[發明專利]一種適用于TBM的圍巖力學參數自動測試系統及方法

有效

• 申請號: 201910979186.2
• 申請日: 2019-10-15
• 公開（公告）號: CN110823737B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 劉斌;王瑞睿;高博洋;郭旭;王亞旭;趙光祖;朱顏;王濱
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56;G01N3/12;G01B11/24
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 董雪

本發明公開了一種適用于TBM的圍巖力學參數自動測試系統及方法，包括：集料部，能夠實時收集TBM掘進過程中的巖渣；抓取部，能夠從獲取到的巖渣中抓取任一巖渣；視覺處理裝置，能夠通過紅外測距方式對被測巖渣進行三維成像；計算磨蝕性測試實驗加荷點位置，通過加荷點間距判斷被測巖渣是否符合要求；若符合要求，確定加荷點實際位置，確定巖渣表面滿足設定條件的區域作為磨蝕性測試實驗的作用區域；巖石磨蝕性試驗裝置，能夠自動對符合要求的被測巖渣進行磨蝕性測試。本發明具有時效性強、自動化程度高、安全經濟等優點，有效地解決了當前TBM施工圍巖強度信息難以實時獲取的難題，為TBM掘進提供了實時的圍巖條件信息及控制參數決策依據。

技術領域

本發明涉及圍巖力學參數測試技術領域，尤其涉及一種適用于TBM的圍巖力學參數自動測試系統及方法。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本發明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

TBM法是深長隧道施工的主流方法，施工具有掘進速度快、建設成本低、施工擾動小、經濟安全等優點。然而，TBM施工對巖體條件極為敏感，圍巖的單軸抗壓強度與磨蝕性指標(CAI)等參數嚴重影響TBM的施工效率與成本。圍巖強度較高的施工段，TBM破巖所需荷載增大，破巖難度提升，掘進效率下降；而在圍巖強度低、穩定性差的段落，TBM掘進速度快，但支護所需的停機時間顯著增加，掘進效率仍然較低。此外，據統計，由磨損導致的更換刀具時間與成本占據TBM隧道建設成本的三分之一以上。而在刀具磨損方面，磨蝕性指標(CAI)是起到最關鍵作用的參數之一。因此，實時獲取圍巖抗壓強度與磨蝕性指標對于判斷TBM掘進效率與刀具成本，進而據此調整掘進控制參數與施工方案，具有重要意義。

目前在TBM施工圍巖強度參數獲取方面尚無實時的巖體參數獲取手段，主流的方式需要現場取芯，經過切割、打磨加工成標準巖石樣本，進而進行室內巖石單軸壓縮試驗與磨蝕性測試獲取巖石抗壓強度與磨蝕性指標。該方法存在以下問題：

1.TBM環境中的取芯工作需占用停工維保時間，影響掘進。

2.鉆孔取芯、加工及試驗過程耗時長，所獲巖體參數缺乏時效性，無法滿足TBM掘進對巖體抗壓強度與磨蝕性指標等參數快速、實時的實際需求。

流水線作業采用的工業機器人可準確抓取并加工流水線上的產品零件，這為TBM掘進巖體參數實時測試提供了一種良好的思路。TBM掘進與破巖過程產生的巖渣會隨著皮帶傳送機運送至洞外，與工業生產中使用的產品流水線具有較高的相似性。同時，TBM破巖產生的巖渣可實時反映當前施工面的巖體條件，是用于巖體參數測試的“天然樣本”，也是TBM調整掘進施工方案的重要參考。因此，利用工業機器人實時抓取巖渣并進行測試是實時獲取巖體參數的可行方法。然而，應用機器人進行自動化測試存在以下難點：

1.TBM皮帶輸送機速度較快，如何快速、準確抓取符合試驗要求的巖渣。

2.如何利用計算機視覺捕捉巖渣的尺寸形態信息并判斷該巖渣是否滿足試驗需求。

3.如何感知抓取巖渣位置，判斷巖渣與試驗平臺的接觸狀態。

4.如何自動調整夾起巖渣的位置與角度，使之滿足壓縮與磨蝕性測試的樣本姿態的需求。

5.該試驗平臺如何自動化地加卸載并進行抗壓強度與磨蝕性指標測試。

6.巖石磨蝕性指標測試所需試驗精度高，如何在TBM掘進的強振動環境下完成高精度測試。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種適用于TBM的圍巖力學參數自動測試系統及方法，以TBM動態挖掘得到的不規則巖石渣塊為樣本進行試驗，實現自動化地在線實時測試圍巖磨蝕性與強度參數。

在一些實施方式中，采用如下技術方案：

一種適用于TBM的圍巖力學參數自動測試系統，包括：