本发明涉及岩石隧道围岩测试，具体涉及一种基于原位刻划的富水软弱围岩分级方法和装置。
背景技术：
1、在深部软岩隧道开挖、输水隧洞、地下硐室及众多深部地下空间工程建设过程中，由于其地形复杂、埋深大，受岩石材料非均质特征影响，使得隧道在施工过程中岀现塌方、岩爆事故频发，严重影响着施工进度和人身安全。当前工程勘探方法主要采用直接勘探、钻探、触探及物探，受以上探测自身局限性及复杂地表条件的限制，在地勘阶段不能有效地全部查清沿线的不良地质情况。因此，开展针对深部富水隧道软弱围岩节理分布特征、力学性质及含水率的超前预报与定量识别研究，对隧道工程安全及稳定施工具有重大的理论意义和工程价值。
2、确定岩体力学参数的方法包括现场原位试验和室内试验。常见的钻孔测试是将取出的岩芯进行室内实验，从而获得岩石力学参数及沿钻孔的分布特征。而因为岩体岩性分布差异及大量结构面的存在，常规钻孔只能通过钻速、返回岩屑和取芯来进行分析，加上钻孔的扰动影响，使得现场岩块取样不能连续有效的获得完整岩芯，导致试验选点不连续且离散性大。所以使得岩体力学特征与室内岩石试件所表现的力学行为存在较大差异，岩体试验参数存在较大的随机性及不确定性。因此采用原位试验确定岩体力学参数，能较好地反映岩体的自然特性。现有的原位贯入试验主要为零散的测量，难以精确、系统、高效地获取隧道围岩各位置的岩石力学特性及成分特征的连续变化。
3、因此，如何提供一种原位岩石力学特性连续测试方法，能够对大断面富水软弱围岩各位置、各方向进行高精确度、高自动化、高效率的刻划原位测试，同步评价节理发育程度、岩石强度及含水率，建立基于原位三参数测量的围岩分级方法，为软岩隧道围岩支护及大变形灾害控制提供设计依据，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、为此，本发明提供一种基于原位刻划的富水软弱围岩分级方法和装置，以解决现有技术中由于原位贯入试验主要为零散的测量而导致的难以精确、系统、高效地获取隧道围岩各位置的岩石力学特性及节理发育程度的问题；结合配套的近红外光谱特征分析系统反演的含水率，建立用于富水软岩隧道大变形、突水灾害风险等级划分的三参数新方法。
2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、根据本发明的第一方面，提供了一种基于原位刻划的富水软弱围岩分级方法，包括以下步骤：
4、步骤s1：获取富水软弱围岩隧道的总长度，将刻划装置放置在不同长度的隧道断面上；
5、步骤s2：通过刻划装置对隧道断面进行原位刻划，获取隧道围岩的围岩力学参数，确定不同位置的隧道围岩的围岩强度，其中，所述围岩力学参数包括围岩压痕力学参数和围岩划痕力学参数；
6、步骤s3：在刻划装置对隧道断面进行原位刻划时，采用近红外光谱同步测量隧道围岩的原位光谱，确定不同位置的隧道围岩的表面含水率；
7、步骤s4：基于隧道围岩的围岩划痕力学参数，建立划痕深度曲线，通过划痕深度曲线计算不同位置的隧道围岩的节理发育程度；
8、步骤s5：基于不同位置的隧道围岩的围岩强度、表面含水率和节理发育程度，划分所述隧道断面的围岩等级。
9、进一步地，所述步骤s2中，确定不同位置的隧道围岩的围岩强度，具体为：
10、根据围岩压痕力学参数计算压痕弹性模量e1和压痕硬度h1；其中，，；为泊松比，为折算弹性模量，为压头弹性模量，为最大载荷，为竖向加压头与岩石的压痕接触面积；
11、根据围岩划痕力学参数计算划痕弹性模量e2和划痕硬度h2；其中，，；为横向力，为横向位移，为垂向力，为竖向加压头与岩石的划痕接触面积；
12、基于压痕弹性模量e1和划痕弹性模量e2，计算围岩弹性模量e；其中，；
13、基于压痕硬度h1和划痕硬度h2，计算围岩硬度h；其中，；
14、根据围岩弹性模量e和围岩硬度h，计算围岩强度ucs；其中，。
15、进一步地，所述步骤s5中，基于不同位置的隧道围岩的围岩强度、表面含水率和节理发育程度，根据三参数评价模型，划分所述隧道断面的围岩等级，其中，三参数评价模型为：
16、；
17、；
18、其中，为围岩等级评价分数，为标准围岩强度，为标准节理发育程度，为标准表面含水率，为第i个位置的隧道围岩的围岩强度，为最小围岩强度，为最大围岩强度，为第i个位置的隧道围岩的节理发育程度，为最小节理发育程度，为最大节理发育程度，为第i个位置的隧道围岩的表面含水率，为最小表面含水率，为最大表面含水率。
19、进一步地，所述步骤s3中，根据原位光谱的光谱峰数据，确定不同位置的隧道围岩的表面含水率；所述步骤s4中，根据划痕深度曲线的方差计算不同位置的隧道围岩的节理发育程度。
20、进一步地，所述步骤s2中，通过刻划装置对隧道断面进行原位刻划，获取隧道围岩的围岩力学参数，具体包括：
21、通过施压刻划装置对隧道断面进行贯入测试，使所述刻划装置内的竖向加压头压入隧道断面内，所述刻划装置采集得到围岩压痕力学参数；
22、通过移动刻划装置对隧道断面进行刻划测试，使所述刻划装置内的竖向加压头对隧道断面刻划，所述刻划装置采集得到围岩划痕力学参数。
23、根据本发明的第二方面，提供了一种基于原位刻划的富水软弱围岩分级装置，用于实现上述任一项所述的基于原位刻划的富水软弱围岩分级方法，包括刻划装置、近红外光谱探头、横向云台和拱架轨道，所述刻划装置滑设于所述横向云台上，所述近红外光谱探头设于刻划装置上，所述拱架轨道放置在隧道断面内，所述横向云台沿拱架形状移动设于所述拱架轨道上。
24、进一步地，所述刻划装置包括管壁、竖向加载装置、竖向加压头、回压板、竖向应力传感器和竖向应变传感器，所述管壁内设有竖向加载装置，所述竖向加载装置内设有竖向加压头，所述竖向加压头通过回压板限制在所述竖向加载装置的腔体内，所述竖向加载装置的腔体底部设有竖向应力传感器和竖向应变传感器。
25、进一步地，还包括加压孔和回压孔，所述竖向加载装置为中空圆柱管体，所述竖向加载装置管壁设有加压孔和回压孔，所述加压孔和回压孔分别与油压泵连接。
26、进一步地，所述管壁上设有密封盖，所述竖向加载装置通过密封盖密封在所述管壁内。
27、进一步地，所述刻划装置上设有云台数控车轮，所述刻划装置通过所述云台数控车轮滑设在所述横向云台上，所述横向云台上设有轨道数控车轮，所述横向云台通过所述轨道数控车轮滑设在所述拱架轨道上，所述横向云台上设有横向应力传感器和横向应变传感器。
28、本发明具有如下优点：
29、1、在试验过程中，可以通过控制云台数控车轮和轨道数控车轮，对隧洞断面围岩任意位置（平面方向与离面方向）进行原位测试，测试过程高效、测试方法精细、测试结果可靠。锥头形状、规格可以根据工程需要以及现场岩体的情况进行选择性的加工，获得所需岩石力学参数、节理参数、矿物成分等。
30、2、可以实现现场贯入实验的同时，进行现场原位刻划和近红外光谱测试实验，同时获取节理发育程度、岩石强度及含水率。评价节理发育程度、岩石强度及含水率，建立基于原位三参数测量的围岩分级方法，为富水软岩隧道围岩支护及大变形灾害控制提供设计依据。
31、3、操作简便、工作高效、测试精确，可以进行不同岩体条件、不同位置的围岩岩体试验，有效节省时间、人力、物力和财力。
1.一种基于原位刻划的富水软弱围岩分级方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于原位刻划的富水软弱围岩分级方法，其特征在于，所述步骤s2中，确定不同位置的隧道围岩的围岩强度，具体为：
3.如权利要求1所述的基于原位刻划的富水软弱围岩分级方法，其特征在于，所述步骤s5中，基于不同位置的隧道围岩的围岩强度、表面含水率和节理发育程度，根据三参数评价模型，划分所述隧道断面的围岩等级，其中，三参数评价模型为：
4.如权利要求1所述的基于原位刻划的富水软弱围岩分级方法，其特征在于，所述步骤s3中，根据原位光谱的光谱峰数据，确定不同位置的隧道围岩的表面含水率；所述步骤s4中，根据划痕深度曲线的方差计算不同位置的隧道围岩的节理发育程度。
5.如权利要求1所述的基于原位刻划的富水软弱围岩分级方法，其特征在于，所述步骤s2中，通过刻划装置对隧道断面进行原位刻划，获取隧道围岩的围岩力学参数，具体包括：
6.一种基于原位刻划的富水软弱围岩分级装置，用于实现如权利要求1-5任一项所述的基于原位刻划的富水软弱围岩分级方法，其特征在于，包括刻划装置、近红外光谱探头、横向云台和拱架轨道，所述刻划装置滑设于所述横向云台上，所述近红外光谱探头设于刻划装置上，所述拱架轨道放置在隧道断面内，所述横向云台沿拱架形状移动设于所述拱架轨道上。
7.如权利要求6所述的基于原位刻划的富水软弱围岩分级装置，其特征在于，所述刻划装置包括管壁、竖向加载装置、竖向加压头、回压板、竖向应力传感器和竖向应变传感器，所述管壁内设有竖向加载装置，所述竖向加载装置内设有竖向加压头，所述竖向加压头通过回压板限制在所述竖向加载装置的腔体内，所述竖向加载装置的腔体底部设有竖向应力传感器和竖向应变传感器。
8.如权利要求7所述的基于原位刻划的富水软弱围岩分级装置，其特征在于，还包括加压孔和回压孔，所述竖向加载装置为中空圆柱管体，所述竖向加载装置管壁设有加压孔和回压孔，所述加压孔和回压孔分别与油压泵连接。
9.如权利要求7所述的基于原位刻划的富水软弱围岩分级装置，其特征在于，所述管壁上设有密封盖，所述竖向加载装置通过密封盖密封在所述管壁内。
10.如权利要求6所述的基于原位刻划的富水软弱围岩分级装置，其特征在于，所述刻划装置上设有云台数控车轮，所述刻划装置通过所述云台数控车轮滑设在所述横向云台上，所述横向云台上设有轨道数控车轮，所述横向云台通过所述轨道数控车轮滑设在所述拱架轨道上，所述横向云台上设有横向应力传感器和横向应变传感器。
