隧道洞壁围岩完整性信息采集装置及评价方法与流程

本发明涉及隧道岩体工程的技术领域，具体涉及一种隧道洞壁围岩完整性信息采集装置及评价方法。

背景技术：

隧道围岩完整性是指岩体内以裂隙为主的各类地质界面的发育程度，是岩体结构的综合反映，取决于结构面切割程度、结构体大小及块体间结构状态等因素，是岩体工程中采用的概括性指标。目前，描述隧道围岩完整性的指标主要有结构面统计法、岩芯钻取法和弹性波测试法。结构面统计方法是基于现场量测信息直接逐条测量，采用地质素描的方式人为统计单位体积岩体中节理宽度、数量、产状等，人为主观经验因素影响较大，不同作业人员得到的结果之间相差较大，要求作业人员的经验丰富，且工作量较大，难以实现。岩芯钻取法是用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值得到岩体质量指标RQD，进而评价岩体完整性。岩芯钻取法对岩采率、岩芯磨损、机械破碎程度要求较高，钻头、钻具及工艺等原因对评价结果的干扰性极大，另外以10cm为分界点分为两级对岩体完整性评价有一定的局限性。弹性波测试法是利用岩体与岩石的波速变化差异来研究岩体完整性的方法，是岩体纵波波速与岩石纵波波速的比值。弹性波测试法需要在岩壁上钻两组平行孔，利用声发射技术获得声波频率等特征判别岩体完整性，在含可溶性矿物较多的岩体内不适用，受岩石密度、结构面填充物、含水量等因素影响较大，现场机械设备、仪器的施工噪音对声波干扰性较大，且后期数据处理较繁琐，节理面识别经验性要求高，操作较复杂，需要一定的仪器设备，人力、物力耗费较大。

技术实现要素：

针对现有描述隧道围岩完整性的方法工作量大、可靠性低、对现场要求较高等技术问题，本发明提供了一种隧道洞壁围岩完整性信息采集装置及评价方法，设备轻便、测试速度快，评价方法简捷、快速，能够全面地反映岩体的完整性特征，克服了现有隧道洞壁围岩完整性方法在隧道环境中需要钻孔、检测周期长、工作人员劳动强度大等问题，适用于具有一定强度稳定性的I-IV类围岩的岩石隧道中。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种隧道洞壁围岩完整性信息采集装置，包括设置在隧道开挖设备上的安装钢架，安装钢架位于隧道支护结构前方裸露岩壁的中部，所述安装钢架上设有工业相机和照明灯，所述工业相机与上位机相连接，上位机上设有图像采集系统，上位机通过Windows共享方式与本地服务器相连接；本地服务器上设有文件传输单元，数据中心客户端上设有文件读写单元，本地服务器通过网络与数据中心客户端相连接，数据中心客户端与个人计算机相连接；所述上位机设在施工现场隧道内的开挖设备后方，本地服务器位于施工现场地面项目办公室内，数据中心客户端位于所属单位机房内，个人计算机位于任意工作地点。

所述工业相机下方固定有底座，工业相机外部设有防护罩，防护罩通过第一螺栓固定在底座上，工业相机连同防护罩安装在钢架上。

所述防护罩是由2～3mm厚钢板材料焊接而成的中空半圆柱形钢构件，底座的四角上有螺栓孔，第一螺栓穿过螺栓孔将工业相机固定在防护罩内，防护罩通过第二螺栓固定在安装钢架上。

所述照明灯安装在工业相机附近的安装钢架上，照明灯设置在工业相机后方的中间部位，用以保证隧道洞壁光线亮度。

所述图像信息采集系统包含图像拍照模块、图像定位模块、图像存储模块和图像传输模块。

所述个人计算机上设有图像处理分析系，图像处理分析系包括图像输入模块、图像预处理模块、图像分析模块、统计结果输出模块和帮助支持模块。

隧道洞壁围岩完整性的评价方法的步骤如下：

步骤一：对上位机安装的图像信息采集系统进行设置，包括工业相机的自动拍照时间间隔和照片的图像自动存储位置，调整好照明灯的角度，使拍摄范围内洞壁的有足够的亮度；

步骤二：利用信息采集装置的工业相机采集洞周壁面的图像，采集到的洞壁图像保存在上位机的图像存储位置；

步骤三：施工现场的本地服务器以Windows共享的方式自动读取和存储上位机存储的图像文件；

步骤四：数据中心客户端自动向施工现场的本地服务器发出指令，施工现场的本地服务器通过网络传输将洞周壁面的图像文件自动传输至数据中心客户端；

步骤五：任何工作地点的工作人员在各自的个人计算机上安装图像处理分析系，首先通过账号密码的方式查看、调用、下载数据中心客户端的洞壁图像文件，在图像处理分析系统中打开需要分析的洞壁图像文件，工作人员利用图像分析处理系统对图像进行节理数量、宽度、走向、间距等信息进行识别，通过判别分析，得到洞壁的岩体体积节理数Jv、岩体完整性Kv、节理与洞轴线夹角α，实现洞壁围岩完整性评价。

所述工业相机安装在隧道开挖机械设备上的数量n根据隧道直径D以及工业相机的广角镜头广角α范围确定：其中，L为相机与拍摄洞壁间的距离；所述工业相机的自动拍照时间间隔t根据隧道开挖速度v和设定的拍摄间隔距离X确定：

所述图像处理分析系统中的图像输入模块打开要分析的岩壁图片文件，通过图像预处理模块对照片进行对比度拉伸、亮度调整、平滑处理及边缘增强，在图像分析模块中进行岩石定位分割、节理边缘检测、节理宽度和走向、间距量测、节理数量统计，在统计结果输出模块中输出分析图像和节理数量、节理宽度、节理走向、间距列表，根据模块内部嵌入的岩体体积节理数Jv的计算公式：J_v＝∑(1/d_i)+S_k/5，其中，d_i为第i组节理的间距，S_k为每立方体岩体非成组节理条数，得到洞壁的岩体体积节理数Jv值；通过判别分析节理组数和节理间距、岩体体积节理数Jv判别标准，获得岩体完整性Kv和洞壁围岩的完整性评价。

本发明的有益效果：本发明能够解决现有岩体完整性信息采集困难的问题，利用图像采集、图像传输系统对隧道岩壁的图像进行采集传输至数据中心，用户不受工作地点限制，只需通过账号密码的方式即可调取数据中心图像，利用图像处理分析系统对节理面宽度、间距、数量等信息进行数据统计分析，对围岩完整性进行评价，由此数据中心储存大量的岩壁完整性评价信息，形成数据库，进而能够实现计算机智能评价岩体完整性特征的能力，为隧道机械智能化施工提供指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明图1的左视图。

图3为本发明相机与防护罩的结构示意图。

图4为本发明图3的左视图。

图5为本发明图像传输的结构示意图。

图6为本发明图像采集系统的功能模块图。

图7为本发明图像处理分析系统的功能模块图。

图8为本发明评价方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，一种隧道洞壁围岩完整性信息采集装置，包括设置在隧道开挖设备上的安装钢架1，安装钢架1位于隧道支护结构6前方裸露岩壁5的中部，所述安装钢架1上设有工业相机2和照明灯3。照明灯3安装在工业相机2附近的安装钢架1上，照明灯3设置在工业相机2后方的中间部位，用以保证隧道洞壁光线亮度。LED照明灯3作为照明设备解决隧道洞内光线昏暗导致岩壁图像不清晰、节理不宜被识别的问题，保证洞壁光线亮度，拍摄照片清晰。工业相机2与上位机4相连接，上位机4上设有图像采集系统10，上位机4通过Windows共享方式与本地服务器7相连接；本地服务器7上设有文件传输单元，数据中心客户端8上设有文件读写单元，本地服务器7通过网络与数据中心客户端8相连接，数据中心客户端8与个人计算机9相连接。上位机4设在施工现场隧道内的开挖设备后方，本地服务器7位于施工现场地面项目办公室内，数据中心客户端8位于所属单位机房，个人计算机9位于任意工作地点。

如图3和图4所示，工业相机2下方固定有底座12，工业相机2外部设有防护罩13，防护罩13通过第一螺栓14固定在底座12上，工业相机2连同防护罩13安装在钢架1上。防护罩13是由2～3mm厚钢板材料焊接而成的中空半圆柱形钢构件，底座12的四角上有螺栓孔，第一螺栓14穿过螺栓孔将工业相机2固定在防护罩13内，防护罩13通过第二螺栓15固定在安装钢架1上。

本发明是将工业相机2安装在隧道开挖设备上，如硬岩隧道掘进机、凿岩台车、挖掘机等，在隧道开挖后，隧道岩壁暴露，岩壁5未实施隧道支护结构6前。如图5所示，利用工业相机2对隧道的岩壁5全方位自动拍照，照片自动上传至上位机的图像采集系统10进行存储，上位机4将图像文件共享至本地服务器7，然后通过网络传送至数据中心客户端8，用户从个人计算机9登录数据中心客户端8查看下载图像文件，在个人计算机9上安装图像处理分析系统11，利用图像处理分析处理系统11对下载的照片进行处理分析，从而得到相应的围岩完整性信息，为隧道施工提供一定的指标。

工业相机2具有一定的防尘、防震能力，其镜头的像素和广角范围要根据隧道直径选择，确保照片的清晰度，保证至少能够清晰地反映洞壁上不小于20mm的裂隙节理。工业相机2安装在隧道开挖机械设备上，其数量n根据隧道直径D以及工业相机2的广角镜头广角α范围确定：其中，L为相机与拍摄洞壁间的距离，保证洞壁的全方位信息采集。工业相机2可设置为自动拍照，拍照时间间隔t根据隧道开挖速度v和设定的拍摄间隔距离X确定：用户可根据实际工程需求设定洞壁照片采集位置的间隔距离X(如2m)。

图像采集系统10是充分利用工业相机驱动和Windows的特性，利用C#开发语言编写的一套多台工业相机配置共同工作和图像自动拍照保存系统，安装于上位机4上。图像采集系统10包含图像拍照模块、图像定位模块、图像存储模块和图像传输模块，如图6所示，可提供以下功能和接口：

(1)在图像拍照模块中可在曝光功能中调节各工业相机的曝光时间、曝光补偿、感光度和亮度增益，在图像调整功能中设置各相机拍照图片的压缩率、清晰度和色彩，在触发功能中设置各相机的自动拍照时间间隔。

(2)图像定位模块中有GPS定位接口，可获取图像位置信息。上位机4上安装有GPS定位模块，可以设置隧道的起始里程和终止里程，即可获取当前里程位置，该位置信息链接至图像定位模块中，里程以数字的形式显示在照片右下角。

(3)在图像存储模块设置拍摄的照片自动保存的存储位置、图像格式以及存储形式，将同一个里程位置的所有照片存储在以相应里程位置数字命名的文件夹中并压缩，如K69620.rar。

(4)在图像传输模块中设置Windows共享，与施工现场本地服务器连接，设置网络监测功能，网络断线自动重连。

图像采集系统10可以实现相机的自动拍照，将图像保存于施工现场的上位机4的文件夹中，然后通过Windows共享方式将上位机4的图像文件同步传输至施工现场的本地服务器7并自动存储，最后通过网络传输可将照片由施工现场的本地服务器7传输至数据中心客户端8，如图5所示。在工作地点，数据中心客户端8中安装有完成读写命令的文件读写单元，在每天的某个特定时间点(如凌晨1:00)会向施工现场的本地服务器7发出提取照片的指令，本地服务器7中装有文件传输单元，文件传输单元接收到指令后，将图像文件通过网络传输至数据中心客户端8，数据中心客户端8的文件读写单元接收并存储图像文件。施工现场人员可直接查看、调用本地服务器7上的图像文件，而其他相关人员则可以从数据中心客户端8查看、调用图片文件，方便、快捷。

图像处理分析系统11是运用MATLAB创建的系统模块，实现图像的处理分析。如图7所示，图像处理分析系统模块包括：图像输入模块、图像预处理模块、图像分析模块、统计结果输出模块和帮助支持模块。这些模块的建立主要采用MATLAB中的组件布局工具包括：运用组件布局编辑器添加和安排图形窗口中的对象；运用属性编辑器查看和设置控件的属性值，比如按钮控件的样式、字体、背景颜色等；运用排列工具排列图形界面上各个用户对象的相对次序；运用对象浏览器检查本次运行中各图形对象句柄的层次结构；运用菜单编辑器创建和编辑图形窗口菜单。图像输入模块可以识别.jpg、.bmp、.gif、.gif、.png等格式的彩色图像。图像预处理模块包括图像分辨率的推导、图像的转换和图像增强平滑降噪的处理。图像分析模块包括图像边缘检测、图像的梯度计算与调整和图像分割的处理。统计结果输出模块包括图像、图像节理统计的报表和围岩完整性评价的结果。帮助支持模块介绍其计算分析原理和使用说明。

工作人员可以通过个人计算机9以账号密码的方式登录访问数据中心客户端8，从中查看下载图像文件。在图像处理分析系统11中的图像输入模块打开要分析的岩壁照片文件，通过图像预处理模块先将彩色图像转化变换为灰度图，然后对照片进行对比度拉伸、亮度调整、平滑除噪及边缘增强等等，改善图像质量，使图像节理更清晰、易识别。在图像分析模块中进行岩石定位分割、节理边缘检测、节理宽度和走向以及间距量测、节理数量统计，采用阈值处理的方法分割岩石图像，阈值处理是将灰度图分成两个或多个等间距或不等间隔灰度区间，利用图像中要提取的目标物体和背景在灰度图上差异，选择一个合适的阈值，通过判断图像中的每一个像素点的特征属相是否满足阈值的要求来确定图像中该像素点属于目标区还是属于背景区域，从而产生二值图像。采用Canny算子提取预处理后的节理边缘，首先利用微分算子求出图像灰度沿两个方向的偏导数Δ_xf、Δ_yf，并求出梯度的大小|Δf|和梯度的方向θ，然后将各方向的像素值与邻近像素进行比较，如果某像素灰度值小于其梯度方向上前后两个像素值，则将该像素值设为0，即该点不是边缘点，反之为边缘点。岩石分割和节理边缘检测完成后，通过霍夫变换测量计算节理图像宽度d_p和节理图像倾角β_p以及节理图像间距S_p，则洞壁节理宽度其中h为图像高度尺寸，洞壁节理倾角β＝β_p，洞壁节理间距将节理间距S和节理倾角β都相同的节理划为一组并统计出该组节理条数n_i，n_i表示第i组节理的数量，n_i＝1的节理即为非成组节理，自动拍照非成组节理条数S_k等于n_i＝1节理的数量之和。在统计结果输出模块中输出分析图像和节理数量、宽度、走向、间距列表，根据模块内部嵌入的岩体体积节理数Jv的计算公式：J_v＝Σ(1/d_i)+S_k/5，其中，d_i为第i组节理的间距，S_k为每立方体岩体非成组节理条数，得到洞壁的岩体体积节理数Jv值。通过软件判别分析节理组数和间距或岩体体积节理数Jv判别标准如表1，均可获得岩体完整性Kv和洞壁围岩的完整性评价。

表1岩体完整性指标

一种隧道洞壁围岩完整性的评价方法，如图8所示，其步骤如下：

步骤一：对上位机4安装的图像信息采集系统10进行设置，包括工业相机2的自动拍照时间间隔和照片的图像自动存储位置，调整好照明灯3的角度，使拍摄范围内洞壁的有足够的亮度。

步骤二：利用信息采集装置的工业相机2采集洞周壁面的图像，采集到的洞壁图像保存在上位机4的图像存储位置。

步骤三：施工现场的本地服务器7以Windows共享的方式自动读取和存储上位机4存储的图像文件。

步骤四：数据中心客户端8自动向施工现场的本地服务器7发出指令，施工现场的本地服务器7通过网络传输将洞周壁面的图像文件自动传输至数据中心客户端8。

步骤五：任何工作地点的工作人员在各自的个人计算机9上安装图像处理分析系11，首先通过账号密码的方式查看、调用、下载数据中心客户端8的洞壁图像文件，在图像处理分析系统11中打开需要分析的洞壁图像文件，工作人员利用图像分析处理系统11对图像进行节理数量、宽度、走向、间距等信息进行识别，通过判别分析，得到洞壁的岩体体积节理数Jv、岩体完整性Kv、节理与洞轴线夹角α，实现洞壁围岩完整性评价。

为了解决洞壁图像采集工作量大、信息不完整等问题，减轻工作人员劳动强度，改善工作环境，利用隧道掘进设备上安装的工业相机2对隧道洞壁5进行拍照，照片通过网络传输技术保存至数据中心客户端8，利用图像处理分析技术进行节理的识别分析，实现洞壁完整性评价。在隧道开挖设备的上位机4上安装图像采集系统10，设置照片自动拍摄、传输、存储功能，工业相机2按照设置的时间间隔对隧道洞壁5全方位自动拍照，图像自动传输至上位机4，施工现场的本地服务器7与上位机4以Windows共享的方式实时存储图像文件，然后传输至数据中心客户端8，最终所有的隧道洞壁图像文件存储在数据中心客户端8。因此，任一工作人员不受工作地点的限制，均可通过账号密码的方式从数据中心8查看金额下载施工现场隧道洞壁图像文件。在用户个人计算机9上安装图像处理分析系统11，将图像文件在图像识别处理系统软件中打开，图像识别处理系统对其进行识别分析，结果包含节理的数量、宽度、走向、间距以及岩体完整性评价结果(岩体体积节理数Jv、岩体完整性Kv、节理与洞轴线夹角α)。

本发明能够解决现有岩体完整性信息采集困难的问题，利用图像处理分析系统对节理面宽度、间距、数量等信息作出数据统计分析，形成数据库，能够实现计算机智能评价岩体完整性特征的能力，为隧道机械智能化施工提供指导。

具体实例：某隧道开挖直径约8.5m，采用硬岩掘进机TBM施工，对隧道顶部120°范围内的洞壁进行拍照，在硬岩隧道掘进机TBM主控室前方的安装钢架上安装2台工业相机，固定并装防护罩，以防止岩块或其他施工设备损坏工业相机，安装钢架位于TBM向前掘进开挖后，混凝土湿喷机还未对洞壁进行喷浆支护的位置。隧道开挖直径约8.5m，利用2台工业相机拍摄，在TBM主控室上位机上安装相机储存传输系统，包括网络接口、灯光照明设备、设置相机的时间间隔、照片自动存储位置等。拍照间隔时间是根据TBM推进速度和相机拍摄范围设置，本台TBM正常推进速度为50mm/min，设置的每隔0.5个小时工业相机自动拍摄隧道洞壁照片1次，照片按照预先设置自动上传至主控室上位机的存储位置。在施工现场地面办公室安装2台本地服务器，并与TBM主控室上位机通过网络连接的方式实现照片传输与存储。在公司总部机房安装4台服务器作为数据中心客户端，每隔0.5天向施工现场的本地服务器发出照片传输指令，当遇到围岩条件比较破碎或跟地勘资料不一致时，可以加密拍照与照片传输的时间间隔，由本地服务器通过城域网向数据中心客户端传输。运用图像处理系统对这些照片进行识别分析，随着TBM的不断向前推进，可获得隧道沿线洞壁节理状况。

本装置也可安装在其他隧道开挖设备上(如凿岩台车、隧道挖掘机)，只要保证相机能够拍摄到暴露出的岩体表面即可，根据上述方法就可以对隧道位置岩体进行围岩完整性评价。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。