CN113295850A - 基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级方法与装置，属于隧道围岩监测领域。该方法包括以下步骤：采用多元逐步回归和判别分析法建立岩体基本质量指标表达式；岩体与岩块纵波速度之比的平方；根据BQ值的大小，将岩体基本级别划分成5个级别；在确定工程岩体的级别时，须定出地下水、软弱结构面和地应力状态对岩体基本质量BQ的影响系数Kl，K2，K3，按公式对BQ进行修正；影响系数根据国标提供的赋值表格确定；数据整合与分类；获取各指标。本发明能够实现公路隧道施工超前地质预报和现场试验测试，将现场监控量测数据、超前地质预报以及现场试验测试与围岩分级挂钩，具有很高的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于隧道围岩监测领域，涉及基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级方法与装置。
背景技术
岩体结构***，荷载分布模式、大小具有随机性、模糊性、不可预见性，准确确定隧道受力状态很困难，导致现行的隧道结构设计规范多采用围岩分级为前提的类比设计，这是目前工作的客观现实情况，而且多年来的设计与施工都一直这样做，如果摒弃围岩分级，来谈结构设计(特别是隧道施工现场的设计)，做一些理论上的研究，研究成果的实用性是值得商榷的。研究新的设计方法，还是必须与围岩分级挂钩，与设计与施工的习惯相结合，这样的研究成果才有生命力，才有可能得到广泛应用。
目前，隧道施工现场围岩分级判断多采用定性标准，导致围岩分级判断往往带有很强的主观性，给隧道现场设计和施工工作带来不便。现在，大多数的公路隧道施工都要求进行现场监控量测工作、超前地质预报工作、现场试验测试工作，将现场监控量测数据、超前地质预报以及现场试验测试与围岩分级挂钩，提出一种基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级方法与***就有十分重要的创新性，具有很高的应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级方法与装置。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级方法，该方法包括以下步骤：
S1：采用多元逐步回归和判别分析法建立岩体基本质量指标表达式；
BQ＝90+3Rc+250Kv
式中：Rc为岩石饱和抗压强度，单位为MPa；Kv为岩体完整性系数，定义为岩体与岩块纵波速度之比的平方；根据BQ值的大小，将岩体基本级别划分成5个级别；
S2：在确定工程岩体的级别时，须定出地下水、软弱结构面和地应力状态对岩体基本质量BQ的影响系数Kl，K2，K3，按公式对BQ进行修正；影响系数根据国标提供的赋值表格确定，具体公式为：
[BQ]＝BQ－l00(K1+K2+K3)
对BQ进行修正后得[BQ]，由[BQ]定出工程岩体级别；
S3：数据整合与分类；
S4：获取各指标。
可选的，所述S3具体为：
强度Rc的数据来源为地勘报告；
完整性指标Kv的数据来源为TGP预报与弹性波测试；
地下水修正系数K1的数据来源为超前地质钻孔、瞬变电池超前预报；
软弱结构面修正系数K2的数据来源为地质罗盘测试；
地应力修正系数K3的数据来源为地勘资料或现场测试。
可选的，所述S4具体为：
1)单轴饱和抗压强度获取
饱和单轴抗压强度取值结合地勘报告，根据掌子面地质素描，判断掌子面岩性与分类，对照地勘资料获取岩块的饱和单轴抗压强度，若出现地勘报告未涉及的岩性或岩石，现场采用点荷载试验获取岩块的饱和单轴抗压强度；
2)完整性指标获取方法
根据现有规范岩体完整性指标获取有两种方法，节理裂隙统计分析法与弹性波速法，节理裂隙统计分析法现场操作性不强，实施起来比较困难，弹性波速法根据现有的数据辅以波速测试，现场通过TGP测试结果提取掌子面前方的岩体弹性波速，同时通过在掌子面选取完整岩块采用声波仪测试获取岩块的弹性波速；
KV＝(υpm÷υpv)2
3)地下水修正系数
地下水修正系数作为围岩分级的修正系数之一，利用瞬变电池的探测结果获取地下水修正系数，瞬变电池测试分析结果定量取值标准如表2：
表2基于物探结果分析地下水影响修正系数
4)软弱结构面修正系数
对于掌子面主要结构面采用地质罗盘获取其产状参数，获取软弱结构面修正系数；
5)地应力修正修系数
常规隧道地应力根据抵抗报告取值进行修正。
基于所述方法的基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级装置，包括：
地勘报告围岩强度Rc模块，用于地质勘察、现场测试及实验室围岩参数数据进行分析，得出隧址区地质分布状况、断层及岩溶段位置、不同里程围岩级别大致分布状况，判断围岩基本质量指标BQ；
完整性指标Kv模块，收集TGP在不同围岩岩性、断层、节理、破碎带和溶蚀通道电磁波反射后形成的雷达图像；计算弹性波在不同工程地质岩组，代表性的点测出的岩体弹性纵波速度，判断岩体完整性指标；
地应力修正系数K3模块，依据现场测试或不同围岩在地应力作用下开挖过程的现象，得出初始应力状态的修正值；
软弱结构面修正系数K2模块，借助罗盘、地勘资料及超前地质预报的测试数据，判断结构面走向与洞轴线的夹角，结构面倾角，判断软弱结构面修正值；
地下水修正系数K1模块，借助法拉第电磁感应原理，收集并记录掌子面前方富水溶洞、含水断层及含水裂隙电阻率变化情况，从而判断隧址区地下水修正值；
掌子面信息及图形采集模块，用于记录和收集掌子面地层信息，借助地质资料预测掌子面前方围岩变化趋势；
结果输出模块，根据输入的参数预测掌子面前方一定距离的围岩级别。
本发明的有益效果在于：能够实现公路隧道施工超前地质预报和现场试验测试，将现场监控量测数据、超前地质预报以及现场试验测试与围岩分级挂钩，具有很高的应用价值。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明***架构图；
图3为本发明模块设计图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
一、围岩定量分级标准
国标认为，影响岩体基本质量的主要因素有两个，即岩体的完整程度和岩石的坚硬程度。这二者是岩体所固有的属性，是有别于工程因素的共性。前者与岩体结构面的特征相关，后者与岩石抗压强度、风化程度等因素相关。不同的完整程度与不同的坚硬程度的各种组合，就决定了岩体不同的基本质量级别。国标将岩体质量划分成五个级别。确定岩石坚硬程度和岩体完整程度，有定性和定量两种方法，前者通过现场详细地质勘察来进行，后者借助于必要的力学指标测试，即岩石饱和抗压强度和岩体与岩石纵波速度测试。测出定量指标后按下式进行线性组合，即可以求出岩体基本质量指标BQ。
岩体基本质量指标值以103个典型工程为抽样总体，采用多元逐步回归和判别分析法建立了岩体基本质量指标表达式：
BQ＝90+3Rc+250Kv
式中：Rc为岩石饱和抗压强度(MPa)；Kv为岩体完整性系数，定义为岩体与岩块纵波速度之比的平方。根据BQ值的大小，可将岩体基本级别划分成5个级别。
在第二步确定工程岩体的级别时，须定出地下水、软弱结构面和地应力状态对岩体基本质量BQ的影响系数Kl，K2，K3，按公式对BQ进行修正。影响系数的确定可查阅国标提供的赋值表格。具体公式为：
[BQ]＝BQ－l00(K1+K2+K3)
对BQ进行修正后得[BQ]，由[BQ]定出工程岩体级别。
二、数据整合与分类
各指标数据来源及其分类见表1。
表1各指标数据来源及分类表
| 序号 | 定量指标 | 数据来源 | 方法 |
| 1 | 强度Rc | 地勘报告(必要的现场测试) | 既有标准 |
| 2 | 完整性指标Kv | TGP预报与弹性波测试 | 地质预报结果量化分级 |
| 3 | 地下水修正系数K1 | 超前地质钻孔、瞬变电池超前预报 | 地质预报结果量化分级 |
| 4 | 软弱结构面修正系数K2 | 地质罗盘测试 | 既有标准 |
| 5 | 地应力修正系数K3 | 地勘资料或现场测试 | 地应力测试结果量化分级 |
三、各指标取值方法
1)单轴饱和抗压强度获取
饱和单轴抗压强度取值可以结合地勘报告，根据掌子面地质素描，判断掌子面岩性与分类，对照地勘资料获取岩块的饱和单轴抗压强度，若出现地勘报告未涉及的岩性或岩石，现场采用点荷载试验获取岩块的饱和单轴抗压强度。
2)完整性指标获取方法
根据现有规范岩体完整性指标获取有两种方法，节理裂隙统计分析法与弹性波速法，节理裂隙统计分析法现场操作性不强，实施起来比较困难，弹性波速法可以根据现有的数据辅以简单的波速测试即可，现场可通过TGP测试结果提取掌子面前方的岩体弹性波速，同时通过在掌子面选取完整岩块采用声波仪测试获取岩块的弹性波速。
KV＝(υpm÷υpv)2
3)地下水修正系数
地下水修正系数作为围岩分级的主要修正系数之一，现场有两种方法可以获取，掌子面量取法与瞬变电池探测法，掌子面量取法相对较准确，但是由于地下水分布变化较大，对于掌子面前方围岩分级的预测存在一定的误差，现场可以充分利用瞬变电池的探测结果获取地下水修正系数。瞬变电池测试分析结果定量取值标准见表2。
表2基于物探结果分析地下水影响修正系数
4)软弱结构面修正系数
对于掌子面主要结构面采用地质罗盘获取其产状参数，进而获取软弱结构面修正系数。
5)地应力修正修系数
为方便现场操作，常规隧道地应力根据抵抗报告取值进行修正即可。
四、***设计
基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级方法与***设计如下：本***主要包括多源数据整合模块、围岩分级关键指标提取模块，围岩量化分级计算模块，围岩分级信息展示模块。***结构如下。
五、多源数据集成的隧道围岩分级***与装置
一种多源数据集成的隧道围岩分级装置，包含：
地勘报告围岩强度模块，主要是用于地质勘察、现场测试及实验室围岩参数数据进行分析，得出隧址区地质分布状况、断层及岩溶段位置、不同里程围岩级别大致分布状况，从而初步判断围岩基本质量指标BQ。
完整性指标Kv模块，主要收集TGP在不同围岩岩性、断层、节理、破碎带和溶蚀通道电磁波反射后形成的雷达图像；计算弹性波在不同工程地质岩组，代表性的点测出的岩体弹性纵波速度；从而判断岩体完整性指标，
地应力修正系数K3模块，依据现场测试或不同围岩在地应力作用下开挖过程的主要现象，得出初始应力状态的修正值。
软弱结构面修正系数K2模块，借助罗盘、地勘资料及超前地质预报的测试数据，判断结构面走向与洞轴线的夹角，结构面倾角，判断软弱结构面修正值。
地下水修正系数K1模块，借助法拉第电磁感应原理，收集并记录掌子面前方富水溶洞、含水断层及含水裂隙电阻率变化情况，从而判断隧址区地下水修正值。
掌子面信息及图形采集模块，主要是为了记录和收集掌子面地层信息，借助地质资料预测掌子面前方围岩变化趋势。
如图1所示，结果输出模块，主要是根据输入的参数为了快速预测掌子面前方一定距离的围岩级别。***架构如图2所示。
模块设计如图3所示，为确保现场快速采集与围岩快速分级，设计一款多源数据采集与围岩分级一体化装置，该该装置搭载机器人本体，可在隧道施工环境中自动行走，机器人搭载了需要进行现场数据采集的各项装置，主要包括围岩点荷载强度自动采集单元、围岩超前探水单元、围岩与岩块弹性波速自动采集单元，以及数据交互处理分析单元。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：采用多元逐步回归和判别分析法建立岩体基本质量指标表达式；
BQ＝90+3Rc+250Kv
式中：Rc为岩石饱和抗压强度，单位为MPa；Kv为岩体完整性系数，定义为岩体与岩块纵波速度之比的平方；根据BQ值的大小，将岩体基本级别划分成5个级别；
S2：在确定工程岩体的级别时，须定出地下水、软弱结构面和地应力状态对岩体基本质量BQ的影响系数Kl，K2，K3，按公式对BQ进行修正；影响系数根据国标提供的赋值表格确定，具体公式为：
[BQ]＝BQ－l00(K1+K2+K3)
对BQ进行修正后得[BQ]，由[BQ]定出工程岩体级别；
S3：数据整合与分类；
S4：获取各指标。
2.根据权利要求1所述的基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级方法，其特征在于：所述S3具体为：
强度Rc的数据来源为地勘报告；
完整性指标Kv的数据来源为TGP预报与弹性波测试；
地下水修正系数K1的数据来源为超前地质钻孔、瞬变电池超前预报；
软弱结构面修正系数K2的数据来源为地质罗盘测试；
地应力修正系数K3的数据来源为地勘资料或现场测试。
3.根据权利要求1所述的基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级方法，其特征在于：所述S4具体为：
1)单轴饱和抗压强度获取
饱和单轴抗压强度取值结合地勘报告，根据掌子面地质素描，判断掌子面岩性与分类，对照地勘资料获取岩块的饱和单轴抗压强度，若出现地勘报告未涉及的岩性或岩石，现场采用点荷载试验获取岩块的饱和单轴抗压强度；
2)完整性指标获取方法
根据现有规范岩体完整性指标获取有两种方法，节理裂隙统计分析法与弹性波速法，节理裂隙统计分析法现场操作性不强，实施起来比较困难，弹性波速法根据现有的数据辅以波速测试，现场通过TGP测试结果提取掌子面前方的岩体弹性波速，同时通过在掌子面选取完整岩块采用声波仪测试获取岩块的弹性波速；
KV＝(υpm÷υpv)2
3)地下水修正系数
地下水修正系数作为围岩分级的修正系数之一，利用瞬变电池的探测结果获取地下水修正系数，瞬变电池测试分析结果定量取值标准如表2：
表2基于物探结果分析地下水影响修正系数
4)软弱结构面修正系数
对于掌子面主要结构面采用地质罗盘获取其产状参数，获取软弱结构面修正系数；
5)地应力修正修系数
常规隧道地应力根据抵抗报告取值进行修正。
4.基于权利要求1～3中任一项所述方法的基于多源数据融合的隧道围岩定量快速分级装置，其特征在于：包括：
地勘报告围岩强度Rc模块，用于地质勘察、现场测试及实验室围岩参数数据进行分析，得出隧址区地质分布状况、断层及岩溶段位置、不同里程围岩级别大致分布状况，判断围岩基本质量指标BQ；
完整性指标Kv模块，收集TGP在不同围岩岩性、断层、节理、破碎带和溶蚀通道电磁波反射后形成的雷达图像；计算弹性波在不同工程地质岩组，代表性的点测出的岩体弹性纵波速度，判断岩体完整性指标；
地应力修正系数K3模块，依据现场测试或不同围岩在地应力作用下开挖过程的现象，得出初始应力状态的修正值；
软弱结构面修正系数K2模块，借助罗盘、地勘资料及超前地质预报的测试数据，判断结构面走向与洞轴线的夹角，结构面倾角，判断软弱结构面修正值；
地下水修正系数K1模块，借助法拉第电磁感应原理，收集并记录掌子面前方富水溶洞、含水断层及含水裂隙电阻率变化情况，从而判断隧址区地下水修正值；
掌子面信息及图形采集模块，用于记录和收集掌子面地层信息，借助地质资料预测掌子面前方围岩变化趋势；
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