[发明专利]一种适用于TBM的围岩力学参数自动测试系统及方法

说明书

本发明公开了一种适用于TBM的围岩力学参数自动测试系统及方法，包括：集料部，能够实时收集TBM掘进过程中的岩渣；抓取部，能够从获取到的岩渣中抓取任一岩渣；视觉处理装置，能够通过红外测距方式对被测岩渣进行三维成像；计算磨蚀性测试实验加荷点位置，通过加荷点间距判断被测岩渣是否符合要求；若符合要求，确定加荷点实际位置，确定岩渣表面满足设定条件的区域作为磨蚀性测试实验的作用区域；岩石磨蚀性试验装置，能够自动对符合要求的被测岩渣进行磨蚀性测试。本发明具有时效性强、自动化程度高、安全经济等优点，有效地解决了当前TBM施工围岩强度信息难以实时获取的难题，为TBM掘进提供了实时的围岩条件信息及控制参数决策依据。

技术领域

本发明涉及围岩力学参数测试技术领域，尤其涉及一种适用于TBM的围岩力学参数自动测试系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

TBM法是深长隧道施工的主流方法，施工具有掘进速度快、建设成本低、施工扰动小、经济安全等优点。然而，TBM施工对岩体条件极为敏感，围岩的单轴抗压强度与磨蚀性指标(CAI)等参数严重影响TBM的施工效率与成本。围岩强度较高的施工段，TBM破岩所需荷载增大，破岩难度提升，掘进效率下降；而在围岩强度低、稳定性差的段落，TBM掘进速度快，但支护所需的停机时间显著增加，掘进效率仍然较低。此外，据统计，由磨损导致的更换刀具时间与成本占据TBM隧道建设成本的三分之一以上。而在刀具磨损方面，磨蚀性指标(CAI)是起到最关键作用的参数之一。因此，实时获取围岩抗压强度与磨蚀性指标对于判断TBM掘进效率与刀具成本，进而据此调整掘进控制参数与施工方案，具有重要意义。

目前在TBM施工围岩强度参数获取方面尚无实时的岩体参数获取手段，主流的方式需要现场取芯，经过切割、打磨加工成标准岩石样本，进而进行室内岩石单轴压缩试验与磨蚀性测试获取岩石抗压强度与磨蚀性指标。该方法存在以下问题：

1.TBM环境中的取芯工作需占用停工维保时间，影响掘进。

2.钻孔取芯、加工及试验过程耗时长，所获岩体参数缺乏时效性，无法满足TBM掘进对岩体抗压强度与磨蚀性指标等参数快速、实时的实际需求。

流水线作业采用的工业机器人可准确抓取并加工流水线上的产品零件，这为TBM掘进岩体参数实时测试提供了一种良好的思路。TBM掘进与破岩过程产生的岩渣会随着皮带传送机运送至洞外，与工业生产中使用的产品流水线具有较高的相似性。同时，TBM破岩产生的岩渣可实时反映当前施工面的岩体条件，是用于岩体参数测试的“天然样本”，也是TBM调整掘进施工方案的重要参考。因此，利用工业机器人实时抓取岩渣并进行测试是实时获取岩体参数的可行方法。然而，应用机器人进行自动化测试存在以下难点：

1.TBM皮带输送机速度较快，如何快速、准确抓取符合试验要求的岩渣。

2.如何利用计算机视觉捕捉岩渣的尺寸形态信息并判断该岩渣是否满足试验需求。

3.如何感知抓取岩渣位置，判断岩渣与试验平台的接触状态。

4.如何自动调整夹起岩渣的位置与角度，使之满足压缩与磨蚀性测试的样本姿态的需求。

5.该试验平台如何自动化地加卸载并进行抗压强度与磨蚀性指标测试。

6.岩石磨蚀性指标测试所需试验精度高，如何在TBM掘进的强振动环境下完成高精度测试。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种适用于TBM的围岩力学参数自动测试系统及方法，以TBM动态挖掘得到的不规则岩石渣块为样本进行试验，实现自动化地在线实时测试围岩磨蚀性与强度参数。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种适用于TBM的围岩力学参数自动测试系统，包括：