一种盾构施工风险分析模型的自动构建方法及应用

1.本发明属于盾构施工风险预测相关技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，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：
7.(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；
8.(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；
9.(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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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：
14.(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；
15.(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；
16.(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。
17.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：
18.(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；
19.(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；
20.(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。
21.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。
22.按照本发明的另一个方面，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。
23.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
、τy和τz分别是空间两点的x，y和z方向上的绝对距离，δ
x
、δy和δz分别为土层土体x，y和z方向上自相关距离。
[0028]
进一步地，盾构施工风险概率分析的失效概率pf由下式给出：
[0029][0030]
其中，n为monte-carlo中所有的样本数，即为概率评估分析次数n
mcs
； i为目标函数，如果δ大于等于δ
lim
时，返回值为1，如果δ小于δ
lim
时，返回值为0。
[0031]
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，本发明提供的盾构施工风险分析模型的自动构建方法及应用主要具有以下有益效果：
[0032]
1.本发明中通过参数化隧道模型和参数化地质模型实现盾构施工风险分析模型的自动构建，突破传统盾构施工风险分析需要手动建模的限制，充分利用面向对象的参数化建模的优势，将参数化模型中的几何信息和非几何信息自动转换成盾构施工风险分析所需的输入参数，显著提升了风险分析的效率。
[0033]
2.本发明给出基于参数化模型的盾构施工风险分析二维模型及三维模型的自动构建方法，二维分析模型的分析速度更快，三维分析模型的能够更加准确地描述工程实际，通过本发明中提供的多维度的风险分析模型的自动构建方法，能够满足工程实践中的不同需求。
[0034]
3.本发明中的盾构施工风险分析二维模型是通过垂直于盾构施工方向的单个截平面截取参数化模型生成的，三维维模型是通过四个风险分析区间截平面截取参数化模型生成的，能够自动地将实际的地质情况解析并生成风险分析模型；同时通过point in polyhedron算法能够实现随机场的赋值和精准匹配，具有高效、直观且快速的特点；
[0035]
4.本发明中的盾构施工风险分析考虑了土体参数的不确定性，并结合随机场、概率评估算法和monte-carlo理论实现盾构施工风险概率分析，相较于传统的确定性分析，能够更加全面地考虑工程可能遇到的风险。
附图说明
[0036]
图1是本发明提供的一种盾构施工风险分析模型的自动构建方法及模型应用的流程示意图；
[0037]
图2是本发明盾构施工风险分析二维模型的生成过程的示意图；
[0038]
图3是本发明盾构施工风险分析三维模型的生成过程的示意图；
[0039]
图4是本发明盾构施工风险分析三维模型结合point in polyhedron算法来对所有随机场网格点根据其所属的土层进行分类的示意图；
[0040]
图5是盾构施工自动模拟算法的流程图；
[0041]
图6中的(a)、(b)分别是本发明实施例中盾构施工风险分析二维模型自动概率安全评估的结果示意图；
[0042]
图7中的(a)、(b)分别是本发明实施例中盾构施工风险分析三维模型自动概率安全评估的结果示意图；
[0043]
图8是本发明在盾构施工风险分析中土体单元数据交互所采用的数据结构图。
具体实施方式
[0044]
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。
[0045]
本发明提供了一种盾构施工风险分析模型的自动构建方法，所述自动构建方法主要包括以下步骤：
[0046]
s1，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。
[0047]
s2，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。
[0048]
s3，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。
[0049]
s4，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。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。
[0050]
本发明还提供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，具体包括以下步骤：
[0051]
s5，基于地质几何模型获取所有网格点，并结合参数化地质模型及pointin polyhedron算法获取所有网格点所属的土层，并按照地层进行分类和编号。
[0052]
s6，基于盾构施工风险分析模型及工程对象的特异性id来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，然后进行盾构施工风险分
析。
[0053]
s7，获取盾构施工风险分析的地表沉降、管片收缩和土体水变形的分析结果，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。
[0054]
以下以具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
[0055]
请参阅图1及图8，本实施方式提供了一种盾构施工风险分析方法，其具体包括盾构施工风险分析模型的自动构建方法及应用，具体步骤为：
[0056]
s1、通过多细节层次(levels of detail,lod)的盾构管片族和隧道设计轴线，获取相应管片宽度，按照管片宽度和设计轴线进行管片排片，生成参数化隧道的几何模型。
[0057]
步骤s1中，参数化隧道模型是通过多细节层次(levels of detail,lod) 的盾构管片族、隧道设计轴线以及盾构管片参数化信息实现参数化隧道模型快速构建的。其中，多细节层次(levels of detail,lod)的盾构管片族包括lod 100，lod 200和lod 300。管片族包含材料参数、施工参数以及解析得到的几何信息，这些规范化参数属性如表1所示：
[0058]
表1管片族参数
[0059]
参数化名称含义类型constitutive_model本构模型名称材料参数poisson泊松比材料参数density密度材料参数young_modulus杨氏模量材料参数ring_number环数施工参数grout_pressure_distribution注浆压力分布类型施工参数grout_pressure_sign_inc注浆压力增量施工参数grout_pressure_sign_ref注浆压力参考点施工参数surface_contraction面收缩施工参数face_pressure盾构机推力施工参数outside_diameter外径几何信息width宽度几何信息thickess厚度几何信息
[0060]
s2、以参数化管片作为载体并约定参数化属性的命名规范，定义管片相应的材料参数和施工参数，完成参数化隧道的参数化配置。
[0061]
s3、规范化钻孔数据，通过每层土几何上下限坐标生成相应的土层，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。
[0062]
s4、通过参数化隧道模型和参数化地质模型生成盾构施工风险分析几何模型。
[0063]
盾构施工风险分析模型包含两种类型：二维模型和三维模型。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，并通过布尔运算等几何操作同时剖分参数化隧道模型和参数化地质模型得到的。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。
[0064]
请参阅图2，盾构施工风险分析二维模型的构建具体包括以下步骤：
[0065]
(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；
[0066]
(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；
[0067]
(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。
[0068]
请参阅图3及图4，盾构施工风险分析三维模型的构建具体包括以下步骤：
[0069]
(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；
[0070]
(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；
[0071]
(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。
[0072]
其中，盾构施工风险分析模型(二维和三维)中每个工程对象(如，隧道管片和土层等)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(universally unique identifier,uuid)在数据库检索得到的。
[0073]
s5、通过s4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。
[0074]
s6、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。
[0075]
请参阅图5，盾构施工自动模拟具体包含以下步骤：
[0076]
(a)获取概率评估分析次数n
mcs
，设计概率分析计数器n等于1；
[0077]
(b)通过随机场生成器为分类和编号后的网格点生成随机场；
[0078]
(c)风险分析初始化，生成初始地应力，获取模型中的施工参数和材料参数；
[0079]
(d)执行盾构掘进步骤模拟，激活代表盾构机的板单元模型，施加注浆压力，激活面收缩模拟地层损失，激活盾构管片；
[0080]
(e)存储模拟分析结果，设计概率分析计数器的值加1；
[0081]
(f)重复步骤(b)～(e)，直到设计概率分析计数器的值大于概率评估分析次数n
mcs
，分析结束。
[0082]
盾构施工自动模拟中的随机场由以下方法生成：
[0083]
二维土层随机场的相关方程由下式计算：
[0084][0085]
三维土层随机场的相关方程由下式计算：
[0086][0087]
其中，τ
x
、τy和τz分别是空间两点的x，y和z方向上的绝对距离，δ
x
、δy和δz分别为土层土体x，y和z方向上自相关距离。
[0088]
s7、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。盾构施工风险概率分析的失效概率pf由下式给出：
[0089][0090]
其中，n为monte-carlo中所有的样本数，即为概率评估分析次数n
mcs
； i为目标函数，如果δ大于等于δ
lim
时，返回值为1，如果δ小于δ
lim
时，返回值为0。
[0091]
请参阅图6及图7，以盾构施工风险二维分析模型为例，预定义概率评估分析次数n
mcs
为1000次，通过步骤s1～s6，获取盾构施工引起的地表沉降和竖向管片收缩的统计值，其均值分别为-33.75mm和60.15mm。为验证概率评估方法相较于传统确定性安全评估(deterministic safety assessment, dsa)的优势，这里对两者的分析结果进行了对比分析。传统确定性安全评估的输入值为概率评估方法输入值的期望值，得到的盾构施工引起的地表沉降和竖向管片收缩的最大值分别为-33.77mm和60.17mm。根据概率安全评估的结果，如果按照传统确定性安全评估，会有41.1％和45.3％的概率超出工程师对盾构施工风险的确定性评估。
[0092]
以盾构施工风险三维分析模型为例，预定义概率评估分析次数n
mcs
为 1000次，通过步骤s1～s6，选取盾构施工引起的地表沉降和土体水平位移为指标，发现汇总的分析结果中，最大地表沉降和土体水平位移分别为
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35.88mm和12.71mm，地表沉降和土体水平位移的均值分别为-33.95mm 和11.05mm。地表沉降和土体水平位移的控制值分别设置为-35.0mm和 12.5mm，在这种情况下，以这两种指标作为参考，盾构施工的失效概率分别为3.6％和0.3％。
[0093]
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。