[发明专利]一种可用于钢拱架成环区积渣清理的方法及装置

说明书

本发明涉及一种可用于钢拱架成环区积渣清理的方法及装置，通过预先的周向扫描，判断区域是否存在钢拱架，在存在钢拱架时根据钢拱架轮廓设置清渣区域，在清渣区域控制机械臂清渣，避免机械臂与钢拱架发生干涉，损坏机械臂或钢拱架。本发明的方法，除了适用于清理隧道底部空旷处的渣石，也能清理多环钢拱架之间的渣石，提高隧道施工效率和支护质量。同时，通过机械臂自动清渣装置代替人工作业，渣石可通过皮带机直接运出洞外，不需二次转运，节省人力物力，降低施工风险。

技术领域

本发明涉及一种可用于钢拱架成环区积渣清理的方法及装置，属于隧道施工技术领域，特别是涉及一种基于激光引导的掘进机自动清渣方法及装置。

背景技术

全断面硬岩隧道掘进机(TBM)已经成为隧道工程施工的重要装备，被广泛应用于水利隧洞、城市轨道、市政交通和铁路隧道等领域。TBM掘进过程中，常常伴有岩爆、顶部坍塌掉块等现象，导致隧道底部积渣严重。由于钢拱架拼装机位于TBM前部，其前方尚未支护，该区域积渣尤为严重，钢拱架拼装成环后，两环钢拱架之间将存在大量积渣，若不及时清理，将导致洞壁喷浆、仰拱块铺设和轨道铺设滞后，制约施工进度，同时影响支护质量。目前工程中主要由人工采用铁锹和编织袋清渣，存在劳动强度大、安全风险高等弊端，同时影响施工进度。

近年来行业内针对隧道掘进机的清渣问题进行了大量研究，为了实现自动化清渣，多采用机械装置结合识别装置实现隧道底部积渣的清理。但目前的研究往往只针对钢拱架区域后方的隧道空间，而忽略了成环钢拱架之间的积渣如何自动清理。显然，拼装成环的钢拱架对自动清渣装置的作业存在限制，若不考虑钢拱架的影响直接使用清渣机进行清渣，极易出现清渣机器人的机械臂与钢拱架发生碰撞，对拼装完成的钢拱架造成破坏，导致安全事故发生。

公布号为CN110568448A的中国发明专利申请公布文本公开了一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣识别装置及其方法。该方法采用双目相机和激光雷达来获得隧道底部积渣的位置信息和体量特征，通过机械装置实现对隧道底部积渣的清理。虽然该方案采用到了视觉系统和激光雷达配合，但仅涉及对积渣体量和位置的识别，未考虑隧道内钢拱架对机器人自动清渣的影响，未涉及对钢拱架的识别。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于钢拱架成环区积渣清理的方法及装置，用以解决现有技术自动清渣方法难以适用于钢拱架成环区的积渣清理的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种可用于钢拱架成环区积渣清理的方法的技术方案，对隧道周向进行扫描，获得隧道周向扫描数据，将隧道周向扫描数据与钢拱架轮廓数据比对；

若在隧道周向扫描数据中比对识别出钢拱架，则将隧道底部相邻两环钢拱架之间的区域设定为待清渣区域，待清渣区域存在积渣时，控制清渣机器人沿隧道轴线方向移动到所述待清渣区域的正上方，控制机械臂末端挖斗沿待清渣区域的隧道内周面做弧形运动执行挖渣。

本发明提出了一种全面清理隧道底部积渣的方案，通过预先的周向扫描，判断区域是否存在钢拱架，在存在钢拱架时根据钢拱架轮廓设置清渣区域，在清渣区域控制机械臂清渣，避免机械臂与钢拱架发生干涉，损坏机械臂或钢拱架。本发明的方法，除了适用于清理隧道底部空旷处的渣石，也能清理多环钢拱架之间的渣石，提高隧道施工效率和支护质量。

同时，相比面对钢拱架区域采用人工使用铁锹清理积渣的方式，通过机械臂自动清渣装置代替人工作业，渣石可通过皮带机直接运出洞外，不需二次转运，节省人力物力，降低施工风险。

进一步地，通过设置在过隧道圆心垂线上的线激光扫描仪，对隧道下半部分的周向进行扫描。

本发明采用线激光扫描仪对隧道内进行扫描，解决了现有技术中采用相机识别渣石受隧道环境影响较大的问题；同时采用线激光扫描仪识别钢拱架，不易受隧道内复杂光线环境和地面积水的影响，实用性强。