CN112666197B

CN112666197B - 一种用于tbm的岩渣石英含量测试系统及方法

Info

Publication number: CN112666197B
Application number: CN202011365930.9A
Authority: CN
Inventors: 刘斌; 杨磊; 李彪; 刘桐源; 王瑞睿; 许孝滨
Original assignee: Shandong University; Shandong High Speed Group Co Ltd
Current assignee: Shandong University; Shandong High Speed Group Co Ltd
Priority date: 2020-11-29
Filing date: 2020-11-29
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2040-11-29
Also published as: CN112666197A

Abstract

本公开提供了一种用于TBM的岩渣石英含量测试系统及方法，所述系统包括设置在靠近TBM传送带位置的基座和控制终端，基座上至少固定有分别与控制终端通信的岩屑样品拾取机构和X射线荧光光谱分析机构；岩屑样品拾取机构用于从TBM传送带拾取岩渣样品并传送给X射线荧光光谱分析机构，控制终端根据接收到的荧光光谱信息进行岩渣石英含量测定；本公开能够实时获得TBM掘进中岩渣的石英或其他矿物含量，从而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，可根据实时的测试结果优化施工方案，为保障隧道施工安全提供借鉴。

Description

一种用于TBM的岩渣石英含量测试系统及方法

技术领域

本公开涉及隧道掘进机技术领域，特别涉及一种用于TBM的岩渣石英含量测试系统及方法。

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，并不必然构成现有技术。

隧道TBM(Tunnel Boring Machine，全断面硬岩隧道掘进机)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，经国内外大量学者研究发现，石英含量高的隧道围岩对TBM刀盘会造成更严重的磨损，石英含量是影响岩石耐磨性和进而导致TBM刀盘磨损的重要因素。因此，通过了解隧道开挖围岩中的石英含量，对预测刀盘磨损，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。

岩渣作为围岩的碎片，包含了大量地质信息，目前，可通过TBM搭载式岩石石英含量测定系统对围岩石英含量进行测试，其搭载于敞开式TBM的撑靴侧部，通过冲击钻机钻取岩石粉末，收集后进行X射线衍射法测试石英含量。也可以通过测量多组隧洞岩石实测的石英含量和硬度、耐磨性参数，并进行多元线性回归分析或粗糙集一理想点非线性分析方法建立基于上述参数的综合评价模型，建立综合评价模型，进而近似获得TBM施工隧洞岩石的石英含量。

就目前的技术水平来看，TBM掘进围岩石英含量测试存在着以下几个问题：

(1)通过TBM搭载式岩石石英含量测定系统测量TBM侧面围岩的石英含量，测量位置较为固定，不具有代表性；

(2)硬度和耐磨性等其他指标来建立比对数据库，但岩石硬度和耐磨性还受其他因素影响，因此其综合评价模型较为粗糙，获得结果精度有限；

(3)X射线衍射法测试时间较长，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获取；基于评价模型预测方法误差较大，难以满足TBM掘进对岩体信息的获取准确的实际需求。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种用于TBM的岩渣石英含量测试系统及方法，能够实时获得TBM掘进中岩渣的石英或其他矿物含量，从而对钻进前方岩体质量做出较精确评估，能够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，可根据实时的测试结果优化施工方案，为保障隧道施工安全提供借鉴。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种用于TBM的岩渣石英含量测试系统。

一种用于TBM的岩渣石英含量测试系统，包括控制终端和设置在靠近TBM传送带位置的基座，基座上至少固定有分别与控制终端通信的岩屑样品拾取机构和X射线荧光光谱分析机构；

岩屑样品拾取机构用于从TBM传送带拾取岩渣样品并传送给X射线荧光光谱分析机构，控制终端根据接收到的荧光光谱信息进行岩渣石英含量测定。

作为可能的一些实现方式，基座上固定有支架，支架的一部分位于TBM传送带正上方，且支架上设有滑轨，岩屑样品拾取机构与滑轨连接，并能够沿滑轨移动。

作为可能的一些实现方式，岩屑样品拾取机构包括伸缩杆和岩屑拾取板，伸缩杆的一端与滑轨连接内且能沿滑轨滑动，伸缩杆的另一端与岩屑拾取板固定连接，岩屑拾取板朝向岩屑的一侧固定有复合全丙烯酸材料层。

作为进一步的限定，岩屑拾取板的一侧开有凹槽，复合全丙烯酸材料层固定在凹槽内，岩屑拾取板的凹槽两侧分别通过旋转铰链固定有烘干喷嘴和冲洗喷嘴。

作为进一步的限定，岩屑样品拾取机构通过集料斗将岩屑传送到X射线荧光光谱分析机构，X射线荧光光谱分析机构包括伸缩球头以及与伸缩球头固定的壳体；

壳体内设有X射线灯管、准直器、检测器和TOF景深摄像头，TOF景深摄像头固定在X射线灯管的一侧，X射线灯管发射的原始X射线经准直器后得到准直X射线到达岩屑表面，荧光X射线经岩屑表面到达检测器，检测器与控制终端通信。

作为进一步的限定，壳体的底部为滤水网，滤水网的底部为集水箱，集水箱固定在基座上，岩屑位于滤水网上，壳体的侧壁上设有废料推杆，壳体的侧壁上与废料推杆相对的位置开有废料口，废料口与废料传送带相对设置，且废料传送带的末端与TBM传送带相对设置。

本公开第二方面提供了一种用于TBM的岩渣石英含量测试方法。

一种用于TBM的岩渣石英含量测试方法，利用本公开第一方面所述的用于TBM的岩渣石英含量测试系统，包括以下步骤：

通过岩屑样品拾取机构从TBM传送带拾取岩屑样品，移至X射线荧光光谱分析机构并进行清洗和烘干；

通过X射线荧光光谱分析机构获得对岩屑表面X射线荧光光谱，根据X射线荧光光谱数据库比对确定矿物成分含量，并计算石英含量指数；

当一次测试完成后，将废料传送回TBM传送带，预设时间后或者接着进行重复取样测试。

作为可能的一些实现方式，石英含量指数为石英含量与粘土含量、碳酸岩含量、石英含量三者之和的比值。

作为可能的一些实现方式，伸缩杆拉伸至TBM传送带上方触碰至岩屑后收缩，岩屑被复合全丙烯酸材料层粘取至岩屑拾取板上，并通过滑轨移至集料斗上方；

再次拉伸伸缩杆，并通过旋转铰链调整冲洗喷头角度向复合全丙烯酸材料层喷液体，使岩石落入集料斗；

再次通过旋转铰链调整冲洗喷头角度向集料斗喷水清洁岩屑，废水由滤水网流至集水器，并通过基座排出；

岩屑清洗后，通过旋转铰链调整烘干喷嘴角度向集料斗，烘干岩屑，再次通过旋转铰链调整烘干喷嘴角度向复合全丙烯酸材料层，烘干复合全丙烯酸材料层；

烘干完毕后，收回伸缩杆，并通过滑轨移回TBM传送带上方，等待下次拾取样品。

作为可能的一些实现方式，通过X射线荧光光谱分析机构对岩屑样品进行石英含量测试，通过TOF景深摄像头定位样品位置，移动和旋转伸缩球头带动X射线荧光光谱分析机构客体至岩屑样品表面；

根据TOF景深摄像头读取岩屑相对距离，通过光斑孔径管理模块调节X射线光源发出光斑大小，并发出原始射线经准直器得到准直光线，照射至岩屑样品后反射荧光X射线，经检测器接收后传输荧光光谱信息至控制终端。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的用于TBM的岩渣石英含量测试系统及方法，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，充分满足了现场测试的各项指标的要求，易于现场应用。

2、本公开所述的用于TBM的岩渣石英含量测试系统及方法，时效性强，可随时对岩渣进行石英含量测试，进而给TBM决策提供建议，为TBM决策智能化提供可靠信息。

3、本公开所述的用于TBM的岩渣石英含量测试系统及方法，干净环保，不需将岩屑粉碎，减小隧道内粉尘污染，包含自清洁系统，无需对本装置进行清理。

4、本公开所述的用于TBM的岩渣石英含量测试系统及方法，操作简单，进行实验时，所有数据输出至控制终端，实现自动采集功能。

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为本公开实施例1提供的用于TBM的岩渣石英含量测试系统的结构示意图。

图2为本公开实施例1提供的岩屑样品拾取机构的结构示意图。

图3为本公开实施例1提供的X射线荧光光谱分析机构的结构示意图。

图4为本公开实施例1提供的X射线灯管的内部结构示意图。

其中，1、支架；2、集料斗；3、X射线荧光光谱分析机构；4、废料推杆；5、滤水网；6、集水器；7、基座；8、废料传送带；9、废料口；10、TBM传送带；11、岩屑样品拾取机构；12、滑轨；13、烘干喷嘴；14、旋转铰链；15、旋转铰链；16、冲洗喷嘴；17、复合全丙烯酸材料层；18、岩屑拾取板；19、伸缩杆；20、伸缩球头；21、X射线灯管；22、壳体；23、原始X射线；24、准直X射线；25、岩屑样品；26、荧光X射线；27、检测器；28、准直器；29、TOF景深摄像头；30、控制终端；31、光斑孔径管理模块；32、X射线源。

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。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1、图2、图3和图4所示，本公开实施例1提供了一种用于TBM的岩渣石英含量测试系统，包括设置在靠近TBM传送带位置的基座7和控制终端30，基座7上至少固定有分别与控制终端30通信的岩屑样品拾取机构11和X射线荧光光谱分析机构3；

岩屑样品拾取机构11分别实现对岩屑样品的拾取、清洁、烘干和转移，用于从TBM传送带10拾取岩渣样品并传送给X射线荧光光谱分析机构3，控制终端30根据接收到的荧光光谱信息进行岩渣石英含量测定，并对所测岩屑石英含量测试结果进行分析并传输至TBM分析决策系统，为后续TBM掘进智能决策提供依据。

本实施例中，还包括废料自清洗机构，岩屑样品拾取机构、X射线荧光光谱分析机构和废料自清洁机构在基座上自上而下设置。

本实施例中，基座上固定有支架1，支架1的一部分位于TBM传送带10正上方，且支架上设有滑轨，岩屑样品拾取机构与滑轨连接，并能够沿滑轨移动。

优选的，本实施例中，支架1包括竖杆和横杆，竖杆的一端与基座的上表面固定连接，竖杆的另一端与横杆的一端连接，横杆上设有滑轨12，且横杆设置在TBM传送带的正上方。

本实施例中，岩屑样品拾取机构包括伸缩杆19和岩屑拾取板18，伸缩杆19的一端与滑轨12连接且能沿滑轨滑动，伸缩杆19的另一端与岩屑拾取板18固定连接，岩屑拾取板18朝向岩屑的一侧固定有复合全丙烯酸材料层17。

本实施例中，复合全丙烯酸材料层可粘住岩屑样品，遇水后粘性性降低，样品脱落，干燥后粘性恢复。

岩屑拾取板18的一侧开有凹槽，复合全丙烯酸材料层固定在凹槽内，岩屑拾取板的凹槽两侧分别通过旋转铰链14、15固定有烘干喷嘴13和冲洗喷嘴16。

岩屑样品拾取机构通过集料斗2将岩屑传送到X射线荧光光谱分析机构，X射线荧光光谱分析机构包括伸缩球头20以及与伸缩球头固定的壳体22，伸缩球头20可自由调节长度及方向。

壳体22内设有X射线灯管21、准直器28、检测器27和TOF景深摄像头29，TOF景深摄像头29固定在X射线灯管21的一侧，X射线灯管21发射的原始X射线经准直器28后得到准直X射线到达岩屑样品25表面，荧光X射线经岩屑样品25表面到达检测器27，检测器27与控制终端30通信，X射线灯管根据TOF景深镜头测距利用光斑孔径管理模块31调节X射线源32发出的X射线光斑大小。

本实施例所述的滑轨12能够使岩屑样品拾取机构在TBM传送带和X射线荧光光谱分析平台进料口间移动。

壳体的底部为滤水网5，滤水网5的底部为集水箱6，集水箱6固定在基座7上，基座7设有用于将集水箱内的水排出的排水系统；

岩屑样品25位于滤水网5上，壳体22的侧壁上设有废料推杆4，壳体22的侧壁上与废料推杆4相对的位置开有废料口9，废料口9与废料传送带8相对设置，且废料传送带8的末端与TBM传送带10相对设置。

废料推杆、废料口和废料传送带构成废料自清洗机构，通过废料推杆、废料口、废料传送带和TBM传送带的配合，完成自清洁程序，进行下一次测试，达到岩屑石英含量实时监测的效果。

本实施例中，伸缩杆的拉伸、伸缩杆在滑轨上的移动、旋转铰链的动作、废料推杆的动作、伸缩球头的收缩与旋转均通过控制终端和相应的电机来实现，如步进电机和直线电机等等，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。

TOF景深摄像头与控制终端通信连接，光斑孔径管理模块和X射线源均根据控制终端的指令动作，废料传送带的启停以及烘干喷嘴和冲洗喷嘴启停可以通过控制终端直接进行指令控制。

本实施例中，控制终端还通过无线传输模块与上位机或者外置终端通信。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种用于TBM的岩渣石英含量测试方法，利用本公开实施例1所述的用于TBM的岩渣石英含量测试系统，包括以下步骤：

通过X射线荧光光谱分析机构获得对岩屑表面X射线荧光光谱，根据X射线荧光光谱数据库比对确定矿物成分含量，并计算石英含量指数K；

当一次测试完成后，将废料传送回TBM传送带，预设时间后进行重复取样测试。

更具体的，包括以下步骤：

通过岩屑样品拾取机构11从TBM传送带10上拾取样品，伸缩杆19拉伸至TBM传送带10上方触碰至岩屑后收缩，岩屑会被复合全丙烯酸材料层17粘取至岩屑拾取板18上，并通过滑轨12移至集料斗2上方；

再次拉伸伸缩杆19，并通过旋转铰链15调整冲洗喷嘴16角度向复合全丙烯酸材料层17喷水，降低复合全丙烯酸材料层17的粘性，使岩屑落入集料斗2；

再次通过旋转铰链15调整水喷嘴16角度向集料斗2喷水清洁岩屑，废水由滤水网5流至集水器6，并通过基座(含排水系统)7排出；

岩屑清洗后，通过旋转铰链14调整烘干喷嘴13角度朝向集料斗2，烘干岩屑，接着再次通过旋转铰链14调整烘干喷嘴13角度朝向复合全丙烯酸材料层17，烘干复合全丙烯酸材料层17，以便下次拾取岩屑样品，收回伸缩杆19，并通过滑轨12移回TBM传送带10上方，等待下次拾取样品。

X射线荧光光谱分析机构的工作方法如下：

通过X射线荧光光谱分析机构3对岩屑样品25进行石英含量测试，通过TOF景深摄像头29定位岩屑样品25位置，移动和旋转伸缩球头20带动壳体22至岩屑样品25表面；

根据TOF景深摄像头29读取岩屑相对距离，通过光斑孔径管理系统31调节X射线光源32发出光斑大小，并发出原始射线23经准直器28得到准直光线24，照射至岩屑样品25后反射荧光X射线26；

经检测器27接收后传输荧光光谱信息至控制终端30，根据X射线荧光光谱数据库比对确定矿物成分含量，并计算其石英含量指数K，计算公式为：

式中：C_quart为石英含量，％；C_clay为粘土含量，％；C_carbonatite为碳酸岩含量，％。

测试结束后，废料推杆4将岩屑样品25经废料口9和废料传送带8传送至TBM传送带10，完成自清洁步骤，开展下次测试。

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。

Claims

1.一种用于TBM的岩渣石英含量测试系统，其特征在于：包括控制终端和设置在靠近TBM传送带位置的基座，基座上至少固定有分别与控制终端通信的岩屑样品拾取机构和X射线荧光光谱分析机构；

岩屑样品拾取机构用于从TBM传送带拾取岩渣样品并传送给X射线荧光光谱分析机构，控制终端根据接收到的荧光光谱信息进行岩渣石英含量测定；

岩屑样品拾取机构通过集料斗将岩屑传送到X射线荧光光谱分析机构，X射线荧光光谱分析机构包括伸缩球头以及与伸缩球头固定的壳体；

2.如权利要求1所述的用于TBM的岩渣石英含量测试系统，其特征在于：

基座上固定有支架，支架的一部分位于TBM传送带正上方，且支架上设有滑轨，岩屑样品拾取机构与滑轨连接，并能够沿滑轨移动。

3.如权利要求1所述的用于TBM的岩渣石英含量测试系统，其特征在于：

岩屑样品拾取机构包括伸缩杆和岩屑拾取板，伸缩杆的一端与滑轨连接内且能沿滑轨滑动，伸缩杆的另一端与岩屑拾取板固定连接，岩屑拾取板朝向岩屑的一侧固定有复合全丙烯酸材料层。

4.如权利要求3所述的用于TBM的岩渣石英含量测试系统，其特征在于：

岩屑拾取板的一侧开有凹槽，复合全丙烯酸材料层固定在凹槽内，岩屑拾取板的凹槽两侧分别通过旋转铰链固定有烘干喷嘴和冲洗喷嘴。

5.如权利要求1所述的用于TBM的岩渣石英含量测试系统，其特征在于：

壳体的底部为滤水网，滤水网的底部为集水箱，集水箱固定在基座上，岩屑位于滤水网上，壳体的侧壁上设有废料推杆，壳体的侧壁上与废料推杆相对的位置开有废料口，废料口与废料传送带相对设置，且废料传送带的末端与TBM传送带相对设置。

6.一种用于TBM的岩渣石英含量测试方法，其特征在于：利用权利要求1-5任一项所述的用于TBM的岩渣石英含量测试系统，包括以下步骤：

通过岩屑样品拾取机构从TBM传送带拾取掘进过程中的岩屑样品，移至X射线荧光光谱分析机构并进行清洗和烘干；

7.如权利要求6所述的用于TBM的岩渣石英含量测试方法，其特征在于：

石英含量指数为石英含量与粘土含量、碳酸岩含量、石英含量三者之和的比值。

8.如权利要求6所述的用于TBM的岩渣石英含量测试方法，其特征在于：

伸缩杆拉伸至TBM传送带上方触碰至岩屑后收缩，岩屑被复合全丙烯酸材料层粘取至岩屑拾取板上，并通过滑轨移至集料斗上方；

9.如权利要求6所述的用于TBM的岩渣石英含量测试方法，其特征在于，

通过X射线荧光光谱分析机构对岩屑样品进行石英含量测试，通过TOF景深摄像头定位样品位置，移动和旋转伸缩球头带动X射线荧光光谱分析机构客体至岩屑样品表面；

根据TOF景深摄像头读取岩屑相对距离，通过光斑孔径管理模块调节X射线光源发出光斑大小，并发出原始射线经准直器得到准直光线，照射至岩屑样品后反射荧光X射线，经检测器接收后传输荧光光谱至控制终端。