CN110308167A - 一种tbm岩渣射线透射成像ct实时扫描成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置及方法，它解决了现有技术中摄像机无法获取岩渣内部信息的问题，具有能实时对岩渣进行扫描，以便及时调整TBM运行参数的有益效果，其方案如下：一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，包括外壳，外壳能够横跨TBM传送机进行设置，外壳的内部及两侧面为中空结构；X射线发射源，设于外壳内侧；探测器，设于外壳内侧，且与X射线发射源相对设置；控制器，控制器与X射线发射源、探测器分别单独连接，X射线发射源发射X射线，TBM传送机传送的岩石具有相异的密度，探测器接收X射线，并将信号传送至控制器。

Description

一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置及方法

技术领域

本发明涉及土工工程领域，特别是涉及一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置及方法。

背景技术

随着我国基础设施的大规模建设、西部大开发的进展，铁路、公路、大中型水电站建设以及南水北调、西气东输等工程中将有大量的长大隧道需要建设；由于工程规模大、地质条件复杂，工程施工速度、环保、质量和效益要求高，而全断面隧道掘进机(TBM)具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，因此TBM广泛的应用于我国的深埋长大隧道的建设中。在TBM所有的部件中，最为关键的就是位于掘进机前方用于掘进破碎岩石的刀盘。在TBM施工过程中，盘形滚刀受力复杂，且长期面临着高围压、高温的恶劣围岩环境以及断层、节理等不连续面更使岩土介质存在显著的不连续性，造成滚刀受力情况多变，因此盘形滚刀也是最易损耗的部件。随着岩体条件的不断变化，需要及时的调整相应的TBM参数以避免造成刀具损坏、卡机等事故。探究岩体在滚刀作用下的破坏机理对于掘进机安全高效的掘进具有重要的价值。研究表明，由于岩渣过程形成的岩石渣片的形态大小等信息与滚刀损耗程度密切相关，因此TBM岩渣后形成的岩渣则成为一个重要研究对象，它对于技术人员获取隧道前方岩体地质条件来说意义重大。

然而，当前对于隧道前方岩体地质情况的掌握来看，对TBM岩渣岩渣的分析并不能做到精准、快速。具体来说具有以下不足：

(1)对于TBM皮带传送出来的岩渣来说，现有技术可做到的是利用高速皮带摄影机进行拍照，来观察岩渣表面的形态大小，无法获取内部信息。

(2)对于现场岩体的进一步研究需要借助室内实验，耗时长，无法做到实时获取，不能及时提供有效信息。

(3)现场作业环境复杂，粉尘较大，能见度低，同时皮带机运行速度快，直接观察岩渣难度较大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，可现场对TBM施工隧道掘进过程中岩石进行CT扫描成像，便于及时调整TBM运行参数，提高施工效率。

一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置的具体方案如下：

一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，包括：

外壳，外壳能够横跨TBM传送机进行设置，外壳的内部及两侧面为中空结构；

X射线发射源，设于外壳内侧；

探测器，设于外壳内侧，且与X射线发射源相对设置；

控制器，控制器与X射线发射源、探测器分别单独连接，X射线发射源发射X射线，TBM传送机传送的岩石具有相异的密度，探测器接收X射线，并将信号传送至控制器。

上述的扫描设备，计算机断层成像(CT)技术可以无损的识别试件断层的信息，由控制器通过数学图像表达出来，使技术人员能够更好地观察岩渣中裂隙的变化情况，对岩石进行扫描，可辅助相关技术人员判断地质条件，从而使TBM掘进更加的安全高效。

进一步地，为了提高外壳的使用寿命，所述外壳镀有防腐防锈涂层，且外壳采用金属材料制成，能保护外壳内部结构件，并有效防止辐射。

进一步地，为了有效进行防辐射，所述外壳的一侧面为进口，另一侧面为出口，外壳进口和出口侧均设置防辐射帘。

进一步地，所述防辐射帘为铅帘，防辐射帘的厚度大于2mm，从而有效防止辐射泄漏；

防辐射帘包括多条帘子，相邻的帘子错位设置，错位设置的帘子，在TBM传送机传送的岩石与帘子底部发生干扰时，帘子之间还是错位设置的，进一步有效防止辐射泄漏。

进一步地，因TBM传送机所处位置距离地面较高，所述外壳为门框型，门框型外壳的两侧底部均设置底座，底座开有螺栓孔以便于与TBM传送机支架进行固连，螺栓穿过螺栓孔将底座与TBM传送机的支撑支架进行固定连接，稳定固连的外壳，在复杂环境下由利于对操作人员起到保护作用。

进一步地，所述控制器设于所述外壳的内部或者外壳的侧部，控制器与设于外壳侧部的控制按钮、成像屏分别单独连接，控制按钮可控制控制器的打开，控制器打开后，可控制X射线发射源、探测器分别进行打开而工作，探测器接收的X射线因岩石密度的不同而发生了差异，并由探测器接收转换后传送给控制器，控制器控制成像屏对扫描图像进行显示；

控制器与计算机连接，计算机与TBM主控室的工控机相连，计算机对扫描图像能进一步进行处理，使得扫描结果更加清晰，通过计算机将扫描结果传输于TBM主控室，方便TBM司机查看结果，从而便于TBM司机及时修改掘进参数，对TBM安全高效掘进提供重要的实用价值。

进一步地，为了便于外壳横跨TBM传送机，而且避免对TBM传送机移动的干扰，所述外壳内长度大于所述TBM传送机的宽度。

进一步地，在一些方案中，为了实现外壳相对于TBM传送机支架的移动，所述外壳底部设置滑块，所述TBM传送机支架设有滑轨，滑块与滑轨配合以实现外壳相对于TBM传送机位置的移动，这样在一个位置测量后，可根据现场空间，确定外壳的设置位置，从而有效保障现场设备和工作人员的安全，另外，滑轨可为电动滑轨，从而实现外壳的主动移动，电动滑轨的电机与控制器连接，由控制器进行主动控制。

进一步地，在一些方案中，为了避免在TBM传送机不工作时，有杂物进入到外壳内，用于隧道掘进机的岩石CT扫描设备还包括与所述外壳可拆卸连接的U型挡板，U型挡板能够设置于所述防辐射帘的下方，这样在常态下，通过U型挡板和防辐射帘的设置，避免杂物进入到外壳内部；

或者，为了U型挡板设置的稳定性，所述外壳的两侧设有卡槽，所述U型挡板的侧部能够插入卡槽设置，卡槽的尺寸与U型挡板两端的尺寸相适应，在需要进行扫描时，将U型挡板从卡槽中取出，从而获得相关的数据。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置的使用方法，包括如下内容：

将一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置固定于TBM传送机上方，TBM传送机传送岩渣；

开启X射线发射源，X射线穿透岩渣，岩渣区域的密度与对X射线的吸收能力呈正比；

探测器接收X射线，并传送信号至控制器，由控制器获得成像结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提出了一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，用X射线对岩渣进行CT扫描得到成像结果，并通过计算机传输于TBM主控室，做出对隧洞前方岩体地质情况的判断，及时调整TBM机械参数，为TBM司机和相关技术人员掌握隧洞前方岩体地质情况提供了重要的参考依据。

2)本发明的装置可以固定于TBM传送皮带机支架，对正在施工的隧道岩渣进行实时扫描成像，实时获取成像结果，无需在实验室内再进行单独的数据获取，操作便捷。

3)本发明装置通过成像屏、计算机的设置，成像结果可以在成像屏观看原始图像，也可传输到计算机中存储、处理，得到分辨率较高的图像。

4)本发明的装置利用不同区域岩石密度不同，对X射线的吸收能力不同，从而有效通过探测器获取不同的信号，整体结构设置简单可靠，但能实现不同信息的获取，使得TBM隧道施工更智能、安全、高效。

附图说明

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

图1是本发明实施例1中一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置的正视图。

图2是本发明实施例1中一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置的侧视图。

图3是本发明实施例1中一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置安装于TBM传送机处的示意图。

其中：1.防辐射防尘外壳，2.X射线发射源，3.探测器，4.成像屏，5.铅帘，6.TBM传送机，7.岩渣，8.控制器，9.TBM传送机支架。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置及方法，下面结合说明书附图，对本发明做进一步的阐述。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，包括外壳，X射线发射源2，探测器3，与成像屏4连接的控制器，外壳为防辐射防尘外壳1。其中防辐射防尘外壳1为门框型，横跨TBM传送机6设置，这样TBM传送机6(皮带传输机)穿过防辐射防尘外壳1实现运送岩渣7，防辐射防尘外壳1为金属材料所制用于保护内部机械部件和防止辐射，外镀防腐防锈涂层，且X射线发射源2，探测器3分别设于防辐射防尘外壳内部两侧壁的中心，即设于TBM传送机的两侧，能够随时扫描实时成像。

上述的成像装置，利用X射线穿透岩渣时，由于岩渣与光子发生相互作用，使X射线发生衰减，部分光子被岩渣所吸收，未被吸收的光子在穿透岩渣后到达探测器，探测器将接收到的X射线的强度转换为电信号，经过数字化后由控制器进行处理。

而且，在本实施例中，为了避免内部部件对TBM传送机传送岩渣7的影响，防辐射防尘外壳1内侧设置用于安装X射线发射源2、探测器3的凹槽，且X射线发射源2与探测器3通过螺栓实现与防辐射防尘外壳1的固连。

防辐射防尘外壳1的一侧为进口，另一侧为出口，在防辐射防尘外壳1进出口两侧均安装有厚度超过2mm的铅帘5，铅帘5包括多条帘子，相邻的帘子之间错位设置，可有效防止辐射泄漏，且铅帘5长度适中(铅帘的长度小于外壳的高度)，不与物体有接触，以免扫落岩粉造成扬尘。

当激发X射线发射源2时，从该射线源处发射的X射线呈扇形状，可以覆盖TBM传送机的岩渣7。X射线穿透岩渣7，被探测器3接收，并产生信号，岩渣中的密度越高的区域对X射线的吸收能力越强，所以探测器3收到的射线就有了差异。信号经控制器传输转换后可将扫描图像首先呈现在成像屏4，便于观察。

防辐射防尘外壳1的两侧均设置支座，支座的长度大于等于防辐射防尘外壳1的宽度，支座预留有螺栓孔，支座与TBM传送机支架9固定连接，因TBM传送机6所处位置距离地面较高，为了固定好装置需用螺栓进行连接。在复杂环境下对装置以及工作人员起到保护作用。

如图2所示，成像屏4设于防辐射防尘外壳1的侧部，可用于直接观察扫描图像结果，在成像屏4的下方设置与控制器8连接的控制开关，通过控制开关的打开，用于打开X射线发射源2，探测器3，控制器8设于防辐射防尘外壳1的内部，控制器8可用于作图像转换的简单处理，控制器8、X射线发射源2和探测器3共同构成CT扫描机(与成像屏4为一体结构)，控制器为现有的CT扫描机中常用部件，不再赘述，且控制器8设有与外部计算机相连接的USB接口，用数据线连接即可传送数据。计算机可安装相关的图像、视频处理软件，具有增强色彩、增强边界、提高分辨率等一系列处理功能，使得扫描结果更加清晰。计算机可与TBM主控室的工控机(带有显示器)相连，直接将成像结果传输于主控室，显示器用于显示成像图像，更便于TBM司机查看结果。

如图3所示，TBM传送机6位于TBM较高处位置，因此在安放装置时尽量在相对宽敞的位置，减少复杂的作业环境对装置的干扰，也使人员操作更方便。

在一些实施例中，为了实现外壳相对于TBM传送机支架9的移动，防辐射防尘外壳1底部设置滑块，TBM传送机6的支架设有滑轨，滑块与滑轨配合以实现外壳相对于TBM传送机位置的移动，这样在一个位置测量后，可根据现场空间，确定外壳的设置位置，从而有效保障现场设备和工作人员的安全，另外，滑轨可为电动滑轨，从而实现外壳的主动移动，电动滑轨的电机与控制器连接，由控制器进行主动控制。

在另一些实施例中，为了避免在TBM传送机不工作时，有杂物进入到外壳内，一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置还包括与所述外壳可拆卸连接的U型挡板，U型挡板能够设置于铅帘的下方，这样在常态下，通过U型挡板和防辐射帘的设置，避免杂物进入到外壳内部；为了U型挡板设置的稳定性，所述外壳的两侧设有卡槽，所述U型挡板的侧部能够插入卡槽设置，卡槽的尺寸与U型挡板两端的尺寸相适应，在需要进行扫描时，将U型挡板从卡槽中取出，从而获得相关的数据。

本实施例提供的装置可适用于TBM作业现场湿热复杂的环境，易于操作和使用，控制软件易掌握，特别适用于固定场所的岩体扫描，成像速度快，为TBM司机和相关技术人员对隧洞前方岩体地质情况的掌握提供了可视化的参考依据，对TBM安全高效掘进具有重要的实用价值。

实施例2

一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置的使用方法，包括如下内容：

将一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置固定于TBM传送机上方，TBM传送机传送岩渣；

开启X射线发射源，X射线穿透岩渣，岩渣区域的密度与对X射线的吸收能力呈正比；

探测器接收X射线，并传送信号至控制器，由控制器获得成像结果，当X射线穿透岩渣时，岩渣密度越高的区域对射线的吸收能力越强，扫描后会得到来表征密度分布的数据，直观反应在图片上就是颜色亮度的变化，密度最低的为黑色，密度最大的为白色，以此得到的图像也是密度分布图；

控制器将数据传输到计算机中，计算机可以对扫描信息进行存储，对图像、视频进行处理，提高分辨率，再将计算机与TBM主控室的工控机进行连接，TBM司机和相关技术人员通过对扫描图像的观察，对前方岩体情况作出判断，及时调整TBM运行参数，提高施工效率，如若出渣量突然增大，说明前方围岩较破碎，或者掌子面有部分塌方，据此判断是否要停机进行支护；若出现异状渣片，则可能遇到了特殊岩体；裂隙则可以判断岩体发育程度。

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

Claims (10)

1.一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，其特征在于，包括：

外壳，外壳能够横跨TBM传送机进行设置，外壳的内部及两侧面为中空结构；

X射线发射源，设于外壳内侧；

探测器，设于外壳内侧，且与X射线发射源相对设置；

控制器，控制器与X射线发射源、探测器分别单独连接，X射线发射源发射X射线，TBM传送机传送的岩石具有相异的密度，探测器接收X射线，并将信号传送至控制器。

2.根据权利要求1所述的一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，其特征在于，所述外壳镀有防腐防锈涂层。

3.根据权利要求1所述的一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，其特征在于，所述外壳的一侧面为进口，另一侧面为出口，外壳进口和出口侧均设置防辐射帘。

4.根据权利要求3所述的一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，其特征在于，所述防辐射帘为铅帘，防辐射帘的厚度大于2mm；

防辐射帘包括多条帘子，相邻的帘子错位设置。

5.根据权利要求1所述的一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，其特征在于，所述外壳为门框型，门框型外壳的两侧底部均设置底座，底座开有螺栓孔以便于与TBM传送机支架进行固连。

6.根据权利要求1所述的一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，其特征在于，所述控制器设于所述外壳的内部或者外壳的侧部，控制器与设于外壳侧部的控制按钮、成像屏分别单独连接；

控制器与计算机连接，计算机与TBM主控室的工控机相连。

7.根据权利要求1所述的一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，其特征在于，所述外壳内长度大于所述TBM传送机的宽度。

8.根据权利要求5所述的一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，其特征在于，所述外壳底部设置滑块，所述TBM传送机支架设有滑轨，滑块与滑轨配合以实现外壳相对于TBM传送机位置的移动。

9.根据权利要求3所述的一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置，其特征在于，还包括与所述外壳可拆卸连接的U型挡板，U型挡板能够设置于所述防辐射帘的下方；

或者，所述外壳的两侧设有卡槽，所述U型挡板的侧部能够插入卡槽设置。

10.权利要求1-9中任一项所述的一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置的使用方法，其特征在于，包括如下内容：

将一种TBM岩渣射线透射成像CT实时扫描成像装置固定于TBM传送机上方，TBM传送机传送岩渣；

开启X射线发射源，X射线穿透岩渣，岩渣区域的密度与对X射线的吸收能力呈正比；

探测器接收X射线，并传送信号至控制器。