CN112033986B - 一种tbm渣片射线背散射实时扫描成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置及方法，它解决了现有技术中现场只能获取渣片的外观情况，进行渣片的力学分析工作繁琐耗时长的问题，具有能连续作业，而且实时获取渣片的内外部特征的有益效果，其方案如下：一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置及方法，包括能够横跨TBM传送带或设于TBM传送带两侧的支架；X光背散射扫描探头，设于外壳内，外壳通过支架进行支撑，且外壳能够设于TBM传送带的上方，X光背散射扫描探头对TBM传送带传送的渣片进行探测并接收数据信息；计算终端，X光背散射扫描探头与计算终端连接，计算终端根据X光背散射扫描探头接收的数据信息，获得渣片的大小、形状，以及渣片内部特征。

Description

一种TBM渣片射线背散射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渣片射线背散射实时扫描成像装置及方法。

背景技术

随着我国基础设施建设的大规模开展，国民经济的快速可持续发展迫切需要建设一大批水利、交通、矿山等重大生命线工程。公路铁路客运货运专线不断向西部延伸，地下工程发展规模不断扩大，在国家未来的规划中西部地区将要建设许多重大的地下工程，而西部地区多山地丘陵，在大型工程的建设中深埋长大隧洞起着至关重要的作用。全断面硬岩掘进机(TBM)施工隧道具有掘进速度快、成洞质量高、经济效益高以及施工安全文明的优势逐渐突显出来。然而TBM对地质条件极其敏感，极易遭遇突水突泥、塌方、卡机、等重大安全事故。因此，快速准确地获取当前掘进段落的岩体地质信息，进而选择合理的施工方案及掘进参数对于保障TBM高效、安全掘进至关重要。其中，TBM皮带机运送出来的渣片大小、形状及岩粉比例等信息是判断掌子面区域岩体信息的重要依据。与此同时，渣片信息还可用于判断当前TBM滚刀的工作状态，若渣片较扁，片状居多，则滚刀状态良好；若渣片呈块状居多，则滚刀磨损较严重，应及时更换磨损较严重的滚刀，提高掘进效率。

然而，对于目前获取岩体参数及围岩等级的方法来说，发明人发现主要面临的问题包括“获取周期长、效率低、准确率低”等，具体来说存在以下问题：

(1)如需获得较为精确的岩体参数，需要在现场钻取岩芯，加工切割后在室内进行力学参数测试实验，工序繁琐且耗时长，所获得的岩体信息无法满足TBM掘进快速、动态的需求。

(2)在皮带机运送出渣时派人员进行现场查看分析，受现场作业环境影响，难度较大，且人工分析不能连续作业。

(3)在皮带机的一侧设置高速摄像机，目前现有的高速摄像分析渣片技术在现场仅能记录表层渣片的外观信息，无法探察渣片的内部情况。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，可对TBM施工隧道掘进过程中破岩渣片进行扫描，以此来分析掌子面前方地质情况，使TBM司机能够快速有效的做出判断，及时调整推力、扭矩等机械参数，提高TBM利用率，使掘进更高效。

一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置的具体方案如下：

一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，包括：

能够横跨TBM传送带或设于TBM传送带两侧的支架；

X光背散射扫描探头，设于外壳内，外壳通过支架进行支撑，且外壳能够设于TBM传送带的上方，X光背散射扫描探头对TBM传送带传送的渣片进行探测并接收数据信息，支架可沿着导轨移动，从而带动X光背散射扫描探头的移动；

计算终端，X光背散射扫描探头与计算终端连接，计算终端根据X光背散射扫描探头接收的数据信息，获得渣片的大小、形状，以及渣片内部特征(主要是裂纹及走向)。

上述的分析装置，能够直接设于TBM传送带，对传送带传送的渣片直接进行扫描，X光背散射扫描探头中X射线射在渣片上时，可以测量其内部各不同位置所对应的散射光子数并求出被检测物质中的电子密度分布，这样便于计算终端有效得到渣片的大小、形状以及渣片中的裂纹及走向一些内部特征，内部特征包括渣片的裂纹及走向，而这是肉眼或摄像机看不到的，通过渣片的大小和裂隙可用于技术人员判断刀具的磨损情况以及掘进前方地质结构变化，通过将获得的在线信息及时提供给TBM司机查看，这样有利于及时快速司机调整掘进参数或做出其他适用动作，充分提高了掘进的效率和速度。

进一步地，所述支架为门型支架，或者支架包括能够设于所述TBM传送带两侧的支杆，支架用于对外壳进行支撑，这样便于X光背散射扫描探头对传送带的渣片进行扫描和信息的获取；

或者，支架的两侧底部与电动滑台连接，支架两侧的底部均设置导轨卡槽，导轨卡槽与电动滑台的滑块连接，两侧的电动滑台均与所述的计算终端连接，以控制支架相对于TBM传送带的速度。

导轨可带动装置自动匀速移动固定距离来完成一次扫描任务。当开启扫描任务时，扫描装置通过电动滑台从导轨的开始端移动至末端，并伴随着一次扫描渣片任务，再从末端移动至开始端后，重复上述步骤则为另一次扫描任务，无需人工手动移动，保证了人员的安全，也进一步提高了扫描的效率。

进一步地，所述支架在所述外壳的下方一侧设置固定块，固定块与滑动开关门通过直线驱动机构连接。因为岩体性质具有连续性，采集一段即可，这样根据需要进行采集，不采集时，滑动开关门闭合，滑动开关门与外壳的长度相同，在需要对渣片进行分析时，打开滑动开关门，滑动开关门的移动方向与TBM传送带的传送方向相同，且开关门的宽度与X光背散射扫描探头的宽度相同。

直线驱动机构优选直线驱动电机，直线驱动电机与计算终端连接，计算终端控制直线驱动电机的驱动，计算终端为可编程的PLC计算终端，该计算终端可设于TBM驾驶室内。

进一步地，滑动开关门朝向所述TBM传送带的一侧设置有用于检测TBM传送带或渣片与滑动开关门距离的距离传感器，距离传感器与计算终端连接。

进一步地，所述X光背散射扫描探头包括X射线管、光束准直器以及探测接收器，光束准直器通过防辐射外壳支撑设于X射线管的上方，探测接收器设于X射线管的一侧，X光背散射扫描探头是根据Compton效应设计的，X光背散射扫描探头只需要置于被探测物体的单侧，即X射线管、探测接收器位于渣片的同一端，X射线管、探测接收器均位于TBM传送带渣片的上方。

X射线管对TBM皮带机传送的岩渣进行扫描，光束准直器与X射线管相连，用于将X射线发射器中发射的X光转变为准直光(平行光)，从而完成X射线背散射扫描，探测接收器与X射线管位于同一侧，用于接收X射线在探测物体上反射回的射线。

为满足X光发生散射的条件，入射光源需要与平面物体呈设定的夹角，所述光束准直器倾斜朝上安装，保证入射光源有效；X射线管和探测接收器均水平安装。

进一步地，导轨通过用于支撑所述TBM传送带支撑钢架进行设置。因TBM传送带传输速度可达1.5m/s，运动速度高，而背散射扫描物体速度越低则成像效果越好，因此为满足工程需求获得更高质量的成像效果，故设置导轨，使得装置可以接近皮带机传输的速度与皮带机相向运动，从而达到相对低速的运动，从而保证成像的效果。

进一步地，所述外壳为罩型，这样可对X光背散射扫描探头进行上方和周侧的封闭，以防辐射泄漏。

进一步地，所述外壳为防辐射外壳。

另外，TBM主控室内均设有工控机，工控机与计算终端连接。计算终端将数据发送给工控机，便于TBM司机快速接收检测结果。计算终端可为远程计算机，与X光背散射扫描探头的各个机构和TBM工控机分别连接，或者直接利用TBM工控机作为该设备的计算终端，TBM工控机具有显示器用于在TBM主控室内显示获取的相关信息。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像分析方法，采用所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，包括如下内容：

将一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置固定于TBM传送带处；

开启X光背散射扫描探头，通过导轨带动X光背散射扫描探头的移动，对一段距离的渣片进行扫描；

X光背散射扫描探头将收集的射线信息传送至计算终端；

计算终端经过数据处理，得到该段距离内渣片的图像，反映出渣片的大小、形状以及渣片中的裂纹及走向一些内部特征，TBM司机根据所得到的图像对掌子面前方岩体情况对TBM做出调整。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过整体结构的设置，操作简单，能够实现连续作业，可对TBM掘进隧道渣片进行实时扫描分析，为TBM司机快速获取掌子面前方岩体情况提供了重要的参考依据，并使司机及时通过判断岩渣状态来判断TBM滚刀的磨损情况，从而及时调整TBM控制参数和更换刀具，避免卡机等事故的发生；而且装置体积小，可移动，使用起来灵活，在隧道开挖的复杂环境中更便于操作。

2)本发明能够安装于TBM传送带上，扫描结果可在较短时间内传送至TBM司机处，节省了人员停机出舱在外观察的时间，保障了较差施工环境中的人员安全，改善作业环境。

3)本发明整体结构的设置，可有助于相关技术人员的安全操作，有利于TBM掘进机械参数与岩体地质情况的良好匹配，TBM施工更加安全、高效、经济、环保。

4)本发明通过滑动开关门的设置，配合距离传感器的设置，可根据距离的变化及时打开滑动开关门，实现自动进行在线分析，无需司机分神进行操作，避免了延误，可及时获知渣片的各种信息，进一步便于司机的对盾构做出及时调整。

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是本发明实施例中的各部分组合方式示意图正视图。

图2是本发明实施例中各部分组合方式示意图侧剖视图。

图3是本发明实施例中在TBM安装的位置示意图。

图4是本发明实施例中另一实施例的正视图。

图5是本发明实施例中另一实施例的侧剖视图。

其中：1.X光背散射扫描探头，2.X光背散射扫描探头外壳，3.X射线发射器，4.X背散射扫描装置外框架，5.固定支座，6.滑动开关门，7.螺栓，8.渣片，9.TBM传送带，10.探测接收器，11.一种隧道掘进机渣片射线分析装置，12.光束准直器，13.TBM传送带支撑钢架，14.导轨,15.导轨卡槽。

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渣片射线背散射实时扫描成像装置，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渣片射线背散射实时扫描成像装置11，包括X背散射扫描装置外框架4，X背散射扫描装置外框架4能够横跨TBM皮带机9设置，TBM皮带机9用于传送渣片8。

TBM传送带9具有设定的长度，TBM传送带9通过支柱实现支撑，立柱为TBM皮带机支撑钢架13，TBM传送带9具有设定的高度，支架4底部设于固定支座5，固定支座5设于TBM传送带9的下方，固定支座5底部通过支柱实现支撑，支柱底部设于地面，固定支座5通过螺栓与支架4实现连接。

具体地，TBM传送带9为TBM皮带机。

在另一些示例中，参考图4和图5所示，为了获取皮带机不同位置处渣片的信息，TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置11相对于TBM皮带机可实现移动，支架两侧的底部均设置导轨卡槽15，导轨卡槽为门型，通过支撑TBM皮带机的立柱在支架底部的两侧设置电动滑台，电动滑台包括导轨，滑块设置于导轨，导轨卡槽15与滑块连接；具体地，导轨卡槽侧部设置螺栓孔，滑块设置螺纹孔，通过螺栓实现支架与滑块的连接，两侧的电动滑台同步运动，以带动支架沿着电动滑台移动，通过对电动滑台的移动速度，可实现对支架移动速度的调整。其中，需要说明的是，支撑TBM皮带机的立柱也可替换为TBM传送带支撑钢架13。

支架4为门型支架，为中空结构，支架4支撑防辐射外壳2，防辐射外壳2为罩型结构，底部和内部中空，防辐射外壳2用于防止射线外泄，防辐射外壳2内设置X光背散射扫描探头，X光背散射扫描探头是根据康普顿Compton效应设计的，其包括了X射线管3、光束准直器12以及探测接收器10，光束准直器12通过防辐射外壳2支撑设于X射线管3的下方，探测接收器10设于X射线管3的一侧，光束准直器12通过对发射出的X射线散射线的吸收，将X射线转变为准直光(平行光)，提高X射线图像的对比度，使得到的图像更清晰，对探测接收器接收的数据进行数据处理后可以得到被检测物体的三维密度图像，相较于传统的X光扫描设备，X光背散射扫描探头只需要置于被探测物体的单侧，即发射与接收元件位于被探测物体上方，即可完成对被探测物体的检测。

其中，X光背散射由入射X射线光子与被检物质的自由电子发生碰撞形成散射光子，由专用探测接收器收集生成图像。对密度差别大的物体较敏感，TBM破岩形成的渣片中，可能会存在一些内部带裂隙的渣片，从表面无法观测其内部结构，将该探测设备用于对渣片的扫描，不仅可以观察到渣片的大小形状，还可以观察其内部一些构造，岩渣的破碎程度、破裂形式以及裂纹的扩展形式都可以反映出隧道开挖前方的岩体状态，有利于TBM司机根据此来调整推力、扭矩和刀盘转速等控制参数，避免由于机器参数与岩体条件不匹配带来的滚刀磨损严重、卡机等风险。

在X光背散射扫描探头1的下方通过支架支撑有滑动开关门6，滑动开关门6可以覆盖X射线发射管和探测接收器，当需要进行扫描时，打开滑动开关门6，且滑动开关门6不宜过大，以防辐射泄漏，当不需要扫描时，关上即可。

需要说明的是，滑动开关门6通过设于支架4两侧的固定块进行支撑，两侧固定块之间设置滑动开关门，滑动开关门6相对于固定块能够实现往复运动，具体通过固定块设置直线推动电机，直线推动电机与滑动开关门6连接，直线推动电机推动滑动开关门6相对于导轨实现直线往复运动。

在一些实施例中，直线驱动电机、电动滑台与计算终端连接，计算终端控制直线驱动电机和电动滑台的驱动，该计算终端可设于TBM驾驶室内，这样便于在TBM驾驶室内对直线驱动电机进行操作。

为了实现滑动开关门的自动控制，滑动开关门的朝向TBM皮带机的一侧设置距离传感器，距离传感器用于检测滑动开关门与TBM皮带机或渣片之间的距离，当有渣片传送来的时候，距离发生了改变，距离传感器与计算终端连接，并将信号传送给计算终端，计算终端获知距离发生变化后，控制滑动开关门的打开或闭合。

在一些示例中，距离传感器可选择慢反射传感器。

在滑动开关门打开后，计算终端获知信息，并控制电动滑台运动，扫描装置将以与TBM皮带机相近的速度与之相向运动，运动到导轨14末端时结束一次扫描任务，返回到开始端后重复上述步骤则为另一次扫描任务。扫描结果将以数据形式传输至计算终端。另外，在TBM驾驶室内可设置显示器，显示器与计算终端连接，计算终端将数据发送给显示器，便于TBM司机的检测结果的快速接收，计算终端为计算机，与X光背散射扫描探头的各个机构和TBM工控机分别连接，计算终端可理解为接收扫描信息的电脑，X光背散射扫描探头扫描渣片后，探测接收器接收，进行光电转化、模数转换；数据采集部件将转换后的数字信号通过网线传输给计算终端，之后再进行数字信号的加工处理进而转换成图像。

实施例2

一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像分析方法，采用实施例1所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，包括如下内容：

开始扫描时，打开滑动开关门6，再如图2中所示，X射线管3与探测接收器10沿皮带机传输方向一次排布，随着TBM传送带运动，激发X射线管3，探测接收器10接受到来自不同位置所对应的Compton散射光子数，X光背散射能进行大区域和单边扫描，由于没有了件后成像设备的限制，且便于移动扫描，体积小，作业空间小，这一点对于施工环境复杂的隧道和传输渣片的皮带机来说，是十分符合的，而且该设备具有实时性，可以在较短时间内把扫描结果反馈给TBM司机。

在TBM掘进过程中，因为地质条件具有一定的连续性，发生地质突变的可能性极小，所以在用X背散射扫描探头作业时，不需要对该掘进段持续扫描，对其中一段扫描或间隔扫描即可，由计算终端接收数据并进行处理，经过去噪和图像增强处理，得到该段距离内渣片的图像，再通过深度学习算法，如Faster R-CNN，自动识别获得渣片的大小、形状，以及渣片内部特征(主要是裂纹及走向)，并通过显示器显示成像结果，成像结果直接由技术人员或TBM司机查看，TBM司机则可根据成像出来的结果，对TBM掘进方案做出判断，实时调整TBM的推力、扭矩等主控参数，来匹配当前的地质环境，并根据岩渣形态判断滚刀工作状态，实现高效掘进。

TBM司机观察岩渣对TBM做出调整主要有以下几点：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。TBM司机会调整推力大小，使TBM来适应当前地质条件。

一种隧道掘进机渣片射线背散射实时扫描成像分析方法，采用所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，包括如下内容：

步骤一：装置安装：将一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置安装于TBM皮带机处；

步骤二：岩渣图像采集：开启滑动电动滑台，同时开启X光背散射扫描探头，扫描成像装置开始以固定速度与TBM皮带机相向运动，并开始扫描岩渣；运动至导轨结束位置完成一次岩渣扫描任务；X光背散射扫描探头将收集的射线信息传送至计算终端；

步骤三：图像处理：计算终端经过去噪和图像增强处理，得到该段距离内渣片的图像，再通过深度学习算法，如Faster R-CNN，自动识别岩渣形态并标定岩渣尺寸，TBM司机根据所得到的图像以及标定信息对掌子面前方岩体情况做出判断，并以此来调整TBM的主控参数(推力、扭矩等)，提高TBM的掘进效率。

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渣片射线背散射实时扫描成像装置，其特征在于，包括：

能够横跨TBM传送带且设于TBM传送带两侧的支架；

X光背散射扫描探头，设于外壳内，外壳通过支架进行支撑，且外壳能够设于TBM传送带的上方，X光背散射扫描探头对TBM传送带传送的渣片进行探测并接收数据信息，支架可沿着导轨移动，从而带动X光背散射扫描探头的移动；

计算终端，X光背散射扫描探头与计算终端连接，计算终端根据X光背散射扫描探头接收的数据信息，获得渣片的大小、形状，以及渣片内部特征；

开启X光背散射扫描探头，对一段距离的渣片进行扫描；X光背散射扫描探头将收集的射线信息传送至计算终端；计算终端经过数据处理，得到该段距离内渣片的图像，TBM司机根据所得到的图像获得对掌子面前方岩体情况，进而对TBM做出调整。

2.根据权利要求1所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，其特征在于，所述支架为门型支架，支架包括能够设于所述TBM传送带两侧的支杆；

支架的两侧底部与电动滑台连接，支架两侧的底部均设置导轨卡槽，导轨卡槽与电动滑台的滑块连接，两侧的电动滑台均与所述的计算终端连接。

3.根据权利要求1所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，其特征在于，所述支架在所述外壳的下方一侧设置固定块，固定块与滑动开关门通过直线驱动机构连接。

4.根据权利要求3所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，其特征在于，所述滑动开关门朝向所述TBM传送带的一侧设置有用于检测TBM传送带或渣片与滑动开关门距离的距离传感器。

5.根据权利要求1所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，其特征在于，所述X光背散射扫描探头包括X射线管、光束准直器以及探测接收器，光束准直器通过防辐射外壳支撑设于X射线管的下方，探测接收器设于X射线管的一侧。

6.根据权利要求5所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，其特征在于，所述光束准直器倾斜朝上安装，X射线管和探测接收器均水平安装。

7.根据权利要求1所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，其特征在于，所述导轨通过用于支撑所述TBM传送带支撑钢架进行设置。

8.根据权利要求1所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，其特征在于，所述外壳为罩型。

9.根据权利要求1所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，其特征在于，所述外壳为防辐射外壳。

10.一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像分析方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置，包括如下内容：

将一种TBM渣片射线背散射实时扫描成像装置固定于TBM传送带处；

开启X光背散射扫描探头，对一段距离的渣片进行扫描；

X光背散射扫描探头将收集的射线信息传送至计算终端；

计算终端经过数据处理，得到该段距离内渣片的图像，TBM司机根据所得到的图像获得对掌子面前方岩体情况，进而对TBM做出调整。

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