CN114233397A - 一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道开挖防护领域，公开了一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，包括底箱，底箱上设置有多光谱红外热成像仪、高精度激光扫描传感器、电机、微处理模块和无线通信传输模块；多光谱红外热成像仪、高精度激光扫描传感器设置在电机上，通过电机转动实现360°范围旋转，多光谱红外热成像仪用于检测围岩温度，高精度激光扫描传感器用于构建围岩几何模型并检测围岩形变，微处理模块用于根据多光谱红外热成像仪和高精度激光扫描传感器的采集数据，判断检测区域的温度和变形特征是否异常，并根据判断结果发出预警信号。本发明对隧道开挖过程中围岩的信息进行检测分析及预警，保证隧道施工的安全与效率。

Description

一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统

技术领域

本发明涉及隧道开挖防护领域，具体涉及一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统。

背景技术

岩爆是岩体受开挖卸荷的影响，使得围岩应力重新分布，在洞壁附近产生应力集中和应变能的聚集进而引起围岩在空间上随机性破裂、弹射、抛出的现象，尤其是在深埋隧道的掌子面、隧道拱顶、隧道拱肩，这种现象显得十分突出。岩爆作为一种地质灾害，不仅能够造成设备损失、工程失效、工期延误，而且更会极大程度的威胁施工技术人员的生命安全，由于具有突发性、随机性和猛烈性等特点。因此，为了减轻岩爆突发时对施工人员及施工设备的威胁，设计一种隧道施工岩爆预警系统尤为重要。

发明内容

为了能够对施工过程和人员安全进行有效保障，本发明提供一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，旨在隧道开挖过程中对岩爆问题进行有效的预警。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，包括：底箱，所述底箱设置在空陆两栖机器人机架上，由所述空陆两栖机器人装载移动，所述底箱上设置有多光谱红外热成像仪、高精度激光扫描传感器、电机、微处理模块和无线通信传输模块；

所述多光谱红外热成像仪、高精度激光扫描传感器设置在所述电机上，所述电机用于带动多光谱红外热成像仪和高精度激光扫描传感器实现360°范围旋转，所述多光谱红外热成像仪用于检测围岩温度，所述高精度激光扫描传感器用于构建围岩几何模型并检测围岩形变，所述微处理模块用于根据所述多光谱红外热成像仪和高精度激光扫描传感器的采集数据，判断检测区域的温度和变形特征是否异常，并根据判断结果发出预警信号。

所述高精度激光扫描传感器用于将待监测的目标区域进行扫描形成初始围岩几何特征，目标区域被划分为多个分区并依次进行编号；

所述多光谱红外热成像仪用于对各个分区逐步进行检测获取围岩初始温度信息。

所述微处理模块的工作流程为：

S1、判断围岩性质、围岩节理特征，结合温度及围岩初始数据分析初步确定其本构模型；

S2、通过模拟试验建立岩爆发生时的阈值条件，计算其温度分异速率阈值、温度阈值和变形阈值；

S3、根据实时监测数据分析，计算得到温度分异速率、温度值和变形值；根据阈值判断区域温度和变形是否异常，并根据判断结果发出预警信号。

所述步骤S1中，还包括根据实时监测数据对本构模型进行修正的过程。

所述步骤S2具体包括以下步骤：

通过模型试验建立岩爆发生时的阈值条件，将试验结果进行统计分析，计算得到囊括岩爆发生时刻温度分异速率、温度值、变形值具有同一期望置信度的置信区间，即得到相应的阈值条件，即：

数学期望为μ的置信度为1-α的置信区间=

；

式中：

分别表示发生岩爆的温度分异速率阈值、温度阈值及变形阈值；

为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的试验样本均值；α为概率；μ为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的期望；σ为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的标准差；n为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的样本容量。

进行温度阈值计算时，温度计算平衡方程为：

；

其中，m₀表示围岩微元强度峰值分布的集中程度m在常温下的数值，M表示岩爆部分的质量；C表示检测区围岩的比热容；T _i ^m 、T _i ^b 表示检测区i岩爆前和岩爆后的温度；

进行变形阈值计算时，变形值计算公式为：

；

其中，D _u 表示围岩累积轴向变形；ε ₀、ε _m分别表示检测分区初始时刻及时刻m时的应变；

表示检测时间；

表示检测区岩体面积，ε表示围岩轴向应变，λ表示围岩损伤比例系数，E₀表示围岩常温下弹性模量；F₀表示围岩微元强度随机变量F在常温下的数值，E(T)表示围岩弹性模量随温度变化的函数；B(T)表示围岩微元强度随机变量F随温度变化的函数；C(T)表示围岩微元强度峰值分布的集中程度m随温度变化的函数。

所述微处理模块通过所述无线通信传输模块与上位机连接。

所述的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，还包括预警器，所述预警器与所述微处理模块的输出端连接，用于根据所述微处理模块发出的预警信号进行预警。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明提供了一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，可以避免人工搭设预警监测设备时的风险；

（2）通过在空陆两栖机器人上搭载多种传感器，可以实时的监测围岩岩爆发展的多源数据，从而可以精确的对隧道开挖过程中围岩的信息进行检测和分析，并及时预警，保证隧道施工的安全与效率；

（3）本发明一方面可以基于已有地勘数据进行预警模型的修正，另一方面可通过无线通信系统将异常信息传输至监控后台进行计算分析，提高预警的准确性；

（4）本发明在现场采集的多源数据可形成数据库，为其他类似工程提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统的俯视图；

图2为本发明实施例提供的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统的主视图；

图3为本发明实施例提供的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统的立体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统的内部结构示意图；

图5为岩爆预警系统中的电路原理图；

图6为岩爆预警系统的流程示意图；

图7为通过温度场计算分析预估的围岩温度分布图；

图8为岩爆预警系统中通过温度效应计算分析预估的含节理围岩单元网格变形图；

图9为岩爆预警系统中通过温度效应计算分析预估的含节理围岩变形云图。

图中：1为机架，2为岩爆预警系统，3为机器人，4为底箱，5为电机，6为微处理模块，7为无线通信传输模块，8为多光谱红外热成像仪，9为高精度激光扫描传感器，10为保护罩，11为预警器，51为旋转底座，52为旋转轴，53为热成像摄像头，54为激光测距仪，55为内置电池组件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~4所示，本发明实施例提供了一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，其特征在于，包括：底箱4，所述底箱4设置在空陆两栖机器人机架1上，由所述空陆两栖机器人装载移动，所述底箱4上设置有多光谱红外热成像仪8、高精度激光扫描传感器9、电机5、微处理模块6和无线通信传输模块7。

所述多光谱红外热成像仪8、高精度激光扫描传感器9设置在所述电机5上，所述电机5用于带动多光谱红外热成像仪8和高精度激光扫描传感器9实现360°范围旋转，所述多光谱红外热成像仪8用于检测围岩温度，所述高精度激光扫描传感器9用于构建围岩几何模型并检测围岩形变，所述微处理模块6用于根据所述多光谱红外热成像仪8和高精度激光扫描传感器9的采集数据，判断检测区域的温度和变形特征是否异常，并根据判断结果发出预警信号，其电路原理图如图5所示。

所述高精度激光扫描传感器9用于将待监测的目标区域进行扫描形成初始围岩几何特征，目标区域被划分为多个分区并依次进行编号；所述多光谱红外热成像仪用于对各个分区逐步进行检测获取围岩初始温度信息。

具体地，本实施例中，电机5包括旋转底座51和旋转轴52，多光谱红外热成像仪8、高精度激光扫描传感器9设置在旋转轴52上，旋转轴52转动，带动多光谱红外热成像仪8、高精度激光扫描传感器9的传感单元转动。多光谱红外热成像仪8配备了热成像摄像头53和激光测距仪54。

如图6所示，所述微处理模块的工作流程为：

S1、判断围岩性质、围岩节理特征，结合温度及围岩初始数据分析初步确定其本构模型；

S2、通过模拟试验建立岩爆发生时的阈值条件，计算其温度分异速率阈值、温度阈值和变形阈值；

S3、根据实时监测数据分析，计算得到温度分异速率、温度值和变形值；根据阈值判断区域温度和变形是否异常，并根据判断结果发出预警信号。

本实施例的岩爆预警系统中，高精度激光扫描传感器9可首先将待监测的目标区域进行扫描形成初始围岩几何特征，同时将目标区域划分为多个分区，并依次进行编号，空间上相邻的两个检测单元其编号按照常用坐标系编号准则依此编号，在完成扫描的同时，多光谱红外热成像仪8也开始对各个分区i逐步进行检测获取围岩基础信息，包括：围岩初始温度等；系统按既定的采样频率采集数据，并将数据传输至微处理模块6，微处理模块6对数据进行特征分析，判断围岩性质、围岩节理特征等，结合温度及围岩初始数据分析初步确定其本构模型，并通过进一步的监测，通过监测数据的拟合分析修正此本构模型；最后通过监测围岩温度分异特征及变形特征的变化确定围岩状态，如图7、8所示，结合图9的节理演化趋势，基于预估的本构模型计算其温度分异特征、温度和变形阈值，判断该区域的温度和变形是否异常，发现异常后通过预警器进行预警，同时微处理模块将数据信息经无线通信传输模块7传输给手机或电脑终端中，便于操作人员可以对围岩的情况及时的掌握与分析，保证施工的高效与安全。

具体地，上述步骤S1中，本构模型的公式为：

；（1）

式中：σz—围岩轴向应力；

ε—围岩轴向应变；

E₀—围岩常温下弹性模量；

λ—围岩损伤比例系数；

F₀—围岩微元强度随机变量F在常温下的数值，这里的常温一般指25°，F₀可通过岩石单轴压缩试验求得，其随围岩微元强度峰值分布的集中程度m变化；

m₀—围岩微元强度峰值分布的集中程度m在常温下的数值，这里的常温一般指25°，m₀是反映围岩裂隙特征的另一参数，可通过岩石单轴压缩试验求得；

E(T)—围岩弹性模量随温度变化的函数；

B(T)—围岩微元强度随机变量F随温度变化的函数；

C(T)—围岩微元强度峰值分布的集中程度m随温度变化的函数。

一般的，围岩累积损伤到岩爆经历的过程如下：

（1）分析围岩变形及温度监测数据，当围岩变形较小且温度分布分异度较小时，此时围岩局部应力σ_z＞[σ_z ]，[σ_z ]表示围岩应力阈值。围岩局部损伤初步开展，将各测区围岩温度代入分布分异度计算公式，计算围岩温度分布分异度。计算公式为：

；（2）

其中，V_T—围岩温度分异度；

T_i、T_a—分区i处围岩峰值温度、检测区最低温度；

n—检测分区数量；[(T_i-T_a)/T_a ]—代表温度分异区间，(T_i-T_a)/T_a≤0.1时，此值取0，(T_i-T_a)/T_a≥0.1时，此值取1。

（2）继续对围岩各测区温度进行监测，随着围岩损伤继续扩展，由上式（2）代入围岩温度监测数据计算得到的围岩温度分布分异度逐渐增加，同时围岩温度分异速率增加，温度分异速率的计算公式为：

；（3）

其中，v_TV—围岩温度分异速率；

V_Tm—检测区m时刻的温度分异度；

t_m—检测时间；

Δt—检测数据采样步长。

（3）对围岩各测区温度分布及变化特征、累积变形特征进行监测，当围岩损伤累积到某一阈值，此时围岩局部累积变形也达到某一阈值，围岩温度分布分异度急剧增加，同时温度分异速率继续快速增加，岩爆发生，根据式（1）则有式（4）：

；（4）

式中：D_u—围岩累积轴向变形；

ε ₀、ε _m—检测分区初始时刻及时刻m时的应变；

t _m—检测时间；

A _i—检测区岩体面积。

发生岩爆时，应变能大部分转化为热能和动能得以释放，忽略转化为动能的部分，则有：

；（5）

式中：M—岩爆部分的质量；

C—检测区围岩的比热容；

T _i ^m 、T _i ^b 表示检测区i岩爆前和岩爆后的温度。

因此，本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤：

通过模型试验建立岩爆发生时的阈值条件，将试验结果进行统计分析，计算得到囊括岩爆发生时刻温度分异速率、温度值、变形值具有同一期望置信度的置信区间，即得到相应的阈值条件，即：

数学期望为μ的置信度为1-α的置信区间=

；（6）

式中：

分别表示发生岩爆的温度分异速率、温度值及变形值的阈值；

为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的试验样本均值；α为概率；μ为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的期望；σ为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的标准差；n为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的样本容量。

具体地，本实施例中，所述微处理模块通过所述无线通信传输模块7与上位机连接。岩爆预警系统可以通过无线通信模块7将异常数据传递至隧道施工监控后台，通过后台计算进一步分析现场围岩情况，从而提高预警的准确性。

优选地，所述微处理模块6内包含现有隧道开挖过程中的地勘资料来确定影响围岩受力特征的其他影响因素，微处理模块可结合预警系统监测得到围岩的初始特征进行围岩岩爆风险预警分析，提高围岩岩爆预警的准确率。

优选地，本实施例中，底箱上固定安装有透明的保护罩10，所述多光谱红外热成像仪8、高精度激光扫描传感器9、电机5、微处理模块6和无线通信传输模7块均位于保护罩10内，只在使用时自动开启，避免水和灰层的影响，保证设备正常运行。

优选地，本实施例中的岩爆预警系统还包括预警器11，所述预警器11与所述微处理模块的输出端连接，用于根据所述微处理模块发出的预警信号进行预警。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，其特征在于，包括：底箱（4），所述底箱（4）设置在空陆两栖机器人机架（1）上，由所述空陆两栖机器人装载移动，所述底箱（4）上设置有多光谱红外热成像仪（8）、高精度激光扫描传感器（9）、电机（5）、微处理模块（6）和无线通信传输模块（7）；

所述多光谱红外热成像仪（8）、高精度激光扫描传感器（9）设置在所述电机（5）上，所述电机（5）用于带动多光谱红外热成像仪（8）和高精度激光扫描传感器（9）实现360°范围旋转，所述多光谱红外热成像仪（8）用于检测围岩温度，所述高精度激光扫描传感器（9）用于构建围岩几何模型并检测围岩形变，所述微处理模块（6）用于根据所述多光谱红外热成像仪（8）和高精度激光扫描传感器（9）的采集数据，判断检测区域的温度和变形特征是否异常，并根据判断结果发出预警信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，其特征在于，所述高精度激光扫描传感器（9）用于将待监测的目标区域进行扫描形成初始围岩几何特征，目标区域被划分为多个分区并依次进行编号；

所述多光谱红外热成像仪用于对各个分区逐步进行检测获取围岩初始温度信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，其特征在于，所述微处理模块的工作流程为：

S1、判断围岩性质、围岩节理特征，结合温度及围岩初始数据分析初步确定其本构模型；

S2、通过模拟试验建立岩爆发生时的阈值条件，计算其温度分异速率阈值、温度阈值和变形阈值；

S3、根据实时监测数据分析，计算得到温度分异速率、温度值和变形值；根据阈值判断区域温度和变形是否异常，并根据判断结果发出预警信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，其特征在于，所述步骤S1中，还包括根据实时监测数据对本构模型进行修正的过程。

5.根据权利要求3所述的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

通过模型试验建立岩爆发生时的阈值条件，将试验结果进行统计分析，计算得到囊括岩爆发生时刻温度分异速率、温度值、变形值具有同一期望置信度的置信区间，即得到相应的阈值条件，即：

数学期望为μ的置信度为1-α的置信区间=

；

式中：

分别表示发生岩爆的温度分异速率阈值、温度阈值及变形阈值；

为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的试验样本均值；α为概率；μ为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的期望；σ为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的标准差；n为岩爆时温度分异速率或温度值或变形值的样本容量。

6.根据权利要求5所述的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，其特征在于，进行温度阈值计算时，温度计算平衡方程为：

；

其中，m₀表示围岩微元强度峰值分布的集中程度m在常温下的数值，M表示岩爆部分的质量；C表示检测区围岩的比热容；T _i ^m 、T _i ^b 表示检测区i岩爆前和岩爆后的温度；

进行变形阈值计算时，变形值计算公式为：

；

其中，D _u 表示围岩累积轴向变形；ε ₀、ε _m分别表示检测分区初始时刻及时刻m时的应变；

表示检测时间；

表示检测区岩体面积，ε表示围岩轴向应变，λ表示围岩损伤比例系数，E₀表示围岩常温下弹性模量；F₀表示围岩微元强度随机变量F在常温下的数值，E(T)表示围岩弹性模量随温度变化的函数；B(T)表示围岩微元强度随机变量F随温度变化的函数；C(T)表示围岩微元强度峰值分布的集中程度m随温度变化的函数。

7.根据权利要求1所述的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，其特征在于，所述微处理模块通过所述无线通信传输模块（7）与上位机连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于空陆两栖机器人的隧道施工岩爆预警系统，其特征在于，还包括预警器（11），所述预警器（11）与所述微处理模块的输出端连接，用于根据所述微处理模块发出的预警信号进行预警。

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