一种TBM隧道围岩形貌采集方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种TBM隧道围岩形貌采集方法及装置
本专利技术涉及全断面隧道掘进机(TunnelBoringMachine，简称TBM)掘进施工
，尤其是涉及一种TBM隧道围岩形貌采集方法及装置。
技术介绍
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，本专利技术提出了一种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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术提供了一种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。其中，所述周向移动装置的周向运动速度可以通过改变步进电机的输入信号来调节，所述围岩观测装置的采集频率可以通过改变围岩观测装置的控制信号来调节，可以通过调节周向移动装置的周向运动速度，匹配相应的围岩观测装置的采集频率，获取需要的图像采集速度。其中，所述装置能够结合TBM位置信息和钢拱架拼装机底座位置信息，推算并记录每一环围岩图像的隧道轴向位置信息。能够结合导轨极限位置和步进电机运动速度，推算并记录每一张图像的隧道周向位置信息。其中，整个围岩形貌采集过程都是由计算机控制。第二个方面，本专利技术实施例提供了一种TBM隧道围岩形貌采集装置，所述装置包括：围岩观测装置、周向移动装置、H形导轨、卷线装置、张紧装置和收线盘。本专利技术的一个实施例中，所述周向移动装置由连接轴、轮板、导轨轮和钢丝绳连接头组成。所述H形导轨两侧各布置三个导轨轮，三个导轨轮呈三角形布置在轮板上，这样布置既可以将周向移动装置限制在H形导轨上，又能保证装置运动的顺畅。H形导轨两侧的轮板通过所述连接轴连接。所述钢丝绳连接头固定在所述连接轴上，用于固定所述卷线装置卷动的钢丝绳，带动周向移动装置运动。本专利技术的一个实施例中，所述卷线装置由卷线筒、卷筒盘、联轴器和步进电机组成。所述卷线筒为空心圆柱，其表面有螺旋状线槽便于卷线，线槽两端开有通孔可将钢丝绳固定于此，卷线筒转动时一端收线、一端放线从而保证外部的钢丝绳长度基本不变。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本专利技术一个实施例的TBM隧道围岩形貌采集方法流程图；图2为本专利技术一个实施例的TBM隧道围岩形貌采集装置的整体结构示意图；图3为本专利技术一个实施例的围岩观测装置的结构示意图；图4为本专利技术一个实施例的周向移动装置的结构示意图；图5为本专利技术一个实施例的TBM隧道围岩形貌采集装置的安装结构示意图；图6为本专利技术一个实施例的H形导轨的断面图；图7为本专利技术一个实施例的卷线装置的结构示意图；图8为本专利技术一个实施例的卷线装置工作原理图。附图标记说明：101-围岩观测装置、102-周向移动装置、103-H形导轨、104-卷线装置、105-张紧装置、106-收线盘、1-主体架、2-相机、3-镜头、4-防护罩、5-镜头保护套、6-有机玻璃板、7-光源、8-光源安装座、9-螺栓安装孔、10-连接轴、11-轮板、12-导轨轮、13-钢丝绳接线头、14-TBM钢拱架拼装机底座、15-侧向承重轮、16-导向轮、17-TBM主梁、18-导线槽、19-卷线筒、20-卷筒盘、21-联轴器、22-步进电机。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出的TBM隧道围岩形貌采集方法及装置。图1是本专利技术一个实施例的TBM隧道围岩形貌采集方法流程图。参照图1，该方法包括以下步骤：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围岩形貌的围岩环段起始端，完成装置的周向定位。3)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。4)步进电机反转，以恒定速度带动周向移动装置沿导轨运动，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恒定频率采集围岩图像。5)周向移动装置运动到导轨另一端极限位置，围岩观测装置停止采集图像。6)判断是否将一环围岩形貌采集完整。7)如果未采集完整，钢拱架拼装机沿隧道前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TBM隧道围岩形貌采集方法，其特征在于，将一环围岩分成多段拍摄，通过匹配图像采集频率与周向运动速度，快速获取围岩形貌图像，再利用图像拼接技术得到完整的隧道围岩形貌，所述方法包括：/n1)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；/n2)装置随钢拱架拼装机运动到需要采集围岩形貌的围岩环段起始端，完成轴向定位；/n3)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；/n4)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。/n5)钢拱架拼装机沿隧道前进到下一位置，并重复步骤4，直到采集完一环的围岩形貌；/n6)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；/n7)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。/n

【技术特征摘要】
1.一种TBM隧道围岩形貌采集方法，其特征在于，将一环围岩分成多段拍摄，通过匹配图像采集频率与周向运动速度，快速获取围岩形貌图像，再利用图像拼接技术得到完整的隧道围岩形貌，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围岩形貌的围岩环段起始端，完成轴向定位；
3)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；
4)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。
5)钢拱架拼装机沿隧道前进到下一位置，并重复步骤4，直到采集完一环的围岩形貌；
6)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；
7)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。


2.根据权利要求1所述TBM隧道围岩形貌采集方法，其特征在于，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。


3.根据权利要求1所述TBM隧道围岩形貌采集方法，其特征在于，所述周向移动装置的周向运动速度可以通过改变步进电机的输入信号来调节，所述围岩观测装置的采集频率可以通过改变围岩观测装置的控制信号来调节，可以通过调节周向移动装置的周向运动速度，匹配相应的围岩观测装置的采集频率，获取需要的图像采集速度。


4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏毅敏，柯杰，程永亮，邓朝辉，姚捷，龙斌，徐震，郭子泺，
申请(专利权)人：中南大学，中国铁建重工集团股份有限公司，中铁第四勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43