适用于TBM搭载的渣片点荷载强度自动测试系统及方法与流程

适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试系统及方法
技术领域
1.本发明属于隧道掘进机施工技术领域，尤其涉及一种适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试系统及方法。


背景技术：

2.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。
3.tbm(全断面岩石隧道掘进机)是集掘进、出渣、运输、支护于一体的高端重型掘进装备。然而，tbm施工对岩体条件极为敏感，岩体强度参数严重影响tbm的施工效率与成本。tbm掘进工程中渣片是刀盘接触的掌子面在其作用下剥落的岩渣，富含丰富的岩体信息，成熟的工人甚至可以通过观测最新生产的岩渣大致评估出近前方的岩体情况和给出tbm掘进的速度区间。
4.目前比较常见的岩石强度试验包括单轴压缩试验、单轴拉伸试验、巴西劈裂试验、假三轴试验和点荷载试验，但是其中大部分试验是在工地取得岩芯送到试验室，按照试验要求，用专门机械加工与试验。而点荷载试验仪器小型轻便，可用不规则岩块做实验，可以实地开展渣片的强度测试。
5.然而，发明人发现，对于目前tbm掘进中渣片的强度测试的研究，具有以下不足：
6.(1)tbm掘进过程中，运输渣片的皮带机速度较快，一般可达到2.5m/s的速度，在皮带机的高速运输下，难以取得足够的渣片进行试验；
7.(2)标准岩芯试样需要用取芯机钻取目标直径试样、切割机割去设定长度的岩样、磨平机进行端面磨平，这一系列过程耗时耗力，困难度较高，且由于tbm的持续掘进，有一定的滞后性；
8.(3)目前的tbm前端较为拥挤，且持续掘进工程中工作环境较差，目前仍采用人工试验的方法，渣片强度信息无法实时获取。


技术实现要素：

9.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试系统及方法，其具有时效性强、全自动化实验、经济高效等优点。
10.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
11.本发明的第一个方面提供一种适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试系统，其包括控制机构，及与其分别相连的震动筛分机构、岩样就位机构、视觉处理机构和加载机构；
12.所述震动筛分机构用于对从岩渣皮带机上获取的岩渣进行岩渣震动筛分；
13.所述岩样就位机构用于将筛分得到的岩渣进行姿态调整及自动定位；
14.所述视觉处理机构用于采集姿态调整及自动定位后的岩渣图像，识别岩渣试样宽度以确定出点荷载的加载点位置，并将所述加载点位置传送至控制机构；
15.所述加载机构用于在接收控制机构传来的加载点位置处进行负荷加载；
16.所述视觉处理机构还用于采集负荷加载后的岩渣试样图像，判断当前在线点荷载强度试验是否为有效试验，并将判断结果传送至控制机构。
17.作为一种实施方式，所述适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试系统还包括真空吸取机构，所述真空吸取机构用于真空吸取传送岩渣皮带机上的岩渣。
18.上述技术方案的优点在于，通过真空吸取机构吸取岩渣，避免了铲斗，机械抓手等直接获取岩渣时，机械结构与皮带机上快速传送的渣片碰撞、飞溅的情况，规避了对tbm正常运转下的干扰；且真空吸取机构能够对吸入的渣片进行除尘操作，极为安全、环保与高效，解决了tbm皮带机高速运转过程中，渣片难以获取的难题。
19.作为一种实施方式，所述真空吸取机构还用于将真空吸取的岩渣经传送机构传送至震动筛分机构。
20.作为一种实施方式，所述震动筛分机构包括与岩渣的粒径级匹配的分层振动筛，所述分层振动筛包括若干层振动筛，每层振动筛的网格大小不同，且从上到下依次变小。
21.上述技术方案的优点在于，通过震动筛分方式对不同尺寸的渣片进行分级，从不同的出口导出，可以实时获取tbm掘进过程中渣片的级配信息和变化趋势。
22.作为一种实施方式，不同层振动筛与不同出口相连，预先选择设定出口与岩样就位机构相连通，其他出口引流回至传送岩渣皮带机上。
23.上述技术方案的优点在于，在准确获取渣片的级配信息的同时，还能将其他筛分的渣片引流回至传送岩渣皮带机上，避免震动筛分机构的堵塞，提高整个自动测系统的稳定运行能力。
24.作为一种实施方式，所述岩样就位机构包括滑板结构、转盘结构和光圈结构；
25.所述滑板结构用于将不同岩渣彼此分离，使得每块岩渣的表面上最大平面面积的平面处于朝下的姿态；
26.所述转盘结构用于保证只有一块岩渣进入点荷载强度试验环节；
27.所述光圈结构用于定位进入点荷载强度试验环节的岩渣。
28.上述技术方案的优点在于，通过滑板结构、转盘结构和光圈结构调整渣片的姿态、自动定位，选取其一块渣片作为试样进行点荷载实验，相比人工操作或设计机械抓手操作，具有结构简单、经济高效的特点。
29.作为一种实施方式，所述滑板结构包括激振器和滑板，所述激振器用于以设定频率及振幅大小的信号带动滑板振动，所述滑板预先有设定大小的倾斜角度。
30.作为一种实施方式，所述转盘结构包括承载台、拨动圈和传感组件，所述传感组件用于感知岩渣滑入，并将感知信号传送至控制机构，由控制机构控制激振器停止震动及控制拨动圈转动将岩渣试样送到承载台上。
31.作为一种实施方式，所述光圈结构包括基础光圈和驱动机构，所述基础光圈可自动开合运动，且在驱动机构的驱动下可沿垂直于实验平面方向上下移动。
32.作为一种实施方式，所述加载机构包括对顶油缸，所述对顶油缸用于对岩渣试样进行点荷载的稳定施加，当油压突然下降时即为试件破坏，记录施加的最大点荷载。
33.本发明的第二个方面提供一种适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试方法，其包括：
34.对从岩渣皮带机上获取的岩渣进行岩渣筛分；
35.将筛分得到的岩渣进行姿态调整及自动定位；
36.采集姿态调整及自动定位后的岩渣图像，识别岩渣试样宽度以确定出点荷载的加载点位置；
37.在加载点位置处进行负荷加载；
38.采集负荷加载后的岩渣试样图像，判断当前在线点荷载强度试验是否为有效试验。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
40.(1)本发明的适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试系统，实现了tbm掘进过程中高速运输的渣片的点荷载强度自动测试，相较于现有的时效性极差的人工钻孔取芯与室内测试的方法，该系统具有时效性强、全自动化实验、经济高效等优点，有效解决了当前tbm施工围岩强度信息难以实时获取的难题，为掌子面近前方岩体强度信息感知和tbm掘进参数智能决策提供数据支持。
41.(2)本发明通过真空吸取机构吸取岩渣，避免了铲斗，机械抓手等直接获取岩渣时，机械结构与皮带机上快速传送的渣片碰撞、飞溅的情况，规避了对tbm正常运转下的干扰；且真空吸取机构能够对吸入的渣片进行除尘操作，极为安全、环保与高效，解决了tbm皮带机高速运转过程中，渣片难以获取的难题。
42.(3)本发明通过震动筛分方式对不同尺寸的渣片进行分级，从不同的出口导出并称重，可以实时获取tbm掘进过程中渣片的级配信息和变化趋势。
43.(4)本发明通过滑板结构、转盘结构和光圈结构调整渣片的姿态、自动定位，选取其一块渣片作为试样进行点荷载实验，相比人工操作或设计机械抓手操作，本发明具有结构简单、经济高效的特点。
44.(5)本发明通过视觉处理机构对选取的试样进行宽度识别以及确定点荷载的加载点位置和判断此次破坏是否为有效实验，保证了本发明进行的在线点荷载强度试验的准确性与权威性。
45.(6)本发明的适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试系统，整体结构清晰，造价低，自动化程度高，相对于高精度抓手复杂度大大降低，可用于相对恶劣的环境中，可以实际运用到tbm施工一线上，实现了全自动化的岩体强度信息的感知。
46.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
47.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
48.图1为本发明实施例提供的装置结构安置示意图；
49.图2为本发明实施例提供的岩样就位机构、视觉处理机构和加载机构的组装示意图；
50.图3为本发明实施例提供的岩样就位机构内的转盘结构的示意图；
51.图4为本发明实施例提供的岩样就位机构内的光圈结构的示意图；
52.图5为本发明实施例提供的加载机构的示意图。
53.其中，1、传送岩渣皮带机；2、真空吸取机构；3、传送机构；4、震动筛分机构；5、岩样就位机构；6、视觉处理机构；7、加载机构；8、滑板结构；9、转盘结构；10、光圈结构；11、电动推杆；12、转盘外环；13、转盘内环；14、拨动板；15、步进电机；16、压力感知板；17、承载台；18、控制杆；19、底盘；20、顶盘；21、扇叶；22、顶架；23、对顶油缸；24、减振支撑台座；25、球端圆锥钻头。
具体实施方式
54.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
55.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
56.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
57.参照图1，本实施例的适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试系统，其包括控制机构，及与其分别相连的震动筛分机构4、岩样就位机构5、视觉处理机构6和加载机构7。
58.在一些实施例中，所述适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试系统还包括真空吸取机构2，所述真空吸取机构2用于真空吸取传送岩渣皮带机1上的岩渣。
59.在一个或多个实施例中，真空吸取机构2包括用于吸取岩渣的高功率吸渣机以及控制其吸、停的控制组件。
60.其中，所述高功率吸渣机的吸入口用软管连接到皮带机正方上，软管末端用金属环连接。当有过大的渣片无法通过金属环时，会在吸取结束后由自身重力落回皮带机，随其运走；吸渣机中应设有除尘结构，利用高压水泵冲洗或通过高压吸尘将粉尘收集；
61.所述控制组件包括计时器或计重器，计时器可以通过预先指定时间控制吸取渣片的数量，计重器可以通过称量吸取渣片的总重到达指定重量来控制吸取渣片的数量。
62.如图1所示，本实施例的传送岩渣皮带机1是与tbm配套的。
63.本实施例通过真空吸取机构吸取岩渣，避免了铲斗，机械抓手等直接获取岩渣时，机械结构与皮带机上快速传送的渣片碰撞、飞溅的情况，规避了对tbm正常运转下的干扰；且真空吸取机构能够对吸入的渣片进行除尘操作，极为安全、环保与高效，解决了tbm皮带机高速运转过程中，渣片难以获取的难题。
64.在图1中，所述真空吸取机构2还用于将真空吸取的岩渣经传送机构3传送至震动筛分机构4。其中，传送机构2包括用于传送渣片到不同功能区的组合传送带。
65.其中，组合传送带主要环绕于各个机构间，将吸取的渣片传送到不同功能区或将筛选后淘汰的、点荷载加载后的、残留的渣片运回皮带机，起到降低结构总体高度和环保无废弃的效果。
66.在tbm施工过程中，由tbm刀盘开挖产生的岩渣由皮带输送机运输到隧道之外。在皮带输送机输送方向一侧安置真空吸取机构2、传送机构3、震动筛分机构4、岩样就位机构
5、视觉处理机构6和加载机构7。
67.在具体实施过程中，所述震动筛分机构4用于对从岩渣皮带机上获取的岩渣进行岩渣震动筛分。
68.其中，所述震动筛分机构4包括与岩渣的粒径级匹配的分层振动筛，所述分层振动筛包括若干层振动筛，每层振动筛的网格大小不同，且从上到下依次变小。这样通过震动筛分方式对不同尺寸的渣片进行分级，从不同的出口导出，可以实时获取tbm掘进过程中渣片的级配信息和变化趋势。
69.例如，在本实施例中，振动筛由三层组成，分别以60mm*60mm和30mm*30mm的正方形网格分隔。粒径尺寸大于60mm或小于30mm的渣片分别通过上下两个出口传出，经过引流后回到tbm配套的皮带机上；留取中层出口导出的，粒径尺寸在30mm-60mm之间的渣片作为试验材料使用。
70.其中，在振动筛震动分层后，粒径在合适区间的渣片将传送机构送到下一环节，粒径过大过小的渣片将从不同的出口传出，由传送机构3送回tbm配套的岩渣皮带机1上。
71.具体地，不同层振动筛与不同出口相连，预先选择设定出口与岩样就位机构相连通，其他出口引流回至传送岩渣皮带机1上。这样在准确获取渣片的级配信息的同时，还能将其他筛分的渣片引流回至传送岩渣皮带机上，避免震动筛分机构的堵塞，提高整个自动测系统的稳定运行能力。
72.在其他实施例中，筛分后的渣片每层渣片还通过压力传感器计重，计算出渣片的级配信息作为辅助信息传递给后台。
73.其中，岩样就位机构5、视觉处理机构6和加载机构7的组装的位置关系，如图2所示。
74.在具体实施过程中，所述岩样就位机构5用于将筛分得到的岩渣进行姿态调整及自动定位。
75.其中，所述岩样就位机构5包括用于将同一级配区间的渣片小幅震荡、相互分离的滑板结构8、只取用一块渣片作为试样的转盘结构9，以及用于试样正位的光圈结构10。
76.具体地，如图4所示，所述岩样就位机构5包括滑板结构8、转盘结构9和光圈结构10；所述滑板结构8用于将不同岩渣彼此分离，使得每块岩渣的表面上最大平面面积的平面处于朝下的姿态；所述转盘结构9用于保证只有一块岩渣进入点荷载强度试验环节；所述光圈结构10用于定位进入点荷载强度试验环节的岩渣。
77.本实施例通过滑板结构、转盘结构和光圈结构调整渣片的姿态、自动定位，选取其一块渣片作为试样进行点荷载实验，相比人工操作或设计机械抓手操作，具有结构简单、经济高效的特点。
78.具体地，所述滑板结构8包括激振器和滑板，所述激振器用于以设定频率及振幅大小的信号带动滑板振动，所述滑板预先有设定大小的倾斜角度。激振器提供小幅震荡，滑板具有一定倾斜角度的滑板，整个结构为了将不同的渣片相互分离，将渣片调整为合适的姿势。所述滑板应有一定的倾斜角度和尺寸，滑板的倾斜角度应该小于能够使渣片不能由自重滑落时的角度而大于0
°
(与地面平行)，且滑板尺寸足够不同渣片分离和调整其姿态；
79.所述激振器用于接收预先设定好的幅度与频率的震动信号，能够使得不同渣片分离和单块渣片小幅度震动、调整自身姿态趋于更稳定的状态，即调整并保持为表面上有着
最大平面面积的平面朝下的形态；
80.如图3所示，转盘结构9是由外环12、内环13、拨动圈14、压力感知板16、承载台17、步进电机15、压力传感器、光栅传感器等组成。承载台17上表面为80mm*80mm的正方形，中央位置有一直径为30mm的通孔，四周有四个锥形沉头孔，可以通过锥形螺钉与滑块紧密固定。当有一块渣片从滑板结构8滑入转盘上的压力感知板16时，压力感知板16前的光栅传感器捕捉到渣片经过的信号或是承重板下压力传感器发出压力变化的信号时，控制激振器停止震动，同时拨动圈14逆时针转动，将试样送到承载台17上。从而保证只有一块渣片进入以后的实验环节。
81.岩样就位机构5的光圈结构10是由基础光圈和两个电动推杆11组成，其中基础光圈是由控制杆18、底盘19、顶盘20、扇叶21、顶架22等组成。扇叶21和底盘19、顶盘20通过键、槽等方式连接，在控制杆18的推动下能够实现扇叶21的开合。两个电动推杆11分别控制基础光圈的升降与开合。转盘结构9的承载台是固定在滑块上，由电动推杆11往复推拉从而实现在固定导轨上的移动。当拨动圈14将试样送到承载台17后，承载台17在电动推杆11的作用下沿导轨方向移动。初始位置的承载台17的中心在两条导轨的中间位置，故初始位置的承载台17的中心到基础光圈的中心点的距离恒定。通过电动推杆11使承载台17移动到光圈10下方，电动推杆11作用下基础光圈降下、闭合，使得试样被夹在承载台17的中心部位；随后，在电动推杆11作用下基础光圈展开、上升归位。
82.其中，所述电机可选步进电机，所述传感器可选用压力传感器或光栅传感器，当有一块渣片进入转盘后，电机接收到传感器信号，缓慢带动其进入承载板，其余渣片等待下一次试验或通过传动机构回归tbm配套的皮带机上；所述可移动承载板是固定在滑块上，并随其在导轨上移动，承载板中央为合适尺寸的通孔，可用于后期试验的钻头通过。
83.当承载板沿导轨移动到光圈正下方时，光圈在推杆的作用下下落、闭合，使试样保持姿态不变的情况下夹到承载台中央部位，随后光圈展开、上升，承载台通过。
84.在具体实施过程中，所述视觉处理机构6用于采集姿态调整及自动定位后的岩渣图像，识别岩渣试样宽度以确定出点荷载的加载点位置，并将所述加载点位置传送至控制机构。
85.所述视觉处理机构6包括用于拍照的自动调焦摄像机、传感器以及其控制部分；所述视觉处理机构的传感器可为光栅传感器，当承载台通过自动调焦摄像机时，传感器传递信号使得承载台停止移动，摄像机拍摄图像，进行宽度识别，承载台继续移动；当试样受到点荷载加载破坏后，摄像机同样拍摄图像，供后期判定点荷载试验是否有效。
86.其中，自动变焦摄像机与减振支撑台座24相连，且自动变焦摄像机镜头的中心也位于两条导轨的中间位置上。同理，承载台的中心到自动变焦摄像机镜头的中心点的距离恒定，即可以通过高精度推杆使承载台移动到光圈下方。通过自动变焦摄像机对承载台上的同一物体(岩渣)的拍摄，由正投影方式进行渣片的轮廓识别，镜头正对承载板上中心点，即渣片的加载点的位置。通过图像分析与识别等方式确定过加载点的渣片的平均宽度，获取加载点位置到自由端的距离，在完成点荷载实验后判断此次实验是否有效。
87.在具体实施过程中，所述加载机构7用于在接收控制机构传来的加载点位置处进行负荷加载。
88.如图5所示，所述加载机构7要是由内置压力传感器和位移传感器的对顶油缸23、
减振支撑台座24和球端圆锥钻头25组成。当承载台17在高精度推杆11的推动下，以其中心正对于对顶油缸的球端圆锥25。对顶油缸23的上油缸的推杆逐渐伸出，当其球端圆锥刚接触到岩渣上表面，即上油缸的压力传感器有变化时停止移动；对顶油缸23的下油缸推杆开始伸出，通过承载台中心部位的通孔对试样接触，通过其内的位移传感器记录此时上下油缸的伸长量。下油缸缓慢的增加油压，稳定的施加载荷。当试样破坏时，上下油缸的压力值都突变为0，停止油缸推杆的移动，记录突变前的最大压力值。
89.作为可选择的实施方式，所述加载机构在承载台移动到对顶油缸钻头的正下方时，承载台停止移动，对顶油缸将试样进行破坏，位移传感器记录油缸伸出的长度；所述对顶油缸的钻头半径为5mm，夹角为60
°
的球端圆锥；
90.当试样破坏后，上下油缸传出此前记录的最大压力值，上下油缸的位移量，油缸复位；承载台将破坏后的试样运回视觉处理机构6的正下方，自动变焦摄像机对其进行拍照记录；光圈结构10落下，承载台17带着试样通过，在试样被光圈结构10的顶盘20扫落后，光圈上升复位，承载台回归岩样就位机构5，承载台17复位。被扫落的破坏后的试样通过传送机构3送回tbm配套的皮带机，本次实验宣告结束。
91.在具体实施过程中，所述视觉处理机构6还用于采集负荷加载后的岩渣试样图像，判断当前在线点荷载强度试验是否为有效试验，并将判断结果传送至控制机构。
92.整个实验中获取的重要几何参数、实验数据以及其获取方法：两加载点间距、加载点距试件自由端的最小距离、通过两加载点最小截面的平均宽度、破坏载荷。需要说明的是，通过最小尺寸方向直线的岩渣截面，空间上有无数个，可以类比为圆柱体中过上下两圆心连成直线的所有截面。最小截面的宽度是最小截面上垂直于最小尺寸方向的直线被岩渣表面截断的线段长度，其平均值为最小截面垂直于最小尺寸方向的平均宽度。
93.其中，两加载点间距是通过初始情况下上下油缸的球端圆锥距离减去完全接触时上下油缸推杆的伸长量计算得出；通过两加载点最小截面的平均宽度时通过自动变焦摄像机正对着承载台拍照，加载点距试件自由端的最小距离是通过识别承载台中心点处到试样自由端的距离测得；通过两加载点最小截面的平均宽度是通过识别过承载台中心点的试样俯视图投影的最小宽度测得；破坏载荷是点荷载加载过程中，油缸压力值突变为0前的最大点荷载值。
94.作为进一步的限定，所述承载台中心点、自动调焦摄像机的镜头中心点、球端圆锥中心和两条导轨的中心在垂直于地面的同一面上；
95.其中，所述宽度识别是指识别通过两加载点最小截面的平均宽度，自动变焦摄像机正对着承载台拍照，通过识别过承载台中心点的试样俯视图投影的最小宽度测得；所述判定点荷载试验是否有效的依据是破坏面是否贯穿整个试件并通过两加载点。
96.试验有效性进行判断的标准：
97.1.加载点距试件自由端的最小距离不应小于加载点间距的0.5。
98.2.加载点间距大于过最小尺寸方向的最小截面的平均宽度的0.3倍，并不大于该平均宽度。
99.3.破坏面贯穿整个试件并通过两加载点为有效试验。
100.其中，通过机器学习和深度学习，可搭建神经网络用以识别试件的破坏形态。
101.当且进当以上三个条件都满足时，该点荷载强度试验定义为有效试验，将试验数
据和破坏前后的试样图片传入总控制台，为后期数据处理、掌子面近前方岩体强度信息感知、预测和tbm掘进参数智能决策提供数据支持。
102.本实施例的适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试系统，以tbm动态持续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渣片的点荷载强度参数，从而为tbm掘进决策提供数据支持。
103.本实施例的提供一种适用于tbm搭载的渣片点荷载强度自动测试方法，其包括：
104.对从岩渣皮带机上获取的岩渣进行岩渣筛分；
105.将筛分得到的岩渣进行姿态调整及自动定位；
106.采集姿态调整及自动定位后的岩渣图像，识别岩渣试样宽度以确定出点荷载的加载点位置；
107.在加载点位置处进行负荷加载；
108.采集负荷加载后的岩渣试样图像，判断当前在线点荷载强度试验是否为有效试验。
109.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。