本發(fā)明屬于盾構(gòu)開(kāi)挖面識(shí)別，尤其涉及基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷延拓，城市三維立體交通建設(shè)成為乘運(yùn)發(fā)展的主趨勢(shì)，城市基礎(chǔ)交通建設(shè)從地面建設(shè)向高空建設(shè)和深地建設(shè)發(fā)展。盾構(gòu)法憑借其機(jī)械化程度高、安全、高效、環(huán)境友好和對(duì)地面干擾小等優(yōu)越性成為地下工程建設(shè)的主流工法。針對(duì)各城市區(qū)域地層特征復(fù)雜多樣，盾構(gòu)安全穿越面臨極大挑戰(zhàn)。隧道開(kāi)挖面前方地質(zhì)狀況的精確感知是保障盾構(gòu)安全掘進(jìn)的重要前提。盾構(gòu)施工前應(yīng)明確不良地質(zhì)區(qū)段里程和不良地質(zhì)體賦存特征，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析與預(yù)警，并針對(duì)性地制定管控措施，否則極易造成突水涌沙、地面塌陷、開(kāi)挖面失穩(wěn)等嚴(yán)重安全事故。

3、但在實(shí)際施工中，前期常以鉆探與物探相結(jié)合的探測(cè)方式，但鉆探以點(diǎn)式勘探為主，難以掌握連續(xù)有效的地質(zhì)信息；而盾構(gòu)實(shí)際施工過(guò)程中，盾構(gòu)前方開(kāi)挖面保壓，無(wú)法直接觀測(cè)前方開(kāi)挖面情況。因此，如何快速識(shí)別前方開(kāi)挖面成為盾構(gòu)安全掘進(jìn)的關(guān)鍵難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別方法及系統(tǒng)，能夠快速識(shí)別前方開(kāi)挖面。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案：

3、第一方面，公開(kāi)了基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別方法，包括：

4、對(duì)出渣口處的圖像進(jìn)行處理，獲得巖渣形狀及體積，基于巖渣形狀及體積獲得硬質(zhì)巖層的性質(zhì)；

5、對(duì)盾構(gòu)渣土進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，通過(guò)距離測(cè)量值和角度值來(lái)確定周?chē)h(huán)境的掃描面，形成基于激光點(diǎn)云掃描的盾構(gòu)渣土重構(gòu)模型，基于盾構(gòu)渣土重構(gòu)模型獲得渣土體積；

6、根據(jù)巖渣體積及渣土體積計(jì)算獲得軟硬界面中硬巖區(qū)域比例；

7、獲得盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在復(fù)合地層掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)滾刀由軟弱地層進(jìn)入硬巖地層時(shí)振動(dòng)信號(hào)，據(jù)此獲取軟硬地層的變化界面位置；

8、基于軟硬界面中硬巖區(qū)域比例、軟硬地層的變化界面位置繪制盾構(gòu)開(kāi)挖面軟硬地層界面素描圖，進(jìn)行盾構(gòu)開(kāi)挖面軟硬地層界面的識(shí)別。

9、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，對(duì)出渣口處的圖像進(jìn)行處理之前，先獲得出渣口處的高清圖像，以每設(shè)定幀一張的頻率抽取視頻幀，剔除鏡頭污損下拍攝的圖像以及由于視頻卡頓造成的馬賽克不良圖像和冗余圖像，獲得有效圖像。

10、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，以每設(shè)定幀一張的頻率抽取視頻幀時(shí)，具體取幀頻率可根據(jù)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整。

11、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，對(duì)出渣口處的圖像進(jìn)行處理，具體包括：對(duì)處理后的有效圖像進(jìn)行二值化處理，采用分水嶺算法對(duì)圖像巖渣區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，采用等效橢圓體算法對(duì)巖渣進(jìn)行等效計(jì)算可算得巖渣體積及巖渣最大半徑，依據(jù)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生巖渣的形狀、體積及級(jí)配參數(shù)對(duì)圍巖類(lèi)型進(jìn)行判斷。

12、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，還包括構(gòu)建相關(guān)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的步驟：基于不同類(lèi)別巖石在盾構(gòu)滾刀作用下產(chǎn)生巖渣的形狀、體積及級(jí)配參數(shù)均有變化，由此利用室內(nèi)試驗(yàn)，構(gòu)建相關(guān)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并依據(jù)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生巖渣的形狀、體積及級(jí)配參數(shù)對(duì)圍巖類(lèi)型進(jìn)行判斷。

13、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述基于盾構(gòu)渣土重構(gòu)模型獲得渣土體積時(shí)在盾構(gòu)輸渣皮帶上方安裝激光掃描雷達(dá)，用于對(duì)盾構(gòu)渣土進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描。

14、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，獲取軟硬地層的變化界面位置時(shí)，具體為：由軟弱地層進(jìn)入硬巖地層時(shí)，由于地層性質(zhì)發(fā)生變化，相同掘進(jìn)參數(shù)下盾構(gòu)滾刀會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，布置于滾刀上的振動(dòng)傳感器接收，記錄數(shù)據(jù)采集時(shí)刻盾構(gòu)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方位，以此確定各信號(hào)采集系統(tǒng)空間位置，據(jù)此獲取軟硬地層的變化界面位置。

15、第二方面，公開(kāi)了基于渣土變化特征的盾構(gòu)開(kāi)挖面軟硬地層界面識(shí)別系統(tǒng)，包括：

16、硬質(zhì)巖層的性質(zhì)獲取模塊，被配置為：對(duì)出渣口處的圖像進(jìn)行處理，獲得巖渣形狀及體積，基于巖渣形狀及體積獲得硬質(zhì)巖層的性質(zhì)；

17、渣土體積獲取模塊，被配置為：對(duì)盾構(gòu)渣土進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，通過(guò)距離測(cè)量值和角度值來(lái)確定周?chē)h(huán)境的掃描面，形成基于激光點(diǎn)云掃描的盾構(gòu)渣土重構(gòu)模型，基于盾構(gòu)渣土重構(gòu)模型獲得渣土體積；

18、根據(jù)巖渣體積及渣土體積計(jì)算獲得軟硬界面中硬巖區(qū)域比例；

19、變化界面位置獲取模塊，被配置為：盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在復(fù)合地層掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)滾刀由軟弱地層進(jìn)入硬巖地層時(shí)振動(dòng)信號(hào)，據(jù)此獲取軟硬地層的變化界面位置；

20、開(kāi)挖面軟硬地層界面的識(shí)別模塊，被配置為：基于軟硬界面中硬巖區(qū)域比例、軟硬地層的變化界面位置繪制盾構(gòu)開(kāi)挖面軟硬地層界面素描圖，進(jìn)行盾構(gòu)開(kāi)挖面軟硬地層界面的識(shí)別。

21、以上一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案存在以下有益效果：

22、本發(fā)明技術(shù)方案所提出開(kāi)挖面識(shí)別方法隨盾構(gòu)掘進(jìn)可實(shí)時(shí)連續(xù)的對(duì)前方開(kāi)挖面進(jìn)行識(shí)別，相對(duì)于鉆探法來(lái)說(shuō)觀測(cè)更加連續(xù)?？闺姶鸥蓴_：相對(duì)于電磁法，本發(fā)明提出的方法不純粹依靠電磁波的使用，可盡量減少盾體電磁干擾的影響。

23、本發(fā)明技術(shù)方案所提出的方法綜合渣土識(shí)別和前方滾刀振動(dòng)識(shí)別，結(jié)合地勘資料，可更加詳細(xì)繪制開(kāi)挖面軟硬地層界面位置及性質(zhì)。

24、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

技術(shù)特征：

1.基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別方法，其特征是，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別方法，其特征是，對(duì)出渣口處的圖像進(jìn)行處理之前，先獲得出渣口處的高清圖像，以每設(shè)定幀一張的頻率抽取視頻幀，剔除鏡頭污損下拍攝的圖像以及由于視頻卡頓造成的馬賽克不良圖像和冗余圖像，獲得有效圖像。

3.如權(quán)利要求1所述的基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別方法，其特征是，以每設(shè)定幀一張的頻率抽取視頻幀時(shí)，具體取幀頻率可根據(jù)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整。

4.如權(quán)利要求1所述的基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別方法，其特征是，對(duì)出渣口處的圖像進(jìn)行處理，具體包括：對(duì)處理后的有效圖像進(jìn)行二值化處理，采用分水嶺算法對(duì)圖像巖渣區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，采用等效橢圓體算法對(duì)巖渣進(jìn)行等效計(jì)算可算得巖渣體積及巖渣最大半徑，依據(jù)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生巖渣的形狀、體積及級(jí)配參數(shù)對(duì)圍巖類(lèi)型進(jìn)行判斷。

5.如權(quán)利要求1所述的基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別方法，其特征是，還包括構(gòu)建相關(guān)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的步驟：基于不同類(lèi)別巖石在盾構(gòu)滾刀作用下產(chǎn)生巖渣的形狀、體積及級(jí)配參數(shù)均有變化，由此利用室內(nèi)試驗(yàn)，構(gòu)建相關(guān)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并依據(jù)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生巖渣的形狀、體積及級(jí)配參數(shù)對(duì)圍巖類(lèi)型進(jìn)行判斷。

6.如權(quán)利要求1所述的基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別方法，其特征是，所述基于盾構(gòu)渣土重構(gòu)模型獲得渣土體積時(shí)在盾構(gòu)輸渣皮帶上方安裝激光掃描雷達(dá)，用于對(duì)盾構(gòu)渣土進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描。

7.如權(quán)利要求1所述的基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別方法，其特征是，獲取軟硬地層的變化界面位置時(shí)，具體為：由軟弱地層進(jìn)入硬巖地層時(shí)，由于地層性質(zhì)發(fā)生變化，相同掘進(jìn)參數(shù)下盾構(gòu)滾刀會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，布置于滾刀上的振動(dòng)傳感器接收，記錄數(shù)據(jù)采集時(shí)刻盾構(gòu)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方位，以此確定各信號(hào)采集系統(tǒng)空間位置，據(jù)此獲取軟硬地層的變化界面位置。

8.基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別系統(tǒng)，其特征是，包括：

9.一種計(jì)算機(jī)裝置,包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述權(quán)利要求1-7任一所述的方法的步驟。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)執(zhí)行上述權(quán)利要求1-7任一所述方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了基于渣土變化特征的盾構(gòu)軟硬地層界面識(shí)別方法及系統(tǒng)，包括：對(duì)出渣口處的圖像進(jìn)行處理，獲得巖渣形狀及體積，基于巖渣形狀及體積獲得硬質(zhì)巖層的性質(zhì)；對(duì)盾構(gòu)渣土進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，通過(guò)距離測(cè)量值和角度值來(lái)確定周?chē)h(huán)境的掃描面，形成基于激光點(diǎn)云掃描的盾構(gòu)渣土重構(gòu)模型，基于盾構(gòu)渣土重構(gòu)模型獲得渣土體積；根據(jù)巖渣體積及渣土體積計(jì)算獲得軟硬界面中硬巖區(qū)域比例；獲得盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在復(fù)合地層掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)滾刀由軟弱地層進(jìn)入硬巖地層時(shí)振動(dòng)信號(hào)，據(jù)此獲取軟硬地層的變化界面位置；基于軟硬界面中硬巖區(qū)域比例、軟硬地層的變化界面位置繪制盾構(gòu)開(kāi)挖面軟硬地層界面素描圖，進(jìn)行盾構(gòu)開(kāi)挖面軟硬地層界面的識(shí)別。

技術(shù)研發(fā)人員：陳健,盧昕燦,巴興之,王志奎,王旌,楊公標(biāo),孔德奧,杜明哲
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中鐵十四局集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19