隧洞智能化地質(zhì)編錄技術(shù)規(guī)范2024-09-10實(shí)施I本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件起草單位：山東大學(xué)、新疆水發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司、新疆水利發(fā)展投資(集團(tuán))有限公司、中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、長安大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、中鐵第一勘察設(shè)洪亮、劉軍生、黃鑫。對本文件的修改意見建議，請反饋至新疆維吾爾自治區(qū)水利廳(烏魯木齊市黑龍江路146號)、山新疆維吾爾自治區(qū)水利廳聯(lián)系電話傳真郵編：830000山東大學(xué)聯(lián)系電話傳真郵編：250061新疆維吾爾自治區(qū)市場監(jiān)督管理局聯(lián)系電話傳真郵編：8300041本文件規(guī)定了隧洞智能化地質(zhì)編錄的基本要求、圍巖結(jié)構(gòu)智能識別、巖石成分測試、巖性智能識別、不良地質(zhì)體識別的要求。本文件適用于鉆爆法、敞開式TBM法等施工隧洞中的地質(zhì)編錄。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。在隧洞開挖過程中，采用數(shù)字化、智能化地質(zhì)信息采集技術(shù)等手段對所揭露圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)面特征、完整性、不良地質(zhì)體發(fā)育情況等地質(zhì)信息進(jìn)行識別和記錄。不良地質(zhì)體unfavorablegeologybody能引起隧洞涌水突泥、圍巖變形與失穩(wěn)等問題的地質(zhì)體。點(diǎn)云數(shù)據(jù)pointclouddata在一個(gè)三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的一組向量的集合。數(shù)碼攝影digitalphotogrammetry利用數(shù)碼相機(jī)采集隧洞掌子面和圍巖圖像巖石元素成分rockelementcomposition組成巖石的元素種類及其在巖石中的含量。巖石礦物成分rockmineralcomposition組成巖石的礦物種類及其在巖石中的含量。2利用一種巖性數(shù)據(jù)判識巖性的模型。利用兩種或以上巖性數(shù)據(jù)判識巖性的模型。4基本要求4.1隧洞智能化地質(zhì)編錄宜在隧洞每循環(huán)開挖后、噴混支護(hù)環(huán)節(jié)前進(jìn)行，宜貫穿隧洞開挖全過程。4.2隧洞智能化地質(zhì)編錄應(yīng)包括下列主要內(nèi)容：a)隧洞圍巖結(jié)構(gòu)識別，包括圍巖結(jié)構(gòu)面特征識別和圍巖完整性評價(jià)；b)隧洞圍巖成分識別，包括元素識別和礦物識別；c)隧洞圍巖巖性識別，包括單源信息巖性識別和多源信息融合巖性識別；d)隧洞不良地質(zhì)體識別，包括元素和礦物異常分析以及不良地質(zhì)識別。4.3隧洞智能化地質(zhì)編錄工作符合下列要求：a)應(yīng)遵循及時(shí)性、真實(shí)性、準(zhǔn)確性及連續(xù)性的原則；b)應(yīng)在同一洞壁上連續(xù)進(jìn)行，遇到不能連續(xù)編錄情況(如圍巖垮塌、溶洞、突水等),應(yīng)沿地層走向在另一洞壁的對應(yīng)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與識別；c)應(yīng)根據(jù)隧洞施工工序、地質(zhì)條件等分段完善、總結(jié)；d)宜采用新技術(shù)、新設(shè)備和新工藝，做到技術(shù)先進(jìn)、結(jié)果可靠。4.4隧洞智能化地質(zhì)編錄工作可按圖1所示程序?qū)嵤?。圖1隧洞智能化地質(zhì)編錄工作程序4.5隧洞智能化地質(zhì)識別除應(yīng)符合本文件的規(guī)定外，還應(yīng)符合國家和行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。5隧洞智能化地質(zhì)編錄方案設(shè)計(jì)5.1隧洞智能化地質(zhì)編錄方案設(shè)計(jì)應(yīng)全面了解隧址區(qū)地質(zhì)情況、分析和掌握存在的主要工程地質(zhì)問題的基礎(chǔ)上開展，運(yùn)用數(shù)字化、智能化地質(zhì)信息采集技術(shù)開展隧洞地質(zhì)編錄。5.2隧洞智能化地質(zhì)編錄方案設(shè)計(jì)應(yīng)包括下列內(nèi)容：b)工程概況；c)地質(zhì)概況、可能存在的主要工程地質(zhì)問題及地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)；3d)實(shí)施智能化地質(zhì)編錄的目的和要求；e)智能化地質(zhì)編錄工藝流程及操作要點(diǎn)；f)計(jì)劃工作量、進(jìn)度安排、資源配置等；g)質(zhì)量要求；h)成果資料編制的內(nèi)容與要求；i)其他需要說明的問題。6圍巖結(jié)構(gòu)智能識別6.1一般規(guī)定6.1.1圍巖結(jié)構(gòu)智能識別技術(shù)可適用于鉆爆法、敞開式TBM法等施工隧道。6.1.2在鉆爆法施工隧洞，宜在爆破、出渣等工序完成后，掌子面裸露條件下開展結(jié)構(gòu)面識別。6.1.3圍巖結(jié)構(gòu)智能識別方式包含基于三維激光掃描的結(jié)構(gòu)面識別和基于數(shù)碼攝影的結(jié)構(gòu)面識別兩種。6.1.4基于三維激光掃描儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀識別包含巖體跡線形態(tài)出露的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息提取與巖體面狀形態(tài)出露的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息提取兩種。6.1.5可利用結(jié)構(gòu)面識別結(jié)果進(jìn)行圍巖完整性分析。6.2基于三維激光掃描的結(jié)構(gòu)面識別6.2.1三維激光掃描技術(shù)開展洞內(nèi)結(jié)構(gòu)面識別應(yīng)包括下列內(nèi)容：a)點(diǎn)云采集，利用三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取隧洞圍巖和掌子面點(diǎn)云數(shù)據(jù)；b)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除噪點(diǎn)等處理工作，隨后開展點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接等前處理工作；c)結(jié)構(gòu)面識別，借助機(jī)器視覺技術(shù)提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息，其中結(jié)構(gòu)面提取主要分為跡線形態(tài)出露和面狀形態(tài)出露的結(jié)構(gòu)面兩種；d)可視化與展示，將結(jié)構(gòu)面識別后的三維數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，以便地質(zhì)工程師或其他相關(guān)專業(yè)人員更直觀地理解隧洞圍巖結(jié)構(gòu)。6.2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集應(yīng)包括下列工作步驟：a).對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，校準(zhǔn)和檢驗(yàn)設(shè)備，確保其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，確保三維激光掃描設(shè)備處于良好b)根據(jù)項(xiàng)目要求和設(shè)備規(guī)格，設(shè)置激光掃描的分辨率、密度等參數(shù)，將標(biāo)靶放置在場景中，按照預(yù)定路徑或規(guī)劃，避免遺漏任何部分，依次對隧洞內(nèi)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行激光掃描，確保覆蓋所選區(qū)域整個(gè)表面；c)采集過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集質(zhì)量，確保每個(gè)掃描點(diǎn)的準(zhǔn)確性和一致性，并將掃描異常或存在的問題進(jìn)行記錄。6.2.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集應(yīng)符合下列要求：a)構(gòu)建基于激光點(diǎn)云的三維局部坐標(biāo)，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直；b)隧洞內(nèi)三維激光掃描的日期采用公歷紀(jì)年，時(shí)間采用北京時(shí)間；c)所使用的三維激光掃描儀宜具有雙軸補(bǔ)償功能；d)標(biāo)靶放置在通視性好的位置，兩個(gè)測站都能掃描得到；標(biāo)靶不能放置在一條線上，要高低錯(cuò)開，便于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的計(jì)算；標(biāo)靶至少需要3個(gè)，理想情況下是4個(gè)，3個(gè)用做坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，剩下的1個(gè)用來驗(yàn)證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度；4e)若不存在標(biāo)靶或是掃描場景特征點(diǎn)較多容易識別的情況下，設(shè)計(jì)好測站的位置，確保兩站之間的公共區(qū)域有多個(gè)特征點(diǎn)，方便后續(xù)的配準(zhǔn)工f)當(dāng)隧洞掌子面及邊墻區(qū)域存在較大區(qū)域的不平整現(xiàn)象時(shí)，進(jìn)行多點(diǎn)探測并對掃描輪廓點(diǎn)云進(jìn)g)對掃描范圍和掃描環(huán)境進(jìn)行了解并對掃描工作進(jìn)行總體規(guī)劃，確定掃描儀此次掃描的空間范圍、站點(diǎn)距離、相機(jī)參數(shù)和識別標(biāo)靶等重要參數(shù)；h)協(xié)調(diào)現(xiàn)場人員和設(shè)備，在掃描范圍內(nèi)減少人員活動和車輛出入，避免不必要的干擾；i)在數(shù)據(jù)采集過程中，采用多方位、多角度的全覆蓋掃描，同時(shí)保證2次連續(xù)掃描有足夠的重疊區(qū)域進(jìn)行拼接，從而獲得全面完整的圍巖表面信息。6.2.4巖體跡線形態(tài)出露的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息提取包含下列內(nèi)容：a)裂隙智能識別：運(yùn)用語義分割模型對巖體跡線形態(tài)進(jìn)行自動化識別；b)跡線裂隙的識別和分組：利用算法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的裂隙進(jìn)行準(zhǔn)確的識別和分類，將相似的裂隙歸為一組，以便后續(xù)的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分析；c)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀擬合：采用數(shù)學(xué)模型對識別的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行產(chǎn)狀擬合，以獲取結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角等d)空間尺寸分布函數(shù)構(gòu)建：基于擬合結(jié)果，構(gòu)建空間尺寸分布函數(shù)，反映結(jié)構(gòu)面在巖體內(nèi)的分布規(guī)律，為地質(zhì)工程決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持。a)智能算法應(yīng)用：巖體面狀形態(tài)出露的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息提取，利用聚類分析算法自動提取巖體面狀結(jié)構(gòu)面的特征，如面積、形狀等；b)半自動智能提?。航Y(jié)合人工智能技術(shù)，進(jìn)行半自動的結(jié)構(gòu)面提取提取的準(zhǔn)確性和效率；c)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息分析：對提取的結(jié)構(gòu)面信息進(jìn)行分析，包括產(chǎn)狀參數(shù)的測定、結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)d)三維模型生成：利用提取的結(jié)構(gòu)面信息，生成三維模型，直觀質(zhì)工程設(shè)計(jì)提供直觀參考。6.2.6采用三維激光掃描技術(shù)提取產(chǎn)狀信息的精度應(yīng)符合下列要求：a)傾向傾角精度：提取的產(chǎn)狀傾向傾角與實(shí)際地質(zhì)傾向傾角之間的誤差小于5°;b)方位角精度：提取的產(chǎn)狀方位角與實(shí)際地質(zhì)方位角之間的誤差小于5°;c)產(chǎn)狀長度：提取的產(chǎn)狀長度與實(shí)際地質(zhì)長度之間的誤差小于10cm;d)精度要求可能因不同的地質(zhì)特征、巖層性質(zhì)、隧洞尺寸等因素而在數(shù)據(jù)處理和分析過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，以確保所提取的產(chǎn)狀信息滿足工程和科研的要求。6.3基于數(shù)碼攝影的結(jié)構(gòu)面識別6.3.1采用數(shù)碼攝影技術(shù)開展洞內(nèi)結(jié)構(gòu)面識別應(yīng)包括下列內(nèi)容：a)使用數(shù)碼攝影設(shè)備對洞內(nèi)進(jìn)行全方位、多角度的圖像采集；b)對采集到的數(shù)字圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括去除圖像噪聲、調(diào)整對比度和亮度，以及校正畸變；c)利用計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)，對數(shù)字圖像中的巖體裂隙進(jìn)行識別；e)從三維模型中提取巖體結(jié)構(gòu)面的相關(guān)參數(shù)，如結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、長度、間距等。6.3.2圖像采集過程應(yīng)符合下列要求：5f)隧洞圍巖數(shù)字圖像采集主要包括全局拍攝和局部拍攝，全局?jǐn)z影需要對掌子面進(jìn)行多角度整c)圖像之間的重疊區(qū)域比例在20%到50%之間。即重疊區(qū)域的像素?cái)?shù)量占整個(gè)圖像的20%到50%。e)將數(shù)據(jù)集按照比例建立巖體a)模型參數(shù)設(shè)置如迭代次數(shù)不低于100次和學(xué)習(xí)率(監(jiān)督學(xué)習(xí)以及深度學(xué)習(xí)中重要的超參，其決定著目標(biāo)函數(shù)能否收斂到局部最小值以及何時(shí)收斂到最小值)不低于0.0001,可根據(jù)實(shí)際情b)模型準(zhǔn)確率評價(jià)指標(biāo)一般選用像素準(zhǔn)確率值(PA),當(dāng)PA值大于70%以上，才能滿足工程需要。a)獲取巖體圖像三維重構(gòu)后的三維坐標(biāo)，根據(jù)智能識別結(jié)果的紅綠藍(lán)三個(gè)顏色通道的數(shù)值(RGB值)進(jìn)行篩選，獲取裂隙三維坐標(biāo)；6.4.2圍巖完整性進(jìn)行劃分，參見附錄A。6DB65/T4809—2024c)將圍巖完整性識別分析結(jié)果數(shù)字化存儲，建立地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫；d)數(shù)據(jù)庫具備可檢索、可查詢的功能，以便進(jìn)一步分7巖石成分測試7.1一般要求7.1.1巖石成分測試內(nèi)容包括巖石元素成分測試和巖石礦物成分測試兩個(gè)方面。a)巖石成分測試宜在隧洞掌子面開展測試，條件受限時(shí)可在邊墻或拱頂開展測試；b)在鉆爆法施工隧洞，宜在爆破、出渣等工序完成后，掌子面裸露條件下開展巖石成分測試；c)在TBM法施工隧洞，宜在邊墻或拱頂實(shí)施噴漿等工序前，圍巖裸露條d)巖石成分測試編號應(yīng)使用隧洞的實(shí)際里程號，每個(gè)里程位置不少于5個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)應(yīng)至少重復(fù)測試2次；e)巖石成分測試應(yīng)保證測點(diǎn)的連續(xù)性，呈線狀或面狀測試，兩測點(diǎn)間距不超過1m;集數(shù)量為(1~3)塊，樣品規(guī)格為(3×6×9)cm,松散樣品裝入樣品袋中，使用記號筆編號。7.2巖石元素成分測試a)選擇巖石元素成分測試設(shè)備，布置測試點(diǎn)位；b)測試人員攜帶測試設(shè)備到達(dá)待測點(diǎn)位，將測試設(shè)備靠近圍巖表面，激發(fā)設(shè)備進(jìn)行巖石元素成分c)整理不同測試點(diǎn)位獲得的元素?cái)?shù)據(jù)。a)測試設(shè)備應(yīng)包含輕元素和重元素2種測試模式，具備自動和批量測試功能；應(yīng)根據(jù)隧洞現(xiàn)場工作條件合理選用巖石元素成分測試設(shè)備，包括激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀(LIBS)、便攜式X射線熒光光譜儀(PXRF)等；b)測試人員應(yīng)裝備護(hù)具，選擇圍巖較平整表面進(jìn)行測試，測試設(shè)備檢測窗口宜與待測巖石表面垂直，單點(diǎn)測試時(shí)間不大于5min;c)測試獲得的元素含量數(shù)據(jù)應(yīng)統(tǒng)一單位，結(jié)果整理成表，測試記錄表參見附錄B。7.2.3針對不同巖性的圍巖，巖石元素成分測試結(jié)果應(yīng)至少涵蓋以下元素中的一種：a)火成巖類，主要元素類型為硅(Si)、鋁(A1)、鐵(Fe)、鈣(Ca)、鈉(Na)、鉀(K)、鎂(Mg)、鈦c)變質(zhì)巖類，主要元素類型為硅(S7.3巖石礦物成分測試a)選擇巖石礦物成分測試設(shè)備，布置測試點(diǎn)位；7直，單點(diǎn)測試時(shí)間不大于10min;c)測試獲得的礦物含量數(shù)據(jù)應(yīng)統(tǒng)一單位，結(jié)果整理閃石(Hbl)、普通輝石(Aug)、黏士(Clay)等；8巖性智能識別8.1.1巖性智能識別方法包括基于圖像、b)采集圍巖圖像時(shí)，相機(jī)正對被拍攝區(qū)域，相機(jī)與被拍攝區(qū)域保持1m~5m的距離；c)圖像為彩色圖像，分辨率不低于800×600;8DB65/T4809—2024c)識別次數(shù)不小于3次，當(dāng)識別模型輸出的最高置信度低于0.7時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加識別次數(shù)。8.3多源信息融合巖性智能識別8.3.1多源信息融合的巖性智能識別的主要工作內(nèi)容包括：b)多源數(shù)據(jù)導(dǎo)入；c)結(jié)果判定。a)多源數(shù)據(jù)維度不同時(shí)，宜采用特征級融合識別模型；b)多源數(shù)據(jù)維度相同時(shí)，宜采用數(shù)據(jù)級融合識別模型；c)將多源數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型時(shí)，應(yīng)確保多源數(shù)據(jù)來自同一塊巖石；d)識別次數(shù)不小于3次，當(dāng)識別模型輸出的最高置信度低于0.8時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加識別次數(shù)。9不良地質(zhì)體識別9.1一般要求9.1.1不良地質(zhì)體識別包括下列工作內(nèi)容：c)不良地質(zhì)判定。9.1.2應(yīng)在完成巖石成分識別、圍巖結(jié)9.2元素異常分析9.2.1元素異常分析宜采用均值標(biāo)準(zhǔn)差法和累計(jì)頻率法。a)選取要分析的元素種類，對每一種元素的數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)；b)對于符合正態(tài)分布的元素，使用均值標(biāo)準(zhǔn)差法按公式(1)到公式(4)計(jì)算異常界限值：i—每一個(gè)樣品，i≥1;i—每一個(gè)樣品，i≥1;9為異常上界值；由小到大排列，確定累計(jì)頻率4.5%所對應(yīng)的樣本值，將該值作為異常下界值C?,確定累計(jì)頻率95.5%所對應(yīng)的樣本值，將該值作為異常上界值C?;9.3礦物異常分析9.3.1礦物異常識別宜使用數(shù)據(jù)探索性分析(EDA)方法。b)確定礦物數(shù)據(jù)樣本的下四分位數(shù)Q、中位數(shù)Q?、上四分位數(shù)Q3,并計(jì)算四分位數(shù)間距：iqr—為四分位數(shù)間距值；Q?—樣本礦物數(shù)據(jù)下四分位(25%)值；Q?—樣本礦物數(shù)據(jù)上四分位(75%)值。c)分別計(jì)算異常下內(nèi)限值lif和異常上內(nèi)限值uif:Q?一樣本礦物數(shù)據(jù)下四分位(25%)值；lif-異常下內(nèi)限值。 (7)Q?一樣本礦物數(shù)據(jù)下四分位(25%)值；C?—為異常下界值；lif—異常下內(nèi)限值。隧洞掘進(jìn)至巖性變化帶，則從新巖性處重新開始分現(xiàn)圍巖礦物異常分布。若隧洞未掘進(jìn)至巖性變化帶，則認(rèn)為出現(xiàn)圍巖礦物異常分布。g)對礦物異常分析結(jié)果進(jìn)行歸納，若礦物值低于異常下界限，則認(rèn)為礦物流失。a)存在異常的礦物以及礦物異常類型；c)選取礦物的EDA箱線圖。9.4.1不良地質(zhì)判定應(yīng)結(jié)合圍巖結(jié)構(gòu)智能識別結(jié)果、巖性智能識別結(jié)果、元素異常和礦物異常分析結(jié)果綜合判定，不良地質(zhì)智能識別結(jié)果可參照附錄E。a)不良地質(zhì)的發(fā)育規(guī)模，分為小型、中型、大型；b)不良地質(zhì)