深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法及装置

本技术涉及隧道工程，尤其涉及一种深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法及装置。

背景技术：

1、基于深部隧洞工程中，为了准确探测和估计深埋隧洞掌子面前方未开挖区的裂隙网络结构参数，需要根据已知的裸露岩体结构信息模拟未知区域的结构模型。传统的模拟方法存在考虑因素少、误差多的缺陷，因此，亟需一种更加准确的方法来模拟未知区域的结构模型。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术实施例提供了一种深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法及装置，实现了高效、准确的深埋隧洞掌子面前方未开挖区裂隙网络结构参数综合探测与估计，更加准确的模拟真实的待开挖区岩体地质非连续面离散裂隙网络模型，所述技术方案如下：

2、本技术第一方面提供一种深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法，包括以下步骤：

3、s1采集掌子面后方数倍洞径范围内点云，根据点云获取对应的结构信息；

4、s2通过冲击式超前水平钻钻出掌子面前方超前数米的钻孔，利用钻孔摄像识别孔内结构，获取对应的结构信息；

5、s3根据所述s1和s2获取的结构信息对掌子面前方待开挖区隧洞洞周2倍洞径范围岩体地质非连续面离散裂隙网络dfn仿真模拟；

6、s4根据冲击式超前水平钻在隧洞掌子面超前水平钻孔中的随钻震动过程估计地质非连续面中心坐标、产状、迹线长度、分组特征参数；

7、s5利用所述s4估计的参数验证所述s3得到的掌子面前方待开挖区岩体地质非连续面离散裂隙网络dfn仿真模型；

8、s6如若所述s5中验证结果一致，则仿真模型的区域与局部统计一致性成立，如若所述s5中验证结果不一致，重复所述s3至所述s5，直至结果一致结束。

9、例如，在一个实施例提供的所述深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法中，所述s1中，通过三维激光扫描仪或无人机采集掌子面后方三倍以上洞径范围内点云，根据点云获取对应的结构信息，具体包括以下步骤：

10、s1.1在隧洞开挖揭露掌子面与洞壁新鲜裸岩面时，实施三维激光扫描或无人机摄影测量，从而构建隧洞新鲜裸岩面的三维数字表面点云模型或tin网模型；

11、s1.2利用地质非连续面自动识别算法或手动识别，使得地质非连续面数字化，绘制地质非连续面的三维结构图；

12、s1.3根据绘制的地质非连续面的三维结构图，实施测线取样或窗口取样分析，以及提取地质非连续面几何中心坐标,通过测线取样或窗口取样分析估计各组结构面迹线长度参数及其统计分布模型与参数；通过提取地质非连续面几何中心坐标计算各组结构面间距及其统计分布模型与参数。

13、例如，在一个实施例提供的所述深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法中，所述s1.3中，实施测线取样或窗口取样分析包括实施迹线长度取样和取样窗口有偏修正、以及实施结构面密度分析，通过实施迹线长度取样和取样窗口有偏修正估计各组结构面迹线长度参数及其统计分布模型与参数；通过实施结构面密度分析计算取样区参数，并估计参数。

14、例如，在一个实施例提供的所述深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法中，所述s2中，通过冲击式超前水平钻钻出掌子面前方超前10米的钻孔，利用钻孔摄像识别孔内结构，获取对应的结构信息，具体包括以下步骤：

15、s2.1在隧洞掌子面超前水平钻孔段内，进行数字钻孔摄像测试，构建超前水平钻孔三维数字岩芯模型；

16、s2.2实施孔壁地质非连续面识别；

17、s2.3实施钻孔地质非连续面数字化，绘制数字岩芯地质非连续面的三维结构图；

18、s2.4根据绘制的数字岩芯地质非连续面的三维结构图，提取地质非连续面几何中心坐标，以及实施地质非连续面赤平投影分析进行实施结构面分组划分，通过提取地质非连续面几何中心坐标计算各组结构面间距及其统计分布模型与参数，通过实施结构面分组划分计算各组结构面产状及其统计分布模型与参数。

19、例如，在一个实施例提供的所述深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法中，所述s3中根据所述s1和s2获取的结构信息对掌子面前方待开挖区岩体地质非连续面离散裂隙网络dfn仿真模拟还包括：建立若干个待开挖区岩体地质非连续面离散裂隙网络的生成实例；对每个离散裂隙网络的生成实例，实施裂隙网络模型定向切片与统计采样分析，计算面裂隙密度、线裂隙密度，并进行赤平投影分析。

20、例如，在一个实施例提供的所述深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法中，所述s4中根据冲击式超前水平钻在隧洞掌子面超前水平钻孔中的随钻震动过程估计地质非连续面中心坐标、产状、迹线长度、分组特征参数，具体包括以下步骤：

21、s4.1在隧洞掌子面超前水平钻孔随钻过程中，利用地震检波器采集超前水平钻孔钻进过程钻头冲击破岩震动信号，获取随超前水平钻孔钻进过程的震动波形时程；

22、s4.2根据震动过程以及钻进机理分析融合，进行岩体力学参数反演，实现岩体结构随钻层析成像；

23、s4.3结合岩体结构面随钻识别算法识别待开挖区参数；

24、s4.4绘制掌子面超前钻孔轴线为中心，半径为10～20m的圆柱区围岩地质非连续面三维裂隙网络图；

25、s4.5实施解译岩体地质非连续面网络模型的测线取样或窗口取样分析，估计地质非连续面中心坐标、产状、迹线长度、分组特征。

26、例如，在一个实施例提供的所述深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法中，所述s4.3中，结合岩体结构面随钻识别算法识别待开挖区掌子面超前钻孔轴线为中心，半径为10～20m的圆柱区围岩地质非连续面参数。

27、例如，在一个实施例提供的所述深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法中，所述s5中，利用所述s4估计的参数验证所述s3得到的掌子面前方待开挖区岩体地质非连续面离散裂隙网络dfn仿真模型包括：实施待开挖区地质非连续面参数区域统计一致性检验和已开挖洞段地质非连续面参数局部统计一致性检验。

28、例如，在一个实施例提供的所述深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法中，所述s6中，通过待开挖区地质非连续面参数的区域统计一致性检验，检验与超前水平钻孔随钻层析成像技术识别的地质非连续面参数一致性，如若验证结果一致，则仿真模型的区域统计一致性成立，如若验证结果不一致，重复所述s3至所述s5，直至结果一致结束；通过已开挖洞段地质非连续面参数局部统计一致性检验，检验与已开挖隧洞区段内和超前水平钻孔深度内的地质非连续面参数一致性，如若验证结果一致，则仿真模型的局部统计一致性成立，如若验证结果不一致，重复所述s3至所述s5，直至结果一致结束。

29、本技术第二方面提供一种深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测装置，包括水平钻钻机，所述水平钻钻机包括机座和钻杆，在所述钻杆上顺次设有钻进参数传感器、数字钻孔摄像和冲击钻头，所述机座位于掌子面后方已开挖长度大于三倍洞径的隧洞区段，所述钻杆伸入掌子面前方未开挖岩体；其中，在掌子面上设有数个地震检波器，且数个地震检波器分布于掌子面超前水平钻孔四周，在所述掌子面后方已开挖长度大于三倍洞径的隧洞区段设有三维激光扫描仪或无人机，以采集掌子面后方三倍以上洞径范围内点云。

30、本技术一些实施例提供的一种深埋隧洞掌子面前待开挖区裂隙网络参数探测方法及装置带来的有益效果为：本技术通过结合三维激光扫描或无人机与钻孔摄像以及冲击式超前水平钻钻进过程的震动过程，采集高精度点云数据和超前探测孔的结构信息,构建了一个待开挖区隧洞洞周2倍洞径范围的dfn仿真模型,并通过随钻震动过程获得的主要节理面信息验证模型准确性，实现了高效、准确的深埋隧洞掌子面前方未开挖区裂隙网络结构参数综合探测与估计，建立了更加准确的待开挖区岩体地质非连续面离散裂隙网络模型。