CN112902918B - 一种隧道衬砌检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道衬砌检测装置，所述隧道衬砌检测装置包括基础平台(10)、隧道边墙检测机构(20)、隧道拱腰检测机构(30)和隧道拱顶检测机构(40)，隧道边墙检测机构(20)用于检测隧道边墙；隧道拱腰检测机构(30)用于检测隧道拱腰；隧道拱顶检测机构(40)用于检测隧道拱顶。该隧道衬砌检测装置中的隧道边墙检测机构、隧道拱腰检测机构和隧道拱顶检测机构均能够伸缩和转动，可以与不同的测线全断面覆盖，具有控制便捷轻巧、装载运转便利、视野无死角等优点，较同类产品检测效率提升几倍以上。

Description

一种隧道衬砌检测装置

技术领域

本发明涉及隧道检测技术领域，具体的是一种隧道衬砌检测装置。

背景技术

铁路运营隧道衬砌检测是保证行车安全的重要预防措施之一，目前，国内隧道衬砌无损检测的主流技术是利用地质雷达的方式进行检测。地质雷达检测主要有人工、车载等检测方式。人工作业方式人力耗费巨大，操作方式简陋，我国已研制出针对普速铁路的隧道状态检查车。与传统的检测手段相比，在检测自动化上有了显著改观，利用五条机械臂承载地质雷达伸展到目标位置后，随车辆运行进行探测，实现了对现有线路和新建线路的隧道衬砌状态检测。但普速隧道断面狭小，人工作业缺陷明显，同时车载化作业不宜用大型装备，干涉且制约便捷性导致效率没有本质提升。

发明内容

为了解决现有隧道状态检查车适用范围小的问题，本发明提供了一种隧道衬砌检测装置，该隧道衬砌检测装置中的隧道边墙检测机构、隧道拱腰检测机构和隧道拱顶检测机构均能够伸缩和转动，可以与不同的测线全断面覆盖，具有控制便捷轻巧、装载运转便利、视野无死角等优点，较同类产品检测效率提升几倍以上。不但适用于高速铁路隧道，也适用于普速铁路隧道。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种隧道衬砌检测装置，包括：

隧道边墙检测机构，含有依次设置的第一地质雷达天线、伸缩臂、摆动杆和基础支架，伸缩臂能够伸缩和转动，隧道边墙检测机用于检测隧道边墙；

隧道拱腰检测机构，含有依次设置的第二地质雷达天线、伸缩套筒和底座，伸缩套筒能够伸缩和转动，隧道拱腰检测机构用于检测隧道拱腰；

隧道拱顶检测机构，含有依次设置的第三地质雷达天线、机械伸缩臂和连接座，机械伸缩臂能够伸缩和转动，隧道拱顶检测机构用于检测隧道拱顶；

基础平台，含有固定平台和升降平台，升降平台能够升降，基础支架与固定平台可拆卸连接，底座和连接座均与升降平台可拆卸连接。

本发明的有益效果是：

1、结构自由度满足检测调整需求。

2、稳定性强、自动化程度高、安全保护性强。

3、检测区域完善，全断面覆盖。

4、机械结构新颖，逻辑决策创造，控制方案实用。

5、不但适用于高速铁路隧道，也适用于普速铁路隧道。

附图说明

构成本申请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是本发明所述隧道衬砌检测装置的示意图。

图2是隧道边墙检测机构在张开状态时的示意图。

图3是隧道边墙检测机构在折叠状态时的示意图。

图4是隧道拱腰检测机构的示意图。

图5是隧道拱顶检测机构的示意图。

图6是隧道拱顶检测机构的示意图。

图7是本发明所述隧道衬砌检测装置在单线隧道检测作业时的示意图。

图8是本发明所述隧道衬砌检测装置在双线隧道检测作业时的示意图。

图9是安全预警机构的工作流程图。

图10是本发明所述隧道衬砌检测装置的检测工作的逻辑图。

10、基础平台；20、隧道边墙检测机构；30、隧道拱腰检测机构；40、隧道拱顶检测机构；50、安全预警机构；60、装载车；

11、固定平台；12、升降平台；

21、第一地质雷达天线；22、伸缩臂；23、第一电机；24、第二电机；25、第三电机；26、摆动杆；27、辅助连杆；28、基础支架；29、摆动连接座；210、固定座；211、连接轴；

31、第二地质雷达天线；32、上油缸；33、摆动云台；34、下油缸；35、伸缩套筒；36、底座；37、底轴；

41、第三地质雷达天线；42、电动推杆；43、机械伸缩臂；44、伺服液压缸；45、连接座；46、连接杆；47、转轴；48、伸缩杆；49、上调节云台；

51、第一软接触杆；52、第二软接触杆；53、第三软接触杆。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种隧道衬砌检测装置，所述隧道衬砌检测装置包括：基础平台10、隧道边墙检测机构20、隧道拱腰检测机构30和隧道拱顶检测机构40，隧道边墙检测机构20含有依次设置的第一地质雷达天线21、伸缩臂22、摆动杆26和基础支架28，伸缩臂22能够伸缩和转动，隧道边墙检测机构20用于检测隧道边墙；隧道拱腰检测机构30含有依次设置的第二地质雷达天线31、伸缩套筒35和底座36，伸缩套筒35能够伸缩和转动，隧道拱腰检测机构30用于检测隧道拱腰；隧道拱顶检测机构40含有依次设置的第三地质雷达天线41、机械伸缩臂43和连接座45，机械伸缩臂43能够伸缩和转动，隧道拱顶检测机构40用于检测隧道拱顶；基础平台10含有固定平台11和升降平台12，升降平台12能够升降，基础支架28与固定平台11可拆卸连接，底座36和连接座45均与升降平台12可拆卸连接，如图1至图8所述。

在本实施例中，升降平台12能够升降，固定平台11不能升降，基础平台10为最稳固的部件，优选基础平台10的长为2.4米、宽为2.2米，基础平台10的安全围栏高度1.2米，完全下降时，基础平台10的高度0.7米，升降平台12的额定行程1.1米，升降平台12的最大行程1.6米，基础平台10的安全载重2500kg。隧道边墙检测机构20、隧道拱腰检测机构30和隧道拱顶检测机构40与基础平台10可以整体接口移植。

升降平台12为隧道拱腰检测机构30和隧道拱顶检测机构40提供一个合适的初始高度，有效起到了基础高度提升作用。所述隧道衬砌检测装置安装于装载车60上，基础平台10通过地脚螺栓与装载车60的车地板等载体连接，为提高整体刚度，升降平台12的升降优选柱塞式油缸。装载车60可以为现有的轨道车、特种客车、铁路平板车等载体。装载车60可以带动所述隧道衬砌检测装置行进(即前后移动)，所述隧道衬砌检测装置和装载车60的行进方向均为垂直于图7纸面的方向。

隧道边墙检测机构20和隧道拱腰检测机构30的数量可以根据单线隧道检测或双线隧道检测而定。在单线隧道检测时，基础平台10上含有一个隧道拱顶检测机构40、左右对称设置的两个隧道边墙检测机构20和左右对称设置的两个隧道拱腰检测机构30，隧道拱顶检测机构40位于升降平台12的中部。在双线隧道检测时，基础平台10上含有一个隧道边墙检测机构20、一个隧道拱腰检测机构30和一个隧道拱顶检测机构40。

例如，在单线隧道检测时，左侧的隧道边墙检测机构20的基础支架28位于固定平台11的左侧，左侧的隧道边墙检测机构20用于检测隧道的左侧边墙，右侧的隧道边墙检测机构20的基础支架28位于固定平台11的右侧，右侧的隧道边墙检测机构20用于检测隧道的右侧边墙。左侧的隧道拱腰检测机构30的底座36位于升降平台12的左侧，左侧的隧道拱腰检测机构30用于检测隧道的右侧拱腰，右侧的隧道拱腰检测机构30的底座36位于升降平台12的右侧，右侧的隧道拱腰检测机构30用于检测隧道的左侧拱腰，如图7所示。

在本实施例中，伸缩臂22和摆动杆26通过摆动连接座29连接，摆动杆26与摆动连接座29通过连接轴211连接，伸缩臂22能够伸缩，伸缩臂22还能够绕连接轴211转动，摆动连接座29上设有第一电机23和第二电机24，第一电机23能够驱动伸缩臂22伸缩，第二电机24能够驱动伸缩臂22自转，即第二电机24能够驱动伸缩臂22以伸缩臂22的轴线为轴转动，如图2所示。第一地质雷达天线21通过固定座210与伸缩臂22的一端连接。

在本实施例中，摆动杆26和基础支架28通过第三电机25连接，第三电机25能够驱动摆动杆26绕第三电机25的电机轴转动，摆动连接座29与第三电机25之间连接有辅助连杆27，辅助连杆27与摆动杆26形成四连杆机构。伸缩臂22的伸缩方向和摆动杆26的长度方向均与该隧道衬砌检测装置的行进方向垂直，第三电机25的电机轴的轴线和连接轴211的轴线均与该隧道衬砌检测装置的行进方向平行，第三电机25能够使隧道边墙检测机构20处于折叠状态或张开状态。

伸缩臂22是以电控为驱动的轻质检测臂，隧道边墙检测机构20的材料优选复合型材。伸缩臂22含有两节，每节的长度为350mm或500mm，伸缩臂22的伸缩原理与现有电动推杆的基本相同，第一电机23驱动一级齿轮，带动二级齿轮转动，二级齿轮与伸缩臂22内的丝杠连接，从而实现伸缩功能。第一电机23能够驱动伸缩臂22伸缩，在检测时能够实现自动伸缩功能，起到了保护第一地质雷达天线21的作用且具有灵活性，且可用于检测过程中避障，使第一地质雷达天线21快速缩回至基础平台10的范围内，以保证第一地质雷达天线21的安全。

摆动杆26是重要的转动装置，第二电机24能够驱动伸缩臂22自转，即第二电机24驱动一级锥齿轮，带动二级锥齿轮，齿轮与摆动杆26上方轴点相连接，从而实现第一地质雷达天线21与伸缩臂22的整体转动，从而调整第一地质雷达天线21与伸缩臂22的整体角度，在检测过程中可以方便的应对工况中的不利位置。

摆动杆26的下端与第三电机25的电机轴连接，第三电机25壳体与基础支架28连接固定，第三电机25可以使摆动杆26完全回转“躺”入支架，从而由图2所示张开状态转变至图3所示的折叠状态，在折叠状态时，伸缩臂22与摆动杆26之间的夹角约为6°，从而使整个隧道边墙检测机构20回收入车辆限界范围内。辅助连杆27与摆动杆26形成四连杆结构，增强了运动副的稳定性和可靠性，也提高了装置的安全度。基础支架28设置有一临时人员检修工位，基础支架28与基础平台10相嵌和，固定在基础平台10。

在本实施例中，伸缩套筒35含有内外套设的内套筒和外套筒，第二地质雷达天线31与所述内套筒的一端通过摆动云台33连接，所述内套筒和外套筒之间连接有上油缸32，所述外套筒和基础平台10之间连接有下油缸34，伸缩套筒35的伸缩方向与该隧道衬砌检测装置的行进方向垂直。上油缸32的作用在于使伸缩套筒35伸缩，下油缸34的作用在于使伸缩套筒35摆动或转动，如图4所示。

在本实施例中，摆动云台33含有云台轴，第二地质雷达天线31能够绕云台轴转动，第二地质雷达天线31的四周设有四个距离传感器，所述外套筒与底座36通过底轴37连接，伸缩套筒35能够绕底轴37转动，下油缸34能够驱动伸缩套筒35绕底轴37转动，云台轴的轴线和底轴37的轴线均与该隧道衬砌检测装置的行进方向平行，伸缩套筒35的伸缩方向与该隧道衬砌检测装置的行进方向垂直。

伸缩套筒35的构造分为两级，优选伸缩套筒35的行程为1690mm，伸缩套筒35的摆动角度为70°，伸缩套筒35的收回长度为2133mm。作业时，行程传感器安装在上油缸32的内部，该行程传感器能够随时将行程信号传递给PLC系统(即下述控制系统)，精准控制行程。距离传感器(优选4个，均布)安装在第二地质雷达天线31的外框上，工作时，当第二地质雷达天线31伸出距隧道衬砌表面100mm以内时，该PLC系统下达限位信号指令。

在第二地质雷达天线31与伸缩套筒35的连接处加设自适应的摆动云台33，与隧道拱顶检测机构40的不同，隧道拱腰检测机构30为纯液控，利用测距传感器反馈微型油缸调整角度。此处特别解释的是，之所以隧道拱腰检测机构30加摆动云台33，原因在于其调整角度大，可覆盖测区广，有必要需求。整体构造稳定，可以使采集数据有效性较同类设计高一倍。

在本实施例中，第三地质雷达天线41依次通过连接上调节云台49、连接杆46和电动推杆42与机械伸缩臂43连接，连接杆46的下端插接于机械伸缩臂43的上端内，电动推杆42能够使连接杆46沿机械伸缩臂43的轴线方向移动。电动推杆42的作用在于使第三地质雷达天线41在小范围内精确调节距离，机械伸缩臂43可以在使第三地质雷达天线41在大范围内快速调节距离，如图5和图6所示。

在本实施例中，机械伸缩臂43的下端通过转轴47与连接座45连接，机械伸缩臂43能够绕转轴47转动，转轴47的轴线与该隧道衬砌检测装置的行进方向平行，机械伸缩臂43的左右两侧均设有伸缩杆48，伸缩杆48能够驱动机械伸缩臂43绕转轴47转动，第三地质雷达天线41上设有距离检测模块。机械伸缩臂43的伸缩依靠伺服液压缸44驱动。

两侧的伸缩杆48为了调整测线角度，伸缩杆48可以采用螺纹丝杠手动调整也可以采用液电驱动。因普速隧道断面小，可直接利用双或三级伺服液压联动模式联合电动推杆进行伸缩检测，有效行程可完全跨越普铁单双线隧道接触网架吊柱，电气控制系统与液压系统的有机组合，其稳定性、实用性、创新性兼具。

隧道拱顶检测机构40顶部搭载第三地质雷达天线41，第三地质雷达天线41的顶端设置监测单元与距离检测模块，其中距离检测模块可以将信号传入下述控制系统，可自动进行使第三地质雷达天线41与隧道衬砌表面的保持设定距离(如80mm-120mm)，如此可以使检测的数据有效、图像清晰稳定。

第三地质雷达天线41的底部连接可平面自动旋转调整角度的上调节云台49，所述距离检测模块优选为四个测距传感器分布在第三地质雷达天线41的四周，便于位置等值计算调整，可以调整第三地质雷达天线41在不同的测线时均可使其上检测表面与衬砌表面平行，保障了数据质量。电动推杆42为双联排或四联排大行程电动推杆，电动推杆42的行程优选为500mm，可使得第三地质雷达天线41的端升降速度在机械伸缩臂43升降速度条件下进一步增大。

在本实施例中，所述隧道衬砌检测装置还包括控制系统和安全预警机构50，安全预警机构50含有第一软接触杆51、第二软接触杆52和第三软接触杆53，第一软接触杆51与隧道边墙检测机构20前后一一对应，第二软接触杆52与隧道拱腰检测机构30前后一一对应，第三软接触杆53与隧道拱顶检测机构40前后一一对应，第一软接触杆51、第二软接触杆52和第三软接触杆53均通过触碰传感器与控制系统连接。当第一软接触杆51、第二软接触杆52或第三软接触杆53触碰到坚硬物体时能够触发触碰传感器，该触碰传感器可以向控制系统发出报警信号。“”

安全预警机构50是整个装置的“保镖”，其电气线路和相应的油路在平台和保护控制系统控制柜中，在主回路的基础上，增设一条保护线路，当检测机构在工作运行时，如遇到较大的接触网架、衬砌表面上的钢筋铁丝之类的障碍物时，能够及时停止检测机构工作并报警，提示工作人员前方有障碍物，检测车不能通过的信号，如图9所示。

第一软接触杆51、第二软接触杆52和第三软接触杆53均位于基础平台10前方8m-10m处，在各测线的区域，第一软接触杆51、第二软接触杆52或第三软接触杆53中的一个接触到障碍物后发生折弯瞬间触发报警，并使对应机隧道边墙检测机构20、隧道拱腰检测机构30或隧道拱顶检测机构40强制回收，并发出提示工作人员机械臂已收回的信号。

控制系统是整个装置的逻辑核心与执行大脑，包括控制电路、驱动器、上位机等模块，具有手动控制机械臂云台状态调整、摆动，并自动或手动控制机械臂伸缩的功能，同时接收监测单元及检测模块的信号，所有供电或信号线缆沿机械臂身线槽侧布设，可以随机械臂自由伸缩而不影响线束干涉。针对隧道拱顶检测机构40，有关伸缩速度分两档，距离自动调整过程，采取电动推杆平缓调整实现保持距离的功能，伸缩速度可为0.2m/s，而发现障碍物产生避障行为时采取电动推杆快速伸缩与伺服液压系统同步控制机械臂快速伸缩并进，快速伸缩速度最大可达1.2m/s。隧道拱顶检测机构40的摆动杆件原则上只在检测前调整检测测线姿态时使用，检测过程中不进行调整。隧道边墙检测机构20和隧道拱顶检测机构40，除距离保持为自动控制外，其余作业动作均为手动电控，如图10所示。

上述监测单元是建立在机器视觉深度学习与激光障碍扫描原理的装置，由激光障碍物扫描仪与视觉传感器等组成，可以安装于第一地质雷达天线21、第二地质雷达天线31和第三地质雷达天线41的前后两端。检测过程中，无论检测方向，均可在8m内有效监视前进方向有无吊柱、截面突变等障碍物或规律性的接触网架。当发现障碍物时，控制系统根据检测到的障碍物与机械臂间距、光电测距编码器值信号，按照速度匹配关系逻辑反馈控制系统自动进行相应的执行动作。操控人员进行实时观测并可通过操控器及时人工干预。

此外，该隧道衬砌检测装置还含有动力系统，动力系统是给整个隧道衬砌检测装置提供动力来源的设备，包括油缸、电动推杆、柴油发电机等，分别给机械臂提供伸出动力介质、给机械臂收回与摆动提供动力。

为了便于理解和描述，本发明中采用了绝对位置关系进行表述，其中的方位词“上”表示图7中的上侧方向，“下”表示图7中的下侧方向，“左”表示图7中的左侧方向，“右”表示图7中的右侧方向，“前”表示垂直于图7的纸面并指向纸面内侧的方向，“后”表示垂直于图7的纸面并指向纸面外侧的方向。本发明采用了使用者或阅读的观察视角进行描述，但上述方位词不能理解或解释为是对本发明保护范围的限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (3)

1.一种隧道衬砌检测装置，其特征在于，所述隧道衬砌检测装置包括：

隧道边墙检测机构(20)，含有依次设置的第一地质雷达天线(21)、伸缩臂(22)、摆动杆(26)和基础支架(28)，伸缩臂(22)能够伸缩和转动，隧道边墙检测机构(20)用于检测隧道边墙；

隧道拱腰检测机构(30)，含有依次设置的第二地质雷达天线(31)、伸缩套筒(35)和底座(36)，伸缩套筒(35)能够伸缩和转动，隧道拱腰检测机构(30)用于检测隧道拱腰；

隧道拱顶检测机构(40)，含有依次设置的第三地质雷达天线(41)、机械伸缩臂(43)和连接座(45)，机械伸缩臂(43)能够伸缩和转动，隧道拱顶检测机构(40)用于检测隧道拱顶；

基础平台(10)，含有固定平台(11)和升降平台(12)，升降平台(12)能够升降，基础支架(28)与固定平台(11)可拆卸连接，底座(36)和连接座(45)均与升降平台(12)可拆卸连接；

伸缩臂(22)和摆动杆(26)通过摆动连接座(29)连接，摆动连接座(29)上设有第一电机(23)和第二电机(24)，第一电机(23)能够驱动伸缩臂(22)伸缩，第二电机(24)能够驱动伸缩臂(22)自转；

摆动杆(26)和基础支架(28)通过第三电机(25)连接，第三电机(25)能够驱动摆动杆(26)绕第三电机(25)的电机轴转动，摆动连接座(29)与第三电机(25)之间连接有辅助连杆(27)，辅助连杆(27)与摆动杆(26)形成四连杆机构；

伸缩臂(22)的伸缩方向和摆动杆(26)的长度方向均与该隧道衬砌检测装置的行进方向垂直，第三电机(25)的电机轴的轴线与该隧道衬砌检测装置的行进方向平行，第三电机(25)能够使隧道边墙检测机构(20)处于折叠状态或张开状态；

伸缩套筒(35)含有内外套设的内套筒和外套筒，第二地质雷达天线(31)与所述内套筒的一端通过摆动云台(33)连接，所述内套筒和外套筒之间连接有上油缸(32)，所述外套筒和基础平台(10)之间连接有下油缸(34)，伸缩套筒(35)的伸缩方向与该隧道衬砌检测装置的行进方向垂直；

摆动云台(33)含有云台轴，第二地质雷达天线(31)能够绕所述云台轴转动，第二地质雷达天线(31)的四周设有四个距离传感器，所述外套筒与底座(36)通过底轴(37)连接，伸缩套筒(35)能够绕底轴(37)转动，所述云台轴的轴线和底轴(37)的轴线均与该隧道衬砌检测装置的行进方向平行；

第三地质雷达天线(41)依次通过连接上调节云台(49)、连接杆(46)和电动推杆(42)与机械伸缩臂(43)连接，连接杆(46)的下端插接于机械伸缩臂(43)的上端内，电动推杆(42)能够使连接杆(46)沿机械伸缩臂(43)的轴线方向移动；

机械伸缩臂(43)的下端通过转轴(47)与连接座(45)连接，转轴(47)的轴线与该隧道衬砌检测装置的行进方向平行，机械伸缩臂(43)的左右两侧均设有伸缩杆(48)，伸缩杆(48)能够驱动机械伸缩臂(43)绕转轴(47)转动，第三地质雷达天线(41)上设有距离检测模块。

2.根据权利要求1所述的隧道衬砌检测装置，其特征在于，所述隧道衬砌检测装置包括左右对称设置的两个隧道边墙检测机构(20)和两个隧道拱腰检测机构(30)，左侧的隧道边墙检测机构(20)的基础支架(28)位于固定平台(11)的左侧，左侧的隧道边墙检测机构(20)用于检测隧道的左侧边墙，左侧的隧道拱腰检测机构(30)的底座(36)位于升降平台(12)的左侧，左侧的隧道拱腰检测机构(30)用于检测隧道的右侧拱腰。

3.根据权利要求1所述的隧道衬砌检测装置，其特征在于，所述隧道衬砌检测装置还包括控制系统和安全预警机构(50)，安全预警机构(50)含有第一软接触杆(51)、第二软接触杆(52)和第三软接触杆(53)，第一软接触杆(51)与隧道边墙检测机构(20)前后对应，第二软接触杆(52)与隧道拱腰检测机构(30)前后对应，第三软接触杆(53)与隧道拱顶检测机构(40)前后对应，第一软接触杆(51)、第二软接触杆(52)和第三软接触杆(53)均通过触碰传感器与控制系统连接。

Images