一种隧道围岩快速分级设备系统及其操作方法与流程

本发明涉及隧道工程技术领域，具体为一种隧道围岩快速分级设备系统及其操作方法。

背景技术：

隧道工程是一项高风险的隐蔽性工程，前期常规勘察为隧道工程设计提供的围岩分级是对围岩的粗略预分级，需要在施工过程中不断加以修正。但是国内外的学者提出的工程岩体分级方法有上百种，就国内现行使用的公路和铁路的围岩分级方法都不尽相同，各分级方法选用的定量指标数目各有不同，少则1个，多则近10个。目前要求隧道及地下工程施工地质超前预报提供施工掌子面前方岩体分级的情况已不鲜见，但是在隧道地质超前预报特别是施工地质超前预报阶段，根据隧道掌子面围岩岩体体积节理数jv、岩石体声波测试结果，可确定围岩岩体完整性系数kv；根据隧道洞内地质调查可确定主要结构面状态和岩体含水情况；但要确定岩石单轴饱和抗压强度rc，必须取样进行岩石单轴抗压强度试验，且岩体的初始地应力状态无法快速确定。

因此，在隧道施工期间需要在施工过程中不断对围岩级别加以修正，进行动态设计。常规的围岩分级方法很慢且定性的影响因素较多，缺乏施工期隧道围岩快速分级方法，加之定量指标参数的采集分析的困难，目前的施工期围岩分级主要是在隧道现场通过人为观察即行判定，主观臆断、缺乏科学性，也因此出现较多的因围岩划分错误导致的坍塌灾害事故，造成很多生命财产损失。因此，研究隧道施工期围岩级别快速判定方法及软硬件系统，是目前隧道施工亟待解决的问题。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种隧道围岩快速分级设备系统及其操作方法，具备隧道围岩分级的快速化、定量化和规范化，避免了人为鉴定的主观性和常规鉴定缺乏可操作性等优点，解决了上述背景技术中所提出的问题。

(二)技术方案

本发明提供如下技术方案：一种隧道围岩快速分级设备系统及其操作方法，所述分级设备系统的操作方法包括以下步骤：

s1、分析现有隧道围岩分级基本理论方法。

s2、确定围岩快速分级需要的指标。

s3、研究岩体完整性指标的快捷测试方法。

s4、研究岩石坚硬程度指标的快捷测试方法。

s5、研究地下水、结构面、初始地应力状态等修正指标的现场快捷确定方法。

s6、实现从现成数据采集到成果输出的一体化软硬件系统。

所述隧道围岩快速分级设备系统主要由岩体完整性系数快捷测试分析模块、岩石单轴饱和抗压强度快捷测试分析模块、围岩分级修正指标测试分析模块等三部分软硬件组成。

优选的，所述隧道岩体完整性指标快捷测试方法包括有品字形测区与l形测线布置方法，所述隧道岩体完整性指标快捷测试方法还包括有六点串联固定式接收换能器系统设计。

优选的，所述波速数据采集软硬件内部包括有岩块波速与岩体波速分离计算方法，所述岩块波速与岩体波速分离计算方法包括有测试流程、趋势线法求解原理、单个测区岩块、岩体纵波速度代表值的确定、整个掌子面岩块、岩体纵波速度代表值的确定和岩体完整性系数的最终确定。

优选的，所述岩石坚硬程度指标快捷测试方法包括有回弹强度与单轴饱和抗压强度相关替代关系和岩块纵波波速与单轴饱和抗压强度相关替代关系。

优选的，所述围岩分级修正指标快捷确定方法包括有地下水出水状态快速确定方法研究、结构面产状及其与洞轴线的组合关系测试方法和初始地应力状态。

优选的，所述隧道施工期围岩级别快速鉴定设备系统是一个以人为主导，利用测试硬件、计算机软件及其它工具，进行隧道掌子面围岩地质信息的采集、测试、储存、调用、输入、计算和输出。

优选的，所述岩块波速与岩体波速分离计算方法的测试流程主要是将现场原始数据进行初步整理，达到符合计算机输入与处理方法的要求，主要包括解编、编辑、抽道和真振幅恢复等基本步骤。

优选的，两种所述表征单轴饱和强压强度的替代方法及相应的硬件均包含于设备系统内，一方面是硬件集成到位，另一方面是在软件的采集和分析模块中，设置专门的方法选择界面。

优选的，所述在隧道施工期间需要在施工过程中不断对围岩级别加以修正，进行动态设计。

与现有技术相比，本发明提供了一种隧道围岩快速分级设备系统及其操作方法，具备以下有益效果：

1、该隧道围岩快速分级设备系统及其操作方法，在围岩分级领域率先研制了一套集采集、存储、调用、输入、计算到成果输出的一体化隧道围岩级别快速鉴定设备系统，具备高分辨、低能耗、轻便化和功能集成的特点，具有防尘、防潮和防干扰等特点，更适合在隧道洞内恶劣环境下应用，实现了隧道围岩分级的快速化、定量化和规范化，避免了人为鉴定的主观性和常规鉴定缺乏可操作性等问题。

2、该隧道围岩快速分级设备系统及其操作方法，设计提出了能涵盖隧道掌子面的“品”字形测区布置方法和能穿越各种产状结构面的“l”形一发六收测线或点布置方法，结合高分辨的弯扭式压电检波器，设计制作了六点串联式接收换能器系统，在保证方法科学的前提下，显著提高了采集效率，节约了测试时间。

3、该隧道围岩快速分级设备系统及其操作方法，分别建立了岩块波速与岩体波速分离计算的渐进线法模型和趋势线法模型，对比研究取舍后，选择趋势线法计算模型，使围岩完整性系数计算分析更科学、更便捷。开发了关于岩体完整系系数的智能化分析处理软件模块。

4、该隧道围岩快速分级设备系统及其操作方法，将岩石分为粘土岩和非粘土岩两大类，分别研究了岩石单轴饱和抗压强度与回弹强度的相关关系，提出了岩石回弹指标替代单轴饱和抗压强度的经验公式，充分体现了替代指标现场测试的快捷性和替代方法的科学性。开发了关于岩石单轴饱和抗压强度的智能化分析处理软件模块。

5、该隧道围岩快速分级设备系统及其操作方法，跟传统规范方法相比，不需要专门在现场钻孔、取样，也不需要送样到试验室进行芯样加工、浸水饱和及三轴试验，能显著节约时间和成本，这是其快捷性和低成本优点，跟现在还处于试验探索阶段的智能化方法相比，该系统方法对实际围岩完整性、强度等规范要求指标均进行了实测，取得了bq的定量计算值，不需要像专家模糊评判法或人工神经网络法那样过分依赖样本数量和质量，属符合规范要求的定量方法，这是其科学性和可靠性优点，使得围岩分级这项工作在隧道施工期具备了可操作性，进而助力隧道动态设计理念得以推行，规避相关的人员伤亡和财产损失，推动工程安全、质量、进度目标的最终实现，有巨大的社会、经济效益。

附图说明

图1为本发明总体技术路线图；

图2为与本专利最相近的现有技术方法实施流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

一种隧道围岩快速分级设备系统及其操作方法，分级设备系统的操作方法包括以下步骤：

s1、分析现有隧道围岩分级基本理论方法，系统归纳所需获取的各项参数指标，并评价参数指标现场测试的快捷性。

s2、确定围岩快速分级需要的指标，对需要进行替代的指标，进行大量的相关性试验研究；对其他指标，需进行测试实践，评价测试方式的快捷性，并通过试验成果来总结经验、优化试验方法，提出能够保证高效试验的优化方法。

s3、研究岩体完整性指标的快捷测试方法，通过现场试验研究确定隧道洞内岩块波速与岩体波速的快捷测试布置方法及数据分离计算模型。

s4、研究岩石坚硬程度指标的快捷测试方法，通过现场试验研究确定岩石单轴饱和抗压强度与岩块波速、岩石单轴饱和抗压强度与回弹强度值的关系，分别找出相关替代公式并评价哪种替代方案更为可靠。期间主要包括波速测试、回弹试验、岩石三轴压缩试验等。

s5、研究地下水、结构面、初始地应力状态等修正指标的现场快捷确定方法，主要包括水压力测试、出水量测试、产状测试、地应力定性评价等。

s6、实现从现成数据采集到成果输出的一体化软硬件系统，集成制作现场测试的仪器设备硬件系统，集成开发相应的采集软件与数据分析处理软件，实现从现成数据采集到成果输出的一体化软硬件系统。

隧道围岩快速分级设备系统主要由岩体完整性系数快捷测试分析模块、岩石单轴饱和抗压强度快捷测试分析模块、围岩分级修正指标测试分析模块等三部分软硬件组成，该隧道围岩快速分级设备系统以人为主导，采用先进、可靠、集成、低碳、环保的软硬件，以快捷化、轻便化、信息化为基本要求，完成隧道掌子面围岩地质力学信息的采集、测试、储存、调用、计算和评定报告的输出等功能，实现隧道围岩级别快速测定的集成化人机系统。

隧道岩体完整性指标快捷测试方法包括有品字形测区与l形测线布置方法，“品”字形测区与“l”形测线布置方法根据掌子面开挖方式，将掌子面划分为1～3个测区，以划分为左下、中上、右下3个测区的“品”字形测区布置最佳，原因在于其最能代表整个掌子面。在“品”字型测区布置中，掌子面换能器串联测线在平面(掌子面)上呈“三相插座”型，在空间中其实为“l”形态。所谓“l”形是指每个测区包含1条触发点布置线和1条接收换能器串联测线，两条线呈垂直状态，近似“l”。“l”的一边是串联着的接收换能器，另一边则是发射换能器。将接收换能器布置在孔内，则将发射换能器置于掌子面；也可将触发换能器布置在孔内，则将接收换能器布置在掌子面，两种方式原理相同，均可采用。每条接收换能器测线上按25cm等间距布置6个接收换能器。每条触发点布置线上以10～30cm间距布置4～8个触发点。就触发点在掌子面、接受点在孔内的测试方式来说，触发时，在掌子面上距孔口最近的点向远逐个触发，每一个测点触发都有6个接收换能器同时接收，即产生6条声波对穿线，则当触发点位达到6个时，共可以产生36条声波对穿线，从而形成了能够代表一个测区的ct层析效应，相邻触发点或相邻接收点间距越密，层析效应越精细，分辨率越高。

隧道岩体完整性指标快捷测试方法还包括有六点串联固定式接收换能器系统设计，选择孔外触发孔内接收模式时，将6个换能器用abs管串联固定，形成串联固定式接收换能器系统，从而可实现一发六收的快捷测试。6个换能器位置相对固定，按25cm等间距分布，呈杆状，主要用于孔内接收的测试方式，针对上述关于接收换能器的布置要求，我们专门设计制作了六点串联固定式接收换能器杆件系统。每根杆件由两节abs管以螺纹连接，6个换能器以“嫁接”的方式植入到abs管中，不使用时可拆解成2段便于装箱存放。

波速数据采集软硬件内部包括有岩块波速与岩体波速分离计算方法，岩块波速与岩体波速分离计算方法包括有测试流程、趋势线法求解原理、单个测区岩块、岩体纵波速度代表值的确定、整个掌子面岩块、岩体纵波速度代表值的确定和岩体完整性系数的最终确定。

测试流程如下：在完成测点标识记录、仪器调试之后，即可进行数据采集工作。以“品”字形测区的“三相插座”型测线布置法为例：首先，在测区一的岩石表面固定安装6点串联式接收换能器系统，其次，将电火花震源触发头置入炮孔，由深及浅分别在4～6个不同深度的触发点逐个触发，从而在测区一内可获取24～36道波形曲线；以此类推，在测区二、测区三内同样均可获取24～36道波形曲线，即在整个掌子面获取了72～108道波形曲线，将现场原始数据进行初步整理，达到符合计算机输入与处理方法的要求。主要包括解编、编辑、抽道和真振幅恢复等基本步骤，趋势线法求解原理：我们进行波速测试获取的众多道波形中，测线(触发与接收之间的点距)长度在20～240cm范围内广泛并有规律的分布，具有较显著的统计意义。测线越短，测线所穿越的结构面越少，获得的波速值越接近岩块波速；测线越长，测线所穿越的结构面越多，获得的波速值越接近整个测区的岩体波速。通过一定规模的测试数据，以纵波速度θp(m/s)为纵坐标，以测线距离di(m)为横坐标，可绘制出测距～波速关系曲线。大量实测与拟合分析发现，采用线性函数进行回归分析，相关系数非常理想，一般均能达到r2＞0.95。分析得到回归分析模型θp＝k1·d+k2后，以测距上限特征值d＝dm代入计算得到θp＝θpm，以测距下限特征值d＝dr代入计算得到θp＝θpr；

单个测区岩块、岩体纵波速度代表值的确定：以单个测区为基本分析单元，绘制该测区内测距～波速关系曲线并进行回归分析，确定理想相关系数(r2＞0.95)的回归模型θp＝k1·d+k2，以测距上限特征值d＝dm＝2.0m代入回归模型计算得到θp＝θpm，以测距下限特征值d＝dr＝0.1m代入计算得到θp＝θpr；整个掌子面岩块、岩体纵波速度代表值的确定：以整个掌子面为研究对象，计算找出n个测区岩块波速的最大值、最小值、平均值、离差。如果离差小于平均值的30％，以平均值为该掌子面岩块纵波速度代表值；如果离差大于平均值的30％，检查分析原始数据及计算过程，如数据及计算无误，去掉最大值，以其它n-1个测区岩块波速的平均值为该掌子面岩块纵波速度代表值。以整个掌子面为研究对象，计算找出n个测区岩体波速的最大值、最小值、平均值、离差。如果离差小于平均值的30％，以平均值为该掌子面岩体纵波速度代表值；如果离差大于平均值的30％，检查分析原始数据及计算过程，如数据及计算无误，去掉最小值，以其它n-1个测区岩体波速的平均值为该掌子面岩体纵波速度代表值。

岩体完整性系数的最终确定：根据上述趋势线法确定整个掌子面的岩块、岩体纵波速度之后，可直接根据下面的公式计算岩体完整性系数kv＝(θpr/θpm)²。

岩石坚硬程度指标快捷测试方法包括有回弹强度与单轴饱和抗压强度相关替代关系和岩块纵波波速与单轴饱和抗压强度相关替代关系，通过试验分别得到两类岩石的饱和单轴抗压强度rc和回弹强度rht的回归曲线方程：

(1)粘土岩：rc＝1.289×e^0.0681x(2)非粘土岩：rc＝20.013×e^0.0224x

上述两种表征单轴饱和强压强度的替代方法及相应的硬件均包含于设备系统内，一方面是硬件集成到位，另一方面是在软件的采集和分析模块中，设置专门的方法选择界面。

围岩分级修正指标快捷确定方法包括有地下水出水状态快速确定方法研究、结构面产状及其与洞轴线的组合关系测试方法和初始地应力状态，地下水出水状态快速确定方法研究：水压力和涌水量的现场定量测定较为繁琐，不符合快捷测试的要求，宜结合规范中关于地下水状态的定性描述来直接确定地下水影响系数。测试流程为：①掌子面和隧道周壁出水状态观察；②出水状态类别选择确定；③水压力测试或出水量测试(选测)；④查表确定修正系数k1。

结构面产状及其与洞轴线的组合关系测试方法：测试仪器为精密地质罗盘，主要通过地质罗盘测定主要结构面的倾角和倾向，同时测定隧道的走向，作图确定出主要结构面与隧道走向的夹角和结构面倾角，如果存在多个软弱结构面，则依次求解出此影响系数，比较取最大值，则最大值所确定的软弱结构面即为对掌子面稳定性影响最大的结构面。结构面产状及其与洞轴线组合关系测试的内容主要有结构面产状(倾角和走向)测试、洞轴线走向测试两项内容。

初始地应力状态：主要的判别内容包括岩性质地鉴别、岩爆标志性现象观察、岩心饼化标志性现象观察等。确定流程为：①岩性质地鉴别，属硬质岩还是软质岩；②如为硬质岩，观察记录开挖过程中岩爆发生的标志性现象；③如为软质岩，观察记录开挖过程中岩心饼化标志性现象；④查表确定修正系数k3。

隧道施工期围岩级别快速鉴定设备系统是一个以人为主导，利用测试硬件、计算机软件及其它工具，进行隧道掌子面围岩地质信息的采集、测试、储存、调用、输入、计算和输出，岩块波速与岩体波速分离计算方法的测试流程主要是将现场原始数据进行初步整理，达到符合计算机输入与处理方法的要求，主要包括解编、编辑、抽道和真振幅恢复等基本步骤，两种表征单轴饱和强压强度的替代方法及相应的硬件均包含于设备系统内，一方面是硬件集成到位，另一方面是在软件的采集和分析模块中，设置专门的方法选择界面，在隧道施工期间需要在施工过程中不断对围岩级别加以修正，进行动态设计。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。