[发明专利]一种TBM隧道围岩形貌采集方法及装置

说明书

本发明提出了一种TBM隧道围岩形貌采集方法及装置。首先，装置随钢拱架拼装机运动到一环围岩段的起始端，步进电机带动周向移动装置沿导轨运动到导轨一端极限位置，完成周向移动装置的定位。然后，步进电机反转，周向移动装置沿导轨运动到导轨另一端极限位置，固定在周向移动装置上的围岩观测装置以恒定频率采集围岩图像。之后，钢拱架拼装机沿隧道运动到下一位置，继续围岩形貌采集，直到完成一环围岩形貌采集。最后，通过图像处理将采集到的所有图像依次拼接到一起。本发明能够自动获取围岩形貌图像，为之后对图像中的围岩特征进行定量评价、推测掌子面前方地质、实现地质预报提供数据支撑，为实现对TBM掘进速度与支护方式的智能决策奠定基础。

技术领域

本发明涉及全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，简称TBM)掘进施工技术领域，尤其是涉及一种TBM隧道围岩形貌采集方法及装置。

背景技术

TBM法已经成为国内外隧道施工方法之中的重要选择。然而，由于时间、技术装备、技术水平等众多因素的限制，隧道施工前的地质勘测不可能非常详尽，施工过程中经常会遇到一些地质资料中没有标明的不良地质条件，从而会影响TBM的顺利施工。因此，在施工过程中(特别是在通过不明确的不良地质段时)，需要采集围岩图像来分析当前地质情况，从而预测掌子面前方地质，决定支护方式。

当前，TBM施工过程中的围岩图像采集工作都以人工的方式进行，但图像采集的范围受到操作人员活动范围的限制，拍摄的图像效果较差，图像空间位置信息模糊，并且没有确定的图像比例尺，无法定量地评价围岩特征。这些问题直接影响到围岩情况判断与地质预报的准确性，进而影响支护决策的可靠性。

在围岩形貌采集装置方面的研究很少，清华大学基于管片拼装机设计了一款适用于双护盾TBM施工隧道的围岩观测系统，专利申请号为：201811120125.2。该装置利用预设在管片上的观测孔获取围岩照片，完成图像采集后再用设计的阀门封住观测孔。

根据现有的少量研究，并针对人工采集的不足，本发明提出了一种TBM隧道围岩形貌采集方法及装置，通过匹配图像采集频率与周向运动速度，自动获取围岩形貌图像，为之后利用图像拼接技术得到完整的隧道围岩形貌、对图像中的围岩特征进行定量评价、推测掌子面前方地质、实现地质预报提供数据支撑，为实现对TBM掘进速度与支护方式的智能决策奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于提出一种TBM隧道围岩形貌采集方法及装置，以解决当前TBM隧道围岩形貌采集面临的采集区域受限、成像质量差、图像空间信息模糊、图像无法用于定量分析的难题。

第一个方面，本发明提供了一种TBM隧道围岩形貌采集方法，所述方法包括：

1)将TBM隧道围岩形貌采集装置安装在TBM钢拱架拼装机底座上。

2)装置随钢拱架拼装机运动到需要采集形貌的围岩环段起始端，完成轴向定位；步进电机带动周向移动装置沿导轨运动到导轨一端极限位置处，完成周向移动装置的定位。

3)步进电机反转，以恒定速度带动周向移动装置沿导轨运动到导轨另一端极限位置，固定在周向移动装置上的围岩观测装置以一种与周向运动速度匹配的频率采集围岩图像。

4)钢拱架拼装机沿隧道前进到下一位置，并重复步骤3，直到采集完全一环的围岩形貌；

5)通过图像处理，将一次周向运动采集到的图像拼接成一张，再将合成后的周向围岩形貌图像依次拼接在一起，得到一环围岩的形貌周向展开合成图；

6)最后，将每一环围岩的形貌周向展开合成图依次拼接在一起，得到整个隧道的围岩形貌周向展开合成图。

其中，所述导轨为圆弧状，周向移动装置可以沿导轨做周向运动，使得围岩观测装置能够采集到完整的围岩形貌。