CN112414338A - 一种tbm搭载的护盾围岩变形监测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于护盾围岩变形监测领域，提供了TBM搭载的护盾围岩变形监测系统与方法。其中TBM搭载的护盾围岩变形监测系统包括超声波发射接收装置，其用于在TBM掘进过程中，向围岩发射超声波并接收围岩处反射的超声波，将带有发射时间、接收时间及位置信息的超声波信息发送至数据处理装置；数据处理装置，其用于基于超声波信息计算相应位置某一时刻护盾与围岩之间的距离，对不同位置发送的超声波信息进行分类汇总；显示预警装置，其用于显示同一位置不同时刻或同一时刻不同位置的护盾与围岩之间的距离，根据距离大小和变化，为TBM卡机做预警判断。在不影响TBM的施工的前提下，可以随时随地获得护盾与围岩之间的距离，预测TBM护盾卡机风险，保障隧道安全。

Description

一种TBM搭载的护盾围岩变形监测系统与方法

技术领域

本发明属于护盾围岩变形监测领域，尤其涉及一种TBM搭载的护盾围岩变形监测系统与方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

山岭隧道由于其埋深较大、距离较长的特点，导致其地质情况复杂多变，TBM在掘进过程中会遇到各种各样的地质情况。当TBM穿过不良地质(围岩破碎、软弱围岩等)时，由于TBM的扰动，周围围岩极易发生挤压变形破坏，对TBM护盾造成一定影响，轻则需要加大动力通过，重则造成TBM卡机，严重影响施工进度，造成经济上不必要的损失。发明人发现，由于TBM施工的封闭性，无法对TBM周围围岩进行动态的监测，往往TBM完全被卡时才能知道卡机的发生，从而降低TBM的施工效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种TBM搭载的护盾围岩变形监测系统与方法，其能够在不影响TBM的施工的前提下，可以随时随地获得护盾与围岩之间的距离，预测TBM护盾卡机的风险，保障隧道安全、高效地施工。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种TBM搭载的护盾围岩变形监测系统，其包括：

超声波发射接收装置，其用于在TBM掘进过程中，向围岩发射超声波并接收围岩处反射的超声波，将带有发射时间、接收时间及位置信息的超声波信息发送至数据处理装置；

数据处理装置，其用于基于超声波信息计算相应位置某一时刻护盾与围岩之间的距离，对不同位置发送的超声波信息进行分类汇总；

显示预警装置，其用于显示同一位置不同时刻或同一时刻不同位置的护盾与围岩之间的距离，根据距离大小和变化，为TBM卡机做预警判断。

本发明的第二个方面提供一种TBM搭载的护盾围岩变形监测系统的监测方法，包括：

TBM在掘进过程中，超声波发射接收装置向围岩进行超声波的发射和接收，然后将声波信号传递给数据处理装置，数据处理装置对信息进行处理计算，得到某一时刻某一位置处护盾与围岩间的距离，将距离信息发送到显示预警装置，显示预警装置将多个信息进行汇总整合，预测可能产生TBM卡机的编号，发出预警信号。

本发明的有益效果是：

本发明创造性地提出了通过应用超声波来观测护盾与围岩之间距离的方法来对TBM卡机进行预测，本发明将超声波发射接收装置获得的数据传递给数据处理装置，数据处理装置将数字信号进行处理获得距离信息传递给显示预警装置，显示预警装置通过对同一时刻不同点或同一点不同时刻的直观显示，同时对容易发生卡机的位置进行预警，将预警信号传递给监测控制装置。本发明在不影响TBM的施工的前提下，可以随时随地获得护盾与围岩之间的距离，预测TBM护盾卡机的风险，保障隧道安全、高效地施工。

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是本发明实施例的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统结构示意图；

图2是本发明实施例的超声波发射接收装置布设图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

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。

在本发明中，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发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，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发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

参照图1，本实施例的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统，至少包括超声波发射接收装置、数据处理装置和显示预警装置。

如图2所示，超声波发射接收装置由圆形薄片和连接线组成。圆形薄片上有超声波发射模块、超声波接收模块以及时间模块，由此可以获得超声波发射和接收时的时间，从而可以得到二者的差值。圆形薄片均匀地贴在TBM护盾的周围，对每一个薄片进行编号，编号的顺序不进行限制，可以横向编号(同一个桩号先编号，然后下一个桩号位置)或者纵向编号(不同桩号位置先编号，然后下一列位置)。圆形薄片同一桩号位置处用一根连接线连接，不同桩号位置处薄片用一根连接线连接端部位置。

在进行实地测量之前，可以先检查薄片好坏，根据薄片的编号进行检查。由于隧道(引水隧洞)开挖半径的大小不一，可以选择在护盾的同一圆周处选择安装5个或7个圆形薄片，开挖半径较大时，选择多安装2个薄片；在安装薄片时，选择每1米在护盾的四周安装1组圆形薄片。由于隧道(引水隧洞)的扩挖半径ΔR一般小于20cm，所以超声波在护盾和隧洞壁之间的传播时间很短(忽略不计)，选择同一薄片进行超声波的发射和接收，可以考虑不影响测量的精度。

为了提高数据处理的精确性，所述超声波发射接收装置与数据处理装置之间还串接有滤波装置。

其中，滤波装置含有去噪模块和转化模块，将超声波发射和接收装置获得的声波信号进行去噪处理，并将去噪后的声波信号转化为数据处理装置可以处理的数字信号，将转化后数字信号传递给数据处理装置。所述去噪模块主要进行噪声的去除，在TBM施工中，容易产生较大的噪声干扰，主要为TBM切割岩石产生的噪声，噪声在传播过程中为平行于隧道传播(假设为横波)，而超声波发射接收装置发射的超声波垂直于隧道(假设为纵波)，去噪模块的主要目的是清除横波，避免TBM掘进产生的噪声对仪器精度的影响。所述转化模块将去噪后的声波信号转化为数字信号，以便于接下来数据处理装置的处理。

在本实施例中，数据处理装置有数学计算模块和分类模块，将滤波装置得到的数字信号(时间信息和位置信息)进行计算处理，计算出某一点处某一时刻护盾与隧道围岩之间的距离，同时对不同的桩号以及编号的薄片进行汇总处理，然后将汇总处理好的距离信息传递给显示预警装置。数学计算模块主要进行智能计算，将获得的时间信息进行差值处理，然后调用超声波传播速度与时间差相乘并乘二分之一，获得这一点处护盾与围岩间的距离。分类模块进行智能分类处理，为显示预警装置做基础，数据主要分为两类，一类是不同薄片编号同一时刻的距离信息，一类是相同薄片编号不同时间的距离信息。

在本实施例中，显示预警装置包括液晶显示屏和预警模块，位于TBM主控室。液晶显示屏将数据处理装置获得的距离信息经过图像化处理后显示在液晶显示屏上，有两种平面坐标显示方法：

(1)同一时刻不同薄片编号的距离信息：横坐标为编号、纵坐标为距离。这样可以获得在同一时刻，随着薄片编号的变化，护盾与围岩间距离的变化。通过距离变化可以预测出在什么位置更容易发生TBM卡机。

(2)同一编号处不同时刻的距离信息：横坐标为时间、纵坐标为距离。

这样可以获得随着时间的推移，同一位置处护盾与围岩间距离的变化，如果距离在不断减小，甚至有加速的趋势，则可能产生TBM卡机的风险比较大。预警模块根据液晶显示屏显示的距离变化，对TBM容易产生卡机的位置进行预警。

当某一位置处的护盾与围岩距离在不断减小且有加速趋势，则应当对这一位置发出预警信号；同样的，当某一位置处护盾与围岩距离为0时，也应该对其发出预警信号。

在本实施例中，显示预警装置还与监测控制装置相连。

显示预警装置发出预警信号时，将预警处的位置用红色加粗标出，便于阅读，同时将预警信号发送到监测控制装置。

监测控制装置可采用手机终端来实现，施工人员通过手机终端接收到由显示预警装置处理好的图像，以便于施工人员对隧道内部围岩变形的准确实时把握，对于发生预警信号的地方，及时采取相应的处理解决措施，使TBM可以安全、高效地通过危险区域，保障施工安全。除此之外，施工人员可以通过监测和控制装置设置超声波发射的频率，比如：在穿过软弱岩层和比较破碎的岩体时，可以增加超声波发射的频率；同样的，穿过的围岩整体较好的硬岩时，可以缩短超声波发射的频率。

本实施例的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统通过隧道内电源统一供电。上述超声波发射接收装置的薄片通过串联连接，单独发挥作用，检修时根据薄片编号进行检修。当隧道穿越断层破碎带时，由于断层是空洞，所以超声波发射后不能发生接收，由此产生的距离很大，此数据后期应该删除。

本实施例的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统的监测方法，包括：

根据前方地层地质情况，设置超声波发射接收装置的发射周期；

布置超声波发射接收装置，根据实际隧道的开挖直径，选择在TBM同一圆周处布置圆形薄片，每间隔预设距离布置一组圆形薄片，通过连接线连接，对每一个薄片进行编号，将所有薄片通过连接线依次与滤波装置、数据处理装置和显示预警装置连接；

接通电源，对每个圆形薄片进行检测，保证TBM在施工过程中，每个圆形薄片都正常使用；

TBM在掘进过程中，超声波发射接收装置向围岩进行超声波的发射和接收，然后将声波信号传递给数据处理装置，数据处理装置对信息进行处理计算，得到某一时刻某一位置处护盾与围岩间的距离，将距离信息发送到显示预警装置，显示预警装置将多个信息进行汇总整合，预测可能产生TBM卡机的编号，发出预警信号。

其中，显示预警装置将多个信息进行汇总整合得到两种图像：(1)同一时刻不同编号的距离变化(2)不同时刻同一编号的距离变化，对于每种距离的大小或变化，预测可能产生TBM卡机的编号，发出预警信号，进行红色加粗标红，将图像和预警信号发送到监测控制装置，甲方、监理单位和施工人员都可以实时对其进行检测，根据预警信号提出相应的处理措施。

本实施例通过应用超声波来观测护盾与围岩之间距离的方法来对TBM卡机进行预测，本发明将超声波发射接收装置获得的数据传递给数据处理装置，数据处理装置将数字信号进行处理获得距离信息传递给显示预警装置，显示预警装置通过对同一时刻不同点或同一点不同时刻的直观显示，同时对容易发生卡机的位置进行预警，将预警信号传递给监测控制装置。本发明在不影响TBM的施工的前提下，可以随时随地获得护盾与围岩之间的距离，预测TBM护盾卡机的风险，保障隧道安全、高效地施工。

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 (9)

1.一种TBM搭载的护盾围岩变形监测系统，其特征在于，包括：

超声波发射接收装置，其用于在TBM掘进过程中，向围岩发射超声波并接收围岩处反射的超声波，将带有发射时间、接收时间及位置信息的超声波信息发送至数据处理装置；

数据处理装置，其用于基于超声波信息计算相应位置某一时刻护盾与围岩之间的距离，对不同位置发送的超声波信息进行分类汇总；

显示预警装置，其用于显示同一位置不同时刻或同一时刻不同位置的护盾与围岩之间的距离，根据距离大小和变化，为TBM卡机做预警判断。

2.如权利要求1所述的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统，其特征在于，所述超声波发射接收装置为圆形薄片，同一位置处圆形薄片之间通过连接线串联连接，不同位置处的圆形薄片通过端头的薄片串联连接。

3.如权利要求2所述的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统，其特征在于，每一个圆形薄片设置有一个对应编号。

4.如权利要求1所述的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统，其特征在于，超声波发射接收装置包括超声波发射模块、超声波接收模块、时间模块及定位模块，超声波发射模块用于向围岩发射超声波，超声波接收模块用于接收反射超声波，时间模块用于记录超声波发射及接收的时间，定位模块用于定位超声波发射接收装置的位置信息。

5.如权利要求1所述的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统，其特征在于，所述超声波发射接收装置与数据处理装置之间还串接有滤波装置。

6.如权利要求5所述的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统，其特征在于，所述滤波装置包括去噪模块和转化模块，去噪模块用于消除横波，转化模块用于将消除横波的超声波信息转换为数字信号。

7.如权利要求1所述的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统，其特征在于，所述显示预警装置还与监测控制装置相连。

8.如权利要求1所述的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统，其特征在于，在所述显示预警装置中，当某一位置处的护盾与围岩距离在不断减小且有加速趋势，则对这一位置发出预警信号；当某一位置处护盾与围岩距离为0时，对其发出预警信号。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的TBM搭载的护盾围岩变形监测系统的监测方法，其特征在于，包括：

TBM在掘进过程中，超声波发射接收装置向围岩进行超声波的发射和接收，然后将声波信号传递给数据处理装置，数据处理装置对信息进行处理计算，得到某一时刻某一位置处护盾与围岩间的距离，将距离信息发送到显示预警装置，显示预警装置将多个信息进行汇总整合，预测可能产生TBM卡机的编号，发出预警信号。

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