[發明專利]基于雙護盾TBM工藝的隧道圍巖掃描與觀測系統

有效

• 申請號: 201811091211.5
• 申請日: 2018-09-19
• 公開（公告）號: CN109186480B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 韋猛;鄭明明;程錦中;李謙;陳臻林;宋宇
• 申請（專利權）人: 成都理工大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G01B11/24;G01N33/24
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 何志欣

1.基于雙護盾TBM工藝的隧道圍巖掃描與觀測系統，包括多個掃描儀和一個上位機，且上位機位于輔助推進油缸位置的護盾軸線處，掃描儀安裝在輔助推進油缸截面處的護盾的各個觀測孔處，其特征在于：所述掃描儀軟件模塊和硬件，包括圍巖輪廓掃描模塊、圍巖形貌觀測模塊、無線通信模塊和控制模塊，硬件包括測距儀、側斜儀、攝像頭、光源、電子伸縮和轉動平臺、電池、微處理器、信號調理和轉換電路，所述上位機由無線通信模塊、定位模塊、數據采集、處理、顯示模塊和數據存儲模塊組成，且掃描儀通過下位機與上位機之間通過無線通信進行信號傳輸，下位機封裝掃描儀內且由微處理器控制；

其中，

上位機中心為基準坐標系原點，其坐標通過隧道內激光導向系統中的安裝于管片上的激光指向儀的坐標進行標定，從而將地面監測控制網的坐標引入，掃描儀中心為臨時坐標系原點，隧道圍巖斷面輪廓測量數據使用極坐標進行表示；

掃描儀安裝在輔助推進油缸截面處的護盾的各個觀測孔處，根據所需在后護盾上鉆取觀測孔和安設快速安裝基座和軌道，在輔助推進油缸不影響安裝的情況下可直接將掃描儀快速安裝在基座上就位。

2.根據權利要求1所述的基于雙護盾TBM工藝的隧道圍巖掃描與觀測系統，其特征在于：所述掃描儀具有自診斷功能，在自身產生問題時可將問題報警信息及診斷信息通過下位機報告給上位機，方便做進一步處理與解決，同時微處理器完成數據的采集、發送以及接受上位機的指令，且整個掃描儀由高性能高溫鋰電池供電，可適應井下惡劣環境，可實現自動啟動測量、結束測量、啟動數據傳輸、停止數據傳輸，接受上位機指令，而測距儀和側斜儀分別可以獲取以電子伸縮和轉動平臺中心為臨時坐標原點的距離和角度信號，通過攝像頭和光源可以對一定范圍內的圍巖的形貌進行實時拍攝與觀測，電子伸縮與轉動平臺可實現不同工作方向的連續切換、伸出與縮回觀測孔，有助于測距儀和側斜儀工作位置的轉換，從而觀測一定范圍內的圍巖，電子伸縮和轉動平臺的運行狀態由上位機進行控制，其運行范圍在過觀測孔處護盾的切線范圍內，測量范圍由觀測孔所處于護盾的位置決定。

3.根據權利要求1所述的基于雙護盾TBM工藝的隧道圍巖掃描與觀測系統，其特征在于：所述無線通信模塊負責接收掃描儀的掃描數據并將其傳輸給數據采集與處理模塊，處理部分可包括信號的編譯、隧道斷面二維輪廓建立、隧道實際開挖面三維輪廓建立、圍巖形貌實時成像與隧道實際開挖面三維巖貌圖像拼接，定位模塊主要是對護盾掘進機上觀測孔處的掃描儀進行角度和距離定位，距離定位主要通過測距儀實現，角度為上位機與掃描儀連線與水平的夾角，通過可視激光實現，數據采集模塊通過無線通信模塊獲取掃描儀采集的信號數據，通過處理模塊實現距離和角度的換算，生成隧道斷面二維輪廓圖和隧道實際開挖面三維模型，顯示模塊對二維和三維模型進行顯示輸出，同時也可以顯示由攝像頭采集的隧道圍巖巖貌圖像，通過處理模塊也可對多個觀測孔拍攝的隧道圍巖巖貌圖像進行拼接，從而形成完整的隧道圍巖巖貌三維圖像。

4.根據權利要求1所述的基于雙護盾TBM工藝的隧道圍巖掃描與觀測系統，其特征在于：所述上位機布置在護盾的軸線位置O點處，護盾上鉆取一系列小直徑觀測孔A、B、C、D、E、F、G，在各觀測孔處有快速安裝基座和軌道，方便掃描儀的快速安裝與拆卸，兩個安裝方向可避免輔助推進油缸的阻擋，每個觀測孔處的掃描儀可對一定范圍內的圍巖進行掃描與觀測，A點處掃描儀的觀測范圍為A’-A”區域，護盾與隧道斷面輪廓可近似看成半徑分別r和R的圓，且兩個圓的下象限點相內切，圓心分別為O和O’，觀測孔A和B處掃描儀所觀測的最大范圍分別是A’-A”和B’-B”，測點A’和A”到觀測孔A的距離分別為l1和l2，與水平夾角分別為β1和β2，測點B’和B”到觀測孔B的距離分別為l3和l4，與水平夾角分別為β3和β4，OA與水平夾角為α，OB與水平夾角為β，當測點A’和B’重合時，根據以上已知量可確定AB的長度，即觀測孔AB間的最大距離，觀測孔A處掃描儀測得隧道開挖面上A’點的坐標為(l，δ)，為臨時坐標系數據，原點為A處掃描中點，上位機位于護盾軸線O點處，為基準坐標系原點，而O’為隧道坐標系原點，根據輸出需要可以通過幾何關系和三角關系將A’點坐標(l，δ)分別轉化為以O和O’為原點的坐標，也可不進行轉化直接繪制隧道斷面二維輪廓和三維模型。

5.根據權利要求1所述的基于雙護盾TBM工藝的隧道圍巖掃描與觀測系統，其特征在于：在傳輸路徑中除可能有輔助推進油缸的遮擋外，基本無其他障礙物，傳輸過程中信號衰減較小，無線信號傳輸主要通過上位機和下位機中的無線通信模塊直接相連，實現角度、距離、圖像信號的傳輸，傳輸方式滿足使用環境的要求，均支持標準的通信協議，保證了系統的穩定性、可移植性和開發性，且無線通信技術為RFID、NFC、藍牙、ZigBee、WiFi或UWB中的一種。