一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化方法及系统，属于上穿地铁明挖联络通道施工安全控制领域。该方法包括：构建上穿既有运营地铁明挖联络通道施工的数字孪生体，使现实世界中的施工对象和数字空间中的数字孪生体实现双向映射、数据连接和状态交互；实时获取监测数据传输，实现数字孪生体数据的实时更新；对地铁隧道和地连墙的监测数据进行安全预警；根据安全预警情况对当前施工流程进行相应的参数优化，输出最佳施工参数；在现实施工对象上执行最佳施工参数并返回步骤S2，形成基于数字孪生的施工参数优化闭环，从而通过数字孪生模型与实际施工场景的交互进行施工参数优化调整，保证作业的安全性。保证作业的安全性。保证作业的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化方法及系统


[0001]本专利技术属于上穿地铁明挖联络通道施工安全控制领域，涉及一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化方法及系统，更具体地，涉及一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化方法。

技术介绍

[0002]随着我国城市化进程的不断发展，全国范围内城市不断对地下空间进行开发，以提高土地建设利用率。其中，城市轨道交通网络建设稳步推进，但随之出现大量工程临近、穿越既有运营地铁，不仅为施工带来极大难度，而且极易对地铁隧道造成一定的影响，严重时可能造成隧道结构的变形过大影响运营安全。为了保护既有运营地铁结构的稳定性，确保运行安全，需要通过相应的技术手段对施工进行安全控制。
[0003]在上穿既有运营地铁明挖联络通道工程中，联络通道指的是地铁隧道两侧地下室之间上穿地铁的联络通道。由于联络通道距离地铁隧道更近，施工时地铁结构受到的影响更大；容易因为施工场地上方堆放材料、停放大型机械设备造成荷载过大，导致地铁隧道结构出现下沉；同样，可能因为单次土方开挖量过大或没有进行土方堆载量调整，导致单次卸载量过大造成地铁结构上浮。在施工过程中，施工参数的调整往往根据施工人员的工作经验进行调整，无法保证作业的安全性。
[0004]为此，本专利技术提出一种基于数字孪生的上穿既有运营地铁明挖联络通道施工参数优化方法，可以为施工参数优化提供科学依据。

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上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化方法及系统，其目的在于，通过数字孪生模型与实际施工场景的交互进行施工参数优化调整，保证作业的安全性。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化方法，包括如下步骤：
[0007]S1、构建上穿既有运营地铁明挖联络通道施工的数字孪生体，即利用BIM模块在数字空间构建物理对象的数字化表示，使现实世界中的施工对象和数字空间中的数字孪生体实现双向映射、数据连接和状态交互，实现施工区域包括隧道在内的数据可视化；
[0008]S2、基于地铁隧道和地连墙上的监测点实时获取监测数据，将监测数据实时传输至BIM模块中，实现数字孪生体数据的实时更新；
[0009]S3、对地铁隧道和地连墙的监测数据进行异常检测、评估和安全分级，实现安全预警，并展示异常检测、评估和安全分级结果；
[0010]S4、根据安全预警情况对当前施工流程进行相应的参数优化，具体地，通过输入施工计划和施工参数，利用强化学习方法，在数字孪生体中进行仿真模拟，经过多轮强化学习和仿真模拟对施工参数进行调整优化，输出最佳施工参数；
[0011]S5、在现实施工对象上执行最佳施工参数，并返回步骤S2，形成基于数字孪生的施工参数优化闭环。
[0012]进一步地，步骤S4中所述的强化学习方法中，强化学习环境设置为数字孪生平台中的BIM模型，强化学习状态设置为施工参数输入，强化学习动作设置为根据强化学习所得策略进行施工参数更改后的仿真模拟；根据模拟结果进行反馈奖励，如果仿真模拟结果隧道和地连墙结构无较大变形，输出为正反馈，如果变形较大，则输出为负反馈。
[0013]进一步地，步骤S4中，所述的对施工参数进行调整优化包括如下调整中的至少一项：MJS工法和双轴搅拌桩中钻头钻速的调整，土方分区尺寸的调整，单次挖方量的调整，钢结构平台上方堆载量的调整，以及水里破除地连墙水泵压力、流量和冲程的调整。
[0014]进一步地，所述施工参数的优化过程按照施工流程进行参数调整，不同阶段的参数调整方法如下：
[0015]在MJS工法加固围护结构阶段和MJS工法+双轴搅拌桩加固地基阶段：
[0016]根据施工方案对地下联络通道底部和部分土方分区进行土体加固；对隧道损伤和地连墙影响进行监测，通过安全预警结果获得可视化信息；根据钻头钻速进行施工过程的仿真模拟和强化学习，如果施工参数模拟结果对隧道和地连墙造成的损伤过大，则对本体进行负反馈，本体做出降低MJS工法和双轴搅拌桩中钻头钻速的策略并进行下一轮强化学习，直至确定不影响地铁隧道结构的最大转速，最终实现对MJS工法和双轴搅拌桩中钻头钻速的调整；
[0017]在土方开挖阶段：
[0018]根据施工方案将土方开挖区进行分区，划分为尺寸大小不同的土方分区，并制定满足施工要求的施工顺序；根据施工阶段对隧道损伤和地连墙影响进行监测，通过安全预警结果获得可视化信息；根据不影响结构原则和工效最大原则，进行强化学习和仿真模拟，如果本体收到负反馈，则本体做出策略减小土方分区尺寸和减少单次挖方量并进行下一轮强化学习，直至确定在不影响隧道和地连墙结构的情况下的最大挖方量，最终实现对土方分区尺寸、单次挖方量的调整；
[0019]在吊装预制垫层、搭建钢结构平台阶段并动态调整堆载量阶段以及底板钢筋绑扎、浇筑阶段和测墙、顶板施工阶段：
[0020]根据施工阶段对隧道损伤和地连墙进行监测，通过安全预警结果获得可视化信息；通过强化学习，根据施工参数不断调整仿真模拟结果，不断调整钢结构平台上堆载量的大小，地铁隧道的上浮和下沉都输出为负反馈，经过多轮强化学习，确定最佳堆载量；
[0021]在水力破除地连墙阶段：
[0022]根据施工阶段对隧道损伤和地连墙进行监测，通过安全预警结果获得可视化信息；根据压力、流量、冲程在仿真模型中进行仿真模拟和强化学习，在保证泵机压力、流量、冲程足以实现破除地连墙的条件下，确定泵机压力、流量、冲程的最小值，实现调整水力破除压力、流量、冲程，防止压力、流量、冲程过大导致地连墙沉降量或水平偏移。
[0023]按照本专利技术的另一方面，提供了一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化系统，包括BIM模块、监测数据输入模块、安全预警模块和施工参数优化模块；
[0024]所述BIM模块包括根据上穿既有运营地铁明挖联络通道施工场景建筑构建的BIM参数化模型、施工流程模型及施工参数数据库；
[0025]所述BIM参数化模型，是根据目标建筑物主体构件数据、施工地铁数据建立的参数化模型，其中，参数包括地下联络通道结构尺寸、土方分区尺寸、地连墙结构尺寸、周围建筑群尺寸参数和隧道尺寸参数；所述监测数据库包括隧道和地连墙监测数据；所述施工流程模型是利用BIM参数化模型对所有施工流程的施工方案进行进度模拟；所述施工参数数据库包括施工方案数据和每日施工进展数据；
[0026]所述监测数据输入模块，用于监测数据的收集及传输，包括隧道监测点和地连墙监测点的布置，具体地，分别在隧道顶部、隧道左壁腰部、隧道右壁腰部、道床左侧和道床右侧布置监测点，在地连墙顶部布置沉降量监测点，在地连墙底层布置倾斜量监测点；并利用物联传感设备实时传输监测数据至BIM模块中，实现数字孪生平台数据的实时更新；
[0027]所述监测数据包括：隧道沉降、隧道径向收敛、隧道水平位移、地连墙沉降量及倾斜偏移量；
[0028]所述施工参数包括：MJS工法和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构建上穿既有运营地铁明挖联络通道施工的数字孪生体，即利用BIM模块在数字空间构建物理对象的数字化表示，使现实世界中的施工对象和数字空间中的数字孪生体实现双向映射、数据连接和状态交互，实现施工区域包括隧道在内的数据可视化；S2、基于地铁隧道和地连墙上的监测点实时获取监测数据，将监测数据实时传输至BIM模块中，实现数字孪生体数据的实时更新；S3、对地铁隧道和地连墙的监测数据进行异常检测、评估和安全分级，实现安全预警，并展示异常检测、评估和安全分级结果；S4、根据安全预警情况对当前施工流程进行相应的参数优化，具体地，通过输入施工计划和施工参数，利用强化学习方法，在数字孪生体中进行仿真模拟，经过多轮强化学习和仿真模拟对施工参数进行调整优化，输出最佳施工参数；S5、在现实施工对象上执行最佳施工参数，并返回步骤S2，形成基于数字孪生的施工参数优化闭环。2.如权利要求1所述的一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化方法，其特征在于，步骤S4中所述的强化学习方法中，强化学习环境设置为数字孪生平台中的BIM模型，强化学习状态设置为施工参数输入，强化学习动作设置为根据强化学习所得策略进行施工参数更改后的仿真模拟；根据模拟结果进行反馈奖励，如果仿真模拟结果隧道和地连墙结构无较大变形，输出为正反馈，如果变形较大，则输出为负反馈。3.如权利要求1所述的一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化方法，其特征在于，步骤S4中，所述的对施工参数进行调整优化包括如下调整中的至少一项：MJS工法和双轴搅拌桩中钻头钻速的调整，土方分区尺寸的调整，单次挖方量的调整，钢结构平台上方堆载量的调整，以及水里破除地连墙水泵压力、流量和冲程的调整。4.如权利要求3所述的一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化方法，其特征在于，所述施工参数的优化过程按照施工流程进行参数调整，不同阶段的参数调整方法如下：在MJS工法加固围护结构阶段和MJS工法+双轴搅拌桩加固地基阶段：根据施工方案对地下联络通道底部和部分土方分区进行土体加固；对隧道损伤和地连墙影响进行监测，通过安全预警结果获得可视化信息；根据钻头钻速进行施工过程的仿真模拟和强化学习，如果施工参数模拟结果对隧道和地连墙造成的损伤过大，则对本体进行负反馈，本体做出降低MJS工法和双轴搅拌桩中钻头钻速的策略并进行下一轮强化学习，直至确定不影响地铁隧道结构的最大转速，最终实现对MJS工法和双轴搅拌桩中钻头钻速的调整；在土方开挖阶段：根据施工方案将土方开挖区进行分区，划分为尺寸大小不同的土方分区，并制定满足施工要求的施工顺序；根据施工阶段对隧道损伤和地连墙影响进行监测，通过安全预警结果获得可视化信息；根据不影响结构原则和工效最大原则，进行强化学习和仿真模拟，如果本体收到负反馈，则本体做出策略减小土方分区尺寸和减少单次挖方量并进行下一轮强化学习，直至确定在不影响隧道和地连墙结构的情况下的最大挖方量，最终实现对土方分区尺寸、单次挖方量的调整；在吊装预制垫层、搭建钢结构平台阶段并动态调整堆载量阶段以及底板钢筋绑扎、浇
筑阶段和测墙、顶板施工阶段：根据施工阶段对隧道损伤和地连墙进行监测，通过安全预警结果获得可视化信息；通过强化学习，根据施工参数不断调整仿真模拟结果，不断调整钢结构平台上堆载量的大小，地铁隧道的上浮和下沉都输出为负反馈，经过多轮强化学习，确定最佳堆载量；在水力破除地连墙阶段：根据施工阶段对隧道损伤和地连墙进行监测，通过安全预警结果获得可视化信息；根据压力、流量、冲程在仿真模型中进行仿真模拟和强化学习，在保证泵机压力、流量、冲程足以实现破除地连墙的条件下，确定泵机压力、流量、冲程的最小值，实现调整水力破除压力、流量、冲程，防止压力、流量、冲程过大导致地连墙沉降量或水平偏移。5.一种上穿既有地铁的明挖施工数字孪生优化系统，其特征在于，包括BIM模块、监测数据输入模块、安全预警模块和施工参数优化模块；所述BIM模块包括根据上穿既有运营地铁明挖联络通道施工场景建筑构建的BIM参数化模型、施工流程模型及施工参数数据库；所述BIM参数化模型，是根据目标建筑物主体构件数据、施工地铁数据建立的参数化模型，其中，参数包括地下联络通道结构尺寸、土方分区尺寸、地连墙结构尺寸、周围建筑群尺寸参数和隧道尺寸参数；所述监测数据库包括隧道和地连墙监测数据；所述施工流程模型是利用BIM参数化模型对所有施工流程的施工方案进行进度模拟；所述施工参数数据库包括施工方案数据和每日施工进展数据；...

【专利技术属性】
技术研发人员：周诚，李浩然，游正军，范斌，彭瑜，覃文波，高玉月，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：