一种盾构施工风险分析模型的自动构建方法及应用技术

本发明专利技术属于盾构施工风险预测相关技术领域，其公开了一种盾构施工风险分析模型的自动构建方法及应用，包括下列步骤：(1)通过钻孔数据获取每层土上下限坐标并生成相应的土层，同时为每层土配置相应的土体参数和随机场参数，以生成参数化地质模型；(2)通过参数化隧道模型和参数化地质模型，结合基于界面剖分的几何操作算法生成隧道剖分模型和地质剖分模型，通过OBB包围盒算法和隧道剖分模型获取所有盾构管片的空间位置和外径，通过Delaunay三角剖分算法和地质剖分模型生成相应的地质几何模型；(3)通过盾构管片的空间位置和外径重构隧道几何模型，并与地质几何模型共同构建施工风险分析模型。本发明专利技术显著提升了风险分析的效率及效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构施工风险分析模型的自动构建方法及应用


[0001]本专利技术属于盾构施工风险预测相关
，更具体地，涉及一种盾构施工风险分析模型的自动构建方法及应用。

技术介绍

[0002]随着城市化的进程，城市地面空间愈发紧缺，有限的地面交通已无法满足人们日益增长的快速交通需求。在这种背景下，对城市轨道交通需求持续增长。盾构施工技术，由于其施工快、机械化程度高和环境扰动小等优点，已成为城市轨道交通建设的主要施工技术。盾构工程主要位于城市人口密集地区，周边环境复杂、地质条件具有强不确定性、风险隐患诸多，工程事故导致的损失较大。其中，地质条件的强不确定性给盾构施工带来较大的未知性和危险性。因此，通过技术和理论手段实现考虑土体不确定性的盾构施工过程的安全评估至关重要。
[0003]目前，随着计算性能的不断提升，数值模拟方法已成为盾构施工过程安全评估的重要方法，在盾构隧道工程中的应用已经比较成熟和广泛。然而，数值模拟需要工程师对盾构隧道工程进行三维数值建模，过程复杂繁琐且耗时，限制了对盾构隧道施工的快速高效安全评估。随着面向对象的参数化建模技术的发展，盾构隧道工程的设计已迎来技术革新。盾构隧道工程的参数化模型以工程对象参数化的表达形式可以替代传统的二维图纸设计来指导工程施工过程。盾构隧道工程参数化的表达可以为数值模拟提供所有必需的输入参数，因此可以通过盾构隧道工程的参数化模型实现数值模拟模型的自动生成，这可以避免工程师手动进行繁琐的数值模拟建模，可以极大地提升盾构隧道工程的安全评估效率。通过盾构隧道工程参数化模型直接实现盾构施工安全评估，可以简称为盾构施工参数化建模与数值分析一体化技术，国际上已有相对成熟的解决方案。
[0004]然而，既有的解决方案都是属于确定性分析，即在数值分析过程中将土体参数设定为确定性，且数值分析输出也是确定值，完全忽视土体的不确定性。这些忽视土体的不确定性的解决方案无法综合考虑各种影响因素，会低估盾构施工风险。通过系统地考虑土体不确定性，并将其融入盾构施工参数化建模与数值分析一体化技术，可以更加全面地反映盾构施工中可能面对的风险，对实际工程具有更好的指导意义。另一方面既有的解决方案在交互方面具有明显的不足，无法根据需求定义分析区间，无法及时对风险较高的盾构区间进行有效的分析。因此，盾构隧道工程迫切需要一种新型的具有高度交互性且考虑土体不确定性的盾构施工风险分析模型的自动构建方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种盾构施工风险分析模型的自动构建方法及应用，其实现了盾构施工参数化建模与概率安全评估分析的一体化流程，简化了安全评估的处理流程，提升了安全评估过程的处理效率，同时给出了一种面向盾构施工参数化模型的安全评估的概率表达方法及应用。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种盾构施工风险分析模型的自动构建方法，所述方法主要包括以下步骤：
[0007](1)通过钻孔数据获取每层土上下限坐标并生成相应的土层，同时为每层土配置相应的土体参数和随机场参数，以生成参数化地质模型；
[0008](2)通过参数化隧道模型和参数化地质模型，结合基于界面剖分的几何操作算法生成隧道剖分模型和地质剖分模型，通过OBB包围盒算法和隧道剖分模型获取所有盾构管片的空间位置和外径，通过Delaunay三角剖分算法和地质剖分模型生成相应的地质几何模型；
[0009](3)通过盾构管片的空间位置和外径重构隧道几何模型，并与地质几何模型共同构建施工风险分析模型。
[0010]进一步地，通过盾构管片及隧道设计轴线获取相应盾构管片的宽度，并按照设计轴线进行管排片以生成参数化隧道的几何模型；接着，以参数化管片为载体并设定参数化属性的命名规范，设定管片的相应材料参数和施工参数以完成参数化隧道的参数化配置。
[0011]进一步地，盾构施工风险分析模型包括盾构施工风险分析二维模型及盾构施工风险分析三维模型，盾构施工风险分析二维模型是通过生成垂直于盾构施工方向的单个截平面，并通过布尔运算同时剖分参数化隧道模型和参数化地质模型得到的。
[0012]进一步地，盾构施工风险分析三维模型是由选择的隧道分析区间和由隧道分析区间生成的四个截平面剖分参数化地质模型得到的地质分析区间共同构成的。
[0013]进一步地，盾构施工风险分析二维模型的构建具体包括以下步骤：
[0014](a)生成垂直于盾构施工方向的单个截平面，通过布尔运算剖分参数化隧道模型，通过OBB包围盒算法和剖分模型获取盾构管片的空间位置和外径；
[0015](b)通过单个截平面和布尔运算剖分参数化地质模型，并通过 Delaunay三角剖分算法和地质剖分模型生成相应的地质二维几何模型；
[0016](c)通过盾构管片的空间位置和外径重构二维隧道几何模型，并与地质几何模型共同构成盾构施工风险分析二维模型。
[0017]进一步地，盾构施工风险分析三维模型的构建具体包括以下步骤：
[0018](a)选取待分析的盾构区间以生成四个风险分析区间截平面；四个截平面确定盾构施工风险的边界条件，通过OBB包围盒算法获取区间内所有盾构管片的空间位置和外径；
[0019](b)通过四个截平面和布尔运算剖分参数化地质模型，通过Delaunay 三角剖分算法和地质剖分模型生成相应的地质三维几何模型；
[0020](c)通过所有的盾构管片的空间位置和外径重构三维隧道几何模型，并与地质几何模型共同构成盾构施工风险分析三维模型。
[0021]进一步地，盾构施工风险分析模型中每个工程对象的材料参数、施工参数和随机场参数是通过其通用唯一识别码在数据库检索得到的。
[0022]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种采用如上所述的盾构施工风险分析模型的自动构建方法构建的盾构施工风险分析模型在盾构施工风险分析中的应用；应用时，首先，通过所述地质几何模型获取模型所有网格点，结合原始参数化地质模型和Point in Polyhedron算法来获取所有网格点所属的土层，并按照地层进行分类和编号；接着，基于盾构施工风险分析几何模型及工程对象的特异性ID，获取管片材料参数和施工参数以及土层
的土体参数和随机场参数，通过盾构施工自动模拟算法和随机场算法为每次施工模拟生成土层随机场且赋值给对应的编号后的网格点，然后开展盾构施工风险分析以获取盾构施工风险分析的地表沉降、管片收缩和土体水平变形的分析结果，并通过概率评估算法、Monte
‑
Carlo理论和相应控制指标，实现自动盾构施工风险概率分析。
[0023]进一步地，二维土层随机场的计算公式为：
[0024][0025]三维土层随机场的的计算公式为：
[0026][0027]其中，τ
x
、τ
y
和τ
z
分别是空间两点的x，y和z方向上的绝对距离，δ
x
、δ
y
和δ
z...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构施工风险分析模型的自动构建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)通过钻孔数据获取每层土上下限坐标并生成相应的土层，同时为每层土配置相应的土体参数和随机场参数，以生成参数化地质模型；(2)通过参数化隧道模型和参数化地质模型，结合基于界面剖分的几何操作算法生成隧道剖分模型和地质剖分模型，通过OBB包围盒算法和隧道剖分模型获取所有盾构管片的空间位置和外径，通过Delaunay三角剖分算法和地质剖分模型生成相应的地质几何模型；(3)通过盾构管片的空间位置和外径重构隧道几何模型，并与地质几何模型共同构建施工风险分析模型。2.如权利要求1所述的盾构施工风险分析模型的自动构建方法，其特征在于：通过盾构管片及隧道设计轴线获取相应盾构管片的宽度，并按照设计轴线进行管排片以生成参数化隧道的几何模型；接着，以参数化管片为载体并设定参数化属性的命名规范，设定管片的相应材料参数和施工参数以完成参数化隧道的参数化配置。3.如权利要求1所述的盾构施工风险分析模型的自动构建方法，其特征在于：盾构施工风险分析模型包括盾构施工风险分析二维模型及盾构施工风险分析三维模型，盾构施工风险分析二维模型是通过生成垂直于盾构施工方向的单个截平面，并通过布尔运算同时剖分参数化隧道模型和参数化地质模型得到的。4.如权利要求3所述的盾构施工风险分析模型的自动构建方法，其特征在于：盾构施工风险分析三维模型是由选择的隧道分析区间和由隧道分析区间生成的四个截平面剖分参数化地质模型得到的地质分析区间共同构成的。5.如权利要求4所述的盾构施工风险分析模型的自动构建方法，其特征在于：盾构施工风险分析二维模型的构建具体包括以下步骤：(a)生成垂直于盾构施工方向的单个截平面，通过布尔运算剖分参数化隧道模型，通过OBB包围盒算法和剖分模型获取盾构管片的空间位置和外径；(b)通过单个截平面和布尔运算剖分参数化地质模型，并通过Delaunay三角剖分算法和地质剖分模型生成相应的地质二维几何模型；(c)通过盾构管片的空间位置和外径重构二维隧道几何模型，并与地质几何模型共同构成盾构施工风险分析二维模型。6.如权利要求4所述的盾构施工风险分析模型的自动构建方法，其特征在于：盾构施工风险分析三维模型的构建具体包括以下步骤：(a)选取待分析的盾构区间以生成四个风险分析区间截平面；四个截平面确定盾构施工风险的边界条件，通过OBB包围盒算法获取区间内所有盾构管片的空间位置和外径；(b)通过四个截平面和布尔运算剖...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢平，陈珂，方伟立，骆汉宾，刘天瑞，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：