一种凿岩台车集成搭载的岩体结构探测系统及方法

1.本发明涉及隧道超前地质预报技术领域，特别是涉及一种凿岩台车集成搭载的岩体结构探测系统及方法。


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.在地质地形复杂的区域修建隧道时，对复杂地质条件下隧道工程工程勘察、设计、施工、运维等提出较高的要求，目前修建工程中已启用凿岩台车等大型机械化配套施工方案，而且隧道中不可控风险较多，地质灾害时有发生，采用传统的人工探测来采集数据危险性较大，传统的超前地质探测方法与大型机械化施工难以适配，为满足复杂极端环境下的施工安全，效率的要求，需要使用大型机械设备凿岩台车与智能化设备进行超前地质预报。
4.发明人发现，凿岩台车集成搭载智能化设备进行地质信息勘察进而指导隧道施工具有其独特的优势，但目前仍存在以下几个问题：
5.(1)目前尚未有凿岩台车搭载智能化设备进行隧道开挖，获取地质信息的相关系统及方法。
6.(2)凿岩台车机械化程度高，施工速度快，钻孔效率高，提高了施工质量；而常规勘察手段可靠性低、效率低、周期长、时效性差，与其难以适配，地质信息获取的滞后性无法及时指导凿岩台车钻孔爆破法施工，降低了施工安全性，极大地影响施工进度。
7.(3)隧道施工环境复杂，塌方、岩溶、突水突泥等不良地质灾害时有发生，采用传统的人工探测来采集数据危险性较大、难度系数高，亟需一种凿岩台车高效、智能化设备集成搭载系统进行岩体结构等地质信息的勘察。
8.(4)目前已有的地质信息多源数据融合预报方法比较单一，但是地质体经过长期而复杂的演变过程，其空间分布状态及属性常常具有突变与不均匀等特点，常规的勘察手段数据单一而且得到的数据受限，不能充分反映实际岩体结构情况，很难用较少的数据源得到精细化的预报信息。


技术实现要素：

9.为了解决上述问题，本发明提出了一种凿岩台车集成搭载的岩体结构探测系统及方法，基于凿岩台车本体，在凿岩台车本体上集成搭载自动化的钻孔摄像模组和扫描模组，凿岩台车本体的钻臂在钻孔时获取随钻数据信息，钻孔摄像模组采集孔内图像信息，三维激光扫描仪与多光谱相机采集隧道前方开挖岩体结构地质信息，将预报工作与凿岩台车施工钻进同步进行，提高了施工质量。
10.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
11.第一方面，本发明提供一种凿岩台车集成搭载的岩体结构探测系统，包括：凿岩台车本体、钻孔摄像模组、扫描模组和处理模组；
12.所述凿岩台车本体上设有吊篮臂，所述吊篮臂上设有钻孔摄像模组；
13.所述钻孔摄像模组包括伸缩装置和设于伸缩装置上的摄像模块，所述摄像模块与处理模组连接；
14.所述凿岩台车本体的顶部设有车载移动平台，所述车载移动平台的顶板上设有导轨，所述扫描模组安装在导轨上，且与处理模组连接；
15.所述凿岩台车本体内设有处理模组，所述处理模组接收钻孔摄像模组采集的岩体孔内图像，以及扫描模组采集的岩石多光谱图像和隧道掌子面点云数据，并以此得到隧道前方岩体结构信息。
16.作为可选择的实施方式，所述吊篮臂上设有吊篮，所述伸缩装置固定于吊篮的底部，所述伸缩装置将摄像模块延伸至钻孔内。
17.作为可选择的实施方式，所述吊篮内放置绞车，所述绞车的一端连接线缆卷轴的线缆一端，所述线缆卷轴的线缆另一端通过光纤电缆连接至处理模组，所述光纤电缆还与摄像模块连接。
18.作为可选择的实施方式，所述摄像模块包括全景摄像探头和录像机。
19.作为可选择的实施方式，所述摄像模块处设有光源。
20.作为可选择的实施方式，所述车载移动平台包括相对设置的第一侧板和第二侧板，以及与第一侧板和第二侧板均垂直设置的第三侧板，所述第三侧板的两端分别与第一折叠子板和第二折叠子板连接，且第一折叠子板与第一侧板铰接，第二折叠子板与第二侧板铰接。
21.作为可选择的实施方式，所述导轨包括曲面导轨和水平导轨。
22.作为可选择的实施方式，所述扫描模组包括三维激光扫描仪和多光谱相机，所述三维激光扫描仪设于水平导轨上，所述多光谱相机设于曲面导轨上。
23.作为可选择的实施方式，所述凿岩台车本体设有钻臂，所述钻臂被控制为按照钻孔布置图进行钻孔作业，同时处理模组获取钻孔的推进速度、推进压力、冲击压力、回转压力、水压力和水流量。
24.第二方面，本发明提供一种利用第一方面所述的凿岩台车集成搭载的岩体结构探测系统的工作方法，包括：
25.通过调整吊篮臂使得钻孔摄像模组水平居中进入钻孔；
26.控制钻臂按照钻孔布置图进行钻孔作业，同时获取钻孔的推进速度、推进压力、冲击压力、回转压力、水压力和水流量；
27.利用绞车驱动光纤电缆进行拉伸，以通过伸缩装置将钻孔摄像模组钻进至预定钻孔位置，获取孔壁图像；
28.控制扫描模组沿导轨移动至隧道轴线位置，通过控制扫描模组在车载移动平台的匀速移动，连续或间隔不同距离进行测量；
29.根据钻臂钻进过程的随钻参数，扫描模组采集的岩石多光谱图像和隧道掌子面点云数据，以及钻孔摄像模组采集的孔壁图像，得到隧道前方岩体结构信息。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
31.本发明基于凿岩台车本体，在凿岩台车本体上集成搭载自动化的钻孔摄像模组、扫描模组，凿岩台车本体的钻臂在钻孔时获取随钻数据信息，钻孔摄像模组采集孔内图像
信息，三维激光扫描仪与多光谱相机采集隧道前方开挖岩体结构地质信息，将预报工作与凿岩台车施工钻进同步进行，不影响隧道的施工进度，实时指导隧道施工，提高了施工质量。
32.本发明一种凿岩台车集成搭载的岩体结构探测系统及方法实现了凿岩台车自动获取多源信息与数据同步处理，为获取隧道短距离围岩结构、岩性等地质信息提供了一种快速有效的勘察方法，钻孔、采集与处理系统均可同时工作，缩短工作时间且无需人工操作，节时省力，自动化、机械化程度高，为钻爆法隧道机械化施工凿岩台车施工提供安全保障。
33.本发明基于凿岩台车集成搭载的岩体结构自动化探测系统，获取的地质信息数据量多、可信度高，可同时采集凿岩台车随钻参数信息、岩石多光谱图像信息、孔内图像信息、隧道掌子面点云信息，构成系统、全面的解译数据，从而获取不良地质目标体和岩体结构等地质信息。
34.本发明基于凿岩台车、数字式钻孔摄像系统、三维激光扫描仪与多光谱相机的集成搭载系统，数字化、智能化、自动化程度高，能够在隧道极端复杂恶劣的施工环境下工作，推动隧道施工向机械化、高效化、智能化方向发展。
35.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
36.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。
37.图1为本发明实施例1提供的凿岩台车集成搭载的岩体结构自动化探测系统整体平面图；
38.图2为本发明实施例1提供的钻孔摄像模组示意图；
39.图3为本发明实施例1提供的车载移动平台立体图；
40.图4为本发明实施例1提供的扫描模组示意图；
41.其中，1、凿岩台车本体，2、平台底板，3、车载移动平台，4、伸缩装置，5、吊篮，6、伸缩杆，7、控制终端，8、钻臂，9、钻孔摄像模组，10、开关装置，11、处理模组，12、第一侧板，13、第二侧板，14、第一折叠子板，15、第二折叠子板，16、第三侧板，17、锁紧机构，18、曲面导轨，19、平面导轨，20、平台顶板、21、三维激光扫描仪，22、多光谱相机、23、全景摄像探头，24、绞车，25、线缆卷轴，26、录像机，27、光纤电缆，28、光源，29、吊篮臂。
具体实施方式
42.下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
43.应该指出，以下详细说明都是示例性的，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。
44.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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
45.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组。
46.实施例1
47.如图1所示，本实施例提供一种凿岩台车集成搭载的岩体结构自动化探测系统，包括：凿岩台车本体1、钻孔摄像模组9、扫描模组和处理模组11；
48.所述凿岩台车本体上设有吊篮臂，所述吊篮臂上设有钻孔摄像模组；
49.所述钻孔摄像模组包括伸缩装置和设于伸缩装置上的摄像模块，所述摄像模块与处理模组连接；
50.所述凿岩台车本体的顶部设有车载移动平台，所述车载移动平台的顶板上设有导轨，所述扫描模组安装在导轨上，且与处理模组连接；
51.所述凿岩台车本体内设有处理模组，所述处理模组接收钻孔摄像模组采集的岩体孔内图像，以及扫描模组采集的岩石多光谱图像和隧道掌子面点云数据，并以此得到隧道前方岩体结构信息。
52.在本实施例中，在所述凿岩台车本体1的驾驶室内部设有开关装置10，通过所述开关装置10能够及时停止整个岩体结构探测过程，防止施工意外造成装置的损坏，保障人身安全。
53.在本实施例中，所述处理模组11用于岩体数据处理及显示，位于凿岩台车本体1的驾驶室内部，实现探测过程中对实时获取的岩体结构信息进行实时监视与实时处理。
54.优选地，在所述凿岩台车本体1的驾驶室内还设有控制终端7，所述控制终端7与处理模组11连接。
55.在本实施例中，所述凿岩台车本体1设有吊篮臂29，所述吊篮臂29上设有吊篮5。
56.在本实施例中，如图2所示，所述钻孔摄像模组9为自动化钻孔摄像，包括伸缩装置4、全景摄像探头23、绞车24、线缆卷轴25、录像机26、光纤电缆27和光源28。
57.优选地，所述伸缩推进装置4固定于吊篮5的底部，所述伸缩装置4包括设置的伸缩杆6，所述伸缩杆6上设置摄像模块，通过伸缩装置4能够将摄像模块6延伸至钻孔内；
58.更进一步地，所述摄像模块包括全景摄像探头23和录像机26。
59.优选地，所述绞车24的一端连接线缆卷轴25的线缆一端，绞车24设于吊篮5上，以将所述线缆卷轴25放置于吊篮5中；
60.所述线缆卷轴25的线缆另一端连接光纤电缆27，利用绞车24驱动光纤电缆27进行拉伸，利用伸缩装置4进行光纤电缆27的自动拉伸与收缩工作，将全景摄像探头23和录像机26钻进至预定钻孔位置，为深部的岩体结构探测提供便利。
61.优选地，所述全景摄像探头23和录像机26通过所述光纤电缆27与处理模组11连接，用于将全景摄像探头23和录像机26采集的岩体孔内图像数据传输至处理模组11中。
62.优选地，所述全景摄像探头23采用高压密封技术，保证探头安全，实现了观测360
°
孔壁，并通过照片或视频图像的方式实时提供孔壁图像。
63.优选地，所述光源28设置在全景摄像探头23位置处，为全景摄像探头23采集视频
数据时提供光源。
64.在本实施例中，所述凿岩台车本体1的顶部设置的车载移动平台3如图3所示，包括：平台底板2、第一侧板12、第二侧板13、第一折叠子板14、第二折叠子板15、第三侧板16、锁紧机构17、曲面导轨18、水平导轨19和平台顶板20；
65.优选地，所述车载移动平台3通过平台底板2嵌套固定于凿岩台车本体1顶部。
66.优选地，在平台顶板20上设有导轨，所述导轨上设置有可驱使移动的轨道，在轨道上安装支撑结构，所述支撑结构上设置扫描模组。
67.更进一步地，所述导轨包括曲面导轨18和水平导轨19；
68.更进一步地，曲面导轨18的两端位于水平导轨19上；可以理解的，曲面导轨18和水平导轨19的位置关系可由本领域人员根据现场实际需求进行设置，不仅限于本实施例提出的一种方式。
69.优选地，所述车载移动平台3为半开放式矩形平台，所述第一侧板12和第二侧板13相对设置；即所述平台底板2的一端连接第一侧板12的一端，第一侧板12的另一端连接顶板20的一端；所述平台底板2的另一端连接第二侧板13的一端，第二侧板13的另一端连接顶板20的另一端；
70.优选地，在车载移动平台3中，另外一侧的相对位置处设有第三侧板16，第三侧板16的两端分别与第一折叠子板14和第二折叠子板15连接，且第一折叠子板14通过锁紧机构17与第一侧板12铰接，第二折叠子板15通过锁紧机构17与第二侧板13铰接；
71.优选地，通过展开和折叠第一折叠子板14和第二折叠子板15，以用于展开和折叠第三侧板16。
72.在本实施例中，所述扫描模组包括三维激光扫描仪21、多光谱相机22；
73.如图4所示，所述三维激光扫描仪21设于水平导轨19上，所述多光谱相机22设于曲面导轨18上；多光谱相机22在曲面导轨18中上下行进，三维激光扫描仪21在水平导轨19中左右行进，且多光谱相机22与三维激光扫描仪21的扫描工作互不干扰，获取的岩石多光谱图像信息、隧道掌子面点云信息均通过数据线传输到处理模组11。
74.优选地，多光谱相机22通过支架在曲面导轨18中上下行进，三维激光扫描仪21通过支架在水平导轨19中左右行进。
75.在本实施例中，当多光谱相机22及三维激光扫描仪21开始对隧道开挖前方岩体结构进行扫描时，控制打开第一折叠子板14和第二折叠子板15，以展开第三侧板16，为下一步扫描岩体结构做好准备工作。
76.优选地，所述三维激光扫描仪21型号为scanstaion2，是扫描速度最快的脉冲式三维激光扫描仪，扫描速度50000点/s，其全方位视场角360
°×
270
°
，在水平导轨上左右行进即可完成前方围岩结构的扫描与探测。
77.优选地，所述多光谱相机22采集的岩石多光谱图像信息发送至处理模组11后，通采用光谱角填图、主成分分析、端元提取等方法实现岩石多光谱图像信息的岩体信息智能识别。
78.优选地，所述多光谱相机22与三维激光扫描仪21均通过数据线与处理模组11相连接。
79.在本实施例中，所述凿岩台车本体1设有钻臂8，通过钻臂8实时获取隧道内每个孔
的推进速度、推进压力、冲击压力、回转压力、水压力、水流量等随钻数据；凿岩台车本体1高度集成处理模组11，通过凿岩台车随钻参数的岩石力学参数预测方法，对岩体结构进行分析，与钻孔摄像模组9、扫描模组获取的岩石多光谱图像信息、孔内图像信息、隧道掌子面点云信息，形成岩体结构特性云图，构筑精准高效的地质信息，形成实时地质报告，并及时调整施工方案。
80.实施例2
81.本实施例提供一种上述凿岩台车集成搭载的岩体结构自动化探测系统的工作方法，包括以下步骤：
82.s1：检查系统各部分连接状态，确保安全后通过开关装置10开启凿岩台车集成搭载的岩体结构自动化探测系统。
83.s2：调整吊篮臂29，确保全景摄像探头23水平居中进入钻孔；通过控制终端7，按照预先设计好的钻孔布置图进行全自动钻孔作业，实时获取隧道内每个孔的推进速度、推进压力、冲击压力、回转压力、水压力、水流量随钻数据。
84.s3：启动车载移动平台3，第一侧板12、第二侧板13通过控制系统分别打开第一折叠子板14、第二折叠子板15，以使第三侧板16展开至水平状态。
85.s4：利用绞车24驱动光纤电缆27进行拉伸，并通过伸缩装置4将全景摄像探头23、录像机26钻进至预定钻孔位置，打开光源28，按下视频录制键，获取孔壁图像；通过光纤电缆将孔壁图像传输至处理模组11，通过数字图像处理的方式提取孔壁上结构面剖面线的特征信息，计算剖面线的形貌特征参数。
86.s5：控制三维激光扫描仪21、多光谱相机22呈水平状态，并沿着水平导轨19和曲面导轨18行至隧道轴线位置，通过控制终端7实现其在车载移动平台3的匀速移动，且连续测量或间隔不同距离进行测量；
87.s6：将钻臂8钻进获取的随钻参数信息，多光谱相机22及三维激光扫描仪21获取的岩石多光谱图像信息和隧道掌子面点云信息，以及钻孔摄像模组9获取的孔内图像信息，通过处理模组11利用不同数据格式源情况下的融合分析技术，获取隧道前方岩体结构信息，形成岩体结构特性云图，构筑精准高效的地质信息，形成实时地质报告，并及时调整施工方案。
88.s7：待各部分数据采集完成后，通过开关装置10关闭系统。
89.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。