【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于数字孪生隧道系统，特别涉及一种面向施工安全评估的数字孪生隧道环境构建方法。
技术介绍
0、技术背景
1、近年来，中国大规模基础设施建设中，隧道工程的规模与线路总里程占比越来越大，并向超长、超大断面方向发展。超长超大断面隧道穿越岩溶强烈发育地段、地质活动断裂带、城市既有建构筑物等复杂环境，导致隧道施工质量与安全控制难度越来越大、建设成本越来越高，对隧道施工质量的检测与控制提出了更高的要求。
2、隧道开挖与开挖过程围岩安全评估涉及围岩地质信息、超欠挖检测、施工安全标准等多方面的内容，这些信息是保障隧道施工安全、开展施工动态涉及和提升施工管控水平的重要支撑。然而，当前隧道施工安全检测存在效率低、信息少、准确性差等问题，同时由于隧道开挖过程涉及多专业、多系统、多工序的分散数据，导致信息关联性差，难以提供全要素、全方位、及时全面的施工安全评估及防控指导。
3、数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。隧道数字孪生技术将物理世界的隧道映射到虚拟空间中，利用虚拟技术对隧道进行仿真，可以实现对隧道内各种因素的实时监测和分析。然而，现有数字孪生隧道系统建设仅停留在可视化建模与数据采集阶段，缺乏对实际工程应用的孪生分析，同时，由于隧道开挖方式(悬臂掘进、钻爆法、tbm法)不同，难以支撑随着施工过程不断变化的隧道安全质量评估。
4、因此，为解决隧道施工过程中隧道围岩
技术实现思路
1、本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足之处，提出一种面向施工安全评估的数字孪生隧道环境构建方法，其关键在于充分运用几何-功能-行为的数字孪生建模集成表达思想，构建隧道结构与地质环境耦合的数字孪生几何体，在此基础上，对隧道设计断面结构、支护结构、衬砌结构等隧道功能信息，以及围岩等级、围岩破碎程度等地质环境功能信息进行融合建模，同时对隧道施工过程开挖工序及施工面形成等行为进行结构化建模，进一步面向隧道施工安全目标，通过三维建模、仿真分析等技术手段，利用数字孪生隧道模型对隧道施工开挖过程超欠挖状态下围岩变形进行预测，实现数字孪生驱动的隧道围岩初期支护优化的施工安全评估。
2、本专利技术目的实现由以下技术方案完成：一种面向施工安全评估的数字孪生隧道环境构建方法，所述方法包括以下步骤：
3、步骤1，隧道环境数字孪生模型构建，输入预设隧道施工设计原图、安全设计标准等隧道设计数据，构建预设隧道数字孪生模型，构建隧道环境几何结构模型、隧道功能信息描述模型、隧道开挖过程行为模型；
4、步骤2，融合动态数据的隧道环境数字孪生模型更新，通过数据采集终端获取的掌子面及边墙至初支段的包括多期点云数据、以及围岩变更信息等动态数据，对隧道环境数字孪生模型进行更新；
5、步骤3，隧道超欠挖状态下围岩变形预测，将预设模型与实时模型的几何结构进行几何求交，并将安全设计标准中的净空标准值作为提取断面点的阈值，进一步根据点云距离计算得到超欠挖区域，在所述超欠挖区域内选用计算围岩参数对围岩变形进行预测；
6、步骤4，数字孪生驱动的隧道围岩监测点优化布置，通过步骤2、步骤3的数据实时采集的隧道环境数字孪生模型更新与围岩变形预测，对原始围岩初期支护施工工法进行优化，实现隧道施工安全的实时监测与长效反馈。
7、优选的，所述的隧道环境数字孪生模型构建按照以下步骤执行：
8、mdt＝{mgeo,mimf,mact}
9、步骤1.1，隧道环境几何结构建模mgeo，输入隧道施工设计图、地质勘查资料，采用正向建模方法获得设计阶段隧道构件的三维几何体，采用多源数据融合技术构建隧道地质环境三维模型，通过三维地质体模型剖切方法和空间坐标一致性映射，获得隧道几何体与地质体融合建模的隧道环境几何结构模型；
10、步骤1.2，隧道环境功能信息描述建模mimf，对现有隧道构件的ifc标准进行扩展，主要创建继承ifctunnelelement实体类的支护结构实体(ifctunnelsupport)，新增与隧道实体关联的围岩实体，同时赋予包括支护参数、围岩等级、安全设计标准的实体属性；
11、步骤1.3，隧道开挖过程行为模型构建mact，面向隧道开挖过程产生的，包括开挖-[释放]->围岩应力-[形成]->断面等过程，对几何结构模型和信息描述模型随时间的变化、行为执行的交互变化和瞬间的状态进行结构化建模。
12、优选的，所述的融合动态数据的隧道环境数字孪生模型更新包括以下步骤：
13、步骤2.1，隧道环境几何结构更新，利用三维激光扫描仪对隧道施工现场的掌子面及边墙至初支段进行控制点布测，通过点云去噪、点云投影等技术，实现基于点云的隧道开挖断面轮廓提取，进而对隧道环境几何结构进行更新；
14、步骤2.2，隧道功能信息融合，输入现场采集的包括支护材料、布设间距和围岩变更等级的数据，对隧道功能信息进行融合更新；
15、步骤2.3，隧道开挖过程行为模型一致性映射，根据隧道开挖过程所关联的几何结构模型和功能信息模型，对开挖过程行为模型的各个行为节点进行一致性映射。
16、优选的，所述的隧道超欠挖状态下围岩变形预测执行以下步骤：
17、步骤3.1，隧道超欠挖计算，对隧道超欠挖计算进行行为建模，根据点云包含的位置信息和超欠挖值，划分超挖、欠挖及安全开挖区域，能够得到表征隧道超欠挖结果的三维模型；
18、步骤3.2，隧道超欠挖区域围岩变形预测，对隧道超欠挖区域围岩变形预测进行行为建模，根据围岩变形量划分围岩稳定等级，能够得到表征隧道环境安全性的数字孪生模型。
19、优选的，所述数字孪生驱动的隧道围岩初期支护优化是在隧道超欠挖计算与围岩变形预测的数字孪生过程中增加支护结构模型、支护信息模型及支护行为模型，经过迭代模拟，获得围岩初期支护优化方案。
20、本专利技术的有益效果在于：充分运用几何-功能-行为的数字孪生建模集成表达思想，构建隧道结构与地质环境耦合的数字孪生几何体，在此基础上，对隧道设计断面结构、支护结构、衬砌结构等隧道功能信息，以及围岩等级、围岩破碎程度等地质环境功能信息进行融合建模，同时对隧道施工过程开挖工序及施工面形成等行为进行结构化建模，进一步面向隧道施工安全目标，通过三维建模、仿真分析等技术手段，利用数字孪生隧道模型对隧道施工开挖过程超欠挖状态下围岩变形进行预测，实现数字孪生驱动的隧道围岩初期支护优化的施工安全评估。
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1.一种面向施工安全评估的数字孪生隧道环境构建方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种面向施工安全评估的数字孪生隧道环境构建方法，其特征在于：所述的隧道环境数字孪生模型构建按照以下步骤执行：
3.根据权利要求1所述的一种面向施工安全评估的数字孪生隧道环境构建方法，其特征在于：所述的融合动态数据的隧道环境数字孪生模型更新包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种面向施工安全评估的数字孪生隧道环境构建方法，其特征在于：所述的隧道超欠挖状态下围岩变形预测执行以下步骤：
5.根据权利要求1所述的一种面向施工安全评估的数字孪生隧道环境构建方法，其特征在于：所述数字孪生驱动的隧道围岩初期支护优化是在隧道超欠挖计算与围岩变形预测的数字孪生过程中增加支护结构模型、支护信息模型及支护行为模型，经过迭代模拟，获得围岩初期支护优化方案。
【技术特征摘要】
1.一种面向施工安全评估的数字孪生隧道环境构建方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种面向施工安全评估的数字孪生隧道环境构建方法，其特征在于：所述的隧道环境数字孪生模型构建按照以下步骤执行：
3.根据权利要求1所述的一种面向施工安全评估的数字孪生隧道环境构建方法，其特征在于：所述的融合动态数据的隧道环境数字孪生模型更新包括以下步骤：
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨进京，罗胜利，李贵民，郭永发，丁文云，刘勇，裴起帆，谢毅，邹毅，冯智卫，杨昌宇，殷洪波，张可军，罗竹，郑刚强，肖勇刚，刘璐，伍容兵，姚彪，
申请(专利权)人：中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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