專利名稱：基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧道施工過程中基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法及其裝置。
背景技術(shù)：
近幾年來我國隧道建設(shè)進入了一個高峰期，隧道工程的大力發(fā)展，為隧道施工技術(shù)的發(fā)展提供了條件，目前在隧道施工階段，圍巖細化分級是設(shè)計人員、施工人員以及科研人員共同關(guān)注的重要課題。一般情況下，完整的圍巖分級系統(tǒng)應(yīng)該包括設(shè)計階段圍巖分級和施工階段圍巖分級兩部分內(nèi)容。目前隧道圍巖分級中還缺乏一個有效、完善的施工階段圍巖細化分級體系，導(dǎo)致圍巖分級不夠精確，施工過程中既有可能出現(xiàn)圍巖細化分級判斷低于實際圍巖級別而出現(xiàn)圍巖支護強度不夠?qū)е率┕な鹿拾l(fā)生，也有可能出現(xiàn)圍巖細化分級判斷高于實際圍巖級別情況而出現(xiàn)圍巖支護強度過大造成浪費的情形。因此亟需一種在隧道施工過程中的圍巖細化分級方法，即在施工過程中對設(shè)計階段圍巖分級的基礎(chǔ)上再對圍巖進行細化分級，提高圍巖分級的準(zhǔn)確率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有隧道圍巖分級方法細化程度不足而不能有效為隧道施工服務(wù)的技術(shù)問題而提供一種基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法，旨在解決由于隧道施工過程中圍巖細化分級程度不夠的問題而造成的施工支護浪費和支護不足而造成施工事故的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法，包括以下步驟
1)、分析隧道現(xiàn)場勘察設(shè)計資料，初步判斷隧道掌子面圍巖分級；
2)、利用USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)對所述掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，并根據(jù)獲得的預(yù)報探測數(shù)據(jù)修正步驟I)中獲得的所述掌子面的圍巖分級；
3)、對所述掌子面圍巖進行地質(zhì)觀察并進行彈性縱波波速測試，根據(jù)獲得的觀察數(shù)據(jù)及彈性縱波波速測試數(shù)據(jù)修正步驟2)中獲得的所述掌子面的圍巖分級；
4)、對施工過程中的各項參數(shù)進行監(jiān)控量測，并根據(jù)獲取的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)修正步驟3)中獲得的所述掌子面的圍巖分級。本發(fā)明所述利用USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)對所述掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，并根據(jù)獲得的預(yù)報探測數(shù)據(jù)修正步驟I)中獲得的所述掌子面的圍巖分級的步驟，具體包括
利用地震波對所述掌子面圍巖進行長距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，根據(jù)獲得的長距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)，判斷所述隧道前方掌子面的圍巖分級；
施工過程中利用電磁波對所述掌子面圍巖進行短距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測；當(dāng)遇到重要部位特殊地段時，通過鉆孔取芯進行室內(nèi)驗證和鉆孔測試手段對掌子面圍巖地質(zhì)情況評價并修正量化所述掌子面圍巖分級。本發(fā)明所述的長距離是指大于100米，所述的短距離是指小于30米。本發(fā)明對所述掌子面圍巖進行地質(zhì)觀察并進行彈性縱波波速測試，根據(jù)獲得的觀察數(shù)據(jù)及彈性縱波波速測試數(shù)據(jù)修正步驟2)中獲得的所述掌子面圍巖分級的步驟具體包括
對所述掌子面圍巖進行地質(zhì)觀察，根據(jù)觀察情況運用地質(zhì)編錄法對所述掌子面巖體的完整狀態(tài)、地下水及初始應(yīng)力狀態(tài)進行分析，必要時對巖石巖體進行力學(xué)測試，對照隧道相關(guān)規(guī)范判斷所述掌子面的圍巖分級；
測試所述掌子面圍巖的彈性縱波波速，求得所述掌子面圍巖的平均彈性縱波波速，參考隧道圍巖分級與彈性縱波波速的對應(yīng)關(guān)系，確定所述掌子面的圍巖分級；
如果上述兩種方法判斷的所述掌子面附近的圍巖分級基本一致時，結(jié)束本步驟，否則采集數(shù)據(jù)樣本進行測試并根據(jù)測試結(jié)果修正所述掌子面圍巖分級。本發(fā)明實對所述掌子面圍巖地質(zhì)觀察的范圍包括掌子面狀態(tài)、掌子面風(fēng)化變質(zhì)情況、掌子面裂縫的間距、狀態(tài)及形態(tài)、地下涌水情況。本發(fā)明計算所述掌子面圍巖的平均彈性縱波波速采用如下方式
將震源點固定在所述掌子面，通過移動接收傳感器的位置改變測試距離，或者將接收傳感器固定在所述的掌子面，通過移動震源點改變測試距離，激發(fā)方式采用錘擊鐵板震源，測試所述掌子面圍巖多點處的彈性縱波波速，并計算出所述掌子面圍巖的平均彈性縱波波速。本發(fā)明所述的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)包括隧道拱頂沉降值、周邊收斂值、圍巖壓力值、鋼筋應(yīng)力值以及初支裂縫有無。一種基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級系統(tǒng)，包括預(yù)報系統(tǒng)、監(jiān)測采集系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和計算機；
所述預(yù)報系統(tǒng)是USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，用于對掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，并根據(jù)獲得的預(yù)報探測數(shù)據(jù)修正掌子面的圍巖分級；
所述預(yù)報系統(tǒng)包括USP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置和UEP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置；所述USP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置，用于通過利用地震波對所述掌子面圍巖進行長距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，獲得的長距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)；所述UEP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置用于通過利用電磁波對所述掌子面圍巖進行短距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，獲得短距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)；
所述USP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置還包括起爆器、多分量地震波空間接收裝置、多通道同步信號采集器；所述起爆器用于引發(fā)所述掌子面圍巖發(fā)生地站；所述多分量地震波空間接收裝置用于接收由所述起爆器引發(fā)地震而產(chǎn)生的地震波；所述多通道同步信號采集器用于采集因地震引發(fā)的掌子面圍巖的振動以及脈動信號；
所述UEP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置還包括電磁波發(fā)射器、電磁波接收器和多通道同步信號采集器；所述電磁波發(fā)射器用于在所述掌子面圍巖發(fā)射電磁波；所述電磁波接收器用于接收自所述的掌子面圍巖返回的電磁波，所述多通道同步信號采集器用于同步采集來自所述掌子面圍巖的反饋信號；
所述監(jiān)測系統(tǒng)包括水準(zhǔn)儀、收斂計、壓力盒、鋼筋計和裂縫觀測儀；所述水準(zhǔn)儀用于測量隧道拱頂沉降值；收斂計用于 獲取周邊收斂值；壓力盒用于獲取埋設(shè)在圍巖鋼拱架之間的圍巖壓力值，所述鋼筋計用于通過測量獲取鋼筋應(yīng)力值，所述裂縫觀測儀用于獲取初支裂縫值；
所述測量系統(tǒng)包括掌子面圍巖縱波接收器和彈性縱波波速測試儀，用于獲得所述掌子面圍巖的彈性縱波波速；
所述計算機的內(nèi)部主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，所述數(shù)據(jù)顯示模塊用于連接顯示器，顯示掌子面的圍巖分級結(jié)構(gòu)；所述數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)、采集信號、長、短距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)處理模塊用于處理存儲器存儲的數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過在勘察設(shè)計資料分析確定的圍巖分級的基礎(chǔ)上，再綜合運用綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報、掌子面圍巖綜合探測以及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析對施工階段的圍隧道圍巖進行綜合細化分級，從而使得圍巖分級更加細化、精確。


圖I是本發(fā)明實施例提供的基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法的流程圖。圖2是本發(fā)明實施例提供的對掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測分級的流程圖。圖3是本發(fā)明實施例提供的對掌子面圍巖地質(zhì)觀察及彈性縱波波速測試分級的流程圖。圖4是本發(fā)明實施例提供的圍巖動態(tài)細化分級方法流程圖。圖5是本發(fā)明實施例提供的基于勘察設(shè)計資料分析法圍巖分級方法流程圖。圖6是本發(fā)明實施例提供的基于綜合參數(shù)的超前地質(zhì)預(yù)報法圍巖分級方法流程圖。圖7是本發(fā)明實施例提供的基于掌子面圍巖綜合探測法圍巖分級方法流程圖。圖8是本發(fā)明實施例提供的基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析法圍巖分級方法流程圖。圖9是本發(fā)明實施例提供的基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級系統(tǒng)框圖的不意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。參見圖I所示，一種基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法，包括以下步驟
SlOl :分析隧道現(xiàn)場勘察設(shè)計資料，初步判斷隧道掌子面圍巖分級；隧道施工過程中進行圍巖動態(tài)細化分級，首先要收集施工前期的隧道勘察設(shè)計資料，對當(dāng)前掌子面以及掌子面前方的圍巖級別有大體了解，勘察設(shè)計資料分析法是在對現(xiàn)場進行探測、監(jiān)測手段獲取數(shù)據(jù)之前對勘察資料進行調(diào)查分析的方法，是圍巖細化分級的基礎(chǔ)與前提，是獲得現(xiàn)場資料的最快最便捷的手段。因此，在對隧道進行施工階段圍巖細化分級前，先收集隧道的勘察資料并對其進行分析，對隧址區(qū)所處的環(huán)境、地形地貌、巖性變化、斷層分布以及圍巖級別變化等信息進行分析，勘察資料是對隧道穿越區(qū)地形地貌的粗略描述，從中能夠?qū)λ碇穮^(qū)的地層及巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件以及不良地質(zhì)及特殊性巖土的分布情況有大體了解，通過室內(nèi)試驗可以獲取巖石物理力學(xué)性質(zhì)以及巖體的風(fēng)化程度情況，并根據(jù)鉆探、野外觀察、孔內(nèi)原位測試、室內(nèi)巖石試驗資料及地質(zhì)測繪和物探成果獲取地表至隧道穿越區(qū)以下圍巖的地質(zhì)狀況、完整程度以及圍巖的基本質(zhì)量指標(biāo)，并由此初步判斷圍巖等級。通過分析勘察設(shè)計資料直接獲得圍巖分級情況是獲得圍巖初步分級的最直接方法，施工人員按照勘察設(shè)計資料中的圍巖分級情況進行施工，但由于勘察階段的取樣率較低，由此判斷的部分區(qū)段的圍巖分級可能會與實際圍巖情況不符，這就要求在施工過程中，采用多種方法對勘察階段進行的圍巖分級情況進行細化分級或修正，以保障隧道施工安 全；因此，本發(fā)明在通過分析隧道現(xiàn)場勘察設(shè)計資料初步判斷隧道掌子面圍巖分級之后，采用如下步驟S102所述的方法進一步分析確定掌子面圍巖分級。S102 :利用USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，對所述掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，并根據(jù)獲得的預(yù)報探測數(shù)據(jù)修正步驟SlOl中獲得的所述掌子面的圍巖分級；
進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測的進行圍巖分級是利用USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)探測在建隧道前方掌子面地質(zhì)情況從而對掌子面進行圍巖分級的。對勘察設(shè)計資料分析后，對隧道掌子面前方圍巖分級以及隧址區(qū)的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等情況有一定程度了解，在此基礎(chǔ)上對隧道掌子面前方地質(zhì)情況進行綜合參數(shù)預(yù)報探測，可進一步掌握掌子面圍巖級別情況。參見圖2所示對掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測分級的流程圖。所述的利用USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)對所述掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，并根據(jù)獲得的預(yù)報探測數(shù)據(jù)修正步驟SlOl中獲得的所述掌子面的圍巖分級的步驟，具體包括
S201:利用地震波對所述掌子面圍巖進行長距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，根據(jù)獲得的長距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)，判斷所述隧道前方掌子面的圍巖分級；
對所述掌子面圍巖進行長距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測主要是利用地震波的波速對地質(zhì)構(gòu)造的敏感進行測試的，通過測試并根據(jù)測試結(jié)果對施工前方圍巖分級做出初步的判斷，對勘察設(shè)計階段的圍巖分級進行修正；
在應(yīng)用時，可通過起爆器在所述掌子面圍巖附近進行起爆引發(fā)所述掌子面圍巖發(fā)生地震，然后通過多分量地震波空間接收裝置接收由所述起爆器引發(fā)地震而產(chǎn)生的地震波，并通過多通道同步信號采集器同步采集因地震引發(fā)的掌子面圍巖的振動以及脈動信號等的綜合信號，然后通過USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，利用接收的地震波及所述的振動以及脈動信號對所述的掌子面圍巖進行長距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測。
S202:施工過程中對利用電磁波對所述掌子面圍巖進行短距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，運用獲得的短距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)檢驗所述長距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)；短距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測精度高，可進一步對掌子面前方圍巖資料作出較精確的判斷，從而進一步修正圍巖分級；
具體方法是，通過電磁波發(fā)射器在所述掌子面圍巖附近進行電磁波的發(fā)射，通過電磁波接收器接收自所述的掌子面圍巖返回的電磁波，同時通過多通道同步信號采集器同步采集自所述的掌子面圍巖反饋的各種信號，通過USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)根據(jù)所接收的返回的電磁波及各種反饋信號，對所述的掌子面圍巖進行短距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測。S203:當(dāng)遇到重要部位或特殊底端采用鉆孔驗證和測孔評價修正量化圍巖分級； S204:進行下一步圍巖細化分級。 所述的鉆孔驗證和測孔手段包括單孔法或跨孔法測孔。本發(fā)明中，所述的長距離是指大于100米，所述的短距離是指小于30米。進行長距離超前地質(zhì)預(yù)報是利用地震波對地質(zhì)構(gòu)造的敏感性原理進行的，通過長距離超前地質(zhì)預(yù)報對施工前方圍巖水文地質(zhì)變化情況做出初步判斷后，將預(yù)報得的地質(zhì)情況與掌子面地質(zhì)情況比較，從掌子面圍巖級別推斷掌子面前方圍巖級別變化情況；然后利用電磁波對水的敏感性原理對掌子面前30m圍巖資料進行高精度短距離預(yù)報，從而細化圍巖分級；遇到重要部位或特殊地段須進行鉆孔取芯進行室內(nèi)驗證、單孔法或跨孔法測孔來修正量化圍巖分級。S103:對所述掌子面圍巖進行地質(zhì)觀察并進行彈性縱波波速測試，根據(jù)獲得的觀察數(shù)據(jù)及彈性縱波波速測試數(shù)據(jù)修正步驟S102中獲得的所述掌子面的圍巖分級；
盡管步驟S102所述的綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測法可將圍巖分級進一步細化，但由于超前地質(zhì)預(yù)報探測范圍較大，對于隧道細部的圍巖狀況判讀精度較低，在圍巖細化分級方面會出現(xiàn)與實際圍巖情況有差別的情況；在隧道施工過程中，即使在前期勘察以及超前地質(zhì)預(yù)報階段圍巖狀況良好，也有可能在后期的爆破或開挖過程中破壞原來的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，使圍巖級別升高，因此施工現(xiàn)場的圍巖分級才能夠?qū)κ┕て鹬笇?dǎo)作用。對掌子面圍巖進行綜合探測是在施工現(xiàn)場直接獲取掌子面圍巖狀況的有效方法，相比隧道勘察階段的圍巖波速測試，掌子面彈性縱波波速測試更接近實際圍巖狀況。本發(fā)明實施例中，參見圖3所示對掌子面圍巖地質(zhì)觀察及彈性縱波波速測試分級的流程圖。對所述掌子面圍巖進行地質(zhì)觀察并進行彈性縱波波速測試，根據(jù)獲得的觀察數(shù)據(jù)及彈性縱波波速測試數(shù)據(jù)修正步驟S102中獲得的所述掌子面圍巖分級的步驟具體包括
S301:對所述掌子面圍巖進行地質(zhì)觀察，根據(jù)觀察情況運用地質(zhì)編錄法對所述掌子面巖體的完整狀態(tài)、地下水及初始應(yīng)力狀態(tài)進行分析，必要時對巖石巖體進行力學(xué)測試，對照隧道相關(guān)規(guī)范判斷所述掌子面的圍巖分級；
S302:測試所述掌子面圍巖的彈性縱波波速，求得所述掌子面圍巖的平均彈性縱波波速，參考隧道圍巖分級與彈性縱波波速的對應(yīng)關(guān)系，確定所述掌子面的圍巖分級；
S303:如果上述兩種方法判斷的所述掌子面附近的圍巖分級基本一致時進入步驟S104,否則進入下一步；S304:采集數(shù)據(jù)樣本進行測試并根據(jù)測試結(jié)果修正所述掌子面圍巖分級。本發(fā)明中，對所述掌子面圍巖地質(zhì)觀察的范圍包括掌子面狀態(tài)、掌子面風(fēng)化變質(zhì)情況、掌子面裂縫的間距、狀態(tài)及形態(tài)、地下涌水、水的影響等情況。本發(fā)明中，計算所述掌子面圍巖的平均彈性縱波波速采用如下方式
將震源點固定在所述掌子面，通過移動接收傳感器的位置改變測試距離，或者將接收傳感器固定在所述的掌子面，通過移動震源點改變測試距離，激發(fā)方式采用錘擊鐵板震源，測試所述掌子面圍巖多點處多處的彈性縱波波速，并計算出所述掌子面圍巖的平均彈性縱波波速。在掌子面進行波速測試，對隧道細部的圍巖狀況判讀精度較高，每次在爆破或開挖后進行波速探測，又能及時捕捉到圍巖的變化情況，在波速測試過程中，采用錘擊鐵板震源的方式激發(fā)，通過固定震源點移動接收傳感器的位置或固定接收傳感器移動震源點來改變測試距離，從而逐步測試掌子面多點處的彈性縱波波速，求其平均值作為掌子面的最終 彈性縱波波速，并參考彈性縱波波速與隧道圍巖分級對應(yīng)關(guān)系，確定掌子面的圍巖級別。通過前述的地質(zhì)觀察分析及波速測試兩種方法對掌子面圍巖進行綜合探測并跟蹤隧道施工進行，是準(zhǔn)確直接對掌子面圍巖進行細化分級的有效方法。S104:對施工過程中的各項參數(shù)進行監(jiān)控量測，并根據(jù)獲取的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)修正步驟S103中獲得的所述掌子面的圍巖分級。所述的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)包括隧道拱頂沉降值、周邊收斂值、圍巖壓力值、鋼筋應(yīng)力值以及初支裂縫有無。所述的隧道拱頂沉降值通過水準(zhǔn)儀進行測量獲得，所述的周邊收斂值由收斂計獲取，所述的圍巖壓力值由埋設(shè)在圍巖鋼拱架之間的壓力盒獲得，所述的鋼筋應(yīng)力值經(jīng)鋼筋計測量取得，所述的初支裂縫值通過裂縫觀測儀得到?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)是施工過程中隧道圍巖支護情況的反應(yīng)，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析是對隧道施工過程中的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析，利用隧道施工過程中監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)進行圍巖細化分類，監(jiān)測數(shù)據(jù)包括隧道拱頂沉降值、周邊收斂值、圍巖壓力及鋼筋應(yīng)力等。通過對所述的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析，以判斷掌子面的圍巖分級是否高或低，以根據(jù)情況進行修正，或提高或降低圍巖分級。如施工過程中的隧道變形是地質(zhì)條件與支護條件的共同反映，分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)獲知隧道圍巖變形和壓力值較大時，說明當(dāng)前地質(zhì)條件下圍巖支護弱，說明勘察設(shè)計階段所確定的圍巖分級比實際圍巖級別低，須升高圍巖級別，加強支護形式；當(dāng)圍巖變形和壓力值較小時，則說明設(shè)計的圍巖級別與實際圍巖情況接近，無須修正圍巖級別；當(dāng)圍巖變形過小時，則說明設(shè)計的圍巖級別過高，視現(xiàn)場情況可適當(dāng)降低圍巖級別。本發(fā)明實施例中，參見圖4所示，圍巖動態(tài)細化分級方法流程圖。第一步分析前期勘察設(shè)計資料，初步掌握圍巖分級情況；第二步進行隧道開挖施工，對長距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報對勘察設(shè)計階段圍巖分級進行細化，高精度短距離預(yù)報掌子面前方30m圍巖對圍巖分級作精確判斷；如果一切正常，則進入第三步對掌子面地質(zhì)編錄觀察和彈性波縱波波速測試，修正圍巖分級；如果遇到特殊地段或者重要部位，則采用鉆孔取芯驗證和測孔評價修正量化圍巖分級的方法，從而進入第三步對圍巖進行修正；修正過后進入第四步通過監(jiān)控量測，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證圍巖分級，指導(dǎo)施工。如此往復(fù)，重復(fù)第一步至第四步，隧道開挖進行下一循環(huán)圍巖分級。本發(fā)明實施例中，參見圖5所示，本發(fā)明實施例提供的基于勘察設(shè)計資料分析法圍巖分級方法流程圖。首先進行分析隧道的前期勘察設(shè)計資料，進一步掌握隧道圍巖分級情況，最后基于綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報的圍巖分級法進行綜合細化分級。結(jié)合圖6，圖6是本發(fā)明實施例提供的基于綜合參數(shù)的超前地質(zhì)預(yù)報法圍巖分級方法流程圖。-利用地震波對地質(zhì)構(gòu)造的敏感性，在隧道掌子面進行長距離超前地質(zhì)預(yù)報，預(yù)報距離大于100m，根據(jù)預(yù)報結(jié)果并對照掌子面圍巖情況判斷隧道前方的圍巖分級情況；利用電磁波對水的敏感性，在隧道掌子面進行短距離超前地質(zhì)預(yù)報，預(yù)報距離小于30m，驗證長距離探測的預(yù)報結(jié)果以及隧道的圍巖分級情況，若遇到重要部位或特殊地段 采用鉆孔取芯驗證和測孔評價修正量化，探測結(jié)果對照相關(guān)規(guī)范圍巖分級情況進行修正，待修正后則進行掌子面圍巖綜合探測法進行圍巖分級。圖7本發(fā)明實施例提供的基于掌子面圍巖綜合探測法圍巖分級方法流程圖。掌子面圍巖綜合探測法圍巖分級分別進行掌子面圍巖地質(zhì)觀察和掌子面圍巖縱波波速測試，掌子面圍巖地質(zhì)觀察主要包括掌子面狀態(tài)、風(fēng)化變質(zhì)、裂隙間距、裂隙狀態(tài)、裂隙形態(tài)、涌水、水的影響，然后根據(jù)觀察到的資料進行對照隧道相關(guān)規(guī)范，判斷隧道掌子面圍巖級別情況。在進行掌子面圍巖縱波波速測試后，將探測結(jié)果與相關(guān)規(guī)范對比，判斷掌子面的圍巖分級情況。將兩種分級情況進行對比，當(dāng)兩者圍巖級別判斷，結(jié)果相差不大時，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析法進行圍巖分級。如果兩者圍巖級別判斷結(jié)構(gòu)相差較大時，返回進行多采取數(shù)據(jù)樣本重新進行測試對比。圖8是本發(fā)明實施例提供的基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析法圍巖分級方法流程圖。對隧道掌子面附近的圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析，采用水準(zhǔn)儀、收斂計、壓力盒、鋼筋計、裂縫觀測儀等，具體監(jiān)控量測拱頂沉降值、周邊收斂值、圍巖壓力值、鋼筋應(yīng)力值、初支有無裂縫等，對這些值進行分析壓力值是否超過規(guī)范允許值、初支有無裂縫，如果壓力值超過規(guī)范允許值，則說明判斷的圍巖級別比實際圍巖級別低，如果壓力未值超過規(guī)范允許值，則說明判斷的圍巖級別比實際圍巖級別高或相同。圖9是本發(fā)明實施例提供的基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級系統(tǒng)框圖的示意圖。這種基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級系統(tǒng)，包括預(yù)報系統(tǒng)、監(jiān)測采集系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和計算機。所述預(yù)報系統(tǒng)是USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，用于對掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，并根據(jù)獲得的預(yù)報探測數(shù)據(jù)修正掌子面的圍巖分級。所述預(yù)報系統(tǒng)包括USP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置和UEP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置；所述USP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置，用于通過利用地震波對所述掌子面圍巖進行長距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，獲得的長距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)；所述UEP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置用于通過利用電磁波對所述掌子面圍巖進行短距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，獲得短距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)。所述USP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置還包括起爆器、多分量地震波空間接收裝置、多通道同步信號采集器；所述起爆器用于引發(fā)地震波；所述多分量地震波空間接收裝置用于接收由所述起爆器引發(fā)地震而產(chǎn)生的地震波；所述多通道同步信號采集器用于采集因地震波引發(fā)的掌子面圍巖的震動以及脈動信號。所述UEP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置還包括電磁波發(fā)射器、電磁波接收器和多通道同步信號采集器；所述電磁波發(fā)射器用于在所述掌子面圍巖發(fā)射電磁波；所述電磁波接收器用于接收自所述的掌子面圍巖返回的電磁波，所述多通道同步信號采集器用于同步采集來自所述掌子面圍巖的反饋信號。所述監(jiān)測系統(tǒng)包括水準(zhǔn)儀、收斂計、壓力盒、鋼筋計和裂縫觀測儀等；所述水準(zhǔn)儀用于測量隧道拱頂沉降值；收斂計用于獲取周邊收斂值；壓力盒用于獲取埋設(shè)在圍巖鋼拱架之間的圍巖壓力值，所述鋼筋計用于通過測量獲取鋼筋應(yīng)力值，所述裂縫觀測儀用于獲取初支裂縫值。所述測量系統(tǒng)包括掌子面圍巖縱波接收器和彈性縱波波速測試儀，用于獲得所述掌子面圍巖的彈性縱波波速。所述計算機的內(nèi)部主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，所述數(shù)據(jù)顯示模塊用于連接顯示器，顯示掌子面的圍巖綜合參數(shù)判譯結(jié)果；所述數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)、采集信號、長、短距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)處理模塊用于處理存儲器存儲的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明通過在勘察設(shè)計資料分析確定的圍巖分級的基礎(chǔ)上，再綜合運用綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報、掌子面圍巖綜合探測以及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析對施工階段的圍隧道圍巖進行綜合細化分級，本發(fā)明由于是貫穿于隧道開挖前、隧道開挖過程中以及隧道開挖后分別對隧道的圍巖級別進行修正細化，從而使得圍巖分級更加細化、精確。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法，其特征在于，包括以下步驟 1)、分析隧道現(xiàn)場勘察設(shè)計資料，初歩判斷隧道掌子面圍巖分級； 2)、利用USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)對所述掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，井根據(jù)獲得的預(yù)報探測數(shù)據(jù)修正步驟I)中獲得的所述掌子面的圍巖分級； 3)、對所述掌子面圍巖進行地質(zhì)編錄觀察并進行彈性縱波波速測試，根據(jù)獲得的觀察數(shù)據(jù)及彈性縱波波速測試數(shù)據(jù)修正步驟2)中獲得的所述掌子面的圍巖分級； 4)、對施工步序中的各項參數(shù)進行監(jiān)控量測，井根據(jù)獲取的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)修正步驟3)中獲得的所述掌子面的圍巖分級。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法，其特征在·于，所述的利用USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)對所述掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，井根據(jù)獲得的預(yù)報探測數(shù)據(jù)修正步驟I)中獲得的所述掌子面的圍巖分級的步驟，具體包括 利用地震波對所述掌子面圍巖進行長距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，根據(jù)獲得的長距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)，判斷所述隧道前方掌子面的圍巖分級； 施工過程中利用電磁波對所述掌子面圍巖進行短距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測； 當(dāng)遇到重要部位特殊地段時，通過鉆孔取芯進行室內(nèi)驗證和鉆孔測試手段對掌子面圍巖地質(zhì)情況評價并修正量化所述掌子面圍巖分級。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法，其特征在于，所述的長距離是指大于100米，所述的短距離是指小于30米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法，其特征在干，對所述掌子面圍巖進行地質(zhì)觀察并進行彈性縱波波速測試，根據(jù)獲得的觀察數(shù)據(jù)及彈性縱波波速測試數(shù)據(jù)修正步驟2)中獲得的所述掌子面圍巖分級的步驟具體包括 對所述掌子面圍巖進行地質(zhì)觀察，根據(jù)觀察情況運用地質(zhì)編錄法對所述掌子面巖體的完整狀態(tài)、地下水及初始應(yīng)カ狀態(tài)進行分析，必要時對巖石巖體進行力學(xué)測試，對照隧道相關(guān)規(guī)范判斷所述掌子面的圍巖分級； 測試所述掌子面圍巖的彈性縱波波速，求得所述掌子面圍巖的平均彈性縱波波速，參考隧道圍巖分級與彈性縱波波速的對應(yīng)關(guān)系，確定所述掌子面的圍巖分級； 如果上述兩種方法判斷的所述掌子面附近的圍巖分級基本一致時，結(jié)束本步驟，否則采集數(shù)據(jù)樣本進行測試并根據(jù)測試結(jié)果修正所述掌子面圍巖分級。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法，其特征在干，對所述掌子面圍巖地質(zhì)觀察的范圍包括掌子面狀態(tài)、掌子面風(fēng)化變質(zhì)情況、掌子面裂縫的間距、狀態(tài)及形態(tài)、地下涌水情況。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法，其特征在干，計算所述掌子面圍巖的平均彈性縱波波速采用如下方式 將震源點固定在所述掌子面，通過移動接收傳感器的位置改變測試距離，或者將接收傳感器固定在所述的掌子面，通過移動震源點改變測試距離，激發(fā)方式采用錘擊鐵板震源，測試所述掌子面圍巖多點處的彈性縱波波速，并計算出所述掌子面圍巖的平均彈性縱波波速。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法，其特征在于，所述的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)包括隧道拱頂沉降值、周邊收斂值、圍巖壓カ值、鋼筋應(yīng)カ值以及初支裂縫有無等。
8.一種基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級系統(tǒng)，其特征在于包括預(yù)報系統(tǒng)、監(jiān)測采集系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和計算機； 所述預(yù)報系統(tǒng)是USEP21地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，用于對掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，井根據(jù)獲得的預(yù)報探測數(shù)據(jù)修正掌子面的圍巖分級； 所述預(yù)報系統(tǒng)包括USP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置和UEP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置；所述USP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置，用于通過利用地震波對所述掌子面圍巖進行長距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，獲得的長距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)；所述UEP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置用于通過利用電磁波對所述掌子面圍巖進行短距離綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，獲得短距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)； 所述USP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置還包括起爆器、多分量地震波空間接收裝置、多通道同步信號采集器；所述起爆器用于引發(fā)地震波；所述多分量地震波空間接收裝置用于接收由所述起爆器引發(fā)地震而產(chǎn)生的地震波；所述多通道同步信號采集器用于采集因地震波引發(fā)的掌子面圍巖的震動以及脈動信號； 所述UEP地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報裝置還包括電磁波發(fā)射器、電磁波接收器和多通道同步信號采集器；所述電磁波發(fā)射器用于在所述掌子面圍巖發(fā)射電磁波；所述電磁波接收器用于接收自所述的掌子面圍巖返回的電磁波，所述多通道同步信號采集器用于同步采集來自所述掌子面圍巖的反饋信號； 所述監(jiān)測系統(tǒng)包括水準(zhǔn)儀、收斂計、壓カ盒、鋼筋計和裂縫觀測儀等；所述水準(zhǔn)儀用于測量隧道拱頂沉降值；收斂計用于獲取周邊收斂值；壓カ盒用于獲取埋設(shè)在圍巖鋼拱架之間的圍巖壓カ值，所述鋼筋計用于通過測量獲取鋼筋應(yīng)カ值，所述裂縫觀測儀用于獲取初支裂縫值； 所述測量系統(tǒng)包括掌子面圍巖縱波接收器和彈性縱波波速測試儀，用于獲得所述掌子面圍巖的彈性縱波波速； 所述計算機的內(nèi)部主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，所述數(shù)據(jù)顯示模塊用于連接顯示器，顯示掌子面的圍巖綜合參數(shù)判譯結(jié)果；所述數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)、采集信號、長、短距離地質(zhì)預(yù)報探測數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)處理模塊用于處理存儲器存儲的數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于綜合參數(shù)的隧道開挖圍巖動態(tài)細化分級方法，包括分析隧道前期勘察設(shè)計資料，初步判斷隧道圍巖分級，對開挖掌子面圍巖進行綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報探測，并根據(jù)預(yù)報結(jié)果修正掌子面及前方的圍巖分級；對掌子面開挖圍巖進行地質(zhì)編錄觀察并進行彈性波速測試，根據(jù)觀察資料及彈性波速測試數(shù)據(jù)進一步修正掌子面的圍巖分級；最后結(jié)合施工各步序進行監(jiān)控量測，再根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)修正獲得的所述掌子面的圍巖分級，完成圍巖細化分級的一個循環(huán)。通過勘察設(shè)計資料分析確定圍巖分級基礎(chǔ)上，再綜合運用綜合參數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報、掌子面圍巖綜合探測以及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析對施工階段圍隧道圍巖進行動態(tài)綜合細化分級，使得圍巖分級更加細化、精確。
文檔編號G01V11/00GK102736124SQ20121019516
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者葉英, 王曉亮 申請人:北京市市政工程研究院