基于数字孪生的复杂环境顶管施工智能监控系统及方法与流程

本发明属于建筑施工，尤其涉及一种基于数字孪生的复杂环境顶管施工智能监控系统及方法。

背景技术：

1、随着城市化进程加快，地下空间开发已成为缓解土地资源紧张和改善城市交通状况的关键途径。作为一种高效环保的非开挖施工技术，顶管技术凭借其对地面交通影响小、环境干扰低等优势，在城市地下工程建设中发挥着日益重要的作用。该技术通过顶进设备将预制管节精准顶入地下，并利用土仓内压力平衡系统有效控制地下水和土压力，从而显著降低施工对周边环境的影响。

2、当城市顶管工程面临深覆土、大断面、长距离、近接建构筑物、富水砂层、等极端复杂工况，施工环境恶劣、荷载耦合剧烈、风险高度集中。顶管机作为核心施工装备，其胸板、加筋板、主承力框架等关键承载部位属于结构薄弱环节，在长期交变顶进力、不均匀土压力、高地下水渗流冲刷、温度应力与地层扰动耦合作用下，极易出现应力集中、局部塑性变形、疲劳开裂、密封失效、结构失稳等隐性损伤。此类结构损伤初期隐蔽性强，常规人工巡检与常规监测无法提前识别；随施工持续推进，损伤逐步扩展，将直接引发开挖舱漏水涌砂、管节开裂渗漏、地面塌陷、周边建筑物倾斜开裂、地下管线破损等重大安全事故，造成工期延误、经济损失、环境破坏与不良社会影响。

3、现有技术中，顶管施工的实时监测主要依赖于各类分布式传感器网络，这些传感器可采集包括总顶进力、刀盘扭矩等在内的多项关键参数。然而，大断面矩形顶管在富水砂层地质条件下，顶管机薄弱承载结构更易发生疲劳损伤与变形超限，进而引发漏水、漏砂、地面沉降超标等连锁事故。现有监测体系未覆盖顶管机关键承载结构健康状态，缺乏数字孪生驱动的虚实同步、多物理场仿真与量化智能决策，难以满足复杂环境下顶管施工安全、高效、智能管控需求。因此，亟需研发一套能够实现结构健康实时监测、数字孪生精准映射、智能分析预警、闭环自动控制的顶管施工智能监控系统及方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于数字孪生的复杂环境顶管施工智能监控系统及方法，能够自动识别应力集中、变形超限、姿态偏移等各类安全隐患，以智能化分析替代人工研判，大幅提升风险响应速度与判定精度，有效强化了复杂环境下顶管施工的风险前置防控能力。

2、本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。

3、一种基于数字孪生的复杂环境顶管施工智能监控系统，包括感知层、传输层、数字孪生核心层、智能决策层、控制执行层；感知层用于实时采集顶管施工过程中的全域多源数据，传输层用于保障数据稳定传输，数字孪生核心层用于构建物理施工场景的虚拟镜像并实现虚实实时同步，智能决策层用于完成数据筛校、姿态受力联动分析及风险预测分级；控制执行层用于实现施工参数动态调控。

4、进一步地，所述感知层包括：用于实现顶管机结构健康监测的胸板应力计、加筋板应力计、胸板温度采集设备；用于实现顶管机顶进参数与开挖面状态监测的顶进力传感器、开挖舱土压力传感器、顶进速度传感器、里程计、土仓液位传感器、螺旋输送机扭矩传感器、注浆压力传感器；用于实现管节受力与围岩接触压力监测的管节轴向应力传感器、管周土压力传感器、泥浆压力传感器、管节接头应变传感器；用于实现顶管机及管节姿态数据测量的双轴倾角传感器、三维姿态传感器、激光靶定位装置、智能全站仪、目标棱镜；用于实现环境监测的地表沉降监测点、建筑物沉降监测点、建筑物倾斜监测装置、地下水位计、管线沉降测点、裂缝观测仪。

5、进一步地，所述数字孪生核心层包括数字孪生建模模块、虚实同步模块、模拟分析模块、结构健康可视化模块；数字孪生建模模块基于bim模型轻量化技术、地层详勘资料及施工设计数据，构建包含顶管机、管节、地层环境的几何模型、物理模型及力学行为模型；虚实同步模块接收智能决策层预处理后的感知层采集数据，计算时空配准误差，，当≤10mm时，完成虚拟模型毫秒级状态更新，实现物理施工现场与虚拟模型完全映射，其中，、、分别为x、y、z方向空间坐标偏差，为物理实体与虚拟模型之间的时间偏差，为时空转换系数；模拟分析模块基于虚拟模型进行施工过程推演、参数敏感性分析及风险预测模拟；结构健康可视化模块将胸板及加筋板应力、变形、温度数据接入平台，实现远程在线查看、历史数据回放与三维可视化展示。

6、进一步地，所述智能决策层包括数据筛校模块、姿态受力联动分析模块、速率比对模块、结构健康评估模块、风险分级预测模块；数据筛校模块用于对感知层传递的数据进行同步性判定、完整性判定、异常点剔除、时序重构，保障施工数据与结构监测数据质量；具体地，同步性判定是通过计算传感器响应偏移量，剔除＞5ms的数据；完整性判定是通过计算时间配对序列有效性，将＜95%的时序段标记为数据缺失段并进行插值补全；表示单段监测周期内经同步校验后满足≤5ms同步标准的合格数据条数，表示单段监测周期内传感器采集到的原始数据总条数。

7、进一步地，所述姿态受力联动分析模块用于对比姿态角变化与推进力、土体压力的同步性，利用同步性系数判定姿态偏移类型，并输出姿态偏移判定标识，其中，0.3≤≤3时判定为同步变化，＜0.3或＞3时判定为独立姿态偏移；表示姿态角变化速率，表示顶进力变化量，表示时间间隔；

8、速率比对模块针对已标记的姿态偏移时段，对比顶进力变化速率与姿态变化速率的方向、持续性，当两者速率持续失衡、变化方向相反，输出轨迹偏移响应信号，标记失衡区间起止时间、失衡等级，上传至风险分级模块。

9、进一步地，所述结构健康评估模块实时分析胸板及加筋板应力、变形、温度监测数据，计算结构健康指数，并按等级划分：≥80为优，60≤＜80为良，＜60为差，以此实现结构安全状态量化评估；为当前监测的胸板/加筋板实际应力值，为胸板/加筋板的容许应力值，为胸板实时监测变形值，为胸板设计允许最大变形值，为胸板实时监测温度值，为胸板允许工作温度范围限值。

10、进一步地，所述风险分级预测模块基于姿态受力联动分析模块输出的姿态偏移特征、速率比对模块输出的速率失衡情况、结构健康评估模块输出的结构健康指数、数字孪生核心层中模拟分析模块的模拟结果，结合预设标准输出黄色、橙色、红色三级风险等级序列及预测预警信息：

11、（绿色，安全）：≥80，姿态正常、速率均衡→常规监测，无预警；

12、：（黄色，关注）：60≤＜80，轻微姿态偏移、速率小幅失衡且持续时长＜30s→平台弹窗 +黄色灯光预警；

13、：（橙色，警示）：60≤＜80，明显姿态偏移、速率持续失衡且持续时长≥30s→声光联动橙色预警，推送处置提示；

14、：（红色，危险）：＜60，结构应力/变形超限、严重偏移、仿真预判涌砂 /塌陷→最高级红色声光报；

15、并形成推进风险等级序列，实现风险动态分级、实时预警；、、分别表示第1次、第2次、第次风险判定对应的采集时刻，表示时刻判定出的风险等级。

16、进一步地，所述执行层包括控制器、主千斤顶调节单元、注浆调节单元、纠偏调节单元、结构安全防护单元；控制器与智能决策层通信连接，接收决策指令并控制主千斤顶调节单元、注浆调节单元、纠偏调节单元工作，进而控制主千斤顶顶力、注浆调节阀开度及纠偏千斤顶动作，实现施工参数动态调整；当胸板、加筋板应力或变形超限触发最高等级风险时，结构安全防护单元紧急介入，联动调整顶进参数。

17、一种利用上述基于数字孪生的复杂环境顶管施工智能监控系统的复杂环境顶管施工智能监控方法，包括如下过程：

18、步骤1：前期建模与系统布设；通过数字孪生核心层的数字孪生建模模块完成顶管施工的全要素数字孪生模型搭建，包含几何模型、物理模型、力学行为模型，并进行模型校验，完成模型坐标与现场实测坐标对齐，保证虚拟场景与物理现场空间基准统一；然后在预设点位完成感知层所有传感器以及传输层设备的安装、接线与调试；

19、步骤2：全域多源数据实时采集；启动顶管施工，感知层进行连续数据采集，采集的所有原始数据实时接入传输层；

20、步骤3：数据传输、筛校与时序重构；传输层通将多源数据稳定传输至数字孪生核心层与智能决策层；智能决策层的数据筛校模块执行数据预处理：首先计算传感器响应偏移量，判定数据同步性，剔除＞5ms的数据；再计算时间配对序列有效性，判定数据完整性，将＜95%的时序段标记为数据缺失段；然后完成异常点删除、缺失值插值补全，按时间戳重新升序排列，最终生成标准化时序校正集，为后续分析提供有效数据；

21、步骤4：数字孪生虚实同步与仿真推演；数字孪生核心层的虚实同步模块接收校正后的数据，计算时空配准误差，当≤10mm时，完成虚拟模型毫秒级状态更新，实现物理施工现场与虚拟模型完全映射；数字孪生核心层的结构健康可视化模块同步展示胸板及加筋板应力云图、变形云图、温度分布，同时进行顶管机、管节实时姿态、轴线偏差三维展示；数字孪生核心层的模拟分析模块结合实时数据开展施工参数敏感性分析、多物理场仿真推演，预判未来短时间内地层沉降、地下水渗流变化，预判顶管机胸板、加筋板应力演化趋势，分析施工参数敏感性，为智能决策提供仿真依据；

22、步骤5：多维度智能分析与结构健康评估；

23、智能决策层的姿态受力联动分析模块对比姿态角变化与顶进力、土体压力的同步性，利用同步性系数判定姿态偏移类型，区分正常同步偏移与独立异常偏移，并输出姿态偏移判定标识；智能决策层的速率比对模块针对已标记的姿态偏移时段，对比顶进力变化速率与姿态变化速率的方向、持续性，若两者速率持续失衡、变化方向相反，输出轨迹偏移响应信号，标记失衡区间起止时间、失衡等级，上传至风险分级模块；智能决策层的结构健康评估模块计算结构健康指数，并按等级划分，以此实现结构安全状态量化评估；

24、步骤6：风险分级、预警与指令下发；风险分级预测模块整合姿态偏移判定结果、速率失衡特征、结构健康等级、数字孪生仿真预判结果，对照预设风险等级划分生成动态风险等级序列；根据不同风险等级触发对应声光预警、平台弹窗预警，并将控制指令下发至控制执行层的控制器；

25、步骤7：参数动态调控与闭环控制；控制器接收风险指令，驱动主千斤顶调节单元、注浆调节单元、纠偏调节单元、结构安全防护单元执行闭环调控。

26、进一步地，所述步骤7中的闭环调控具体方案如下：

27、当风险等级为（安全状态）：系统维持原有常规监测与施工参数，正常施工，并循环执行步骤2至步骤7的流程，实现施工全过程连续智能监控；

28、当风险等级为（轻微姿态偏移 / 结构轻微劣化）：启动纠偏调节单元微调纠偏千斤顶，小幅修正顶管机姿态偏差；启动注浆调节单元，同步微调注浆压力，稳定管周泥浆套，减小地层扰动；无需降速、降顶力，现场人员常规巡查即可；

29、当风险等级为（明显偏移 / 结构状态变差）：启动主千斤顶调节单元，同步下调主千斤顶顶进力，降低顶进速度，低速平稳顶进；启动纠偏调节单元，连续动态纠偏，逐步修正轴线偏差；启动注浆调节单元，根据管周压力实时动态调压；加大监测采样频率，持续追踪结构应力与姿态变化；

30、当风险等级为（结构超限/涌水涌砂/严重偏移）：结构安全防护单元优先启动，紧急介入，大幅降低顶进力，随后暂停顶进作业；全系统高频监测，重点监控胸板、加筋板应力与土仓液位；注浆调节单元紧急增压，加固管周地层，封堵渗水通道；现场人员立即开展隐患排查；隐患彻底消除、结构健康指数回归安全等级后，方可逐级恢复顶进。

31、本发明具有如下有益效果：

32、监测维度更全面，在传统顶管施工参数、管节受力、姿态、周边环境监测基础上，新增顶管机胸板、加筋板专项结构健康监测，实现从“施工状态监控”到“设备结构安全监控”的全覆盖，弥补了复杂地层顶管机关键承载结构无实时监测的技术空白。系统依托数据同步判定、数据完整性判定两类算法公式完成原始数据预处理，有效保障了多源监测数据的有效性与可靠性。同时，本发明方案搭建涵盖顶管机、管节、地层、胸板、加筋板的全要素数字孪生模型，并采用时空配准误差公式开展虚实同步校验，实现物理施工现场与虚拟模型的毫秒级动态映射；平台可直观展示胸板应力、变形及温度云图，相较于传统二维数据监测方式，可视化效果更强、信息维度更丰富，便于管理人员全局把控施工动态与设备结构安全。此外，系统集成数据筛校、姿态受力联动分析、速率比对、结构健康评估、风险分级预测五层智能分析逻辑，能够自动识别应力集中、变形超限、姿态偏移等各类安全隐患，以智能化分析替代人工研判，大幅提升风险响应速度与判定精度，有效强化了复杂环境下顶管施工的风险前置防控能力。