[发明专利]基于双护盾TBM工艺的隧道围岩扫描与观测系统

说明书

本发明公开了基于双护盾TBM工艺的隧道围岩扫描与观测系统，包括多个扫描仪和一个上位机，且上位机位于辅助推进油缸位置的护盾轴线处，扫描仪安装在辅助推进油缸截面处的护盾的各个观测孔处。本发明将扫描仪安装在后护盾上预先设置好的观测孔处实现直接测量，通过多坐标系采集数据与统一处理，并形成了一种类似随钻测井的随着掘进推进观测隧道围岩轮廓和岩貌的扫描系统，可实现整个隧道顶部一定角度范围内隧道断面二维轮廓图的绘制、隧道实际开挖面三维模型的建立、隧道断面围岩岩貌成像以及隧道实际开挖面三维岩貌成像，另外扫描仪和上位机采用模块化安装，可根据需要更换内部不同的模块化测量装置，以实现更多功能。

技术领域

本发明涉及双护盾TBM技术领域，具体为基于双护盾TBM工艺的隧道围岩扫描与观测系统。

背景技术

双护盾掘进机施工实质上是非钻爆法开挖隧道的一种掘进技术，其适用于多种不良地质条件的硬岩洞段的长隧道施工，双护盾掘进机是掘进机中的一种类型，其施工特点是隧洞的开挖和衬砌可以同步进行，掘进方式有两种模式(双护盾模式和单护盾模式)，便于通过软弱地质破碎带地层，从双护盾掘进机的施工特点中可以看出掘进效率高、成洞质量好、经济、安全、环保等优点，在双护盾掘进机施工过程中，需要对隧道围岩断面轮廓，但现有技术存在着接触界面处理困难、信号衰减和测量参数较少，无法实时观测和采集刚开挖围岩的形貌特征，同时也缺少隧道内轮廓的三维模型建立功能的缺点，为此，我们提出基于双护盾TBM工艺的隧道围岩扫描与观测系统。

发明内容

本发明的目的在于提供基于双护盾TBM工艺的隧道围岩扫描与观测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于双护盾TBM工艺的隧道围岩扫描与观测系统，包括多个扫描仪和一个上位机，且上位机位于辅助推进油缸位置的护盾轴线处，扫描仪安装在辅助推进油缸截面处的护盾的各个观测孔处，扫描仪中心为临时坐标系原点，同时上位机与扫描仪可在不同的隧道断面内，所述扫描仪采用模块化设计，主要包括围岩轮廓扫描模块、围岩形貌观测模块、无线通信模块和控制模块，硬件组成有测距仪、侧斜仪、摄像头、光源、电子伸缩和转动平台、电池、微处理器、信号调理和转换电路，所述上位机由无线通信模块、定位模块、数据采集、处理、显示模块和数据存储模块组成，且扫描仪通过下位机与上位机之间通过无线通信进行信号传输，下位机封装扫描仪内，主要由微处理器等组成(控制模块)。

优选的，所述扫描仪具有自诊断功能，在自身产生问题时可将问题报警信息及诊断信息通过下位机报告给上位机，方便做进一步处理与解决，同时微处理器完成数据的采集、发送以及接受上位机的指令等一系列过程，且整个扫描仪由高性能高温锂电池供电，可适应井下恶劣环境，可实现自动启动测量、结束测量、启动数据传输、停止数据传输，接受上位机指令等一系列工作，而测距仪和侧斜仪分别可以获取以电子伸缩和转动平台中心为临时坐标原点的距离和角度信号，通过摄像头和光源可以对一定范围内的围岩的形貌进行实时拍摄与观测，电子伸缩与转动平台可实现不同工作方向的连续切换、伸出与缩回观测孔，有助于测距仪和侧斜仪工作位置的转换，从而观测一定范围内的围岩，电子伸缩和转动平台的运行状态由上位机进行控制，其运行范围在过观测孔处护盾的切线范围内，测量范围由观测孔所处于护盾的位置决定。

优选的，所述无线通信模块负责接收扫描仪的扫描数据并将其传输给数据采集与处理模块，处理部分可包括信号的编译、隧道断面二维轮廓建立、隧道实际开挖面三维轮廓建立、围岩形貌实时成像与隧道实际开挖面三维岩貌图像拼接等，定位模块主要是对护盾掘进机上观测孔处的扫描仪进行角度和距离定位，距离定位主要通过测距仪实现，角度为上位机与扫描仪连线与水平的夹角，通过可视激光实现，数据采集模块通过无线通信模块获取扫描仪采集的信号数据，通过处理模块实现距离和角度的换算，生成隧道断面二维轮廓图和隧道实际开挖面三维模型，显示模块对二维和三维模型进行显示输出，同时也可以显示由摄像头采集的隧道围岩岩貌图像，通过处理模块也可对多个观测孔拍摄的隧道围岩岩貌图像进行拼接，从而形成完整的隧道围岩岩貌三维图像。