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 隨機配套的超前鉆機對隧道超前地質(zhì)勘探方面的作用十分重要，但現(xiàn)有TBM 隨機配套的超前鉆機對超前地質(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，尚停留在鉆機自身機械參數(shù)及人工經(jīng)驗判斷的層面，尚無法實現(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 高效掘進的前提[8]，研制TBM 機載超前鉆機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機載超前鉆可視化系統(tǒng)布設(shè)如圖1所示。

圖1 TBM機載超前鉆可視化系統(tǒng)布設(shè)示意圖

2 TBM機載超前鉆孔可視化系統(tǒng)組成

2.1 主要硬件組成

TBM 機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、高清探頭、傳送桿、PC顯示屏等，其中TBM 可視化集成主機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、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 顯示器上實現(xiàn)人機交互及遠程視頻同步傳輸。TBM 機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)，從而實現(xiàn)對鉆孔通長范圍內(nèi)部圍巖結(jié)構(gòu)進行視頻觀測、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 機載可視化系統(tǒng)集成主機，主機收到深度計數(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。主機在對圖像進行處理的同時并對展開圖進行同步實時存儲，并以USB 接口或者TBM 平衡傳輸系統(tǒng)同步遠程傳輸至地面指揮中心PC 機上做進一步分析及研判。探頭細部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

3 TBM機載超前鉆孔可視化系統(tǒng)功能

TBM 機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。TBM 機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)︺@孔孔壁進行輔助照明功能；⑦井下與地面間遠程視頻同步傳輸及數(shù)據(jù)交互功能。

圖3 探頭細部結(jié)構(gòu)示意圖

4 TBM機載超前鉆孔可視化推演

TBM 機載超前鉆孔可視化系統(tǒng)特別適合于無法取得實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通過對狀態(tài)信息及參數(shù)的處理，實現(xiàn)對全孔深可形成數(shù)字化鉆孔巖芯并永久保存，實現(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，以實時全方位、遠程視頻同步傳輸、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 機載超前鉆孔可視化系統(tǒng)的配套應(yīng)用，彌補了現(xiàn)有TBM 機載超前鉆機只能鉆孔，不能對鉆孔范圍圍巖進行定性、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 機載超前鉆機的配套應(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充，具有較強的工程實踐性及推廣應(yīng)用價值。