑的内弧形顶部形变量的效果，通过检测水平支撑板到移动测距仪之间的距离，当所述距离低于设定限度时，发出警报提醒施工人员进行支固处理并紧急避险；避免拱形支撑塑性变形过大而造成支撑强度突然下降，进一步引发大面积塌方。
附图说明
21.下面将结合附图对技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
22.图1为本发明提供的一种隧道塌方预警装置的结构示意图；图2为本发明检测器的内部结构示意图；图3为本发明防护通道的内部结构示意图；图4为本发明防护通道的外部结构示意图；图5为本发明光栅读数头、蜂鸣控制器和蜂鸣器电连接关系示意图；图6为本发明警报控制器等装置的电联接关系示意图。
23.其中：1、弧形顶撑；11、弧形安装板；12、竖杆；13、水平安装板；131、滑轨；132、齿条；14、连杆；15、检测器；151、壳体；152、光栅读数头；153、轴杆；154、齿轮；16、蜂鸣控制器；17、蜂鸣器；2、排水渠；21、绞盘控制器；22、电动绞盘；23、绕线轮；24、牵引绳；25、清淤块；26、吊车轨道；27、移动吊车；271、辅助驱动装置；28、锁扣；3、拱罩；31、闸门；32、电磁锁；33、挡板；34、轨道；35、移动测距仪；36、计轴；37、警报控制器；38、警报器；39、逃生口；390、逃生门；01、供风管路；011、气泵。
具体实施方式
24.以下结合实施例的具体实施方式，对本发明创造的上述内容再做进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段作出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
25.实施例1：本实施例的一种隧道塌方预警装置，如图1、图2和图5所示，包括用于支撑所述隧道顶部的弧形顶撑1和弧形安装板11、竖杆12、水平安装板13、连杆14、检测器15、蜂鸣控制器16、蜂鸣器17；所述弧形安装板11的弧形面与所述弧形顶撑1的弧形顶部贴合固定，所述弧形安装板11底部与所述竖杆12顶部固定连接，所述竖杆12底部与所述水平安装板13固定连接，所述水平安装板13上设有滑轨131，所述滑轨131上滑动连接有齿条132，所述连杆14的底端与所述齿条132端部铰接，所述连杆14的顶端与所述弧形顶撑1的弧形底部铰接；所述检测器15包括壳体151、光栅读数头152、轴杆153和齿轮154，所述壳体151与所述水平安装板13固定连接，所述轴杆153的读数端贯穿所述壳体151侧壁延伸至所述壳体151内部，所述轴杆153的读数端外周上设有光栅刻度，安装于壳体151内部的光栅读数头
152对准所述光栅刻度；所述轴杆153的安装端贯穿所述壳体151侧部延伸至所述壳体151外部，所述轴杆153的安装端外周上套设有齿轮154，所述齿轮154与所述齿条132相互啮合；所述光栅读数头152与蜂鸣控制器16电连接，所述蜂鸣控制器16与所述蜂鸣控制器16与蜂鸣器17电连接。
26.隧道施工中，隧道顶部最容易发生坍塌落石的部位，当支撑隧道顶部围岩的弧形支撑的底端也开始变形时，及容易引起弧形顶撑1与隧道侧壁初衬脱落，造成整体塌方，造成的破坏更为严重，因此，弧形顶撑1的底部发生大的形变时应当及时处理，对围岩进一步支固，以避免隧道坍塌事故的发生。
27.本发明中弧形顶撑1直接支撑隧道顶部围岩，弧形安装板11贴合于弧形顶撑1的内弧面顶部，检测器15通过竖杆12和水平安装板13固定在弧形安装板11底部，连杆14顶端与弧形顶撑1的弧形底部铰接，当围岩压力过大挤压弧形顶撑1形变时，弧形顶撑1的形变量通过连杆14推动齿条132在水平安装板13上的滑轨131移动。与齿条132相互啮合的齿轮154因此转动，驱动轴杆153，轴杆153位于检测器15的壳体151内的端部外周设有光栅刻度，安装于壳体151内的光栅读数头152检测光栅刻度的转动度数，实现间接采集弧形顶撑1的弧形底部形变量的作用。同时，蜂鸣控制器16接收光栅读数头152采集的形变量信息，当形变量到达设定值时，控制蜂鸣器17发出警报，提醒施工人员及时作出处理或及时避险。
28.实施例2：本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，如图1、图3、图4和图6所示，包括沿隧道长度方向设置的排水渠2和罩设于排水渠2顶部的拱罩3，所述排水渠2和所述拱罩3共同形成防护通道；所述拱罩3靠近所述隧道开凿断面的一端设有闸门31，所述闸门31上滑动安装有挡板33，所述闸门31上固定安装有电磁锁32；所述电磁锁32处于锁紧状态时，所述防护通道通畅，所述电磁锁32处于打开状态时，所述挡板33沿所述闸门31落下封闭所述防护通道；所述拱罩3上设有轨道34，所述轨道34上滑动连接有移动测距仪35，所述移动测距仪35用于测量自身到所述水平安装板13的距离；所述轨道34上还设有计轴36，所述计轴36中储存自身所在的位置信息，用于所述移动测距仪35经过所述计轴36时向所述计轴36获取位置信息；所述拱罩3上还安装有警报器38，所述移动测距仪35上还安装有警报控制器37，所述警报控制器37与所述警报器38、所述电磁锁32分别电连接。
29.本发明设计排水渠2引水对昔格达地层中隧道施工断面塌方这一险象进行提前防治，减小施工断面塌方的发生几率；并将排水渠2作为防护通道的一部分，既为人员提供了避险和逃生的通道，也充分利用了排水渠2空间，避免为了增设防护通道而导致隧道截面跨度扩大从而进一步增加塌方发生几率；本发明充分发挥了逃生装置的各个部分的作用，避免增设不必要结构而压缩隧道施工空间，不会对施工造成负面影响，在实现人员防护避险逃生的功能的同时，降低施工复杂程度，降低了在一线施工队伍中推广和应用门槛，对已经开始施工的项目也可快速简单地实现逃生装置的安装，保障了施工单位工期不受影响，避免因耽误工期而导致一线施工管理人员的出现排斥心理，有利于推广应用。
30.所述电磁锁32通电常闭，将所述挡板33卡在闸门31的顶部，防止挡板33下落封闭防护通道；拱罩3上设置轨道34，轨道34上设有计轴36和移动测距仪35，计轴36位于所述弧
形顶撑1的下方，当移动测距仪35经过计轴36时，感应到计轴36时便测定位于自身斜上方的水平安装板13到自身的距离，移动测距仪35测量到自身到水平安装板13的距离低于设定值时，移动测距仪35同时向警报控制器37和电磁锁32发送控制信号，警报控制器37控制警报器38发出警报提醒施工人员；同时断开电磁锁32电源，电磁锁32断电时常开，挡板33在重力作用下下滑至闸门31底部，将防护通道靠近隧道掘进断面的一端封闭，当隧道塌方涌水突泥时，防止大量的水流或泥浆涌入防护通道；人员打开逃生门390通过逃生口39进入防护通道内部后将逃生门390关闭，将隧道内漫灌的水流和泥浆隔绝在防护通道外部。
31.为了更好地实现本实施例，进一步地，所述移动测距仪35为激光测距仪，所述水平安装板13的底面设有反光层。
32.通过反光层增大激光反射率，保证测量精度，避免因隧道内施工粉尘对激光造成阻碍，造成反射的激光强度减弱影响准确度。
33.为了更好地实现本实施例，进一步地，还包括绞盘控制器21、电动绞盘22、绕线轮23、牵引绳24、清淤块25、拱罩3、吊车轨道26和移动吊车27；所述排水渠2的出水端设有电动绞盘22，所述排水渠2的入水端设有绕线轮23，所述电动绞盘22和所述绕线轮23之间通过呈环形的所述牵引绳24连接，所述牵引绳24上等距安装有清淤块25，所述电动绞盘22转动时，所述清淤块25随所述牵引绳24拖行于所述排水渠2底部；所述排水渠2和所述拱罩3共同形成防护通道，所述拱罩3侧壁开设有逃生口39，所述逃生口39处铰接有可开合的逃生门390，所述拱罩3的内顶部设有吊车轨道26，所述吊车轨道26上通过滑轮吊设有移动吊车27，所述移动吊车27底部设有锁扣28，所述锁扣28与所述清淤块25可拆卸连接；所述警报控制器37与所述绞盘控制器21电连接，所述绞盘控制器21与所述电动绞盘22电连接。
34.在昔格达地貌中，为减少涌水突泥事故发生，对隧道待挖掘断面使用排水渠2提前排出水体很有必要，排水过程中昔格达地层中土壤岩石随水流排出，在排水过程中土石会逐渐沉积堵塞排水渠2，为了避免这种情况，使用电动绞盘22拖动安装有清淤块25的牵引绳24，清淤块25被拖动的过程中与沉积在排水渠2底部的土石碰撞，沉积土石受力重新混入水流并被冲走路，避免了土石沉积堵塞排水渠2；同时在引水渠上设置拱罩3形成防护通道，在隧道塌方时为人员提供防护避险和逃生通道，人员直接通过防护通道逃生，而不必涉险通过塌方地带；为了快速转运人员，在拱罩3的内顶部设有滑轨131，滑轨131上通过滑轮吊装有移动吊车27，人员乘坐于移动吊车27上，再将锁扣28扣紧在牵引绳24上的清淤块25上，电动绞盘22拖动牵引绳24并带动移动吊车27，将人员快速转运出来。警报控制器37在控制警报器38发出警报的同时，向绞盘控制器21发送金警报信号，绞盘控制器21接收警报信号后控制电动绞盘22提高功率，加快转速，便于人员快速逃离险地。
35.为了更好地实现本实施例，进一步地，所述拱罩3的内顶部还设有供风管路01，所述供风管路01位于所述防护通道的出口的一端连接有气泵011，所述供风管路01的管壁上开设有供风口。
36.拱罩3内顶部增加供风管路01，警报控制器37同时与气泵011电连接，水平安装板13与移动测距仪35距离过近时，警报控制器37控制气泵011运行，为防护通道内进行通风供
氧。
37.为了更好地实现本实施例，进一步地，所述移动吊车27上设有辅助驱动装置271，所述辅助驱动装置271的主动轴与所述滑轮的中心转轴传动连接。
38.辅助驱动装置271为直流驱动电机，直流驱动电机的主动轴通过减速箱与所述滑轮的中心转轴转动连接，为移动吊车27提供辅助动力，在电动绞盘22失效时驱动移动吊车27前行，辅助驱动装置271内部带有为直流驱动电机供能的蓄电池。
39.本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
40.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。