一种控制撑靴的方法、系统和TBM与流程

本发明涉及一种控制撑靴的方法、系统和tbm，属于掘进设备。

背景技术：

1、全断面硬岩隧道掘进机(tbm)是集机、电、液、光、气等系统于一体的大型隧道施工装备，包括敞开式tbm、单护盾tbm和双护盾tbm，可用于掘进、支护、出渣等施工工序并进行连续作业，具有掘进速度快、环保、综合效益高等优点。

2、其中，敞开式tbm的撑靴在隧道掘进作业中用于撑紧隧道洞壁、为tbm向掘进方向掘进提供推力的作用。根据地质情况，洞壁上可能会搭建拱架，拱架在tbm拱架拼装机上拼成一环后撑紧到洞壁，相应地，撑靴的压紧面(靴板面)上设有撑靴凹槽可用于扣住拱架，即撑靴凹槽具有容纳拱架的空间，撑靴凹槽的宽度略大于拱架的宽度。

3、由于敞开式tbm掘进完一个行程后，需要进行换步动作，即后支撑落下撑紧，撑靴在撑紧面处回收，推进油缸回收，撑靴伸出在撑紧面处撑紧，后支撑回收。在撑靴再次撑紧的过程中，若与拱架产生干涉，即拱架在撑靴压紧面的撑紧轨迹上，也就是撑靴压紧面上不设置撑靴凹槽的部分压在拱架上，会造成撑靴失效、支护损坏，甚至引起二次坍塌、设备受损、人员受伤等严重后果。

4、为避免撑靴与拱架产生干涉，需要通过人工现场判断撑靴与拱架在掘进方向上的间距，并指挥主司机操作，完成撑靴与拱架的位置适配，进而完成撑靴撑紧动作，撑靴处环境恶劣，撑靴两侧上下共四处均需要现场人工查看适配，严重影响换步效率。

5、公布号为cn111894616a的专利文件公开了一种tbm自动撑靴控制方法、控制装置及tbm，具体包括获取当前预设钢拱架基准间距；控制带动回缩状态下的撑靴前移，实时接收扫描围岩的识别装置的扫描结果；根据扫描结果判断是否识别到钢拱架，若是，确定当前钢拱架的位置后，判断撑靴凹槽当前的待前移距离是否大于预设结构距离且小于预设结构距离和预设钢拱架基准间距之和，若是，在撑靴凹槽前移至当前钢拱架后，控制撑靴伸出以压紧围岩且撑靴凹槽扣合于当前钢拱架，否则，再次控制带动回缩状态下的撑靴前移，实时接收识别装置的扫描结果。该方案通过预先识别相邻两环拱架之间的距离，步进式的前移撑靴后依据对钢拱架的探测结果进行判断，通过不断调整，直到移动距离符合需求，保证落足后钢拱架落在撑靴凹槽内。该方案依赖于提前检测的两相邻环拱架的间距步进式地不断调整撑靴位置，循环判断撑靴位置是否满足要求，即控制撑靴移动至无拱架干涉位置的控制效率低，步骤繁多、控制精度低、速度慢，导致换步效率仍然较低。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种控制撑靴的方法、系统和tbm，用以解决现有撑靴的控制效率低的问题。

2、为实现上述目的，本发明的方案包括：

3、本发明的一种控制撑靴的方法，获取撑靴和拱架的实时位置关系，当拱架在撑靴前后靴板的撑紧轨迹上，进行如下避开控制：当拱架靠近撑靴的前沿或后沿时，控制撑靴向远离拱架的方向移动第一设定值，以使撑紧轨迹上无拱架；当拱架靠近撑靴前靴板的后沿或撑靴后靴板的前沿时，控制撑靴使撑靴上靠近拱架的靴板向远离拱架的方向移动第二设定值，以使撑靴完成撑紧动作后拱架在前靴板和后靴板之间的凹槽中。

4、进一步地，当拱架靠近撑靴的前沿时，第一设定值为预设余量和拱架后沿与前靴板前沿之间距离相加的值；当拱架靠近撑靴的后沿时，第一设定值为预设余量和拱架前沿与后靴板后沿之间距离相加的值；当拱架靠近前靴板的后沿时，第二设定值为预设余量和拱架前沿与前靴板后沿之间距离相加的值；当拱架靠近后靴板的前沿时，第二设定值为预设余量和拱架后沿与后靴板前沿之间距离相加的值。

5、进一步地，第二设定值的预设余量为凹槽前后沿距离与拱架前后沿距离差值的一半。

6、进一步地，计算拱架后沿与前靴板前沿之间距离、拱架前沿与前靴板后沿之间距离、拱架后沿与后靴板前沿之间距离和拱架前沿与后靴板后沿之间距离；

7、当拱架后沿与前靴板前沿之间距离使第一不等式成立时认为实时位置关系为拱架靠近撑靴的前沿，当拱架前沿与前靴板后沿之间距离使第一不等式成立时认为实时位置关系为拱架靠近前靴板的后沿；第一不等式为：

8、

9、式中，k1为拱架前后沿距离，x1为前靴板前后沿距离，s1为拱架后沿与前靴板前沿之间距离或拱架前沿与前靴板后沿之间距离；

10、当拱架后沿与后靴板前沿之间距离使第二不等式成立时认为实时位置关系为拱架靠近后靴板的前沿，当拱架前沿与后靴板后沿之间距离使第二不等式成立时认为实时位置关系为拱架靠近撑靴的后沿；第二不等式为：

11、

12、式中，k2为拱架前后沿距离，x2为后靴板前后沿距离，s2为拱架后沿与后靴板前沿之间距离或拱架前沿与后靴板后沿之间距离。

13、进一步地，计算并比较拱架后沿与前靴板前沿之间距离和拱架前沿与前靴板后沿之间距离，当拱架后沿与前靴板前沿之间距离小于拱架前沿与前靴板后沿之间距离时，认为实时位置关系为拱架靠近撑靴的前沿；当拱架前沿与前靴板后沿之间距离小于拱架后沿与前靴板前沿之间距离时，认为实时位置关系为拱架靠近前靴板的后沿；计算并比较拱架后沿与后靴板前沿之间距离和拱架前沿与后靴板后沿之间距离，当拱架后沿与后靴板前沿之间距离小于拱架前沿与后靴板后沿之间距离时，认为实时位置关系为拱架靠近后靴板的前沿；当拱架前沿与后靴板后沿之间距离小于拱架后沿与后靴板前沿之间距离时，认为实时位置关系为拱架靠近撑靴的后沿。

14、进一步地，实时位置关系通过线激光传感器获得。

15、进一步地，线激光传感器分别设置在前靴板前后方向顶部和/或底部的中间，以及后靴板前后方向顶部和/或底部的中间。

16、进一步地，设置在前靴板上的线激光传感器的测量范围大于或等于前靴板前后沿距离、2倍的凹槽前后沿距离与预设余量之和；设置在后靴板上的线激光传感器的测量范围大于或等于后靴板前后沿距离、2倍的凹槽前后沿距离与预设余量之和。

17、进一步地，控制撑靴向相对方向移动第一设定值后，再次获得实时位置关系，当拱架仍在撑靴前后靴板的撑紧轨迹上时，再次进行避开控制。

18、本发明的一种控制撑靴的系统，包括处理器，处理器用于执行指令以实现如上述的控制撑靴的方法。

19、本发明的一种tbm，包括控制撑靴的系统，控制撑靴的系统采用如上述的控制撑靴的系统。

20、本发明的有益效果：

21、本发明是开拓性发明，提供一种用于tbm的控制撑靴的方法、系统和tbm，当拱架和撑靴当前所选的撑紧面位置产生干涉时，可根据撑靴和拱架之间的实时位置关系对撑靴进行控制，通过移动最小距离将撑靴移动至无拱架干涉的位置，以提高撑靴的控制效率，具体当拱架在撑靴前后靴板的撑紧轨迹上，进行如下避开控制：当拱架靠近撑靴的前沿时，控制撑靴向远离拱架的方向(此处远离拱架的方向指撑靴的后方)移动第一设定值，以使撑紧轨迹上无拱架；当拱架靠近撑靴的后沿时，控制撑靴向远离拱架的方向(此处远离拱架的方向指撑靴的前方)移动第一设定值，以使撑紧轨迹上无拱架；当拱架靠近撑靴前靴板的后沿时，控制撑靴使撑靴上靠近拱架的靴板向远离拱架的方向移动第二设定值(此处靠近拱架的靴板为前靴板，远离拱架的方向指前靴板的前方，即撑靴的前方)，以使撑靴完成撑紧动作后拱架在前靴板和后靴板之间的凹槽中；当拱架靠近撑靴后靴板的前沿时，控制撑靴使撑靴上靠近拱架的靴板向远离拱架的方向移动第二设定值(此处靠近拱架的靴板为后靴板，远离拱架的方向指后靴板的后方，即撑靴的后方)，以使撑靴完成撑紧动作后拱架在前靴板和后靴板之间的凹槽中。其中，凹槽将撑靴的靴板面分为前靴板和后靴板，凹槽前侧为前靴板的后部，凹槽后侧为后靴板的前部。