CN106596896A - 一种现场隧道实时围岩分级系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种现场隧道实时围岩分级系统及方法，该系统包括承载台，承载台承载测量尺、可对现场围岩试样进行点荷载试验的点载荷试验仪和用于确定围岩软弱结构面产状的地质罗盘，测量尺、点载荷试验仪与地质罗盘可拆卸设置于承载台，承载台的下部设置用于带动承载台移动的移动部件；整个系统的设置，便于将测量部件移动到现场，进行实时测量，实现了隧道围岩的实时分级工作，有效提高了隧道围岩分级工作的效率，提高了分级工作的灵活率，且能够对隧道掌子面附近岩体分级得到实时反馈，便于对后续工作的直接开展。

Description

一种现场隧道实时围岩分级系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道工程测量领域，尤其涉及一种现场隧道实时围岩分级系统及方法。

背景技术

工程岩体是指岩石工程影响范围内的岩体，坚硬程度与完整程度是其固有的属性。为判断隧道围岩的稳定性，指导安全施工，提高隧道施工过程中的经济效应，实时围岩分级成为隧道工程中必不可少的一个环节。根据《工程岩体分级标准》，隧道工程多采用修正后的BQ值对隧道围岩进行分级。

在进行实施围岩分级的过程中，将大量试样取回进行室内试验是一种分级手段。但室内试验有其固有弊端。首先，室内试验无法及时得到试验数据的离散程度，导致离散度过高难以提供有效的施工及支护指导；第二，对多个隧道进行实时分级时，需取得大量试件带回室内进行试验，在地质条件相近的情况下，对试件的分组易出差错，影响到试验结果；第三，室内试验的灵活性较差，若试件测试不合格需回到原位重取试件，造成工作效率较低。

针对上述问题，亟需一种设备和方法，以加快隧道实时围岩分级的工作效率。

发明内容

本发明第一目的是提供一种现场隧道实时围岩分级系统，该装置整体结构简单，方便移动，可降低试验数据的离散度、更快速的得出围岩质量指标，提高围岩实时分级的指导效力。

本发明的第二目的是提供一种现场隧道实时围岩分级方法，该方法给了针对现场施工，如何对隧道围岩进行实施分级的过程，处理步骤简单方便。

为了达成上述目的，本发明提供的第一个技术方案：

一种现场隧道实时围岩分级系统，包括承载台，承载台承载测量尺、可对现场围岩试样进行点荷载试验的点载荷试验仪和用于确定围岩软弱结构面产状的地质罗盘，测量尺、点载荷试验仪与地质罗盘可拆卸设置于承载台，承载台与用于带动承载台移动的移动部件连接。

上述围岩分级系统因移动部件的设置，带动承载台的移动，进而带动测量工具移动到现场，承载台上设置用于对隧道围岩进行测量的点载荷试验仪和地质罗盘等，通过测量件对隧道围岩获得岩体基本质量指标，提高了隧道围岩分级工作的效率和灵活性，能够对隧道掌子面附件岩体分级得到实时的反馈，有效保障施工安全性，提高工程的经济效应。

为了对掌子面隧道围岩进行定性划分，所述承载台还承载手锤和照明灯，照明灯在灯光条件不足的情况下进行使用，照明灯自备电源蓄电池。

所述承载台表面开有置物槽，置物槽为凹槽设于承载台上，所述地质罗盘设于置物槽内，为了更好地对地质罗盘、手锤等的固定，凹槽的形状根据地质罗盘、手锤和照明灯的形状进行设置，这样置物槽可以设置有多个，在每个置物槽内部设置橡胶垫，保证缓冲作用，避免对地质罗盘、手锤等造成振荡损坏；或者，置物槽设置一个，置物槽内设置多个隔板，由隔板对各个部件的位置进行限定。

在本发明第二实施例中，所述承载台表面设置竖杆，在竖杆顶部设置挂钩，所述地质罗盘、手锤和照明灯通过挂钩挂于竖杆上，避免承载台在移动过程中，照明灯或者手锤的意外脱落。

所述承载台的一侧呈框型的方向把手，方向把手竖直设置，高度在60cm～80cm之间以便于手持，方向把手顶部弯折设置，弯折方向朝向承载台外部设置。

为了对点载荷试验仪进行固定，所述点载荷试验仪的底部安装有钢板，钢板尺寸大于点载荷试验仪的尺寸，钢板通过紧固件与所述承载台固定，紧固件为螺栓，在承载台上设置螺栓孔。

为了对测量尺进行固定，所述测量尺焊接固定于所述承载台上表面且靠近承载台的边缘设置，所述测量尺设于所述点载荷试验仪的一侧，为方便测量，测量尺可通过支架设于承载台上，具有设定的高度。

所述移动部件设置自锁机构，若移动部件是万向轮，则万向轮为可锁止的万向轮，当然移动部件也可以是其他的如履带。

本发明提供的第二方案是：

一种现场隧道实时围岩分级方法，该方法的具体步骤如下：

1)通过锤击及肉眼观测，对掌子面附近围岩进行定性划分，确定地下水状态修正系数K1，并记录地下水状态修正系数K1，最好记录于计算机中便于进行数据分析；

2)统计体积节理数Jv、结构面组数Jn和岩体完整性系数Kv，三者根据《公路隧道设计细则》表6.2.5-2确定，用地质罗盘测量软弱结构面产状，确定软弱结构面产状影响修正系数K2，并记录软弱结构面产状影响修正系数K2于计算机中；

3)根据《公路隧道设计细则》及施工设计图纸相关资料确定初始地应力状态修正系数K3，并记录至计算机；

4)取若干试样(≥10块)进行点载荷试验，得到破坏荷载P，通过测量尺量测试样的加载间距D，试样最短边宽度d，通过破坏荷载P、试样的加载间距D、试样最短边宽度d计算单轴饱和抗压强度Rc；

5)通过步骤4)中对多个试样分别测得的单轴饱和抗压强度Rc，确认点载荷试验离散度，若离散系数高则更换部分试样继续进行试验，直至离散系数符合既定试验标准，得出掌子面岩石单轴饱和抗压强度Rc；

6)根据步骤5)所得参数，得到岩体基本质量指标BQ，根据步骤1)、步骤2)、步骤3)和步骤4)所得参数，得到修正后的岩体质量指标[BQ]。

步骤4)中，破坏荷载P、试样的加载间距D、试样最短边宽度d根据如下公式计算单轴饱和抗压强度Rc；

形状修正系数Kf：Kf＝(EXP(2.303*((D/d+LOG(D/d))/2)))*0.3161 (1.a)

这是输入至excel的公式，其中D即试样的加载间距、d即最短边宽度，EXP和LOG是excel的两个函数，EXP返回e的n次方，LOG返回给定数值以10为底的对数。

试件点载荷强度Is：Is＝(P/D^2)*10 (1.b)

P——破坏荷载，D——试样加载间距，分别由点载荷试验仪和测量尺获得。

试件点载荷强度指数：I_s(50)＝Is*Kf (1.c)

Is与Kf分别由公式(1.a)、公式(1.b)确定。

单轴饱和抗压强度Rc：Rc＝22.82Is₍₅₀₎^0.75 (1.d)

Is₍₅₀₎由公式(1.c)确定，从公式(1.a)到(1.c)所需参数都可以由发明中的装置测得，实现自动处理只需将上述公式输入携带的笔记本电脑中的excel即可换算，需要的参量只有D、d、P。

甚至可直接编辑好公式至excel，然后存储到便携电子设备如手机，从手机输入D、d、P也可以得到Rc和离散系数。

附：离散系数指Is的离散系数，Is由(1.b)确定。离散系数的excel函数为：

STDEV(A1:A10)/AVERAGE(A1:A10)

其中：A1，A2……A10分别为试样1、2……10的Is(点载荷强度)。

STDEV：估算样本的标准差；AVERAGE：平均数。

岩体基本质量指标根据公式(2)进行确定：

BQ＝90+3Rc+250Kv (2)

修正的岩体基本质量指标根据公式(3)进行确定：

[BQ]＝BQ-100(K1+K2+K3) (3)

K1——地下水状态影响修正系数，K2——主要软弱结构面产状影响修正系数，K3——初始地应力状态修正系数；

K1、K2的获取在步骤中已做说明，发明提供了获取K1、K2的工具，具体的测量方法属于公知规范性质，就不必做说明了，可参见《公路隧道设计细则》。K3只在高应力区或者极高应力区进行修正，该值不必进行实时获取，可视作已有的参数。

本发明的工作原理是：通过承载台及移动部件带动测量部件进行移动，移动到现场进行操作，由各个测量件分别测量设定的数据，再综合计算，实现对现场围岩的直接实时的分级，且现场获得试样速度快，获得离散度较为容易，有效提高分级的速率；在隧道开挖过程中及时得到围岩质量指标，灵活变更施工方案，保障施工安全性，提高工程的经济效应。

本发明具有以下优点：

1)整个系统的设置，便于将测量部件移动到现场，进行实时测量，实现了隧道围岩的实时分级工作，有效提高了隧道围岩分级工作的效率，提高了分级工作的灵活率，且能够对隧道掌子面附近岩体分级得到实时反馈，便于对后续工作的直接开展。

2)整个系统便于在现场操作，可对多个试样进行分析，得到离散程度，若试验效果不合理，可以再次进行试验，取样方便，工作效率高，同时有效避免全部带入实验室测量，分组造成的混淆出现的差错。

3)通过装置的设置，实现将岩体基本质量指标需要测量与录入参数的过程移至现场；为现场提供了便利；根据现场的确定与测量，可在现场得出BQ与[BQ]，实现实时获取。

附图说明

图1一种隧道实时围岩分级系统示意图；

图2一种隧道实时围岩分级系统左视图；

图中，1—方向把手；2—承载台；3—重型脚轮；4—置物槽；5—点载荷试验仪；6—尺寸测量尺；7—螺栓。

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、完整的描述。

如图1和图2所示，一种隧道实时围岩分级系统，包括承载台，方向把手装配于承载台2上部，带锁止机构的重型脚轮3通过螺栓装载于承载台2下部，承载台2上设有置物槽4，进行围岩分级工作前，工作人员应将地质罗盘、手锤及照明手电置于置物槽4中，置物槽4为凹槽设于承载台2上。

为了更好地对地质罗盘、手锤等的固定，凹槽的形状根据地质罗盘、手锤和照明灯的形状进行设置，这样置物槽可以设置有多个，在每个置物槽内部设置橡胶垫，保证缓冲作用，避免对地质罗盘、手锤等造成振荡损坏；或者，置物槽设置一个，置物槽内设置多个隔板，由隔板对各个部件的位置进行限定。

方向把手1竖直设置，高度在60cm～80cm之间以便于手持，方向把手1顶部弯折设置，弯折方向朝向承载台外部设置。

为了对点载荷试验仪5进行固定，所述点载荷试验仪5的底部安装有钢板，钢板尺寸大于点载荷试验仪5的尺寸，钢板通过紧固件与所述承载台固定，紧固件为螺栓7或者螺丝，在承载台上设置螺栓孔。

为了对测量尺6进行固定，所述测量尺6焊接固定于所述承载台上表面且靠近承载台2的边缘设置，所述测量尺6设于所述点载荷试验仪5的一侧。

上述装置的使用方法，具体如下：

A.将地质罗盘、手锤及照明手电置于置物槽4内，将围岩分级系统移至隧道掌子面附近；

B.利用手锤进行锤击及肉眼观测，对掌子面附近围岩进行定性划分，确定地下水状态修正系数K1，并记录至计算机；

C.统计体积节理数Jv、结构面组数Jn和岩体完整性系数Kv，三者根据《公路隧道设计细则》表6.2.5-2确定，用地质罗盘测出主要软弱结构面产状，确定主要软弱结构面产状影响修正系数K2，并记录至计算机；

D.取若干试样(≥10块)在点载荷试验仪上进行点载荷试验，得到破坏荷载P，通过测量用尺量测加载间距D，试件最短边宽度d，将试验结果P、D、d输入至计算机代入如下公式计算单轴饱和抗压强度Rc；

形状修正系数Kf：Kf＝(EXP(2.303*((D/d+LOG(D/d))/2)))*0.3161 (1.a)

这是输入至excel的公式，其中D即试样的加载间距、d即最短边宽度，EXP和LOG是excel的两个函数，EXP返回e的n次方，LOG返回给定数值以10为底的对数。

试件点载荷强度Is：Is＝(P/D^2)*10 (1.b)

P——破坏荷载，D——试样加载间距，分别由点载荷试验仪和测量尺获得。

试件点载荷强度指数：I_s(50)＝Is*Kf (1.c)

Is与Kf分别由公式(1.a)、公式(1.b)确定。

单轴饱和抗压强度Rc：Rc＝22.82Is₍₅₀₎^0.75 (1.d)；

E.查看点载荷试验离散度，若离散系数高则更换个别试样进行试验，直至离散系数符合既定试验标准，得出掌子面岩石单轴饱和抗压强度Rc；

F.根据所得参数，带入公式(3)进行计算，得到修正的岩体基本质量指标BQ，确定隧道掌子面围岩级别并查看与地质素描相互印证情况。

BQ＝90+3Rc+250Kv (2)

[BQ]＝BQ-100(K1+K2+K3) (3)。

实施例2

本实施例与实施例1的区别：

所述承载台表面设置竖杆，在竖杆顶部设置挂钩，所述地质罗盘、手锤和照明灯通过挂钩挂于竖杆上，避免承载台在移动过程中，照明灯或者手锤的意外脱落。

实施例3

一种现场隧道实时围岩分级方法，该方法的具体步骤如下：

1)通过锤击及肉眼观测，对掌子面附近围岩进行定性划分，确定地下水状态修正系数K1，并记录地下水状态修正系数K1，最好记录于计算机中便于进行数据分析；

2)统计体积节理数Jv和结构面组数Jn，用地质罗盘测量软弱结构面产状，确定软弱结构面产状影响修正系数K2，并记录软弱结构面产状影响修正系数K2于计算机中；

3)根据《公路隧道设计细则》及施工设计图纸相关资料确定初始地应力状态修正系数K3，并记录至计算机；

4)取若干试样(≥10块)进行点载荷试验，得到破坏荷载P，通过测量尺量测试样的加载间距D，试样最短边宽度d，通过破坏荷载P、试样的加载间距D、试样最短边宽度d计算单轴饱和抗压强度Rc；

5)通过步骤4)中对多个试样分别测得的单轴饱和抗压强度Rc，确认点载荷试验离散度，若离散系数高则更换部分试样继续进行试验，直至离散系数符合既定试验标准，得出掌子面岩石单轴饱和抗压强度Rc；

6)根据步骤5)所得参数，得到岩体基本质量指标BQ，根据步骤1)、步骤2)、步骤3)和步骤4)所得参数，得到修正后的岩体质量指标[BQ]，确定隧道掌子面围岩级别并查看与地质素描相互印证情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种现场隧道实时围岩分级系统，其特征在于，包括承载台，承载台承载测量尺、可对现场围岩试样进行点荷载试验的点载荷试验仪和用于确定围岩软弱结构面产状的地质罗盘，测量尺、点载荷试验仪与地质罗盘可拆卸设置于承载台，承载台的下部设置用于带动承载台移动的移动部件。

2.如权利要求1所述的一种现场隧道实时围岩分级系统，其特征在于，所述承载台还承载手锤和照明灯。

3.如权利要求1所述的一种现场隧道实时围岩分级系统，其特征在于，所述承载台表面开有置物槽，所述地质罗盘设于置物槽内。

4.如权利要求2所述的一种现场隧道实时围岩分级系统，其特征在于，所述承载台表面设置竖杆，在竖杆顶部设置挂钩，所述地质罗盘、手锤和照明灯通过挂钩挂于竖杆上。

5.如权利要求1所述的一种现场隧道实时围岩分级系统，其特征在于，所述承载台的一侧呈框型的方向把手，方向把手顶部弯折设置。

6.如权利要求1所述的一种现场隧道实时围岩分级系统，其特征在于，所述点载荷试验仪的底部安装有钢板，钢板尺寸大于点载荷试验仪的尺寸，钢板通过紧固件与所述承载台固定。

7.如权利要求1所述的一种现场隧道实时围岩分级系统，其特征在于，所述测量尺焊接固定于所述承载台上表面，所述测量尺设于所述点载荷试验仪的一侧。

8.如权利要求1所述的一种现场隧道实时围岩分级系统，其特征在于，所述移动部件设置自锁机构。

9.一种现场隧道实时围岩分级方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)通过锤击及肉眼观测，对掌子面附近围岩进行定性划分，确定地下水状态修正系数K1，并记录地下水状态修正系数K1，最好记录于计算机中便于进行数据分析；

2)统计体积节理数Jv和结构面组数Jn，岩体完整性系数Kv，用地质罗盘测量软弱结构面产状，确定软弱结构面产状影响修正系数K2，并记录软弱结构面产状影响修正系数K2于计算机中；

3)根据《公路隧道设计细则》及施工设计图纸相关资料确定初始地应力状态修正系数K3，并记录至计算机；

4)取若干试样(≥10块)进行点载荷试验，得到破坏荷载P，通过测量尺量测试样的加载间距D，试样最短边宽度d，通过破坏荷载P、试样的加载间距D、试样最短边宽度d计算单轴饱和抗压强度Rc；

5)通过步骤4)中对多个试样分别测得的单轴饱和抗压强度Rc，确认点载荷试验离散度，若离散系数高则更换部分试样继续进行试验，直至离散系数符合既定试验标准，得出掌子面岩石单轴饱和抗压强度Rc；

6)根据步骤5)所得参数，得到岩体基本质量指标BQ，根据步骤1)、步骤2)、步骤3)和步骤4)所得参数，得到修正后的岩体质量指标[BQ]。