一种TBM施工岩爆微震自动监测智能预警系统及方法

一种tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统及方法
技术领域
1.本发明涉及微震监测领域，更具体涉及一种tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统，还涉及一种tbm施工岩爆微震自动监测智能预警方法。


背景技术：

2.全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,tbm)是一种高度集成化、机械化的岩石隧道掘进设备。tbm可以实现刀盘切削掌子面岩石，皮带运输碎石，锚杆钻机锚固岩体，钢拱架安装器组装钢拱架支撑，喷浆桥喷射混凝土等系列工序，确保岩石隧道的快速、安全、高质量施工，是一种在国内外广泛应用的重要隧道施工方法。
3.随着经济社会发展，tbm施工愈加频繁地遇到岩质差、高埋深、高地应力的工程环境。在这种赋存条件下，围岩因开挖导致应力重分布，岩体内应变能逐渐累积并在一定时刻突然释放，产生岩爆灾害。岩爆作为隧道施工最主要问题之一，轻则岩块剥落影响衬砌效果，重则飞石伤人、砸坏设备，甚至可能导致tbm卡机、局部崩塌等，严重影响人员设备安全和工程的正常推进。
4.为了能够有效合理地防止岩爆，必须找到一种能够准确预警岩爆的监测方法。微震监测技术通过监测围岩中岩石破裂释放的弹性波，分析其时空、能级等信息，能够实现较为准确的岩爆预警。但微震监测技术之所以能够监测岩石破裂震动信号，是依托于埋设在围岩中的微震传感器。因此在tbm隧道施工中，为了确保微震监测系统始终能够覆盖tbm掘进掌子面附近区域，工作人员必须根据tbm施工的进度，频繁的拆装传感器。由于传感器一般安装于掌子面后不远处，活跃的岩爆活动会严重威胁工作人员的人身安全；同时，现有方法需要每次拆装传感器时，都需要对传感器线缆进行重新布线，往往耗时较长，严重影响微震监测的时间连续性。另外，现行的微震数据处理方法主要依靠人工对微震信号进行识别，从中筛选有效的岩石破裂信号并拾取到时，进行破裂事件的定位。该方法需要大量依靠人工处理，耗时较长，造成很大的岩爆预警空窗期。因此急需找到一种能够避免传感器频繁人工拆装，且缩短微震监测与岩爆预警空窗期的方法。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统，还提供一种tbm施工岩爆微震自动监测智能预警方法，以解决现有技术中人工拆装传感器时工作危险且耗时长，微震数据人工处理耗时长，影响微震监测精度和及时性的问题。为了便于表述，下文所述前方指tbm上趋近隧道掌子面的方向；后方指tbm上远离掌子面的方向；左方指站在tbm上面对掌子面时的左手方向；右方指站在tbm上面对掌子面时的右手方向；上方指tbm上趋近拱顶的方向；下方指tbm上趋近底板的方向；外侧指tbm剖面上指向洞壁的方向，内侧指tbm剖面上指向隧洞截面中心的方向。
6.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
7.一种tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统，包括tbm主体中隔板，还包括设置
在tbm主体中隔板上的导轨、传感器拖令支架和小车拖令支架，行走小车上设置有小车驱动轮，小车驱动轮与导轨适配连接，传感器拖令支架上设置有微震传感器拖令，小车拖令支架上设置有行走小车拖令，行走小车上设置有用于夹持微震传感器可回收装置的协作机器人，行走小车上设置有与协作机器人连接的协作机器人控制柜，导轨上设置有用于标记行走小车位置的坐标。
8.如上所述行走小车上还设置有用于观察衬砌、钻孔和协作机器人的姿态相机，行走小车上还设置有用于观察行走小车行进前方轨道和后方轨道以及行走小车在轨道上坐标的行走相机，协作机器人上安装有用于观察钻孔和微震传感器可回收装置的位置的钻孔相机。
9.如上所述钻孔相机、姿态相机、行走相机、以及协作机器人控制柜的网线和供电线缆均汇总到行走小车的网线和线缆中并通过行走小车拖令放线，微震传感器套设在微震传感器可回收装置的内部，微震传感器的电缆从微震传感器可回收装置的靠近被协作机器人夹持的端部的位置延伸出来并通过微震传感器拖令进行放线。
10.一种tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统，还包括布置在tbm主机室内的tbm主控台和微震监测服务器，微震采集仪放置在tbm后配套拖车上；tbm上的1台光电交换机放在tbm后配套拖车上，洞外的1台光电交换机放在洞外办公室内；中央控制台放置在洞外办公室内，微震传感器将监测到的微震波转化为模拟电信号并通过电缆传输到微震采集仪上；微震采集仪将模拟电信号转化为数字电信号并通过网线传输到微震服务器上；微震服务器将微震数字电信号分析后得到监测预警结果的数字电信号并通过网线传输到tbm主控台上进行显示，同时也将监测预警结果通过网线传输至tbm上的光电转换器上；tbm上的tbm内光电转换器将监测预警结果的数字电信号转化为光信号并通过光纤远距离传输到洞外的光电转换器上；洞外的光电转换器将光信号转换为数字电信号并传输到中央控制台上；
11.协作机器人通过网线连接到协作机器人控制柜上；钻孔相机、姿态相机、行走相机和协作机器人控制柜的通讯数字电信号通过网线连接到行走小车上；行走小车的通讯数字电信号通过网线连接到tbm内光电转换器上；tbm内光电转换器将行走小车的通讯数字电信号转化为光信号并通过光纤传输到洞外光电转换器上；洞外光电转换器将行走小车的通讯光信号转化为电信号并通过网线传输到中央控制台上。
12.一种tbm施工岩爆微震自动监测智能预警方法，包括以下步骤：
13.步骤1、微震传感器拆卸阶段：
14.步骤1.1、开始拆卸微震传感器前，将行走小车移动回微震传感器的位置，此时行走小车松开刹车，沿导轨行走回到第1个微震传感器安装的位置；
15.步骤1.2、遥控协作机器人对准并夹住微震传感器可回收装置的尾端，
16.步骤1.3、协作机器人反向旋转微震传感器可回收装置的尾端，带动微震传感器反向旋转，将微震传感器可回收装置松开与钻孔的耦合，
17.步骤1.4、协作机器人收回，将微震传感器和微震传感器可回收装置往外拉出岩壁钻孔，
18.步骤2、微震传感器安装阶段：
19.步骤2.1、行走小车沿着导轨行走，带动协作机器人夹着微震传感器和微震传感器可回收装置移动到对应新钻孔位置，
20.步骤2.2、行走小车启动刹车以防止产生滑动，协作机器人调整姿态将微震传感器对准钻孔，可通过姿态相机和钻孔相机远程协助对准，
21.步骤2.3、协作机器人伸长将微震传感器和微震传感器可回收装置推进钻孔，
22.步骤2.4、协作机器人旋转微震传感器可回收装置的尾端，将微震传感器可回收装置撑开并与钻孔耦合在一起，
23.步骤2.5、协作机器人松开微震传感器可回收装置的尾端，协作机器人折叠收回并去拆装下一个微震传感器，重复步骤1和步骤2直到所有微震传感器都拆装完毕，
24.步骤3、微震监测阶段：
25.步骤3.1、协作机器人回到待机复位状态，行走小车行驶回到导轨端部并启动刹车，
26.步骤3.2、tbm向前掘进，微震传感器固定于洞壁钻孔内并与tbm产生相对位移，微震传感器拖令为微震传感器自动放线，
27.步骤3.3、计算得到微震传感器的实时坐标，结合微震传感器的实时坐标对监测到的微震信号进行分析处理，并将分析处理结果输出到tbm主控台和中央控制台上，
28.步骤3.4、判断tbm掘进行程是否大于或等于重新拆装传感器的掘进间距时，若是则再次触发微震传感器自动拆装流程，重复步骤1～步骤3；否则继续进行微震信号的分析处理。
29.本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
30.1、能够实现微震传感器的自动遥控拆装，无需作业人员进洞现场拆装，保障了人员安全且减少人工成本；
31.2、能够实现自动放线，大幅减少了传感器拆装所需要的时间，保证了微震监测的时间连续性；
32.3、能够实现微震传感器坐标的自动化智能校正，相较传统人工测量，在实现自动化的同时具有更高的精度，进而提高微震监测与岩爆预警的精度；
33.4、能够实现自动化微震监测，提高tbm施工作业机械化和自动化程度。
附图说明
34.图1为本发明系统的第一种典型布置的剖面图；
35.图2为本发明系统的第二种典型布置的剖面图；
36.图3为本发明系统的第一种典型布置的a处放大图；
37.图4为本发明系统的微震传感器安装示意图；
38.图5为本发明系统的典型布置的左视图；
39.图6为本发明的初始时的接线俯视图；
40.图7为本发明的需要拆装传感器时的接线俯视图；
41.图8为本发明的系统拓扑图；
42.图9为本发明的微震传感器拆装控制方法流程图；
43.图10为本发明方法的流程图。
44.其中，1-围岩；2-衬砌；3-tbm主体；4-微震传感器拖令；5-钻孔；6-微震传感器；7-微震传感器可回收装置；8-协作机器人；9-行走小车；10-导轨；11-行走小车拖令；12-钻孔
相机；13-姿态相机；14-行走相机；15-协作机器人控制柜；16-微震采集仪；17-tbm主控台；18-微震服务器；19-中央控制台；20-光电转换器。
具体实施方式
45.为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
46.本发明实施例公开了一种tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统，以解决现有技术中人工拆装传感器时工作危险且耗时长，微震传感器坐标难以测量，影响微震监测精度的问题。
47.1、tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统的设备布置
48.如图1、图2所示，tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统的设备剖面整体布置，需要考虑tbm主体3的结构差异和电缆走线互不干涉原则。图1所示情况下，tbm主体3中隔板的左下和右下位置均有充足截面空间且轴向上连续无遮挡，因此可以在中隔板的左下和右下位置各设置1条导轨10和1条行走小车拖令11；为防止行走小车拖令11和微震传感器拖令4的相互干涉，在中隔板的左上和右上位置各布置若干微震传感器拖令4；每个微震传感器6配置1条微震传感器拖令4。
49.与之相异的，图2所示情况下，tbm主体在右下位置因障碍物的影响而空间缺乏，但右上位置空间充足，同时为防止行走小车拖令11和微震传感器拖令4的相互干涉，因此在中隔板的左下位置布置1条导轨10和1条行走小车拖令，左上位置布置若干微震传感器拖令4；在中隔板的右上位置布置1条导轨10和若干微震传感器拖令4，右下位置布置1条行走小车拖令；每个微震传感器6配置1条微震传感器拖令4。
50.结合图3-图5，tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统的设备剖面具体布置时，导轨10沿轴向固定在tbm中隔板的底面，导轨10使用c型轨或者工字型轨，导轨10上标记有行程标尺以用于确定行走小车9的坐标；行走小车9挂在导轨10上，并可以沿着导轨10前后行走；行走小车拖令11在行走小车9的内侧沿tbm轴向布置，行走小车拖令11的滑车首车固定到行走小车9上，行走小车9的供电线缆和网线都通过行走小车拖令11放线；协作机器人8的底座法兰安装在行走小车9的后侧面上突出的三角板上，以确保协作机器人8在运动时不会和行走小车9发生干涉；姿态相机13安装在行走小车9的外侧面，用于观察衬砌2、钻孔5和协作机器人8的实际情况，行走相机14安装在行走小车9的前侧面和后侧面，用于观察行走小车9行进前方轨道和后方轨道通畅情况并用于识别小车坐标，钻孔相机12安装在协作机器人8的腕部，用于观察钻孔5和微震传感器可回收装置7的位置关系，钻孔相机12、姿态相机13和行走相机14的网线和供电线缆分别汇入到行走小车9的网线和供电线缆中；协作机器人控制柜15安装在行走小车9内，用于控制协作机器人8，协作机器人控制柜15的供电线缆和网线都汇入到行走小车9的供电线缆和网线中；钻孔5由现场掘进施工时预先打好，钻孔5的直径等于微震传感器可回收装置7撑开时的外径，钻孔5的深度应不小于微震传感器可回收装置7的总长并确保穿过衬砌2打入到围岩1中，钻孔5应具有一定的上倾角度以便于排水，为了保证微震监测效果，钻孔5可安装在不同截面高度上；微震传感器6套设在微震传感器可回收装置7的内部，微震传感器6的电缆从微震传感器可回收装置7的靠近被夹持端
部的位置延伸出来并通过微震传感器拖令4进行放线；微震传感器可回收装置7可以通过旋转被协作机器人夹持的端部来实现收缩和扩张，当需要安装微震传感器6时，可以通过扩张微震传感器可回收装置7来耦合在钻孔5内，当需要拆卸微震传感器6时，可以通过收缩微震传感器可回收装置7来解除耦合；为了防止各拖令之间相互干涉，微震传感器拖令4沿tbm轴向布置于中隔板上面，每个微震传感器拖令4对应1个微震传感器6，每个微震传感器拖令4的长度根据每个微震传感器6在工作全过程中与tbm的相对行程来确定。
51.结合图5-图8，tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统的设备轴向布置时，本实施例中tbm主控台17和微震监测服务器18布置在tbm主机室内；微震采集仪16放置在tbm后配套拖车上；tbm上的1台光电交换机20放在tbm后配套拖车上，洞外的1台光电交换机20放在洞外办公室内；中央控制台19放置在洞外办公室内；导轨10及行走小车9等，具体的编号为4～15的设备或结构，都应布置在tbm喷浆桥之后的区域。
52.进一步地，结合图6和图7，微震传感器7在轴向上按照一定间隔排列，布置数量和布置间距应当考虑tbm现场实际条件。本实施例中，由于tbm左侧部分拖车在尾部有皮带机等障碍物，左侧可利用的布置长度短于右侧，因此在tbm左侧布置3个微震传感器6，在tbm右侧布置4个微震传感器6。每条微震传感器拖令4应当覆盖对应的微震传感器6在全程中相对tbm走过的相对行程，每条微震传感器拖令4的长度＝拖令存车库长度 重新拆装传感器的掘进间距 预留富裕长度。每条导轨10应当覆盖对应的行走小车9的全部行程，也就是对应侧方的微震传感器6的总行程，在本实施例中，左侧导轨10应覆盖左侧3个微震传感器6的全部行程，右侧导轨10应覆盖右侧4个微震传感器6的全部行程。每条行走小车拖令11的长度与对应导轨10相同。
53.结合图8，tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统的设备通讯布置时，所有的微震传感器6将监测到的微震波转化为模拟电信号并通过电缆传输到微震采集仪16上；微震采集仪16将模拟电信号转化为数字电信号并通过网线传输到微震服务器18上；微震服务器将微震数字电信号分析后得到监测预警结果的数字电信号并通过网线传输到tbm主控台17上进行显示，上述对微震数字电信号进行分析获得监测预警结果为现有技术，同时也将监测预警结果通过网线传输至tbm内光电转换器20上；tbm上的光电转换器20将监测预警结果的数字电信号转化为光信号并通过光纤远距离传输到洞外光电转换器20上；洞外的光电转换器20将光信号转换为数字电信号并传输到中央控制台19上，供相关技术人员远程分析。另外地，协作机器人8通过网线连接到协作机器人控制柜15上；钻孔相机12、姿态相机13、行走相机14和协作机器人控制柜15的通讯数字电信号通过网线连接到行走小车9上；行走小车9的通讯数字电信号通过网线连接到tbm内光电转换器20上；tbm内光电转换器20将行走小车9的通讯数字电信号转化为光信号并通过光纤传输到洞外光电转换器20上；洞外光电转换器20将行走小车9的通讯光信号转化为电信号并通过网线传输到中央控制台19上，供相关技术人员进行远程监控和遥控。
54.2、tbm施工岩爆微震自动监测智能预警方法
55.结合图8、图9和图10，tbm施工岩爆微震自动监测智能预警系统的实施方法包括以下步骤：
56.步骤1、微震传感器拆卸阶段：
57.步骤1.1、开始拆卸微震传感器6前，需要将行走小车9移动回传感器6的位置，此时
行走小车9松开刹车，沿导轨10行走回到第1个微震传感器6安装的位置。
58.步骤1.2、遥控协作机器人8对准并夹住微震传感器可回收装置7的尾端。
59.步骤1.3、协作机器人8反向旋转微震传感器可回收装置7的尾端，带动微震传感器6反向旋转，将微震传感器可回收装置7松开与钻孔5的耦合。
60.步骤1.4、协作机器人8收回，将微震传感器6和微震传感器可回收装置7往外拉出岩壁钻孔5。
61.步骤2、微震传感器安装阶段：
62.步骤2.1、行走小车9沿着导轨10行走，带动协作机器人8夹着微震传感器6和微震传感器可回收装置7移动到对应新钻孔5位置。
63.步骤2.2、行走小车9启动刹车以防止产生滑动，协作机器人8调整姿态将微震传感器6对准钻孔，可通过姿态相机13和钻孔相机12远程遥控调整位置。
64.步骤2.3、协作机器人8伸长将微震传感器6和微震传感器可回收装置7推进钻孔5。
65.步骤2.4、协作机器人8旋转微震传感器可回收装置7的尾端，带动微震传感器6旋转，将微震传感器可回收装置7撑开并与钻孔5耦合在一起。
66.步骤2.5、协作机器人8松开微震传感器可回收装置7的尾端，协作机器人8折叠收回并去拆装下一个微震传感器6，重复步骤1和步骤2直到所有微震传感器6都拆装完毕。
67.步骤3、微震监测阶段：
68.步骤3.1、协作机器人8回到待机复位状态，行走小车9行驶回到导轨10端部并启动刹车。
69.步骤3.2、tbm向前掘进，此时tbm主体中隔板上的各个部件都随着tbm而向前移动，微震传感器6固定于洞壁钻孔5内并与tbm产生相对位移，微震传感器拖令4为微震传感器6自动放线。
70.步骤3.3、计算得到微震传感器6的实时坐标(可根据基于深度学习的传感器坐标修正算法，为现有技术)，将微震传感器6的实时坐标输入到微震自动监测算法(为现有算法)中对微震传感器6监测到的微震信号进行分析处理，将处理出的岩石破裂微震源参数输入到岩爆智能预警算法(为现有算法)中，得到岩爆等级和概率的预测值，随后将岩爆等级和概率的预测值作为预警结果输出到tbm主控台17和中央控制台19上，以供现场施工人员和洞外办公室相关技术人员参考。
71.步骤3.4、判断tbm掘进行程是否大于或等于重新拆装传感器的掘进间距时，若是则再次触发微震传感器自动拆装流程，重复步骤1～步骤3；否则继续进行微震监测和岩爆预警。
72.需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。