CN109405871A - 基于双护盾tbm施工隧道中的围岩观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，该系统包括：围岩观测装置用于获取围岩观测孔处的围岩照片；围岩观测孔布置装置用于在管片上对称位置设置多个围岩观测孔，并将每个围岩观测孔设置于偏离管片环向中心的位置，同时设计封堵阀门，以观测结束后封堵每个围岩观测孔；围岩结构重构装置用于提取围岩照片中的节理和裂隙围岩结构，并分别建立环向和环间不同空间位置处围岩照片中岩体结构特征之间的关系，并根据围岩照片的空间位置对隧道空间围岩情况进行三维重构，以得到隧道空间相应位置的当前围岩情况。该系统操作便捷，自动化程度高，能够准确全面地获取隧道围岩情况，且只需定期维护设备即可，减小了工作人员劳动强度。

Description

基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统

技术领域

本发明涉及TBM施工技术领域，特别涉及一种基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统。

背景技术

在水利、交通、能源、建筑、矿山等地下工程施工过程中，经常会出现因对工程地质情况认识不清而发生各类工程事故的情况，随着各类地下工程向着深部发展，地质情况趋于复杂，这一问题变得日益突出。因此，在地下工程施工中充分了解前方工程地质情况十分必要，尤其是对处于复杂地质条件下采用双护盾TBM(Tunnel Boring Machine，隧道掘进机)施工的隧道。

弄清隧道工程地质条件有很多方法，如地质素描，各类超前地质预报方法等。地质素描是以野外地质物象为对象，用素描技法描绘出地质客观实体的空间形态及相互关系。各类超前地质预报方法主要分为超前钻探类、反射地震类、电磁类、电法类等，各类方法都是通过分析地质介质某一性质(如弹性、导电性、导热性等)的差异来解译围岩情况。对于双护盾TBM施工的隧道，掌子面后方的围岩处于TBM护盾遮挡之下，没有空间开展地质素描，而掌子面与TBM刀盘之间的空间狭小且不便进入，在其中开展地质素描必然会耽误施工，因此，地质素描在双护盾TBM施工的隧道中几乎无法开展。超前钻探类地质预报方法影响施工且因不能向隧道正前方探测而产生盲区，这些都限制了其在TBM施工隧道中的应用。隧道内施工活动频繁，噪声源较多且复杂，TBM庞大的金属机械结构对电磁波场干扰较大，这些因素会对反射地震类、电磁类、电法类等超前地质预报方法产生较大干扰，从而产生较大误差，导致探测结果不可靠。同时各类超前地质预报方法都对解译人员的经验要求较高，结果的准确性往往受制于解译人员的专业水平。总之，各类超前地质预报方法在TBM施工的隧道中应用时几乎都面临着费时、影响施工、准确性差等问题。

利用围岩出露处对围岩直接观测是获取工程地质情况最准确且简单易行的方法。在双护盾TBM施工隧道中，受制于护盾的遮挡，只能通过TBM内预留的观测窗观察局部围岩，这种方法只能获得局部点位处的围岩信息，不能准确全面地反映隧道洞周的围岩信息。

采用TBM施工的隧道通常采用混凝土预制管片作为衬砌结构，管片通过螺栓连接成环状，形成封闭的支护结构。混凝土管片上布置有灌浆孔，安装管片后通过灌浆孔吹填豆砾石并灌浆，以填充管片与围岩之间空隙。管片安装完成到吹填豆砾石及灌浆，中间有数小时时间。因此，若在管片上预制数个围岩观测孔，就可以在吹填豆砾石及灌浆之前，通过围岩观测孔直接观测围岩，获取洞周不同位置处的围岩照片，进而通过对围岩照片的处理，可以综合得出洞周区域围岩地质情况，由此可以实时准确地掌握隧道区域围岩地质情况，且不耽误施工，从而为TBM安全施工提供决策支持。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统。

为达到上述目的，本发明一方面提出了基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统包括：围岩观测装置，用于获取围岩观测孔处的围岩照片；围岩观测孔布置装置，用于在管片上对称位置设置多个围岩观测孔，并将每个围岩观测孔设置于偏离管片环向中心的位置，同时设计封堵阀门，以观测结束后封堵所述每个围岩观测孔；围岩结构重构装置，用于提取所述围岩照片中的节理和裂隙围岩结构，并分别建立环向和环间不同空间位置处所述围岩照片中岩体结构特征之间的关系，并根据所述围岩照片的空间位置对隧道空间围岩情况进行三维重构，以得到隧道空间相应位置的当前围岩情况。

本发明实施例的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，能够随着TBM前进，可以实时连续地掌握隧道区域围岩地质情况，并且充分利用管片拼装机闲置时间，不影响施工，同时，能够解决双护盾TBM施工中由于护盾遮挡而无法直接观测围岩的问题，能够准确全面地获取隧道围岩情况，且操作便捷，自动化程度高，只需定期维护设备即可，减小了工作人员劳动强度。

另外，根据本发明上述实施例的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述围岩观测装置由观测轨道、相机保护罩、相机安装架、第一电机、轮子、工业相机、有机玻璃板和多根支撑杆组成。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多根支撑杆将所述观测轨道固定于移动TBM管片拼装机后部的施工平台上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述观测轨道随所述施工平台沿隧道掘进方向设置，且整体呈弧形，断面为工字型，以使得行走装置的轮子在所述观测轨道上运动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述行走装置由第二电机、齿轮和四个轮子组成，所述观测轨道两侧各布置多个轮子，每个轮子由所述第二电机通过齿轮传动，所述行走装置两侧通过螺栓连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述相机安装架横跨所述观测轨道，且所述相机安装架下端与所述行走装置相连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述相机保护罩固定于所述相机安装架的安装孔处。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述工业相机安装于所述相机保护罩内，所述相机保护罩上端设置有机玻璃板，其中，所述工业相机的镜头可遥控伸缩，使得所述工业相机的工作状态包括遥控拍照状态。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述移动TBM管片拼装机使所述工业相机处于目标管片所述围岩观测孔中心形成的环向平面上，以在启动所述第一电机使所述轮子在所述观测轨道上运动时，改变所述工业相机与管片上所述围岩观测孔的相对位置，并遥控所述工业相机的镜头，以获取预设拍摄角度后进行遥控拍照，并采用所述围岩结构重构算法对所述围岩照片进行处理，以获取所述当前围岩情况。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，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例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的封堵阀门的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的行走装置的结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统中主要部件的细部图；

图5为根据本发明一个实施例的工业相机、相机安装架及相机保护罩的结构示意图；

图6为根据本发明一个实施例的观测轨道的安装结构示意图；

图7为根据本发明一个实施例的管片围岩观测孔基于管片外侧展开的结构示意图，其中，a为平面布置图，b为A-A剖面图，c为B-B剖面图；

图8为根据本发明一个实施例的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统的整体结构示意图。

附图标记说明：

100-基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统、101-围岩观测装置、102-围岩观测孔布置装置、103-围岩结构重构装置、1-多个围岩观测孔、2-封堵阀门、3-观测轨道、4-相机保护罩、5-相机安装架、6-电机、7-多个轮子、8-工业相机、9-有机玻璃板、10-多根支撑杆、11-齿轮、12-螺栓-和13-安装孔。

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是示例性的，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基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统。

图1是本发明一个实施例的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统结构示意图。

如图1所示，该基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统100包括：围岩观测装置101、围岩观测孔布置装置102和围岩结构重构装置103。

其中，围岩观测装置101用于获取围岩观测孔处的围岩照片。围岩观测孔布置装置102用于在管片上对称位置设置多个围岩观测孔1，并将每个围岩观测孔设置于偏离管片环向中心的位置，如图2所示，同时设计封堵阀门2，以观测结束后封堵每个围岩观测孔。围岩结构重构装置103用于提取围岩照片中的节理和裂隙围岩结构，并分别建立环向和环间不同空间位置处围岩照片中岩体结构特征之间的关系，并根据围岩照片的空间位置对隧道空间围岩情况进行三维重构，以得到隧道空间相应位置的当前围岩情况。本发明实施例围岩观测系统100操作便捷，自动化程度高，能够准确全面地获取隧道围岩情况，且只需定期维护设备即可，减小了工作人员劳动强度。。

其中，因考虑到管片灌浆孔、定位孔等均位于管片环向中心，为避免影响管片强度，所以将围岩观测孔1设置于偏离管片环向中心的位置，同时设计封堵阀门2，用于观测结束后封堵围岩观测孔，防止后序注浆时漏浆。

进一步地，在本发明的一个实施例中，围岩观测装置101可以由观测轨道3、相机保护罩4、相机安装架5、第一电机6、轮子7、工业相机8、有机玻璃板9和多根支撑杆10组成。

进一步地，在本发明的一个实施例中，多根支撑杆9将观测轨道固定于移动TBM管片拼装机后部的施工平台上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，观测轨道随施工平台沿隧道掘进方向设置，且整体呈弧形，断面为工字型，以使得行走装置的轮子7在观测轨道上运动。

举例而言，运用6根支撑杆10将观测轨道固定于TBM管片拼装机后部的施工平台上，观测轨道可随施工平台沿隧道掘进方向前后移动，其整体呈弧形，断面为工字型，行走装置的轮子7可在其上运动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，行走装置由第二电机6、齿轮11和四个轮子7组成，观测轨道两侧各布置多个轮子，每个轮子由第二电机通过齿轮传动，行走装置两侧通过螺栓连接。

换言之，如图3所示，行走装置主要由电机6、齿轮11和四个轮子7组成，轨道两侧各布置两个轮子7，轮子7由电机6通过齿轮11传动。行走装置两侧通过螺栓12连接，保证其在观测轨道上正常行走。

进一步地，在本发明的一个实施例中，相机安装架5横跨观测轨道，且相机安装架5下端与行走装置相连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，相机保护罩4固定于相机安装架的安装孔处。

进一步地，在本发明的一个实施例中，工业相机安装于相机保护罩内，相机保护罩4上端设置有机玻璃板9，其中，工业相机8的镜头可遥控伸缩，使得工业相机8的工作状态包括遥控拍照状态。

也就是说，如图4-5所示，相机安装架5横跨观测轨道，下端与行走装置相连。相机保护罩4固定于相机安装架上5的安装孔13处。工业相机8安装于相机保护罩4内，相机保护罩4上端设置一块有机玻璃板7，从而能够在保护工业相机8的同时不影响围岩的观测。工业相机8的工作状态为遥控拍照，其镜头可遥控伸缩。

进一步地，在本发明的一个实施例中，移动TBM管片拼装机使工业相机处于目标管片围岩观测孔1中心形成的环向平面上，以在启动第一电机6使轮子7在观测轨道上运动时，改变工业相机8与管片上围岩观测孔13的相对位置，并遥控工业相机的镜头，以获取预设拍摄角度后进行遥控拍照，并采用围岩结构重构算法对围岩照片进行处理，以获取所述当前围岩情况。

也就是说，如图6-7所示，使用支撑杆10将观测轨道固定于TBM管片拼装机后部，启动电机控制工业相机与围岩观测孔1的相对位置，获取较好拍摄角度后遥控拍照，进而运用围岩结构重构算法获取区域围岩情况。

如图2-8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)运用6根支撑杆1将观测轨道3固定于TBM管片拼装机后部的施工平台上，按照图4、5、7组装好系统，取下安装于目标管片上围岩观测孔1处的封堵阀门2；

2)移动TBM管片拼装机，使工业相机8处于目标管片围岩观测孔1中心形成的环向平面上，启动电机6使其通过齿轮11带动轮子7在观测轨道3上运动，直到工业相机8对准管片上的某个围岩观测孔1为止；

3)遥控工业相机8的镜头，获取该围岩观测孔内围岩照片；

4)安装封堵阀门2，关闭此围岩观测孔1；

5)启动电机6改变工业相机8位置，使其对准下一个围岩观测孔1，并获取此围岩观测孔内围岩照片；

6)一环管片观测完毕后，当管片拼装机前进一环管片距离后，重复上述步骤，获取下一环管片处相应的围岩照片；

7)采用围岩结构重构算法对不同位置处的围岩照片进行处理，提取围岩照片中节理、裂隙等围岩结构，建立环向、环间不同空间位置处围岩照片中岩体结构特征之间的关系，并在此基础上对区域围岩情况进行三维重构，从而获取隧道空间围岩情况。

根据本发明实施例提出的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，能够随着TBM前进，可以实时连续地掌握隧道区域围岩地质情况，并且充分利用管片拼装机闲置时间，不影响施工，同时，能够解决双护盾TBM施工中由于护盾遮挡而无法直接观测围岩的问题，能够准确全面地获取隧道围岩情况，且操作便捷，自动化程度高，只需定期维护设备即可，减小了工作人员劳动强度。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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。

Claims (9)

1.一种基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，其特征在于，包括：

围岩观测装置，用于获取围岩观测孔处的围岩照片；

围岩观测孔布置装置，用于在管片上对称位置设置多个围岩观测孔，并将每个围岩观测孔设置于偏离管片环向中心的位置，同时设计封堵阀门，以观测结束后封堵所述每个围岩观测孔；以及

围岩结构重构装置，用于提取所述围岩照片中的节理和裂隙围岩结构，并分别建立环向和环间不同空间位置处所述围岩照片中岩体结构特征之间的关系，并根据所述围岩照片的空间位置对隧道空间围岩情况进行三维重构，以得到隧道空间相应位置的当前围岩情况。

2.根据权利要求1所述的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，其特征在于，所述围岩观测装置由观测轨道、相机保护罩、相机安装架、第一电机、轮子、工业相机、有机玻璃板和多根支撑杆组成。

3.根据权利要求2所述的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，其特征在于，所述多根支撑杆将所述观测轨道固定于移动TBM管片拼装机后部的施工平台上。

4.根据权利要求2或3所述的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，其特征在于，所述观测轨道随所述施工平台沿隧道掘进方向设置，且整体呈弧形，断面为工字型，以使得行走装置的轮子在所述观测轨道上运动。

5.根据权利要求4所述的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，其特征在于，所述行走装置由第二电机、齿轮和四个轮子组成，所述观测轨道两侧各布置多个轮子，每个轮子由所述第二电机通过齿轮传动，所述行走装置两侧通过螺栓连接。

6.根据权利要求4所述的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，其特征在于，所述相机安装架横跨所述观测轨道，且所述相机安装架下端与所述行走装置相连。

7.根据权利要求2所述的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，其特征在于，所述相机保护罩固定于所述相机安装架的安装孔处。

8.根据权利要求2所述的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，其特征在于，所述工业相机安装于所述相机保护罩内，所述相机保护罩上端设置有机玻璃板，其中，所述工业相机的镜头可遥控伸缩，使得所述工业相机的工作状态包括遥控拍照状态。

9.根据权利要求1所述的基于双护盾TBM施工隧道中的围岩观测系统，其特征在于，所述移动TBM管片拼装机使所述工业相机处于目标管片所述围岩观测孔中心形成的环向平面上，以在启动所述第一电机使所述轮子在所述观测轨道上运动时，改变所述工业相机与管片上所述围岩观测孔的相对位置，并遥控所述工业相机的镜头，以获取预设拍摄角度后进行遥控拍照，并采用所述围岩结构重构算法对所述围岩照片进行处理，以获取所述当前围岩情况。