一种适用于TBM的岩渣自动筛分测试机器人及方法

本公开属于岩渣信息实时获取技术领域，具体涉及一种适用于tbm的岩渣自动筛分测试机器人及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

隧道tbm法施工具有掘进速度快、成洞质量优、工程扰动小、安全经济等优点。但tbm施工对岩体条件较为敏感，围岩性质的变化对tbm掘进效率和刀具磨损具有重要影响。据统计，由磨损导致更换刀具的时间和成本占隧道总体建设费用的三分之一以上。岩渣是tbm掘进过程中岩机作用的直接产物，由片状或块状岩渣、岩粉及构造填充物组，成其几何尺寸信息与滚刀健康状态、岩体完整性等信息具有高度的关联性，是工程人员判断tbm掘进状态与岩体地质条件的重要依据。因此，实时获取tbm掘进岩渣几何尺寸信息，进而调整掘进控制参数与施工方案对于降低tbm隧道建设成本具有重要意义。

岩渣的几何尺寸信息包含岩渣平均粒径与粗度等指标，这些指标从不同角度阐释了岩渣大小的组成。目前，可通过现场筛分试验进行岩渣粒度筛分获取岩渣几何尺寸信息：在tbm施工现场皮带运输机出渣口处收取混合粒径的岩渣试样，移动至震动筛分仪，利用不同孔径的标准方孔筛进行筛分试验，获得岩渣粒径分布规律。该方法存在以下问题：

1.使用该方案进行岩渣筛分试验，岩渣经过长距离皮带运输机传送，人工搬运等步骤，容易对岩心造成二次破坏，影响测试结果；

2.岩渣尺寸与刀盘刀间距有关，现有的固定筛网尺寸的筛分试验方法结果精确性有限，对于掘进控制参数和施工方案精细化调整参考意义有限；

3.该方案测试时间较长，不能实时反馈，存在信息滞后性，无法满足tbm掘进对岩体信息的实时、准确的实际需求。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种适用于tbm的岩渣自动筛分测试机器人及方法，本公开能够实时获得tbm掘进中岩渣的尺寸信息，以及对钻进前方岩体质量做出较精确评估，可以对钻进前方岩体质量等级进行预报并及时发现掌子面前方的不良地质体，可据此优化施工方案，为保障隧道施工安全提供借鉴。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种适用于tbm的岩渣自动筛分测试机器人，包括基座和支架，所述支架设置于基座上，所述基座设置于tbm传送带旁，支架端部位于所述tbm传送带上方，所述支架上设置有图像采集模块，支架顶部端部设置有一伸缩杆，伸缩杆端部设置有一推板，以推动位于tbm传送带上的岩渣样品；

所述基座上设置有岩渣粒径筛分装置，所述岩渣粒径筛分装置包括箱体，所述箱体内设置有可调节筛孔板，可调节筛孔板上设置有称重传感器，所述可调节筛孔板下方设置有传输机构，用于将筛落的岩渣输送回tbm传送带上。

作为可选择的实施方式，所述箱体上设置有振动机构，以使可调节筛孔板发生震动。

作为进一步的限定，所述振动机构包括振动电机和弹性件，所述弹性件设置于箱体和基座的连接处，所述基座上设置有一凹槽，凹槽内设置有振动电机，所述振动电机用于推动箱体。通过电机和弹性件的相互作用，带动箱体运动，从而使可调节筛孔板上下震动，便于筛出岩渣。

作为可选择的实施方式，所述可调节筛孔板具有可调节筛孔，筛孔大小可有伸缩机构调节，其形状为正方形，其边长调节范围为2.5～100mm。

作为可选择的实施方式，所述箱体内上方设置有吹风机，且吹风机工作区域朝向所述可调节筛孔板。

作为可选择的实施方式，所述箱体顶部设置有集料斗。

作为可选择的实施方式，所述图像采集模块与称重传感器均和处理器连接。

基于上述机器人的工作方法，包括以下步骤：

利用伸缩杆和推板动作，从tbm传送带获取掘进过程中岩渣作为测试样品，将其推至岩渣粒径筛分装置内；

称重落入的测试样品总重量，从最小孔径值开始，定量逐步扩大可调节筛孔板上各孔的孔径，在每一孔径值，可调节筛孔板上剩余岩渣重量稳定时，记录此时剩余岩渣重量，拍摄岩渣图像，不断重复，直到孔径值为最大值；

根据记录的重量值和图片，获得岩渣粒径分布，并计算其岩渣粗糙度指数。

作为可选择的实施方式，计算岩渣粗糙度指数的具体过程包括：

通过岩渣粒径筛分获得对岩渣粒径分布，计算岩渣粗糙度指数：

ci＝∑xi

式中，wi为筛分试验得到的大于某一粒径尺寸岩渣总质量，kg；wt为取样岩渣总质量，kg；xi为大于某一粒径尺寸的筛余率，％；ci为岩渣粗糙程度指数，％。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

集成性高，使用时本装置与tbm高度集成，能够最大限度地有利于实现tbm技术自动化，装置稳定可靠，易于现场应用。

时效性强，可随时对岩渣进行岩渣筛分测试，进而给tbm决策提供建议，为tbm决策智能化提供可靠信息。

结果准确，可以根据需要灵活改变筛分粒径，获得更为平滑的粒径分布数据，计算结果更为精确，同时便于获得更多参数。

操作简单，使用本装置进行实验时，所有数据输出至计算机，实现自动采集功能。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1适用于tbm的岩渣自动筛分测试机器人整体示意图；

图2可调节筛孔板示意图。

其中，1.支架，2.集料斗，3.大功率吹风机，4.可调节筛孔板，5.电机，6.弹簧，7.数据分析传输系统，8.废料传送带，9.tbm主传送带，10.岩渣，11.岩渣推板，12.伸缩杆，13.高清摄像机，14.可调节筛孔板，15.称重传感器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1所示，一种适用于tbm的岩渣自动筛分自动测试机器人，包括：基座和支架1，所述支架1设置于基座上，所述基座设置于tbm主传送带9旁，支架1的端部位于tbm主传送带9上方，支架1上设置有高清摄像机13，支架顶部端部设置有一伸缩杆12，伸缩杆12端部设置有一岩渣推板11，以推动位于tbm传送带上的岩渣样品；

基座上设置有岩渣粒径筛分装置，所述岩渣粒径筛分装置包括箱体，所述箱体内设置有可调节筛孔板14，可调节筛孔板14上设置有称重传感器15，所述可调节筛孔板14下方设置有废料传送带8，用于将筛落的岩渣输送回tbm传送带上。

通过高速摄像机13对tbm主传送带9上岩渣10进行样品初选，选取岩渣样品画面均匀稳定的时刻，伸缩杆12伸出，通过岩渣推板10将岩渣推入集料斗2，并进入到可调节筛孔板4上。可调节筛孔板4上方还设置有大功率吹风机3，将测试后岩屑样品传送至tbm主传送带9，并将岩渣粒径筛分平台清理干净。

如图2可调节筛孔板示意图。

其筛孔14孔径可自主调节，每次测试初始孔径为2.5mm，最大孔径为100mm，在测试期间每当称重传感器15数值稳定时，筛孔孔径自动增加，其增加间隔根据测试需要可分为快速测试模式和精细测试模式，快速测试模式基准孔径尺寸为2.5mm，5mm，10mm，16mm，25mm，31,5mm，50mm，75mm，100mm，可根据实际情况对基准孔径尺寸进行调节；精细测试模式为孔径在2.5～10mm时，每次增加1mm，孔径在10～25mm时，每次增加2mm，孔径在25～50mm时，每次增加5mm，孔径在50～100mm时，每次增加10mm。

电机5和弹簧6带动可调节筛孔板4震动，小于筛孔尺寸的岩渣落入废料传送带8上并传送回tbm主传送带9，称重传感器15实时监测可调节筛孔板4上岩渣质量，并将测试数据传输至数据分析传输系统7。通过岩渣粒径筛分获得对岩渣粒径分布，计算岩渣粗糙度指数：

ci＝∑xi

式中，wi为筛分试验得到的大于某一粒径尺寸岩渣总质量，kg；wt为取样岩渣总质量，kg；xi为大于某一粒径尺寸的筛余率，％；ci为岩渣粗糙程度指数，％。

测试结束后，可调节筛孔板4孔径调节至最大，打开大功率吹风机3，将可调节筛孔板4上岩渣清理干净，称重传感器15数据回归初始值，完成自清洁步骤，开展下次测试。

本实施例中，通过配合tbm皮带机自动筛选取样、岩渣无极粒径筛分测量、测试数据自动处理传输、废料自清洁等技术，使岩渣自动筛分测试机器人可以对tbm掘进渣片进行岩渣粒度快速精确测量，达到对tbm岩渣粒度信息的实时监测，充分满足了现场测试的各项指标的要求。具有集成度高、时效性强、自动化程度高、结果准确可靠、安全经济的优点，有效解决了当前tbm施工岩渣粒度信息难以实时精确获取的难题，为tbm智能化掘进提供了实时的岩渣粒度信息及控制参数决策依据。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。