一种三维地质解析方法和装置与流程

1.本发明属于地下空间盾构隧道的设计施工领域，更具体地，涉及一种三维地质解析方法和装置。


背景技术：

2.地下空间的盾构隧道是长距离分布的，通常穿越超长软硬复合地层，包括：黏土、砂土、强风泥岩、砾层以及不良岩爆、节理密集带、蚀变岩破碎带等等，所以隧道在建设中容易产生诸多不利因素。例如：针对高强度(＞100mpa)岩石与淤泥组合地层，盾构机出现掘不进、易失稳、掘进参数控制难等问题；当遇到未预料的硬岩时，盾构机出现破岩困难、掘进效率低、主轴承寿命短、刀具磨损严重等系列问题；当穿梭于活动强烈的板块区域或有高地应力软岩大变形和硬岩强烈岩爆区域时，隧道软岩变形控制和硬岩岩爆防治需要格外加强。所以，盾构隧道在设计和施工时通常需要提前充分了解区域内复合地层的构造并及时采取应对措施。
3.地质勘察通常都是按照钻探、采样等确定性的方法来认识地质环境的，并将钻孔样本和勘测数据作为唯一的准确依据。但是由于钻孔密度有限再加上岩土体在建造过程中的变异性，地质工作者对地质的解析往往会不够准确，造成设计和施工上的重大失误甚至是安全事故。事实上，现阶段国内外许多学者已经采用dsi、随机模拟、地质统计等预测方法来进行地层边界与高程的计算，并提出了泛克里金(universal kriging)方法进行岩土物理性质指标的不确定性推断。尽管预测结果对地质评估的精度有提高的改善，但相关勘察员依然是将地质体的三维空间抽象投射成二维平面。参与盾构设计和施工的人员只能基于抽象化的二维平面图理解地质环境。
4.因此，有必要提升对地质解析的全面性和准确性，并解析出对盾构工程不良或不利的地质分布。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三维地质解析方法和装置，其目的在于，基于地勘钻孔数据对三维地质进行解析，从而进行盾构隧道设计和施工，由此解决现有盾构隧道设计和施工过程中地质解析数据单一及准确率低的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三维地质解析方法，用于盾构隧道设计和施工，包括：
7.s1：获取细分后的地勘钻孔数据对应的数据框d；d的第一列d[:,0]为地勘钻孔的序号；d的第二列d[:,1]、三列d[:,2]和四列d[:,3]为所述地勘钻孔的三维坐标数据；d的第五列d[:,4]为所述地勘钻孔的土层数据，用于分析土层的种类，为每种土层的岩土参数赋值得到d的第六列d[:,5]；
[0008]
s2：利用所述地勘钻孔的三维坐标数据{d[:,1]、d[:,2]、d[:,3]}进行钻孔点云建模得到钻孔点云模型p；基于所述钻孔点云模型p绘制地质和盾构断面模型m
dm
，对m
dm
进行网
格划分得到新的网格模型m
dm’；提取m
dm’中所有不重复的网格节点的坐标数据框v，v的第i行为第i个网格节点的顶点坐标(x
i y
i zi)，计算各个网格节点的坐标与所述钻孔点云模型p的最小距离；以最小距离为指标分析出各个网格节点所属的最大似然土层种类soiltype以生成土层种类信息数据框v'＝(v soiltype)；利用所述土层种类信息数据框v'计算所述地质和盾构断面模型m
dm
所包含的每种土层的平均厚度以获得断面土层分布；
[0009]
s3：将所述地勘钻孔的三维坐标数据{d[:,1]、d[:,2]、d[:,3]}和每种土层的岩土参数d[:,5]作为训练样本对插值算法模型进行训练得到目标模型；利用所述目标模型预测各个网格节点的土层参数分布。
[0010]
在其中一个实施例中，所述s1中分析所述地勘钻孔的土层数据d[:,4]得到土层的种类，包括：
[0011]
按照划分尺度对所述地勘钻孔的土层数据d[:,4]进行土层划分，获得土层种类；其中，所述划分尺度小于上土层和下土层之间界面的高程差；每种土层平均厚度为同一土层对应的三个以上厚度值的平均值。
[0012]
在其中一个实施例中，所述s2中的断面土层分布用于进行盾构隧道的管片设计。
[0013]
在其中一个实施例中，所述s2中的地质和盾构断面模型m
dm
包括实体对象solid与边界对象brep。
[0014]
在其中一个实施例中，所述s2中以最小距离为指标分析出各个网格节点所属的最大似然土层种类soiltype以生成土层种类信息数据框v'＝(v soiltype)，包括：
[0015]
以各个网格节点的最小距离为评价指标，利用knn算法分析出各个网格节点所属的最大似然土层种类soiltype，生成土层种类信息数据框v'。
[0016]
在其中一个实施例中，所述s3中的土层参数分布用于进行盾构施工中掌子面的岩土参数分布预测。
[0017]
在其中一个实施例中，所述s3中的插值算法模型为三维universal kriging插值算法模型。
[0018]
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
[0019]
s4：对所述断面土层分布和所述土层参数分布进行可视化处理。
[0020]
在其中一个实施例中，所述s4包括：依次进行顶点着色和模糊渲染对所述断面土层分布和所述岩土参数分布进行三维可视化处理。
[0021]
按照本发明的另一方面，提供了一种三维地质解析装置，应用于盾构隧道设计和施工，所述三维地质解析装置用于执行所述的三维地质解析方法。
[0022]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1、基于里程参数，能够利用程序命令流程自动解析出隧道围岩的地层分布；2、基于里程参数，能够利用程序命令流程自动解析出开挖掌子面的土性参数分布；3、利用图形渲染方法能将上述结果可视化展现，并给设计和施工人员带来更直观的数据展示效果
附图说明
[0023]
图1为本发明一实施例中三维地质解析方法的流程图；
[0024]
图2为本发明一实施例中地勘钻孔的水平分布图；
[0025]
图3为本发明一实施例中地勘钻孔点云模型的示意图；
[0026]
图4为本发明一实施例中经过网格划分后的盾构断面模型的示意图；
[0027]
图5为本发明一实施例中经过网格划分后的地质断面模型的示意图；
[0028]
图6为本发明一实施例中经过解析后的地质断面地层分布图；
[0029]
图7为本发明一实施例中经过解析后的盾构断面的岩土参数空间分布图；
[0030]
图8为本发明一实施例中经过解析后的盾构断面的岩土参数概率分布图。
具体实施方式
[0031]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0032]
本发明提供了一种三维地质解析方法，用于盾构隧道设计和施工，包括：
[0033]
s1：获取细分后的地勘钻孔数据对应的数据框d；d的第一列d[:,0]为地勘钻孔的序号；d的第二列d[:,1]、三列d[:,2]和四列d[:,3]为地勘钻孔的三维坐标数据；d的第五列d[:,4]为地勘钻孔的土层数据，用于分析土层的种类，为每种土层的岩土参数赋值得到d的第六列d[:,5]；
[0034]
s2：利用地勘钻孔的三维坐标数据{d[:,1]、d[:,2]、d[:,3]}进行钻孔点云建模得到钻孔点云模型p；基于钻孔点云模型p绘制地质和盾构断面模型m
dm
，对m
dm
进行网格划分得到新的网格模型m
dm’；提取m
dm’中所有不重复的网格节点的坐标数据框v，v的第i行为第i个网格节点的顶点坐标(x
i y
i zi)，计算各个网格节点的坐标与钻孔点云模型p的最小距离；以最小距离为指标分析出各个网格节点所属的最大似然土层种类soiltype以生成土层种类信息数据框v'＝(v soiltype)；利用土层种类信息数据框v'计算地质和盾构断面模型m
dm
所包含的每种土层的平均厚度以获得断面土层分布；
[0035]
s3：将地勘钻孔的三维坐标数据{d[:,1]、d[:,2]、d[:,3]}和每种土层的岩土参数d[:,5]作为训练样本对插值算法模型进行训练得到目标模型；利用目标模型预测各个网格节点的土层参数分布。
[0036]
如图1所示，本发明三维地质解析方法具体如下：
[0037]
1)根据高程等距离细分地勘钻孔数据并经过信息整理形成数据框d；
[0038]
2)提取细分后的地勘钻孔三维坐标点(d[:,1]、d[:,2]、d[:,3])导入到三维建模软件中进行钻孔点云建模p；
[0039]
3)提取细分后的地勘钻孔土层数据d[:,4]，分析出总共出现的土层种数，并对每种土层进行标签设定；
[0040]
4)根据地勘报告中土层参数(例如：天然重度γ)的设计参考值对每种土层赋予相应参数作为d[:,5]；
[0041]
5)在已有钻孔点云模型p上根据需求绘制相应的地质和盾构断面模型m
dm
；
[0042]
6)将建立好的模型m
dm
进行网格划分得到新的网格模型m
dm’；
[0043]
7)提取网格模型m
dm’的所有不重复的网格节点坐标v；
[0044]
8)依次对每一个网格节点v和钻孔点云模型p进行最小距离计算，通过knn算法推断出每个网格节点的最大似然土层种类，并赋予相应的标签，生成带有土层信息标签的v’；
[0045]
9)如果用于盾构隧道的管片设计则需要计算v’中每种土层下z坐标v’[:,3]的高程范围，最终输出该断面下每种土层的平均厚度与排列顺序；
[0046]
10)如果用于盾构施工中掌子面的岩土参数分布预测则提取钻孔数据(d[:,1]、d[:,2]、d[:,3]、d[:,5])作为训练样本然后导入universalkriging插值算法模型，并将训练后的模型用于预测该断面的岩土力学参数分布；
[0047]
11)将断面土层和物理性质参数分布利用可视化手段进行三维展示。
[0048]
步骤1)中，原始地勘数据的采集格式如下：
[0049]
表1地勘钻孔数据的格式
[0050]
其中，d
zk
[:,0]代表d
zk
中所有行第1列的数据，d
zk
[:,n]代表d
zk
中所有行第n-1列的数据，下同。对于d
zk
，同一个地勘数据钻孔有不同的土层分布，从上到下依次填写每一钻孔下各土层的上界面和下界面的高程以及土层代码，表1的参数在细划分单元后最终形成n行5列数据框(dataframe)d即：
[0051][0052]
其中，对原始地勘钻孔数据d
zk
的细分是在钻孔中生成分布更规律更密集并带有土层代码的点最终形成新的地勘钻孔数据d。d与d
zk
的区别主要在行数不同，k《《n。具体算法如表2：
[0053][0054]
表2
[0055]
步骤2)中，d[:,1]、d[:,2]、d[:,3]为数据框d中所有行的第2、3、4列数据，即每组x，y，z坐标，三维建模软件为具有命令流绘图或编程绘图功能的任意三维建模软件。点云建模p是通过直接输入x，y，z坐标自动生成的点云模型，其中x，y，z以n行3列数据框的格式储存在模型中，即：
[0056][0057]
步骤3)中，土层种数分析和土层类型标定算法如表3所示：
[0058][0059]
表3
[0060]
步骤4)中，对每种土层类型赋予对应土层参数设计参考值的算法如表4所示：
[0061][0062]
表4
[0063]
步骤5)中，地质和盾构断面模型m
dm
是以建模软件中brep边界表示的三维数字模型对象。
[0064]
步骤6)中，网格模型m
dm’是以建模软件中mesh表示的网格模型对象。
[0065]
步骤7)中，网格节点坐标v来自与mesh对象中网格顶点vertex的坐标，
[0066]
步骤8)中，赋予标签的v’是基于网格节点v之后添加土层种类信息的n行4列数据框，即：
[0067][0068]
步骤8)中，用于分析出每个网格节点所属的最大似然土层种类的knn算法，具体描述如表5所示：
[0069][0070]
表5
[0071]
步骤9)中，确定该断面土层厚度的算法如表6所示：
[0072][0073]
表6
[0074]
步骤10)中，训练三维universal kriging插值算法模型需要依次输入参数d[:,1]、d[:,2]、d[:,3]、d[:,5]、variogram_model＝"hole-effect"、drift_terms＝["regional_linear"]。训练完上述的模型后，通过如表7所示的算法进行断面中岩土参数的分布预测：
[0075][0076][0077]
表7
[0078]
步骤11)中，可视化展示手段是用具有命令流操作的图形渲染软件进行可视化展示。
[0079]
在其中一个实施例中，s2中的断面土层分布用于进行盾构隧道的管片设计。
[0080]
在其中一个实施例中，s2中的地质和盾构断面模型m
dm
包括实体对象solid与边界
对象brep。
[0081]
在其中一个实施例中，s2中以最小距离为指标分析出各个网格节点所属的最大似然土层种类soiltype以生成土层种类信息数据框v'＝(v soiltype)，包括：
[0082]
以各个网格节点的最小距离为指标，利用knn算法分析出各个网格节点所属的最大似然土层种类soiltype，生成土层种类信息数据框v'。
[0083]
在其中一个实施例中，s3中的土层参数分布用于进行盾构施工中掌子面的岩土参数分布预测。
[0084]
在其中一个实施例中，s1中分析地勘钻孔的土层数据d[:,4]得到土层的种类，包括：
[0085]
按照划分尺度对地勘钻孔的土层数据d[:,4]进行土层划分，获得土层种类；其中，划分尺度小于上土层和下土层之间界面的高程差；每种土层平均厚度为同一土层对应的三个以上厚度值的平均值。
[0086]
在其中一个实施例中，s3中的插值算法模型为三维universal kriging插值算法模型。
[0087]
在其中一个实施例中，方法还包括：
[0088]
s4：对断面土层分布和土层参数分布进行可视化处理。
[0089]
在其中一个实施例中，s4包括：依次进行顶点着色和模糊渲染对断面土层分布和岩土参数分布进行三维可视化处理。
[0090]
举例来说，地勘数据来源于某城市地下空间盾构工程的地勘报告，选取了省博始发井到秦园东路接收井之间盾构段的62个钻孔数据如表8所示，钻孔水平排布如图2所示。
[0091][0092]
表8原始地勘钻孔数据(单位：米)将原始地勘钻孔数据划分单元后：(假定划分单元的尺寸为0.5)
[0093][0094]
表9：划分单元后的地勘钻孔数据(单位：米)以上表格内的参数最终形成n行5列阶数据框d，即：
[0095][0096]
步骤2：将数据框d的d[:,1]、d[:,2]、d[:,3]数据列导入建模软件并通过命令流自动建立钻孔点云模型p，如图3所示。
[0097]
步骤3：读取划分单元的62地勘钻孔数据后，并分析出了总共出现的地层种类，经过标定土层标签如下表所示：
[0098][0099]
表10：划分单元后的地勘钻孔数据(单位：米)
[0100]
步骤4：根据地勘报告的信息，将上表的每种土层赋予岩土参数设计参考值。本实施例以天然重度γ(kn/m3)为例，具体赋值如下表所示：
[0101][0102]
表11：每种土层的天然重度γ的设计参考值
[0103]
步骤5～6：在钻孔点云模型的基础上根据具体位置需求绘制相应的地质和盾构断面模型并进行网格划分，本发明以盾构计划里程的100米为例，具体断面模型m
dm’如图4、图5所示。
[0104]
步骤7～8：提取各个网格模型m
dm’中所有不重复的节点坐标并通过knn算法分析出每个网格节点所属的最大似然土层种类，然后赋予相应的标签，生成赋予土层标签的v’。在该实施例中，经过反复测试和比较，knn算法的参数k取7。其中盾构断面的v’如下所示：
[0105][0106]
地质断面的数据框v’如下所示：
[0107]
[0108]
步骤9：根据地质断面的v’数据框计算每种土层标签下v’[:,2]的高程范围，并从高往底计算出该地质断面下每种土层的平均厚度与分布情况，结果如下表所示：
[0109][0110]
表12盾构里程100m处地质断面土层分布
[0111]
步骤10：利用训练好的universal kriging插值算法模型用于预测盾构断面中每个节点的岩土参数(以天然重度γ为例)，预测结果如下表所示：
[0112][0113]
表13盾构断面中每个节点的土层参数(天然重度γ)
[0114]
步骤11：通过顶点着色(vertexcolor)对地质和盾构的网格断面模型进行数值可视化展示。由于地质断面需要对不同类型的土层进行区别，所以采用灰度渲染；对于用作施工的盾构段面，则需要展现出岩土参数的阈值，所以渲染时的灰度参数与岩土参数成线性关系。两者可视化效果具体如图6～8所示。
[0115]
由表12和图6可以清晰解析出盾构里程100m处的地质分布情况，图6中的1～5依次代表表五中1-1、1-2、10-1、10-4、20a-2五种土层。本结果能反馈该断面的土层埋深参数，可用于管片结构的设计和计算；由表13和图7、图8可以解析出盾构里程100m处作业面的岩土参数空间分布与概率分布，有助于在掘进施工时提前采取相应的施工管理决策。
[0116]
本发明对地勘报告中的钻孔数据进行了细分，并基于空间数据进行了钻孔点云建模。然后通过建立断面的网格模型对网格各节点进行单元划分，本发明基于点云钻孔数据运用knn算法预测断面网格的土层分布；基于点云钻孔数据运用universal kriging插值算法预测岩土参数的分布情况。本发明最终将结果通过颜色渲染的方式进行可视化。本发明由预编码的程序进行执行，克服了重复的手动操作和人工计算的低效率问题，全过程可自动化反复进行。本发明基于计算机自动执行脚本，其反馈数值结果更准确、速度更快，结果也能从三维视角更加直观展示。本发明帮助设计和施工人员更准确、更及时地掌握地质情况。
[0117]
按照本发明的另一方面，提供了一种三维地质解析装置，应用于盾构隧道设计和施工，所述三维地质解析装置用于执行三维地质解析方法。
[0118]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。