非接触式围岩快速分区分级方法技术

本发明专利技术公开了一种非接触式围岩快速分区分级方法，包括构建隧道围岩快速分级指标体系；获取隧道掌子面的围岩波谱图像和数字图像；得到围岩岩性数据和结构面胶结物质数据；获取隧道现场围岩岩石、进行波谱测试、拟合波谱特征与含水量关系模型并得到围岩含水量信息；得到结构面参数；获取围岩BQ分类等级；构建隧道围岩快速分级数据库并得到围岩快速分级预测模型；获取待分级的掌子面围岩的波谱数据和数字图像数据并分区；从分区中获取数据并输入围岩快速分级预测模型中得到掌子面各个分区的围岩等级划分结果。本发明专利技术方法的可靠性高、精确性好且效率较高。精确性好且效率较高。精确性好且效率较高。

【技术实现步骤摘要】
非接触式围岩快速分区分级方法


[0001]本专利技术属于岩土工程领域，具体涉及一种非接触式围岩快速分区分级方法。

技术介绍

[0002]围岩分级技术是现今岩土工程领域广泛采用的技术。围岩的准确分级是隧道施工建设的前提，围岩等级的大小与隧道进洞方案、施工方法、爆破装药、采用的支护类型等施工工序均密切相关。围岩等级划分过低，会因为支护强度不够，开挖扰动过大而造成冒顶、片帮、底鼓等事故，造成巨大的人员伤亡和财产损失；围岩等级划分过高，则会因为爆破开挖、支护方案过于保守而造成材料浪费，施工进度慢，进而导致不必要的经济损失。
[0003]目前，现场隧道围岩分级通常分为两个部分：首先是通过前期的地质勘查、超前地质预报等手段获得部分定性和定量的岩性参数，按照现行分级规范进行围岩初步分级，为隧道施工方案设计提供指导；然后在施工期，主要通过钻孔取芯，计算岩石RQD值和随钻孔获取岩体力学性质参数，并进行分级，或者直接通过有经验的人员观察并直接判定围岩等级。
[0004]但是，无论是在地质勘查还是施工阶段的围岩分级，都存在一些需要现场接触式、破坏性的操作来获取的参数、难以采集以及需要进行室内二次加工测试的定量参数或者一些需要人工主观判断的定性参数；此外，由于施工成本、效率、技术等众多因素的限制，现场围岩分级很难兼顾到不良地质，地质条件变化等情况，围岩分级区段相隔较远，不考虑局部的变化，划分较粗略。因此，现有的围岩分级技术方案，可靠性并不高，而且方法难度大，分析时间长，主观性大，实时性较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种可靠性高、精确性好且效率较高的非接触式围岩快速分区分级方法。
[0006]本专利技术提供的这种非接触式围岩快速分区分级方法，包括如下步骤：
[0007]S1.以BQ法指标为依据，构建隧道围岩快速分级指标体系；
[0008]S2.获取隧道掌子面的围岩波谱图像和隧道掌子面的数字图像；
[0009]S3.将步骤S2获取的围岩波谱图像中的波谱曲线与标准地物波谱库曲线进行比较，从而得到围岩岩性数据和结构面胶结物质数据；
[0010]S4.获取隧道现场的围岩岩石，进行不同含水量的波谱测试，拟合波谱特征与含水量关系模型，并从围岩波谱图像中提取得到围岩含水量信息；
[0011]S5.根据围岩数字图像，建立二维坐标系，拟合结构面的像素位置坐标，从而提取得到结构面参数；
[0012]S6.获取拍摄波谱和拍摄数字图像时的岩样并进行实验，获取单轴饱和抗压强度和岩体完整性系数，从而得到对应的围岩BQ分类等级；
[0013]S7.根据步骤S6得到的若干数据，以隧道围岩快速分级指标作为预测变量，以对应
的围岩BQ分类等级作为响应变量，构建隧道围岩快速分级数据库；
[0014]S8.采用智能学习算法对构建的隧道围岩快速分级数据库中的数据进行学习，并进行超参数调整，得到性能最优的围岩快速分级预测模型；
[0015]S9.获取隧道现场待分级的掌子面围岩的波谱数据和数字图像数据，并对掌子面进行分区；
[0016]S10.从步骤S9得到的各个分区中获取对应的隧道围岩快速分级指标，并输入到步骤S8得到的围岩快速分级预测模型中，得到最终的隧道现场待分级的掌子面的各个分区的围岩等级划分结果。
[0017]步骤S1所述的以BQ法指标为依据，构建隧道围岩快速分级指标体系，具体包括如下步骤：
[0018]以岩性和含水量表征岩石坚硬程度，以结构面组数、结构面平均间距、主要结构面张开度和主要结构面胶结程度表征岩体完整性，以岩性、含水量、结构面组数、结构面平均间距、主要结构面平均张开度和主要结构面胶结程度构建隧道围岩快速分级指标体系。
[0019]步骤S3所述的将步骤S2获取的围岩波谱图像中的波谱曲线与标准地物波谱库曲线进行比较，从而得到围岩岩性数据和结构面胶结物质数据，具体包括如下步骤：
[0020]A.选定波谱对比的标准库；
[0021]B.采用如下算式对获取的围岩波谱图像中的波谱曲线和标准地物波谱库中的波谱曲线进行一阶导数预处理，从而增强波谱曲线在波谱方面的辨识度：
[0022][0023]式中i为波长值，根据波谱设备的参数决定，一般为可见光—短波红外波段(350～2500nm)；Δi为波长增量；R
i
为波长i处的反射率；MDR
i
为波长i和波长i+Δi的波段间的平均一阶导数反射率；
[0024]C.对于经一阶导数预处理后的波谱曲线，采用如下算式计算波谱曲线间的相似度S：
[0025][0026]式中i为波长值，其范围为350～2500nm；为曲线A在波长i处的反射率；为曲线B在波长i处的反射率；
[0027]D.选择与围岩波谱曲线相似度最大的标准库波谱曲线所对应的物质成分作为围岩岩性：
[0028]E.提取结构面胶结物质的波谱曲线按照上述同样的步骤进行物质识别，依据胶结物质的种类和BQ定性分级法，将结构面胶结物质识别为为无充填、钙质胶结、铁质胶结或泥质胶结。
[0029]步骤S4所述的获取隧道现场的围岩岩石，进行不同含水量的波谱测试，拟合波谱特征与含水量关系模型，并从围岩波谱图像中提取得到围岩含水量信息，具体包括如下步
骤：
[0030]a.获取隧道现场的围岩岩石，在实验室开展岩石不同含水量的波谱测试试验；试验时，选定的波段为1400
±
100nm和1900
±
100nm波段；
[0031]b.获得岩石在不同含水量情况下的波谱曲线在选定的两个波段的吸收特征参数数据；所述的吸收特征参数数据包括吸收峰峰值反射率和吸收峰图形面积；
[0032]c.对含水量和吸收特征参数进行数值拟合，得到含水量和吸收特征参数之间的关系模型c＝f(P1,P2,A1,A2)，其中P1和A1分别为1400
±
100nm波段吸收峰的峰值反射率和吸收峰面积；P2和A2分别为1900
±
100nm波段吸收峰的峰值反射率和吸收峰面积；
[0033]d.提取现场围岩波谱曲线两个选定的波段的吸收特征参数，并根据步骤c得到的关系模型，得到围岩的实际含水量。
[0034]步骤S5所述的根据围岩数字图像，建立二维坐标系，拟合结构面的像素位置坐标，从而提取得到结构面参数，具体包括如下步骤：
[0035](1)对围岩数据图像进行图像预处理，并提取结构面像素；
[0036](2)以围岩数字图像的任一角点为原点，构建二维坐标系，从而得到结构面像素的各个像素点的位置坐标；
[0037](3)根据步骤(2)得到的位置坐标，通过线性最小二乘法将结构面像素点拟合成直线，将相互平行的结构面作为一组，统计结构面组数；将直线表达式进行积分，得到每条结构面的长度l；由平行线距离公式计算每组结构面内相邻两条结构面之间的距离d；采用如下算式计算得到结构面平均间距R，再根据拍摄数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非接触式围岩快速分区分级方法，包括如下步骤：S1.以BQ法指标为依据，构建隧道围岩快速分级指标体系；S2.获取隧道掌子面的围岩波谱图像和隧道掌子面的数字图像；S3.将步骤S2获取的围岩波谱图像中的波普曲线与标准地物波谱库曲线进行比较，从而得到围岩岩性数据和结构面胶结物质数据；S4.获取隧道现场的围岩岩石，进行不同含水量的波谱测试，拟合波谱特征与含水量关系模型，并从围岩波谱图像中提取得到围岩含水量信息；S5.根据围岩数字图像，建立二维坐标系，拟合结构面的像素位置坐标，从而提取得到结构面参数；S6.获取拍摄波谱和拍摄数字图像时的岩样并进行实验，获取单轴饱和抗压强度和岩体完整性系数，从而得到对应的围岩BQ分类等级；S7.根据步骤S6得到的若干数据，以隧道围岩快速分级指标作为预测变量，以对应的围岩BQ分类等级作为响应变量，构建隧道围岩快速分级数据库；S8.采用智能学习算法对构建的隧道围岩快速分级数据库中的数据进行学习，并进行超参数调整，得到性能最优的围岩快速分级预测模型；S9.获取隧道现场待分级的掌子面围岩的波谱数据和数字图像数据，并对掌子面进行分区；S10.从步骤S9得到的各个分区中获取对应的隧道围岩快速分级指标，并输入到步骤S8得到的围岩快速分级预测模型中，得到最终的隧道现场待分级的掌子面的各个分区的围岩等级划分结果。2.根据权利要求1所述的非接触式围岩快速分区分级方法，其特征在于步骤S1所述的以BQ法指标为依据，构建隧道围岩快速分级指标体系，具体包括如下步骤：以岩性和含水量表征岩石坚硬程度，以结构面组数、结构面平均间距、主要结构面张开度和主要结构面胶结程度表征岩体完整性，以岩性、含水量、结构面组数、结构面平均间距、主要结构面平均张开度和主要结构面胶结程度构建隧道围岩快速分级指标体系。3.根据权利要求2所述的非接触式围岩快速分区分级方法，其特征在于步骤S3所述的将步骤S2获取的围岩波谱图像中的波普曲线与标准地物波谱库曲线进行比较，从而得到围岩岩性数据和结构面胶结物质数据，具体包括如下步骤：A.选定波谱对比的标准库；B.采用如下算式对获取的围岩波谱图像中的波谱曲线和标准地物波谱库中的波谱曲线进行一阶导数预处理，从而增强波谱曲线在波谱方面的辨识度：式中i为波长值，根据波谱设备的参数决定，一般为可见光—短波红外波段(350～2500nm)；Δi为波长增量；R
i
为波长i处的反射率；MDR
i
为波长i和波长i+Δi的波段间的平均一阶导数反射率；C.采用如下算式计算波谱曲线间的相似度S：
式中i为波长值，其范围为350～2500nm；为曲线A在波长i处的反射率；为曲线B在波长i处的反射率；D.选择与围岩波谱曲线相似度最大的标准库波谱曲线所对应的物质成分作为围...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钊，周子龙，张云，袁航，孙景楠，杨明，张铭志，韦才超，游纪元，杜鑫，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：