一种TBM搭载微震传感器自动部署装置

摘要

本发明公开了一种TBM搭载微震传感器自动部署装置，包括滑动‑复位机构、岩壁耦合机构、钻进机构和夹持机构，钻进机构包括钻进电机24、钻进电机变速箱、钻进螺纹杆、带攻牙钻头和微震传感器主体，本发明能够实现自动化微震监测，提高TBM施工作业机械化和自动化程度；能够在TBM掘进过程中与洞壁保持相对静止，并在位移达到最大时自动复位；能够实现微震传感器主体安装时自动紧固，微震传感器主体工作时自动脱松，确保顺利安装微震传感器主体以及阻断TBM振动的传导。

说明书

技术领域

本发明涉及微震监测领域，更具体涉及一种TBM搭载微震传感器自动部署装置。

技术背景

全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)是一种高度集成化、机械化的岩石隧道掘进设备。TBM可以实现刀盘切削掌子面岩石，皮带运输碎石，锚杆钻机锚固岩体，钢拱架安装器组装钢拱架支撑，喷浆桥喷射混凝土等系列工序，确保岩石隧道的快速、安全、高质量施工，是一种在国内外广泛应用的重要隧道施工方法。

随着经济社会发展，TBM施工愈加频繁地遇到岩质差、高埋深、高地应力的工程环境。在这种赋存条件下，围岩因开挖导致应力重分布，岩体内应变能逐渐累积并在一定时刻突然释放，产生岩爆灾害。岩爆作为隧道施工最主要问题之一，轻则岩块剥落影响衬砌效果，重则飞石伤人、砸坏设备，甚至可能导致TBM卡机、局部崩塌等，严重影响人员设备安全和工程的正常推进。

为了能够有效合理地防止岩爆，必须找到一种能够准确预警岩爆的监测方法。微震监测技术通过监测围岩中岩石破裂释放的弹性波，分析其时空、能级等信息，能够实现较为准确的岩爆预警。但微震监测技术之所以能够监测岩石破裂震动信号，是依托于埋设在围岩中的微震传感器。因此在TBM隧道施工中，为了确保微震监测系统始终能够覆盖TBM掘进掌子面附近区域，工作人员必须根据TBM施工的进度，频繁的拆装传感器。由于传感器一般安装于掌子面后不远处，活跃的岩爆活动会严重威胁工作人员的人身安全。因此急需找到一种能够避免传感器频繁人工拆装的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供了一种TBM搭载微震传感器自动部署装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种TBM搭载微震传感器自动部署装置，包括攻牙钻头，还包括微震传感器主体和夹持机构，

微震传感器主体从内端到外端依次为夹持部、限位凸起和监测部，

夹持机构包括夹持座和挡板，夹持座上设置有夹持座中心轴通孔，夹持座周向开设有与夹持座中心轴通孔连通的斜柱孔，夹持座的外端沿开有限位槽，微震传感器主体的夹持部插入到夹持座的外端，限位凸起滑入到对应的限位槽中，挡板固定在夹持座的外端面，微震传感器主体的监测部穿过挡板上的挡板通孔，斜柱孔内插入有夹爪。

如上所述的夹持机构还包括夹持电机、驱动齿轮和夹持环，夹持电机固定在夹持座上，夹持电机的旋转轴与驱动齿轮连接，夹持环的内环套设在夹持座上且与夹爪的外螺纹啮合形成丝杆结构，夹持环的外环面通过与驱动齿轮啮合。

如上所述的夹持环与外部轴承外圈连接，外部轴承内圈套设固定在夹持座上。

一种TBM搭载微震传感器自动部署装置，还包括钻进电机、钻进电机变速箱及钻进螺纹杆，钻进电机通过钻进电机变速箱与钻进螺纹杆连接，钻进螺纹杆与夹持座的内端连接。

一种TBM搭载微震传感器自动部署装置，还包括带肋承压壳，钻进电机、钻进电机变速箱、钻进螺纹杆、微震传感器主体和夹持机构均设置在带肋承压壳中，防滑垫使用螺栓连接固定于带肋承压壳的外底板面上，防渣漏斗的外沿固定在带肋承压壳的外底板面上的内圆柱槽腔的外沿，防渣漏斗中心设置有传感器穿孔，微震传感器主体的监测部外端以及攻牙钻头自传感器穿孔穿出带肋承压壳。

一种TBM搭载微震传感器自动部署装置，还包括两个分布在带肋承压壳的两个对侧面的液压减震器，每个液压减震器的减震伸缩端通过螺栓连接固定于对应液压油缸的输出端上，液压减震器的固定端与减震器转轴连接，减震器转轴另一端通过轴承连接在带肋承压壳侧面上，减震器扭转弹簧两端分别与同侧的带肋承压壳的侧面和液压减震器的固定端连接。

如上所述的两个液压油缸的固定端分布在滑动-复位机构外壳的两个对侧，每个液压油缸的固定端与油缸转轴一端固定连接，油缸转轴另一端通过轴承连接在滑动-复位机构外壳上，油缸扭转弹簧两端分别与同侧的滑动-复位机构外壳的侧面和液压油缸的固定端连接，两个液压油缸控制装置固定于滑动-复位机构外壳的两个对侧，每个液压油缸控制装置的液压油输入和液压油输出孔通过油管连接到对应液压油缸的输出孔和输入孔上。

一种TBM搭载微震传感器自动部署装置，还包括滚轮、滚轮驱动电机和H型钢轨道，H型钢轨道包括两个平行设置的翼缘板以及连接两个翼缘板的连接板，其中一个翼缘板的每侧的内壁设置有两个滚轮，滚轮的轮面贴合在H型钢轨道的翼缘板的内侧上并能沿着H型钢轨道延伸方向滚动，每个滚轮的旋转轴则通过轴承连接到滑动-复位机构外壳上，

如上所述的滚轮的旋转轴与对应的滚轮驱动电机的驱动轴连接，滚轮驱动电机设置在滑动-复位机构外壳上。

如上所述的滑动-复位机构外壳上设置有面向岩壁的摄像头。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、能够实现自动化微震监测，提高TBM施工作业机械化和自动化程度；

2、自动部署装置能够在TBM掘进过程中与洞壁保持相对静止，并在位移达到最大时自动复位，实现TBM施工全过程的持续稳定微震监测和微震传感器自动部署；

3、夹持机构能够实现微震传感器主体安装时自动紧固，微震传感器主体工作时自动脱松，确保顺利安装微震传感器主体以及阻断TBM振动的传导；

4、实现钻孔和固定微震传感器主体一体化，减小微震传感器主体的安装装置的体积，简化安装工序，缩短安装时间，实现快速高效的安装和拆卸固定于岩壁的微震传感器。

附图说明

图1为本发明的主视示意图；

图2为图1的俯视示意图；

图3为图1的仰视示意图(未安装防渣漏斗)；

图4为图1的左视示意图(加上H型钢轨道)；

图5为本发明的安装示意图；

图6为本发明的TBM安装断面示意图；

图7为本发明的TBM安装轴向示意图；

图8为图1中的微震传感器主体紧固状态示意图；

图9为图1中的微震传感器主体脱松状态示意图；

图10为图8中的夹爪紧固示意图；

图11为本发明的夹持座的结构示意图；

图12为本发明的带肋承压壳的俯视结构示意图。

其中，1-岩壁；2-TBM主机；3-自动部署装置；4-H型钢轨道；5-滚轮驱动电机；6-滑动-复位机构外壳；7-滚轮；8-液压油缸控制装置；9-液压油缸；11-液压减震器；12-带肋承压壳；13-防滑垫；14-防渣漏斗；15-攻牙钻头；16-微震传感器主体；17-挡板；18-夹持座；19-夹持电机；20-驱动齿轮；21-夹持环；22-夹爪；23-钻进电机变速箱；24-钻进电机；25-钻进螺纹杆；26-摄像头；27-限位槽；28-斜柱孔；1601-夹持部；1602-限位凸起；1603-监测部；101-油缸扭转弹簧；102-减震器扭转弹簧。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例公开了一种TBM搭载微震传感器自动部署装置，以解决现有技术中传感器阵列推进需要人工拆装传感器严重影响人员安全和全时监测的技术问题。

如图1-图7所示，本发明实施例的自动部署装置3安装于H型钢轨道4上，其防滑垫13紧贴在岩壁1上，H型钢轨道焊接于TBM主机2上并沿着TBM主机2的轴向延伸，该自动部署装置3主要包括(1)滑动-复位机构、(2)岩壁耦合机构、(3)钻进机构和(4)夹持机构四部分。

结合图1-图5，本发明实施例的滑动-复位机构包括滑动-复位机构外壳6，滑动-复位机构外壳6为滑动-复位机构的其他各部件和岩壁耦合机构的各部件提供安装空间。

进一步地，结合图1-图5，本发明实施例的滑动-复位机构还包括滚轮7和滚轮驱动电机5，H型钢轨道4包括两个平行设置的翼缘板以及连接两个翼缘板的连接板，其中一个翼缘板与其他部件的底部固定，另一翼缘板的每侧的内壁设置有两个滚轮7，滚轮7的轮面贴合在H型钢轨道4的翼缘板的内侧上并能沿着H型钢轨道4延伸方向滚动，每个滚轮7的旋转轴则通过轴承连接到滑动-复位机构外壳6上并滚轮7的旋转轴的端面焊接到一个对应的滚轮驱动电机5的驱动轴上，四个滚轮驱动电机5通过螺栓连接固定到滑动-复位机构外壳6上。

本发明实施例的滚轮7实现自动部署装置3的滑动和复位，滚轮驱动电机5则为滚轮7提供复位的动力，当自动部署装置3在H型钢轨道上被动滑动时，滚轮驱动电机5不工作，依靠岩壁耦合机构提供的摩擦反力带动滚轮7滑动，当自动部署装置3需要复位到初始位置时，可控制滚轮驱动电机5启动，带动对应滚轮转动，使自动部署装置回复到初始位置，滚轮驱动电机5应带有刹车功能，以保证复位过程的稳定可靠。

进一步地，结合图1-图5，本发明实施例的滑动-复位机构还包括摄像头26，其固定在滑动-复位机构外壳6面向岩壁的侧面，其作用为观察岩壁的传感器安装条件是否满足，如遇到选定位置恰好为钢拱架等不适宜安装传感器的情况时，可控制滑动-复位机构滑动至合适位置，同时，摄像头26还可以在微震监测过程中监控整个自动部署装置的运行情况，如出现滑脱等情况时，提醒控制人员及时处置。

结合图1-图5，本发明实施例的岩壁耦合机构包括液压油缸9、液压油缸控制装置8和扭转弹簧(101/102)，其中，两个液压油缸9对称分布在滑动-复位机构外壳两侧，每个液压油缸9的固定端与油缸转轴一端固定连接，油缸转轴另一端通过轴承连接在滑动-复位机构外壳6上，油缸扭转弹簧101两端分别与同侧的滑动-复位机构外壳6的侧面和液压油缸9的固定端连接，液压油缸9的输出端通过螺栓连接固定在液压减震器11的减震伸缩段，两个液压油缸控制装置8通过螺栓对称固定于滑动-复位机构外壳6上，每个液压油缸控制装置8的液压油输入和液压油输出孔通过油管连接到对应液压油缸9的输出孔和输入孔上。

本发明实施例中，两个液压油缸控制装置8能够分别同步控制对应液压油缸9的活塞杆的伸长和收缩，即可实现在监测时将防滑垫13紧贴在岩壁1上，在复位时将防滑垫13收回以保证复位的顺利进行。

图12为本发明的带肋承压壳示意图，进一步地，结合图1-图5及图12，本发明实施例的岩壁耦合机构还包括液压减震器11，两个液压减震器11对称分布在带肋承压壳12的侧面，每个液压减震器11的减震伸缩端通过螺栓连接固定于对应液压油缸9的输出端上，液压减震器11的固定端与减震器转轴连接，减震器转轴另一端通过轴承连接在带肋承压壳12侧面上，减震器扭转弹簧102两端分别与同侧的带肋承压壳12的侧面和液压减震器11的固定端连接。

本发明实施例中，两个液压减震器11能够实现减缓传播到带肋承压壳12上的TBM主机2掘进震动，即作为岩壁耦合机构的一级减震结构，其还可以在监测时将液压油缸9施加的压力传递给带肋承压壳12。

本发明实施例中，油缸扭转弹簧101分别连接于同侧的液压油缸9和滑动-复位机构外壳6的侧面之间，两个减震器扭转弹簧102分别连接于同侧的液压减震器11和带肋承压壳12的侧面之间，其能产生扭矩保证岩壁耦合机构在自动部署装置复位过程中保持在设定的初始角度，同时其能够允许液压油缸9和液压减震器11能够分别绕着油缸转轴和减震器转轴发生一定程度上的转动，即可实现在液压油缸9施加压力时能够自动调整岩壁耦合机构的角度，以保证防滑垫13能够紧密贴合岩壁1，同时也能够实现自动部署装置对TBM主机2掘进过程中产生的震动的自动适应。

进一步地，结合图1-图5及图12，本发明实施例的岩壁耦合机构还包括带肋承压壳12和防滑垫13，其中，带肋承压壳12位于两个液压减震器11的固定端之间，防滑垫13使用螺栓连接固定于带肋承压壳12的外底板面上，防滑垫13使用橡胶材料制作并在垫面即与岩壁接触的表面刻画有波浪状防滑凹槽。

本发明实施例中，带肋承压壳12能够为钻进机构和夹持机构提供安装空间和稳定的运行基准环境，钻进电机24、钻进电机变速箱23、钻进螺纹杆25、微震传感器主体16和夹持机构均设置在带肋承压壳12中，其还可在监测时将液压减震器11传递的压力传递给防滑垫13，防滑垫13使用橡胶材料制作，故可以变形紧密贴合凹凸不平的岩壁表面，同时结合垫面的波浪状防滑条纹，能够保证在监测阶段整个自动部署装置相对岩壁始终保持相对静止状态，防滑垫13还可以进一步地减少TBM主机2上传导过来的机械震动，即作为岩壁耦合机构的二级减震结构，尽可能的减少TBM机械震动对岩壁的影响，降低微震传感器主体16受到的干扰。

结合图1-图5，本发明实施例的钻进机构包括钻进电机24、钻进电机变速箱23及钻进螺纹杆25，其中，钻进电机24通过螺栓连接固定在钻进电机变速箱23上，钻进电机24的输出端固定连接到钻进电机变速箱23的输入端上，钻进电机变速箱23侧面通过螺栓连接固定到带肋承压壳12侧面上，钻进螺纹杆25通过钻进电机24和钻进电机变速箱23的中轴通孔，并以外螺纹与钻进电机变速箱23的输出轴的内螺纹相互配合。

本发明实施例中，钻进电机24和钻进电机变速箱23为钻进螺纹杆25提供动力，钻进电机24输出的转动经钻进电机变速箱23转换为低速大扭矩的转动，并通过螺纹配合驱动钻进螺纹杆25转动前进，通过控制钻进电机24输出轴转动方向，即可控制钻进螺纹杆25前进和后退，实现传感器的安装和拆卸。

进一步地，结合图1、图3、图8及图9，本发明实施例的钻进机构还包括带攻牙钻头15和微震传感器主体16，其中带攻牙钻头15前端为麻花钻，后端带有自攻螺纹，带攻牙钻头15尾端焊接在微震传感器主体16的监测部外端，微震传感器主体16从内端到外端依次分为夹持部1601、限位凸起1602和监测部1603。

本发明实施例中，带攻牙钻头15使用高强度合金制造，能够在岩壁1表面的混凝土衬砌上钻出一定深度的钻孔，同时其带有的攻牙能够在钻孔内壁钻出相对应的螺纹并紧密配合，使微震传感器主体16能够稳定而紧密地固定在岩壁1表面，微震传感器主体16的夹持部1601用于与夹持机构配合实现传感器安装和拆卸，限位凸起1602用于与夹持座18及挡板17配合，监测部1603内有微震监测芯体，实现微震监测功能。

进一步地，结合图1，本发明实施例的钻进机构还包括防渣漏斗14，防渣漏斗14的外沿通过螺栓固定在带肋承压壳12的外底板面上的内圆柱槽腔的外沿，防渣漏斗14中心设置有一个略大于微震传感器主体16的监测部的外径的传感器穿孔，微震传感器主体16的监测部外端以及攻牙钻头15自传感器穿孔穿出带肋承压壳12，以确保微震传感器主体16的监测部能够顺利通过，其作用为将带攻牙钻头15钻孔产生的碎石沿漏斗壁排出，防止渣石落入带肋承压壳12的内部安装空间。

结合图1、图3、图8-图11，本发明实施例中的夹持机构包括夹持座18和挡板17，其中夹持座18后端通过螺钉连接固定于钻进螺纹杆25前端，夹持座18上设置有夹持座中心轴通孔，夹持座18周向开设有四个与夹持座中心轴通孔连通的斜柱孔，斜柱孔截面尺寸和夹爪22的截面尺寸相适配，夹持座18的外端开有四个限位槽27，限位槽27尺寸大于微震传感器主体16周向对应位置的限位凸起1602，微震传感器主体16的夹持部1601插入到夹持座18的外端，限位凸起1602滑入到对应的限位槽中，起到周向旋转限位的作用，挡板17通过螺钉连接固定于夹持座18的外端面，挡板17的中心轴设置有挡板通孔，微震传感器主体16的监测部1603穿过挡板通孔，微震传感器主体16周向设置的各个限位凸起1602所在分布圆的外径大于挡板通孔的直径，保证挡板17和限位槽配合限制微震传感器主体16周向和轴向位移。

本发明实施例中，夹持座18为夹持机构其他部件提供安装空间，特别地，引导夹爪22运动方向，使其在紧固环21作用下能够沿着斜柱孔方向前进和后退，挡板17和夹持座18配合实现对微震传感器主体16的宽松限位，防止其意外脱松的同时，尽可能减少监测阶段的直接接触，防止机械震动对传感器的影响。

进一步地，结合图1、图3、图8-图10，本发明实施例中的夹持机构还包括夹持电机19、驱动齿轮20、夹持环21和夹爪22，其中两个夹持电机19通过螺钉连接对称固定于夹持座18的侧面，每个夹持电机19的旋转轴焊接有一个驱动齿轮20，外部轴承内圈套设固定在夹持座18上，夹持环21的内环套设在夹持座18上，外部轴承外圈与夹持环21连接，夹持环21的外环面与驱动齿轮20啮合，夹持电机19通过驱动齿轮20驱动夹持环21旋转，四个夹爪22分别安装于夹持座18对应的斜柱孔内，夹爪22呈柱状且外周设置有外螺纹，夹持环21的内环呈锥形，夹持环21的内环设置有与夹爪22外周螺纹适配的内螺纹，夹持环21的内环的内螺纹与夹爪22的外螺纹啮合，夹持环21与夹爪22构成丝杆结构，夹持环21朝一方向旋转时，带动夹爪22朝斜柱孔内旋入且端部夹持微震传感器主体16的夹持部，夹持环21朝另一反方向旋转时，带动夹爪22向斜柱孔外部旋出，且端部松开微震传感器主体16的夹持部。

本发明实施例中，夹持电机19带有最大扭矩设置，通过正转和反转，带动驱动齿轮20正转和反转，进而驱动夹持环21正反转，进而通过圆锥螺纹的转换带动夹爪前进和后退，实现夹紧或放松微震传感器主体16的功能。

本发明实施例中，微震传感器自动部署装置包括传感器安装、监测、复位三个阶段。

传感器安装阶段：首先，TBM不处于掘进状态，滚轮驱动电机5的刹车启动，防止自动部署装置产生滑动；随后，液压油缸控制装置8控制液压油缸9的活塞杆伸长，使防滑垫13紧密贴合在岩壁1上，此时两个油缸扭转弹簧101和两个减震器扭转弹簧102可允许岩壁耦合机构产生一定转角以确保耦合紧密；随后，钻进电机24通过钻进电机变速箱23驱动钻进螺纹杆25缓慢的旋转前进，进而通过夹持机构带动微震传感器主体16和带攻牙钻头15缓慢钻进，在岩壁1表面的衬砌上钻出钻孔，此时带攻牙钻头15上的攻牙使微震传感器主体16能够稳定地固定在岩壁1表面，传感器安装阶段结束。

监测阶段：夹持电机19驱动夹爪22后退，将夹持机构和微震传感器主体16隔离开，限位凸起与挡板和限位槽之间的关系是宽松限位，目的是防止某些极端情况下自动部署装置异常时(如控制程序失控、部署装置大幅度震动、部署装置滑脱等)，微震传感器主体16脱离或损坏。

随后，滚轮驱动电机5松开刹车，开始微震监测；在监测过程中，TBM主机2的震动会导致滑动-复位机构震动，此时四个扭转弹簧可允许相对转动的产生，震动则通过液压减震器11和防滑垫13的两级减震进行消减，防止TBM震动传导到岩壁1上；TBM主机2掘进时会向掘进方向前进，此时自动部署装置依靠防滑垫13与岩壁1间的摩擦力保持相对静止，滚轮5则相应的在H型钢轨道4上滑动，保证装置不会因TBM主机2与岩壁1间的相对运动而发生损坏，在此阶段，微震传感器主体全程保持着微震监测，由于夹持机构已于微震传感器主体16之间脱离开，故TBM主机2的震动不会传导到微震传感器主体16上，在此阶段中，控制人员可通过摄像头26监控自动部署装置的运转情况，如发现自动部署装置与岩壁发生滑脱位移等情况，及时进行复位。

复位阶段：当滚轮7即将到达最大滑动距离时，进行自动部署装置的复位，此时滚轮驱动电机5启动刹车，夹持电机19驱动夹爪22夹紧微震传感器主体16；夹持电机19到达最大扭矩后，驱动电机反向转动拧出带攻牙钻头15；随后，液压油缸控制装置8控制液压油缸9活塞杆收缩，使防滑垫13与岩壁1脱离；随后，滚轮驱动电机5松开刹车，并驱动滚轮7转动将自动部署装置恢复到初始位置，通过摄像头26观察初始位置的岩壁是否满足安装微震传感器主体的条件，若有钢拱架等影响传感器固定的结构，应控制滚轮驱动电机5调整自动部署装置至合适位置，复位阶段结束。

结合图6、图7，本发明实施例中，在TBM主机2上布置八个自动部署装置3，共分为两个微震监测断面，每个微震监测断面布置四个自动部署装置3，为了提高微震源定位精度，每个微震监测断面的四个自动部署装置3异面布置，即在轴向上间隔一定距离交错布置，且四个自动部署装置3不在同一平面上，自动部署装置中的滚轮驱动电机5、液压油缸控制装置8、微震传感器主体16、夹持电机、钻进电机24、摄像头26等执行部件由TBM控制系统控制，通过TBM控制系统中测量的TBM刀盘位置，结合每个自动部署装置的初始位置，即可计算出每个微震传感器主体的精确坐标，同时通过TBM掘进距离即可计算出自动部署装置的滑动距离，以决定进行复位的时间，从而实现适用于TBM的全自动实时微震监测。

综上所述，本发明实施例能够实现适用于TBM的自动化微震监测，避免了繁琐的人工拆装工序，保障了人员安全，同时实现快速高效的安装和拆卸固定于岩壁的微震传感器，具有很好的实用性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。