CN118650646B - 一种盾构隧道内攀壁巡检机器人及其巡检方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道内攀壁巡检机器人及其巡检方法，涉及隧道检测设备技术领域。盾构隧道内攀壁巡检机器人包括巡检轨道、巡检车、攀壁机器和隧道检测机构，巡检轨道沿着隧道延伸方向铺设安装；巡检车沿着巡检轨道移动，巡检车转动设置有转动盘，转动盘转动连接有主动伸缩杆，主动伸缩杆与攀壁机器转动连接，主动伸缩杆设置有检测对攀壁机器施加压力的压力传感器，主动伸缩杆通过伸缩调节使攀壁机器抵紧隧道内攀；隧道检测机构用于检测盾构隧道壁的缺陷，隧道检测机构安装于巡检车。巡检方法采用盾构隧道内攀壁巡检机器人实现无人巡检。代替人工检测，具有检测效率高的优点，可以做到24小时不间断巡检。

Description

一种盾构隧道内攀壁巡检机器人及其巡检方法

技术领域

本发明涉及隧道检测设备技术领域，具体涉及一种盾构隧道内攀壁巡检机器人及其巡检方法。

背景技术

盾构隧道是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构。

对于建造好的预制混凝土管片的盾构隧道，需要检测预制混凝土管片是否存在裂痕或者其他缺陷。现有技术中常用的缺陷检测方法是裂痕探测和激振检测，裂痕探测是通过高精度的探头检测盾构隧道内壁的预制混凝土管片是否存在裂痕或者裂缝，主要用于检测表面缺陷。激振检测是通过激振锤敲击盾构隧道内壁的预制混凝土管片，再通过传感器检测预制混凝土管片的振动信号，以判断预制混凝土管片的内部是否存在裂缝或者空鼓，主要用于检测内部缺陷。

目前，激振检测基本都是人工操作机械进行检测，需要现将传感器固定在墙面，然后手动敲击或者偏心机械锤敲击隧道内壁，传感器采集振动信号。而现有的隧道动辄上百米或上千米，人工检测非常的耗费体力，且检测效率不高。

因此，现有技术有待改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的激振检测耗费劳动力且检测效率较低，目的在于提供一种盾构隧道内攀壁巡检机器人及其巡检方法，采用对应的技术手段，实现自动巡检，代替人工检测，具有检测效率高的优点，可以做到24小时不间断巡检。

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，本发明提供一种盾构隧道内攀壁巡检机器人，其包括巡检轨道、巡检车、攀壁机器和隧道检测机构，

所述巡检轨道沿着隧道延伸方向铺设安装；

所述巡检车沿着所述巡检轨道移动，所述巡检车转动设置有转动盘，所述转动盘转动连接有主动伸缩杆，所述主动伸缩杆与所述攀壁机器转动连接，所述主动伸缩杆设置有检测对所述攀壁机器施加压力的压力传感器，所述主动伸缩杆通过伸缩调节使所述攀壁机器抵紧隧道内壁；

所述隧道检测机构用于检测盾构隧道的内壁的缺陷，所述隧道检测机构安装于所述巡检车。

进一步的，在本发明中，上述巡检车带有独立电源或连接供电线缆，所述巡检车设置有为所述攀壁机器供电的电线，所述电线沿着主动伸缩杆布置。

进一步的，在本发明中，上述电线配置为具有形变能力的弹簧线以减少缠绕。

进一步的，在本发明中，上述隧道检测机构配置为激振检测器，所述隧道检测机构包括安装于所述攀壁机器的壳体，所述壳体内设置有激振电机和振动传感探头，所述激振电机连接有两个对称的且用于敲击壁面的激振钢球，所述振动传感探头用于检测壁面反射回来的振动信号。

进一步的，在本发明中，上述攀壁机器设置有升降电机，所述升降电机连接有丝杆，所述壳体设置有与所述丝杆螺纹连接的螺孔。

进一步的，在本发明中，上述攀壁机器还设置有导杆，所述壳体设置有供所述导杆穿过的导向孔。

进一步的，在本发明中，上述激振电机通过软支撑杆与所述激振钢球连接。

进一步的，在本发明中，上述主动伸缩杆包括套管和插入所述套管的连接杆，所述套管内安装有互相连接的电控推杆和弹簧，所述弹簧与所述连接杆连接，所述压力传感器与所述连接杆连接，所述连接杆的端部转动连接有接头，所述接头与所述攀壁机器铰接

进一步的，在本发明中，上述攀壁机器配置为履带车。

第二方面，本发明还提供一种巡检方法，其采用上述的盾构隧道内攀壁巡检机器人，还包括以下方法，

于盾构隧道的隧道口安装并调试好盾构隧道内攀壁巡检机器人，并将巡检车安装在巡检轨道上面，然后启动盾构隧道内攀壁巡检机器人，主动伸缩杆推动攀壁机器，并让攀壁机器抵紧隧道的内壁，攀壁机器先沿着隧道内壁做圆周运动，运动至需要检测的位置时攀壁机器暂停，由隧道检测机构检测盾构隧道的内壁是否存在缺陷，隧道检测机构将检测的数据传输至工作人员监控的终端，盾构隧道的截面检测完后巡检车沿着巡检轨道运动至下一个待检测的盾构隧道截面，攀壁机器继续沿着隧道内壁做圆周运动并隧道检测机构进行检测，直至巡检车行走至巡检轨道的终点，完成一次巡检。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明的盾构隧道内攀壁巡检机器人，主要包括巡检轨道、巡检车、攀壁机器和隧道检测机构四部分，检测盾构隧道缺陷时，由巡检车带着隧道检测机构移动至合适的隧道位置，然后由攀壁机器带动隧道检测机构移动至准确的检测点。通过盾构隧道内攀壁巡检机器人实现自动检测，巡检过程无需人力操作，具有节省人力的优点，非常适合夜间巡检，不影响白天的隧道施工，相较于传统的人工激振检测，检测的效率也较高。

本发明还提供一种巡检方法，采用盾构隧道内攀壁巡检机器人实现激振检测。启动盾构隧道内攀壁巡检机器人，主动伸缩杆推动攀壁机器，并让攀壁机器抵紧隧道的内壁，攀壁机器先沿着隧道内壁做圆周运动，运动至需要检测的位置时攀壁机器暂停，由隧道检测机构检测盾构隧道的内壁是否存在缺陷。代替人工进行激振检测，可以做到24小时不间断巡检，具有检测效率高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：

图1为本发明的盾构隧道内攀壁巡检机器人的示意图；

图2为本发明的攀壁机器的结构示意图；

图3为本发明的隧道检测机构的剖面示意图；

图4为本发明的主动伸缩杆的剖面示意图；

图5为本发明的隧道检测机构检测的示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-巡检轨道，2-巡检车，3-攀壁机器，301-升降电机，302-丝杆，303-导杆，4-隧道检测机构，401-壳体，402-激振电机，403-振动传感探头，404-激振钢球，405-螺孔，406-导向孔，407-软支撑杆，5-转动盘，6-主动伸缩杆，601-套管，602-连接杆，603-接头，7-电控推杆，8-弹簧，9-盾构隧道，10-压力传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

结合图1至图4所示，为本发明实施例提供的一种盾构隧道内攀壁巡检机器人，具体结构和原理如下描述。

本实施例1的盾构隧道内攀壁巡检机器人主要包括巡检轨道1、巡检车2、攀壁机器3和隧道检测机构4四部分，其中巡检轨道1作为盾构隧道内攀壁巡检机器人的移动路径，巡检车2用于带动盾构隧道内攀壁巡检机器人沿着巡检轨道1运动，攀壁机器3用于在盾构隧道9内壁上面沿着圆周攀壁行走，隧道检测机构4用于实现盾构隧道9内壁激振检测。

进一步的，结合图1所示，本实施例的盾构隧道内攀壁巡检机器人主要适用于圆形隧道。巡检轨道1为工字钢轨，巡检轨道1沿着隧道延伸方向铺设在盾构隧道9内地面上，不巡检时可用于运输建造隧道的物料，巡检时作为巡检车2移动的路径。

在本实施例的一些实施方式中，巡检车2采用现有技术中可以在工字轨道自主移动的小型电动地平车，具有技术成熟、移动可控的优点。巡检车2放置在巡检轨道1上面，巡检车2可以沿着巡检轨道1前进或者后退。

进一步的，结合图1所示，转动盘5为圆形的金属盘，转动盘5的中心连接一根转轴，转轴的另一端和巡检车2固定连接，转动盘5可以绕着转轴转动。转动盘5的转动中心和盾构隧道9的截面圆心重合，进而对攀壁机器3的作用效果更好。

在本实施例的一些实施方式中，结合图1和图4所示，主动伸缩杆6主要包括套管601和连接杆602两部分，套管601的下端和转动盘5的边沿固定连接，连接杆602从套管601的顶端开口插入，并且连接杆602可以沿着套管601上下滑动。

进一步的，为了实现连接杆602主动运动，在套管601的内部安装有电控推杆7和弹簧8，弹簧8的顶端和连接杆602的端面固定连接或者抵接，弹簧8的底端和电控推杆7的伸缩顶端固定连接或者抵接。在电控推杆7的推动下，弹簧8抵紧连接杆602，进而对攀壁机器3施加推力抵紧盾构隧道9内壁。

需要说明的是，在连接杆602上面安装有压力传感器10，压力传感器10和工作人员的终端依靠数据线建立通信连接，将检测到的对攀壁机器3施加的压力信息传输给终端，便于终端控制主动伸缩杆6的伸缩长度，以适配不同内径的盾构隧道9，确保在不同的盾构隧道9中攀壁机器3依然能够紧贴盾构隧道9的内壁。

在本实施例的一些实施方式中，结合图1、图2和图3所示，攀壁机器3可以采用现有技术中的履带车，具有技术成熟、功能齐全的优点。巡检车2由独立的锂电池进行供电，也可以采用供电线缆进行供电。巡检车2的供电控制器连接有电线，电线沿着主动伸缩杆6布置并和攀壁机器3的控制器、驱动器电性连接，为驱动器工作提供能源。无需再攀壁机器3内安装有电源，降低攀壁机器3的攀壁负担。

需要说明的是，为攀壁机器3供电的电线采用具有形变能力的弹簧线，弹簧线能够适应主动伸缩杆6的伸长缩短，可以减少电线缠绕，使用效果更好。

进一步的，结合图2和图3所示，连接杆602远离转动盘5的一端安装有可以转动的接头603，接头603和连接杆602通过轴承实现转动连接。然后接头603和攀壁机器3铰接相连接，便于攀壁机器3沿着盾构隧道9内壁做圆周运动时主动伸缩杆6也跟着旋转。

在本实施例的一些实施方式中，结合图3所示，隧道检测机构4采用激振检测机器，隧道检测机构4主要包括壳体401、激振电机402、振动传感探头403和激振钢球404四部分，其中壳体401安装在攀壁机器3内的底部，用于为其它零部件提供安装位置，激振电机402和振动传感探头403安装在壳体401的内部，激振电机402通过软支撑杆407和激振钢球404连接。本实施例中两个激振钢球404对称布置。

进一步的，激振电机402转动后带动激振钢球404不断敲击盾构隧道9待检测的内壁，敲击后激振电机402继续转动，软支撑杆407（例如弹簧条）发生形变，拖动激振钢球404继续运动，避免卡死。振动传感探头403采用现有技术中的激振检测常用的压电薄膜传感器，具有高灵敏度的优点。振动传感探头403和激振电机402均连接控制器，控制器通过线缆或者GPRS通信模块盒检测工作人员的终端（例如工作电脑）建立通信连接，如图5所示，激振钢球404敲击盾构隧道9的内壁，图5中的箭头方向表示振动信号传播方向，振动信号经过盾构隧道9传递给振动传感探头403，振动传感探头403检测的振动信号传递给终端，由终端分析处理判断是否出现缺陷。

在本实施例的一些实施方式中，结合图3所示，为了避免隧道检测机构4影响攀壁机器3行走，在攀壁机器3的内部安装有升降电机301，升降电机301的转动轴竖直朝下，转动轴固定连接有同轴的丝杆302，壳体401的顶部开设有上下贯穿的螺孔405，丝杆302和螺孔405螺纹连接。

进一步的，如图3所示，攀壁机器3内固定安装有两根竖直朝下的导杆303，对应的在壳体401上面开设有两个贯穿的导向孔406，导杆303能够穿过导向孔406。导杆303和导向孔406的配合对隧道检测机构4的上升和下降起到导向作用，确保丝杆302旋转后竖直升降。当攀壁机器3需要移动时隧道检测机构4上升，底部不和壁面接触，当需要检测时隧道检测机构4下降，振动传感探头403和激振钢球404接触壁面。

实施例2

本实施例提供一种巡检方法，采用实施例1中的盾构隧道内攀壁巡检机器人。

还包括以下方法，于盾构隧道9的隧道口安装并调试好盾构隧道内攀壁巡检机器人，并将巡检车2安装在巡检轨道1上面，调整巡检车2让转动盘5尽量处于盾构隧道9的截面圆心位置，然后启动盾构隧道内攀壁巡检机器人。

启动盾构隧道内攀壁巡检机器人时，先启动电控推杆7推动弹簧8，弹簧8推动连接杆602向套管601外伸出，直至攀壁机器3抵接盾构隧道9的内壁。然后电控推杆7继续伸长，弹簧8被压缩，通过压力传感器10控制攀壁机器3的抵紧程度。

然后启动攀壁机器3，攀壁机器3沿着道内壁做圆周运动，运动至需要检测的位置时攀壁机器3停下。由升降电机301和丝杆302控制壳体401下降，激振电机402和振动传感探头403也跟着下降，直至振动传感探头403抵接盾构隧道9的内壁。

再然后启动激振电机402，激振电机402带动激振钢球404不断敲击盾构隧道9的壁面，振动信号经过盾构隧道9传递给振动传感探头403，振动传感探头403检测的振动信号传递给终端，由终端分析处理判断是否出现缺陷。

该位置检测完后升降电机301和丝杆302控制壳体401上升，攀壁机器3转向，和巡检车2同步沿着巡检轨道1运动至下一个待检测的盾构隧道9截面，攀壁机器3继续沿着隧道内壁做圆周运动并隧道检测机构4进行检测，直至巡检车2行走至巡检轨道1的终点，完成一次巡检。

综上所述，本发明提供一种盾构隧道内攀壁巡检机器人，其包括巡检轨道1、巡检车2、攀壁机器3和隧道检测机构4，巡检轨道1沿着隧道延伸方向铺设安装；巡检车2沿着巡检轨道1移动，巡检车2转动设置有转动盘5，转动盘5转动连接有主动伸缩杆6，主动伸缩杆6与攀壁机器3转动连接，主动伸缩杆6设置有检测对攀壁机器3施加压力的压力传感器10，主动伸缩杆6通过伸缩调节使攀壁机器3抵紧隧道内壁；隧道检测机构4用于检测盾构隧道9的内壁的缺陷，隧道检测机构4安装于巡检车2。巡检车2带有独立电源或连接供电线缆，巡检车2设置有为攀壁机器3供电的电线，电线沿着主动伸缩杆6布置。电线配置为具有形变能力的弹簧线以减少缠绕。隧道检测机构4配置为激振检测器，隧道检测机构4包括安装于攀壁机器3的壳体401，壳体401内设置有激振电机402和振动传感探头403，激振电机402连接有两个对称的且用于敲击壁面的激振钢球404，振动传感探头403用于检测壁面反射回来的振动信号。攀壁机器3设置有升降电机301，升降电机301连接有丝杆302，壳体401设置有与丝杆302螺纹连接的螺孔405。攀壁机器3还设置有导杆303，壳体401设置有供导杆303穿过的导向孔406。激振电机402通过软支撑杆407与激振钢球404连接。主动伸缩杆6包括套管601和插入套管601的连接杆602，套管601内安装有互相连接的电控推杆7和弹簧8，弹簧8与连接杆602连接，压力传感器10与连接杆602连接，连接杆602的端部转动连接有接头603，接头603与攀壁机器3铰接，攀壁机器3配置为履带车。本发明还提供一种巡检方法，其采用盾构隧道内攀壁巡检机器人，还包括以下方法，于盾构隧道9的隧道口安装并调试好盾构隧道内攀壁巡检机器人，并将巡检车2安装在巡检轨道1上面，然后启动盾构隧道内攀壁巡检机器人，主动伸缩杆6推动攀壁机器3，并让攀壁机器3抵紧隧道的内壁，攀壁机器3先沿着隧道内壁做圆周运动，运动至需要检测的位置时攀壁机器3暂停，由隧道检测机构4检测盾构隧道9的内壁是否存在缺陷，隧道检测机构4将检测的数据传输至工作人员监控的终端，盾构隧道9的截面检测完后巡检车2沿着巡检轨道1运动至下一个待检测的盾构隧道9截面，攀壁机器3继续沿着隧道内壁做圆周运动并隧道检测机构4进行检测，直至巡检车2行走至巡检轨道1的终点，完成一次巡检。

因此，本发明的盾构隧道内攀壁巡检机器人及其巡检方法实现自动巡检，代替人工检测，具有检测效率高的优点，可以做到24小时不间断巡检。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种盾构隧道内攀壁巡检机器人，其特征在于，包括巡检轨道（1）、巡检车（2）、攀壁机器（3）和隧道检测机构（4），

所述巡检轨道（1）沿着盾构隧道（9）延伸方向铺设安装；

所述巡检车（2）沿着所述巡检轨道（1）移动，所述巡检车（2）转动设置有转动盘（5），所述转动盘（5）转动连接有主动伸缩杆（6），所述主动伸缩杆（6）与所述攀壁机器（3）转动连接，所述主动伸缩杆（6）设置有检测对所述攀壁机器（3）施加压力的压力传感器（10），所述主动伸缩杆（6）通过伸缩调节使所述攀壁机器（3）抵紧盾构隧道（9）；

所述隧道检测机构（4）用于检测盾构隧道（9）的缺陷，所述隧道检测机构（4）安装于所述巡检车（2），

所述隧道检测机构（4）配置为激振检测器，所述隧道检测机构（4）包括安装于所述攀壁机器（3）的壳体（401），所述壳体（401）内设置有激振电机（402）和振动传感探头（403），所述激振电机（402）连接有两个对称的且用于敲击壁面的激振钢球（404），所述振动传感探头（403）用于检测壁面反射回来的振动信号，

所述攀壁机器（3）设置有升降电机（301），所述升降电机（301）连接有丝杆（302），所述壳体（401）设置有与所述丝杆（302）螺纹连接的螺孔（405），

所述攀壁机器（3）还设置有导杆（303），所述壳体（401）设置有供所述导杆（303）穿过的导向孔（406），所述主动伸缩杆（6）包括套管（601）和插入所述套管（601）的连接杆（602），所述套管（601）内安装有互相连接的电控推杆（7）和弹簧（8），所述弹簧（8）与所述连接杆（602）连接，所述压力传感器（10）与所述连接杆（602）连接，所述连接杆（602）的端部转动连接有接头（603），所述接头（603）与所述攀壁机器（3）铰接。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道内攀壁巡检机器人，其特征在于，所述巡检车（2）带有独立电源或连接外部的供电线缆，所述巡检车（2）内设置有为所述攀壁机器（3）供电的电线，所述电线沿着主动伸缩杆（6）布置。

3.根据权利要求2所述的盾构隧道内攀壁巡检机器人，其特征在于，所述电线配置为具有形变能力的弹簧线。

4.根据权利要求1所述的盾构隧道内攀壁巡检机器人，其特征在于，所述激振电机（402）通过软支撑杆（407）与所述激振钢球（404）连接。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道内攀壁巡检机器人，其特征在于，所述攀壁机器（3）配置为履带车。

6.一种巡检方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的盾构隧道内攀壁巡检机器人，还包括以下方法，

于盾构隧道（9）的隧道口安装并调试好盾构隧道内攀壁巡检机器人，并将巡检车（2）安装在巡检轨道（1）上面，然后启动盾构隧道内攀壁巡检机器人，主动伸缩杆（6）推动攀壁机器（3），并让攀壁机器（3）抵紧盾构隧道（9）的内壁，攀壁机器（3）先沿着盾构隧道（9）的内壁做圆周运动，运动至需要检测的位置时攀壁机器（3）暂停，由隧道检测机构（4）检测盾构隧道（9）的内壁是否存在缺陷，隧道检测机构（4）将检测的数据传输至工作人员监控的终端，盾构隧道（9）的截面检测完后巡检车（2）沿着巡检轨道（1）运动至下一个待检测的盾构隧道（9）截面，攀壁机器（3）继续沿着盾构隧道（9）的内壁做圆周运动并且隧道检测机构（4）进行检测，直至巡检车（2）行走至巡检轨道（1）的终点，完成一次巡检。