CN109374456A - 适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置及方法 - Google Patents

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李术才
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Abstract

本发明公开了一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置及方法，本发明能够快速采集岩体表面硬度和弹性纵波波速两个参数，并以人工智能为基础，采用全自动数据处理系统分析所获得的参数数据，并依据所存在的经验公式以及地下水、结构面产状和初始应力等修正系数，可实现隧道围岩质量快速定量分级和风化程度判别，具备易于操作、高效快速、结果精准等优点。该装置实现了隧道围岩质量分级自动化与一体化，解放了人力，受人为主观性影响小，专业经验背景依赖程度低，解决了隧道工作人员难以在施工现场高效、快速地进行岩体分级以及准确判断岩体风化程度的技术难题。

Description

适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置及方法
技术领域
本发明涉及一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置及方法。
背景技术
目前，中国已建成世界上最大的高铁网，其中半数以上为高铁隧道。此外，国内多条海底隧道正处于规划施工阶段，多座城市已经规划地铁建设。因此，我国正处于隧道建设的高峰时期。在隧道工程中，将隧道围岩划分成若干个等级，评价岩体质量，从而确定岩体稳定性，为隧道工程设计及施工提供必要的参数，是隧道施工建设不可或缺的工作。工程岩体分级标准，采用了定量指标和定性划分两种方法；其中定量指标采用岩石饱和单轴抗压强度和岩体完整程度两个参数确定，该指标需采集样品进行实验室测试，耗费大量时间且实验要求较高，不能现场快速地进行隧道围岩质量分级。而定性划分主要依据为围岩坚硬程度、回弹程度、锤击难易程度、吸水反应和手触感觉。该方法虽然简单直观，但受人为主观性影响较大，不同经验背景人员容易出现较大的误差。尤其在判别岩体风化程度时，非地质专业人员存在较大困难。因此，如何使隧道工作人员在施工现场高效、快速地进行岩体质量分级以及准确的判断岩体风化程度是当前存在的一个技术难题。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置及方法，本发明解决了隧道围岩质量分级所存在的过程缓慢、相关经验要求高以及受人为主观性影响大等诸多问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置，包括数据采集装置和综合数据处理及显示装置，其中：
所述数据采集装置包括：
岩体硬度参数采集模块，被配置为快速获取岩体表面硬度参数；
完整程度参数采集模块，被配置为向岩体发射声波；
无线数据传输模块，被配置为将所采集的参数数据无线传输至数据处理系统；
远程控制模块，被配置为实现远程操控数据采集装置工作；
所述综合数据处理及显示装置包括：
无线数据接收模块，被配置为接收数据采集装置输出的数据；
完整程度参数数据接收及转换模块，被配置为接收完整程度参数采集模块所发射的声波并将其转换成电信号后传输至数据处理系统；
所述数据处理系统，被配置为在接收到岩体表面硬度参数和岩体纵波波速数据后，分析获得隧道围岩质量等级划分及风化程度判别结果；
所述成果显示系统，被配置为显示数据处理系统处理后的岩体质量分级及风化程度划分结果。
进一步的，所述岩体硬度参数采集模块通过一定质量冲击体在一定力作用下冲击岩体表面，测量冲击体距离岩体设定范围内的冲击速度和回跳速度比值，从而获取岩体硬度参数。
进一步的，所述完整程度参数采集模块采用发射换能器，选择适合的仪器参数后，向岩体发射声波。
进一步的，所述无线数据传输模块采用无线传输方式，实时将采集的隧道岩体表面的硬度参数数据传输至数据处理系统。
进一步的，所述完整程度参数数据接收及转换模块采用接收换能器，能够接收完整程度参数采集模块所发射的声波，并将其转换成电信号，经数据处理系统获取声波在岩体中的传播纵波速度。
进一步的，所述数据处理系统在接收到岩体硬度参数数据后，根据所存在的经验公式，推算岩体的单轴饱和抗压强度；接收到岩体纵波波速数据后，根据其与岩石纵波波速比值，获得岩体完整性指数，并进行围岩风化程度判别；数据处理系统根据岩体的单轴饱和抗压强度和完整性指数，并结合地下水、结构面产状和初始应力等修正系数，完成隧道围岩质量等级划分。
基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：隧道施工建设时，选择平整岩体表面并清理干净，在完整程度参数采集模块的发射换能器下方应铺设耦合剂；随后在设定距离平整岩体表面安置综合数据处理及显示装置，并在完整程度参数数据接收及转换模块的接收换能器下方应铺设耦合剂；
步骤2：通过远程控制模块操控完整程度参数采集模块的发射换能器发射声波，经数据接收及转换模块接收声波后，获得岩体的纵波波速数据；
步骤3：通过远程控制模块操控岩体硬度参数采集模块获取岩体硬度参数，并实时传输至数据处理系统；
步骤4：远程控制硬度参数采集模块在岩体表面不同部位移动，重复步骤3，以获取多组硬度参数数据；
步骤5：所采集的数据传输至数据处理系统进行计算分析，可由岩体表面硬度参数(H)和经验公式(如RC＝0.3H1.43)得到岩石的单轴抗压强度(RC)；可由岩体弹性纵波波速(VPm)和已知的岩石弹性纵波波速(VPr)的关系式(如KV＝VPm 2/VPr 2)获得岩体完整程度参数(KV)，而围岩质量指标(BQ)＝100+3RC+250KV，然后根据BQ进行围岩质量分级，如BQ＞550，为Ⅰ级围岩。
如需结合地下水(K1)、结构面产状(K2)和初始应力等修正系数(K3)修正，则[BQ]＝BQ-100(K1+K2+K3)，随后使用[BQ]进行围岩分级。岩体风化程度判别依据为KV值，如0.4＜KV＜0.6，则围岩为强风化。围岩质量分级和风化程度判别的最终结果将通过成果显示系统显示给工作人员。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明为隧道围岩质量分级及风化程度判别装置，该装置能快速采集岩体表面硬度和弹性纵波波速两个参数，并以人工智能为基础，采用全自动数据处理系统分析所获得的参数数据，并依据所存在的经验估算公式以及地下水、结构面产状和初始应力等修正系数，可实现隧道围岩质量快速定量分级和风化程度判别，具备易于操作、高效快速、结果精准等优点。该装置实现了隧道围岩质量分级自动化与一体化，解放了人力，受人为主观性影响小，专业经验背景依赖程度低，解决了隧道工作人员难以在施工现场高效、快速地进行岩体分级以及准确判断岩体风化程度的技术难题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的结构组成示意图。
图2是本发明的数据采集装置示意图。
图3是本发明的综合数据处理及显示装置示意图。
其中，1.隧道围岩质量分级及风化程度判别装置，2.数据采集装置，3.综合数据处理及显示装置，4.岩体硬度参数采集模块，5.完整程度参数采集模块，6.无线数据传输模块，7.远程控制模块，8.无线数据接收模块，9.完整程度参数数据接收及转换模块，10.数据处理系统，11.成果显示系统；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
如图1、2、3所示，一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置，包括数据采集装置和综合数据处理及显示装置两个组成部分，所述数据采集装置包括岩体硬度参数采集模块、完整程度参数采集模块、无线数据传输模块以及远程控制模块；所述综合数据处理及显示装置包括无线数据接收模块、完整程度参数数据接收及转换模块、数据处理系统以及成果显示系统。所述岩体硬度参数采集模块可快速获取岩体表面硬度参数；所述完整程度参数采集模块能向岩体发射声波；所述无线数据传输模块能够将所采集的参数数据无线传输至数据处理系统；所述远程控制模块能够实现远程操控数据采集装置工作。
所述无线数据接收模块能够接收数据采集装置输出的数据；所述完整程度参数数据接收及转换模块能够接收完整程度参数采集模块所发射的声波并将其转换成电信号后传输至数据处理系统；所述数据处理系统能够在接收到岩体表面硬度参数和岩体纵波波速数据后，分析获得隧道围岩质量等级划分及风化程度判别结果；所述成果显示系统能够显示数据处理系统处理后的岩体质量分级及风化程度划分结果。
岩体硬度参数采集模块通过一定质量冲击体在一定力作用下冲击岩体表面，测量冲击体距离岩体1mm处的冲击速度和回跳速度比值，从而获取岩体硬度参数。
完整程度参数采集模块采用发射换能器，选择适合的仪器参数后，向岩体发射声波。
无线数据传输模块采用无线传输方式，可以实时将采集的隧道岩体表面的硬度参数数据传输至数据处理系统。
远程控制模块能够实现远程控制数据采集装置工作，自动采集参数数据。
数据处理系统以电脑为载体，在接收到岩体硬度参数数据后，根据所存在的经验公式，推算岩体的单轴饱和抗压强度；接收到岩体纵波波速数据后，根据其与岩石纵波波速比值，获得岩体完整性指数，并进行围岩风化程度判别。数据处理系统根据岩体的单轴饱和抗压强度和完整性指数，并结合地下水、结构面产状和初始应力等修正系数，完成隧道围岩质量等级划分。
所述成果显示系统以电脑为载体，将数据处理系统所获得的围岩质量分级和风化程度判别结果显示给工作人员。
一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：隧道施工建设时，发明装置进场工作，首先选择平整岩体表面并清理干净，在完整程度参数采集模块的发射换能器(5)下方应铺设耦合剂；随后在距离1～3m处平整岩体表面安置综合数据处理及显示装置(3)，并在完整程度参数数据接收及转换模块(9)的接收换能器下方应铺设耦合剂。
步骤2：通过远程控制模块(7)操控完整程度参数采集模块的发射换能器(5)发射声波，经数据接收及转换模块(9)接收声波后，获得岩体的纵波波速数据。
步骤3：通过远程控制模块(7)操控岩体硬度参数采集模块(4)获取岩体硬度参数，并实时传输至数据处理系统(10)。
步骤4：远程控制硬度参数采集模块(4)在岩体表面不同部位移动，重复步骤3，以获取多组硬度参数数据。
步骤5：所采集的数据传输至电脑的数据处理系统(10)进行分析，并通过成果显示系统(11)-电脑屏幕将围岩质量分级和风化程度划分结果显示出来。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置，其特征是：包括数据采集装置和综合数据处理及显示装置，其中：
所述数据采集装置包括：
岩体硬度参数采集模块，被配置为快速获取岩体表面硬度参数；
完整程度参数采集模块，被配置为向岩体发射声波；
无线数据传输模块，被配置为将所采集的参数数据无线传输至数据处理系统；
远程控制模块，被配置为实现远程操控数据采集装置工作；
所述综合数据处理及显示装置包括：
无线数据接收模块，被配置为接收数据采集装置输出的数据；
完整程度参数数据接收及转换模块，被配置为接收完整程度参数采集模块所发射的声波并将其转换成电信号后传输至数据处理系统；
所述数据处理系统，被配置为在接收到岩体表面硬度参数和岩体纵波波速数据后，分析获得隧道围岩质量等级划分及风化程度判别结果；
所述成果显示系统，被配置为显示数据处理系统处理后的岩体质量分级及风化程度划分结果。
2.如权利要求1所述的一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置，其特征是：所述岩体硬度参数采集模块通过一定质量冲击体在一定力作用下冲击岩体表面，测量冲击体距离岩体设定范围内的冲击速度和回跳速度比值，从而获取岩体硬度参数。
3.如权利要求1所述的一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置，其特征是：所述完整程度参数采集模块采用发射换能器，选择适合的仪器参数后，向岩体发射声波。
4.如权利要求1所述的一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置，其特征是：所述无线数据传输模块采用无线传输方式，实时将采集的隧道岩体表面的硬度参数数据传输至数据处理系统。
5.如权利要求1所述的一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置，其特征是：所述完整程度参数数据接收及转换模块采用接收换能器，能够接收完整程度参数采集模块所发射的声波，并将其转换成电信号，经数据处理系统获取声波在岩体中的传播纵波速度。
6.如权利要求1所述的一种适用于隧道围岩质量分级及风化程度判别装置，其特征是：所述数据处理系统在接收到岩体硬度参数数据后，根据所存在的经验公式，推算岩体的单轴饱和抗压强度；接收到岩体纵波波速数据后，根据其与岩石纵波波速比值，获得岩体完整性指数，并进行围岩风化程度判别；数据处理系统根据岩体的单轴饱和抗压强度和完整性指数，并结合地下水、结构面产状和初始应力等修正系数，完成隧道围岩质量等级划分。
7.基于如权利要求1-6中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：隧道施工建设时，选择平整岩体表面并清理干净，在完整程度参数采集模块的发射换能器下方应铺设耦合剂；随后在设定距离平整岩体表面安置综合数据处理及显示装置，并在完整程度参数数据接收及转换模块的接收换能器下方应铺设耦合剂；
步骤2：通过远程控制模块操控完整程度参数采集模块的发射换能器发射声波，经数据接收及转换模块接收声波后，获得岩体的纵波波速数据；
步骤3：通过远程控制模块操控岩体硬度参数采集模块获取岩体硬度参数，并实时传输至数据处理系统；
步骤4：远程控制硬度参数采集模块在岩体表面不同部位移动，重复步骤3，以获取多组硬度参数数据；
步骤5：所采集的数据传输至数据处理系统进行分析，得到围岩质量分级和风化程度判别的最终结果。
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