基于自动采集与数字孪生模型的岩体隧道智能设计服务

基于自动采集与数字孪生模型的岩体隧道智能设计服务同济大学1.1研究背景某隧道长11km，最大埋深1150m；基于地质调绘和物探分析设7个钻孔，其中4号孔深961.8m，单孔费用207万有限且昂贵的地表钻孔等信息，难以全面描述复杂地质条件1.1研究背景人工隧道支护动态设计流程川藏铁路等复杂高难度隧道工程，须进行动态支护设计与施工1.1研究背景主要问题①数据获取困难①数据获取困难②信息传递缓慢②信息传递缓慢③判断结果难准③判断结果难准④方案调整繁琐④方案调整繁琐⑤人力成本极高⑤人力成本极高调研国内10余家隧道设计单位发现，一个设计代表同时负责10-50多个隧道开挖面的设计变更岩体隧道实践中支护设计-施工极易脱节岩体隧道实践中支护设计-施工极易脱节，难以一体化动态设计-施工1.1研究背景较差较差条件围岩：现有动态设计体系难以有效保障安全安全安全较较好条件围岩：现有动态设计体系中支护结构和人力被大量浪费经济经济工期工期现有支护设计技术难以全面支撑复杂地质条件隧道建设现有支护设计技术难以全面支撑复杂地质条件隧道建设的安全、经济和工期要求1.2工程需求钻爆法隧道施工，单个循环初次出渣、排险与二次出渣约占用时间2-3个小时。态设计掌子面完全暴露、施作支护之前掌子面完全暴露、施作支护之前，只有至多约1小时进行采集、分析与设计1.2工程需求 切入点 地质采集远程反馈远程反馈提取建模提取建模稳定分析稳定分析 动态设计技术突破方向与研究目标 要求手段高效少人精细手段高效少人精细数字孪生数字孪生 智能化钻爆法隧道支护“一小时钻爆法隧道支护“一小时”动态设计2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别人脸特征有规律隧道行业现状•支护设计施工易脱节•难以快速诊断与反馈•缺乏精确化分析理论隧道开挖面千变万化，规律性不明显如何实现快速、精确的“隧道脸”识别?2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别物理实体与其物理实体与其数字虚体之间精确映射的孪生关系具有孪生关系的物理实体、数字虚体分别称作物理孪生体、数字孪生体数字孪生隧道开挖面物理孪生体隧道开挖面数字孪生体数字孪生通过对数字孪生2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别开挖面暴露→支护施工只有约1小时地质信息采集传统方法开地质信息采集传统方法开挖面存在问题开挖面掉块存在问题存在问题2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别基于手机拍照的智能多目成像创新提出基于手机虚拟多目智能算法的开挖面三维重构方法，攻克隧道开挖掌子面暴露后数字孪生模型快速重构的难题2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别隧道掌子面数字孪生模型三维重构与分析流程获取左右图像极线校正极线校正特征点特征点检测稠密匹配获稠密匹配获取视差图特征点特征点点云三维点云三维坐标带GRB信息的三维点云产状自动化计算手动选取结构面计算产状迹长2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别手机拍照虚拟多目三维重构数字孪生模型选择照片距离，使关键区域完全开挖面照片可以超过专业相机照片的重构精度基于RGB的三维点云重建基于手机多目图像重构的三维点云数字孪生模型2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别岩体结构面三维信息自动提取算法2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别岩体结构面三维信息自动提取算法特征点收缩算法求解三维迹线基于3D打印标准试样的精度测试迹线产状粗糙度迹线室内3D打印试样的测试精度99%以上，现场测试精度92%以上2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别数字孪生模型结构面产状自动提取数字孪生模型结构面产状自动提取2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别隧道地质信息透明化隧道地质信息透明化基于纵向断面数据的前方三维地质信息预测三维地质信息预测原理基于纵向断面数据的三维地质信息预测系统2.1隧道开挖面三维地质信息自动识别单轴抗压强度弹性模量风化程度单轴抗压强度弹性模量风化程度粗糙度…RN=1.0646RL+6.3673(r=0.99)施密特回弹仪结构根据冲击能量分为施密特回弹仪结构根据冲击能量分为按国际岩石力学学会最新推荐方法2.2隧道开挖面自动分级数据平台与传输系统AP定向天线无线网桥蓄电池远程实时无线传输系统搭建2.2隧道开挖面自动分级数据平台与传输系统隧道远程智慧工程云平台2.2隧道开挖面自动分级数据平台与传输系统支持国家规范以及国际分级指标自动计算支持国家规范以及国际分级指标自动计算2.3隧道支护精细化动态设计方法提出并实现了基于数字孪生模型的钻爆法隧道支护智能动态设计方法，较人工设计效率提高数十倍以智能手机为采集核采集、传输、重构、提取、分级、反馈4.云平台上岩体结面三维信息自动提取3.云平台岩体开挖面数字孪生模型自动重构2.3隧道支护精细化动态设计方法5.云平台数据传回手机端后自动计算围岩质量分级6.2.4基于三维精细化模拟方法的灾害预测三维等效连续分析方法:非线性三维破坏准则τoctτoctτoct,bσm,2=sσcτoct=τoct=GZZGZZ强度准则：国际岩石力学学会(ISRM)建议方法之一(2012)2.4基于三维精细化模拟方法的灾害预测VolumetricdiscontinuityVolumetricdiscontinuityfrequencySurfacecondition现场采集获取现场采集获取GSI2.4基于三维精细化模拟方法的灾害预测三维非连续动力学精细分析与数字照相集成3.1工程背景峨眉至汉源高速公路，起于峨眉山市南侧，止于止于雅安市汉源县北侧，路线全长约123.468公里，全线桥隧比约80%，仅隧道就占总长比60%多，总投资超过220亿元3.1工程背景大峡谷特长隧道，占路线总长度的约十分之一，是制约峨汉高速按时完工的关键瓶颈眉3.1工程背景大峡谷特长隧道最大埋深1944米，是世界目前埋深最大的公路隧道3.1工程背景围岩条件非常差，近水平层状节理白云岩，含软弱夹层3.1工程背景塌方频发3.1工程背景3.2隧道围岩等级自动判别及数字化动态支护设计了围岩等级自动判别及数字化动态支护设计示范，全过程在12分钟内完成3.2隧道围岩等级自动判别及数字化动态支护设计通过手机微信小程序上传数据云计算重构三维点云数字孪生模型3.2隧道围岩等级自动判别及数字化动态支护设计3.2隧道围岩等级自动判别及数字化动态支护设计3.2隧道围岩等级自动判别及数字化动态支护设计3.2隧道围岩等级自动判别及数字化动态支护设计根据修正BQ值自动匹配出图现场施工人员通过手机查看支护设计图3.2隧道围岩等级自动判别及数字化动态支护设计3.3基于智能移动终端和三维非连续分析的塌方精细化预测3.3基于智能移动终端和三维非连续分析的塌方精细化预测原始掌子面排险前排险后3.3基于智能移动终端和三维非连续分析的塌方精细化预测透明化掌子面三维地质数字孪生模型3.3基于智能移动终端和三维非连续分析的塌方精细化预测数字孪生模型及地质信息智能提取3.3基于智能移动终端和三维非连续分析的塌方精细化预测3.3基于智能移动终端和三维非连续分析的塌方精细化预测围岩分级智能判定结果分级结果为