【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于盾构开挖面识别，尤其涉及基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法及系统。
技术介绍
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
2、随着经济飞速发展，城市规模的不断延拓，城市三维立体交通建设成为乘运发展的主趋势，城市基础交通建设从地面建设向高空建设和深地建设发展。盾构法凭借其机械化程度高、安全、高效、环境友好和对地面干扰小等优越性成为地下工程建设的主流工法。针对各城市区域地层特征复杂多样，盾构安全穿越面临极大挑战。隧道开挖面前方地质状况的精确感知是保障盾构安全掘进的重要前提。盾构施工前应明确不良地质区段里程和不良地质体赋存特征，进行风险分析与预警，并针对性地制定管控措施，否则极易造成突水涌沙、地面塌陷、开挖面失稳等严重安全事故。
3、但在实际施工中，前期常以钻探与物探相结合的探测方式，但钻探以点式勘探为主，难以掌握连续有效的地质信息；而盾构实际施工过程中，盾构前方开挖面保压，无法直接观测前方开挖面情况。因此，如何快速识别前方开挖面成为盾构安全掘进的关键难题。
技术实现思路
1、为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法及系统，能够快速识别前方开挖面。
2、为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
3、第一方面，公开了基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，包括：
4、对出渣口处的图像进行处理，获得岩渣
5、对盾构渣土进行实时扫描，通过距离测量值和角度值来确定周围环境的扫描面，形成基于激光点云扫描的盾构渣土重构模型，基于盾构渣土重构模型获得渣土体积；
6、根据岩渣体积及渣土体积计算获得软硬界面中硬岩区域比例；
7、获得盾构掘进机在复合地层掘进过程中，盾构滚刀由软弱地层进入硬岩地层时振动信号，据此获取软硬地层的变化界面位置；
8、基于软硬界面中硬岩区域比例、软硬地层的变化界面位置绘制盾构开挖面软硬地层界面素描图，进行盾构开挖面软硬地层界面的识别。
9、作为进一步的技术方案，对出渣口处的图像进行处理之前，先获得出渣口处的高清图像，以每设定帧一张的频率抽取视频帧，剔除镜头污损下拍摄的图像以及由于视频卡顿造成的马赛克不良图像和冗余图像，获得有效图像。
10、作为进一步的技术方案，以每设定帧一张的频率抽取视频帧时，具体取帧频率可根据盾构机推进速度进行调整。
11、作为进一步的技术方案，对出渣口处的图像进行处理，具体包括：对处理后的有效图像进行二值化处理，采用分水岭算法对图像岩渣区域进行标记，采用等效椭圆体算法对岩渣进行等效计算可算得岩渣体积及岩渣最大半径，依据掘进过程中产生岩渣的形状、体积及级配参数对围岩类型进行判断。
12、作为进一步的技术方案，还包括构建相关历史数据库的步骤：基于不同类别岩石在盾构滚刀作用下产生岩渣的形状、体积及级配参数均有变化，由此利用室内试验，构建相关历史数据库，并依据掘进过程中产生岩渣的形状、体积及级配参数对围岩类型进行判断。
13、作为进一步的技术方案，所述基于盾构渣土重构模型获得渣土体积时在盾构输渣皮带上方安装激光扫描雷达，用于对盾构渣土进行实时扫描。
14、作为进一步的技术方案，获取软硬地层的变化界面位置时，具体为：由软弱地层进入硬岩地层时，由于地层性质发生变化，相同掘进参数下盾构滚刀会产生振动，布置于滚刀上的振动传感器接收，记录数据采集时刻盾构刀盘旋转方位，以此确定各信号采集系统空间位置，据此获取软硬地层的变化界面位置。
15、第二方面，公开了基于渣土变化特征的盾构开挖面软硬地层界面识别系统，包括：
16、硬质岩层的性质获取模块，被配置为：对出渣口处的图像进行处理，获得岩渣形状及体积，基于岩渣形状及体积获得硬质岩层的性质；
17、渣土体积获取模块，被配置为：对盾构渣土进行实时扫描，通过距离测量值和角度值来确定周围环境的扫描面，形成基于激光点云扫描的盾构渣土重构模型，基于盾构渣土重构模型获得渣土体积；
18、根据岩渣体积及渣土体积计算获得软硬界面中硬岩区域比例；
19、变化界面位置获取模块，被配置为：盾构掘进机在复合地层掘进过程中，盾构滚刀由软弱地层进入硬岩地层时振动信号，据此获取软硬地层的变化界面位置；
20、开挖面软硬地层界面的识别模块，被配置为：基于软硬界面中硬岩区域比例、软硬地层的变化界面位置绘制盾构开挖面软硬地层界面素描图，进行盾构开挖面软硬地层界面的识别。
21、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
22、本专利技术技术方案所提出开挖面识别方法随盾构掘进可实时连续的对前方开挖面进行识别，相对于钻探法来说观测更加连续。抗电磁干扰：相对于电磁法，本专利技术提出的方法不纯粹依靠电磁波的使用，可尽量减少盾体电磁干扰的影响。
23、本专利技术技术方案所提出的方法综合渣土识别和前方滚刀振动识别，结合地勘资料，可更加详细绘制开挖面软硬地层界面位置及性质。
24、本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
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1.基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，包括：
2.如权利要求1所述的基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，对出渣口处的图像进行处理之前，先获得出渣口处的高清图像，以每设定帧一张的频率抽取视频帧，剔除镜头污损下拍摄的图像以及由于视频卡顿造成的马赛克不良图像和冗余图像，获得有效图像。
3.如权利要求1所述的基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，以每设定帧一张的频率抽取视频帧时，具体取帧频率可根据盾构机推进速度进行调整。
4.如权利要求1所述的基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，对出渣口处的图像进行处理，具体包括：对处理后的有效图像进行二值化处理，采用分水岭算法对图像岩渣区域进行标记，采用等效椭圆体算法对岩渣进行等效计算可算得岩渣体积及岩渣最大半径，依据掘进过程中产生岩渣的形状、体积及级配参数对围岩类型进行判断。
5.如权利要求1所述的基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，还包括构建相关历史数据库的步骤：基于不同类别岩石在盾构滚刀作用下产生岩渣的形状、体
6.如权利要求1所述的基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，所述基于盾构渣土重构模型获得渣土体积时在盾构输渣皮带上方安装激光扫描雷达，用于对盾构渣土进行实时扫描。
7.如权利要求1所述的基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，获取软硬地层的变化界面位置时，具体为：由软弱地层进入硬岩地层时，由于地层性质发生变化，相同掘进参数下盾构滚刀会产生振动，布置于滚刀上的振动传感器接收，记录数据采集时刻盾构刀盘旋转方位，以此确定各信号采集系统空间位置，据此获取软硬地层的变化界面位置。
8.基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别系统，其特征是，包括：
9.一种计算机装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-7任一所述方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，包括：
2.如权利要求1所述的基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，对出渣口处的图像进行处理之前，先获得出渣口处的高清图像，以每设定帧一张的频率抽取视频帧，剔除镜头污损下拍摄的图像以及由于视频卡顿造成的马赛克不良图像和冗余图像，获得有效图像。
3.如权利要求1所述的基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，以每设定帧一张的频率抽取视频帧时，具体取帧频率可根据盾构机推进速度进行调整。
4.如权利要求1所述的基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，对出渣口处的图像进行处理，具体包括：对处理后的有效图像进行二值化处理，采用分水岭算法对图像岩渣区域进行标记，采用等效椭圆体算法对岩渣进行等效计算可算得岩渣体积及岩渣最大半径，依据掘进过程中产生岩渣的形状、体积及级配参数对围岩类型进行判断。
5.如权利要求1所述的基于渣土变化特征的盾构软硬地层界面识别方法，其特征是，还包括构建相关历史数据库的步骤：基于不同类别岩石在盾构滚刀作用下产生岩渣的形状、体积及级配参数均有变化，由此利用...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈健，卢昕灿，巴兴之，王志奎，王旌，杨公标，孔德奥，杜明哲，
申请(专利权)人：中铁十四局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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