TBM机载超前钻孔可视化系统研究及应用

刘 涛

（西安中铁工程装备有限公司，陕西 西安 710200）

随着我国国民经济水平的不断提高，隧道工程施工质量及安全的要求也不断升高，TBM 在铁路隧道、水工隧洞、城市轨道交通隧道及矿山井巷工程等领域应用越来越广泛[1～4]，面对各领域复杂多变的隧道（洞）地质条件，TBM 随机配套的超前钻机对隧道超前地质勘探方面的作用十分重要，但现有TBM 随机配套的超前钻机对超前地质钻孔结果、围岩岩性、地质灾害等的判识及分析，探测手段及方法单一，尚停留在钻机自身机械参数及人工经验判断的层面，尚无法实现定性、定量判识掌子面前方围岩岩性、地质灾害的图像化识别，其自身局限性越来越突出，无法满足复杂多变的地质条件隧道工程实际施工需求[5～7]。

准确的地质勘查和超前地质预报是TBM 高效掘进的前提[8]，研制TBM 机载超前钻机相配套钻孔可视化系统是保障TBM 施工安全、可靠、快速的迫切需求，也是如何实现TBM 超前地质钻孔定量精准探测亟待解决的难题之一。

1 总体解决方案

针对以上问题，在克服现有技术缺点基础上，创造性提出了将一种钻孔可视化系统加载并应用于TBM 超前钻孔探测分析中，高清探头通过传送杆组件推入TBM 超前钻孔进行孔内全景成像、录像，关键部位抓拍，钻孔轨迹测量等动作，并经过钻孔可视化系统主机中的图像编辑处理器处理、分析软件分析后，获取TBM 超前钻孔通长范围内孔壁裂隙、空洞、含水层出水口位置、断层构造等地质信息，实现对复杂地质条件下硬岩类隧道TBM 施工超前地质围岩岩性、地层裂隙构造带、地质灾害等的定性及定量判释和图像化精准识别，从而为隧道TBM 施工更加安全、可靠、快速提供辅助手段及重要依据和佐证。TBM机载超前钻可视化系统布设如图1所示。

图1 TBM机载超前钻可视化系统布设示意图

2 TBM机载超前钻孔可视化系统组成

2.1 主要硬件组成

TBM 机载超前钻孔可视化系统主要硬件包括TBM 可视化集成主机、高清探头、传送杆、PC显示屏等，其中TBM 可视化集成主机主要包括嵌入式平台、显示模块、电源模块、深度采集模块、图像采集模块及平衡或不平衡传输模块等。将集成主机、PC 显示器布设在TBM 控制室内，用户可在TBM 控制室内可视化系统PC 显示器上实现人机交互及远程视频同步传输。TBM 机载超前钻孔可视化系统硬件总体方案如图2 所示。

图2 TBM机载超前钻孔可视化系统硬件总体方案

2.2 成像原理

探头包括高清摄像头、高精度罗盘以及光源，通过传送杆将可视化高清探头送入TBM 超前钻孔内，从而实现对钻孔通长范围内部围岩结构进行视频观测、图像采集及钻孔轨迹测量等功能。探头内置的高清摄像机扫描和采集钻孔内部信息，采集到的视频或图像等钻孔信息通过连接电缆传输到TBM 机载可视化系统集成主机，主机收到深度计数器感应信号、探头采集的视频及图像等信号，通过主机内置的深度采集模块、图像采集模块对应的分析处理器，计算高清探头所在的深度、位置及角度等状态信息，并完成视频信息模式向数字信息模式的转换，对图像进行展开、与前图像高频匹配和拼接。探测过程中，随着高清探头在钻孔内部通长范围探测，采集到的钻孔内壁信息自动匹配拼接成一幅完整且连续的钻孔内壁结构平面展开图。主机在对图像进行处理的同时并对展开图进行同步实时存储，并以USB 接口或者TBM 平衡传输系统同步远程传输至地面指挥中心PC 机上做进一步分析及研判。探头细部结构如图3 所示。

3 TBM机载超前钻孔可视化系统功能

TBM 机载超前钻孔可视化系统主要用于对超前钻孔内部结构、地层裂隙构造带、地质灾害等的定性及定量判识和图像化精准识别，具有直观、精确清晰等特点。TBM 机载超前钻孔可视化系统具备如下基本功能：①图像采集和存储功能；②视频采集和存储功能；③深度测量功能；④探头方位、倾角等测量，并绘制钻孔轨迹功能；⑤采集图像展开和拼接功能；⑥高清探头能够对钻孔孔壁进行辅助照明功能；⑦井下与地面间远程视频同步传输及数据交互功能。

图3 探头细部结构示意图

4 TBM机载超前钻孔可视化推演

TBM 机载超前钻孔可视化系统特别适合于无法取得实际岩芯的破碎带地层钻孔通长范围孔壁围岩的裂隙发育及完好程度判识。当高清探头在推送过程中，TBM 控制室软件界面PC 显示屏可同步实时显示钻孔深度、方位角、倾角以及工具面等基本信息，高清探头深入钻孔后，其状态信息及参数定时存储，并以固定的可编辑语言形式导出。TBM 钻孔可视化集成主机通过对状态信息及参数的处理，实现对全孔深可形成数字化钻孔岩芯并永久保存，实现对复杂地质条件下硬岩类隧道TBM 施工超前地质围岩岩性、地层裂隙构造带、地质灾害等的定性及定量判释和图像化精准识别。

本文以某隧道超前钻孔为例进行阐述，超前钻孔内部构造如图4 所示，该超前钻孔孔径85mm，使用直径42mm 探头进行观测，从图中可以清楚看到，通孔范围岩性整体性相对较好，探头所在孔深位置处存在明显裂缝，孔内无裂隙水。钻孔内部可视化探测后，钻孔可视化系统根据探测采集的钻孔深度、倾角、工具面向角和方位角等参数，自动绘制其空间轨迹，钻孔可视化系统轨迹绘制如图5 所示。

图4 超前钻孔探测可视化效果图

图5 钻孔轨迹绘制示意图

图6 钻孔内壁平面效果图

TBM 机载超前钻孔可视化系统将采集的钻孔内部视频信息同步结合钻孔深度、方位角、倾角以及工具面等基本信息，以实时全方位、远程视频同步传输、记忆可存储的形式呈现给工程应用者，尤其是在隧道岩性破碎、过断层构造、层理裂隙发育、地质互层胶结、地层含水及岩变频繁等复杂地质条件下优势明显。通过超前钻孔可视化影像反馈资料进行分析探讨，能掌握超前地质段围岩的完整性及破坏情况，为超前地质的分析和TBM 施工提前采取应对措施提供重要依据和佐证，如图6 所示，可视化界面右侧的图像为可视化钻孔内壁平面展开效果图。

5 结论

1）TBM 机载超前钻孔可视化系统的配套应用，弥补了现有TBM 机载超前钻机只能钻孔，不能对钻孔范围围岩进行定性、定量判释和图像化精准识别的缺陷和局限性。

2）利用TBM 既有通讯系统，超前钻孔成像过程及结果能够实现井下与地面远程视频同步传输及数据交互功能，为开展复杂地质条件下TBM施工工程与地质远程专家视频会诊提供技术支撑。

3）将钻孔可视化系统加载并应用于TBM 超前钻孔探测分析中，实现对复杂地质条件下硬岩类隧道TBM 施工超前地质围岩岩性、地层裂隙构造带、地质灾害等的定性及定量判释和图像化精准识别，从而为隧道TBM 施工更加安全、可靠、快速提供辅助手段及重要依据和佐证。

4）钻孔可视化系统与TBM 机载超前钻机的配套应用，为复杂地质条件下TBM 施工及早发现问题、及早采取应对措施争取了宝贵时间及空间，也是对TBM 自身地质条件适应性差、施工手段单一等缺陷的有益补充，具有较强的工程实践性及推广应用价值。