一种TBM隧道围岩形貌采集方法及装置与流程

本发明涉及全断面隧道掘进机(tunnelboringmachine，简称tbm)掘进施工技术领域，尤其是涉及一种tbm隧道围岩形貌采集方法及装置。

背景技术：

tbm法已经成为国内外隧道施工方法之中的重要选择。然而，由于时间、技术装备、技术水平等众多因素的限制，隧道施工前的地质勘测不可能非常详尽，施工过程中经常会遇到一些地质资料中没有标明的不良地质条件，从而会影响tbm的顺利施工。因此，在施工过程中(特别是在通过不明确的不良地质段时)，需要采集围岩图像来分析当前地质情况，从而预测掌子面前方地质，决定支护方式。

当前，tbm施工过程中的围岩图像采集工作都以人工的方式进行，但图像采集的范围受到操作人员活动范围的限制，拍摄的图像效果较差，图像空间位置信息模糊，并且没有确定的图像比例尺，无法定量地评价围岩特征。这些问题直接影响到围岩情况判断与地质预报的准确性，进而影响支护决策的可靠性。

在围岩形貌采集装置方面的研究很少，清华大学基于管片拼装机设计了一款适用于双护盾tbm施工隧道的围岩观测系统，专利申请号为：201811120125.2。该装置利用预设在管片上的观测孔获取围岩照片，完成图像采集后再用设计的阀门封住观测孔。

根据现有的少量研究，并针对人工采集的不足，本发明提出了一种tbm隧道围岩形貌采集方法及装置，通过匹配图像采集频率与周向运动速度，自动获取围岩形貌图像，为之后利用图像拼接技术得到完整的隧道围岩形貌、对图像中的围岩特征进行定量评价、推测掌子面前方地质、实现地质预报提供数据支撑，为实现对tbm掘进速度与支护方式的智能决策奠定基础。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种tbm隧道围岩形貌采集方法及装置，以解决当前tbm隧道围岩形貌采集面临的采集区域受限、成像质量差、图像空间信息模糊、图像无法用于定量分析的难题。

第一个方面，本发明提供了一种tbm隧道围岩形貌采集方法，所述方法包括：

1)将tbm隧道围岩形貌采集装置安装在tbm钢拱架拼装机底座上。

2)装置随钢拱架拼装机运动到需要采集形貌的围岩环段起始端，完成轴向定位；步进电机带动周向移动装置沿导轨运动到导轨一端极限位置处，完成周向移动装置的定位。

3)步进电机反转，以恒定速度带动周向移动装置沿导轨运动到导轨另一端极限位置，固定在周向移动装置上的围岩观测装置以一种与周向运动速度匹配的频率采集围岩图像。

4)钢拱架拼装机沿隧道前进到下一位置，并重复步骤3，直到采集完全一环的围岩形貌；

5)通过图像处理，将一次周向运动采集到的图像拼接成一张，再将合成后的周向围岩形貌图像依次拼接在一起，得到一环围岩的形貌周向展开合成图；

6)最后，将每一环围岩的形貌周向展开合成图依次拼接在一起，得到整个隧道的围岩形貌周向展开合成图。

其中，所述导轨为圆弧状，周向移动装置可以沿导轨做周向运动，使得围岩观测装置能够采集到完整的围岩形貌。

其中，所述周向移动装置的周向运动速度可以通过改变步进电机的输入信号来调节，所述围岩观测装置的采集频率可以通过改变围岩观测装置的控制信号来调节，可以通过调节周向移动装置的周向运动速度，匹配相应的围岩观测装置的采集频率，获取需要的图像采集速度。

其中，所述装置能够结合tbm位置信息和钢拱架拼装机底座位置信息，推算并记录每一环围岩图像的隧道轴向位置信息。能够结合导轨极限位置和步进电机运动速度，推算并记录每一张图像的隧道周向位置信息。

其中，整个围岩形貌采集过程都是由计算机控制。

第二个方面，本发明实施例提供了一种tbm隧道围岩形貌采集装置，所述装置包括：围岩观测装置、周向移动装置、h形导轨、卷线装置、张紧装置和收线盘。

本发明的一个实施例中，所述周向移动装置由连接轴、轮板、导轨轮和钢丝绳连接头组成。所述h形导轨两侧各布置三个导轨轮，三个导轨轮呈三角形布置在轮板上，这样布置既可以将周向移动装置限制在h形导轨上，又能保证装置运动的顺畅。h形导轨两侧的轮板通过所述连接轴连接。所述钢丝绳连接头固定在所述连接轴上，用于固定所述卷线装置卷动的钢丝绳，带动周向移动装置运动。

本发明的一个实施例中，所述卷线装置由卷线筒、卷筒盘、联轴器和步进电机组成。所述卷线筒为空心圆柱，其表面有螺旋状线槽便于卷线，线槽两端开有通孔可将钢丝绳固定于此，卷线筒转动时一端收线、一端放线从而保证外部的钢丝绳长度基本不变。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一个实施例的tbm隧道围岩形貌采集方法流程图；

图2为本发明一个实施例的tbm隧道围岩形貌采集装置的整体结构示意图；

图3为本发明一个实施例的围岩观测装置的结构示意图；

图4为本发明一个实施例的周向移动装置的结构示意图；

图5为本发明一个实施例的tbm隧道围岩形貌采集装置的安装结构示意图；

图6为本发明一个实施例的h形导轨的断面图；

图7为本发明一个实施例的卷线装置的结构示意图；

图8为本发明一个实施例的卷线装置工作原理图。

附图标记说明：

101-围岩观测装置、102-周向移动装置、103-h形导轨、104-卷线装置、105-张紧装置、106-收线盘、1-主体架、2-相机、3-镜头、4-防护罩、5-镜头保护套、6-有机玻璃板、7-光源、8-光源安装座、9-螺栓安装孔、10-连接轴、11-轮板、12-导轨轮、13-钢丝绳接线头、14-tbm钢拱架拼装机底座、15-侧向承重轮、16-导向轮、17-tbm主梁、18-导线槽、19-卷线筒、20-卷筒盘、21-联轴器、22-步进电机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的tbm隧道围岩形貌采集方法及装置。

图1是本发明一个实施例的tbm隧道围岩形貌采集方法流程图。

参照图1，该方法包括以下步骤：

1)将tbm隧道围岩形貌采集装置安装在tbm钢拱架拼装机底座上。

2)装置随钢拱架拼装机运动到需要采集围岩形貌的围岩环段起始端，完成装置的周向定位。

3)步进电机带动周向移动装置沿导轨运动到导轨一端极限位置处，完成周向移动装置的定位。

4)步进电机反转，以恒定速度带动周向移动装置沿导轨运动，固定在周向移动装置上的围岩观测装置以一种与周向运动速度匹配的恒定频率采集围岩图像。

5)周向移动装置运动到导轨另一端极限位置，围岩观测装置停止采集图像。

6)判断是否将一环围岩形貌采集完整。

7)如果未采集完整，钢拱架拼装机沿隧道前进到下一位置。重复步骤4—6。

8)如果采集完整，将采集到的围岩图像依次拼接在一起，得到一环围岩的形貌周向展开合成图。

9)将一环围岩的形貌周向展开合成图拼接到隧道周向展开合成图中。

10)如果tbm继续掘进，重复步骤2—9。如果tbm停止掘进，得到完整的隧道围岩形貌周向展开合成图。

图2是本发明一个实施例的tbm隧道围岩形貌采集装置的整体结构示意图。

如图2所示，该tbm隧道围岩形貌采集装置包括：围岩观测装置101，用于获取tbm隧道围岩图像；周向移动装置102，用于保证围岩观测装置的周向运动；h形导轨103，为周向移动装置提供运动轨迹；卷线装置104，通过卷动钢丝绳为周向移动装置提供驱动；张紧装置105，用于保证钢丝绳紧绷；收线盘106，用于收紧围岩观测装置的电源线和数据线。该装置能够快速地获取围岩形貌，定量地评价围岩特征，为推测掌子面前方地质、实现地质预报提供数据支撑，为实现对tbm掘进速度与支护方式的智能决策奠定基础。

进一步地，在本发明的一个实施例中，围岩观测装置101由主体架1、相机2、镜头3、防护罩4、镜头保护套5、有机玻璃板6、光源7和光源安装座8组成。

进一步地，在本发明的一个实施例中，主体架1横跨所述h形导轨，且主体架1下端与周向移动装置相连。防护罩4固定于主体架的螺栓安装孔处，而镜头保护套5安装于防护罩上端，有机玻璃板6安装在镜头保护套上。相机2安装于防护罩内，镜头3安装在相机上。光源安装座8固定于主体架的螺栓安装孔处，光源7固定在光源安装座中。

也就是说，如图3所示，主体架1横跨h形导轨，下端与周向移动装置相连。防护罩4固定于主体架上的螺栓安装孔9处，相机与镜头置于防护罩内，镜头保护套5安装于防护罩上端，有机玻璃板6安装在镜头保护套上，从而保证相机和镜头在工作时不被落石损坏。光源安装座8固定于主体架的螺栓安装孔处，光源7固定在光源安装座中。相机与光源都由外接的数据线或电源线控制。

在本发明的一个实施例中，周向移动装置102由连接轴10、轮板11、导轨轮12和钢丝绳连接头13组成，h形导轨两侧各布置3个导轨轮，每个导轨轮都安装在轮板的对应位置，h形导轨两侧的轮板通过连接轴连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，钢丝绳连接头12固定在连接轴10上，用于固定卷线装置卷动的钢丝绳。

也就是说，如图4所示，周向移动装置102由连接轴10、轮板11、导轨轮12和钢丝绳连接头13组成，h形导轨两侧各布置3个导轨轮，每个导轨轮都安装在轮板的对应位置，h形导轨两侧的轮板通过连接轴连接。钢丝绳连接头固定在连接轴上，用于固定卷线装置卷动的钢丝绳。工作时，卷线装置卷动钢丝绳，从而拉动周向移动装置沿着h形导轨做圆周运动。

在本发明的一个实施例中，h形导轨103通过方形管焊接在tbm钢拱架拼装机底座14上，并在两侧安装有侧向承重轮15，其中h形导轨呈圆弧状，导轨断面为h形，以使得导轨轮在h形导轨上运动，在h形导轨外侧安装有导向轮16为钢丝绳提供导向和支撑，在h形导轨内侧的一边开有导线槽18为电源线和数据线提供导向。

也就是说，如图5-6所示，h形导轨通过方形管焊接在tbm钢拱架拼装机的底座14上，并在两侧安装有侧向承重轮15。利用钢拱架拼装的底座带动h形导轨在tbm主梁17上运动。h形导轨呈圆弧状，导轨断面为h形，保证周向移动装置的导轨轮能在h形导轨上运动。在h形导轨外侧安装有导向轮16为钢丝绳提供导向和支撑，在h形导轨内侧的一边开有导线槽18为电源线和数据线提供导向。

在本发明的一个实施例中，卷线装置104由卷线筒19、卷筒盘20、联轴器21和步进电机22组成。所述卷线筒为空心圆柱，其表面有螺旋状线槽便于卷线，线槽两端开有通孔可将钢丝绳固定于此，卷线筒转动时一端收线、一端放线从而保证外部的钢丝绳长度基本不变。卷线装置的结构如图7所示，卷线装置的工作原理如图8所示。

如图1-8所示，下面根据本发明的具体实施例对其工作原理进行阐述。

1)移动tbm钢拱架拼装机，使h形导轨运动到指定位置，启动卷线装置，通过钢丝绳带动周向移动装置运动到h形导轨一端的极限位置，完成对周向移动装置的复位；

2)打开光源，启动相机，卷线装置正转驱动周向移动装置沿h形导轨做圆周运动；

3)周向移动装置运动到h形导轨另一端的极限位置，关闭卷线装置和相机，再次移动tbm钢拱架拼装机，使h形导轨运动到下一个指定位置；

4)启动相机，卷线装置反转，驱动周向移动装置沿h形导轨做圆周运动；

5)重复步骤3和4，直到将一环的围岩图像采集完全；

6)将一次周向运动采集到的围岩图像依次拼接，得到围岩形貌周向展开合成图；

7)将围岩形貌周向展开合成图依次拼接，得到一环围岩的形貌周向展开合成图；

8)将新采集到的一环围岩的形貌周向展开合成图拼接到隧道围岩形貌周向展开合成图中；

9)重复步骤1—8直到完成tbm隧道掘进。

根据本发明实施例提出的tbm隧道围岩形貌采集装置，能够随着tbm前进，及时地获取施工段tbm围岩形貌信息，为之后利用图像拼接技术得到完整的隧道围岩形貌、对图像中围岩特征进行定量评价，推测掌子面前方地质、实现地质预报提供数据支撑，最终实现对tbm掘进速度与支护方式的智能决策。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。