TBM機(jī)載超前鉆孔可視化系統(tǒng)研究及應(yīng)用

劉 濤

（西安中鐵工程裝備有限公司，陜西 西安 710200）

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，隧道工程施工質(zhì)量及安全的要求也不斷升高，TBM 在鐵路隧道、水工隧洞、城市軌道交通隧道及礦山井巷工程等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[1～4]，面對各領(lǐng)域復(fù)雜多變的隧道（洞）地質(zhì)條件，TBM 隨機(jī)配套的超前鉆機(jī)對隧道超前地質(zhì)勘探方面的作用十分重要，但現(xiàn)有TBM 隨機(jī)配套的超前鉆機(jī)對超前地質(zhì)鉆孔結(jié)果、圍巖巖性、地質(zhì)災(zāi)害等的判識及分析，探測手段及方法單一，尚停留在鉆機(jī)自身機(jī)械參數(shù)及人工經(jīng)驗判斷的層面，尚無法實(shí)現(xiàn)定性、定量判識掌子面前方圍巖巖性、地質(zhì)災(zāi)害的圖像化識別，其自身局限性越來越突出，無法滿足復(fù)雜多變的地質(zhì)條件隧道工程實(shí)際施工需求[5～7]。

準(zhǔn)確的地質(zhì)勘查和超前地質(zhì)預(yù)報是TBM 高效掘進(jìn)的前提[8]，研制TBM 機(jī)載超前鉆機(jī)相配套鉆孔可視化系統(tǒng)是保障TBM 施工安全、可靠、快速的迫切需求，也是如何實(shí)現(xiàn)TBM 超前地質(zhì)鉆孔定量精準(zhǔn)探測亟待解決的難題之一。

1 總體解決方案

針對以上問題，在克服現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性提出了將一種鉆孔可視化系統(tǒng)加載并應(yīng)用于TBM 超前鉆孔探測分析中，高清探頭通過傳送桿組件推入TBM 超前鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)全景成像、錄像，關(guān)鍵部位抓拍，鉆孔軌跡測量等動作，并經(jīng)過鉆孔可視化系統(tǒng)主機(jī)中的圖像編輯處理器處理、分析軟件分析后，獲取TBM 超前鉆孔通長范圍內(nèi)孔壁裂隙、空洞、含水層出水口位置、斷層構(gòu)造等地質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜地質(zhì)條件下硬巖類隧道TBM 施工超前地質(zhì)圍巖巖性、地層裂隙構(gòu)造帶、地質(zhì)災(zāi)害等的定性及定量判釋和圖像化精準(zhǔn)識別，從而為隧道TBM 施工更加安全、可靠、快速提供輔助手段及重要依據(jù)和佐證。TBM機(jī)載超前鉆可視化系統(tǒng)布設(shè)如圖1所示。

圖1 TBM機(jī)載超前鉆可視化系統(tǒng)布設(shè)示意圖

2 TBM機(jī)載超前鉆孔可視化系統(tǒng)組成

2.1 主要硬件組成

TBM 機(jī)載超前鉆孔可視化系統(tǒng)主要硬件包括TBM 可視化集成主機(jī)、高清探頭、傳送桿、PC顯示屏等，其中TBM 可視化集成主機(jī)主要包括嵌入式平臺、顯示模塊、電源模塊、深度采集模塊、圖像采集模塊及平衡或不平衡傳輸模塊等。將集成主機(jī)、PC 顯示器布設(shè)在TBM 控制室內(nèi)，用戶可在TBM 控制室內(nèi)可視化系統(tǒng)PC 顯示器上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及遠(yuǎn)程視頻同步傳輸。TBM 機(jī)載超前鉆孔可視化系統(tǒng)硬件總體方案如圖2 所示。

圖2 TBM機(jī)載超前鉆孔可視化系統(tǒng)硬件總體方案

2.2 成像原理

探頭包括高清攝像頭、高精度羅盤以及光源，通過傳送桿將可視化高清探頭送入TBM 超前鉆孔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對鉆孔通長范圍內(nèi)部圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行視頻觀測、圖像采集及鉆孔軌跡測量等功能。探頭內(nèi)置的高清攝像機(jī)掃描和采集鉆孔內(nèi)部信息，采集到的視頻或圖像等鉆孔信息通過連接電纜傳輸?shù)絋BM 機(jī)載可視化系統(tǒng)集成主機(jī)，主機(jī)收到深度計數(shù)器感應(yīng)信號、探頭采集的視頻及圖像等信號，通過主機(jī)內(nèi)置的深度采集模塊、圖像采集模塊對應(yīng)的分析處理器，計算高清探頭所在的深度、位置及角度等狀態(tài)信息，并完成視頻信息模式向數(shù)字信息模式的轉(zhuǎn)換，對圖像進(jìn)行展開、與前圖像高頻匹配和拼接。探測過程中，隨著高清探頭在鉆孔內(nèi)部通長范圍探測，采集到的鉆孔內(nèi)壁信息自動匹配拼接成一幅完整且連續(xù)的鉆孔內(nèi)壁結(jié)構(gòu)平面展開圖。主機(jī)在對圖像進(jìn)行處理的同時并對展開圖進(jìn)行同步實(shí)時存儲，并以USB 接口或者TBM 平衡傳輸系統(tǒng)同步遠(yuǎn)程傳輸至地面指揮中心PC 機(jī)上做進(jìn)一步分析及研判。探頭細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

3 TBM機(jī)載超前鉆孔可視化系統(tǒng)功能

TBM 機(jī)載超前鉆孔可視化系統(tǒng)主要用于對超前鉆孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地層裂隙構(gòu)造帶、地質(zhì)災(zāi)害等的定性及定量判識和圖像化精準(zhǔn)識別，具有直觀、精確清晰等特點(diǎn)。TBM 機(jī)載超前鉆孔可視化系統(tǒng)具備如下基本功能：①圖像采集和存儲功能；②視頻采集和存儲功能；③深度測量功能；④探頭方位、傾角等測量，并繪制鉆孔軌跡功能；⑤采集圖像展開和拼接功能；⑥高清探頭能夠?qū)︺@孔孔壁進(jìn)行輔助照明功能；⑦井下與地面間遠(yuǎn)程視頻同步傳輸及數(shù)據(jù)交互功能。

圖3 探頭細(xì)部結(jié)構(gòu)示意圖

4 TBM機(jī)載超前鉆孔可視化推演

TBM 機(jī)載超前鉆孔可視化系統(tǒng)特別適合于無法取得實(shí)際巖芯的破碎帶地層鉆孔通長范圍孔壁圍巖的裂隙發(fā)育及完好程度判識。當(dāng)高清探頭在推送過程中，TBM 控制室軟件界面PC 顯示屏可同步實(shí)時顯示鉆孔深度、方位角、傾角以及工具面等基本信息，高清探頭深入鉆孔后，其狀態(tài)信息及參數(shù)定時存儲，并以固定的可編輯語言形式導(dǎo)出。TBM 鉆孔可視化集成主機(jī)通過對狀態(tài)信息及參數(shù)的處理，實(shí)現(xiàn)對全孔深可形成數(shù)字化鉆孔巖芯并永久保存，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜地質(zhì)條件下硬巖類隧道TBM 施工超前地質(zhì)圍巖巖性、地層裂隙構(gòu)造帶、地質(zhì)災(zāi)害等的定性及定量判釋和圖像化精準(zhǔn)識別。

本文以某隧道超前鉆孔為例進(jìn)行闡述，超前鉆孔內(nèi)部構(gòu)造如圖4 所示，該超前鉆孔孔徑85mm，使用直徑42mm 探頭進(jìn)行觀測，從圖中可以清楚看到，通孔范圍巖性整體性相對較好，探頭所在孔深位置處存在明顯裂縫，孔內(nèi)無裂隙水。鉆孔內(nèi)部可視化探測后，鉆孔可視化系統(tǒng)根據(jù)探測采集的鉆孔深度、傾角、工具面向角和方位角等參數(shù)，自動繪制其空間軌跡，鉆孔可視化系統(tǒng)軌跡繪制如圖5 所示。

圖4 超前鉆孔探測可視化效果圖

圖5 鉆孔軌跡繪制示意圖

圖6 鉆孔內(nèi)壁平面效果圖

TBM 機(jī)載超前鉆孔可視化系統(tǒng)將采集的鉆孔內(nèi)部視頻信息同步結(jié)合鉆孔深度、方位角、傾角以及工具面等基本信息，以實(shí)時全方位、遠(yuǎn)程視頻同步傳輸、記憶可存儲的形式呈現(xiàn)給工程應(yīng)用者，尤其是在隧道巖性破碎、過斷層構(gòu)造、層理裂隙發(fā)育、地質(zhì)互層膠結(jié)、地層含水及巖變頻繁等復(fù)雜地質(zhì)條件下優(yōu)勢明顯。通過超前鉆孔可視化影像反饋資料進(jìn)行分析探討，能掌握超前地質(zhì)段圍巖的完整性及破壞情況，為超前地質(zhì)的分析和TBM 施工提前采取應(yīng)對措施提供重要依據(jù)和佐證，如圖6 所示，可視化界面右側(cè)的圖像為可視化鉆孔內(nèi)壁平面展開效果圖。

5 結(jié)論

1）TBM 機(jī)載超前鉆孔可視化系統(tǒng)的配套應(yīng)用，彌補(bǔ)了現(xiàn)有TBM 機(jī)載超前鉆機(jī)只能鉆孔，不能對鉆孔范圍圍巖進(jìn)行定性、定量判釋和圖像化精準(zhǔn)識別的缺陷和局限性。

2）利用TBM 既有通訊系統(tǒng)，超前鉆孔成像過程及結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)井下與地面遠(yuǎn)程視頻同步傳輸及數(shù)據(jù)交互功能，為開展復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工工程與地質(zhì)遠(yuǎn)程專家視頻會診提供技術(shù)支撐。

3）將鉆孔可視化系統(tǒng)加載并應(yīng)用于TBM 超前鉆孔探測分析中，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜地質(zhì)條件下硬巖類隧道TBM 施工超前地質(zhì)圍巖巖性、地層裂隙構(gòu)造帶、地質(zhì)災(zāi)害等的定性及定量判釋和圖像化精準(zhǔn)識別，從而為隧道TBM 施工更加安全、可靠、快速提供輔助手段及重要依據(jù)和佐證。

4）鉆孔可視化系統(tǒng)與TBM 機(jī)載超前鉆機(jī)的配套應(yīng)用，為復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM 施工及早發(fā)現(xiàn)問題、及早采取應(yīng)對措施爭取了寶貴時間及空間，也是對TBM 自身地質(zhì)條件適應(yīng)性差、施工手段單一等缺陷的有益補(bǔ)充，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性及推廣應(yīng)用價值。