一种基于激光扫描技术的围岩分级方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光扫描技术的围岩分级方法，包括步骤：对围岩进行扫描，获得围岩的三维空间点云数据和激光回波强度；由所述围岩的三维空间点云数据计算获得岩体节理数和节理间距，以确定岩体完整程度；由所述围岩的激光回波强度推定出岩体单轴抗压强度，以确定岩石类别；根据所确定的岩体完整程度和岩石类别，及结合围岩分级标准对围岩进行分级，以获得围岩分级等级。本发明可有效及正确地实现隧道围岩分级，可通过计算程序自动实现，避免了人为因素干扰，能对围岩进行全空间扫描，可操作性强,具有抗干扰性强、高效便捷特点，及具有广泛的适用性。
【专利说明】
一种基于激光扫描技术的围岩分级方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于激光扫描技术的围岩分级方法，属于岩土工程的技术领域。
【背景技术】
[0002] 隧道围岩分级是选择施工方法的依据，是确定衬砌结构的类型尺寸、确定结构荷 载等的基础。根据《铁路隧道超前地质预报技术规程》，围岩基本分级可由岩石坚硬程度和 岩体完整程度确定。岩石的坚硬程度可通过单轴饱和抗压强度大小，岩石的完整程度则是 根据完整性指数来进行划分。传统划分方法根据室内岩石试验来实现，测试成本和效率存 在巨大缺陷。
[0003] 随着三维激光扫描技术发展，其设备的精度、效率和易操作性提高。该技术不仅可 以获取扫描对象的空间点云数据信息，而且可以探测出扫描对象的激光回波强度大小，已 成为测绘领域的研究热点。其扫描对象不断增多，应用领域也在不断扩大，逐渐成为获取空 间三维模型主要方式之一。三维激光扫描技术目前已成功应用在遗产和文物保护、地形测 绘和基础设施监控等。
[0004] 由于传统的围岩分级方法，利用室内岩石抗压试验、工程物探测试和现场地质调 查等方法，虽然这些方法能对围岩进行分级，但是存在施工成本高，工作周期长、效率低下 的缺点。若能利用三维激光扫描技术对隧道围岩分级，将使得这地质勘查变得简单快捷、准 确，可节省大量隧道地质调查时间，因此，发明一种简单快捷的围岩分级方法有利于更好地 服务于工程建设。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于激光扫描技 术的围岩分级方法，解决传统划分方法无法利用三维激光扫描技术，测试成本和效率存在 巨大缺陷的问题，可正确有效实现隧道围岩分级。
[0006] 本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0007] -种基于激光扫描技术的围岩分级方法，包括步骤：
[0008] 对围岩进行扫描，获得围岩的三维空间点云数据和激光回波强度；
[0009] 由所述围岩的三维空间点云数据计算获得岩体节理数和节理间距，以确定岩体完 整程度；
[0010] 由所述围岩的激光回波强度推定出岩体单轴抗压强度，以确定岩石类别；
[0011] 根据所确定的岩体完整程度和岩石类别建立围岩分级标准，及根据围岩分级标准 对围岩进行分级获得围岩分级等级。
[0012 ]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案:所述岩体节理数为岩体体积节理数。 [0013 ]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案:所述岩体节理数为岩体面节理数。 [0014]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案:所述岩体节理数为岩体线节理数。
[0015]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案:所述围岩的激光回波强度与岩体单 轴抗压强度之间标定为函数关系。
[0016] 进一步地，作为本发明的一种优选技术方案:所述方法中，由围岩的激光回波强度 获得岩体纵波波速，及根据岩体纵波波速确定岩石类别。
[0017] 本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
[0018] 本发明提供的基于激光扫描技术的围岩分级方法，三维激光扫描技术不仅可以获 取岩体的空间点云数据信息，而且可以探测出岩体激光回波强度值。根据上述特性，利用这 一技术可以计算出岩体机理数、节理间距和岩体抗压强度，推定出岩体完整程度和岩石类 另IJ，最后由围岩的分级标准正确实现隧道围岩分级。本发明的方法是一种省时、省力的隧道 围岩分级方法，具有简便易学、可操作性强，以及对环境非破坏性等突出优点。
[0019] 利用本发明的方法进行围岩分级，可通过计算程序自动实现，避免了人为因素干 扰，能对围岩进行全空间扫描，相对其它方法具有无可比拟的优势。同时，可使得对岩体探 测变得简单快捷、准确，可节省大量时间，提高效率，由此，本方法具有抗干扰性强、高效便 捷特点，具有广泛的适用性。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明基于激光扫描技术的围岩分级方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
[0022] 如图1所示，本发明设计了一种基于激光扫描技术的围岩分级方法，本实施例的方 法运用于隧道围岩等级划分中，该方法具体包括步骤：
[0023] 步骤1、利用三维激光扫描设备对隧道围岩全空间扫描，扫描前进行和完成初始设 置;在对围岩进行扫描工作完成后，获得围岩的三维空间点云数据和激光回波强度。
[0024]步骤2、由所述围岩的三维空间点云数据计算获得岩体节理数和节理间距，以确定 岩体完整程度;具体地过程如下：
[0025] (1)由围岩的三维空间点云数据，确定出节理空间位置信息，如5m范围。
[0026] (2)通过岩体节理数和间距对岩体完整性进行衡量，其中岩体节理数优选地可为 岩体体积节理数或岩体面节理数，岩体线节理数。本实施例中采用岩体体积节理数，岩体空 间点云数据信息并不仅限定于岩体体积节理数对岩体完整程度标定，也可以是岩体面节理 数或岩体线节理数或其他方法。
[0027]由此，通过岩体体积节理数和间距对岩体完整性进行衡量的表达式为：
[0028] Jv=Si+S2+---+Sn+Sk (1)
[0029]其中，Jv为岩体体积节理数，Sn为组节理在Im测线上的条数，Sk为Im 3岩体非成组节 理条数。
[0030] 以及，可获得：Z> =丄 ⑴ M
[0031] 其中，1为结构面测线长度，η为测线相交的结构面条数。
[0032] (3)由所述空间节理数Jv确定岩体完整程度，如下述表1:
[0033]表1岩体完整程度划分 L0035」步骤3、根据所述围岩的激光回波强
度推定出岩体单轴抗压强度，以确定岩石类 另IJ。由岩体的激光回波强度与抗压强度具有很强的相关性，当岩石强度较低时，表层和内部 存在大量的空隙，使得激光反射效果较差，反射率较小;反之，当岩石强度较高时，激光反射 效果较好，反射率较大。根据上述特性，将所述围岩的激光回波强度与岩体单轴抗压强度之 间标定为函数关系，可利用扫描的岩体激光回波强度推定出岩石的抗压强度，及可根据岩 性不同采用相应的函数形式。本发明所采用的函数形式，具体如下：
[0036] (1)由激光回波强度与岩体强度相关性，计算出岩体单轴抗压强度：
[0037] Rc = f (x) (3)
[0038] 其中，R。为岩体单轴抗压强度，x为围岩的激光回波强度，f为R。和x函数关系。一般 情况下，岩体单轴抗压强度二者存在简单的线性关系，可通过线性回归表示：
[0039] Rc = Ax+B (4)
[0040] 其中，R。为岩体单轴抗压强度，X为围岩的激光回波强度，A和B为系数根据不同岩 性取值。
[0041] (2)由岩体单轴抗压强度Rc值划分出岩石类别，即根据表2以岩石坚硬程度划分进 行岩石类别的划分。
[0042] 表2岩石坚硬程度划分
LUW4」 步骤4、恨做上还步骤2、；3所俩疋的君棒元罡程反和君七失別厘1围君甘级称佃， 及根据围岩分级标准对围岩进行分级获得围岩分级等级。即按表3建立的围岩分级标准确 定出围岩分级等级，其等级包括I至VI多个等级。
[0045]表3围岩分级标准
L0047」以及，在所述方法中，还可优选由获取的岩体表面纵波波速代替岩体单轴抗压强 度，及由围岩的激光回波强度获得岩体纵波波速，及根据岩体纵波波速确定岩石类别。由岩 体激光回波强度与纵波波速关系实现围岩等级划分，其实施过程同上述步骤。
[0048] 本方法并不仅限定于隧道围岩等级划分，也可应用于其他工程中围岩等级划分， 诸如边坡、地基处理等工程。使得本方法可以广泛地运用于各场合的围岩探测中。
[0049] 综上，本发明的围岩分级方法可根据岩石类别和岩体完整程度对围岩进行分级， 结合围岩的分级标准正确实现隧道围岩分级。围岩分级可通过计算程序自动实现，避免了 人为因素干扰，能对隧道进行全空间扫描，相对其它方法具有无可比拟的优势。并具有抗干 扰性强、高效便捷及对环境非破坏特点，具有广泛的适用性。
[0050] 上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施 方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下 做出各种变化。
【主权项】
1. 一种基于激光扫描技术的围岩分级方法，其特征在于，包括步骤： 对围岩进行扫描，获得围岩的三维空间点云数据和激光回波强度； 由所述围岩的三维空间点云数据计算获得岩体节理数和节理间距，以确定岩体完整程 度； 由所述围岩的激光回波强度推定出岩体单轴抗压强度，以确定岩石类别； 根据所确定的岩体完整程度和岩石类别建立围岩分级标准，及根据围岩分级标准对围 岩进行分级获得围岩分级等级。2. 根据权利要求1所述基于激光扫描技术的围岩分级方法，其特征在于:所述岩体节理 数为岩体体积节理数。3. 根据权利要求1所述基于激光扫描技术的围岩分级方法，其特征在于:所述岩体节理 数为岩体面节理数。4. 根据权利要求1所述基于激光扫描技术的围岩分级方法，其特征在于:所述岩体节理 数为岩体线节理数。5. 根据权利要求1所述基于激光扫描技术的围岩分级方法，其特征在于:所述围岩的激 光回波强度与岩体单轴抗压强度之间标定为函数关系。6. 根据权利要求1所述基于激光扫描技术的围岩分级方法，其特征在于:所述方法中， 由围岩的激光回波强度获得岩体纵波波速，及根据岩体纵波波速确定岩石类别。
【文档编号】G01N21/17GK105842168SQ201610154265
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】许军才, 任青文, 沈振中
【申请人】河海大学